張志遠(yuǎn),趙 彧,郭長(zhǎng)月,崔 冬,常玉坤

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065;2.西北工業(yè)集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043;3.機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)

0 引言

彈丸侵徹硬目標(biāo)需要面臨瞬態(tài)強(qiáng)沖擊力學(xué)環(huán)境,引信作為彈丸的起爆控制系統(tǒng),其安全性與可靠性面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,武器系統(tǒng)性能的不斷提升,對(duì)引信抗高過載設(shè)計(jì)提出了更高要求。針對(duì)瞬態(tài)強(qiáng)沖擊力學(xué)環(huán)境下結(jié)構(gòu)緩沖防護(hù)需求,國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于吸能減振原理從多角度開展了研究工作,如基于材料塑形變形的能量吸收[1],采用輕質(zhì)、可持續(xù)吸能的新型減振材料[2-3],從材料的粘彈性特性角度實(shí)現(xiàn)能量的重復(fù)性吸收[4],可設(shè)計(jì)性的輕量化負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)[5-6],灌封防護(hù)[7]等,都可對(duì)瞬態(tài)強(qiáng)沖擊載荷起到緩沖防護(hù)效果。其中灌封防護(hù)是引信重要的抗沖擊設(shè)計(jì)方法。文獻(xiàn)[8]從環(huán)氧樹脂灌封料的溫度和應(yīng)變角度對(duì)灌封固化過程開展了研究工作;文獻(xiàn)[9—10]通過建立仿真模型分析了灌封料對(duì)電子器件的防護(hù)性能;文獻(xiàn)[11]從灌封工藝角度開展了提升灌封結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)效率研究;文獻(xiàn)[12—13]從電子器件的沖擊響應(yīng)角度開展了灌封料防護(hù)性能研究。以上均為基于傳統(tǒng)灌封方法開展的研究工作,在一定程度上可滿足抗過載防護(hù)性能,尚無涉及抗過載性能提升方面的灌封方法研究。隨著防御體系的不斷完善,防御結(jié)構(gòu)越發(fā)堅(jiān)固,武器打擊能力也相應(yīng)增強(qiáng),傳統(tǒng)引信灌封防護(hù)方法已不能滿足要求。本文針對(duì)上述問題,設(shè)計(jì)了引信復(fù)合灌封方法。

1 引信灌封方法與抗過載原理

引信灌封防護(hù)采用抗沖擊性能強(qiáng)、高粘結(jié)能力、膨脹系數(shù)小、耐高低溫以及絕緣能力強(qiáng)的高分子材料,將灌封料注入引信殼體,電路器件與灌封料固化為整體,加強(qiáng)了引信電路器件的系統(tǒng)整體性和抗沖擊性能,灌封示意圖如圖1所示。常用的灌封料如硅橡膠、環(huán)氧樹脂、電子灌封膠等,其導(dǎo)電性、固化性能經(jīng)過大量產(chǎn)品驗(yàn)證符合設(shè)計(jì)與應(yīng)用要求,其抗過載性能在一定沖擊條件下也滿足指標(biāo)要求。

圖1 傳統(tǒng)灌封方法

引信灌封防護(hù)的機(jī)理可用應(yīng)力波傳播理論解釋。彈體碰撞硬目標(biāo)時(shí),應(yīng)力波由彈體傳至引信殼體,再由引信殼體通過灌封料與引信殼體間界面?zhèn)髦凉喾怏w,最后由灌封體傳至電路板或電子器件。應(yīng)力波經(jīng)過不同介質(zhì)可發(fā)生反射和透射,當(dāng)符合衰減條件時(shí),應(yīng)力波由引信殼體傳至灌封料時(shí)發(fā)生應(yīng)力波衰減,從而保護(hù)電路器件。應(yīng)力波從一種介質(zhì)傳遞至另一介質(zhì)時(shí),產(chǎn)生反射波和透射波,其與入射波關(guān)系[14]為

(1)

