某新型沉雷器设计研究

王 端，高一隆，李 帅，张丽莎， 刘德虎

某新型沉雷器设计研究

王 端1，高一隆1，李 帅1，张丽莎2， 刘德虎3

（1.中北大学环境与安全工程学院，山西 太原，030051；2.山西汾西重工有限责任公司，山西 太原，030012；3.安徽军工集团 9374 厂，安徽 合肥，231135）

为了使得水中兵器能够可靠下沉到海底，设计了一种新型沉雷器。该沉雷器总体结构采用活塞式拔销结构，既能保证产品作用前大深度承压密封性，又能确保作用后实现水中兵器进水功能。同时，该沉雷器为了满足在水面舰船和近战岸基的使用，采用低通滤波器设计，以达到电磁兼容性要求。验证试验结果表明该沉雷器密封性、静电感度满足技术要求，作用后无飞片，保证操作安全。

沉雷器；结构设计；电磁兼容性；密封性

沉雷器是一种进水自毁装置，其功能是使装备产品具有良好的保密性，防止产品被敌方打捞导致泄密。沉雷器在水雷、鱼雷及航行器等水中兵器行业应用非常广泛。在鱼雷中主要用于打击工作异常时，防打捞泄密自毁；在水下航行器中主要用于航行异常无法正常回收时，进水自毁；在水雷中主要用于水下战斗服役结束或水下战斗服役期间工作异常时的自毁。传统沉雷器的结构主要是分装拉断式结构和切割索式结构，其结构较为复杂，加工和装配工艺性差。在装配和使用过程中，若意外作用会产生飞片，可能对人员和产品造成损伤，具有一定安全隐患。

本研究设计了一种新型沉雷器，总体结构采用活塞式拔销结构，利用电起爆器作用后产生的高压气体，瞬间剪断固定销薄弱环节使活塞回缩，打开进水孔，从而达到装备产品进水自沉的目的[1]。该新型沉雷器结构简单，加工和装配工艺性好，作用后无飞片，操作和使用过程中具有较高的安全性。同时，为了沉雷器在复杂战场具有良好的使用性，充分考虑了其电磁兼容性，设计一种低通滤波器，提高防射频和防静电能力。

1 总体结构及工作原理

所设计的沉雷器总体结构如图 1 所示，该结构采用活塞式拔销结构，主要由整流罩、活塞、固定销、电起爆器、低通滤波器等组成。所设计沉雷器的工作原理是当装备产品发出指令，给沉雷器通以额定电流后，电起爆器作用，产生的高压气体在密闭空间做功，瞬间剪断固定销，使活塞向沉雷器壳体内部回缩的同时带动螺杆使进水盖打开，露出壳体侧面的轴向进水孔，海水从进水盖沿轴向进水孔进入装备产品内部，使产品负浮力逐渐增大，下沉至海底。沉雷器作用后进水时结构示意图如图 2 所示。

图2 沉雷器进水时结构图

2 沉雷器主要组成部分设计

2.1 整流罩设计

整流罩主要由进水盖、整流盖等组成。进水盖和整流盖外表面线性设计，与装备产品整体线型保持一致，尽可能减少装备产品航行时的阻力，不影响流体动力学参数，以满足装备产品航行过程中，有稳定的排水体积，确保精确航行。整流罩结构示意图如图 3 所示。

2.2 壳体设计

2.2.1 材料的选择

由于水中兵器主要在海洋中使用，海水具有一定的腐蚀性。为了降低海水对沉雷器的腐蚀性，并尽可能降低沉雷器自重，减轻装备产品动力源负担，选用防锈铝 5A06 作为基材，表面处理采用 Al/Et·A（S）·Cs（TQ），减少海水对壳体的腐蚀性；另外，可在壳体表面涂覆海洋防污材料，以满足水雷行业水下战斗服役期时间较长的特殊需求，避免活动部件间海生物附着，使沉雷器性能降低。

图 3 整流罩结构图

2.2.2 轴向进水孔设计

为了保证海水进水量的有效性，进水孔是沉雷器设计的关键。该新型沉雷器进水孔道分为端面进水孔和轴向进水孔，确保轴向进水孔面积不小于端面进水孔面积才能保证进水量的有效性。结构见图 4。

