魏宇宏，王 俊，羅旭東，張 帆，王博龍，盧 潤(rùn)

(中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安 710089)

1 引 言

飛機(jī)在有限空間內(nèi)裝備了大量的電子、電氣設(shè)備，面臨嚴(yán)重的強(qiáng)電磁脈沖威脅[1]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)是保護(hù)機(jī)載電子設(shè)備安全的第一道屏障，對(duì)內(nèi)限制內(nèi)部輻射區(qū)域的電磁波泄漏，對(duì)外防止外部的輻射進(jìn)入自身區(qū)域[2，3]。若飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成連續(xù)屏蔽體，可以較好地達(dá)到屏蔽的目的，但飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面積較大，功能件分布廣泛，結(jié)構(gòu)形式眾多，無(wú)法設(shè)計(jì)成完全屏蔽的殼體，需要存在為滿足各種功能而產(chǎn)生的間隙和孔[4,5]，屏蔽體的完整性受到破壞[6]，導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面局部電流不連續(xù)，飛機(jī)的強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)不可能完全靠飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，只能依靠飛機(jī)結(jié)構(gòu)提供必要的防護(hù)能力，并綜合提高機(jī)載電子設(shè)備的屏蔽防護(hù)能力，確保飛機(jī)安全。因此，有必要通過定量的方法研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)的防護(hù)原則，確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)需要防護(hù)的部位，降低防護(hù)成本，為制定飛機(jī)結(jié)構(gòu)防護(hù)方案提供準(zhǔn)備，為電子設(shè)備進(jìn)行有效的針對(duì)性防護(hù)[7]提供場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，使敏感設(shè)備[8]有針對(duì)性地采取防護(hù)措施，提高飛機(jī)的抗干擾能力。

2 總體思路

強(qiáng)電磁脈沖具有寬頻譜的特點(diǎn)，不同頻率下的電磁能量又會(huì)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出不同的耦合特點(diǎn)和效應(yīng)規(guī)律。強(qiáng)電磁脈沖對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)的耦合主要通過孔洞或縫隙耦合進(jìn)入系統(tǒng)，耦合途徑非常復(fù)雜[9]，形成嚴(yán)酷的電磁環(huán)境條件。

強(qiáng)電磁脈沖電磁波的波長(zhǎng)決定了孔洞或縫隙是否會(huì)出現(xiàn)電磁波泄漏。若孔洞或縫隙尺寸明顯大于波長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的電磁波泄漏。同時(shí)，同一結(jié)構(gòu)的孔洞或縫隙之間還存在耦合效應(yīng)。飛機(jī)在強(qiáng)電磁脈沖輻射環(huán)境下會(huì)面臨來自不同方向、具有不同極化方式的強(qiáng)電磁脈沖打擊，電磁波在機(jī)體表面經(jīng)過散射后，對(duì)某些孔洞或縫隙處的電場(chǎng)強(qiáng)度產(chǎn)生影響，這會(huì)提高對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)屏蔽效能的要求。因此，在強(qiáng)電磁脈沖照射下，有必要形成綜合的飛機(jī)結(jié)構(gòu)屏蔽效能評(píng)定方法，從而確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)的防護(hù)原則。

首先，對(duì)飛機(jī)各部分結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)形式、電磁耦合途徑進(jìn)行歸類，篩選出若干典型結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)行強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)特性分析，然后在整機(jī)照射下，獲得整機(jī)表面不同部位典型結(jié)構(gòu)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，最終評(píng)判綜合屏蔽效能，確定防護(hù)原則。流程如圖1所示。

圖1 總體思路流程

某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔洞或縫隙結(jié)構(gòu)密布于飛機(jī)結(jié)構(gòu)各處，按不同結(jié)構(gòu)形式篩選出來的典型結(jié)構(gòu)包含艙門、口蓋、玻璃窗口框、縫隙、管道、百葉窗、濾網(wǎng)、孔和電纜通過孔等，共計(jì)61種結(jié)構(gòu)。

