袁企鄉(xiāng)，李國民，花偉峰，徐　瑋，向　軍，徐　昕

(上海航天電子技術(shù)研究所，上?！?01109)

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方艙電磁兼容技術(shù)研究與應(yīng)用

袁企鄉(xiāng)，李國民，花偉峰，徐瑋，向軍，徐昕

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109)

方艙在集成測發(fā)控系統(tǒng)時對環(huán)境與分系統(tǒng)之間電磁兼容提出了新的要求，這包含有：環(huán)境測發(fā)控場地對于系統(tǒng)之間、分系統(tǒng)之間、分系統(tǒng)對系統(tǒng)之間的影響因素；而其中環(huán)境測發(fā)控的場地對于系統(tǒng)的電磁兼容影響較大，這涉及場地眾多設(shè)備：有推進劑加注系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、指揮監(jiān)視系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)設(shè)備等等，為此當在系統(tǒng)集成設(shè)計階段就必須進行深入研究與防范，把超越系統(tǒng)的電磁兼容影響做深入研究分析，采取應(yīng)用多種電磁兼容相關(guān)技術(shù)與手段，對主要影響進行有效抑制與降低，使得方艙結(jié)構(gòu)在集成測發(fā)控系統(tǒng)時電磁兼容始終處于有效的抑制與控制；解決了方艙結(jié)構(gòu)系統(tǒng)集成的測發(fā)控系統(tǒng)帶來電磁兼容問題，為新型運載火箭提供了方艙結(jié)構(gòu)測發(fā)控系統(tǒng)；該項技術(shù)在長征六號運載火箭首飛過程中得到了成功應(yīng)用。

電磁場干涉；電磁兼容；測發(fā)控系統(tǒng)；波導(dǎo)；方艙結(jié)構(gòu)

0　引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，快速、移動發(fā)射運載火箭是未來快速進入空間的首要途徑。國防、經(jīng)濟、防災(zāi)抗災(zāi)、通訊等對快速進入空間能力提出了迫切要求，地面測試發(fā)射控制系統(tǒng)(以下簡稱測發(fā)控系統(tǒng))是運載火箭的重要部分，用以實現(xiàn)運載火箭在分系統(tǒng)、全箭綜合試驗及發(fā)射場飛行整體測試，最終實施點火發(fā)射功能，所以移動方艙地面測發(fā)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速、可移動功能是具重要意義，而方艙上電磁兼容技術(shù)應(yīng)用、電磁兼容有效抑制與降低是系統(tǒng)研制的重要方面，其目的是做到地面測發(fā)控系統(tǒng)能夠在總裝測試地、發(fā)射測試地、發(fā)射地整個工作過程中對環(huán)境干擾源進行屏蔽，對分系統(tǒng)之間干擾源進行抑制，以保證系統(tǒng)能夠正常工作，并要在系統(tǒng)電磁兼容性(EMC)指標上達到設(shè)計閾值[1]。

所以，對方艙結(jié)構(gòu)體進行電磁兼容上研究設(shè)計，對系統(tǒng)供電與分系統(tǒng)之間進行研究設(shè)計，制定出環(huán)境對艙體、分系統(tǒng)之間的電磁兼容設(shè)計要求，從而根據(jù)要求來進行系統(tǒng)設(shè)計。目前該艙結(jié)構(gòu)體已通過了長征六號運載火載火箭首次發(fā)射應(yīng)用，其性能、功能和指標均符合系統(tǒng)要求。

