傅海軍，張維剛，岳思橙，吳冰

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

核電磁脈沖是核爆炸瞬發(fā)γ(或X)射線與其作用范圍的介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的瞬時(shí)電磁場(chǎng)，是核爆炸的重要瞬時(shí)殺傷破壞因素之一[1]。核電磁脈沖有以下幾個(gè)特點(diǎn)：場(chǎng)強(qiáng)峰值高，達(dá)50kV/m量級(jí)[2]；頻譜范圍寬[3-4]，覆蓋了信息化裝備的主要工作頻段；作用范圍大，高空核爆電磁脈沖作用范圍達(dá)幾千千米[5]。這對(duì)信息化武器裝備的作戰(zhàn)效能與生存能力形成嚴(yán)重威脅，因此必須加強(qiáng)武器裝備抗強(qiáng)電磁脈沖加固技術(shù)的研究，才能真正保障其在實(shí)戰(zhàn)中的作戰(zhàn)和生存能力。

電磁脈沖試驗(yàn)是將被試對(duì)象置于核電磁脈沖環(huán)境下，研究其效應(yīng)、評(píng)價(jià)其在核電磁脈沖環(huán)境下的作戰(zhàn)與生存能力的一種試驗(yàn)。這種試驗(yàn)可在模擬的核電磁脈沖環(huán)境下進(jìn)行。電磁脈沖模擬技術(shù)主要內(nèi)涵就是產(chǎn)生逼真的核電磁脈沖作戰(zhàn)環(huán)境。系統(tǒng)級(jí)電磁脈沖模擬試驗(yàn)是指整車級(jí)以上平臺(tái)的電磁脈沖模擬試驗(yàn)，如導(dǎo)彈發(fā)射車電磁脈沖效應(yīng)試驗(yàn)、陣地車輛間電纜耦合試驗(yàn)等。系統(tǒng)級(jí)電磁脈沖模擬試驗(yàn)的難點(diǎn)是在大空間范圍內(nèi)產(chǎn)生快前沿和高峰值的電磁脈沖場(chǎng)強(qiáng)。

目前國外已經(jīng)相繼建立了大量的電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。其中美國在電磁脈沖模擬試驗(yàn)技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，擁有以先進(jìn)研究電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[6](advanced research electromagnetic pulse simulator，ARES)、水平極化輻射波電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[7](horizontally polarized dipole，HPD)、垂直極化輻射波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[8](vertical electromagnetic pulse simulator，VEMPS)等為代表的先進(jìn)電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并成系列化發(fā)展；歐洲國家也建立了部分電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，如瑞士國防部的可移動(dòng)電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)[9](mobile electromagnetic pulse simulator，MEMPS)等。上述電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)均為大中型模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，已經(jīng)建成20年以上。目前國外最新的并具有代表性的電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是美國海軍裝備瞬態(tài)電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)(naval ordnance transient electromagnetic simulator，NOTES)和美國國防部快前沿電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)(fast risetime electromagnetic pulse simulator，F(xiàn)EMPS)。NOTES是一種有界波電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)長為86 m，寬為46 m，高為10 m，能在工作空間內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)100 kV/m的場(chǎng)強(qiáng)，電磁脈沖前沿5～7 ns[10]。2010年美國建成的大型快前沿電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)FEMPS，是一種水平極化輻射波電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，采用6 MV脈沖源驅(qū)動(dòng)雙錐天線，天線長約150 m，場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)117.5 kV/m，典型脈沖前沿小于1 ns，脈沖持續(xù)時(shí)間為幾十納秒[11]。各國利用這些模擬試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)[12]、裝甲車[13]、艦船[14-15]等裝備進(jìn)行了大量的電磁脈沖效應(yīng)與評(píng)估試驗(yàn)。

但是國內(nèi)外在大型系統(tǒng)級(jí)快前沿電磁脈沖模擬試驗(yàn)技術(shù)方面的研究較少。本文給出了2種典型的垂直極化有界波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和水平極化輻射波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建方法，并重點(diǎn)介紹大型系統(tǒng)級(jí)快前沿電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)和電磁脈沖場(chǎng)環(huán)境測(cè)試等研究內(nèi)容和研究方法。

1 有界波電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)

