电磁发射强磁场环境下电爆装置的失效特性与意外发火机理研究

《Electronics》：Failure Characteristics of Electro-Explosive Devices in Strong Magnetic Fields During Electromagnetic Launch

　　

摘要 电磁发射过程中产生的强脉冲磁场可能向电爆装置（Electro-Explosive Devices，EEDs）耦合能量并引发意外发火。本研究通过电热建模、有限元仿真以及脉冲磁场加载实验，研究了桥丝式电点火头在隔离状态和回路连接状态下的响应特性。结果表明，在所研究的条件下，磁场对被测隔离桥丝式电点火头构型的直接效应较弱，既未引发意外发火，也未观察到外观或桥丝电阻的明显变化。相比之下，回路耦合显著增加了发火风险。实验中引发发火的最低等效耦合面积为240 mm2，平均耦合能量约为220.85 μJ，远低于常规电激励下50%发火能量1893 μJ。研究结果进一步表明，意外发火不仅取决于累积耦合能量，还取决于电磁能量沉积速率。

一、研究背景与问题

电磁炮是一种以电能驱动的新型动能武器，具有高初速、远射程和超远程打击潜力，在未来武器系统中具有广阔应用前景。然而，电磁发射过程会产生强脉冲磁场，该磁场可能与弹药中的电爆装置（Electro-Explosive Devices，EEDs）发生耦合，使电爆装置吸收电磁能量。这部分耦合能量以电或热的形式作用于换能元件和含能材料，可能导致性能退化、异常响应甚至意外发火，从而危及弹药系统的安全性和可靠性。

现有关于电磁敏感元器件在强磁场下响应的研究主要采用实验方法，可分为静态强磁场测试和动态强磁场测试两类。静态或准静态强磁场实验表明，强磁场对大多数常规电子元器件的关键参数和工作状态影响甚微；动态磁场测试中，变化率较低的磁场仅使部分显示和存储器件出现异常，而变化率较高的动态磁场则更容易导致元器件失效，典型失效模式包括电池鼓胀、电子模块损坏、存储器件干扰和元器件脱落等。

然而，现有研究无法直接支撑电磁发射强磁场环境下电爆装置的失效机理分析。大多数实验聚焦于隔离元器件，而在实际弹药系统中，电爆装置通常是发火回路的一个组成部分，其响应不仅取决于自身结构特性，还取决于外部回路拓扑和连接状态。引信系统电磁加载试验表明，外部电磁能量很少直接作用于电爆装置本身，更多是通过敏感元器件、连接导线或引信电路的薄弱环节耦合进入系统。在引信发火回路中，保护支路、连接导线和电点火头可能形成闭合回路，强脉冲磁场通过电磁感应在该回路中产生感应电动势和电流，从而在电点火头上形成感应电激励，增加异常响应和失效风险。

此外，现有研究大多通过比较强磁场加载前后的典型参数来判断电爆装置是否失效，很少捕获加载过程中的实时响应，因此无法准确识别失效时机、失效过程演化规律和失效阈值。同时，现有实验环境与电磁发射强磁场环境之间存在显著差异——电磁发射过程中的磁场兼具高、低变化率以及多脉冲加载特性，可能导致电爆装置的感应激励和热响应呈现间歇输入和累积演化特征。

更为关键的是，电爆装置与常规电子元器件存在本质区别。其内部桥丝和点火药剂具有独特的电-热-化学耦合特性，对感应电流、局部温升和热量累积高度敏感。因此，现有电子元器件强磁场效应测试结果只能为电爆装置的电磁发射环境适应性评估提供参考，无法直接揭示电爆装置在强磁场下的能量耦合路径、热响应过程和意外发火机理。

