引信強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)仿真與評(píng)估方法

鄭福泉，婁文忠，楊金剛，馮恒振

(1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 北京100081;2.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，各種電子系統(tǒng)應(yīng)用在軍事中的各個(gè)方面，其中炮彈引信電子系統(tǒng)是典型代表。電磁脈沖武器可瞬間損壞現(xiàn)代化武器中的電子系統(tǒng)[1]，具備全天候作戰(zhàn)能力、對(duì)瞄準(zhǔn)精度要求低、“軟”“硬”殺傷兼具、成本低、適用范圍廣[2-4]，并且這些效應(yīng)對(duì)信息化武器裝備和系統(tǒng)的破壞機(jī)理具有普適性，不隨目標(biāo)種類(lèi)不同而變化。作為新機(jī)理定向能武器，強(qiáng)電磁脈沖武器越來(lái)越受到軍事強(qiáng)國(guó)的高度關(guān)注[5-6]。

為了對(duì)我國(guó)的炮彈引信及其他電子系統(tǒng)進(jìn)行電磁防護(hù)，研究電磁脈沖對(duì)炮彈引信的毀傷效應(yīng)變得極為緊迫。當(dāng)前對(duì)炮彈引信電磁脈沖輻照效應(yīng)研究存在的主要問(wèn)題為：電磁脈沖對(duì)炮彈引信的輻照復(fù)雜，很難通過(guò)單純的仿真對(duì)其輻照效應(yīng)進(jìn)行解釋?zhuān)黄浯卧囼?yàn)條件不足，國(guó)內(nèi)具有超寬譜強(qiáng)電磁脈沖試驗(yàn)條件的單位少，導(dǎo)致效應(yīng)試驗(yàn)困難。本文以炮彈引信為研究對(duì)象，利用CST微波工作室對(duì)炮彈引信強(qiáng)電磁脈沖耦合進(jìn)行仿真計(jì)算，得到關(guān)鍵點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值。利用強(qiáng)電磁脈沖模擬器進(jìn)行輻照試驗(yàn)，得到了電子系統(tǒng)效應(yīng)閾值。

1 引信殼體與電磁脈沖耦合仿真分析

CST微波工作室廣泛應(yīng)用雷擊、強(qiáng)電磁脈沖等各類(lèi)高頻電磁仿真。本文利用其瞬態(tài)求解器，完成仿真計(jì)算。

1.1 仿真設(shè)置

對(duì)真實(shí)情況下炮彈引信進(jìn)行建模，如圖1所示。設(shè)置激勵(lì)脈沖沿y軸反方向傳播，即從炮彈引信前向后傳播，電場(chǎng)方向沿z軸方向，垂直于彈軸。由于炮彈引信后方連接有戰(zhàn)斗部，需要有孔，為了模擬最差的耦合情況，使該孔直接暴露于外部電磁場(chǎng)中。

圖1 仿真模型 Fig.1 Simulation model

仿真中設(shè)置電場(chǎng)探針沿彈軸均勻分布，每5 mm設(shè)置一個(gè),如圖2所示。其他仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram

表1 仿真參數(shù)表
Tab.1 simulation parameter table

序號(hào)仿真設(shè)置項(xiàng)目參數(shù)2激勵(lì)形式平面波3激勵(lì)脈沖雙指數(shù)脈沖4激勵(lì)脈沖頻率0.1～3GHz5脈沖場(chǎng)強(qiáng)25kV/m6邊界條件Open(addspace)

1.2 仿真結(jié)果及分析

CST微波工作室利用有限積分法(FIT)的方法進(jìn)行電磁場(chǎng)的解算。計(jì)算完成后，可得到主方向(x軸方向)不同探針處電場(chǎng)的時(shí)域波形，如圖3所示。電磁脈沖在炮彈引信殼體內(nèi)部脈沖寬度基本不變，幅值被大幅度壓縮。

圖3 各測(cè)點(diǎn)電場(chǎng)波形圖Fig.3 Electric field waveform of each measuring point

圖4所示為電場(chǎng)峰峰值隨距離變化的曲線圖。在炮彈引信殼體外部，由于金屬對(duì)電磁場(chǎng)具有反射作用，所以引信殼體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度有所下降。在炮彈引信殼體內(nèi)部，到達(dá)安全系統(tǒng)位置，電場(chǎng)強(qiáng)度為1 kV/m，相對(duì)外部25 kV/m，電場(chǎng)強(qiáng)度衰減為27.9 dB。可得金屬殼體對(duì)電磁脈沖具有很好的屏蔽作用。

