姚洪志，封青梅，紀(jì)向飛，趙 團(tuán)

（1.火工品安全性可靠性國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710061；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西西安 710061）

電爆裝置電磁脈沖響應(yīng)分析

姚洪志1，2，封青梅1，2，紀(jì)向飛1，2，趙 團(tuán)1，2

（1.火工品安全性可靠性國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710061；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西西安 710061）

介紹了電爆裝置在電磁脈沖環(huán)境下的感應(yīng)電流響應(yīng)特征，利用有限積分法進(jìn)行了同種電爆裝置不同腳線長(zhǎng)度情況下感應(yīng)電流的變化分析，以及同種腳線長(zhǎng)度、不同脈沖環(huán)境，電爆裝置感應(yīng)電流的分布情況分析，研究了不同脈沖環(huán)境、不同腳線長(zhǎng)度對(duì)電爆裝置感應(yīng)能量的影響，為電火工品電磁脈沖效應(yīng)測(cè)試提供數(shù)據(jù)支撐。

電爆裝置；電磁脈沖；感應(yīng)電流

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種大功率定向能武器諸如高功率微波武器、電磁脈沖彈在戰(zhàn)場(chǎng)上的應(yīng)用，使得武器裝備經(jīng)受著前所未有的考驗(yàn)。作為武器系統(tǒng)中最敏感的作用元件，電爆裝置（EED）的電磁脈沖效應(yīng)研究備受關(guān)注。研究EED對(duì)電磁脈沖的響應(yīng)，分析電磁脈沖對(duì)EED的危害，評(píng)價(jià)EED以及武器裝備在電磁脈沖環(huán)境下的安全性和可靠性是非常有意義的。

筆者采用有限積分方法計(jì)算了電磁脈沖對(duì)不同腳線長(zhǎng)度的EED響應(yīng)分析，得到了EED腳線上感應(yīng)電流的分布情況；另外開(kāi)展了不同的脈沖環(huán)境對(duì)EED同樣腳線長(zhǎng)度的響應(yīng)研究。

1 電磁脈沖環(huán)境

美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)IEEE／ANSI C63.14中對(duì)電磁脈沖的定義如下：電磁脈沖是在核爆炸時(shí)，由于伽馬光子與空氣介質(zhì)分子相互作用而產(chǎn)生的電磁輻射［1］。根據(jù)高空核爆炸電磁脈沖的基本理論模型，采用雙指數(shù)函數(shù)［2］進(jìn)行擬合，雖然不能完全模擬實(shí)際情況，但是對(duì)于工程應(yīng)用是非常有價(jià)值的。

式中：E0為峰值場(chǎng)強(qiáng)；K為修正系數(shù)；α為前沿參數(shù)；β為后沿參數(shù)。

時(shí)至今日，高空核電磁脈沖已歷經(jīng)了多種波形標(biāo)準(zhǔn)的變更，尤其是近年來(lái)國(guó)際電工委員會(huì)以及美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)提出的新的波形標(biāo)準(zhǔn)，這些不同標(biāo)準(zhǔn)的電磁脈沖對(duì)電爆裝置的影響非常值得關(guān)注。

2 電爆裝置（EED）

EED是實(shí)施點(diǎn)火、起爆等功能的電熱裝置。目前中國(guó)大量使用的仍然是第2代電爆裝置——橋絲式電爆裝置，通常由管殼、橋絲、起爆藥、傳爆藥、主裝藥、腳線等組成［3］。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

計(jì)算所選取EED模型參數(shù)如下：管殼直徑為6 mm，腳線直徑為0.4 mm。換能元暫用5Ω電阻代替（本文主要考慮EED腳線對(duì)感應(yīng)電流的影響，并未研究換能元上的電熱轉(zhuǎn)換過(guò)程）。

3 有限積分法

有限積分法是計(jì)算電磁場(chǎng)的一種數(shù)值方法，該方法可提供一種通用的空間離散化方案，可用于解決各種電磁場(chǎng)問(wèn)題，從靜態(tài)場(chǎng)計(jì)算到時(shí)域和頻域的高頻應(yīng)用。