图4 三孔壳体结构图

以沉雷器端面进水孔直径为φ50mm 为例，端面进水面积为：

1=3.14×252=1 962.5mm2（1）

在壳体上设计3个均匀分布的轴向进水孔，每个轴向进水孔的端面长度1=44mm，轴向长度2= 15mm，则轴向进水面积为：

2=3×1×2=1 980mm2＞1（2）

因此，能够保证海水进水量的有效性。

2.3 活塞设计

活塞是整个沉雷器中的承力部件，材料选用防锈铝，由于轴向尺寸受限，将电起爆器设计在活塞的内部，可以大大节约空间，同时在活塞上设计 4 个导气孔，保证电起爆器作用后产生的气体能够快速进入活塞与壳体的空间，在压力作用下，使活塞回缩，活塞回缩碰到堵盖后，缓冲套与堵盖过盈使活塞停止运动。具体结构如图 5 所示。

图 5 活塞结构图

2.4 固定销剪切部位直径设计

固定销在沉雷器中有两个作用，当沉雷器未作用时，固定销需承受装备产品使用最大水深的压力并保证良好的气密性；在沉雷器作用时，固定销应被活塞运动可靠剪断。以装备产品使用水深 240m为例，需承受压强 2.4MPa 水压。

假设作用在活塞剪切部位端面的力为1，活塞的面积为1，活塞受到的压强为1，活塞直径为φ50mm，则有：

1=1×1=2.4×106×3.14×0.0252=4 710 N （3）

作用在每个固定销的作用力2为：

2=1/3=4 710/3=1 570 N （4）

固定销设计为铝螺钉，材料为5A06，铝的抗疲劳强度为0.1=215MPa，则固定销剪切部位最小直径1为：

由于水压裕度系数取 1.2，综合安全裕度取 1.3 的安全系数，则剪切部位直径2为：

2=1.3×1=4mm （6）

因此，满足设计要求。具体结构如图 6 所示。

图 6 固定销结构图

当固定销的直径为φ4 mm，材料为 5A06，铝的抗剪切强度为б=210MPa，因此，电起爆器作用后要剪断 3 个固定销所需的力3为：

3=3×б×2=3×210×106×3.14×0.0022=7 912.8 N （7）

电起爆器作用后气体作用的起始面积3为：

3=3.14×(352-332)=0.43×103mm2（8）

则起始压强2为：

2=3/3=18.4MPa （9）

电起爆装药量产生的压强3为：

式（10）中：3为药剂燃烧后产生的最小气体量， kg/dm2；为药剂装药量282mg；为起始总体积3.8× 10-3dm3；k为修正系数，取0.4；为火药力252× 104kg·dm/kg；为火药气体余容，1dm3/kg。

代入数据计算可知：3=118MPa，3＞2

因此，固定销既能在沉雷器作用之前，可以承受 2.4 MPa 的水压；又能在沉雷器作用之后，能被可靠剪切断，满足设计要求。

2.5 电磁兼容性设计

该沉雷器为了满足在水面舰船和近战岸基的使用，良好地适应复杂战场环境，充分考虑了电磁兼容性。

2.5.1 防射频设计

该沉雷器的电起爆器发火件采用敏感桥丝式双桥设计，发火能量为 1A，单桥相当于 500mA。由于沉雷器为敏感型火工品，为了满足防射频要求，在壳体底部安装低通滤波器，低通滤波器与电起爆器通过导线连接。低通滤波器具有体积小、重量轻、成本低、使用方便等特点，能有效降低和消除射频干扰，保证敏感型火工品的防射频能力，而火工品自身感度不发生变化[2-3]。另外在低通滤波器设计中并联1个 TVS 管，能有效解决沉雷器脚线间静电、电磁兼容性问题。

2.5.2 防静电设计

由于电起爆器发火件采用敏感桥丝式结构设计，对静电较为敏感，因此需进行防静电设计[4-5]。本结构的防静电设计采用“堵”和“泄放”两种方式相结合。具体结构如图 7 所示。

由图 7 可知，A-B 通道为危险通道，采用“堵”的方式，根据陶瓷和封接玻璃材料的绝缘强度参数及尺寸设计，25 000V 静电不会击穿 A-B 通道；C-B 通道是静电泄放通道，当有静电作用时，泄放通道首先被击穿，进行静电泄放，保证产品安全。该结构可以安全可靠地实现静电泄放，满足脚壳间防静电要求[2]。

