潘文庚，李 濤，徐勁松，劉文強(qiáng)

（空軍勤務(wù)學(xué)院航空彈藥系，江蘇 徐州 221000）

0 前言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，敵我雙方各種電磁輻射體數(shù)量不斷增多，輻射功率也不斷增強(qiáng)。隨著引信逐步向智能化方向發(fā)展，各類新型電引信由于采用了大量的電子器件和電路等，隨之產(chǎn)生了易受各種電磁脈沖武器和電磁環(huán)境干擾和毀傷問(wèn)題；尤其近年各種大功率無(wú)線電發(fā)射設(shè)備的大量應(yīng)用以及電子戰(zhàn)的發(fā)展，武器系統(tǒng)周圍的電磁環(huán)境愈加惡劣，給武器裝備正常使用帶來(lái)威脅。在制導(dǎo)彈藥的儲(chǔ)存、使用、部件安裝與維護(hù)測(cè)試等作業(yè)過(guò)程中的電磁脈沖能量可以導(dǎo)致系統(tǒng)中的電子元器件失效或使電爆裝置誤動(dòng)作；也可通過(guò)引信觀察窗或電纜通孔等耦合至艙體內(nèi)敏感元器件上，產(chǎn)生很強(qiáng)的感應(yīng)電磁場(chǎng)而使其工作異常，性能降低或失效等。

1999年，齊杏林，劉尚合等對(duì)引信干擾的概念與特性進(jìn)行了論述［1］；2005 年魏光輝，陳亞洲等人利用微波輻照對(duì)無(wú)線電引信影響與作用機(jī)理進(jìn)行了研究［2］；2009年許濱等人作了某型彈藥電磁耦合的仿真分析［3］。此前，還有很多學(xué)者在彈體及其他腔體對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽和耦合規(guī)律等方面做了大量工作，大多偏重于理論綜述與部件試驗(yàn)測(cè)試，分析整體性能困難，對(duì)制導(dǎo)彈藥特別是電引信部件等仿真文章甚少。為此，嘗試用實(shí)體建模仿真方法研究彈藥磁電影響規(guī)律對(duì)電磁兼容分析和提高防護(hù)能力等都有重要意義［3-7］。

1 基于FEKO 軟件的磁電仿真方法

電磁場(chǎng)數(shù)值仿真計(jì)算在本質(zhì)上講，就是在不同的邊界條件下求解麥克斯韋方程組。FEKO 軟件是從嚴(yán)格的電磁場(chǎng)積分方程出發(fā)，以矩量法為基礎(chǔ)，采用了多層快速多級(jí)子算法，在保持精度的前提下大大提高了計(jì)算效率；并將矩量法與高頻分析方法（物理光學(xué)及一致性繞射理論）相結(jié)合，能精確地解決天線設(shè)計(jì)、雷達(dá)散射截面（RCS）和電磁兼容中的各類電磁場(chǎng)分析問(wèn)題。對(duì)于電小結(jié)構(gòu)的天線等電磁場(chǎng)問(wèn)題，常采用完全的矩量法進(jìn)行分析；對(duì)于電小與電大尺寸混合結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)問(wèn)題，既可采用高效的多層快速多極子法，也可選用混合方法求解復(fù)雜介質(zhì)體，已形成一套最完整的計(jì)算體系［5］。

基于FEKO 仿真軟件特點(diǎn)，本人將多層快速多級(jí)子算法與高頻分析方法相結(jié)合應(yīng)用于制導(dǎo)彈藥電磁場(chǎng)分析，提出了制導(dǎo)彈藥中電引信磁電影響實(shí)體建模仿真方法，分析了電磁對(duì)引信性能的影響，研究了電引信在不同頻率與不同電磁強(qiáng)度及其不同進(jìn)入窗口下的電磁耦合能量變化和磁電分布影響規(guī)律，為進(jìn)一步探究制導(dǎo)彈藥磁電性能影響提供了參考方法。

2 仿真模型建立

任何一個(gè)電磁源都會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散的電磁球面波，這種波在所有方向上傳播。在任何一點(diǎn)都包含相互垂直的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，并且都垂直于波的傳播方向，相位相同，具有代表性的是正弦均勻平面電磁波，如圖1所示。

圖1 均勻正弦平面電磁波在理想介質(zhì)中傳播Fig.1 The sine plane electromagnetic waves of uniform in the ideal medium