式(1)中,F為反射系數(shù),表達(dá)式為F=(1-λ)/(1+λ);T為透射系數(shù),表達(dá)式為T=2/(1+λ);λ為不同材料介質(zhì)間的波阻抗比,可分為以下兩種情況討論:

1) 若F>0,則T>1,表現(xiàn)為反射加載,透射擾動(dòng)的應(yīng)力幅值強(qiáng)于入射擾動(dòng),該情況下應(yīng)力波是由“軟材料”傳入“硬材料”的情況;

2) 若F<0,則T<1,表現(xiàn)為反射卸載,透射擾動(dòng)的應(yīng)力幅值弱于入射擾動(dòng),界面的應(yīng)力波透射得到衰減,該情況下應(yīng)力波是由“硬材料”傳入“軟材料”的情況,可起到減振緩沖作用。

引信殼體一般是由硬鋁合金或鋼加工而成,其硬度遠(yuǎn)大于灌封料固化后的硬度,因此符合上述應(yīng)力波是由“硬材料”傳入“軟材料”的情況,起到減振緩沖作用。基于上述分析,為了進(jìn)一步衰減傳至電子器件的應(yīng)力波,可增加應(yīng)力波衰減歷程,即增加應(yīng)力波傳播的界面。本文基于這一設(shè)想,開展由多種灌封料分層灌封的復(fù)合灌封方法研究。

2 引信復(fù)合灌封方法

復(fù)合灌封方法是將多種灌封料按一定次序依次灌封,使得兩個(gè)灌封層之間形成明顯的界面,利用不同灌封層對(duì)應(yīng)力波的吸收能力不同,以及應(yīng)力波通過多界面發(fā)生透射及反射現(xiàn)象,調(diào)節(jié)灌封體的波阻抗,衰減沖擊能量,達(dá)到提升抗高過載性能要求,進(jìn)一步拓展傳統(tǒng)灌封方法的抗過載應(yīng)用范圍。在滿足高過載防護(hù)基礎(chǔ)上,研究復(fù)合灌封方法對(duì)多次沖擊條件下引信過載敏感器件的防護(hù)能力,探討復(fù)合灌封方法在侵徹多層硬目標(biāo)環(huán)境下的引信防護(hù)能力。

復(fù)合灌封方法研究中灌封料的選擇主要基于典型常用的灌封料,復(fù)合灌封的層數(shù)設(shè)計(jì)主要基于引信內(nèi)部器件功能而選擇,如放置對(duì)環(huán)境敏感的傳感器,對(duì)抗過載要求高的信號(hào)處理器件、電路板等,分別置于不同的灌封層中。此外,灌封過程中應(yīng)避免敏感器件或電路板跨灌封界面而受到拉伸或壓縮導(dǎo)致功能降階或失效,另一方面引信自身尺寸較小不宜設(shè)計(jì)過多層數(shù)。因此,本文結(jié)合引信內(nèi)部器件種類數(shù)量、功能以及對(duì)過載環(huán)境要求,主要研究由三種灌封料構(gòu)成的復(fù)合灌封方法及其抗過載性能。

針對(duì)三種灌封料灌封,結(jié)合前述分析設(shè)計(jì)圖2所示的灌封緩沖結(jié)構(gòu),滿足在過載傳遞方向上灌封料硬度由“硬”至“軟”的變化,達(dá)到最優(yōu)的過載峰值衰減目標(biāo)。因此,針對(duì)典型的硅橡膠、環(huán)氧樹脂以及電子灌封膠,在組合灌封條件下,依據(jù)應(yīng)力波理論以及圖2所示的設(shè)計(jì)方法,“硅橡膠-環(huán)氧樹脂-電子灌封膠”組合方式符合灌封料硬度由“硬”到“軟”的過程,需同時(shí)滿足以下條件:F<0,T<1。此時(shí)的復(fù)合灌封設(shè)計(jì)滿足應(yīng)力波衰減理論,可實(shí)現(xiàn)應(yīng)力波衰減,滿足抗高過載需求。