與許多電磁場(chǎng)計(jì)算方法不同，F(xiàn)IT（有限積分法）是將麥克斯韋方程離散化。

圖1 電爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖

采用數(shù)值方法求解這些方程，需要定義一個(gè)有限的計(jì)算區(qū)域，并且該區(qū)域包含了整個(gè)的計(jì)算問(wèn)題，劃分一套網(wǎng)格，將計(jì)算區(qū)域分割為許多小的網(wǎng)格單元，進(jìn)行計(jì)算。

采用這種方法，麥克斯韋方程將在每個(gè)網(wǎng)格面上進(jìn)行離散。具體的計(jì)算方法在這里就不另行介紹，可參照有關(guān)書(shū)籍。

4 不同腳線長(zhǎng)度分析

基于最新的MIL-STD-461F［4］標(biāo)準(zhǔn)所提出的電磁脈沖對(duì)EED進(jìn)行不同腳線長(zhǎng)度的響應(yīng)分析。其波形參數(shù)如下：α＝4×10－7s－1；β＝6×10－8s－1；k＝1.3；E0＝5×104V／m，詳見(jiàn)圖2。

在電爆裝置使用過(guò)程中，其腳線長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際使用情況可進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，通常在10 mm到2 m不等。因此研究10 mm到2 m腳線長(zhǎng)度的電爆裝置，并進(jìn)行電磁脈沖響應(yīng)分析是十分必要的。這里選用腳線長(zhǎng)度為100 mm及1 m的EED進(jìn)行說(shuō)明，詳見(jiàn)圖3－圖6。

EED在電磁脈沖環(huán)境下的感應(yīng)電流振蕩周期與EED的腳線長(zhǎng)度有直接關(guān)系，可用下式進(jìn)行計(jì)算［5］：

式中：Tcurrent為電流的振蕩周期；L為EED的腳線長(zhǎng)度；c為電流在EED中的傳播速度，近似為光速（3×108m／s）。

圖2 激勵(lì)信號(hào)——MIL-STD-461F標(biāo)準(zhǔn)

圖3 腳線長(zhǎng)度100 mm，EED感應(yīng)電流波形

圖4 腳線長(zhǎng)100 mm，EED感應(yīng)電流頻域分布

圖5 腳線長(zhǎng)1 m，EED感應(yīng)電流波形

圖6 腳線長(zhǎng)1 m，EED感應(yīng)電流頻域分布

圖7 電爆裝置腳線長(zhǎng)度與感應(yīng)電流峰值的關(guān)系示意圖

另外，分別對(duì)不同腳線長(zhǎng)度的EED進(jìn)行電磁脈沖電流響應(yīng)分析。結(jié)果顯示：隨著EED腳線長(zhǎng)度的增加，EED的感應(yīng)電流幅度不斷增大，電流的周期也變大；EED感應(yīng)電流的大小與腳線長(zhǎng)度呈大致的線性關(guān)系，見(jiàn)圖7。

另外，同樣腳線長(zhǎng)度情況下，通過(guò)修改EED的橋絲電阻，分別為1，5，10，15Ω，發(fā)現(xiàn)EED橋絲上感應(yīng)的電流變化不大。因此可以判斷EED感應(yīng)的電流大小主要與EED的橋絲展開(kāi)長(zhǎng)度有關(guān)，橋絲電阻對(duì)感應(yīng)電流的影響較?。ㄒ?jiàn)表1）。同時(shí)，電爆裝置腳線的半徑對(duì)感應(yīng)電流同樣有一定的影響，本文暫不做說(shuō)明，使用的腳線半徑均為0.2 mm。

表1 變化換能元電阻值，同狀態(tài)（腳線長(zhǎng)5 cm）下EED感應(yīng)電流峰值對(duì)照表

不同腳線長(zhǎng)度電爆裝置在電磁脈沖環(huán)境中的計(jì)算結(jié)果表明，在實(shí)際使用中，腳線的長(zhǎng)短對(duì)于感應(yīng)電流的影響很大；在電爆裝置的電磁脈沖防護(hù)中可以通過(guò)減小電爆裝置腳線的長(zhǎng)度來(lái)降低電磁脈沖對(duì)EED的危害。