3 仿真方法

對(duì)電磁脈沖的孔縫耦合問題研究由來已久[10]，數(shù)值模擬計(jì)算作為一種快速有效、低成本的解決手段，能夠有效地對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)、波形、照射方向、極化方式等要素進(jìn)行表征，通過對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)孔縫耦合問題進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，可快速有效地計(jì)算飛機(jī)結(jié)構(gòu)內(nèi)場(chǎng)分布，獲得不同條件下的電磁效應(yīng)數(shù)據(jù)。

強(qiáng)電磁脈沖是一種瞬態(tài)電磁脈沖，其頻譜極寬。針對(duì)該特點(diǎn)，選取時(shí)域有限差分法[11]作為電磁場(chǎng)數(shù)值分析方法。該方法直接對(duì)麥克斯韋方程進(jìn)行空間和時(shí)間離散，適合進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算，一次計(jì)算便可獲得所有頻點(diǎn)的電磁場(chǎng)信息。

3.1 波形

仿真過程中采用GJB 151B-2013標(biāo)準(zhǔn)中給出的波形，其波形函數(shù)表達(dá)式為：

E(t)=kE0(e-αt-eβt)

式中，k=1.3，E0=50kV/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1。

由此可見，強(qiáng)電磁脈沖具有很高的峰值場(chǎng)強(qiáng)，并且輻射范圍廣、上升沿變化快、強(qiáng)度大、頻譜寬[12]，可以計(jì)算出各頻段的電磁能量占比，具體數(shù)值如表1所示。

表1 各頻段電磁能量占比

3.2 典型結(jié)構(gòu)仿真

3.2.1 計(jì)算類型

對(duì)于每種典型結(jié)構(gòu)，分別考慮正對(duì)典型結(jié)構(gòu)垂直照射下的2種正交極化，采用平面波來表征強(qiáng)電磁脈沖，在仿真計(jì)算中利用電邊界和磁邊界來形成平面波。圖2為通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)仿真中的平面波和邊界條件。

圖2 通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)仿真中的平面波和邊界條件

3.2.2 網(wǎng)格劃分

強(qiáng)電磁脈沖的電磁能量主要是通過細(xì)縫結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)入飛機(jī)內(nèi)部，因此，必須對(duì)典型結(jié)構(gòu)中的這些細(xì)縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密，才能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格加密后，在同一個(gè)方向上至少要有3個(gè)網(wǎng)格來對(duì)細(xì)縫進(jìn)行表征。由于有的細(xì)縫寬度只有1mm(如口蓋)，甚至有的細(xì)縫結(jié)構(gòu)呈彎曲狀態(tài)，這些都將大幅增加典型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量。圖3和圖4所示為對(duì)不同典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格加密后的網(wǎng)格剖分圖。

圖3 玻璃窗口框縫隙網(wǎng)格加密示意

圖4 某口蓋縫隙網(wǎng)格加密示意

3.3 整機(jī)仿真

3.3.1 計(jì)算類型

由于強(qiáng)電磁脈沖在照射方向和極化方式上的不確定性，需要對(duì)多種來襲情況進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)置了17個(gè)典型的照射方向，不同照射方向以空間45°進(jìn)行間隔，每種照射方向分別以2種正交極化方式進(jìn)行照射，共計(jì)34種照射情況，定量分析不同頻段整機(jī)表面不同部位典型結(jié)構(gòu)場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)為大于0的正數(shù)值，其對(duì)應(yīng)的物理意義為表面電場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)；若數(shù)據(jù)為小于0的負(fù)數(shù)值，其對(duì)應(yīng)的物理意義為表面電場(chǎng)強(qiáng)度得到減弱。

采用平面波來表征強(qiáng)電磁脈沖，計(jì)算邊界條件為開放邊界條件或者吸收邊界條件，用于模擬飛機(jī)的空中飛行狀態(tài)。強(qiáng)電磁脈沖照射到飛機(jī)上的散射場(chǎng)不對(duì)飛機(jī)形成二次照射。

