某型制導彈藥微波效應的研究*

徐 航,鄭紅星,左 非,蔣艷國,肖和業

(西安現代控制技術研究所, 西安 710065)

0 引言

制導彈藥在飛行過程中,通常會不可避免的受到激勵源(electromagnetic pulse,EMP)輻照[1-2]。作為高科技軍事裝備的制導彈藥,其彈上多種類型的電氣設備、電子器件集合在狹小的空間內,通過輸配電線路與電氣系統連接在一起,信號有強有弱,電壓、電流有高有低,空間密度遠遠高于其他飛行器。這些電氣設備和電子器件在受到EMP照射時,會在彈體內產生感應電場。這往往會影響彈上器件的工作,從而對其飛行姿態和飛行軌跡產生影響。為了更好地了解制導彈藥飛行時所受外部條件的影響,需要對導彈進行仿真分析。

1 仿真模型建立

選用CST仿真軟件,建立彈體模型,并對導彈彈體進行簡化[3]。

1.1 彈體結構模型

首先啟動CST設計工作室，選擇創建新項目。將長度單位設置為 mm,頻率單位設置為 MHz,時間單位設置為μs,背景材料設置為 Normal,邊界條件設為open(add space),建立如圖1所示的制導彈藥結構模型。

圖1 某型制導彈藥結構模型

其中,導引頭設置為玻璃材質,其他結構部分(包含彈體)設置為PEC。仿真中需要考慮彈體各艙段由于加工公差產生的縫隙,按最差情況分析,讓縫隙圍繞彈殼一周。根據目前存在的公差范圍,導引頭、引信艙段縫隙按0.3 mm,0.4 mm和0.5 mm 3種情況處理;而其他艙段縫隙按0.05 mm處理。各艙段間隔板共設置了6條縫隙。此外,彈內有很多不影響計算結果但影響計算效率的結構,例如接插件、表面尖劈、表面圓柱等,通過對這些結構的近似處理,可以獲得更高的計算速率。

1.2 彈上電氣線路模型

彈上線束均設為理想導體,這里采用鍍銀的銅導線,絕緣層材料為聚四氟乙烯,單根導線截面積均為0.20 mm2,電導率約為6×107S/m;雙絞線絞距為10 mm,屏蔽層為銅制編織層,編織密度80%。按照圖2所示的線束結構建立三維曲線,包含電池、導引頭、飛控、陀螺儀、舵機和引信之間的互連線。為了防止線纜間的電磁干擾,所有的電源線均為雙絞線而信號線均采用雙絞屏蔽線。為了在傳輸信號有問題時做到隨時調整,彈壁電纜不能電纜束的形式出現。

圖2 某型制導彈彈上電氣線路模型

1.3 接口電路等效模型

對于供電、RS422、舵指令、舵電位計信號電路、引信接口電路和電機PWM接口等效電路,可以通過CST設計工作室進行建模。它采用邊界元法,提取各類線纜(單線、排線、雙絞線、屏蔽雙絞線、單芯/多芯屏蔽線以及它們的任意拓撲組合)以及周邊結構下的傳輸線模型,自動考慮趨膚效應、介質損耗。對從單一金屬線到復雜的電纜和完整的電纜束的各種幾何線纜結構都可進行電磁分析,可提供完整的電子系統互連設備電磁兼容性及信號完整性分析解決方案,具有很強的實用性[4]。根據各個接口電路的等效或簡化模型,與分布參數網絡模型端口一一對應連接。在這里可以采取一些簡化處理提高計算效率。

通過以上步驟完成CST中對導彈模型的建模。

2 仿真與結果分析

通過仿真某型制導彈藥在飛行中遭受激勵源輻照時的情況進行仿真分析。

在仿真時,按照以下參數進行設定:

1)頻率上限:100 MHz。

2)頻率范圍:若激勵信號為超寬譜源波形(即脈沖寬度1 ns,脈沖上升沿300 ps),將仿真的頻率范圍定義到2 GHz即可包含激勵源的主要能量;若激勵信號為窄譜源波形(載頻為1.3 GHz,脈沖寬度30 ns,脈沖上升沿和下降沿均為3 ns),將仿真的頻率范圍定義到1.3 GHz;若激勵信號為窄譜源波形(載頻為2.8 GHz,脈沖寬度30 ns,脈沖上升沿和下降沿均為3 ns),將仿真的頻率范圍定義到2.8 GHz。