5 不同脈沖環(huán)境分析

選取 MIL-STD-461F，MIL-STD-2169，BELL實(shí)驗(yàn)室和1976年脈沖，進(jìn)行EED不同脈沖寬度的響應(yīng)分析。

樣品選擇：腳線長(zhǎng)度為50 cm，橋絲電阻為5Ω，平行電場(chǎng)方向放置。

電磁脈沖波形隨著年代的發(fā)展，上升沿越來(lái)越快速，半高寬度越來(lái)越短。下面介紹各種電磁脈沖對(duì)EED的響應(yīng)分析，研究同樣技術(shù)條件下，EED橋絲上感應(yīng)的電流大小，分析不同電磁脈沖對(duì)EED的危害影響，詳見(jiàn)圖8－圖12。

圖8 4種脈沖標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比

圖9 MIL-STD-461F脈沖EED感應(yīng)電流

圖10 MIL-STD-2169脈沖EED感應(yīng)電流

圖11 BELL脈沖EED感應(yīng)電流

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可以看出，同樣腳線狀態(tài)下，4種電磁脈沖對(duì)EED上感應(yīng)的電流周期基本一致；上升時(shí)間快，脈沖寬度窄的MIL-STD-461F環(huán)境在同樣腳線長(zhǎng)度的電爆裝置橋絲上感應(yīng)電流峰值最高，能量最大，因此對(duì)EED的影響也為最大。

常規(guī)電爆裝置的電容器發(fā)火能量為1×10－5～1×10－3J量級(jí)。當(dāng)腳線長(zhǎng)度為50 cm時(shí)，4種脈沖環(huán)境下電爆裝置感應(yīng)能量都在1×10－5J量級(jí)左右，根據(jù)GJB 786—1990《預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求》［6］，足以威脅到電爆裝置的安全性和可靠性。

圖12 1976年脈沖EED感應(yīng)電流

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著大功率定向能武器在戰(zhàn)場(chǎng)上的大規(guī)模應(yīng)用，特別是能夠產(chǎn)生快上升前沿的電磁脈沖武器，使得武器裝備、分系統(tǒng)、甚至是電爆元件都承受著嚴(yán)酷的考驗(yàn)。研究EED的電磁脈沖效應(yīng)，分析EED的電磁脈沖易損性，評(píng)價(jià)EED在電磁脈沖環(huán)境下的安全性可靠性，對(duì)于保障武器裝備的安全性和可靠性至關(guān)重要。

通過(guò)電磁場(chǎng)理論對(duì)電爆裝置電磁脈沖電流響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了一些的計(jì)算分析，給出了一定的結(jié)論，對(duì)于實(shí)際測(cè)試工作的開(kāi)展非常有利。

［1］ ANSIC63.14，American National Standard Dictionary for Technologies of Electromagnetic Compatibility（EMC），Electromagnetic Pulse（EMP），and Electrostatic Discharge（ESD）［S］.

［2］ 謝彥召，王贊基，王群書(shū)，等.高空核爆電磁脈沖波形標(biāo)準(zhǔn)及特征分析［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2003，15（8）：781-787.

［3］ 姚洪志.工業(yè)電雷管電磁兼容性和安全性研究［M］.［S.l.］：［s.n.］，2008.

［4］ MIL-STD-461F，Requirements For the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment［S］.

［5］ 敬文濤.導(dǎo)彈線纜高空核爆電磁脈沖耦合效應(yīng)的研究［M］.北京：國(guó)防科技大學(xué)，2004.

［6］ GJB 786—1990，預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求［S］.

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1008-1542（2011）07-0045-04

2011-06-20；責(zé)任編輯:張士瑩

姚洪志（1985-），男，遼寧錦州人，工程師，主要從事電爆裝置電磁兼容性方面的研究。