王 端，高一隆，李 帥，張麗莎， 劉德虎

某新型沉雷器設(shè)計(jì)研究

王 端1，高一隆1，李 帥1，張麗莎2， 劉德虎3

（1.中北大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原，030051；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司，山西 太原，030012；3.安徽軍工集團(tuán) 9374 廠，安徽 合肥，231135）

為了使得水中兵器能夠可靠下沉到海底，設(shè)計(jì)了一種新型沉雷器。該沉雷器總體結(jié)構(gòu)采用活塞式拔銷結(jié)構(gòu)，既能保證產(chǎn)品作用前大深度承壓密封性，又能確保作用后實(shí)現(xiàn)水中兵器進(jìn)水功能。同時(shí)，該沉雷器為了滿足在水面艦船和近戰(zhàn)岸基的使用，采用低通濾波器設(shè)計(jì)，以達(dá)到電磁兼容性要求。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明該沉雷器密封性、靜電感度滿足技術(shù)要求，作用后無飛片，保證操作安全。

沉雷器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電磁兼容性；密封性

沉雷器是一種進(jìn)水自毀裝置，其功能是使裝備產(chǎn)品具有良好的保密性，防止產(chǎn)品被敵方打撈導(dǎo)致泄密。沉雷器在水雷、魚雷及航行器等水中兵器行業(yè)應(yīng)用非常廣泛。在魚雷中主要用于打擊工作異常時(shí)，防打撈泄密自毀；在水下航行器中主要用于航行異常無法正常回收時(shí)，進(jìn)水自毀；在水雷中主要用于水下戰(zhàn)斗服役結(jié)束或水下戰(zhàn)斗服役期間工作異常時(shí)的自毀。傳統(tǒng)沉雷器的結(jié)構(gòu)主要是分裝拉斷式結(jié)構(gòu)和切割索式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，加工和裝配工藝性差。在裝配和使用過程中，若意外作用會(huì)產(chǎn)生飛片，可能對(duì)人員和產(chǎn)品造成損傷，具有一定安全隱患。

本研究設(shè)計(jì)了一種新型沉雷器，總體結(jié)構(gòu)采用活塞式拔銷結(jié)構(gòu)，利用電起爆器作用后產(chǎn)生的高壓氣體，瞬間剪斷固定銷薄弱環(huán)節(jié)使活塞回縮，打開進(jìn)水孔，從而達(dá)到裝備產(chǎn)品進(jìn)水自沉的目的[1]。該新型沉雷器結(jié)構(gòu)簡單，加工和裝配工藝性好，作用后無飛片，操作和使用過程中具有較高的安全性。同時(shí)，為了沉雷器在復(fù)雜戰(zhàn)場具有良好的使用性，充分考慮了其電磁兼容性，設(shè)計(jì)一種低通濾波器，提高防射頻和防靜電能力。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

所設(shè)計(jì)的沉雷器總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，該結(jié)構(gòu)采用活塞式拔銷結(jié)構(gòu)，主要由整流罩、活塞、固定銷、電起爆器、低通濾波器等組成。所設(shè)計(jì)沉雷器的工作原理是當(dāng)裝備產(chǎn)品發(fā)出指令，給沉雷器通以額定電流后，電起爆器作用，產(chǎn)生的高壓氣體在密閉空間做功，瞬間剪斷固定銷，使活塞向沉雷器殼體內(nèi)部回縮的同時(shí)帶動(dòng)螺桿使進(jìn)水蓋打開，露出殼體側(cè)面的軸向進(jìn)水孔，海水從進(jìn)水蓋沿軸向進(jìn)水孔進(jìn)入裝備產(chǎn)品內(nèi)部，使產(chǎn)品負(fù)浮力逐漸增大，下沉至海底。沉雷器作用后進(jìn)水時(shí)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。

圖2 沉雷器進(jìn)水時(shí)結(jié)構(gòu)圖

2 沉雷器主要組成部分設(shè)計(jì)

2.1 整流罩設(shè)計(jì)

整流罩主要由進(jìn)水蓋、整流蓋等組成。進(jìn)水蓋和整流蓋外表面線性設(shè)計(jì)，與裝備產(chǎn)品整體線型保持一致，盡可能減少裝備產(chǎn)品航行時(shí)的阻力，不影響流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以滿足裝備產(chǎn)品航行過程中，有穩(wěn)定的排水體積，確保精確航行。整流罩結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3 所示。

2.2 殼體設(shè)計(jì)

