潘文庚，孔凡成，張洪海，黃強，晉耀

(空軍勤務(wù)學(xué)院 航空彈藥系，江蘇 徐州　221002)

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綜合保障性技術(shù)

復(fù)雜環(huán)境下的彈藥倉庫電磁防護分析*

潘文庚，孔凡成，張洪海，黃強，晉耀

(空軍勤務(wù)學(xué)院 航空彈藥系，江蘇 徐州221002)

摘要：基于FEKO軟件構(gòu)建了彈藥倉庫電磁屏蔽仿真模型，對彈藥庫墻體、鋼筋網(wǎng)及電磁涂層等的電磁脈沖屏蔽效能的影響進行了研究，得出了一些有價值的規(guī)律與結(jié)論。仿真表明：在混凝土中添加碳粉、鋼纖維等導(dǎo)電材料可顯著提高電磁場高頻屏蔽效能，但對低頻電磁場影響不大；金屬涂層與電導(dǎo)率低的復(fù)合涂層具有較高的屏蔽效能，隨著外部電磁場頻率和強度加大，噴有導(dǎo)電涂料的混凝土墻體，屏蔽效應(yīng)明顯增強。對于孔縫屏蔽效能總體是逐漸降低的，但在0.7～0.8 GBZ處發(fā)生諧振，屏蔽效能最差；鋼筋直徑與鋼筋網(wǎng)格尺寸及組網(wǎng)方式、孔縫形狀和大小都對庫房的屏蔽效能都有不同程度的影響，為彈藥庫房電磁防護提供了方法參考與有益嘗試。

關(guān)鍵詞：彈藥倉庫；鋼混墻體；電磁環(huán)境；屏蔽效能；電磁防護；仿真

0引言

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中電子對抗干擾貫穿于戰(zhàn)爭始終，復(fù)雜多變的電磁環(huán)境不僅影響彈藥裝備的作戰(zhàn)效能，而且直接威脅彈藥倉庫的戰(zhàn)場生存。在彈藥的各個勤務(wù)處理環(huán)節(jié)中，造成彈藥及其組件燃燒、爆炸，甚至人員傷亡的案例屢見不鮮，特別是大量電磁脈沖武器的使用對彈藥倉庫威脅很大。美軍在1991年海灣戰(zhàn)爭期間使用過具有電磁脈沖破壞效能的巡航導(dǎo)彈，1999年科索沃戰(zhàn)爭中再度使用了電磁脈沖炸彈，使半徑數(shù)十千米范圍內(nèi)的幾乎所有的電子設(shè)備無法正常工作、修復(fù)甚至引爆彈藥。目前彈藥庫房的溫濕度調(diào)控以及防火防盜措施研究很多，但應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境下的彈藥磁電安全防護研究有限。為確保彈藥裝備貯存安全，適應(yīng)未來信息化戰(zhàn)爭的裝備保障需求，必須對舊彈藥庫房進行技術(shù)化改造或建設(shè)新庫房，已成為當(dāng)今彈藥倉庫安全管理中亟待解決的一項重大課題[1-4]。

2002年，易韻等[5]采用時域有限差分法，分析了常用地下建筑工程鋼筋混凝土層對高功率電磁環(huán)境的屏蔽效能，研究了鋼筋網(wǎng)連接方式、自然防護層等因素對屏蔽效能的影響；2006年，陳彬等[6]建立了簡化的計算模型，運用時域有限差分法計算了金屬門的屏蔽效能；2007年，左躍等[7]分析了電磁屏蔽材料的屏蔽機理和吸波材料的吸波機理，探討了水泥基電磁屏蔽材料與吸波材料的設(shè)計原理，提出了水泥基電磁屏蔽材料與吸波材料今后的研究方向；2008年，徐磊等[8]分析了復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)略后方倉庫面臨的安全挑戰(zhàn)，提出了有效的防護措施；2009年，呂楠等[9]從理論上探討了混凝土對電磁波屏蔽效能的潛在規(guī)律。此前，還有很多學(xué)者在彈體、引信及其他腔體對電磁場的屏蔽和耦合規(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測試，分析整體性能困難，對彈藥倉庫等的研究甚少。為此嘗試用實體建模仿真方法研究彈藥倉庫磁電影響規(guī)律和防護具有重要意義[10-12]。

