魚雷電磁兼容性綜合管理與控制

譚靜儀, 潘 進, 王凱國, 楊進候

魚雷電磁兼容性綜合管理與控制

譚靜儀1, 潘 進2, 王凱國2, 楊進候2

(1. 中山大學 新華學院, 廣東 廣州, 510520; 2. 中國船舶重工集團公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

電磁兼容性(EMC)是魚雷通用質量特性中衡量魚雷內部涉電組件之間, 以及魚雷與武器系統平臺、作戰空間之間電磁環境承受能力和作用影響的重要指標。文中結合魚雷EMC設計與驗證過程, 綜合試驗實施及整改中的經驗與教訓, 總結提煉魚雷全壽命周期內EMC綜合管理與控制的方法, 并通過產品驗證, 為魚雷的EMC管理與控制提供了參考。

魚雷; 電磁兼容; 管理; 控制

0 引言

魚雷是集小信號調理采集、大數據運算處理、高速總線信息傳輸、大電流驅動控制等于一體的水下攻防裝備。

在其有限的體積和重量約束條件下, 集成有自導、引信、控制等系統的涉電組件, 同時內部有大量靈敏傳感器和大功率變換電路, 相互之間電磁干擾及敏感防護要求較高; 且在潛艇、水面艦船、直升機、固定翼飛機、火箭助飛及高空滑翔等多平臺使用, 因此使用方對各型魚雷提高自兼容性和滿足平臺總體電磁兼容性(electromagn-etic compatibility, EMC)設計的需求不斷增強。

面對內部復雜電磁環境和外部密集電磁干擾的現狀, 在魚雷設計、生產、工藝、試驗和使用等各個環節均應采取相應的EMC技術, 因此, EMC管理與控制應貫穿于魚雷產品研制到使用的全過程[1]。

魚雷的EMC主要包括電磁干擾性和電磁敏感度兩部分, 目前針對魚雷內部組件EMC的管理控制主要包括前期的設計控制及后期以GJB 151A/B中CE、RE、CS、RS項目要求為依據的考核控制, 對系統間的EMC控制大多遵循GJB 1389A的規定, 但滿足相關標準并不能表征其具備良好的EMC性能, 中間狀態管理控制尚缺乏成熟的驗證手段。文中根據魚雷研制流程結合多型號生產試驗經驗, 提出一種基于數據模型管理、變量迭代開發的全壽命周期EMC管理控制方法, 旨在對魚雷研發過程中的EMC進行管理控制。

1 EMC管理與控制現狀分析

國外武器裝備先進制造國家大部分都已建成完善的EMC管理機構, 制定了健全的技術規范和行業標準, 具有完整的EMC測試技術和實施方法[2]。在管理方面以美軍為例, 其主要采用MIL- HDBK-237D標準對武器裝備的電磁環境效應和頻譜保障性管理工作提供指南, 從裝備的研制、采購及部署全流程進行EMC管理, 而控制方面有MIL-HDBK-235系列標準進行EMC約束考核。

國內研究機構也開展了類似研究, 但對于武器裝備EMC管理控制主要在組織、計劃和實施層面, 而相應的EMC管理標準GJB/Z17已實施二十余年, 難以滿足最新技術實現及驗證的需求[3]。

大量的魚雷工程研制經驗教訓表明, 魚雷EMC費效比存在如圖1所示的關系。在魚雷研發生產過程中, EMC問題越早發現, 解決措施越多, 產生費用越少, 取得效果越好[4], 因此魚雷研制生產中, 應在規劃論證及方案設計階段根據魚雷獨有的電磁特性(如中低頻頻譜分布, 特殊使用平臺電磁環境等)進行多次多方面EMC綜合控制與指標分配, 在工程設計和狀態鑒定階段進行試驗驗證與迭代優化, 在批量生產和交付使用階段進行信息搜集反饋, 通過多型號多數據的融合, 循序漸進地進行全壽命周期管理控制, 才能取得良好的EMC效果和經濟效益。

圖1 EMC整改費效比關系圖

2 魚雷EMC管理控制策略

魚雷進行全壽命周期內EMC管理與控制的流程如圖2所示。

1) 論證階段, 利用多型號魚雷的EMC數據模型及經驗進行頂層規劃, 根據魚雷工作電磁特性進行系統指標分解及預測[5];

