戰術制導導彈在核電磁環境下的生存能力研究

王 鵬 史鵬濤 周 政 李 婧

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

戰術制導導彈通常由戰斗部、發動機及舵機、制導系統、彈載計算機、導引頭及熱電池等組成[5]。導引頭是實現末端制導、精確打擊目標的重要部件，根據其制導方式可將導引頭分為紅外制導、激光制導、毫米波雷達制導以及復合制導等形式。核電磁脈沖是復雜電磁環境強電磁脈沖的一種形式，是高空核電磁脈沖最主要的一種表現，由于其具有電場幅度大、作用時間短、頻帶寬以及擴散范圍廣等特點越來越受到軍事強國的重視[1]。

本文結合核電磁脈沖在半電波暗室的測量原理及試驗方法，研究戰術制導導彈電磁防護技術以期達到工程化，提升戰術制導導彈在軍事對抗中的生存能力。

1 核電磁脈沖試驗技術

1.1 試驗技術原理

在GJB151B-2013和GJB1389A-2005中幾乎給出了一樣的核電磁脈沖試驗曲線，如圖1所示，其波形的數學表達為雙指數函數[1][7]，即

E(t)=E0×k(e-αt-e-βt)

(1)

其中，E0=5×104V/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1，k=1.3。

圖1 核電磁脈沖基本波形

在式(1)中，波形的上升時間(10%-90%)為2.3±0.5 ns，半峰值脈沖寬度為23±5 ns，波形覆蓋的頻譜上限在1 GHz。

試驗時，通常采用平行板輻射系統、橫電磁波傳輸室、GETM小室或棚架式輻射系統，其中半電波暗室使用較廣的為GTEM小室和棚架式輻射系統，但考慮到被試系統的體積、操作等因素，半電波暗室通常采用棚架式輻射系統，其特性阻抗為170±5 Ω、極化方式為垂直極化，具體如圖2所示。

1.2 測試模型

GTEM小室或棚架式輻射系統屬于有界波(導體)型模擬器，其理論依據為平行板傳輸線理論[2-3]，具體見圖3所示。

若脈沖雙指數發生器VS、傳輸線及負載能夠很好地匹配，則脈沖信號則向負載方向傳輸而不發生反射，并被負載完全吸收。若存在阻抗失配情況則信號會在阻抗失配處發生反射，其核電磁脈沖傳輸方向如圖4所示。

傳輸線傳輸阻抗由棚架式輻射系統的高、寬比來決定[6]，依據公式(2)為

(2)

其中，Z為傳輸線阻抗、h為棚架結構的高度、w為棚架結構的寬度。

核電磁脈沖場的電場強度依據公式為

(3)

其中，V為雙指數脈沖發生器峰值電壓、h為棚架式系統結構的高度。

圖2 棚架式輻射測試系統配置簡圖

圖3 平行板傳輸線理論簡圖

圖4 核電磁脈沖場傳輸方向及結構簡圖

2 戰術制導導彈防護設計

2.1 電源接口電路設計

戰術制導導彈在發射前有其載彈平臺，通常為車載平臺或機載平臺。在導彈未進行跟蹤打擊之前應由載彈平臺電源供電處于伺機擊發準備，一旦目標確定則導彈進入發后鎖狀態進入飛行模式并在末端由導引頭準確制導命中目標。因此，電源接口處理電路就成為較為重要的問題。

在核電磁脈沖的威脅下電源接口電路應采取電磁脈沖防護電源濾波器設計，這種濾波器主要特征是對電磁干擾EMI有一定的抑制效果，同時其前端和后端增加了瞬態高壓抑制器件，具有一定的快速響應時間，其原理如圖5所示。

圖5 電磁脈沖防護濾波器構造

在第一級浪涌脈沖處理中，根據核電磁脈沖的上升時間及脈沖持續時間，應選用ns級TVS器件，可提高快速響應時間來抑制電磁脈沖。在第二級濾波電路重點是對系統的電磁干擾噪聲進行濾波，其濾波上限的截止頻率通常設計為30 MHz。第三級脈沖后處理設計主要控制后續殘余電磁脈沖，采用壓敏電阻類器件即可滿足要求。

根據實際工作情況不同種類的制導導彈都有不同地控制與通訊模式，在有必要的情況下對傳輸鏈路可采取信號濾波來處理，其信號濾波的構思設計同電源濾波一致。

2.2 彈體電氣結構設計

核電磁脈沖最主要的損毀途徑是空間耦合，如果能夠將耦合的強電磁脈沖能量以最快速狀態釋放到地線系統中，則可以有效抑制對電子元器件的擊穿、損毀等。耦合方式可以通過殼體孔縫耦合以及互連電纜耦合進入電子系統中造成損毀，故合適的彈體及布線位置增加接地處理設計能夠有效地提高核電磁脈沖抑制能力。