FEKO是復(fù)雜形狀三維結(jié)構(gòu)的電磁場分析軟件，可以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁問題，在保持精度的前提下大大提高了計算效率，使得精確仿真電大尺寸物體的電磁輻射和散射問題成為可能。它以矩量法為基礎(chǔ)，采用了多級子算法，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、雷達散射截面和電磁兼容中的各類電磁場分析問題?；贔EKO仿真軟件特點，本文將矩量法與高頻分析方法相結(jié)合，提出了彈藥倉庫防護建模仿真方法，分析了彈藥倉庫在不同頻率、涂層材料及其各形窗口下的電磁屏蔽效能影響和磁電分布影響規(guī)律，為進一步探究彈藥貯存及其磁電防護影響提供了參考方法。

1電磁屏蔽原理

電磁屏蔽是利用屏蔽體對電磁能量的反射、吸收和引導(dǎo)作用將屏蔽區(qū)域與其他區(qū)域分開，是電屏蔽和磁屏蔽的結(jié)合。在近場條件下，對于高電壓、小電流的干擾源，近場以電場為主；而對于低電壓、大電流的干擾源，近場以磁場為主。在遠場條件下，不論干擾源特性如何，均可看作平面波電磁場。其電磁能量有3種不同的衰減機理：①在入射表面的反射衰減；②被屏蔽材料吸收的衰減；③在屏蔽材料體內(nèi)部的多次反射衰減。對于遠場而言，電磁場是統(tǒng)一的整體，即電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能是一致的，統(tǒng)稱電磁屏蔽效能。分貝值越大表明屏蔽效果越好，屏蔽效能的分級標(biāo)準(zhǔn)如表1所列。一般民用設(shè)施所需的屏蔽效能為35～65dB；軍用設(shè)備所需的屏蔽效能為60～100dB。在30MBZ～1GBZ范圍內(nèi)，屏蔽效果在35dB以上被認為是有效屏蔽[13-15]。

表1　屏蔽效能的分級標(biāo)準(zhǔn)

把金屬板電磁屏蔽體假定在金屬板上不存在任何孔洞、縫隙等電氣不連續(xù)點。根據(jù)Schelkunoff理論，屏蔽效能為電磁能量被屏蔽層反射、吸收及多次反射之和，可表示為