2) 方案階段, 確認總體EMC指標, 對各系統進行指標分配, 根據以往魚雷型號組件的電磁數據模型進行系統級EMC預測與分析, 并根據相關仿真分析結果進行方案設計, 設計方案需通過EMC評審并進行過程控制, 在方案階段可制作相應的組件級樣機產品, 并對樣機進行EMC預先測試, 測試結果及優化措施加入EMC數據庫和EMC知識管理庫, 以預先測試數據結果為輸入參數修正仿真分析的結果, 并達到優化方案設計的目的;

3) 工程設計階段, 對研制的魚雷系統級產品進行預先測試, 根據系統級預先測試結果進行硬件整改和設計優化, 同時通過半實物仿真、電機拖動、水下熱車等系統間匹配兼容試驗驗證魚雷產品的電磁自兼容效果, 以相關試驗達到預期目的作為階段管理控制標志;

4) 狀態鑒定階段, 應確定EMC考核指標, 并制定試驗大綱進行全雷級EMC試驗, 通過系統級認證測試進行符合性評估, 對試驗結果進行整改和優化;

5) 型號批產階段, 為確保魚雷產品的一致性、工藝可達性和EMC性能, 需對生產工藝過程中的EMC關鍵件、關鍵工序及工藝處理方式進行管理控制[6];

圖2 魚雷全壽命周期EMC管理與控制圖

6) 列裝使用階段, 收集部隊使用問題及需求反饋, 對復雜多變的使用環境進行預期分析, 對武器平臺的EMC數據進行搜集, 不斷地豐富EMC數據庫, 為后期其他魚雷型號仿真預測提供可模擬的電磁環境變量[7]。

2.1 EMC數據庫和知識管理庫

通過對魚雷各型號、各階段EMC試驗數據結果的處理, 分析魚雷各組件工作機理及其電磁特性, 重點關注中低頻段組件(如自導信號預處理部分、發電機換向變換部分等)的電磁特性對魚雷整體電磁指標的影響。建立EMC數據庫, 作為系統預測分析的輸入參量, 同時優化各組件的電磁特征模型。結合相關設計優化整改措施, 對試驗記錄和整改措施進行分類、總結和分析, 可形成EMC知識管理庫, 該知識管理庫能夠有效避免由于設計人員工程經驗差異導致的設計缺陷重復出現, 也能夠規避由于設計人員流動導致的設計經驗流失[8]。在數據庫不斷充實擴大、知識管理庫不斷歸納收斂的過程中, 能夠有效縮短魚雷的設計時間、降低設計成本, 提高全雷的EMC性能。

故依托于EMC數據庫和知識管理庫積累設計技術和工程經驗, 有預見性地配置使用合理的軟件仿真預測手段和充分的硬件試驗驗證條件, 最終實現魚雷各階段EMC設計和驗證測試的管理控制。

2.2 EMC預測與分析

在方案階段對研制總要求進行指標細化和分解時, 魚雷內部復雜多樣的電磁環境導致指標分解的合理性與可實現性大打折扣, 因此需采取基于多數據融合的全雷EMC分析前置方法對指標分配進行驗證和調整, 利用數值計算方法和系統頂層設計的分析理論, 結合已有的型號產品試驗數據, 依據前期所建立的組件電磁特征模型開展全雷的分析預測, 通過系統EMC參量數值的迭代調整, 最終完成全雷系統級EMC指標合理分配, 并為EMC驗證試驗提供支撐[9]。

如圖3所示, 基于魚雷工作環境的電磁特性建立作戰平臺電磁模型、電波傳播衰減模型和自由空間傳輸損耗模型。通過仿真GJB1389A電磁場模型, 來模擬嚴酷的作戰電磁環境[10]; 通過仿真建立雷體模型, 對魚雷結構上孔縫和接口進行電磁特性分析, 來模擬外界環境通過該傳輸途徑對雷內電磁場的影響; 通過建立雷內組件電磁特征模型, 模擬傳輸線纜傳導耦合途徑, 得到輻射頻譜分布圖; 選擇合理的數值計算方法進行仿真分析, 根據仿真分析結果提出相關組件的EMC要求和指標, 并隨著研制進程不斷修正和補充, 進一步提高預測分析系統的通用性和準確性, 相關預測分析數據積累加入EMC數據庫和知識管理庫, 并作為后期同類型號項目研制基礎。

圖3 魚雷EMC預測與分析流程圖

2.3 EMC設計控制

在方案設計過程中需進行魚雷總體設計控制和原則設計控制。

2.3.1 EMC總體設計

EMC頂層總體指標確認后, 需對魚雷內部組件采取時域分配、頻域管理、空域分離和電氣布局等設計手段, 優化內部組件間的EMC; 同時通過結構設計, 電路控制等方式實現魚雷同武器平臺和作戰使用環境之間的EMC[11]。