1　艙體結(jié)構(gòu)電磁兼容問題概述

方艙是個結(jié)構(gòu)的箱式體，它由箱體、門、窗、系統(tǒng)線纜槽、電源、信號孔口板、空調(diào)連接風口等部分組成見圖1。

圖1　方艙系統(tǒng)構(gòu)成圖

艙體是由鋁型材的方管組成的承重框架體，其內(nèi)外表面敷上1毫米厚的鋁板，鋁板之間充填滿聚氨酯發(fā)泡劑，以起到固定、隔熱的作用。當該艙體不開孔、窗、門時狀態(tài)，其方艙結(jié)構(gòu)電磁兼容性指標是處于優(yōu)良狀態(tài)≥45 dB，該指標參數(shù)是對目前普通方艙結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝后所進行的測試后的數(shù)據(jù)。但艙體的實際使用是必須開出門、窗、電源、信號孔口、空調(diào)孔口等，這時所開出的孔口區(qū)域成了電磁波內(nèi)、外相互傳導(dǎo)、干涉、影響薄弱區(qū)域，以致使經(jīng)過開孔后的普通方艙結(jié)構(gòu)體設(shè)計與制造后的電磁兼容指標大幅下降，只達到28 dB左右指標，這對于重要的測量、控制系統(tǒng)的電磁兼容性指標來說是不符合的。為此要研制開發(fā)出移動方艙式測發(fā)控系統(tǒng)，對在艙體上所開出門、窗、電源、信號孔口、空調(diào)孔口等區(qū)域就要進行專門、特別設(shè)計與處理，并采取針對性的措施。該測發(fā)控系統(tǒng)則需要在設(shè)計中就要對艙體結(jié)構(gòu)的電磁兼容性進行全面、仔細研究與分析，從設(shè)計與制造上對結(jié)構(gòu)體上各個部分進行電磁兼容性性能的有效設(shè)計[2]，以保證系統(tǒng)在實際工作全過程中各項性能、指標能夠正常、穩(wěn)定、可靠地工作，進一步提高我們航天運載火箭產(chǎn)品的安全性與可靠性。

2　電磁兼容設(shè)計方法

2.1設(shè)計原理

根據(jù)EMC的原理，要使產(chǎn)品實現(xiàn)電磁兼容，就必須抑制它的無用電磁發(fā)射，使它不產(chǎn)生對環(huán)境構(gòu)成干擾；同時能承受的電磁干擾；并且要求產(chǎn)品自身具備一定的抗干擾能力，在規(guī)定的電磁環(huán)境下能夠正常工作。這包括有屏蔽技術(shù)、接地、搭接技術(shù)、電纜布線、設(shè)備布局、濾波技術(shù)等是該設(shè)計中基本應(yīng)用技術(shù)。在實踐中，我們通過狀態(tài)分析--設(shè)計措施—實施效果三個步驟來進行研究設(shè)計，分析系統(tǒng)所處的電磁環(huán)境，制定電磁兼容性的大約值來確定域度，充分利用有限空間、頻譜資源，使得各種用電設(shè)備及系統(tǒng)在公共電磁環(huán)境中共存[3]。重點研究分析了使用屏蔽技術(shù)、銅材絲網(wǎng)充填彈性材料、系統(tǒng)接地和搭接技術(shù)應(yīng)用方法(趨于零電位、零阻抗結(jié)構(gòu)體)，針對艙體上各個門、孔口連接處連接區(qū)域的復(fù)雜空間進行充分、有效充填，對孔口各處縫隙的電磁泄漏干擾源進行有效抑制、阻擋。以電磁場理論為依據(jù)，以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)，中間包括涉及電波傳播、地磁耦合、信號分析地磁測量、材料學等技術(shù)。

2.2設(shè)計技術(shù)與方法

2.2.1電纜布線和集中屏蔽處理

圖2　方艙強、弱電線纜槽示意圖

圖3　艙體強、弱電線纜槽平面布置圖

為降低工作場坪環(huán)境對艙體設(shè)備的電磁場輻射影響，在艙體的線纜布置上采取了強、弱電線纜分開且分別走入電纜金屬線槽內(nèi)，且進行有效固定，線槽上方加蓋金屬槽蓋，上、下槽連接并接通艙體地端，這樣使整個強、弱電線纜索與外部空間起到了良好屏蔽作用，同時有效固定了電纜纜索，見圖2、3。

2.2.2艙體上窗玻璃的選用

目前普通窗體玻璃的材料成分是硅酸鹽(SiO2)，是無色透明，但是該玻璃對電磁場沒有抑制、阻擋能力，為此要使方艙體具有電磁屏蔽功能，就要使用具有透明且能電磁屏蔽的材料。我們經(jīng)過研究比對，選擇使用了同樣厚度尺寸的鉛化玻璃材料來替代普通玻璃，獲得近似金屬體一樣的電磁屏蔽功能，同時又有玻璃本身透光功能。