SE=R+A+B，

式中：R為反射損耗；A為吸收損耗(dB)；B為多次反射損耗。

其中，吸收損耗A可表示為

A=8.686L/σ，

2彈藥庫房電磁防護性能分析

2.1混凝土墻體的電磁屏蔽效能分析

為簡化模型計算，外部加載電場強度均為1V/m的平面電磁波，意在探討其電磁屏蔽規(guī)律。彈藥倉庫大多是混凝土墻體結(jié)構(gòu)，建立混凝土墻體模型(對于平面墻體，取樣大小對計算結(jié)果影響不大，取樣計算中采取智能網(wǎng)格劃分。當(dāng)然網(wǎng)格越小越精確，那就越接近真實值)：長寬為1 000cm×1 000cm，厚度為25cm，模型中混凝土參數(shù)[9，11]為εr=8.0，σ=10-3S/m，面向墻體沿x軸負方向加載電場強度為1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，對低頻30kBZ和高頻300MBZ2種情況進行仿真，取墻體后10cm處為觀察面，所得結(jié)果混凝土對低頻電場和磁場能量的屏蔽效能普遍較低，對高頻電場和磁場能量的屏蔽效能較好。對摻雜碳粉、鋼纖維等導(dǎo)電材料的混凝土墻體和普通混凝土墻體分別進行仿真，比較其屏蔽效能，選擇摻雜導(dǎo)電材料混凝土的參數(shù)為εr=8.0，σ=10-2S/m。對2種墻體建立模型，長寬為1 000cm×1 000cm，厚度為25cm，面向墻體加載1V/m的平面電磁波，頻率設(shè)置為低頻10～100kBZ和高頻0.1～1GBZ2個頻段，在沿x軸負方向距墻體5cm處取觀察點，如圖1為添加導(dǎo)電涂料混凝土對高頻的屏蔽效能。普通混凝土墻體及添加導(dǎo)電涂料混凝土仿真結(jié)果都表明：混凝土對電磁場中電場部分的屏蔽效能較低，對磁場部分有較高的屏蔽效能；混凝土對低頻電磁場的屏蔽效能要高于對高頻電磁場的屏蔽效能；在混凝土中添加碳粉、鋼纖維等導(dǎo)電材料可顯著提高混凝土對高頻電磁場的屏蔽效能，但對低頻電磁場影響不大。低頻段處，添有某導(dǎo)電涂料的混凝土與普通添混凝土比較，總體在20dB/m基線上，在60kBZ處有突越變化；較高頻段處，添有導(dǎo)電涂料的混凝土與普通添混凝土比較，屏蔽效能有明顯效應(yīng)。理論上在30MBZ～1GBZ范圍內(nèi)，屏蔽效果在35dB以上被認為是有效屏蔽。由于外部加載電場強度為1V/m的平面電磁波，此處的屏蔽效能最大約在20dB左右，但隨著外部復(fù)雜電磁場強度加大，其相應(yīng)的屏蔽效能會更加顯著。

圖1　添加導(dǎo)電涂料混凝土對高頻的屏蔽效能Fig. 1　Shielding effectiveness of high frequency on concrete with conductive coating

2.2鋼筋網(wǎng)的電磁屏蔽效能分析

鋼筋直徑、鋼筋網(wǎng)格尺寸和混凝土特性等因素對屏蔽效能都有較大影響。鋼筋的網(wǎng)格很大時對小間保護的屏蔽效能很低，實際工程中常采用鋼筋較小的網(wǎng)格設(shè)計。鋼筋作為一種鐵磁性材料，其相對磁導(dǎo)率隨電磁波頻率增加而下降，雖然鋼的電導(dǎo)率比銅或鋁低，但鋼筋在低頻范圍內(nèi)可提供更高的磁屏蔽性能。要保證具有良好的屏蔽效果，工程上對鋼筋的技術(shù)要求是一般應(yīng)采用不小于直徑8mm的圓鋼焊接成不大于500mm× 500mm的網(wǎng)格并與主鋼筋相連，門窗采用截面不小于9mm2，網(wǎng)孔不小于80mm×80mm的鋁合金網(wǎng)，并用不小于16mm2的軟銅線與地網(wǎng)或屏蔽層可靠相連。而鋼筋表面一般要防銹處理，屏蔽效能要求不太高的情況下，可采用鍍鋅等方法對鋼筋做適當(dāng)處理，可通過電磁計量儀測量判斷是否可用。本文建立3個鋼筋網(wǎng)電磁屏蔽效能模型僅做探討，模型A(鋼筋半徑r為1cm，網(wǎng)格大小b為10cm)，模型B(鋼筋半徑r為0.5cm，網(wǎng)格大小b為10cm)，模型C(鋼筋半徑r為0.5cm，網(wǎng)格大小b為20cm)。對3種模型加載1V/m的平面電磁波，對高頻0.1～1GBZ和低頻10～100kBZ2個頻段進行仿真，觀察點設(shè)在鋼筋網(wǎng)后5cm處。如圖2為模型A在高頻和低頻情況下的屏蔽效能。3個模型仿真表明：鋼筋網(wǎng)對電磁波有一定的屏蔽作用，其屏蔽效能與網(wǎng)筋網(wǎng)格尺寸、鋼筋直徑和入射頻率有關(guān)。一般情況下，較小的鋼筋網(wǎng)格尺寸和較大的鋼筋直徑可以提供較高的屏蔽效能，特別是網(wǎng)格尺寸對屏蔽效能的影響十分顯著。高頻情況下，屏蔽效能隨頻率的增加而逐漸降低；低頻情況下，屏蔽效能保持穩(wěn)定，基本不隨頻率的變化而變化。