1) 時域分配設計, 采取不同時間段內不同組件按時序完成工作任務的設計方式來實現對電磁影響的控制[11], 如魚雷自導聲吶分時發射接收、引信戰斗部分時上電工作等, 在同一時間段內, 互為干擾源或敏感設備的組件按要求單一工作, 以避免相互串擾或發生敏感等非預期情況。

2) 頻域管理設計, 主要是避免不同組件工作頻率或頻段重復, 避免低頻信號的倍頻干擾與其他組件正常工作頻段處于重疊區域, 如自導引信采用分頻段或跳頻通信的工作模式, 對雷內發電機或電動機換向頻率、電源隔離模塊開關頻率、總線通信頻率等采取分布管理等措施[12]。

3) 空域分離設計, 是利用電磁場的空間傳播衰減特性及空間矢量方向特性, 對干擾源及敏感設備的空間布局進行控制, 增加組件之間的空間距離[13], 如電機和靈敏傳感器分艙段布局, 調整組件之間的安裝方式, 以避免組件結構縫隙開孔方向為電磁場接收或發射的最大方向。

4) 電氣布局設計, 雷內組件要滿足干擾源和敏感設備的合理分布, 總線節點及傳輸線阻抗的匹配符合相關規范, 地線網絡能提供差/共模干擾快速泄放的途徑等總體EMC設計要求。

5) 結構設計, 在保證其強度和剛度的總體性能指標前提下, 考慮其整體屏蔽效能, 如魚雷頭部結構為屏蔽效能較低的透聲橡膠, 則需要在內部結構上設計相應屏蔽隔板以實現內部空間的有效封閉, 提高魚雷殼體的電磁屏蔽能力。

6) 電路控制設計, 主要采取特殊保護電路, 提高系統對電磁環境的耐受程度, 規劃通信總線和對外接口時考慮到其與外界環境的交互, 如通過對內外交互的電氣接口增加保護電路, 以提高魚雷整體對雷擊浪涌、靜電和外界強電磁脈沖的防護能力[14]。

2.3.2 EMC設計原則

EMC設計的具體原則主要是對設計中電源、電路及信號的接地方式、濾波處理方法、印制電路板(printed circuit board, PCB)布局、組件殼體屏蔽等進行控制。

1) 良好的接地設計為電流返回其源提供一個低阻抗通道, 能夠提高系統抗干擾能力和減小電磁干擾發射, 工藝設計時應著重考慮, 對地線網絡進行合理劃分, 并可靠接地[15];

2) 適當的濾波處理能夠實現電路差/共模干擾的雙向抑制, 在關鍵位置或節點(如功率組件入口、魚雷對外交互接口等部位)進行濾波處理, 實現對關鍵頻段或倍頻點的有效抑制, 達到切斷傳輸途徑的目的[16];

3) 合理的PCB布局, 主要是結合實際電路進行元器件布局、接口布局和地布局, 實現布局布線的優化, 提高PCB電路自身EMC性能[17];

4) 正確的屏蔽設計, 在進行組件殼體設計時結構屏蔽體盡量保持連續, 減小接縫長度, 開孔設計時, 其開孔效應帶來的電磁泄漏影響需進行重點控制[18]。

2.4 EMC試驗

在樣機設計至狀態鑒定階段均應通過EMC試驗進行檢驗評估, 并根據試驗結果優化EMC設計, 在方案及工程設計階段主要針對樣機進行預先測試, 在狀態鑒定階段主要對全雷進行認證測試。

方案及工程設計階段應對組件樣機、分系統和系統進行EMC預先測試, 如圖4所示, 預先測試可在簡易環境下進行, 具有方便快捷、成本費用較低, 可直接在實驗室現場進行EMC故障診斷的顯著特點, 在研制早期開展預先測試可以提前釋放EMC風險、提高研發效率、降低設計成本、縮短研制周期[19]; 同時優化預先測試中出現的問題, 將測試數據加入相應EMC數據庫, 作為其他型號EMC預測與分析的基本輸入參量。

圖4 魚雷EMC預先測試示意圖

預先測試試驗中利用“接收機+近場探頭”的方式進行電磁場測試, 逐級分析隔離干擾源; 利用屏蔽、濾波、接地等方式切斷傳輸途徑, 將干擾源抑制、傳輸途徑阻卻的相關整改措施及優化方法加入到EMC知識管理庫, 作為其他型號方案設計優化、系統問題解決、工程實踐整改的技術儲備, 同時該測試結果將作為轉階段的重要支撐[20]。

