柳永祥，朱勇剛，姚富強

（總參第六十三研究所，江蘇南京 210007）

直升機機艙電磁屏蔽效能仿真研究

柳永祥，朱勇剛，姚富強

（總參第六十三研究所，江蘇南京 210007）

對直升機機艙的電磁屏蔽效能進行了仿真，分別給出了不采取防護措施以及對直升機門窗等孔洞進行屏蔽處理2種情況下機艙的屏蔽效能仿真曲線，得到了機艙屏蔽效能隨頻率變化的一般規(guī)律及量級，認為影響機艙屏蔽效能的主要因素不是艙壁滲透，而是門窗孔洞的泄漏。

直升機；電磁脈沖；防護；屏蔽效能；仿真

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，軍用直升機主要承擔對地面目標攻擊、野戰(zhàn)運輸、野戰(zhàn)搶修與救生等任務(wù)，有時還作為某些特殊的空中平臺使用，尤其是武裝直升機的地位和作用更為重要，被稱為陸軍的“領(lǐng)頭雁”，是敵方重點打擊目標之一。另一方面，為進一步提高軍用直升機的作戰(zhàn)能力，機上裝備有多種先進的電子設(shè)備，例如電臺、雷達、導航系統(tǒng)、測高儀、干擾機等，一旦遭到高能電磁脈沖武器的打擊，這些設(shè)備將失去正常工作能力，裝備精良的飛機在瞬間即變成無頭的蒼蠅。因此，必須采取有效措施對直升機及其機載電子裝備進行電磁防護，減小或消除強電磁脈沖攻擊的影響。

為了能夠定量考查機艙的屏蔽性能，并在工程防護過程中合理分配屏蔽效能指標，本文通過計算機仿真，分析不同條件下機艙電磁屏蔽效能、艙內(nèi)不同位置的電磁響應等，為有針對性地采取防護措施提供參考。

1 直升機面臨的強電磁攻擊威脅分析

常規(guī)電磁脈沖武器按照使用方式可以分為陸基、空基和天基3種。限于當前的技術(shù)水平，大功率、可重復使用的電磁脈沖攻擊系統(tǒng)通常需要龐大的支持子系統(tǒng)（包括大功率電源、冷卻系統(tǒng)以及指控系統(tǒng)等），需要裝在多臺車輛上，體積比較大，多見于陸基電磁脈沖武器，且受發(fā)射天線效率的限制，脈沖功率主要集中于500 MHz以上頻段，即屬于HPM范疇。此外，陸基電磁脈沖武器還包括不可重復使用的電磁脈沖炸彈，使用時可通過導彈或炮彈等攜帶電磁脈沖彈頭，在目標附近爆炸后產(chǎn)生電磁脈沖，達到攻擊目的。同樣基于天線效率及目標耦合特性的考慮，這種電磁脈沖炸彈的頻率通常也集中于數(shù)百兆赫茲到數(shù)吉赫茲。

對于天基電磁脈沖武器（大氣層外發(fā)射），由于直升機一般都是低空作戰(zhàn)，電磁波從大氣層外發(fā)射到達近地飛行的直升機時，路徑損耗很大，使得最終到達直升機的電磁脈沖功率過小而達不到攻擊效果，因此攻擊方一般不會使用天基電磁脈沖武器對直升機之類的低空目標進行攻擊。

空基（機載）電磁脈沖武器受設(shè)備體積及重量的限制，目前還很難攜帶體積和重量過大的大功率可重復式電磁脈沖武器攻擊系統(tǒng)，更多的是使用一次性的電磁脈沖炸彈，但是這些武器通常不是針對直升機的，而是用來對地面指揮控制中心發(fā)動襲擊或者當有導彈來襲時用來自衛(wèi)。

根據(jù)以上分析，直升機在戰(zhàn)爭中主要面臨來自于陸基高功率微波武器（HPM）和核爆電磁脈沖（NEMP）的威脅，由于國際條約對使用核武器的限制，可以認為高功率微波武器是未來高技術(shù)局部戰(zhàn)爭中直升機面臨的主要強電磁攻擊威脅。因此，現(xiàn)階段直升機的電磁防護將重點針對HPM來展開，同時兼顧抗NEMP的防護。

2 仿真模型及基本設(shè)定

對于各類電子裝備，強電磁脈沖真正破壞的大多是裝備內(nèi)部的半導體器件。因此強電磁能量對直升機的攻擊需要跨過兩道屏障，第1道是金屬蒙皮的機艙，第2道是各機載設(shè)備的金屬機箱。這兩道屏障雖然不是為抗電磁脈沖專門設(shè)計，但以金屬為材料的機艙或機箱外殼仍然具有一定的電磁屏蔽能力。本文重點分析在強電磁脈沖攻擊時直升機內(nèi)部不同位置的響應特點以及機艙的屏蔽效能。

