侵徹彈內(nèi)電火工品的射頻安全性分析

梁曉勇，呂春玲，張 俊，，周得才，張景林

(1. 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051；2. 湖北三江航天紅林探控有限公司，湖北 孝感，432000）

侵徹彈內(nèi)電火工品的射頻安全性分析

梁曉勇1，呂春玲1，張 俊1，2，周得才2，張景林1

(1. 中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051；2. 湖北三江航天紅林探控有限公司，湖北 孝感，432000）

為研究射頻對(duì)侵徹彈內(nèi)電火工品的影響，按照電火工品射頻安全性評(píng)價(jià)方法，在RFID手持設(shè)備終端（頻率：927MHz，天線增益：4dB，發(fā)射功率：0～30dBm連續(xù)可調(diào)）輻射電磁環(huán)境中，對(duì)該侵徹火箭彈中的3種電火工品安全性進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明該侵徹火箭彈最小安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度為9V/m。當(dāng)發(fā)射功率在20～30dBm范圍內(nèi)，設(shè)備終端與電火工品的距離不小于0.20m時(shí)，EED1和EED2均表現(xiàn)為射頻輻射安全；當(dāng)發(fā)射功率在20～22dBm范圍內(nèi)，設(shè)備終端與電火工品的距離不小于0.20m時(shí)，EED3表現(xiàn)為射頻輻射安全。

橋絲式電火工品；射頻安全性；侵徹彈；感應(yīng)電流；電場(chǎng)強(qiáng)度

電火工品射頻致瞎是指射頻能量致使電火工品永久性地退化到不能完成其設(shè)計(jì)功能狀態(tài)的過程。關(guān)于電磁輻射對(duì)軍械系統(tǒng)危害問題，Koucherng[1]等人測(cè)試了電雷管的射頻感度，在1GHz以下頻率，其射頻感度接近于直流發(fā)火感度；李錦榮[2]通過分析最壞情況電磁危害條件下的射頻功率，以及電火工品最大不發(fā)火射頻功率的推算，確定了電火工品在實(shí)際使用中的抗射頻能力；陳明華等[3]數(shù)值模擬了射頻電流對(duì)橋絲電雷管安全性與可靠性的影響。

本研究將對(duì)侵徹彈中3個(gè)不同部件內(nèi)的電火工品射頻安全性進(jìn)行分析。在相同頻率927MHz下，利用輸出功率可調(diào)的射頻源，將電磁輻射能量耦合到電火工品中，通過試驗(yàn)確定其最小安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度和射頻安全識(shí)讀距離。研究中首先通過探測(cè)試驗(yàn)確定RFID設(shè)備不同的發(fā)射功率（20～30dBm）在不同距離（0～1m）條件下與射頻場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系。通過改變電場(chǎng)強(qiáng)度來得出相應(yīng)感應(yīng)電流以及電火工品發(fā)火情況，繪制出電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流的線性函數(shù)，通過已知的電火工品安全無隱患電流，在線性函數(shù)中得出安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度。

1 試驗(yàn)原理與方法

1.1 試驗(yàn)原理

電磁輻射能量的傳輸方式有兩種：傳導(dǎo)和輻射。傳導(dǎo)是沿著輻射源和電火工品間的連接電路傳遞到電火工品中，輻射是以電磁波的形式耦合到電火工品上[4]。本試驗(yàn)按照電火工品射頻安全性評(píng)價(jià)方法[5]，采用固定頻率927MHz和功率可調(diào)的射頻源，通過輻射的方式，將電磁輻射能量耦合到電火工品中。測(cè)定出安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度和射頻安全識(shí)讀距離。電火工品在電磁場(chǎng)中放置狀態(tài)和試驗(yàn)裝配如圖1～2所示。

圖1 電火工品在電磁場(chǎng)中放置狀態(tài)Fig.1 State of EED placed in electromagnetic field

圖2 試驗(yàn)裝配圖Fig.2 Test assembly drawing

1.2 電火工品的結(jié)構(gòu)、性能及位置

電火工品EED1位于侵徹彈制導(dǎo)倉內(nèi)，有1層有效金屬屏蔽；EED2位于侵徹彈戰(zhàn)斗部?jī)?nèi)，有3層有效全封閉金屬屏蔽；EED3位于火箭部?jī)?nèi)，有1層有效金屬屏蔽。侵徹彈內(nèi)的3種電火工品位置分布如圖3所示。

圖3 侵徹彈內(nèi)電火工品位置分布圖Fig.3 The distribution map of EED position within the penetration projectile

侵徹彈里面的3種電火工品均為橋絲式電火工品，性能參數(shù)見表1。

表1 電火工品的性能參數(shù)Tab.1 Properties of EED

1.3 不同發(fā)射功率在不同距離下與射頻電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系測(cè)試

將RFID設(shè)備射頻源置于目標(biāo)物的正對(duì)位置，以0.2m的步長(zhǎng)改變輻射源與目標(biāo)物之間的直線距離d，測(cè)試RFID設(shè)備發(fā)射功率與射頻電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系。測(cè)試裝置布置如圖4所示。

