电热火工品脉冲电磁波环境适应性设计方法研究

褚恩义，白颖伟，任 炜，程加奇

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

电热火工品是我国现役武器装备较多的火工品，广泛应用在海陆空天等装备中。该类火工品采用电热桥丝作为换能元，换能机理为电热换能机理，火工药剂为以氮化铅为主的敏感起爆药，以及斯蒂芬酸铅为主的点火药。电热火工品的作用机理和装药种类决定了它可低能量发火，但同时易受电磁信号的干扰[1]。根据对电热火工品作用机理的不同，电磁信号可分为连续电磁波和脉冲电磁波。脉冲电磁波主要以电压形式加载在电热火工品脚-壳或脚-脚之间，若电热火工品局部出现过热，则可能出现意外发火或瞎火。电热火工品的电磁脉冲感应为绝热过程，需要的电磁能量小，因而电磁脉冲感度高[2]。

GJB 151A-97对脉冲电磁波形参数规定为：上升时间（10%～90%）不大于10ns，波宽约为85ns，场强为50kV/m[3]，与MIL-STD-461D规定的波形基本相同。而美军标中有关波形总的变化趋势是前沿变陡，持续时间变短，相应的高频分量增多，对电热火工品的耦合作用有所加强，对电热火工品的危害加剧[4-5]。前期的研究发现，安全电流在 50mA以下的低能量发火电热火工品，在此脉冲电磁波形下发火，不能满足GJB 151A对试件的要求[6]。

本文通过分析一种低能量发火电热火工品对脉冲波的响应特点，设计了具有特定功能的保护电路，选择了一种TVS二极管进行电磁波环境适应性研究，为低能量发火电热火工品满足国军标抗电磁脉冲要求提供一种设计方法。

1 电热火工品在脉冲电磁波环境中的作用规律

本文采用陕西应用物理化学研究所建立的脉冲效应测试系统，以某低发火能量电点火管为研究对象，研究其在模拟脉冲波环境下的作用现象。由电磁脉冲发生装置和 GTEM 传输装置组成的电磁脉冲系统可模拟产生不同标准波形的电磁脉冲，利用宽频带光纤测量系统，对 GTEM 传输装置内的电场强度进行测量，采用电流环对火工品换能元的感应能量进行定量测试，通过积分计算其耦合能量。

测试时选择的脉冲电磁波形如图1所示，参数为上升时间≤3ns，半高宽约 23ns，放电电压分别选择3×10-4V、3.5×10-4V、4×10-4V、5×10-4V和6.5×10-4V进行试验，试件装配方式见图2，试验结果见表1。

图1 典型的试验波形及参数Fig.1 Typical experimental waveform and parameters of pulse electromagnetic environment

图2 电磁脉冲辐射式装配结构图Fig.2 Assembly structure of electromagnetic pulse radiation environment simulation test

表1 某低能发火电点火管脉冲电磁波环境效应试验数据Tab.1 Experimental results of the effects of pulse electromagnetic wave on hot-wire EED

从表1试验结果可以看出，随着系统放电电压的增加，对应的场强呈比例递增，峰值感应电流随之增加，感应能量也随之增大。低能发火电点火管在这种装配状态下，当承受的脉冲电磁波场强约为27 kV/m时发火，不能满足国军标151A要求。

2 电热火工品脉冲电磁波环境适应性设计方法

为了确保电热火工品在脉冲电磁波环境中的安全性和可靠性，通常设计特定功能的保护电路，在意外受到高能量的电磁波干扰时，保护电路瞬时导通，将大部分具有破坏能力的能量泄放掉，从而使电热火工品受到保护，避免意外发火。保护电路大多采用火花隙、半导体击穿器件等，其原理是利用某些晶体材料在强电场中从介质表面发射电子，在周围介质中产生电弧形成放电通道，从而使高电压在瞬间泄放。半导体击穿器件包括 TVS二极管、整流二极管、齐纳二极管和非线性电阻器等，这些器件在高电压时电阻较小，响应迅速，能瞬间泄放掉静电高压等电磁能量，而在低电压条件下呈高阻状态，不影响电热火工品正常发火，具有理想的保护作用。本文选择的 TVS二极管体积小、瞬态电压拟制性能高，能方便地与电热火工品的电极塞集成设计，可与被保护换能元并联，在高电压时产生雪崩，为瞬态电流提供通路，使换能元免遭高电压的击穿而起爆。