機艙屏蔽能力的大小除了與艙壁材料的電導率有關(guān)外，還與艙壁上的孔縫情況以及入射電磁脈沖的功率譜分布有密切關(guān)系。

直升機機身上的開孔主要有舷窗、觀察窗、機身蒙皮的接縫等等，對于采用不導電復合材料作為機身蒙皮的飛機，則整個機艙內(nèi)部相對于入射電磁場而言是開放的，入射電磁場將直接作用于機載各類電子設(shè)備，在強電磁環(huán)境下還會出現(xiàn)一些非線性現(xiàn)象，給整體防護工作帶來意想不到的麻煩。因此，通常應對機艙外殼進行屏蔽處理。

腔體屏蔽效能的定義為腔體內(nèi)某點處的電場（磁場）強度在插入腔體前后的幅值之比，在實際處理中為了方便計算，將屏蔽體內(nèi)某點處的電（磁）場強度和緊靠屏蔽體外側(cè)的入射電（磁）場強度之比作為該腔體屏蔽效能的近似值：

式中，EMp表示在腔內(nèi)p點得到的電（磁）場強度，EMinc表示入射場強度。以下計算中均采用式（1）計算屏蔽效能。

如圖1所示為直升機的三維模型，由于在仿真過程中使用的直升機模型尺寸與實際尺寸之比為1∶100，根據(jù)腔體諧振理論，腔體幾何尺寸縮小100倍，其相同振蕩模式的諧振頻率將增大100倍。因此，在所得到的仿真結(jié)果中，如果將頻率軸對應的數(shù)值縮小100倍，則所得到的曲線可以近似認為是實際尺寸的直升機屏蔽效能－頻率曲線。

直升機外殼材料假定為鋁合金材料，相對電導率為0.61（令銅的電導率為1）。分別比較不對舷窗、觀察孔等進行任何處理以及對這些部位進行導電屏蔽處理2種情況下機艙的頻域電場屏蔽性能和時域響應特性。仿真的基本設(shè)定如下。

1）在仿真機艙頻域屏蔽效能時，入射波頻率范圍為0～6 GHz，仿真其時域響應特征時，入射波為幅度歸一化的高斯脈沖平面波，其時域波形和頻譜分布如圖2a）和圖2b）所示；

圖2 入射電磁脈沖時域波形和頻譜

圖1 按照1∶100比例縮小的直升機三維模型

2）電磁波的入射角度分別為飛機正下方垂直入射、側(cè)面水平入射2種情況；

3）由于入射波的最短波長為0.05 m，相對于該波長而言，直升機屬于電大尺寸物體，基于現(xiàn)有計算機硬件平臺以及實驗室已有的仿真軟件難以對這樣的大型電大尺寸物體進行電磁場仿真。另外，考慮到僅需對艙壁的電磁屏蔽能力作粗略分析，并不需要了解精確的電磁場分布情況，因此在實際仿真中使用縮微模型，縮微模型尺寸與實物尺寸的比例為1∶100；

4）仿真環(huán)境為Remcom公司的三維時域電磁場分析軟件XFDTD 6.0；

5）考查以下2個典型位置：機艙側(cè)壁，記作A點；機頭儀表面板中點，記作B點；

6）時域波形的橫坐標單位都為ns，縱坐標單位都為V／m；頻域波形的橫坐標單位都為GHz，縱坐標單位都為dB。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 未對舷窗、觀察孔等進行加固的情況

根據(jù)以上仿真模型及設(shè)定條件，分別得到不同脈沖入射方向時，機艙側(cè)壁以及機頭儀表面板中點處的脈沖響應時域和頻域波形，圖3為不同條件下直升機機艙內(nèi)部時域和頻域響應仿真結(jié)果，圖4為直升機機艙屏蔽效能隨頻率的變化情況。

圖3 不同條件下直升機機艙內(nèi)部響應仿真結(jié)果

根據(jù)圖3所示仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象：

1）對于所考查的A，B 2個位置，電磁波從側(cè)面入射時得到的電場強度要大于從正下方入射時的情況；

2）當入射波消失之后，直升機中的電磁場響應波并沒有馬上消失，而是要持續(xù)較長一段時間；

現(xiàn)象1）說明艙壁的遮擋對入射電磁波可以起到一定的衰減作用；現(xiàn)象2）說明滲透進入機艙內(nèi)部的電磁波由于機艙內(nèi)壁的反射作用，在機艙內(nèi)形成振蕩。振蕩持續(xù)時間與艙內(nèi)較大尺寸物體的擺放以及內(nèi)壁材料的電磁特性有關(guān)。