圖2 復(fù)合灌封設(shè)計(jì)示意圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 測(cè)試方法

通過開展引信傳統(tǒng)單一灌封方法與復(fù)合灌封方法的抗過載性能對(duì)比研究,分析復(fù)合灌封方法的抗過載性能。試驗(yàn)中引信殼體、試驗(yàn)工裝、傳感器等均滿足同尺寸、同型號(hào)要求。以工裝殼體過載為橋梁,通過不同灌封方式之間的橫向?qū)Ρ?評(píng)估其抗過載性能。過載測(cè)試系統(tǒng)包括加速度傳感器、電荷放大器、運(yùn)算放大器、微控制器、USB通訊模塊、上位機(jī)以及上位機(jī)控制軟件,如圖3所示。該測(cè)試系統(tǒng)采用雙通道設(shè)計(jì),同時(shí)采集灌封層內(nèi)和工裝殼體過載。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)組成示意圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證不同灌封方法抗過載性能及其評(píng)估方法的有效性,并探究復(fù)合灌封方法在多次沖擊環(huán)境下對(duì)引信過載敏感器件的防護(hù)能力,將過載敏感的引信用DC/DC器件為研究對(duì)象開展驗(yàn)證試驗(yàn),灌封示意圖如圖4所示。以名義過載50 000g沖擊后測(cè)試DC/DC器件性能,若功能正常則繼續(xù)進(jìn)行沖擊試驗(yàn),分析抗過載性能。

圖4 灌封示意圖

驗(yàn)證“硅橡膠-環(huán)氧樹脂-電子灌封膠”組合灌封的抗過載性能,同時(shí)作為對(duì)照,開展“環(huán)氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠”灌封、“電子灌封膠-硅橡膠-環(huán)氧樹脂”灌封以及傳統(tǒng)單一灌封料灌封后的抗過載性能研究。驗(yàn)證方案如表1所示,共包括6種灌封方法,具體過載值以測(cè)試為準(zhǔn),每種灌封方法完成6次沖擊并測(cè)試過載信號(hào),分析討論不同灌封方法的抗過載性能。

表1 試驗(yàn)方案

3.2 測(cè)試結(jié)果

通過馬歇特錘擊系統(tǒng),獲得了傳統(tǒng)灌封方法與復(fù)合灌封方法的過載測(cè)試曲線。以硅橡膠灌封后的過載測(cè)試曲線為例,圖5分別給出了引信殼體和灌封層內(nèi)的過載測(cè)試曲線,其中殼體過載為工裝承受的過載,灌封過載為灌封層內(nèi)過載,用于表征灌封膠的抗過載性能,過載峰值分別為21 648g和9 140.13g,灌封層過載峰值衰減比例為57.78%。由于本文主要基于過載峰值衰減比例評(píng)價(jià)抗過載性能,因此其他測(cè)試結(jié)果均給出過載峰值。傳統(tǒng)灌封方法的過載峰值及衰減比例如表2所示,復(fù)合灌封方法的過載峰值及衰減比例如表3所示。

表3 復(fù)合灌封方法抗過載測(cè)試

圖5 引信殼體和灌封層內(nèi)過載曲線

由表2可知,采用傳統(tǒng)灌封方法,硅橡膠膠層內(nèi)過載峰值相比于殼體衰減比例在50%～70%范圍內(nèi),電子灌封膠膠層內(nèi)過載峰值相比于殼體衰減比例在15%～30%范圍內(nèi),環(huán)氧樹脂膠層內(nèi)過載峰值相比于殼體衰減比例在10%～20%范圍內(nèi)。顯然,硅橡膠灌封后對(duì)過載峰值的衰減比例較高,這與工程中高過載條件下硅橡膠的緩沖能力較強(qiáng)相符合,表明本文試驗(yàn)結(jié)果符合工程實(shí)際。