以飛機(jī)坐標(biāo)原點(diǎn)為基準(zhǔn)，17個(gè)照射方向分別為：1.正前方(-1,0,0)；2.正側(cè)方(0,0,1)；3.正后方(1,0,0)；4.正前斜上方(-1,1,0)；5.正上方(0,1,0)；6.正后斜上方(1,1,0)；7.正側(cè)斜上方(0,1,-1)；8.正前斜下方(-1,-1,0)；9.正下方(0,-1,0)；10.正后斜下方(1,-1,0)；11.正側(cè)斜下方(0,-1,-1)；12.側(cè)前方(-1,0,-1)；13.側(cè)前斜上方(-1,1,-1)；14.側(cè)前斜下方(-1,-1,-1)；15.側(cè)后方(1,0,-1)；16.側(cè)后斜上方(1,1,-1)；17.側(cè)前斜下方(1,-1,-1)。

3.3.2 網(wǎng)格劃分

以關(guān)心的最高頻率500MHz為例，其對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為600mm。即使網(wǎng)格為30mm，也僅為波長(zhǎng)的1/20。通常情況下，這個(gè)比例可以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在整機(jī)仿真工作中，一些精細(xì)結(jié)構(gòu)部分并不對(duì)整機(jī)電磁特性分布產(chǎn)生明顯的影響。在網(wǎng)格剖分過程中，同時(shí)兼顧計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，將單元網(wǎng)格大小設(shè)定為10mm左右。

4 綜合屏蔽效能評(píng)定方法

通過仿真可獲得不同典型結(jié)構(gòu)的屏蔽效能數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)?shù)湫徒Y(jié)構(gòu)作為機(jī)體的某一部分時(shí)，由于電磁脈沖的變化因素(照射方向、極化方式)及典型結(jié)構(gòu)周圍金屬結(jié)構(gòu)的影響，典型結(jié)構(gòu)外表面的電場(chǎng)強(qiáng)度可能會(huì)得到增強(qiáng)，對(duì)典型結(jié)構(gòu)的屏蔽效能要求會(huì)相應(yīng)提高。因此，要判斷整機(jī)在電磁脈沖照射下會(huì)有多少電磁能量通過典型結(jié)構(gòu)耦合進(jìn)入機(jī)體內(nèi)，還需仿真計(jì)算整機(jī)照射下典型結(jié)構(gòu)所處位置的表面電場(chǎng)增強(qiáng)數(shù)值，再結(jié)合典型結(jié)構(gòu)自身的屏蔽效能和強(qiáng)電磁脈沖的電磁能量頻域分布特性，才可綜合判斷典型結(jié)構(gòu)需要滿足的屏蔽效能。因此，提出綜合屏蔽效能的概念。

綜合屏蔽效能定義為：T=L+M-N。T為綜合屏蔽效能，L為典型結(jié)構(gòu)屏蔽效能，M為波形頻譜權(quán)重(按強(qiáng)電磁脈沖波形頻譜，在典型頻率處的頻譜權(quán)重?cái)?shù)值見表2)，N為整機(jī)照射下典型結(jié)構(gòu)表面電場(chǎng)增強(qiáng)，全部歸一化為dB。確定防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要考慮典型結(jié)構(gòu)向機(jī)體內(nèi)延伸50mm處的綜合屏蔽效能T(T≥50dB，不防護(hù)；T<50dB，需防護(hù))。

表2 在典型頻率處的頻譜權(quán)重?cái)?shù)值

仿真工作選取的頻點(diǎn)為：1MHz，2MHz，5MHz，10MHz，20MHz，50MHz，100MHz，200MHz，500MHz。典型結(jié)構(gòu)屏蔽效能計(jì)算時(shí)，采用垂直照射下2種正交極化方式獲得不同頻段、典型結(jié)構(gòu)向機(jī)體內(nèi)延伸50mm處的屏蔽效能。整機(jī)照射下典型結(jié)構(gòu)表面電場(chǎng)增強(qiáng)計(jì)算時(shí)，采用17個(gè)照射方向、2種極化方式(共計(jì)34種情況)獲得不同頻段下的典型結(jié)構(gòu)處表面電場(chǎng)增強(qiáng)數(shù)據(jù)。對(duì)每個(gè)頻段下的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到受強(qiáng)電磁脈沖影響最嚴(yán)重時(shí)對(duì)應(yīng)的最大值，獲得2種極化方式下的最大增強(qiáng)。

