炮射导弹发射电点火具电磁安全性分析.pdf

2 0 1 3 年2 月炮射导弹发射电点火具电磁安全性分析杨培杰等 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 - 8 3 5 2 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 8 炮射导弹发射电点火具电磁安全性分析 杨培杰谭志良谢鹏浩 军械工程学院静电与电磁防护研究所 河北石家庄，0 5 0 0 0 3 [ 摘要]分析了强电磁脉冲对炮射导弹的耦合途径，利用传输线矩阵法 T L M 研究了强电磁脉冲对导弹的耦合 效应。建立了导弹的实体模型，仿真得到了电场水平极化和垂直极化时，导弹内部发射电点火具位置的电场分布。 建立了电点火具天线模型，仿真得到了该电点火具在敏感频率下的天线增益，进一步计算了发射电点火具在内部 场的作用下耦合得到的最大接收功率，其值为3 ．0 5 1 0 ～W ，远小于该电点火具的最大不发火功率。 [ 关键词] 炮射导弹发射电点火具强电磁脉冲射频功率 『分类号] T J 4 5 0 引言 炮射导弹内部电子元器件多、电子系统的比例 大、线束布置复杂，导致其对于电磁环境的影响更加 敏感。各种电磁信号充斥于作战空间，形成了一个 信号密集、种类繁杂、对抗激烈、动态多变的战场电 磁环境，对武器装备的性能和生存构成了威胁，研究 复杂电磁环境对炮射导弹的影响具有重要的现实意 义。本文以某型炮射导弹为研究对象，利用传输线 矩阵法 T L M 对该导弹弹体在强电磁脉冲下的电 磁耦合特性进行了研究，并计算了导弹发射电点火 具在导弹内场作用下所能接收的最大射频功率。 1 物理模型的建立与分析 1 ．1 耦合途径分析及物理模型的建立 导弹主要由舵机舱、战斗舱、增速发动机、仪器 舱和药筒等5 部分组成。各舱段之间采用分段结 合，特别是药筒和增速发动机的结合，结合部位存在 缝隙，因此，可以认为整个弹并不是一个完全封闭的 金属腔体，舱段之间的结合缝隙为强电磁脉冲耦合 到导弹内部提供了途径o 。强电磁脉冲的能量主 要集中在低频段区，此时电磁波的趋肤深度较大，金 属弹体呈半透波状，强电磁脉冲能量可能透过弹体 直接耦合到导弹内部旧J 。通过对炮射导弹进行尺 寸测量，参考设计单位相关数据资料，建立导弹的实 体模型。以弹体底部中心为坐标原点，弹体的中心 轴为彳轴，建立直角坐标系。弹体的总长度和弹体 厚度已知，弹体舵机舱的材料为铝，战斗部和增速发 动机的主要材料为钢件，药筒材料为铜。 1 ．2 入射脉冲源 由于电磁干扰源距离受干扰设备较远，可以近 似看作平面波，故设置平面波模拟干扰，求解频率范 围设置为0 ～1 G H z “ J 。激励源选择双指数脉冲，其 时域表达式为 E t k E o e 一“一e 一卢 1 如果将初值设置为k 1 ．0 5 ，玩 5 0 k V ／m ，O ／ 4 ．0 1 0 6 s ～，届 4 ．7 6 1 0 8 s ～，称为贝尔波形，由 美国贝尔实验室提出，其时域波形如图l 所示，具有 上升前沿陡、峰值场强高的特性。 看 喜 图1 贝尔标准脉冲波形 F i g ．1 W a v e f o r mo fi n c i d e n tw a v e B e l lw a v e 2 仿真结果分析 在导弹内部发射电点火具位置 0 ，0 ，2 0 设置 了电场观测点，对耦合进入导弹内部的电场测量。 2 ．1 电场水平极化 设置平面波垂直于弹体的中心轴z 轴入射，当 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 - 0 8 基金项目国家自然科学基金 6 1 0 0 1 0 5 0 ，基于波形重建的时域屏蔽效能计算及表征方法研究 作者简介扬培杰 1 9 8 9 ～ ，男，硕士，主要研究方向为电磁防护理论与技术。E m a i l y a n g p e i j i e 0 4 2 6 1 6 3 ．c o r n 通讯作者谭志良 1 9 6 4 一 ，男，教授，主要从事电磁兼容与电磁防护领域的研究。 万方数据 3 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第4 2 卷第1 期 电场水平极化时 垂直于弹体长度方向 ，导弹内部 观测点时域响应曲线和频谱特性曲线分别如图2 和 图3 所示，峰值场强幅值为5 3m V ／m 。 ， 吕 g 釜 骥 霹 著 ； 0 慧 蜜 t | R S 图2 水平极化时电场时域响应曲线 F i g ．2T h et i m e - d o m a i nr e s p o m ec u r v eo f h o r i z o n t a lp o l a r i z a t i o nw a v e 频率／G H z 图3 水平极化时频谱特性曲线 F i g ．3 T h ef r e q u e n c y - d o m a i nc h a r a c t e r i s t i c sc u r v e o fh o r i z o n t a lp o l a r i z a t i o nw a v e 2 ．2 电场垂直极化 设置平面波垂直于弹体的中心轴z 轴入射，当 电场垂直极化时 平行于弹体长度方向 ，导弹内部 观测点时域响应曲线和频谱特性曲线分别如图4 和 图5 所示，峰值场强幅值为1 2 5m V ／m 。 3 发射电点火具射频功率的计算 3 ．1 电点火具的天线模型 1 1 1 ，1 吕 昌 孓 慧 蠼 图4 垂直极化时电场时域响应曲线 F i g ．