狀態鑒定階段對全雷進行認證測試, 根據前期指標分析, 結合預先測試結果和系統級使用要求, 制定相應EMC試驗大綱和試驗方法, 組織進行認證測試試驗, 如圖5所示, 并根據測試數據進行符合性考核與評估。

2.5 EMC質量管理

魚雷EMC質量管理負責計劃、組織、監督、控制和指導型號研制全流程的EMC工作, 在經過預測仿真分析及指標確認之后, 制定EMC管理控制計劃書, 約束并協調技術人員落實整個計劃; 在研制各階段進行EMC技術狀態控制, 如通過專家審查的方式對過程狀態進行監控, 并將專家意見落實在設計之中; 在試驗環節需對試驗大綱、試驗方法等進行評審, 并對預先測試及認證測試試驗結果進行評判。

圖5 魚雷EMC試驗圖

3 EMC管理控制效果評估

魚雷EMC管理控制效果評估主要包括以下內容:

1) 雷內組件之間能否相互兼容工作;

2) 魚雷與武器平臺之間能否相互兼容共存;

3) 魚雷與作戰空間之間能否相互安全兼容。

針對雷內EMC評估方法采取層次分析法, 分別對組件級、系統級、全雷級電磁干擾發射及電磁敏感度進行預先測試, 各測試項無極限線考核標準, 針對組件工作特性、頻域特性對其EMC安全裕度進行調整, 根據過往經驗針對CE102及RE102等測試項進行重點關注, 同時通過靜態水池兼容試驗、EMC半實物仿真試驗、EMC電機拖動試驗、EMC水下熱車試驗以及EMC實航驗證試驗等措施對魚雷內部電子組件之間的兼容性進行驗證。

魚雷與武器平臺或作戰空間之間的EMC性能通過認證測試的方式考核評估, 根據型號任務研制總要求、EMC量化指標、武器平臺電磁環境和作戰空間的電磁危害等條件, 通過對GJB151 A/B、HJB34A、GJB1389A和 GJB8848等標準進行裁剪、加嚴和指標選取, 設置相應測試項、安全裕度值和試驗方法, 利用認證測試考核評估結果實現對魚雷EMC管理與控制效果的最終評判。

4 結束語

文中結合魚雷EMC設計與驗證過程，總結提煉了魚雷全壽命周期內EMC綜合管理與控制方法，并通過了試驗驗證。

魚雷研制過程中通過數據模型管理、變量迭代開發的優化方式進行EMC總體規劃、指標分解、預測分析、設計驗證、試驗整改及效果評估, 在多型號任務和產品中不斷完善管理控制方法, 能夠達到縮短魚雷型號研制周期, 提高魚雷產品EMC性能的目的。但隨著魚雷武器內部電氣復雜化、裝載作戰平臺多樣化和戰場電磁環境嚴酷化的發展趨勢不斷加強, 以及軍方對武器裝備EMC關注度不斷加深, 魚雷研制過程中產品的電磁特性以及電磁干擾傳輸機理的研究需進一步深入開展, 以期獲得具有針對性的EMC綜合管理控制新方法。

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Integrated Management and Control of Torpedo Electromagnetic Compatibility

TAN Jing-yi1, PAN Jin2, WANG Kai-guo2, YANG Jin-hou2

(1. Xinhua College of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510520, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Electromagnetic compatibility(EMC) is an important indicator for measuring the endurance and effect of electromagnetic environment among the torpedo’s internal electrical components, as well as among the torpedo and the weapon system platforms and the operational space, in the general quality characteristics of torpedo. This paper describes the EMC design and verification processes of torpedo, discusses the experience and lessons in the comprehensive test implementation and rectification, and summarizes the integrated management and control method of EMC over the whole life cycle of torpedo. This integrated management and control method of EMC is verified by a certain product, and may serve as a reference for the EMC management and control of torpedo.

torpedo; electromagnetic compatibility(EMC); management; control

TJ630.7; TN973

A

2096-3920(2020)03-0330-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.014

2020-05-06;

2020-07-08.

譚靜儀(1989-), 女, 在讀博士, 主要研究方向為自動控制、數據挖掘和分析.

譚靜儀, 潘進, 王凱國, 等. 魚雷電磁兼容性綜合管理與控制[J]. 水下無人系統學報, 2020, 28(3): 330-336.