圖2　模型A在高頻和低頻情況下的屏蔽效能Fig. 2　Shielding effectiveness on model A under the condition of high and low frequency

2.3屏蔽涂層的電磁屏蔽效能分析

由于鎳粉、銀粉或鍍銀的電阻率小于一定值時有導(dǎo)電率高，良好的化學(xué)穩(wěn)定性， 表面不易氧化和銹蝕以及抗遷移能力強等特點，通常用來制成具有屏蔽功能的抗電磁涂料。但這些金屬涂料經(jīng)濟成本較高，如能制成鎳包或銀包銅粉涂料則具有良好的經(jīng)濟價值，可廣泛用于導(dǎo)電膠、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電、導(dǎo)靜電涂料以及各種電磁屏蔽、非導(dǎo)電性物質(zhì)表面金屬化處理等工業(yè)。為了簡便起見，采用典型的金屬涂層粉末：鎳粉、銀粉和鍍銀(5%，質(zhì)量分數(shù))銅粉作為研究對象，研究不同涂層的屏蔽效能，具有一定的工程意義。電磁參數(shù)如表2所示。

表2　3種金屬材料相對電導(dǎo)率

設(shè)涂(噴)層厚度為0.2cm，加載電場強度為1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，頻率設(shè)置為0.1～1GBZ，在涂層后15cm處設(shè)立觀察點進行仿真分析。在相同頻域區(qū)間，加有粉末鎳粉、銀粉和鍍銀的涂層(純度為99.99%，平均粒徑為5nm)由0.1GBZ到1GBZ的過程中，均在0.7GBZ屏蔽效能最好，在-26～ -31dB，銀粉相對效果更強，然后都逐漸轉(zhuǎn)弱。

以銀粉涂層為參考建立涂層模型研究涂層厚度對屏蔽效能的影響，將模型中的涂層厚度分別設(shè)為d=0.2cm和d=0.4cm，在同樣的條件下進行仿真，不同厚度下Ag涂層的屏蔽效能也是均在0.7GBZ屏蔽效能最好，如圖3是d=0.4cm時Ag涂層的屏蔽效能。以某銀粉涂層和鎳粉涂層建立復(fù)合涂層模型研究其屏蔽效能，模型A為銀粉涂層在外側(cè)，模型B為鎳粉涂層在外側(cè)，在同樣的條件下進行仿真，如圖4所示。為不同順序復(fù)合涂層的屏蔽效能。仿真結(jié)果表明：金屬涂層的屏蔽效能總體較高，在厚度相同的條件下，不同填料涂層的屏蔽效能不同，在選用的3種填料涂層中，銀粉涂層的屏蔽效能較高，鍍銀銅粉的屏蔽效能次之，鎳粉的屏蔽效能最低，屏蔽效能隨著電導(dǎo)率的增加而逐漸增大；不同厚度的同種涂層屏蔽效能也不同，隨著厚度的增加，屏蔽效能逐漸增大；復(fù)合屏蔽涂層的順序不同，其屏蔽效能也有很大的不同，高電導(dǎo)率涂層在外側(cè)時的屏蔽效能較低，低電導(dǎo)率涂層在外側(cè)時的屏蔽效能較高，且要高于復(fù)合涂層中同厚度的任一涂層。

圖3　d=0.04 cm時Ag涂層的屏蔽效能Fig.3　Shielding effectiveness of Ag coating in d=0.04 cm

圖4　鎳粉涂層在外側(cè)的屏蔽效能Fig. 4　Shielding effectiveness of nickel coating on the outside