有界波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)由脈沖功率源、傳輸線和終端負(fù)載等部分組成，如圖1a)所示。高壓脈沖源是提供一個(gè)符合核電磁脈沖特性的能源裝置，主要包括直流高壓發(fā)生器、Marx脈沖源、隔離電感、中儲(chǔ)電容與主開關(guān)，如圖1b)所示。脈沖源對(duì)平行板傳輸線饋電，在傳輸線空間中產(chǎn)生電磁波；電磁波在傳輸線上傳播，在終端通過匹配負(fù)載吸收。

馬克斯(Marx)發(fā)生器產(chǎn)生的高壓脈沖前沿一般較慢。為了實(shí)現(xiàn)快前沿模擬器，本文采用了一種中儲(chǔ)方案。中儲(chǔ)方案的特點(diǎn)是平行板電容器的容量與Marx發(fā)生器的電容相當(dāng)。中儲(chǔ)方案的核心為中儲(chǔ)組件；該組件將電容器、開關(guān)和傳輸線始端3種功能集為一體；傳輸線下板為中儲(chǔ)組件平行板電容器的接地電極；主開關(guān)的高壓電極頭置于平行板電容器高壓極板的背面，而主開關(guān)的另一個(gè)電極頭則裝在傳輸線上板的下面，如圖2所示[16]。工作過程如下：由多只高壓電容器組成的脈沖源，通過并聯(lián)充電然后串聯(lián)放電使電壓倍增，從而獲得更高的脈沖電壓輸出。Marx發(fā)生器通過一個(gè)隔離電感向中儲(chǔ)組件平行板電容器充電；當(dāng)振蕩到峰值時(shí)，Marx發(fā)生器電容上的能量全波轉(zhuǎn)移到中儲(chǔ)組件平行板電容器；此時(shí)主開關(guān)接通，中儲(chǔ)組件平行板電容器向傳輸線放電。由于中儲(chǔ)組件電感極小，負(fù)載將獲得一個(gè)極快的上升前沿脈沖。圖3所示為模擬器等效電路結(jié)構(gòu)。

圖3中CM為Marx發(fā)生器電容；LM為Marx發(fā)生器電感；RM為Marx發(fā)生器電阻；L為隔離電感；Ctr為中儲(chǔ)組件電容；Ltr為中儲(chǔ)組件電感；K為主開關(guān)；R為負(fù)載電阻。

為了使開關(guān)動(dòng)作時(shí)間足夠快，開關(guān)內(nèi)介質(zhì)需充六氟化硫，且開關(guān)工作于0.6 MPa的高氣壓狀態(tài)。同時(shí)利用脈沖前沿調(diào)節(jié)電感，調(diào)節(jié)高壓脈沖源輸出電磁脈沖前沿，保證脈沖源輸出波形滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

同時(shí)隔離電感很大，在中儲(chǔ)組件平行板電容向傳輸線放電過程中，中儲(chǔ)組件輸出波形受到Marx發(fā)生器電容分流的影響較小。保持開關(guān)內(nèi)介質(zhì)工作氣壓不變，將主開關(guān)間隙設(shè)為可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓可調(diào)即電場(chǎng)峰值可調(diào)。

有界波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)傳輸線高度為8.4 m，寬度8.4 m。當(dāng)傳輸線的高寬比不變時(shí)它的阻抗是不變的，即

(1)

式中：h為傳輸線高度；a為傳輸線寬度。

因此傳輸線阻抗166 Ω，終端負(fù)載阻抗也應(yīng)該為166 Ω。

然而，我們不僅需要在先人的智慧中探尋保護(hù)自然之道，更需站在新的時(shí)代角度，擔(dān)起環(huán)保重任。譜就源自山野翠竹，清流激瀑中的自然華章。

設(shè)脈沖源有效輸出電壓峰值為V，傳輸線高度為h，則在工作空間中將形成一個(gè)垂直極化橫向傳播的電磁場(chǎng)，其電場(chǎng)強(qiáng)度為

(2)

根據(jù)傳輸線高度，脈沖源有效輸出電壓應(yīng)大于420 kV。為保證Marx發(fā)生器安全運(yùn)行，當(dāng)工作電壓選在額定電壓70%時(shí)，Marx發(fā)生器最大輸出電壓應(yīng)為600 kV，若電容器耐壓為100 kV則Marx發(fā)生器為6級(jí)。