圖4 各測(cè)點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)峰峰值變化曲線Fig.4 Field strength peak-peak variation curve

在中心頻率1.5 GHz、相位90°時(shí)，炮彈引信周?chē)皟?nèi)部電場(chǎng)分布情況，如圖5所示。由圖可見(jiàn)，炮彈引信金屬殼體對(duì)周?chē)妶?chǎng)有較大影響。盡管炮彈引信后部開(kāi)有孔，但電磁場(chǎng)進(jìn)入后被迅速衰減，在炮彈引信殼體頭部和炮彈引信體連接處為過(guò)盈配合，沒(méi)有任何電磁泄露。該殼體滿足防護(hù)強(qiáng)電磁脈沖的要求。

圖5 炮彈引信內(nèi)外電場(chǎng)分布Fig.5 Distribution of electric field

2 炮彈引信強(qiáng)電磁脈沖耦合效應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、電磁脈沖源、發(fā)射天線、測(cè)試系統(tǒng)、示波器及小口徑炮彈引信組成。電磁脈沖控制系統(tǒng)和示波器放在屏蔽室內(nèi)，以防止電磁脈沖對(duì)其產(chǎn)生損壞，試驗(yàn)布置如圖6所示。試驗(yàn)為了模擬真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，耦合試驗(yàn)在外場(chǎng)進(jìn)行，控制臺(tái)和示波器放置在屏蔽室內(nèi)。試驗(yàn)前利用測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)定各個(gè)場(chǎng)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖6 試驗(yàn)布置圖Fig.6 Test layout

2.1 電磁脈沖模擬器

電磁脈沖模擬器包括：控制系統(tǒng)，電磁脈沖源，P-C開(kāi)關(guān)(Peaking-Chopping開(kāi)關(guān))及TEM喇叭天線等。電磁脈沖模擬器通過(guò)電磁脈沖源把“慢”存儲(chǔ)的具有較高密度的能量，進(jìn)行快速壓縮，經(jīng)P-C開(kāi)關(guān)整形形成電磁脈沖，傳輸至天線，進(jìn)而輻射到外部空間，實(shí)物如圖7所示。

圖7 電磁脈沖模擬器實(shí)物圖Fig.7 EMP simulator physical photo

在強(qiáng)電磁脈沖模擬器正前方6 m處檢測(cè)到波形如圖8所示。由于外場(chǎng)環(huán)境中會(huì)有反射存在，故主脈沖后有許多拖尾。

圖8 實(shí)測(cè)電磁波形Fig.8 Measured electromagnetic waveform

2.2 某典型炮彈引信電子系統(tǒng)工作原理

某典型炮彈引信為電子時(shí)間炮彈引信。電子系統(tǒng)由電源外部供電，電路的芯片中裝訂延時(shí)為15 s。供電開(kāi)始后，芯片計(jì)時(shí)，電路系統(tǒng)中的電容器充電，達(dá)到裝訂的延時(shí)時(shí)間，輸出端輸出高電平，觸發(fā)電點(diǎn)火頭，試驗(yàn)中為了研究強(qiáng)電磁脈沖對(duì)電路的損傷效應(yīng)，部分試驗(yàn)使用指示燈代替電點(diǎn)火頭。

炮彈引信電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。炮彈引信殼體對(duì)電磁脈沖有一定的吸收。試驗(yàn)時(shí)將炮彈引信電路放置在炮彈引信殼體中。在此試驗(yàn)中電磁脈沖對(duì)炮彈引信電路的耦合主要為孔縫耦合與電源線耦合[7]。

圖9 炮彈引信電子系統(tǒng)圖Fig.9 Fuze circuit

3 炮彈引信強(qiáng)電磁脈沖耦合效應(yīng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)步驟

1) 放置好各個(gè)裝置的相對(duì)位置。把強(qiáng)電磁脈沖模擬器放在預(yù)設(shè)的輻照方向上；測(cè)試系統(tǒng)放在一定距離和高度處。

2) 連接各個(gè)裝置。通過(guò)屏蔽線纜把控制系統(tǒng)與脈沖源連接在一起；接收天線通過(guò)信號(hào)傳輸線連接至示波器。

3) 連接電源線。

4) 啟動(dòng)設(shè)備。按下控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)接通電源，點(diǎn)擊脈沖發(fā)射按鈕發(fā)射電磁脈沖。

5) 信號(hào)讀取。超寬帶強(qiáng)電磁脈沖信號(hào)在脈沖源中形成經(jīng)過(guò)發(fā)射天線發(fā)射到外部空間，在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)測(cè)量天線采集到信號(hào)通過(guò)信號(hào)傳輸線、傳輸至示波器顯示。