2.4孔洞和縫隙的電磁屏蔽效能分析

(1) 孔洞和縫隙對屏蔽效能的影響

由于彈藥倉庫、彈藥包裝和彈體本身以及一些電子設(shè)備都存在著不同的孔縫，分別建立3個立方體腔體模型30cm×30cm×30cm，厚度為1cm，模型A為全封閉腔體，模型B為有方孔(4cm×4cm)腔體，模型C為有縫隙(24cm×0.6cm)腔體，設(shè)屏蔽腔體為理想完全導(dǎo)體。對孔洞和縫隙的模型加載電場強度為1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，設(shè)置頻率為0.6GBZ，在模型中的Oyz平面上取腔體截面作仿真計算，仿真結(jié)果表明：孔洞和縫隙的存在大大影響了屏蔽體的屏蔽效能，其中孔洞的影響比較大，縫隙的影響略小；電磁波通過孔洞和縫隙耦合進入腔體內(nèi)，場強分布不均勻，具體表現(xiàn)為：在y軸方向上，中間的場強大，屏蔽效能低，兩側(cè)的場強小，屏蔽效能高。隨著外部復(fù)雜電磁場強度加大，其相應(yīng)的屏蔽效能會更加顯著。

(2) 孔洞的屏蔽效能仿真分析

按同樣尺寸建立屏蔽腔體模型，模型A為正方形孔(4cm×4cm)腔體，模型B為長方形孔(8cm×2cm)腔體，模型C為圓形孔(半徑2.5cm)腔體。為了研究方便，假設(shè)孔洞位于屏蔽腔體側(cè)面的正中心位置，面向腔體沿x軸負方向加載電場強度1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，設(shè)置頻率為0.3GBZ～1GBZ，在3個孔洞模型中的x軸上設(shè)定3處觀察點，依次為距離孔洞5cm處、腔體中心、距離孔洞25cm處，坐標(biāo)依次為A(10，0，0)，B(0，0，0)，C(-10，0，0)，如圖5 為B(0，0，0)點時不同頻率下孔洞腔體的屏蔽效能。所有選點的仿真表明：不同孔洞對電磁波的屏蔽效能不同，在開孔面積相同的情況下，矩形孔的屏蔽效能是最差的，其次是方形孔，屏蔽效能最好的是圓形孔，與實測現(xiàn)象相符；隨著與孔洞之間距離的增大，場強逐漸變小，屏蔽效能逐漸增大；對于不同頻率的電磁波，屏蔽效能也不同，隨著頻率的增大，屏蔽效能逐漸減小，并在0.7GBZ和0.8GBZ之間產(chǎn)生諧振，在諧振點處的屏蔽效果最差。

圖5　B(0，0，0)點時，不同頻率下孔洞腔體的屏蔽效能Fig. 5　Shielding effectiveness of hole cavity underdifferent frequencies at B (0,0,0)

(3) 縫隙的屏蔽效能仿真分析

建立同樣尺寸的立方體屏蔽腔體模型，在屏蔽腔體側(cè)面的正中心位置，建立不同類型的縫隙，分別為模型A(24cm×0.6cm)、模型B(12cm×0.6cm)、模型C(12cm×0.2cm)。面向腔體，沿x軸負方向加載電場強度1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，設(shè)置頻率為0.3 ～1GBZ，在模型的中心(坐標(biāo)原點)處設(shè)置近場求解點進行仿真，可以得到3種模型在不同頻率下不同縫隙的屏蔽效能的變化，在0.3～1.0GBZ頻變過程中，發(fā)現(xiàn)在0.7～0.8GBZ處達到高點，左右兩側(cè)成斜坡狀。仿真結(jié)果表明：屏蔽體的孔縫尺寸不同，屏蔽效能也不同，縫隙的長度越長，寬度越寬，屏蔽效能越差；縫隙對不同頻率電磁波的屏蔽效能不同，屏蔽效能隨著頻率的增加而減小，并在0.7～0.8GBZ處產(chǎn)生諧振，使得屏蔽效能大大降低，與實際估算基本一致。

3結(jié)論

為應(yīng)對未來信息化戰(zhàn)爭日益復(fù)雜的電磁干擾和攻擊，從彈藥倉庫儲存的實際出發(fā)，運用FEKO軟件分別對彈藥庫房電磁防護效能規(guī)律進行了分析，結(jié)論如下：