2.2.1 彈體多點接地處理

對于低頻控制系統(100 kHz以下)通常采用單點接地，但對于脈沖上升時間和持續時間在ns級脈沖信號而言，單點接地已經不能滿足要求。在導彈脫離發射裝置進行空中飛行時不可能保持一定的接地線與載彈平臺可靠連接，真正的接地連接只能通過導彈掛點來實施。

導彈在發射架上發射前鎖位點采用至少兩點位置進行固定，才能可靠實現導彈的安裝與飛行平衡，鎖位點既是安裝點同時也是導彈殼體接地點，應采用合理的接地技術進行處理，對接觸點彈性(彈片)連接、材料以及表面導電處理應按電搭接要求處理，滿足搭接電阻在mΩ級，如圖6所示。

圖6 導彈接地點位置簡圖

2.2.2 彈體屏蔽設計

為了保證殼體屏蔽體導電連續性，彈體各部件結構設計及組裝應遵循以下設計原則：

1)防止殼體縫隙過大以及安裝的緊密性要求，導彈各級系統相互之間級聯采用螺紋方式進行固定安裝；對無法采用螺紋連接方式的情況應采用定位銷/定位孔等設計、同時保證定位銷/定位孔的數量滿足λ/16波長設計(可依據1GHz頻率計算波長)。

2)各獨立子系統應獨立采取屏蔽殼體設計，除需要連接的互連電纜之外均應將獨立子系統全屏蔽設計。

3)毫米波雷達導引頭部件應加裝天線罩，將天線罩緊密扣在雷達天線外并做好屏蔽設計；其他形式導引頭應做好窗口透光的屏蔽罩設計。

4)彈體引出指令及彈上電纜應采用屏蔽電纜設計，連接器尾附件做到360°屏蔽包接，在需要的條件下可選擇具有濾波功能的電連接器進行干擾屏蔽。

2.3 其他設計技術

核電磁脈沖到來時，彈體表面類似于長導體耦合模型，殼體金屬表面會耦合感應到電磁脈沖能量。耦合感應的電磁能量根據彈體離地高度、彈體直徑、電磁脈沖的入射角、方位角及極化角而變化，在有條件的情況下可采取隱身彈倉設計，即不將導彈暴露在視線范圍內，而是通過隱蔽彈倉將導彈包裹起來，一旦核電磁脈沖過后或在適時的條件下打開彈倉對目標進行精確打擊。

3 系統工程化控制

3.1 控制方案

制導導彈系統應充分考慮彈載電子設備的功能、數量以及布局形式，開展電磁兼容性數值仿真與數據統計，評估全彈系統電磁兼容性環境，開展自頂向下的預設計[4]，如圖7所示。

圖7 系統控制流程圖

制導導彈系統抗核電磁脈沖試驗主要的抑制措施應歸結為濾波技術、屏蔽技術和接地技術。可針對各分系統設備進行接口電路的濾波仿真與殼體孔縫的屏蔽仿真設計；對彈體外的發射接收天線應做到天線耦合度仿真與抗浪涌抑制仿真設計，進而完成試驗驗證。

3.2 控制要求

控制電磁干擾的相關方法對核電磁脈沖的控制是完全有效的。導彈分系統包括導引頭、引信、彈上計算機、制導系統、彈上電源、定位定向系統以及通信控制分系統等。對彈上電源主要考慮電源線的傳導輻射與抗尖峰信號浪涌設計，可進行CE102和CS106試驗；對導引頭主要考慮電場輻射發射與電場輻射敏感度，可進行RE102和RS103試驗；其他分系統根據彈上布局可考慮CE102、CS106、RE102、及RS103等項目試驗，保證分系統的電磁發射、抗電場輻射滿足要求，間接到達考核濾波設計、接地設計以及空間結構布局設計。

4 結束語

某型戰術制導導彈的抗核電磁脈沖試驗在半電波暗室進行，依據GJB151B-2013的試驗方法分別對導彈不同擺放位置、朝向以及安裝形式進行了多次試驗，試驗結果滿足規定的相關要求。通過對全彈工程化設計，采取和改進了相應的電磁兼容性加固技術來控制電磁干擾、提高了導彈系統的抗核電磁脈沖能力，在工程化中更易將相應的措施進行固化，優化了設計技術。