為了進一步明確直升機金屬機艙對不同頻率平面波的屏蔽效果，圖4給出了A，B兩點處所得到的電場屏蔽效能仿真曲線，該曲線利用HFSS 9.0仿真得到。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，直升機機艙的金屬蒙皮對外部入射電磁場的低頻分量（8 MHz以下）有一定的屏蔽作用，其數(shù)量級在10～60 dB之間，與入射波方向以及機艙內(nèi)部考查點的位置有關(guān)。當入射波頻率繼續(xù)增加時，機艙的屏蔽效能迅速下降。另一方面，根據(jù)國外相關(guān)研究成果，一般直升機的機艙屏蔽效能如圖5所示，圖中所示曲線與本文的仿真結(jié)果基本吻合。

圖4 機艙屏蔽效能的仿真結(jié)果

3.2 對舷窗、觀察孔等進行加固時的情況

考慮到部分直升機使用的是非導電復合材料蒙皮，因此在仿真中也考慮了這種情況，并分別就機艙使用良導體材料和商用導電涂料2種情況進行了仿真比較。采取如下的防護措施：

1）對于窗戶玻璃，使用嵌有細密金屬絲網(wǎng)的電磁屏蔽透光玻璃替換原有的普通強化玻璃，其結(jié)構(gòu)特點如圖6所示，導電絲中心以聚酯纖維為支撐材料，外面用銅包裹，構(gòu)成屏蔽的主要部分，最外層是黑色包層防止反光。1英寸（約為2.54 cm）距離上有90個網(wǎng)格，每個網(wǎng)格絲線的直徑約為40 μm，表面阻抗約為0.14Ω／m2。

（2）對于復合材料機艙，在其外壁上涂覆有一層厚度為40μm的導電漆，導電漆的各項性能參數(shù)如表1所示：

圖5 直升機外殼的屏蔽效能曲線

圖6 嵌入玻璃的金屬絲網(wǎng)結(jié)構(gòu)

表1 導電漆的主要性能參數(shù)

利用HFSS對直升機機艙的屏蔽效能進行仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。

由圖7所示的仿真結(jié)果可以看出，對機艙上的門窗等開孔進行電磁加固處理后，機艙的屏蔽效能顯著提高，在（0～30）MHz頻段均有一定的屏蔽作用，低端（10 MHz以下）達到（30～55）dB；在高端，由于機艙諧振的影響，屏蔽效能逐步下降，但除掉諧振頻率附近區(qū)域外，其他頻段的屏蔽效能基本能達到20 dB左右。如果能在機艙內(nèi)壁涂敷吸波材料對電磁波進行吸收，則又可以進一步改善屏蔽效果。

另外，從仿真結(jié)果還可以看出，使用導電涂料噴涂機艙外殼與使用理想金屬導體作為外殼蒙皮兩者得到的機艙屏蔽效能差別不明顯。這說明，導電漆的導電率在一定范圍內(nèi)變化對機艙屏蔽效能影響不大，影響機艙屏蔽效能的主要因素不是艙壁滲透，而是門窗孔洞的泄漏。

由此可見，機艙上的門窗、觀察窗等較大的開孔是電磁能量進入直升機的主要途徑，要對直升機機艙進行電磁屏蔽處理，應將開孔的屏蔽問題作為重點。

4 結(jié) 語

本文針對直升機機艙的電磁屏蔽效能進行了仿真研究，分別給出了不采取防護措施以及對直升機門窗等孔洞進行屏蔽處理2種情況下機艙的屏蔽效能仿真曲線，得到了一些初步的結(jié)論，認為影響機艙屏蔽效能的主要因素不是艙壁滲透，而是門窗孔洞的泄漏。因此，直升機的強電磁攻擊防護除了做好“前門防護”外，機身門窗等開孔的屏蔽應作為重點，以盡可能減小進入機艙內(nèi)部的脈沖攻擊強度。

圖7 對機艙開孔加固后的機艙屏蔽效能仿真結(jié)果

［1］ 葛德彪，閻玉波.電磁波時域有限差分方法［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2002.

［2］ MORGAN G E.EMP Hardening of Aircraft by Closing the Points-of-Entry［ED／OL］.http：／／iget104.et.uni－magdeburg.de／，Oct 1975.

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1008-1542（2011）07-0071-05

2011-06-25；責任編輯:李 穆

柳永祥（1974-），男，湖北黃陂人，高級工程師，主要從事軍事通信抗干擾技術(shù)、電磁頻譜技術(shù)、高功率電磁現(xiàn)象及其防護方面的研究。