正弦均勻平面電磁波是最基本、最簡(jiǎn)單的電磁波，許多復(fù)雜電磁波都可看作為若干個(gè)均勻平面電磁波的疊加。根據(jù)GJB1389A—2005規(guī)定，文中可采用平面電磁波作為模擬仿真激勵(lì)源：

式中：k、r為向量。

引信由光學(xué)系統(tǒng)、電子線路、保險(xiǎn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、化學(xué)熱電池和擴(kuò)爆管組成。某型彈藥采用了紅外被動(dòng)式近炸引信，它利用光場(chǎng)的變化而獲取紅外目標(biāo)信息使引信工作。引信作為獨(dú)立艙段通過(guò)兩個(gè)卡環(huán)分別與發(fā)動(dòng)機(jī)艙和戰(zhàn)斗部艙對(duì)接。為研究方便，將引信艙實(shí)體建模仿真，假定如下［7-8］：

1）彈體不能完全屏蔽外部的電磁脈沖，電磁脈沖能量可以通過(guò)孔縫耦合輻射進(jìn)去，開有八個(gè)接收器窗口的引信艙是電磁耦合的主要部位。

2）彈體為理想薄壁導(dǎo)體，其模型如圖2。光學(xué)系統(tǒng)由八個(gè)紅外接收器組成，紅外接收器分為兩組，對(duì)稱地交錯(cuò)排列在引信殼體的窗口內(nèi)，從而使得引信艙體相應(yīng)地開了8個(gè)小孔，如圖3。坐標(biāo)原點(diǎn)位于模型中心位置，引信艙長(zhǎng)178mm、直徑127mm，彈體軸坐標(biāo)與z軸重合，在引信艙殼體上開8個(gè)對(duì)稱交錯(cuò)成45°的35 mm×20 mm 的矩形孔，x 軸正方形靠下矩形孔坐標(biāo)為x=63.5mm、y=-17.5～17.5mm、z=-45～-25 mm，上下矩形孔相差5mm。

3）在x 軸正方向加載電場(chǎng)強(qiáng)度1V／m、頻率為2.0GHz的平面電磁波源（其數(shù)值可調(diào)整）。在x∈［-80，80］，y=0，z∈［-90，100］mm 的位置建立觀察面。

圖2 FEKO 中的彈體模型Fig.2 projectile model for the FEKO software

圖3 引信艙模型Fig.3 The fuze cabin model

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 引信艙體內(nèi)外電磁能量變化情況

開有接收器窗口的引信艙體不能完全屏蔽外界的電磁源，在引信艙窗口附近，由于孔縫電磁耦合能量進(jìn)引信艙體內(nèi)，使引信艙有明顯的電磁能量增大現(xiàn)象。當(dāng)引信正方向加載電磁脈沖時(shí)，圖4是引信艙體內(nèi)部x=60mm、y=0、z=-90～100mm 與彈體外部x=65mm、y=0、z=-90～100mm 兩條直線上的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比情況?？梢钥闯?，在z=-80、z=90mm 位置，彈腔體發(fā)生諧振產(chǎn)生了邊緣效應(yīng)，電場(chǎng)能量明顯高于附近其他位置的電場(chǎng)能量；在z=-45～-15 mm 的位置，即引信窗口的位置處，彈體內(nèi)部的電場(chǎng)能量明顯大于外部的電場(chǎng)能量，發(fā)生了增強(qiáng)效應(yīng)。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因在于孔縫壁上積累了大量的電荷，這些電荷在孔縫附近輻射產(chǎn)生了很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，導(dǎo)致增強(qiáng)效應(yīng)的發(fā)生。對(duì)處在加電工作的引信，提高外來(lái)電磁輻射源功率并不會(huì)明顯提高其誤炸率，但其出現(xiàn)硬損傷的比例卻會(huì)迅速上升。電磁輻射源功率很高時(shí)其作用主要以硬損傷為主，損傷閾值范圍在140～150kW／m2，輻射功率相對(duì)較低時(shí)則以干擾或引信誤炸為主，損傷閾值范圍在100kW／m2。一般信息型干擾引信接收機(jī)工作時(shí)是通過(guò)天線“前門”耦合實(shí)施干擾時(shí)瞄準(zhǔn)的是引信接收機(jī)的通頻帶，對(duì)引信易產(chǎn)生誤動(dòng)作或不能正常工作。功率型干擾引信與高功率大能量的電磁輻射源相聯(lián)系。由于含有電子線路或電火工品的分系統(tǒng)，在引信全壽命期可通過(guò)天線“前門”耦合和孔縫、線路等“后門”耦合電磁能量到引信內(nèi)，對(duì)引信干擾不只局限在引信的高頻工作階段，也能對(duì)儲(chǔ)存、運(yùn)輸、待發(fā)及發(fā)射后未接電的引信干擾，其損壞或起爆與所耦合的能量有關(guān)［1-2］。