電路總電感L為

(3)

式中：tr為脈沖上升沿；R為負(fù)載電阻。

電路總電容C為

(4)

式中：tw為脈沖半高寬；R為負(fù)載電阻。

根據(jù)脈沖上升沿為2.5 ns、脈沖半高寬為23 ns的要求，電路等效總電感約為188 nH，電路等效總電容約為202 pF。采用中儲(chǔ)方案，經(jīng)過計(jì)算優(yōu)化，等效電路參數(shù)Marx發(fā)生器電容為303 pF，Mar隔離電感為42 μH，中儲(chǔ)電容為183 pF，Ltr中儲(chǔ)組件電感為160 nH，負(fù)載電阻為165 Ω。

1.2 電磁脈沖場(chǎng)環(huán)境測(cè)試

在系統(tǒng)各部分加工完畢后，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。選在模擬試驗(yàn)系統(tǒng)工作空間內(nèi)始端到終端的中軸線上距工作空間前邊界2m、距地面高1.5 m處為測(cè)量點(diǎn)。實(shí)際測(cè)量波形平均值與標(biāo)準(zhǔn)波形的對(duì)比，如圖4所示。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀后，模擬試驗(yàn)系統(tǒng)場(chǎng)環(huán)境指標(biāo)確定為：

(1) 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)工作空間：8.4 m×8.4 m×8.4 m；

(2) 電場(chǎng)波形參數(shù)為：整體形態(tài)呈雙指數(shù)脈沖形狀，上升沿(平均值)為2.7 ns，半高寬(平均值)為25.6 ns，電場(chǎng)強(qiáng)度峰值(平均值)為54 kV/m。

2 輻射波電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 模擬試驗(yàn)系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)

模擬試驗(yàn)系統(tǒng)由脈沖源和雙錐-籠型天線組成，圖5為水平極化輻射波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。高壓脈沖源對(duì)雙錐籠型天線饋電，雙錐-籠型天線對(duì)外輻射電磁波。雙錐籠型天線的雙錐部分，其最大優(yōu)點(diǎn)就是波阻抗為常數(shù)。當(dāng)激勵(lì)電壓恒定時(shí)，天線電流大小不變，頻帶寬。這就保證了脈沖前沿的輻射。模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的電場(chǎng)峰值就是雙錐天線提供的?；\型天線主要輻射脈沖低頻中的成分。

該模擬試驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)采用削尖方案。削尖電容器接在Marx發(fā)生器源的輸出端和地之間，再通過主開關(guān)與負(fù)載天線相連。Marx發(fā)生器源由多只高壓電容器組成，并聯(lián)充電。通過控制Marx發(fā)生器源開關(guān)串聯(lián)放電導(dǎo)通，電壓倍增來獲得更高的脈沖電壓，向削尖電容器充電。削尖電容器是一個(gè)比主電容小得多的電容器。當(dāng)削尖電容器上的電壓最大時(shí)，主開關(guān)接通。削尖電容器上的電荷形成電流沿雙錐表面?zhèn)鞑?，同時(shí)向外輻射能量，形成脈沖前沿。脈沖源電路與天線阻抗(天線接地匹配)形成脈沖波形的后沿。圖6所示為模擬試驗(yàn)系統(tǒng)等效電路。

圖6中CM為Marx發(fā)生器電容；LM為Marx發(fā)生器電感；SM為Marx發(fā)生器開關(guān)；CP為銳化電容；S為主開關(guān)；R為天線阻抗。

天線為雙錐-籠型天線，雙錐的半錐角度為30°，籠型天線直徑為3 m，架高12 m，總長200 m。天線末端采用阻抗匹配接地。當(dāng)雙錐天線的半錐角為θ時(shí)，雙錐天線的阻抗為

(5)

因此雙錐天線阻抗為158 Ω，接地負(fù)載阻抗為158 Ω。

雙錐天線上的電壓差為U，雙錐天線的阻抗為Z，場(chǎng)強(qiáng)所測(cè)點(diǎn)到雙錐頂點(diǎn)的距離為R，場(chǎng)平行與天線方向的水平分量峰值為

(6)