2.2.1 材料的選擇

由于水中兵器主要在海洋中使用，海水具有一定的腐蝕性。為了降低海水對(duì)沉雷器的腐蝕性，并盡可能降低沉雷器自重，減輕裝備產(chǎn)品動(dòng)力源負(fù)擔(dān)，選用防銹鋁 5A06 作為基材，表面處理采用 Al/Et·A（S）·Cs（TQ），減少海水對(duì)殼體的腐蝕性；另外，可在殼體表面涂覆海洋防污材料，以滿足水雷行業(yè)水下戰(zhàn)斗服役期時(shí)間較長的特殊需求，避免活動(dòng)部件間海生物附著，使沉雷器性能降低。

圖 3 整流罩結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 軸向進(jìn)水孔設(shè)計(jì)

為了保證海水進(jìn)水量的有效性，進(jìn)水孔是沉雷器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。該新型沉雷器進(jìn)水孔道分為端面進(jìn)水孔和軸向進(jìn)水孔，確保軸向進(jìn)水孔面積不小于端面進(jìn)水孔面積才能保證進(jìn)水量的有效性。結(jié)構(gòu)見圖 4。

圖4 三孔殼體結(jié)構(gòu)圖

以沉雷器端面進(jìn)水孔直徑為φ50mm 為例，端面進(jìn)水面積為：

1=3.14×252=1 962.5mm2（1）

在殼體上設(shè)計(jì)3個(gè)均勻分布的軸向進(jìn)水孔，每個(gè)軸向進(jìn)水孔的端面長度1=44mm，軸向長度2= 15mm，則軸向進(jìn)水面積為：

2=3×1×2=1 980mm2＞1（2）

因此，能夠保證海水進(jìn)水量的有效性。

2.3 活塞設(shè)計(jì)

活塞是整個(gè)沉雷器中的承力部件，材料選用防銹鋁，由于軸向尺寸受限，將電起爆器設(shè)計(jì)在活塞的內(nèi)部，可以大大節(jié)約空間，同時(shí)在活塞上設(shè)計(jì) 4 個(gè)導(dǎo)氣孔，保證電起爆器作用后產(chǎn)生的氣體能夠快速進(jìn)入活塞與殼體的空間，在壓力作用下，使活塞回縮，活塞回縮碰到堵蓋后，緩沖套與堵蓋過盈使活塞停止運(yùn)動(dòng)。具體結(jié)構(gòu)如圖 5 所示。

圖 5 活塞結(jié)構(gòu)圖

2.4 固定銷剪切部位直徑設(shè)計(jì)

固定銷在沉雷器中有兩個(gè)作用，當(dāng)沉雷器未作用時(shí)，固定銷需承受裝備產(chǎn)品使用最大水深的壓力并保證良好的氣密性；在沉雷器作用時(shí)，固定銷應(yīng)被活塞運(yùn)動(dòng)可靠剪斷。以裝備產(chǎn)品使用水深 240m為例，需承受壓強(qiáng) 2.4MPa 水壓。

假設(shè)作用在活塞剪切部位端面的力為1，活塞的面積為1，活塞受到的壓強(qiáng)為1，活塞直徑為φ50mm，則有：

1=1×1=2.4×106×3.14×0.0252=4 710 N （3）

作用在每個(gè)固定銷的作用力2為：

2=1/3=4 710/3=1 570 N （4）

固定銷設(shè)計(jì)為鋁螺釘，材料為5A06，鋁的抗疲勞強(qiáng)度為0.1=215MPa，則固定銷剪切部位最小直徑1為：

由于水壓裕度系數(shù)取 1.2，綜合安全裕度取 1.3 的安全系數(shù)，則剪切部位直徑2為：

2=1.3×1=4mm （6）

因此，滿足設(shè)計(jì)要求。具體結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。

圖 6 固定銷結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)固定銷的直徑為φ4 mm，材料為 5A06，鋁的抗剪切強(qiáng)度為б=210MPa，因此，電起爆器作用后要剪斷 3 個(gè)固定銷所需的力3為：

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

電起爆器作用后氣體作用的起始面積3為：

3=3.14×(352-332)=0.43×103mm2（8）

則起始?jí)簭?qiáng)2為：

2=3/3=18.4MPa （9）

電起爆裝藥量產(chǎn)生的壓強(qiáng)3為：

式（10）中：3為藥劑燃燒后產(chǎn)生的最小氣體量， kg/dm2；為藥劑裝藥量282mg；為起始總體積3.8× 10-3dm3；k為修正系數(shù)，取0.4；為火藥力252× 104kg·dm/kg；為火藥氣體余容，1dm3/kg。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算可知：3=118MPa，3＞2

因此，固定銷既能在沉雷器作用之前，可以承受 2.4 MPa 的水壓；又能在沉雷器作用之后，能被可靠剪切斷，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 電磁兼容性設(shè)計(jì)

該沉雷器為了滿足在水面艦船和近戰(zhàn)岸基的使用，良好地適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境，充分考慮了電磁兼容性。

2.5.1 防射頻設(shè)計(jì)