圖4 引信艙體內(nèi)外電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)比曲線Fig.4 The contrast curve ofinternal and external electric field intensity in the fuze

3.2 不同電磁脈沖頻率對(duì)孔縫耦合的影響

為了研究不同電磁脈沖頻率對(duì)電磁孔縫耦合能量的影響，施加一定電場(chǎng)強(qiáng)度，頻率為0.1～30GHz的電磁激勵(lì)源，在引信艙體取六個(gè)比較典型的觀察點(diǎn)A、B、C、D、E、F，測(cè)得六個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度見表1和圖5、圖6。

表1 不同頻率的原場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度在六個(gè)觀察點(diǎn)的值Tab.1 Six points electric field intensity for different electromagnetic wave frequency V／m

圖5 六個(gè)觀察點(diǎn)在0.1～3GHz頻率下的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.5 Six points electric field strength for 0.1～3GHz electromagnetic wave

圖6 六個(gè)觀察點(diǎn)在3～30GHz頻率下的電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.6 Six points electric field strength for 3～30GHz electromagnetic wave

從以上圖表得知，在0.1～3GHz的頻率段內(nèi)，隨著頻率的增加，6個(gè)觀察點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度都在下降，其中A（60，0，-20）點(diǎn)由于是在孔的中心位置，下降最為明顯，其次是位于孔邊沿的F（60，0，-30）點(diǎn)；在3～30GHz的頻率段內(nèi)，6個(gè)觀察點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度變化都不大，只有F 點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度有所變化。但是隨著外擾電磁輻射源功率增大，開孔中心處的電磁強(qiáng)度干擾會(huì)增強(qiáng)很多，孔邊沿的場(chǎng)強(qiáng)變化相對(duì)緩慢，且在不同的電磁波頻譜會(huì)有明顯差異。如射頻源頻譜在10 MHz～100 GHz 時(shí)，輻射功率可達(dá)100 MW～100GW。一般的軍事目標(biāo)都是紅外輻射源，其頻譜主要分布在近紅外區(qū)，波長(zhǎng)在0.75～10μm。對(duì)近炸引信具有定位精度高、作用距離大和抗人工有源干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)目標(biāo)輻射的依賴性大，工作穩(wěn)定性較差。而紅外電磁干擾源、背景輻射包括太陽(yáng)、云朵等對(duì)引信的干擾卻很大。電磁頻譜的變化會(huì)影響引信中光敏裝置定向接收目標(biāo)紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的穩(wěn)定性。對(duì)于無(wú)線電引信，引信低頻組件的輸入阻抗會(huì)相應(yīng)提高，接收電磁脈沖的感應(yīng)電壓的能力增強(qiáng)，天線接收的電磁脈沖通過(guò)損壞的高頻組件直接傳導(dǎo)觸發(fā)低頻組件。在引信不加電的條件下，單純從電磁波輻射中耦合的能量不足以導(dǎo)致引信意外發(fā)火，但會(huì)使引信起爆執(zhí)行電路誤動(dòng)作而導(dǎo)致引信誤炸發(fā)生［7］。

3.3 不同電磁強(qiáng)度對(duì)引信孔縫耦合的影響

對(duì)彈體施加頻率為10GHz，原場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度分別為1～50V／m 的電磁激勵(lì)源。得到引信艙體上6個(gè)不同的觀察點(diǎn)A、B、C、D、E、F的數(shù)據(jù)見表2。

表2 10GHz的不同原場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度在不同觀察點(diǎn)的值Tab.2 Electric field strength of different points with different original field value for 10GHz V／m