2.6 密封性设计

本沉雷器的密封性设计主要是采用橡胶圈密封结构设计，密封圈可防止海水从沉雷器的外壳与雷体孔座之间进入雷体内；沉雷器上部的2个密封圈防止海水沿活塞与壳体之间的缝隙进入，下部的2个密封圈起密封空间作用，防止电起爆器作用后产生的气体泄漏，导致活塞没有回缩到指定位置。

3 验证试验

3.1 密封性试验验证

密封性试验是沉雷器的重要考核指标，分为水密性试验和气密性试验。以240m水深为例，在外水压为 2.4MPa 时进行水密性试验；在沉雷器内部充入气体到 0.1MPa 进行气密性试验，试验结果见图8。

图8 密性试验结果

由图 8（a）可知，沉雷器在外水压为 2.4MPa 时，可以保压 30 min，沉雷器内部没有进水现象，满足功能要求。由图8（b）可知，在沉雷器内部充入气体，当压强达到 0.1MPa 时，至少可以保压 10min，沉雷器没有发生漏气现象，满足功能要求。

3.2 静电感度试验验证

根据 GJB 344A-2005钝感电起爆器通用规范中的试验方法，采用充电至（25 000±500）V 的（500± 25）pF 的电容器，通过（5 000±500）Ω的串联电阻，在电起爆器插针与壳体，插针与插针之间分别进行放电试验。试验数量 32 发。

在试验过程中，无1发产品发火。静电感度试验后进行发火试验，均可靠发火，满足功能要求。

3.3 功能试验验证

对沉雷器进行了功能试验，沉雷器作用前后实物图如图9所示。从图9可以看出，沉雷器在作用之后固定销能被可靠切断，使活塞回缩到指定位置，实现了水从进水盖进入，再从轴向进水孔流入雷体的功能，且作用后无飞片，满足使用要求。

图 9 沉雷器作用前后实物图

4 结语

本文介绍了一种新型沉雷器，通过结构设计、密封承压设计、电磁兼容性设计，保证了沉雷器使用的安全性和隐蔽性，为沉雷器应用于水中兵器奠定了基础。同时，该沉雷器不仅确保了装备产品精确航行，还能防止装备产品被敌方意外打捞造成的泄密风险。

[1] 崔卫东,关翔云,惠蕾.拔销器的小型化设计[J].火工品,2006 (2):17-19.

[2] 朱星宇.锐截止宽阻带未带低通滤波器设计研究[D].武汉:湖北大学,2016.

[3] 王端,杨正才,朱建国.某敏感型电点火具防射频设计研究[J].火工品,2006(6):9-12.

[4] 杨三斌.桥丝式爆炸螺栓防静电设计与性能验证[J].装备环境工程, 2015, 12(6):142-146.

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[6] 许三祥.自导水雷及其自导装置发展初探[J].舰船科学技术, 2008(2):89-91.

Research on the Design of A New Type of Sunken Mine Device

WANG Duan1, GAO Yi-long1, LI Shuai1, ZHANG Li-sha2, LIU De-hu3

（1.School of Environment and Safety Engineering, North University of China, Taiyuan, 030051；2.Shanxi Fenxi Havy Industry Co.Ltd., Taiyuan, 030012；3. 9374 Factory of Anhui Military Industry Group, Hefei, 231135）

In order to make the underwater weapon sink to the seabed reliably, a new type of sunken mine device is designed in this paper. The overall structure of the sunken mine device adopts the piston-type pull-out structure, which not only ensure the sealing property of large depth pressure bearing before work, but also guarantee the realization of water intake function after work. In addition, the low-pass filter is adopted to meet the requirement of surface ship and close-in shore-based. In this way, it can meet the requirement of electromagnetic compatibility. The verification test results show the sunken mine device can meet the requirement of sealing and anti-static, and ensure the safety of operation without flapper after work.

Sunken mine device；Structure design；Electromagnetic compatibility；Sealing property

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.03.001

1003-1480（2019）03-0001-04

2019-04-05

王端（1973-），男，研究员级高级工程师，主要从事火工品设计与研究。