趙 墨， 吳 偉， 李進(jìn)璽， 程引會， 馬 良， 郭景海， 劉逸飛

(西北核技術(shù)研究所， 西安 710024； 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024)

電子系統(tǒng)的高空核爆電磁脈沖(high altitude electromagnetic pulse，HEMP)易損性研究一直是電磁脈沖效應(yīng)研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。在信息化時(shí)代，無人機(jī)在軍用和民用領(lǐng)域的重要程度日益提高，但作為高度集成的信息化裝備，其內(nèi)部核心電子系統(tǒng)易受到強(qiáng)電磁脈沖的干擾甚至毀傷[1-3]，最終導(dǎo)致無法完成任務(wù)。針對無人機(jī)面臨的電磁威脅，國內(nèi)學(xué)者開展了大量的研究工作，分析了無人機(jī)戰(zhàn)場應(yīng)用中所面臨的電磁干擾因素和威脅特點(diǎn)，通過分析機(jī)體外形、機(jī)體復(fù)合材料與電磁耦合特性的相互關(guān)系，總結(jié)了具備抗電磁干擾性能的無人機(jī)機(jī)體設(shè)計(jì)思路，開展了有關(guān)無人機(jī)通信系統(tǒng)的強(qiáng)電磁干擾效應(yīng)研究工作，獲取了通信系統(tǒng)的典型效應(yīng)現(xiàn)象[4-8]。機(jī)體與通信系統(tǒng)等均為無人機(jī)的重要組成部分，但飛行控制系統(tǒng)是無人機(jī)系統(tǒng)的“心臟”，其工作狀態(tài)是決定無人機(jī)能夠完成預(yù)定任務(wù)的關(guān)鍵，國內(nèi)已開展的研究中，針對HEMP環(huán)境下無人機(jī)核心電子學(xué)系統(tǒng)干擾與毀傷效應(yīng)的研究未見報(bào)道。本文針對無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)面臨的強(qiáng)電磁威脅，利用半實(shí)物仿真模擬，開展了無人機(jī)飛行狀態(tài)下，飛行控制系統(tǒng)的HEMP效應(yīng)研究，獲取了典型效應(yīng)現(xiàn)象，為下一步開展無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)HEMP易損性分析奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

效應(yīng)試驗(yàn)中的無人機(jī)系統(tǒng)為前置雙槳固定翼無人機(jī)，總體布局如圖1所示。飛行控制系統(tǒng)是一種典型的無人機(jī)電子學(xué)系統(tǒng)，如圖2所示，主要由飛行控制計(jì)算機(jī)、遙控分系統(tǒng)、遙測分系統(tǒng)、2臺發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、舵機(jī)分系統(tǒng)(方向舵機(jī)、升降舵機(jī)、副翼舵機(jī)，共5個(gè))和電源系統(tǒng)構(gòu)成。測試與仿真系統(tǒng)包括飛行仿真系統(tǒng)、舵機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和接口響應(yīng)測量系統(tǒng)，其中飛行仿真系統(tǒng)、舵機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和無人機(jī)系統(tǒng)共同構(gòu)成了整個(gè)無人機(jī)HEMP試驗(yàn)系統(tǒng)。

圖1 無人機(jī)系統(tǒng)總體布局Fig.1 General layout of UAV system

圖2 電子學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Composition of electronics system

2 試驗(yàn)結(jié)果

利用“春雷號”有界波電磁脈沖模擬器，開展了無人機(jī)電子系統(tǒng)輻照試驗(yàn)。試驗(yàn)中，固定無人機(jī)方位，輻照電場強(qiáng)度為3～8 kV·m-1，共進(jìn)行了24次試驗(yàn)，獲得了在飛行狀態(tài)下核電磁脈沖效應(yīng)現(xiàn)象、規(guī)律及主要節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了新研制的端口電流探頭和光學(xué)信號傳輸系統(tǒng)的工作性能。

將無人機(jī)放置在“春雷號”有界波模擬器的試驗(yàn)空間中，機(jī)身與地面垂直，測量電子分系統(tǒng)之間線纜連接處的響應(yīng)電流，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示。

(a) The EMP simulator

(b) The experiment status

圖3無人機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場
Fig.3UAVtestingsite

無人機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)采用半實(shí)物模擬飛行狀態(tài)，通過地面站與無人機(jī)遙測天線發(fā)送控制指令，并反饋飛行狀態(tài)，利用視景系統(tǒng)觀察無人機(jī)飛行的實(shí)時(shí)情況，無人機(jī)地面站控制面板如圖4所示，視景系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖4 地面站控制面板Fig.4 Control panel of ground control station

