艦船短波天線對火工品安全影響

張 旭，呂曉峰，姚洪志，王偉亞

（1.海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001；2.中國兵器工業(yè)第213研究所，西安710061）

大型艦船通常攜載有大量的反艦和防空導(dǎo)彈裝備，由艦載雷達(dá)、通信及各種微波源構(gòu)成的艦船復(fù)雜電磁環(huán)境，對彈上電火工品安全造成潛在的威脅和風(fēng)險(xiǎn)。由于艦船電磁場的復(fù)雜性和遂行任務(wù)的多樣性，艦船電磁場對電火工品安全性影響缺少針對性的研究，研究成果也相對較少，使電火工品使用存在一定的盲目性和安全隱患。

本文以艦船短波天線為單一輻射源，以簡化的艦船模型研究為基礎(chǔ)，采用FEKO、ANSYS HFSS電磁仿真軟件，從單一因素入手，建立艦船電磁環(huán)境，著重分析艦船電磁環(huán)境對電火工品作用過程，確定典型風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)和參數(shù)，給出仿真分析結(jié)果。對多因素、多任務(wù)條件下復(fù)雜艦船電磁環(huán)境對電火工品安全性影響研究有一定的借鑒作用。

1 艦船短波電磁環(huán)境

短波通信是歷史最為久遠(yuǎn)的無線電通信，也是艦船通信網(wǎng)的重要組成部分。短波通信具有設(shè)備簡單、機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、發(fā)射功率小而作用距離遠(yuǎn)等突出特點(diǎn)，長期以來，一直是艦船重要的通信手段。

常用的艦船天線有單根或多根導(dǎo)線組成的斜天線、鞭狀天線、寬頻帶天線和定向天線等。海上短波無線電通信使用頻率范圍為1.65～25.6 MHz[1]。為了保證在短波范圍內(nèi)利用空間波進(jìn)行可靠通信，艦船用短波天線通常工作在寬頻帶。考慮在艦船上使用短波天線的經(jīng)驗(yàn)和安裝可能性，選擇天線長度為10～12 m[2]。寬頻帶天線工作頻率范圍：在無匹配裝置時(shí)為 4.06～25.6 MHz，有匹配裝置時(shí)為1.65～25.6 MHz。另外，寬頻帶天線通常采用自立式結(jié)構(gòu)，以保證天線參數(shù)與艦船類型及其尺寸無關(guān)。

設(shè)艦船配置有10副短波單鞭天線。其中，右前側(cè)3副，艦島3副，左后側(cè)4副，選取10 m單鞭天線進(jìn)行仿真計(jì)算。在FEKO的POSTFEKO環(huán)境中建立簡化艦船模型[3]，天線在艦船上布置如圖1所示。

為確定單鞭天線方向圖特性，在FEKO POSTFEKO環(huán)境中建立一只單鞭天線模型，單鞭天線仿真模型如圖2所示。采用Wire port導(dǎo)線端口電壓源作為天線激勵(lì)源[4]。模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)置Tab.1 Model parameter setting

改變單邊天線激勵(lì)源工作頻率以觀察其方向圖變化。選擇4個(gè)典型頻率點(diǎn)，分別是1.65 MHz、7.5 MHz、16.5 MHz、20.5 MHz，不同頻率點(diǎn)天線工作方向圖如圖3所示。

由圖3可以看出，在設(shè)定連接面為無限大理想導(dǎo)電平面的前提下，隨著工作頻率的增加，單鞭天線的方向圖變化很大，會(huì)出現(xiàn)多瓣效應(yīng)，主瓣峰值產(chǎn)生偏移，因而在艦面產(chǎn)生的輻射場強(qiáng)也將隨之發(fā)生變化。當(dāng)頻率為7.5 MHz，天線水平方向輻射強(qiáng)度最強(qiáng)。

為了分析短波單鞭天線在艦面產(chǎn)生的輻射場的典型分布特性，本文選取天線發(fā)射功率為10 kW（每根天線平均1 kW），并選擇天線水平方向輻射強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)的頻率值7.5 MHz為工作頻率。