(1) 混凝土對電磁場中的磁場部分有較高的屏蔽效能，且對低頻電磁場的屏蔽效能要強于高頻電磁場；在混凝土中添加碳粉、鋼纖維等導(dǎo)電材料可顯著提高混凝土對高頻電磁場的屏蔽效能，但隨著外部電磁場強度加大，其相應(yīng)的屏蔽效能會更加顯著。

(2) 鋼筋網(wǎng)可以彌補混凝土對電磁波屏蔽效能不高的不足，網(wǎng)格尺寸和鋼筋直徑是影響其屏蔽效能的關(guān)鍵因素；高頻情況下，屏蔽效能隨電磁波頻率的增加而逐漸降低；低頻情況下，屏蔽效能相對保持穩(wěn)定。

(3) 金屬涂層厚度和材質(zhì)對電磁波屏蔽效能有較大影響；在選用填料涂層厚度相同條件下，不同涂層的屏蔽效能有顯著差異；研究發(fā)現(xiàn)：銀粉涂層的屏蔽效能較高，鍍銀銅粉涂層的屏蔽效能次之，鎳粉涂層的屏蔽效能最低，屏蔽效能隨著電導(dǎo)率增大而逐漸變大；不同厚度的同種涂層屏蔽效能也不同，隨著厚度增大，屏蔽效能逐漸變大。

(4) 填料涂層順序?qū)ζ帘涡懿町惡艽?。高電?dǎo)率涂層在外側(cè)時的屏蔽效能較低，低電導(dǎo)率涂層在外側(cè)時的屏蔽效能較高，一般高于復(fù)合涂層中同厚度的任何涂層；對復(fù)合涂層，應(yīng)將電導(dǎo)率低的涂層置于外側(cè)可以得到較高的屏蔽效能。

(5) 孔縫的存在會大大降低屏蔽體的屏蔽效能，其屏蔽效能隨電磁波源頻率增加而逐漸降低，在0.7～0.8GBZ處發(fā)生諧振，屏蔽效能最差；對于面積相同的不同孔洞的屏蔽效能有差異，圓孔屏蔽效能最好，方孔次之，長方孔最次；且縫隙長寬度越大其屏蔽效能越差，與實測規(guī)律基本相符[11,13]。為新型彈藥儲存、新舊庫房建設(shè)或改造等提供了理論研究與技術(shù)方法支撐。

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Magnetoelectric Protection of Ammunition Depot underComplexEnvironment

PAN Wen-geng， KONG Fan-cheng， ZHANG Hong-hai， HUANG Qiang， JIN Yao

( Air Force Logistics College，Department of Aviation Ammunition， Jiangsu Xuzhou 221002， China)

Abstract:An electromagnetic shielding model on ammunition depot is built with FEKO software. Some valuable rules and conclusions about the shielding effectiveness of ammunition wall, steel mesh and its electromagnetic coating against electromagnetic pulse are obtained. Simulation results show that concrete with carbon powder, steel fiber and other conductive materials can significantly increase its shielding effectiveness against high frequency electromagnetic field but has little effect on the shielding effectiveness against low frequency electromagnetic field. It has higher shielding effectiveness with metal coating and the composite coating with low electrical conductivity. With the increase of external electromagnetic field frequency and strength, the shielding effectiveness increases obviously in concrete wall with conductive coating. The overall shielding effectiveness of the wall with slots reduces gradually. But the shielding effectiveness is the worst at 0.7 ～ 0.8 GBZ in resonance. The diameter of reinforced steel, the size of reinforced steel mesh, the networking mode, and the shape and the size of slot are of greater effects on the shielding effectiveness of the depot. Some technical support and methods are proposed for the ammunition electromagnetic protection research.

Key words:ammunition depot； steelmesh wall； electromagnetic environment； shielding effectiveness； electromagnetic protection； simulation

*收稿日期：2015-04-28；修回日期：2015-07-21

作者簡介：潘文庚(1964-)，男，江西宜春人。副教授，博士，研究方向為彈藥工程。

通信地址：221002江蘇徐州市鼓樓區(qū)西閣街85號航彈系E-mail：shuangjianggood@163.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.025

中圖分類號：TN972；TP391.9；O441

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-03-0154-07