圖5 視景系統(tǒng)界面Fig.5 Vision system interface

表1為無人機(jī)試驗(yàn)的狀態(tài)，在較低電場強(qiáng)度下，無人機(jī)正常完成預(yù)設(shè)飛行。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到4.5 kV·m-1時(shí)，地面站與無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)鏈路傳輸異常，飛機(jī)接受持續(xù)錯(cuò)誤指令后進(jìn)入盤旋待命狀態(tài)，等待進(jìn)一步指令，由地面站向無人機(jī)再次發(fā)送控制指令后，可恢復(fù)對無人機(jī)的控制。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到5 kV·m-1時(shí)，地面站與無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)鏈路通信中斷，地面站無法向無人機(jī)發(fā)送控制指令，將遙測數(shù)據(jù)鏈路全部重啟后，可恢復(fù)連接并對無人機(jī)進(jìn)行控制。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到6.5 kV·m-1時(shí)，地面站與無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)鏈路中斷，重啟遙測數(shù)據(jù)鏈路后仍無法建立連接，切換到遙控模式下可人為對無人機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)行增穩(wěn)模式(增穩(wěn)模式為飛控計(jì)算機(jī)輔助人工對無人機(jī)進(jìn)行控制，以保證飛行的穩(wěn)定性)遙控控制飛行，表明遙測鏈路死機(jī)，飛控計(jì)算機(jī)工作正常。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到7.5 kV·m-1時(shí)，地面站與無人機(jī)遙測數(shù)據(jù)鏈路通信中斷，遙測鏈路重啟仍無法建立連接，切換遙控控制后無法進(jìn)行增穩(wěn)控制，僅能進(jìn)行人工控制，遙控鏈路死機(jī)，飛控計(jì)算機(jī)死機(jī)。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到8 kV·m-1時(shí)，無人機(jī)失控墜落，飛控計(jì)算機(jī)死機(jī)，仿真計(jì)算機(jī)死機(jī)。

表1 無人機(jī)試驗(yàn)狀態(tài)Tab.1 Testing status of UAV

無人機(jī)偏離航線，如圖6所示。無人機(jī)偏離預(yù)設(shè)航線時(shí)，無人機(jī)與地面站遙測通信鏈路中斷，地面站顯示界面如圖7所示。無人機(jī)失控墜落時(shí)，視景系統(tǒng)顯示界面如圖8所示。

圖6 無人機(jī)偏離航線示意圖Fig.6 A UAV deviation from airway

圖7 地面站與遙測數(shù)據(jù)鏈路中斷示意圖Fig.7 Interruption of remote measuring data link with ground control station

圖8 無人機(jī)失控墜落示意圖Fig.8 An out-of-control UAV

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，無人機(jī)的核心電子學(xué)系統(tǒng)在遭受強(qiáng)電磁脈沖干擾時(shí)，會產(chǎn)生遙測數(shù)據(jù)鏈通信故障、遙控?cái)?shù)據(jù)鏈路中斷、飛控計(jì)算機(jī)死機(jī)等效應(yīng)現(xiàn)象。遙控與遙測數(shù)據(jù)鏈路屬于通信鏈路，其收發(fā)天線在強(qiáng)電磁脈沖作用下會產(chǎn)生很高的脈沖電壓，脈沖電壓通過天線引入到后端信號處理電路，造成電路工作異常。無人機(jī)各分系統(tǒng)之間是由數(shù)據(jù)傳輸線纜和供電線纜相互連接，各線纜在強(qiáng)電磁脈沖作用下也會產(chǎn)生很高的脈沖電壓，通過線纜引入到兩端連接的電路，從而干擾電路的正常工作。飛控計(jì)算機(jī)相當(dāng)于無人機(jī)的“心臟”，所有的核心參數(shù)與控制信號的計(jì)算都是由飛控計(jì)算機(jī)完成，因此，飛控計(jì)算機(jī)在強(qiáng)電磁脈沖作用下無法正常工作，也就意味著無人機(jī)將直接失控、墜毀。

3 結(jié)論

研制的無人機(jī)典型電子學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)包含無人機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)地面模擬飛行狀態(tài)的半實(shí)物仿真功能。利用“春雷號”有界波電磁脈沖模擬器開展的核電磁脈沖效應(yīng)研究，獲得了無人機(jī)在飛行狀態(tài)下的效應(yīng)現(xiàn)象與初步規(guī)律，總結(jié)分析了無人機(jī)典型電子學(xué)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出了應(yīng)重點(diǎn)考慮抗電磁脈沖加固的組部件。

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