3)信號波形:雙指數函數波形。

4)網格設置:為了達到仿真效率和仿真精度的平衡,本項目仿真采用六面體網格對模型進行剖分,全局網格設置中將Cells per wavelength中的Near to model設為15。

5)監視器和探針:在彈體內定義5個探針,這些探針分別位于導引頭前端、導引頭后端、舵機、儀器艙和引信艙,如圖3所示,并觀察彈體內這些位置的感應電場。

圖3 彈體內的探針位置

為了研究外設條件對導彈微波特性的影響,通過改變彈體各艙段之間的縫隙寬度、入射激勵源的強度及方向等預設條件,計算觀察點的感應電場場強值的變化。為了研究各艙段之間縫隙對仿真結果的影響,將導引頭、引信艙段縫隙分別按0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm 3種情況處理;而在考慮入射激勵源的強度及方向對導彈的微波效應的影響時,分別采用10 kV,20 kV和40 kV的電壓,和導彈的正面、后面、左右側面和底面5個方向,極化方式為水平極化。因為通常情況下,水平極化為激勵源類問題中最惡劣的情況,采用該極化方式可以更加明顯的看出入射激勵源的入射方向對導彈微波特性的影響。根據前面的仿真設置,通過觀察各個觀察點的電場強度對仿真結果進行分析。

2.1 縫隙寬度對電場強度的影響

艙段間因加工誤差引起的不同縫隙寬度對各個位置場強的影響仿真結果如圖4所示。

通過上述各個觀察點的場強隨著縫隙寬度的變化所產生的影響可以看出:縫隙寬度對于導引頭前端的場強值影響較小,而對于其他艙段產生了較為明顯的影響。縫隙寬度為0.3 mm的場強值會大于其他兩種縫隙寬度的場強值。這是由于艙段間加工誤差造成的縫隙,會導致更多的激勵源能量耦合進艙內,因此在加工時,可以通過減小艙段間空縫提高屏蔽效能。

2.2 入射激勵源強度對電場強度的影響

入射激勵源在10 kV、20 kV、40 kV 3個強度下,各個位置場強仿真結果如圖5所示。

圖5 入射激勵源強度對各艙段電場強度的影響

通過上述仿真結果可以看出:入射激勵源的強度越大,各個點的場強值也會越大。且入射激勵源強度的變化對導引頭的電場強度的影響尤為明顯。

2.3 入射激勵源方向對電場強度的影響

入射激勵源為導彈底部、前方、左側、右側、后方5個方向時,各個位置場強仿真結果如圖6所示。

通過上述仿真結果可以看出:對于舵機、儀器艙和引信艙而言,不同方向的入射激勵源入射，對于艙內的電場影響不大;而對于導引頭而言,側方入射(即入射方向為導彈左側和導彈右側)比從導彈前后方入射對艙內的電場影響大。由于入射激勵源大小和方向的變化都對導引頭部分艙內電場產生較大的影響,因此在設計彈上電氣時,需要多加考慮導彈的頭部抗擾設計方案。

圖6 入射激勵源方向對各艙段電場強度的影響

3 結論

應用電磁兼容仿真軟件CST對某型導彈在飛行中遭受激勵源輻照時的情況進行仿真分析,得到了具體的可數值化的參數。通過改變各艙段之間的縫隙寬度、入射激勵源強度和入射方向等預設條件,計算其對導彈微波特性的影響。結果表明,激勵源側方入射比前后方入射對艙內影響大;導彈的頭部相對于其他艙段而言,更容易受到入射激勵源輻照的干擾,在導彈電氣設計時需要重點考慮導彈的頭部抗擾設計方案;加工誤差造成的縫隙,會導致更多的激勵源能量耦合進艙內,控制好加工工藝,減小艙段間縫隙,提高屏蔽效能。所得仿真結果與實際結果相吻合,對導彈電氣設計有一定的指導意義。