线同步爆炸网络爆轰输出同步性偏差估算

梁安定，孙兴昀，李广嘉

(西安近代化学研究所， 西安 710065)

爆炸网络是一种由爆炸元件构成的，实现爆轰信号多路径可靠可控传递的爆炸物品。它的应用需求广泛，在核武器、空间武器、防空反导导弹战斗部以及钝感弹药研究领域均有迫切需求[1]。同步爆炸网络是具有单端输入，多端同步输出功能的爆炸网络。其按输出端的分布状况又分为面同步爆炸网络和线同步爆炸网络两种，分别用于实现平面多点同步起爆和沿直线多点同步起爆。在前人的研究当中可以看出[2-5]：面同步爆炸网络的设计构型主要是中心输入端与圆周分布的输出端之间通过辐射状网络连接，线同步爆炸网络的设计较为复杂，需要复杂往复的折线连接，以实现网络线从输入端到各个输出端之间的等距离。由于线同步爆炸网络可以近似模拟线起爆模式，正迎合了防空反导定向战斗部侧向线同步起爆的迫切需求，而成为了定向战斗部的关键技术之一，国内外各个研究机构对其进行的研究方兴未艾[5-9]。

线同步爆炸网络的炸药网络布设方式多种多样，其中在机械加工而成的基板沟槽内布药是目前较为成熟的一种线同步爆炸网络成型方式[1-2,10]。本文主要对线同步爆炸网络进行讨论，分析引起沟槽内布药的线同步爆炸网络爆轰传播时间误差和输出同步性偏差的影响因素，并针对“一入五出”线同步爆炸网络性能进行了分析和实验验证。

1 线同步爆炸网络结构

线同步爆炸网络由一个输入端和多个输出端组成。由于其要实现同步输出，故从输入端到各个输出端的网络刻槽总长度均一致。为了实现上述功能，在设计上一般为多个“一入二出”单元或“一入二出”单元简化后的“一入一出”单元组成的树形结构[10]。从输入端到每个输出端的单元数量相等。以输入端为基准，控制各级单元“入”端与基准的线性尺寸可以达到控制网络布线精度的目的。设输出端个数为n，网络横向布线间距为a，以精度控制为目的的输出端横向定位距离为m,一级布线长度为b、二级布线长度为c(不同字母代表不同级别布线长度，如为性质相同的多个布线，则依次加注标号，如c1、c2、c3…)。“一入五出”线同步爆炸网络示意图见图1。

图1 “一入五出”线同步爆炸网络示意图

2 线同步爆炸网络爆轰传播时间误差分析

对线同步爆炸网络爆轰传播的时间误差进行分析，从输入端到某一输出端网络爆轰传播时间可表示为[10]

(1)

式(1)中，T为网络传播时间；L为网络长度；D为装药爆速；n为网络装药拐角数量；tπ/2为爆轰拐角延迟时间。

假设tπ/2与D无关，则L、D和tπ/2为3个独立变量的函数。

假设误差属于正态分布，由误差传播公式可得作用时间的偏差为[11]

(2)

(3)

根据线同步爆炸网络具体指标，确定ΔL，ΔD和 Δtπ/2后，可以计算线同步爆炸网络爆轰传播的时间误差ΔT。

3 输出同步性分析

由于L和n是网络走线设计的固定值，网络走线设计确定后，L和n就是定值。D则是网络装药的固有参数，网络装药选定后，D也为定值。根据上述分析，ΔL，ΔD、 Δtπ/2三项参数是线同步爆炸网络爆轰传播时间误差的3个主要因素。

对于输出同步性分析来说，Δtπ/2在网络布线宽度满足装药极限尺寸、工艺合理的同件线同步爆炸网络中误差很小，不足以显著影响到线同步爆炸网络的同步性[12]。而ΔD是线同步爆炸网络的固有特性参数，当装药类型和装填工艺确定后，实际上装药的ΔD是一个可控的数值。分析后可以确定，对于结构设计和装药状态确定后的线同步爆炸网络，爆轰传播的时间误差ΔT主要由ΔL引入，因此下面主要针对ΔL分析。

对于线同步爆炸网络，加工误差可能会导致输出端定点位置以及网络布线长度发生偏差，这些偏差使得输入端到各个输出端之间的长度不一致，从而造成装药长度的不一致。实际上，线同步爆炸网络的加工工艺非常讲究[13-14]。通常情况下，线同步爆炸网络的沟槽并非采用铣刀沿设计线路直接走线加工。若采用铣刀直接走线，在网络沟槽转向或钻孔过程中均会带来线性误差的累积，使得输出端的定位误差偏大。较为合理的网络沟槽加工是以输入端端面为基准面(图1)，首先将拐角点、输出端孔分别定位成形，然后采用铣刀连通各个拐角点和输出端。由于各个拐角点和输出端均为同基准面定位加工，其定位精度很高。各个拐角点和输出端定位准确后，实际上网络沟槽长度误差仅仅是与各个拐角点和输出端的定位精度有关了。假设a、b和c的设计公差为±Δa、±Δb和±Δc，输出端孔独立定位的定位公差均为±Δm，可以统计出输入端到各个输出端刻槽长度的误差。由于输入端到各个输出端支线有的具有共线性，有的则相对独立，因此存在输入端到输出端网络支线中最大长度误差ΔLmax。