由表3可知,采用硅橡膠-環(huán)氧樹脂-電子灌封膠灌封后,膠層內(nèi)過載峰值相比于殼體衰減比例可達(dá)80%以上,采用環(huán)氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠灌封后其過載峰值衰減比例分布在15%～30%范圍內(nèi),采用電子灌封膠-硅橡膠-環(huán)氧樹脂灌封后,灌封層對(duì)過載峰值衰減不明顯。

上述6種灌封工藝方案下過載峰值衰減比例分布如圖7所示,定義50%線為過載峰值衰減比例達(dá)到50%,70%線為過載峰值衰減比例達(dá)到70%,將坐標(biāo)平面劃分為三個(gè)抗過載性能分布區(qū)域,可明顯觀察出不同灌封方法的抗過載性能:

圖7 不同灌封方式過載衰減比例分布

1) Ⅰ區(qū)域:位于50%線以下,包含了電子灌封膠灌封、環(huán)氧樹脂灌封、環(huán)氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠灌封、電子灌封膠-硅橡膠-環(huán)氧樹脂灌封;

2) Ⅱ區(qū)域:位于50%線和70%線之間,包含了硅橡膠灌封;

3) Ⅲ區(qū)域:大于70%線區(qū)域,包含了硅橡膠-環(huán)氧樹脂-電子灌封膠灌封。

由圖7中不同灌封方法的過載衰減比例分布可見,不同灌封方法體現(xiàn)了不同的抗過載性能,在基于傳統(tǒng)灌封料基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化灌封工藝方案所設(shè)計(jì)的復(fù)合灌封方法可進(jìn)一步提升傳統(tǒng)灌封工藝的抗過載性能。

表4為灌封DC/DC后的沖擊試驗(yàn)結(jié)果,采用環(huán)氧樹脂、電子灌封膠、環(huán)氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠、電子灌封膠-硅橡膠-環(huán)氧樹脂灌封時(shí),DC/DC失效的沖擊次數(shù)分布在3～5次,硅橡膠灌封后的失效沖擊次數(shù)為7次,而采用硅橡膠-環(huán)氧樹脂-電子灌封膠灌封后沖擊10次仍可正常工作。該結(jié)果與前述不同灌封方法下的過載測(cè)試結(jié)果相吻合,表明針對(duì)同等體積的引信殼體,采用不同的灌封工藝,灌封層內(nèi)過載峰值相對(duì)于引信殼體的衰減比例具有顯著差異,特別是本文所設(shè)計(jì)的“硅橡膠-環(huán)氧樹脂-電子灌封膠”復(fù)合灌封方法,不僅可將過載峰值衰減約80%,滿足多次沖擊條件下引信關(guān)鍵器件的可靠性要求,以及多層樓宇結(jié)構(gòu)、多層地下防護(hù)結(jié)構(gòu)場(chǎng)景應(yīng)用需求,為侵徹多層硬目標(biāo)引信的抗過載防護(hù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對(duì)引信抗過載設(shè)計(jì)需求提出引信復(fù)合灌封方法。該方法采用多種灌封膠組合分層的灌封方式,并基于過載同步測(cè)試系統(tǒng)獲得了不同灌封方法的過載峰值衰減特性。其中,采用電子灌封膠灌封、環(huán)氧樹脂灌封、環(huán)氧樹脂-電子灌封膠-硅橡膠灌封以及電子灌封膠-硅橡膠-環(huán)氧樹脂灌封灌封時(shí),過載峰值衰減比例小于50%,僅滿足3～5次高過載沖擊環(huán)境;采用硅橡膠灌封時(shí)過載峰值衰減比例在50%～70%范圍內(nèi),滿足7次高過載沖擊環(huán)境;采用硅橡膠-環(huán)氧樹脂-電子灌封膠灌封時(shí)過載峰值衰減可達(dá)80%左右,并滿足至少10次高過載沖擊環(huán)境。結(jié)果表明,“硅橡膠-環(huán)氧樹脂-電子灌封膠”復(fù)合灌封方法可滿足侵徹多層硬目標(biāo)引信的抗高過載防護(hù)要求。