2.2.3敷設(shè)防靜電與屏蔽功能地板

在線纜槽上方敷設(shè)有3公分厚防靜電與屏蔽的地板，該地板同時是系統(tǒng)操作人員的工作平臺活動面，使艙體內(nèi)部設(shè)備與下部電纜體之間得到進一步的隔離與電磁屏蔽的功能，見圖4。

圖4　方艙線槽上的地板示意圖

2.2.4使用銅材絲網(wǎng)彈性材料對孔口、縫隙充填處理

艙體通常是包含連接器孔口板、門窗孔口、空調(diào)孔口等，所有孔口的連接區(qū)域的連接處是外界電磁場源最容易輻射至艙內(nèi)設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)，以致無法達到電磁兼容的要求，滿足不了系統(tǒng)工作的環(huán)境條件。為此根據(jù)電磁屏蔽原理，重點采取多種電磁屏蔽設(shè)計技術(shù)，使用銅材絲網(wǎng)彈性材料對門洞、孔口、縫隙進行充填處理，針對連接器孔口板、門、窗孔口使用嵌口結(jié)構(gòu)設(shè)計，并使嵌口表面周圍進行導(dǎo)通處理，使之與艙體同電位[4]，見圖5。

圖5　嵌口結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.5對艙體空調(diào)口設(shè)計專用波導(dǎo)器

針對頂置空調(diào)口徑大電磁源輻射至艙內(nèi)設(shè)備的問題，我們特別采取專門設(shè)計了波導(dǎo)器來對電磁場干擾源進行屏蔽，使得空調(diào)與艙體連接口區(qū)域的電磁場得到有效抑制，達到預(yù)期作用，其結(jié)構(gòu)設(shè)計成型見圖6。

圖6　空調(diào)孔口波導(dǎo)器示意圖

2.3艙體系統(tǒng)設(shè)計處理范圍

在工程設(shè)計的實際中，經(jīng)過對艙體結(jié)構(gòu)的電磁兼容實驗、測試后得出，艙體結(jié)構(gòu)中的艙體與門、窗、電源、信號孔口、空調(diào)孔口的連接區(qū)域是設(shè)備、系統(tǒng)電場、磁場內(nèi)、外影響最大的區(qū)域，以致往往造成設(shè)備、系統(tǒng)在電磁兼容環(huán)境試驗中通不過，系統(tǒng)設(shè)備工作不穩(wěn)定、不達標。為此針對該突出情況，我們重點對艙體與門、窗、電源、信號孔口、空調(diào)孔口的連接區(qū)域進行電磁兼容設(shè)計處理，對各個部分的接地連接設(shè)計處理，從根本上對輻射源進行充分阻隔與衰減。

2.4系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)應(yīng)用

目前在艙體結(jié)構(gòu)中采取的技術(shù)通常有：1.屏蔽技術(shù)；2.接地、搭接技術(shù)；3.布局、布線技術(shù)；4.濾波技術(shù)。屏蔽技術(shù)就是采用金屬板材與金屬線材編織網(wǎng)對需要處理的設(shè)備體進行封閉，具體設(shè)計與選材需依據(jù)電場、磁場的波頻率、強度進行分析計算；接地、搭接技術(shù)就是采用把設(shè)備體殼體與艙體用金屬導(dǎo)線纜連接導(dǎo)通，使倆體電平相等，并達到接地電阻≤5 mΩ；布局、布線技術(shù)就是采用把設(shè)備體依據(jù)電場、磁場的波頻率、強度特征進行相應(yīng)分布，力求相互影響降到最低；濾波技術(shù)就是對設(shè)備體中的電源與電路加入濾波電路部分，從設(shè)備電路內(nèi)部對電磁場進行抑制與降低；上述不同的設(shè)計處理技術(shù)依據(jù)電磁兼容原理和工程上制造實際條件來綜合處理與應(yīng)用。