5 以某口蓋為例說明綜合屏蔽效能評(píng)定方法的使用

5.1 某口蓋典型結(jié)構(gòu)仿真數(shù)據(jù)

某口蓋典型結(jié)構(gòu)仿真場(chǎng)強(qiáng)分布如圖5所示。圖中所示的圖例為-100dB～0dB，表示電場(chǎng)強(qiáng)度的分布范圍。相對(duì)應(yīng)的，屏蔽效能的分布范圍為0dB～100dB，即電場(chǎng)強(qiáng)度與屏蔽效能呈相反的關(guān)系。

(a)某口蓋結(jié)構(gòu)

(b)10MHz時(shí)某口蓋的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布圖

(c)100MHz時(shí)某口蓋的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布圖圖5 某口蓋典型結(jié)構(gòu)仿真場(chǎng)強(qiáng)分布

某口蓋的屏蔽效能數(shù)據(jù)表見表3?？梢钥闯?，口蓋在低頻和高頻頻段的屏蔽效能表現(xiàn)不一。隨著頻率的升高，屏蔽效能變差，電磁能量更容易耦合穿過典型結(jié)構(gòu)。在不同極化條件下獲得的屏蔽效能結(jié)果差異較大，距離結(jié)構(gòu)50mm處的屏蔽效能最大值不超過70dB。

表3 某口蓋的屏蔽效能數(shù)據(jù)

5.2 某口蓋整機(jī)仿真數(shù)據(jù)

17個(gè)照射方向、2種正交極化方式、9個(gè)頻點(diǎn)下的表面場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)數(shù)據(jù)共計(jì)306個(gè)(此處略)。若數(shù)據(jù)為大于0的正數(shù)值，其對(duì)應(yīng)的物理意義為表面電場(chǎng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)；若數(shù)據(jù)為小于0的負(fù)數(shù)值，其對(duì)應(yīng)的物理意義為表面電場(chǎng)強(qiáng)度得到減弱。對(duì)每個(gè)觀察頻點(diǎn)下的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，列出2種極化方式的某口蓋表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大增強(qiáng)數(shù)據(jù)(見表4)。

5.3 某口蓋綜合屏蔽效能評(píng)定

某口蓋綜合屏蔽效能計(jì)算結(jié)果見表5。某口蓋向機(jī)身內(nèi)延伸50mm處的綜合屏蔽效能T<50dB，因此，判定需采取防護(hù)措施。

6 結(jié) 論

本文按飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)電磁脈沖綜合屏蔽效能評(píng)定方法完成了全機(jī)61種結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)仿真、整機(jī)環(huán)境下典型結(jié)構(gòu)處場(chǎng)強(qiáng)耦合效應(yīng)分析，并進(jìn)行了綜合屏蔽效能評(píng)定，篩選出飛機(jī)結(jié)構(gòu)需要防護(hù)的部位。

表4 某口蓋表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大增強(qiáng)數(shù)據(jù)

表5 某口蓋的綜合屏蔽效能

針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)電磁脈沖的特性，梳理了典型結(jié)構(gòu)類型，總結(jié)了整機(jī)仿真和典型結(jié)構(gòu)仿真方法，開展了整機(jī)環(huán)境下典型結(jié)構(gòu)處場(chǎng)強(qiáng)耦合效應(yīng)分析，首次提出了以整機(jī)仿真和典型結(jié)構(gòu)仿真相結(jié)合、飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)電磁脈沖綜合屏蔽效能評(píng)定的方法，定量地衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)的防護(hù)效能，制定了防護(hù)原則，解決了飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)的緊迫問題，降低了防護(hù)成本，明確了防護(hù)部位，為后續(xù)開展防護(hù)設(shè)計(jì)、全機(jī)防護(hù)性能評(píng)估奠定了基礎(chǔ)，對(duì)其他飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)電磁脈沖防護(hù)研究的開展有較強(qiáng)的理論價(jià)值和指導(dǎo)意義。