3 TVS二极管在电热火工品脉冲电磁波适应性设计方法中的应用

本文首先利用TVS二极管进行试验，该TVS二极管的击穿电压为15.8V，动态电阻小于0.6Ω，外形结构如图3所示，脉冲源输出波形参数与前文相同，试件同样选用低能量电点火管，装配方式见图4，试验结果见表2。从表2试验结果可以看出，TVS二极管能较好地泄放脉冲电磁波环境下的感应能量，选用的低发火能量电点火管能满足国军标151A要求。

为了验证 TVS二极管对电热火工品电爆性能的影响，首先采用动态斜坡法进行了该电点火管的感度试验[7]，以平均发火电流和标准偏差的变化来判定该方法对电热火工品的性能影响，试验采用斜升率为1A/s，试验结果见表3。

图3 TVS二极管Fig.3 TVS diode

图4 并联TVS二极管的实验布置示意图Fig.4 Schematic of experimental facility using TVS diode in parallel connection

表2 低能量发火电点火管脉冲波环境适应性设计试验结果Tab.2 Experimental results of hot-wire EED after environmental adaptability design

表3 低发火能量电点火管动态斜坡法试验结果Tab.3 Experimental results of dynamic ramp method on hot-wire EED

按公式（1）和（2）分别求得并联TVS二极管前后的平均发火电流和标准偏差：

从表3试验结果可以看出，并联TVS二极管后，电点火管的平均发火电流有了较大的改变，说明并联TVS二极管的电点火管安全性得到了极大的提高。采用高速摄影来判定电点火管的输出性能变化，并联TVS二极管前后的电点火管输出图像见图5～6。从高速摄影结果来看，并联 TVS二极管前后电点火管的输出火焰长度无显著变化，分别为47mm和45mm，证明TVS二极管不会影响电热火工品正常使用。

图5 未并联TVS二极管电点火管输出高速摄影图Fig.5 High speed photography images of electric igniter without TVS diode

图6 并联TVS二极管电点火管输出高速摄影图Fig.6 High speed photography images of electric igniter with TVS diode

4 结语

本研究选择的 TVS二极管体积小、瞬态电压抑制性能高，可与被保护换能元并联，在高电压时产生雪崩，为瞬态电流提供通道，从而保护换能元。试验表明加入 TVS二极管后，电热火工品的脉冲电磁波环境适应性能满足相关国军的要求。下一步研究首先要解决 TVS二极管与电极塞玻璃体的共烧技术，一方面要确保电极塞成型，另一方面电极塞的各项性能，如抗过载、强度等，需满足火工品设计要求。

[1]王可暄,白颖伟,任炜,等.电热火工品连续电磁波环境下作用规律[J].含能材料,2012,(20)5:610-613.

[2]姚洪志,封青梅,纪向飞,等.电火工品电磁脉冲效应[C]//首届电磁效应与防护技术研讨会论文集.西安:解放军军械工程学院, 2009.

[3]GJB 151A-97军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求[S].国防科学技术工业委员会,1997.

[4]MIL-STD-461E电磁干扰发射和敏感度控制要求[S].1998.

[5]MIL-STD-461F电磁干扰发射和敏感度控制要求[S].2007.

[6]纪向飞，封青梅，李锦荣,等.电火工品抗核电磁脉冲测试技术研究[J].国防技术基础,2008(3): 21-24.

[7]白颖伟,蒋庄德,赵玉龙,等.火工品感度测试动态斜坡法与升降法比较研究[J].含能材料,2006, 14 (3):200-204.