由于艦船具有電大尺寸和特電大尺寸三維目標(biāo)特性，本文采用多層快速多極子技術(shù)（MLFMM）進(jìn)行天線電磁環(huán)境仿真。

MLFMM技術(shù)是電磁場仿真軟件FEKO的核心算法[5]，也是水面艦艇短波電磁環(huán)境仿真預(yù)測的理論基礎(chǔ)。

快速多極子方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是矢量加法定理，其原理是將目標(biāo)表面離散得到子目標(biāo)分組，根據(jù)任意兩個(gè)子目標(biāo)間互耦關(guān)系的不同，自身組和相鄰組采用直接矩量法計(jì)算，非相鄰組采用聚合-轉(zhuǎn)移-配置方法計(jì)算。

多層快速多極子方法（MLFMM）則是快速多極子方法在多層級結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用。采用多層分區(qū)計(jì)算，逐層聚合、逐層轉(zhuǎn)移，逐層配置、嵌套遞推。對于三維結(jié)構(gòu)，用一個(gè)立方體包圍目標(biāo)，第一層得到8個(gè)子立方體。隨著層數(shù)增加，每個(gè)子立方體再細(xì)分為8個(gè)更小的子立方體，直到最細(xì)層滿足要求為止。

多層快速多極子技術(shù)（MLFMM）基于分層的數(shù)組算法，能比矩量法（MOM）更快地解決復(fù)雜的高頻問題，具有計(jì)算內(nèi)存少、精度高、收斂較快等特點(diǎn)[6]，因此，本文船體采用MLFMM法求解混合積分方程（CFIE）進(jìn)行計(jì)算。

取網(wǎng)格邊長為λ/25，線單元長λ/35。通過計(jì)算仿真，得到10根單鞭天線工作在7.5 MHz頻率時(shí)在艦面產(chǎn)生輻射場分布特性。3D電磁場分布結(jié)構(gòu)如圖4所示，甲板水平方向分布如圖5所示。

為了解10副短波單鞭天線在艦面區(qū)域場強(qiáng)分布情況，對單鞭天線7.5 MHz頻率信號(hào)進(jìn)行了近場分析。由于右舷前甲板電磁場分布密集且強(qiáng)度較大，本文僅列出了該部位水平面典型位置場強(qiáng)分布值。短波單鞭天線工作時(shí)艦面近場電場分布如圖6所示。

由以上仿真結(jié)果可以看出，艦上10副單鞭天線全部工作時(shí)，右前側(cè)鞭天線附近區(qū)域場強(qiáng)值較高，0.5 m處場強(qiáng)值最大可達(dá)到16.625 kV/m，但隨著半徑范圍增加，場強(qiáng)也隨之急劇下降，2 m處場強(qiáng)降至218.33 V/m。從場強(qiáng)值總體分布來看，半徑3 m以外，場強(qiáng)會(huì)降至300 V/m以下。

GJB 786-89《預(yù)防電磁場對軍械危害的一般要求》中規(guī)定的軍械系統(tǒng)允許工作的電磁環(huán)境要求見表2[7]。

表2 軍械系統(tǒng)允許工作的電磁環(huán)境Tab.2 Electromagnetic environment permitting the ordnance system to work

對比分析可知，距艦面單鞭天線核心點(diǎn)半徑3 m以內(nèi)的甲板區(qū)域內(nèi)，電場強(qiáng)度會(huì)高于國軍標(biāo)規(guī)定的界限值，對處于該區(qū)域火工品構(gòu)成安全威脅。而半徑3 m以外區(qū)域，除個(gè)別點(diǎn)外，大部分場強(qiáng)值在200 V/m以下，場強(qiáng)值符合安全要求。故當(dāng)單鞭天線工作時(shí)，武器裝備與天線之間安全距離應(yīng)大于3 m。在開展短波天線對火工品安全影響分析時(shí)，則應(yīng)以7.5 MHz、場強(qiáng)值不小于1 kV/m作為火工品電磁信號(hào)照射源，重點(diǎn)研究其對電火工品作用機(jī)理，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。