二、研究目的与意义

为满足电磁炮弹药用电爆装置安全性可靠性提升的实际需求，本研究将有限元仿真与实验相结合，研究桥丝式电点火头在电磁发射特征性强脉冲磁场环境下的电磁耦合与电热响应特性。研究分别考察电点火头在隔离状态和回路连接状态下的表现，以代表弹药系统中不同的电磁耦合条件。研究引入等效耦合面积来表征不同外部回路构型的耦合效应，并定量研究相应的发火条件。研究结果进一步用于分析意外发火机理以及耦合能量和电磁能量沉积速率对意外发火的影响，为电磁发射系统用电爆装置的电磁安全性评估和电路设计提供依据。

三、关键技术方法

研究人员采用以下主要技术方法开展研究：

1. 1.
   电热耦合有限元建模：以桥丝式电点火头为研究对象，利用COMSOL Multiphysics 6.3建立二维轴对称电热点火模型。模型中桥丝直径9 μm、长度500 μm，点火药剂包裹于桥丝周围。模型耦合了电场、热场和化学反应场，采用Electric Currents接口计算桥丝电响应和焦耳热，采用Heat Transfer in Solids接口计算热传导和温度演化，采用Domain ODEs and DAEs接口计算药剂剩余浓度，采用Global ODEs and DAEs接口计算反应热。基于Arrhenius反应动力学建立点火药剂分解反应模型。
2. 2.
   强磁场加载实验：利用高功率脉冲电源向强磁场发生器放电，产生与电磁发射过程一致的强脉冲磁场环境。实验分为隔离电点火头强磁场加载实验和闭合回路条件下电点火头强磁场加载实验两部分。隔离实验中，去除电点火头引脚，仅保留桥丝和药剂作为测试对象，直接置于强磁场作用区。回路实验中，将模拟闭合回路线圈置于强磁场中心区域，电点火头置于强磁场之外，采用示波器采集感应电压和感应电流瞬态响应信号，利用自研微型罗氏线圈检测回路电流瞬态变化以识别发火时刻。
3. 3.
   二分法搜索发火阈值：以500 mm²作为初始预期发火条件、100 mm²作为初始预期不发火条件，采用二分法逐步缩小发火区间，直至相邻发火与不发火耦合面积之差达到最小可调增量10 mm²。
4. 4.
   电发火感度测试：采用自制电容放电测试仪（电容22 μF）进行升降法感度测试，以电容充电电压为刺激量，电压间隔0.5 V，共完成30次试验，统计得到50%发火电压U₅₀为13.12 V，标准差0.72 V，对应50%发火能量约1893 μJ。

四、研究结果

4.1 隔离电点火头在强磁场下的响应特性

仿真结果表明，隔离电点火头在强磁场作用下，桥丝电流密度和发热率均呈现边缘集中分布特征，边缘处数值较高、内部较低。由于电磁发热率与电流密度平方成正比，发热率分布的边缘集中特征更为显著。桥丝温升速率和电磁能量沉积速率在初始阶段达到最大值，这是因为初始时刻磁场变化率最高，桥丝与外部强磁场环境的感应耦合最强。然而，由于隔离电点火头中桥丝自身尺寸小、等效耦合面积有限、强磁场作用时间短，桥丝最终温升仅为4×10^-6 K，通过电磁耦合获得的最大能量约为6×10^-15 J，可忽略不计。因此，强磁场环境不足以导致隔离电点火头发火。

实验验证了仿真结论。10个去除引脚的桥丝式电点火头样品在强磁场加载后，外观均无明显变化，药剂区域未发现熔化、损伤或脱落，残余引脚和桥丝连接区域也未出现发黑或烧蚀痕迹。加载前后电阻值基本保持一致，未观察到明显的桥丝电阻变化或可见损伤。结合外观检查结果可得出结论：电磁发射强磁场环境对隔离电点火头影响甚微，不会导致其失效。

4.2 闭合回路条件下电点火头在强磁场下的响应特性

仿真中，闭合回路条件下的激励条件为强磁场环境与闭合回路耦合产生的感应电动势，根据法拉第电磁感应定律计算。单位耦合面积在强磁场环境下产生的感应电压呈现三个明显峰值，分别对应磁场的三个脉冲。研究人员以10 mm²为步长逐步增大耦合面积直至电点火头发火。