如果要達(dá)到10 kV/m的水平極化的入射波，要求天線上最大的激勵(lì)電壓至少要達(dá)到800 kV?？紤]地面效應(yīng)，從理論上分析該點(diǎn)實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)為最大峰值80%左右。因此在該點(diǎn)要達(dá)到10 kV/m的水平極化場(chǎng)，在天線上的激勵(lì)電壓至少為1 000 kV。考慮到一定的余量，按1 200 kV設(shè)計(jì)Marx發(fā)生器。若電容器耐壓為100 kV，Marx 發(fā)生器由12只電容器和12只高壓火花隙開關(guān)及大功率高壓電阻組成。

根據(jù)上升時(shí)間約為10 ns的要求，電路等效總電感約為687 nH。取Marx源每只電感量約為30 nH，電容量為0.017 5 uF，串聯(lián)起來總電容為1 450 pF。銳化電容遠(yuǎn)小于Marx發(fā)生器電容，銳化電容的電容量應(yīng)在100～200 pF之間。經(jīng)計(jì)算優(yōu)化，得到銳化電容為158 pF。9組銳化電容器成傘形并聯(lián)構(gòu)成銳化電容。該結(jié)構(gòu)可以有效減少總電感，同時(shí)便于安裝天線。每組電容器由25個(gè)直流耐壓40kV的440 pF陶瓷介質(zhì)電容器串聯(lián)組成。串聯(lián)后的每組電容為17.6 pF，總電感約為1 μH。每組電容器裝于充有六氟化硫絕緣材料的細(xì)桶內(nèi)。

主開關(guān)也是銳化電路的關(guān)鍵部件之一，對(duì)于脈沖波形前沿的快慢也起著重要作用。它的性能好壞對(duì)于模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)有著直接的影響。當(dāng)主開關(guān)處于最大工作電壓1 200 kV時(shí)，若工作氣壓采用0.1 MPa，則兩放電電極間距需在15 cm左右。這樣很難保證開關(guān)在10 ns以內(nèi)完全導(dǎo)通時(shí)間。根據(jù)擊穿電壓與電極間距和工作氣壓的乘積成正比的關(guān)系，在同一擊穿電壓條件下，通過加大電極間氣壓，可以極大縮短電極間距。通過試驗(yàn)測(cè)試，主開關(guān)電極間距為85 mm。主開關(guān)采用有機(jī)玻璃筒作為密封殼體，設(shè)計(jì)工作氣壓0.3 Mpa。殼體內(nèi)介質(zhì)為氮?dú)獠⒒旌?0%～20%的六氟化硫氣體。這樣既可以減輕重量，又可以提高開關(guān)的導(dǎo)通電壓。

2.2 電磁脈沖場(chǎng)環(huán)境測(cè)試

在系統(tǒng)各部分加工完畢后，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。選擇正對(duì)模擬試驗(yàn)系統(tǒng)高壓脈沖源主開關(guān)的試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)中軸線上，距開關(guān)地面投影點(diǎn)20 m、距地面高4 m處為測(cè)量點(diǎn)。實(shí)際測(cè)量波形，如圖7所示。對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀后，并進(jìn)行模擬試驗(yàn)系統(tǒng)場(chǎng)分布測(cè)量后，模擬試驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)場(chǎng)環(huán)境指標(biāo)確定為：

整體電場(chǎng)波形呈雙指數(shù)脈沖形狀，上升沿(平均值)小于10 ns，半高寬(平均值)約為30 ns，距離天線水平距離20 m處電場(chǎng)強(qiáng)度峰值(平均值)大于15 kV/m。

3 結(jié)束語

垂直極化有界波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)和水平極化輻射波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)是電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)試驗(yàn)中常用的2種模擬試驗(yàn)系統(tǒng)。本文對(duì)這2種電磁脈沖模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理、實(shí)現(xiàn)及其場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了闡述與分析。垂直極化有界波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)采用中儲(chǔ)方案，水平極化輻射波模擬試驗(yàn)系統(tǒng)采用削尖方案，可實(shí)現(xiàn)大區(qū)域內(nèi)、較快脈沖前沿、威脅級(jí)電磁脈沖環(huán)境，可用于系統(tǒng)級(jí)電磁脈沖效應(yīng)模擬試驗(yàn)與驗(yàn)證評(píng)估。

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