圖4 測(cè)試裝置布置圖Fig.4 Arrangement of test equipment

1.4 對(duì)3種電火工品進(jìn)行射頻安全性測(cè)試

使用相同測(cè)試頻率927 MHz，通過改變電場(chǎng)強(qiáng)度來測(cè)試3種電火工品所產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)感應(yīng)電流以及發(fā)火情況，其中EED1初始橋路電阻為8.5Ω，EED2和EED3的腳線展開長(zhǎng)度均為16.2cm。每個(gè)電火工品進(jìn)行2組測(cè)試，最后根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流的線性關(guān)系得出最小安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度。依據(jù)最小安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度得出射頻的安全識(shí)讀距離。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在d=1.0m、0.8 m、0.6 m、0.4 m、0.2 m、0時(shí)，RFID設(shè)備發(fā)射功率與射頻電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系測(cè)試結(jié)果見表2。利用射頻感度測(cè)試裝置對(duì)3種電火工品進(jìn)行測(cè)試，電場(chǎng)強(qiáng)度依據(jù)每個(gè)電火工品的特性分別在45～280 V·m-1之間選擇。其中EED1和EED2使用的電場(chǎng)強(qiáng)度從100～280 V·m-1之間選擇。EED3使用的電場(chǎng)強(qiáng)度從45～105 V·m-1之間選擇，測(cè)試結(jié)果見表3。

2.2 結(jié)果的分析與討論

3種電火工品處于電磁場(chǎng)中時(shí)其引線可以起到接受電磁能量天線的作用。由于結(jié)構(gòu)比較對(duì)稱，其引線中能感應(yīng)出振幅和相位幾乎相同的電流。該電流由兩種電流組成，既兩導(dǎo)線中反方向圍繞電路旋轉(zhuǎn)并通過負(fù)載的平衡模式電流Ibm和同方向流動(dòng)的共模式電流Icm，如圖5所示。Ibm在負(fù)載電阻中產(chǎn)生功率耗散，使電火工品產(chǎn)生熱作用（腳-腳間電流作用機(jī)理）。Icm不會(huì)在負(fù)載中產(chǎn)生熱作用，但它會(huì)在電火工品的腳-殼之間阻抗高而有可能積累很多電荷量形成很高的電壓，在電路的任何部分接地時(shí)泄放電荷，引起電火工品非正常起爆或者電壓擊穿導(dǎo)致失效[7]（腳-殼電壓作用機(jī)理）。

表2 不同距離處發(fā)射功率與射頻電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系測(cè)試結(jié)果Tab.2 Relationship between transmit power and RF field strength at different distance

表3 EED射頻安全性試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 RF safety test results of EED

EED1發(fā)火的主要機(jī)理為腳-腳間電流作用機(jī)理，它的橋絲受大功率電磁能量作用，產(chǎn)生平衡模式電流。當(dāng)電流達(dá)到發(fā)火條件150mA后，產(chǎn)生熱積累而發(fā)火，這是一種低電壓大電流的過程。由表3可見，在此次試驗(yàn)中，當(dāng)達(dá)到最大電場(chǎng)強(qiáng)度280V/m時(shí)，EED1中橋絲的感應(yīng)電流最大為26.56mA，產(chǎn)生的熱積累程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到發(fā)火條件，所以沒有出現(xiàn)發(fā)火情況。EED2和EED3發(fā)火的主要機(jī)理為腳-殼電壓作用機(jī)理，電火工品元器件內(nèi)部由于高電位放電產(chǎn)生介質(zhì)擊穿，導(dǎo)致電火工品局部出現(xiàn)過熱而意外點(diǎn)火或者瞎火，這種情況是一種高電壓小電流的過程。在此次試驗(yàn)中，根據(jù)公式E=1/2C×U2（E為儲(chǔ)存的能量，C為電容，U為電壓）可得，EED2的電容儲(chǔ)能大于EED3的電容儲(chǔ)能，因此試驗(yàn)中給EED2施加的電場(chǎng)強(qiáng)度大于對(duì)EED3所施加的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)EED2和EED3所處的電場(chǎng)強(qiáng)度分別達(dá)到280V/m和105V/m時(shí)，它們產(chǎn)生的能量超過了設(shè)計(jì)的安全標(biāo)準(zhǔn)，所以發(fā)火，見表3。

圖5 平衡模式電流和共模式電流Fig.5 Balance mode current and common mode current

通過表3可以得出在射頻安全性試驗(yàn)中EED1、EED2、EED3的電場(chǎng)強(qiáng)度和感應(yīng)電流線性函數(shù)關(guān)系，如圖6～8所示。由表1可知EED1、EED2、EED3的安全無隱患電流分別為：4.5mA、7.5mA、4.05mA。根據(jù)圖6～8中的線性函數(shù)得出EED1、EED2、EED3的安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度分別為：50V/m、35 V/m、9 V/m。

圖6 EED1感應(yīng)電流與電場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Correspondence relationship between induced current and electric field intensity of EED1