該沉雷器的電起爆器發(fā)火件采用敏感橋絲式雙橋設(shè)計(jì)，發(fā)火能量為 1A，單橋相當(dāng)于 500mA。由于沉雷器為敏感型火工品，為了滿足防射頻要求，在殼體底部安裝低通濾波器，低通濾波器與電起爆器通過導(dǎo)線連接。低通濾波器具有體積小、重量輕、成本低、使用方便等特點(diǎn)，能有效降低和消除射頻干擾，保證敏感型火工品的防射頻能力，而火工品自身感度不發(fā)生變化[2-3]。另外在低通濾波器設(shè)計(jì)中并聯(lián)1個(gè) TVS 管，能有效解決沉雷器腳線間靜電、電磁兼容性問題。

2.5.2 防靜電設(shè)計(jì)

由于電起爆器發(fā)火件采用敏感橋絲式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)靜電較為敏感，因此需進(jìn)行防靜電設(shè)計(jì)[4-5]。本結(jié)構(gòu)的防靜電設(shè)計(jì)采用“堵”和“泄放”兩種方式相結(jié)合。具體結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。

由圖 7 可知，A-B 通道為危險(xiǎn)通道，采用“堵”的方式，根據(jù)陶瓷和封接玻璃材料的絕緣強(qiáng)度參數(shù)及尺寸設(shè)計(jì)，25 000V 靜電不會(huì)擊穿 A-B 通道；C-B 通道是靜電泄放通道，當(dāng)有靜電作用時(shí)，泄放通道首先被擊穿，進(jìn)行靜電泄放，保證產(chǎn)品安全。該結(jié)構(gòu)可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)靜電泄放，滿足腳殼間防靜電要求[2]。

2.6 密封性設(shè)計(jì)

本沉雷器的密封性設(shè)計(jì)主要是采用橡膠圈密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封圈可防止海水從沉雷器的外殼與雷體孔座之間進(jìn)入雷體內(nèi)；沉雷器上部的2個(gè)密封圈防止海水沿活塞與殼體之間的縫隙進(jìn)入，下部的2個(gè)密封圈起密封空間作用，防止電起爆器作用后產(chǎn)生的氣體泄漏，導(dǎo)致活塞沒有回縮到指定位置。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

3.1 密封性試驗(yàn)驗(yàn)證

密封性試驗(yàn)是沉雷器的重要考核指標(biāo)，分為水密性試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。以240m水深為例，在外水壓為 2.4MPa 時(shí)進(jìn)行水密性試驗(yàn)；在沉雷器內(nèi)部充入氣體到 0.1MPa 進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 密性試驗(yàn)結(jié)果

由圖 8（a）可知，沉雷器在外水壓為 2.4MPa 時(shí)，可以保壓 30 min，沉雷器內(nèi)部沒有進(jìn)水現(xiàn)象，滿足功能要求。由圖8（b）可知，在沉雷器內(nèi)部充入氣體，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到 0.1MPa 時(shí)，至少可以保壓 10min，沉雷器沒有發(fā)生漏氣現(xiàn)象，滿足功能要求。

3.2 靜電感度試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù) GJB 344A-2005鈍感電起爆器通用規(guī)范中的試驗(yàn)方法，采用充電至（25 000±500）V 的（500± 25）pF 的電容器，通過（5 000±500）Ω的串聯(lián)電阻，在電起爆器插針與殼體，插針與插針之間分別進(jìn)行放電試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)量 32 發(fā)。

在試驗(yàn)過程中，無1發(fā)產(chǎn)品發(fā)火。靜電感度試驗(yàn)后進(jìn)行發(fā)火試驗(yàn)，均可靠發(fā)火，滿足功能要求。

3.3 功能試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)沉雷器進(jìn)行了功能試驗(yàn)，沉雷器作用前后實(shí)物圖如圖9所示。從圖9可以看出，沉雷器在作用之后固定銷能被可靠切斷，使活塞回縮到指定位置，實(shí)現(xiàn)了水從進(jìn)水蓋進(jìn)入，再從軸向進(jìn)水孔流入雷體的功能，且作用后無飛片，滿足使用要求。

圖 9 沉雷器作用前后實(shí)物圖

4 結(jié)語

本文介紹了一種新型沉雷器，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封承壓設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)，保證了沉雷器使用的安全性和隱蔽性，為沉雷器應(yīng)用于水中兵器奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，該沉雷器不僅確保了裝備產(chǎn)品精確航行，還能防止裝備產(chǎn)品被敵方意外打撈造成的泄密風(fēng)險(xiǎn)。

[1] 崔衛(wèi)東,關(guān)翔云,惠蕾.拔銷器的小型化設(shè)計(jì)[J].火工品,2006 (2):17-19.

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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，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事火工品設(shè)計(jì)與研究。