從表2可以發(fā)現(xiàn)，孔邊沿的F 點(diǎn)（如原激勵(lì)源50V／m 耦合后的場(chǎng)強(qiáng)變?yōu)?3.2V／m）最強(qiáng)，超過(guò)原激勵(lì)源的場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度，這與孔洞邊緣的場(chǎng)強(qiáng)反射疊加有關(guān)；處在孔的中心位置A 點(diǎn)（如原激勵(lì)源50V／m 耦合后的場(chǎng)強(qiáng)變?yōu)?6.4V／m）耦合后場(chǎng)強(qiáng)次之；其他點(diǎn)處的耦合后場(chǎng)強(qiáng)下降明顯。隨著外場(chǎng)電磁波強(qiáng)度的增強(qiáng)，六個(gè)觀察點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度值都相應(yīng)增加，也基本上成線性關(guān)系。據(jù)資料表明［2］：320kW／m2的能量可起爆執(zhí)行電路直接導(dǎo)致無(wú)線電引信中的電點(diǎn)火頭意外發(fā)火。因此，當(dāng)外場(chǎng)電磁波激勵(lì)源突然增強(qiáng)，通過(guò)“后門”的孔縫耦合到引信體的電磁能量會(huì)迅速直線上升，可使引信中的電子元件和電路工作產(chǎn)生誤動(dòng)作、近炸功能降低甚至早爆。

3.4 引信艙內(nèi)纜線對(duì)電磁孔縫耦合的影響

假設(shè)引信艙內(nèi)有金屬導(dǎo)線，且為理想導(dǎo)體。導(dǎo)線的中心點(diǎn)與引信艙的中心點(diǎn)E（0，0，0）位置重合，導(dǎo)線半徑為2mm，長(zhǎng)100mm，導(dǎo)線軸線與彈體軸線重合，對(duì)彈體施加電場(chǎng)強(qiáng)度為1V／m，頻率為1.2 GHz的電磁平面波。得到五個(gè)觀察點(diǎn)在有無(wú)導(dǎo)線時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表3。

表3 引信艙內(nèi)有無(wú)導(dǎo)線時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度Tab.3 The electric field intensity for a wire or not in fuze V／m

從表3可以看出，引信艙體內(nèi)的觀察點(diǎn)，在有無(wú)導(dǎo)線時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大。由圖7看出，當(dāng)引信艙體內(nèi)有導(dǎo)線時(shí)，導(dǎo)線上正對(duì)著孔口處場(chǎng)強(qiáng)比無(wú)導(dǎo)線時(shí)要高的多，峰值的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到了57.4V／m。

導(dǎo)線上下兩端面的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖8所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線xz 平面上的上下端面的電場(chǎng)強(qiáng)度有一定的數(shù)值差，這將會(huì)形成感應(yīng)電流與感應(yīng)電壓，對(duì)周邊的電子器件性能會(huì)產(chǎn)生干擾影響。

圖7 有垂直引信矩形孔窗口長(zhǎng)邊導(dǎo)線時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度與沒(méi)有時(shí)的對(duì)比（y=0，x=20mm）Fig.7 The contrast of electric field intensity for a long wire vertical to rectangular slot or not in fuse（y=0，x=20mm）

圖8 導(dǎo)線垂直引信矩形孔窗口長(zhǎng)邊時(shí)上下端面的電場(chǎng)強(qiáng)度（y=0，z=50mm；y=0，z=-50mm）Fig.8 The electric field intensity in two face for a long wire vertical to rectangular slot in fuze（y=0，z=50mm；y=0，z=-50mm）

為比較引信艙中橫豎放置導(dǎo)線的區(qū)別，在腔體建立相同半徑和長(zhǎng)度，導(dǎo)線中心點(diǎn)在（0，0，-30）mm，平行于y 軸的水平導(dǎo)線，得到有無(wú)水平導(dǎo)線時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖9所示，在有平行引信矩形孔窗口長(zhǎng)邊導(dǎo)線時(shí)的左右端面的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖10所示。

圖9 艙體內(nèi)有無(wú)平行于引信矩形孔窗口長(zhǎng)邊導(dǎo)線時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度（x=0.2，z=-30mm）Fig.9 The electric field intensity of a long conductor parallel to rectangle slot or not in fuze cabin（x=0.2，z=-30mm）

圖10 艙體內(nèi)平行矩形孔窗口長(zhǎng)邊導(dǎo)線的左右端面電場(chǎng)強(qiáng)度（y=-50mm，z=-30mm；y=50mm，z=-30mm）Fig.10 The electric field intensity in about face of a long conductor parallel to the rectangle slot in fuze cabin（y=-50mm，z=-30mm；y=50mm，z=-30mm）