圖7 EED2感應(yīng)電流與電場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.7 Correspondence relationship between induced current and electric field intensity of EED2

圖8 EED3感應(yīng)電流與電場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Correspondence relationship between induced current and electric field intensity of EED3

顯然，在整個(gè)侵徹彈系統(tǒng)中，火箭部?jī)?nèi)部的EED3是最容易發(fā)生射頻點(diǎn)火的電火工品，只要RFID射頻輻射強(qiáng)度不超過其9V/m的安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度，則可以保證整個(gè)侵徹彈系統(tǒng)的射頻安全性。由表2分析可以得出：當(dāng)發(fā)射功率在20～30dBm范圍內(nèi)，設(shè)備終端與電火工品的距離不小于0.20m時(shí)，EED1和EED2均表現(xiàn)為射頻輻射安全；當(dāng)發(fā)射功率在20～22dBm范圍內(nèi)，設(shè)備終端與電火工品的距離不小于0.20m時(shí)，EED3表現(xiàn)為射頻輻射安全。根據(jù)表2可以畫出在射頻安全性試驗(yàn)中的識(shí)讀距離、射頻場(chǎng)強(qiáng)、安全場(chǎng)強(qiáng)之間的關(guān)系模式圖，如圖9所示。

圖9 識(shí)讀距離、射頻場(chǎng)強(qiáng)、安全場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系模式圖Fig.9 Reading distance, RF field strength, security field relational model diagram

從圖9可以得出，當(dāng)整個(gè)侵徹彈處在最小安全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度9V/m中，RFID設(shè)備發(fā)射功率p分別為20dBm、21dBm、22dBm、23dBm、24dBm、25dBm、26dBm、27dBm、28dBm、29dBm、30dBm時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的最小識(shí)讀安全距離d分別為0.17m、0.19m、0.20m、0.24 m、0.26m、0.32m、0.40m 、0.43m、0.45m、0.53m、0.63m。

3 結(jié)論

（1）在20～30dBm之間的不同輸出功率下，其最小射頻安全識(shí)讀距離分別為0.17m、0.19m、0.20m、0.24m、0.26m、0.32m、0.40m 、0.43m、0.45m、0.53 m、0.63m。（2）在整個(gè)侵徹彈系統(tǒng)中，火箭部?jī)?nèi)部的EED3由于腳-殼電壓作用機(jī)理，最容易發(fā)生射頻點(diǎn)火。當(dāng)RFID射頻輻射電場(chǎng)強(qiáng)度不超過9V/m時(shí)，整個(gè)侵徹彈內(nèi)的電火工品系統(tǒng)射頻作用安全。（3）由試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同的電場(chǎng)強(qiáng)度下火箭部?jī)?nèi)部EED3需要加強(qiáng)電磁防護(hù)，這樣才能提高整個(gè)侵徹彈系統(tǒng)的射頻安全性。所以要加強(qiáng)火箭彈內(nèi)部的電磁防護(hù)，從而能提高整個(gè)侵徹彈系統(tǒng)的最小完全無隱患電場(chǎng)強(qiáng)度和射頻安全識(shí)讀距離。

[1]Lee K R, Bennett J E, Pinkston W H, et al. New method for assessing EED susceptibility to electromagnetic radiation[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1991, 33(4):328-333.

[2]李錦榮.電火工品射頻發(fā)火機(jī)制及其射頻感度的應(yīng)用簡(jiǎn)介[J].火工品,1999(1):51-53.

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[6]易建政,檀朝彬,蔡俊峰.火箭彈電點(diǎn)火系統(tǒng)抗電磁危害加固技術(shù)研究[J].裝備環(huán)境工程,2006,3(4):52-54.

Radio Frequency Safety Analysis for EED in Penetrator

LIANG Xiao-yong1，Lü Chun-ling1，ZHANG Jun1,2，ZHOU De-cai2,ZHANG Jing-lin1
(1. School of Chemical Engineering and Environment, North University of China,Taiyuan,030051；2. Hubei Space Sanjiang Honglin Detection and Control Co.Ltd., Xiaogan, 432000）

In order to study the effect of radio frequency on EED in penetrator ,according to EED RF safety evaluation method,in the RFID handheld terminal equipment (frequency,927MHz, antenna gain,4dB, transmit power,0～30dBm continuously adjustable ) electromagnetic radiation environment, security of the three EEDs in penetration rocket were tested.Test results show that the minimum safe hidden electric field strength of rockets is 9 V/m. When the transmit power is in the range of 20～30dBm, and terminal equipment with EED distance is not less than 0.2m , EED1 and EED2 showed RF radiation safety. When the transmit power is in the range of 20～22dBm, and terminal equipment with EED distance is not less than 0.2m , EED3 showed RF radiation safety.

Hot-bridge electric explosive device；RF security；Penetrator；Induced current；Electric field intensity

TJ45+2.3

A

1003-1480（2016）06-0009-04

2016-07-24

梁曉勇（1990 -），男，在讀碩士研究生，主要從事傳爆藥與火工品方向研究。