4 T h et i m e - d o m a i nm s p o m ec u r v e o fv e r t i c a lp o l a r i z a t i o nw a v e 频翠／G H z 图5 垂直极化时频谱特性曲线 F i g ．5 T h ef r e q u e n c y - d o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s c u r v eo fv e r t i c a lp o l a r i z a t i o nw a v e 发射电点火具是一个具有延时作用的桥丝式电 点火具，位于导弹底部，其底部顶在点火药盒上，两 根导线分别用螺钉固定在两个端口上 图6 。 线 图6 桥丝式电火工品的结构简图 F i g ．6 S t r u c t u r ed i a g r a mo fb r i d g ew i r eE E D 处于电磁环境的电点火具，其本身以及相关的 线路和部件都可能成为接收天线，成为电磁能量耦 合进入电点火具中的通道或路径。外界电磁波被天 线接收后，在接收天线输出端产生一个电动势[ 4 ] ， 此电动势在电发火系统中通过发火线路向桥丝端输 送电流。接收天线模型的等效电路图以及感应电动 势和射频功率的计算公式在资料[ 5 ] 中有详细的说 明和推导，在此不再赘述。 3 ．2 天线增益参数的计算 炮射导弹发射的某型号电点火具引线的具体参 数为长度z 为8 0 m m ，直径d 为0 ．5 m m ，材质为镀银 的铜导线，绝缘层的材料为聚四氟乙烯。建立发射 电点火具的偶极子天线模型，详见资料[ 5 ] 。依据 G J B 7 3 6 ．2 8 9 火工品试验方法电火工品射频感度 测定对该型电点火具进行射频感度试验，得到其 敏感频率为0 ．4 G H z 。因此在进行指定频率下的天 线远场仿真计算时，定义一个频率为0 ．4 G H z 的监视 器。利用C S T 微波工作室进行天线的远场仿真，得 到了Z 8 0r a i n ，频率为0 ．4 G H z 时偶极子天线远场 方向图，如图7 所示。该天线的增益为1 ．8 0 5 d B i 。 此时的偶极子天线是作为发射天线进行增益计算 的，根据天线的互易原理，同一副天线，作为发射天 线和接收天线具有相同的增益。因此，当该偶极子 天线作为接收天线时，其增益也是1 ．8 0 5 d B i 。 万方数据 2 0 1 3 年2 月炮射导弹发射电点火具电磁安全性分析杨培杰等 ，，，．，．大射频功率为3 ．0 5 1 0 ～W ，远小于该电点火具的 卸- 3 p r r - o x l 帕t l o ne n a b l e d k R 1 最大不发火功率。 H o n i t o r f a r f i e l d f 日．| ． 【1 】参考文献 C o m p o n e n t f i b s [ 1 ] 吴贤，杜平安，聂宝林．带缝隙腔体电磁屏蔽特性的数 O u t p u tD i r e c L i u i t 9 值模拟研究[ J ] ．工程设计学报，2 0 1 1 ，1 8 3 1 9 7 - 2 0 3 ． F n q u e n c p 0 ．4 W uX i a n 。D uP i n g ，锄。N i eB a o l i n ．N u m e r i c a ls i m u l a f i o n T O t ．e f f i c ．一5 4 ．7 2d B o nt h ee l e c 缸。眦俨e n cs 量l i e l d i n gp e r f o r m a n c eo fe 眦l o s u r e D 1 r ．1 ．8 0 5d B i 1 v i t l ls l o t s [ J ] ．J o u r n a lo fE n g i n e e r i n gD e s i g n 2 0 1 1 ，1 8 图7 天线远场方向| 皋l [ 2 1王天顺，刘树斌，吕朝晖．电磁脉冲武器产生的电磁效 F i g 7 1 1 1 8 [ m - f i e l dp a t t e r no fa n k n 弛 应分析[ J ] ．飞机设计，2 0 0 8 ，2 8 2 5 5 - 6 1 ． 3 ．3 最大接收功率的计算W a n gT i a n s h u n ，L i uS h u b i n ，L Oz h a o h u i ．A n a l y s i so fe ． 当接收天线处于最大限度吸收射频波的方向，l e e t r o m a g n e t i ee f f e c t c 锄e db ye l e c t r o m a g n e t i cp u l s e 且天线与负载之间阻抗匹配时，负载则能够最大限 w e a p o n [ J ] A i r c r a f tD e s i g n ，2 0 0 8 ，2 8 2 5 5 - 6 1 度地接收射频功率‘5 刮。当R 。R E E D , X 。鼍E D 时， [ 3 ] 谢彦召，王赞基，王群书高空核爆电磁脉冲波形标准 电点火具能够最大限度地接收射频功率，最大接收 及特征分析[ J ] 强激光与粒子束, 2 0 0 3 , 1 5 8 7 8 1 - 功率P 一可表示为 i I o e J ‘Y 锄h a o ，w a n gz 蚰j i , W 锄gQ I l 璐h u ．H i g l l 枷t u d e P 堡一f21 n u c l e a re l e c L , o r 唧e t i cp u l ∞w a v e f o r ms t a n d a r d s a 陀． ‰。