当等效耦合面积为260 mm²、270 mm²和280 mm²时，桥丝温度呈现三个明显温度峰值，对应三脉冲感应电压激励。耦合面积越大，感应电动势和感应电流越强，相同时刻桥丝温度越高。但在这三种耦合面积下，桥丝温度达到临界值后因持续向周围药剂导热而开始下降，未能触发邻近药剂的自行分解，电点火头未发火。

当等效耦合面积增大至290 mm²时，桥丝温度在第一个峰值形成前仍呈现正常升温过程，但经过一段时间后桥丝温度急剧上升，表明此时药剂热分解反应显著激活，反应放热主导系统温升，电点火头发火。数据分析显示，桥丝温度突变发生在约0.65 ms，此时桥丝温度约为730 K。径向温度分布分析表明，发火条件下温度最大区域从桥丝转移至桥丝附近药剂内层，径向温度分布不再单调递减，说明药剂已进入剧烈反应阶段。

从电磁耦合能量角度分析，等效耦合面积为290 mm²时，电点火头在0.65 ms获得245.75 μJ电磁耦合能量并发火。而280 mm²、270 mm²和260 mm²条件下达到相同耦合能量所需时间分别为705 μs、808 μs和846 μs。这表明电点火头是否意外发火不仅取决于累积耦合能量，还取决于电磁能量沉积速率。

实验采用二分法搜索发火阈值。结果表明，电点火头发火时感应电流信号出现两个明显峰值，第一个峰值主要源于系统触发时刻的电压波动，第二个峰值呈现明显发火特征，随等效耦合面积减小而逐渐延迟，不发火时该峰值消失。因此第二个峰值可识别为电点火头发火瞬间产生的瞬态电磁扰动信号。

实验结果显示，当等效耦合面积为240 mm²时，电点火头在674 μs发生意外发火；当耦合面积调整为230 mm²时，电点火头未发火。因此240 mm²为本实验条件下引发发火的最低等效耦合面积。虽然不同等效耦合面积下意外发火时间不同，但电点火头发火时耦合的电磁能量基本稳定，平均能量为220.85 μJ。不发火条件下，200 mm²和230 mm²耦合面积达到220.85 μJ所需时间分别为994 μs和744 μs。实验结果表明，只有当电磁能量以足够高的速率沉积到桥丝上，在桥丝附近药剂中形成局部高温和剧烈热分解反应时，电点火头才会发生意外发火。

实验结果与仿真结果呈现相同趋势，但存在一定定量差异，可能源于实际材料性能差异和二维轴对称模型中的几何简化。仿真主要用于分析发火机理和估算临界等效耦合面积的近似范围，实际临界等效耦合面积由实验确定。

五、讨论与结论

讨论部分指出，回路耦合条件下电点火头在电磁发射强磁场环境中面临显著失效风险。等效耦合面积越大，电磁能量沉积速率越高，电点火头发火时间越短。等效耦合面积并不改变电点火头的发火能量条件，主要影响达到该条件所需的时间。电点火头意外发火不仅取决于累积耦合能量，还取决于电磁能量沉积速率。在本研究所用磁场波形下，发火发生在第一个脉冲期间，提示连续多峰磁场（如线圈炮发射中出现的磁场）也可能构成潜在发火风险。

研究结论可归纳为三点：第一，对于所测试的去除引脚桥丝式电点火头构型，直接暴露于强磁场产生的电磁加热效应可忽略不计，未观察到异常发火、可见损伤或明显的桥丝电阻变化。第二，在回路耦合条件下，电点火头在电磁发射强磁场环境中面临相当大的失效风险。在本研究实验条件下，引发意外发火的最低闭合回路耦合面积为240 mm²，发火时耦合的电磁能量仅为220.85 μJ，远低于其50%发火能量1893 μJ。第三，电爆装置意外发火不仅取决于累积耦合能量，还取决于电磁能量沉积速率。