6) 觀察試驗(yàn)現(xiàn)象、取回炮彈引信，測(cè)試炮彈引信電子系統(tǒng)性能，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

把帶有電子系統(tǒng)炮彈引信放置在場(chǎng)強(qiáng)大于65 kV/m的位置，接通電源后7 s，電磁脈沖源發(fā)射一個(gè)脈沖輻照炮彈引信電路。在第15 s電點(diǎn)火頭不會(huì)被引爆，炮彈引信沒(méi)有正常工作。在22 s時(shí)電點(diǎn)火頭起爆，表明炮彈引信電子系統(tǒng)在強(qiáng)電磁脈沖輻照下被抑制。取回效應(yīng)物，對(duì)其電子系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，炮彈引信電子系統(tǒng)正常工作。通過(guò)分析試驗(yàn)現(xiàn)象及電路可知：在強(qiáng)電磁脈沖輻照下，炮彈引信電路芯片復(fù)位、重啟；在電磁脈沖消失后，延時(shí)被重置。

本文進(jìn)行的試驗(yàn)及現(xiàn)象如表1所示。由于強(qiáng)電磁脈沖試驗(yàn)本身費(fèi)用昂貴，需要大量的效應(yīng)物，且對(duì)于炮彈引信電子系統(tǒng)效應(yīng)閾值區(qū)間缺乏預(yù)估，使得采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)少而且較為分散。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)炮彈引信帶有屏蔽殼體時(shí)，屏蔽殼體具有較好的防護(hù)效果。在外部電磁場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度小于60 kV/m時(shí)，均能保證炮彈引信電路正常工作。對(duì)比仿真結(jié)果，屏蔽體沒(méi)有達(dá)到理想的屏蔽效果。其原因在于試驗(yàn)中采用了外部供電的方式，電磁脈沖會(huì)通過(guò)電源線耦合一定的能量進(jìn)入電子系統(tǒng)，影響其工作。

為了在有限強(qiáng)度的電磁場(chǎng)下得到炮彈引信電子系統(tǒng)的效應(yīng)閾值，試驗(yàn)采取直接對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行輻照試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10、表2所示。總結(jié)得出，炮彈引信電子系統(tǒng)在電磁場(chǎng)中電場(chǎng)強(qiáng)度大于25 kV/m時(shí)，有一定概率會(huì)使電子系統(tǒng)中芯片復(fù)位重啟。隨著場(chǎng)強(qiáng)增加，芯片復(fù)位重啟概率變大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度在65～80 kV/m時(shí)電路中的芯片會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)性故障，不能再工作。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度大于80 kV/m時(shí)，芯片基本會(huì)被損壞。

圖10 炮彈引信試驗(yàn)圖Fig.10 Test chart for projectile Missile Fuze

表2 試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)
Tab.2 test test data

場(chǎng)強(qiáng)/(kV/m)有殼體無(wú)殼體場(chǎng)強(qiáng)/(kV/m)有殼體無(wú)殼體10.700350114.800450118.501551217.30152.21116.20148.90115.10053.20220.801571225.901591228016212

注：0代表無(wú)效；1代表電子系統(tǒng)重啟；2代表芯片燒毀，不能恢復(fù)工作

4 結(jié)論

通過(guò)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證可知，炮彈引信的殼體會(huì)對(duì)強(qiáng)電磁脈沖起到很好的屏蔽作用，仿真結(jié)果顯示炮彈引信殼體對(duì)電場(chǎng)衰減為27.9 dB，試驗(yàn)結(jié)果顯示電場(chǎng)強(qiáng)度小于45 kV/m時(shí)炮彈引信電子系統(tǒng)均能正常工作，滿足防護(hù)需求。進(jìn)一步對(duì)炮彈引信的電磁輻射效應(yīng)試驗(yàn)研究表明，在電磁脈沖的作用下，當(dāng)強(qiáng)電磁脈沖電場(chǎng)強(qiáng)度峰值達(dá)15 kV/m時(shí)，芯片會(huì)產(chǎn)生重啟復(fù)位，使炮彈引信起爆出現(xiàn)故障；當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)50 kV/m時(shí)芯片有一定概率會(huì)被永久損壞。由于器件差異，試驗(yàn)中測(cè)量誤差等不可控因素的存在，炮彈引信電子系統(tǒng)閾值場(chǎng)強(qiáng)并非絕對(duì)定值，而是在一定區(qū)間內(nèi)符合概率分布。