比較圖7-圖10 可以發(fā)現(xiàn)，引信艙中有導(dǎo)線時(shí)，對(duì)艙體中其他位置的電場(chǎng)強(qiáng)度影響不大，但在導(dǎo)線上耦合出很大的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖9所示，導(dǎo)線兩端有電場(chǎng)強(qiáng)度差，容易感應(yīng)出電流；但放置平行于矩形孔窗口長(zhǎng)邊導(dǎo)線比放置垂直矩形孔窗口長(zhǎng)邊導(dǎo)線時(shí)的耦合強(qiáng)度要低的多。因此，對(duì)引信艙體內(nèi)的電子布線時(shí)，應(yīng)盡量平行于彈體軸線和矩形孔窗口長(zhǎng)邊。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將敏感電子元器件避開電磁耦合能量較強(qiáng)處，合理設(shè)計(jì)可改善內(nèi)部電路的電磁兼容性能。

3.5 不同孔縫形狀的電磁耦合效應(yīng)對(duì)比

為研究不同孔縫對(duì)艙體電磁耦合效應(yīng)的影響，取相同面積下的矩形孔35mm×20mm、正方形孔26.48mm×26.48mm 和圓孔r=14.93 mm 作為比較研究。加載電場(chǎng)強(qiáng)度1V／m、頻率2GHz的平面電磁波作為激勵(lì)源。取引信艙體內(nèi)部x=60，y=0，z=-90～100 mm 的一條直線上的等間距點(diǎn)作為觀察點(diǎn)，得到同面積下的矩形孔、正方形孔和圓形孔的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖11所示。三種孔形狀的電磁耦合強(qiáng)度在z=-90～-60mm 和z=0～100mm 的位置段內(nèi)，耦合場(chǎng)強(qiáng)基本一致。在z=-60～0mm的位置段內(nèi)，三種孔的耦合場(chǎng)強(qiáng)都發(fā)生了變化，矩形孔處耦合場(chǎng)強(qiáng)最大而圓孔處最小，即矩形孔的耦合強(qiáng)度達(dá)到了1.92V／m，方孔處為1.62 V／m，圓孔處為1.29V／m。在引信研制生產(chǎn)過(guò)程中，不同引信體的抗電磁干擾能力相差很大，由此導(dǎo)致引信的電磁損傷閾值差異較大，有的電磁損傷閾值可相差數(shù)倍。因此在弾體或引信開孔時(shí)盡可能采用圓形孔，這有利于防護(hù)制導(dǎo)彈藥外加電磁脈沖干擾與影響，從生產(chǎn)設(shè)計(jì)源頭提高引信的抗電磁損傷能力。

圖11 不同孔形狀在艙體內(nèi)（x=60mm，y=0）處的電場(chǎng)強(qiáng)度曲線Fig.11 The contrast of electric field intensity for different slot-shape in fuze cabin（x=60mm，y=0）

4 結(jié)論及建議

基于FEKO 電磁軟件，對(duì)制導(dǎo)彈藥中電引信磁電分布影響提出了實(shí)體建模仿真算法。通過(guò)仿真獲得了如下結(jié)論：1）在彈體內(nèi)部由于艙體殼層影響引信窗口處電場(chǎng)能量發(fā)生了增強(qiáng)效應(yīng)，與文獻(xiàn)［6］結(jié)論一致。該處電場(chǎng)強(qiáng)度增大明顯，而引信體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度卻有所衰減；不同的外加電磁脈沖頻率與強(qiáng)度以及進(jìn)入電磁脈沖的不同形狀窗口對(duì)彈藥內(nèi)部電磁耦合能量也存在較大影響。2）引信艙觀測(cè)窗附近有很強(qiáng)的電磁耦合能量，且耦合到引信艙內(nèi)的能量與外加電磁脈沖能量成正比。艙體內(nèi)纜線的橫豎放置其電磁耦合能量有很大差異。引信觀測(cè)窗處最大，在彈體內(nèi)布置線路時(shí)，應(yīng)盡量水平布線。內(nèi)部電路應(yīng)合理設(shè)計(jì)可改善的電磁兼容性能，可將敏感的電子元器件避開電磁耦合能量較強(qiáng)處。3）孔縫耦合是電磁脈沖進(jìn)入引信艙體的主要通道。在孔縫附近有很高的電場(chǎng)，且電磁耦合能量隨電磁頻率升高而下降，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)低頻電磁脈沖的防護(hù)。4）當(dāng)孔縫面積相同時(shí)，矩形孔的耦合能量最大而圓形孔最小，設(shè)計(jì)可考慮采用圓形孔縫。仿真結(jié)果表明：利用FEKO軟件對(duì)制導(dǎo)彈藥電引信磁電分布影響仿真是可行的，可為其他彈藥性能分析、引信設(shè)計(jì)改進(jìn)及電磁防護(hù)研究等提供方法參考。

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