3　設(shè)計試驗結(jié)果與分析

方艙結(jié)構(gòu)經(jīng)過上述系統(tǒng)設(shè)計與工程制造處理以后，整個艙體內(nèi)結(jié)構(gòu)的電磁兼容環(huán)境經(jīng)試驗測試，其EMC均達到≥45 dB指標，滿足整個測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)備在集成之后的環(huán)境工作要求，確保了航天測控系統(tǒng)始終處于正常工作環(huán)境中，系統(tǒng)的可靠性與性能指標有很大提高。

計算仿真分析如下：

系統(tǒng)二級環(huán)境電磁屏蔽指標：衰減≥40 dB，即在150 K～10 GHz頻段下，衰減≥40 dB。

4　結(jié)論

航天器設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜、設(shè)備密集，信號、供電系統(tǒng)要求特殊，電路、設(shè)備之間、電纜與設(shè)備等各種干擾源隨處出現(xiàn)。地面設(shè)備、支持設(shè)備以及航天器研制、發(fā)射、運行的地面與空間電磁環(huán)境十分復(fù)雜。為使設(shè)備系統(tǒng)能在工作期間確保正常工作，就必須實施電磁兼容設(shè)計與控制的工作。深入研究電磁兼容的技術(shù)，以實現(xiàn)機、電、熱、電磁兼容一體化設(shè)計[5]，并做好電磁兼容性測試，達到系統(tǒng)環(huán)境的電磁兼容性要求，保證設(shè)備系統(tǒng)的安全與可靠，所以電磁兼容設(shè)計與應(yīng)用是航天領(lǐng)域中的重要技術(shù)。

通過運載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)方艙結(jié)構(gòu)中的電磁兼容技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用的實現(xiàn)過程，為今后該方面設(shè)備系統(tǒng)的研究與設(shè)計積累了寶貴經(jīng)驗與案例，同時也為航天產(chǎn)品研制工作的同行在方艙結(jié)構(gòu)電磁屏蔽設(shè)計中提供了借鑒與幫助。從中可以看到，今后方艙電磁兼容性技術(shù)研究與應(yīng)用的需求是系統(tǒng)設(shè)計工作中的重要部分，必須會從系統(tǒng)中得到進一步重視與加強，應(yīng)用前景會更加深入和向前發(fā)展。

[1] 楊克俊.電磁兼容原理與設(shè)計技術(shù)[M]. 北京：人民郵電出版社,2007.

[2] 白同云.電磁兼容設(shè)計實踐[M]. 北京：中國電力出版社,2007.

[3] 毛勤儉. 方艙設(shè)計手冊[M]. 河海大學出版社,2012.

[4] 趙陽.電磁兼容工程入門教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2009.

[5] 劉興俊.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中的電磁兼容[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2015,6:12-16.

Research and Application of Shelter Struture of Electromagnetic Compatibility Technology

Yuan Qixiang,Li Goumin, Hua Weifeng, Xu Wei,Xu Wei,Xiang Jun,Xu Xin

(Shanghai Institute of Aerospace Computer Technology，Shanghai201109,China)

Application in integrated measuring control system for the environment and has proposed new requirements on electromagnetic compatibility between subsystem, which include: environmental measuring control between sites for system, subsystem, subsystem of the system between the influencing factors. And send control field for measurement and control system in the the environment influence on electromagnetic compatibility, and the site of many devices involved: a propellant filling system, measuring system, power system, command monitoring system, security control system equipment and so on, therefore when in system integration design phase must be in-depth research and prevention, the impact of beyond the system emc do in-depth research and analysis, adopt various emc application related technologies and means, to effectively restrain and reduce the major effect, makes the square in the integration test of electromagnetic compatibility when they control system has been effectively restrain and control. Solved the square system integration test control system with electromagnetic compatibility problems, provides the new rocket square measuring control system. The technology in the long march rocket 6 first flight has been successfully applied in the process.

electromagnetic interference； electromagnetic compatibility;hair control measurement and control system；waveguide;shelter structure

1671-4598(2016)04-0265-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.076

TN03

A

2016-01-17；

2016-02-18。

袁企鄉(xiāng)(1958-)，男，上海市人，大學，工程師，主要從事機電結(jié)構(gòu)集成技術(shù)方向的研究。