由于各个输出端之间的相对位置以及支线中包含的转弯拐角定点位置不同，导致其支线路径及路径长度误差不同。根据线同步爆炸网络的设计结构分析，可以得出计算任意两输出端同步性偏差的原则如下：

1) 输入端到两输出端之间，经过的同一网络直段布线不产生同步性偏差；

2) 输入端到两输出端之间，经过的同一级别、同性质但不同段网络直段布线可能会产生同步性偏差，纵向布线(横向布线间距)偏差最大为2Δ。横向布线偏差视经过的“入”端爆轰传播方向是否反向而定：每经过一个“入”端到“出”端反向，其最大产生2Δ长度偏差，若同向，长度偏差因被“淹没”而为0；

3) 输入端到两输出端之间，由于输出端孔定位将最大产生2Δ长度偏差。

根据以上原则对各个输出端之间的刻槽长度进行统计，可以得出刻槽长度的最大偏差。通过式(4)可计算出因加工误差产生的线同步爆炸网络同步性最大偏差。

(4)

式(4)中：Δtmax为同步性最大偏差，Δlmax为输出端之间的最大刻槽长度偏差，D为刻槽装药爆速。

4 “一入五出”线同步爆炸网络分析计算

以“一入五出”线同步爆炸网络为例， 五个输出端之间的刻槽长度的偏差统计如表1所示。

以某“一入五出”线同步爆炸网络设计方案中的参数为例进行了网络传播的时间误差ΔT和同步性最大偏差Δtmax的计算。网络装药爆速D=8 300 m/s，ΔD=±50 m/s,Δtπ/2=8 ns；线同步爆炸网络L=782 mm，±Δa、±Δb、±Δc和±Δm均为±0.1 mm。

对爆轰传播时间误差进行计算：通过分析，输入端到输出端网络支线中最大长度误差ΔLmax=2Δa+Δb+Δc+Δm=0.5 mm，根据式(3)，计算得ΔT=±0.57 μs。

对同步性最大偏差进行计算：根据表1得到Δlmax=4Δa+2Δb+4Δc+2Δm=4Δa+4Δb+2Δc+2Δm=1.2 mm，根据式(4)，计算得Δtmax=0.15 μs。

从数值上看，加工误差对输出端同步性影响较大。但加工误差属于偶然误差，偶然误差具有抵偿性[15]，因此输出端同步性实际偏差可能更小。

表1 “一入五出”线同步爆炸网络的五个输出端之间的刻槽长度的偏差统计

5 实验验证

为了对“一入五出”线同步爆炸网络的同步性进行考核，开展了实验测试工作。“一入五出”线同步爆炸网络采用了硬铝制作基板，其网络装药为DNTF基熔铸炸药。DNTF基熔铸炸药的爆速D不小于8 300 m/s，ΔD=±50 m/s,Δtπ/2≈8 ns,线同步爆炸网络L=782 mm，网络沟槽采用数控加工中心制作，“一入五出”线同步爆炸网络实验件共两件,编号分为001和002。

对设计的“一入五出”线同步爆炸网络输出同步性进行测试的系统为： PXI总线测试系统，其由六槽NI PXI-1036机箱、JV58115采集模块和JV58124B 四通道超高速定时/计数器模块组成。PXI-JV5812B超高速定时/计数器的时间分辨率最高达4 ns。

实验布置示意图见图2。实验后的线同步爆炸网络照片见图3，实验实测波形见图4。实验统计数据见表2。

从表2可以看出，“一入五出”线同步爆炸网络实验件实验后的五点输出同步性偏差最大为0.140 μs，小于理论分析的Δtmax=0.15 μs。

图2 实验布置示意图

图3 实验后的线同步爆炸网络照片

图4 实验实测波形

6 结论

影响线同步爆炸网络爆轰传播时间误差的3个主要因素为网络刻槽长度误差、装药爆速误差和网络装药拐角爆轰时间延迟误差，且应重点考虑网络刻槽长度误差的影响。分析了线同步爆炸网络的设计结构和工艺特点，得到了理论计算任意两输出端同步性偏差的三条原则。

对“一入五出”线同步爆炸网络的爆轰输出同步性偏差进行了分析和验证。实验测得的五点输出同步性偏差最大为0.140 μs，小于理论分析值0.15 μs，理论分析结论的正确性得到了验证。