意 ’ 若i 曲‰_ 嘲d e 裟，荔盖 取导弹内部场的峰值场强，结合电点火具的敏 8 7 8 1 - 7 8 5 ． 感频率和天线模型的增益，计算该电点火具的最大 [ 4 ] 杨培杰，李金明，王阵．电火工品等效天线模型的建立 接收功率，将参数代人式 2 得到，最大接收功率与分析[ J ] ．装备环境工程，2 0 1 2 ，9 2 4 6 4 8 ． P 。 3 ．0 5 1 0 一W 。 Y a n gP e i j i e ，L iJ i n m i n g ，W a n gZ h e n ．E s t a b l i s h m e n ta n d 4 结束语 a n a l y s i so ne q u i v a l e n ta n t e n n am o d e lo fE E D [ J ] ．E q u i p ‘ 强电磁脉冲会通过导弹各舱段之间的结合缝隙 m e n tE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，2 0 1 2 ，9 2 4 6 - 4 8 以及趋肤效应耦合进入到导弹内部。建立了导弹的 [ 5 ] 杨培杰，谭志良，谢鹏浩，等基于c S T 软件的电火工 耋鐾竺塞誊翌苎睾沓是竺蠢堂篓型璺裹黧_ Y 品射a n g 频安P e i j i 全e , 慧篆 警茎 j 譬’嚣 导弹内部发射电点火具位置的电场强度以及在o 4 o f 飓d i 。如q u e l ≥豳主主D 二。I ‘孟。c ；。 G H z 的频率下天线模型的增益，进而计算得到了耦 一[ J ] ．之p 孟i v 。0 0 r i a l 8 ，2 0 1 2 ，4 1 5 2 0 - 2 2 ． 合进入到电点火具内部的最大射频功率。通过改变 [ 63 陈飞，周彬，秦志春，等．半导体桥火工品的防静电和 入射电磁波的电场极化方向，研究了导弹内部的电 防射频技术[ J ] ．爆破器材，2 0 1 0 ，3 9 3 2 8 - 3 1 ． 磁能量耦合规律。研究表明当平面脉冲波垂直于 C h e nF e i ，Z h o uB i n ，Q i nZ h i c h u n ，e ta 1 ．A n t i ．e l e c t r o - 导弹中心轴入射时，电场垂直极化时耦合到导弹内 s t a t i ca n da n t i - R Ft e c h n o l o g yo fs e m i c o n d u c t o rb r i d g ee x _ 部的场强幅值比电场水平极化时场强幅值大；在导p l o s i v ed e v i c e s [ J ] E x p l o s i v eM a t e r i a l s ，2 0 1 0 ，3 9 3 弹内部电场的作用下，耦合进入发射电点火具的最 蹦剖‘ E l e c t r o m a g n e t i cS a f e t yA n a l y s i so nE l e c t r i cI g n i t e ro fG u n - L a u n c h e dM 【斌 Y A N GP e i j i e ，T A NZ h i l i a n g ，X I EP e n g h a o I n s t i t u t eo fE l e c t r o s t a t i ca n dE l e c t r o m a g n e t i cP r o t e c t i o n ，O r d n a n c eE n g i n e e r i n gC o l l e g e H e b e iS h i j i a z h u a n g ，0 5 0 0 0 3 [ A B S T R A C T ] T h ee o u p S n gp a t ho ft h ei n t e n s ee l e c t r o m a g n e t i cp u l s et og u n - l a u n c h e dm i s s i l ei sa n a l y z e da n dt h et r a n s ． m i s s i o nl i n e Ⅱl 撕x T L m m e t h o di su t i l i z e dt os t u d yt h ec o r r e s p o n d i n gc o u p l i n ge f f e c t ．T h ei n t e r n a le l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u - d o no ft h em i s s i l ed u et oh o r i z o n t a lp o l a r i z a t i o na n dv e r t i c a lp o l a r i z a t i o ni so b t a i n e db ys i m u l a t i o nt h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n t F o rf u r t h e rs t u d y ，t h em a x i m u mr a d i of r e q u e n c yp o w e ri n t ot h el a u n c h e de l e c t r i ci g n i t e ra tav a l u eo f3 ．0 5X1 0 6 Wi s 万方数据