2 電磁環(huán)境對電火工品作用機(jī)理

電火工品主要由管殼、加強(qiáng)帽、電極塞、橋絲、起爆藥和猛炸藥等組成[8]。電磁波對電火工品的影響主要以電流的形式通過腳線作用于橋絲換能元件，使橋絲換能元件產(chǎn)生感應(yīng)電流導(dǎo)致熱積累[9]。

從電磁環(huán)境對火工品的作用過程來看，當(dāng)不同狀態(tài)的火工品處于電磁場中時(shí)，火工品的引線起到天線（通常為窄帶天線）的作用，可從電磁環(huán)境中拾取一定的電磁能量。引線拾取的能量通過火工品電極塞饋入到火工品換能元，換能元獲得的電能通過能量轉(zhuǎn)換成火工藥劑的化學(xué)能，當(dāng)此化學(xué)能足夠大時(shí)就會(huì)導(dǎo)致火工品作用[10]。電磁環(huán)境中火工品響應(yīng)過程見圖7。

火工品引線端在電磁場中起到接收天線的作用，并從環(huán)境電磁場中拾取電磁輻射能量?；鸸て方邮针姶泡椛淠芰康拇笮。c電磁輻射場場強(qiáng)和火工品線路所形成的天線結(jié)構(gòu)、天線的取向以及火工品與天線發(fā)射機(jī)之間的距離等幾個(gè)因素有關(guān)。

根據(jù)天線理論中的弗里斯傳輸方程[11]：

式（1）中：Pr為接收天線接收到的電磁輻射功率/W；Pt為發(fā)射天線的輸出功率/W；Aer為接收天線的有效孔徑/m2；Aet為接收天線的有效孔徑/m2；d為發(fā)射天線與接收天線間的距離/m；λ為發(fā)射天線輻射電磁波的波長/m。

式中，為接收天線處的平均功率密度/（W/m2）。

從式（2）可知，將火工品等效成一定結(jié)構(gòu)的天線，就可得到電熱火工品拾取的電磁輻射功率。為簡化分析過程，將電火工品等效成圖8所示結(jié)構(gòu)[12]。

等效天線有效孔徑表達(dá)式為：

當(dāng)L/λ＜1/2時(shí)，

當(dāng)L/λ≥1/2時(shí)，

式（3）、（4）中：A為環(huán)路面積/m2；RT為火工品電磁輻射阻抗的電阻分量/Ω；λ為電磁波波長/m。

火工品最大接收頻率（諧振頻率）與腳線長度L有關(guān)[13]，并按式（5）計(jì)算：

發(fā)射機(jī)天線在火工品接收天線處所成電磁輻射場的功率密度為[14]：

式（6）中：Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率/W；Gt為發(fā)射天線的增益；d為電火工品與發(fā)射機(jī)天線之間距離/m；為電火工品所在位置的功率密度/（W/m2）。

電火工品腳線兩種典型放置方式簡化結(jié)構(gòu)如圖9所示[15]。圖9中，L是腳線長度，d是腳線直徑，a是腳線間距，b是換能元距殼體表面距離，E是電場方向，θ是電場方向夾角。

在仿真分析模型建立中，火工品腳線結(jié)構(gòu)按實(shí)際幾何模型進(jìn)行建模，由于換能元尺度很小，其具體幾何模型暫不考慮，在仿真計(jì)算中考慮其阻抗效應(yīng)，將其簡化為有一定電阻的元件。

3 電火工品電磁模型及仿真分析

本文選擇某通用型電火工品為建模對象，在充分了解火工品組成、結(jié)構(gòu)、材料等特征的基礎(chǔ)上，首先建立物理模型，并依據(jù)電磁特性參數(shù)（相對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等）構(gòu)建火工品電磁模型。對電火工品組件在頻率范圍0.1 MHz～40 GHz內(nèi)電磁響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，獲得了頻率與橋絲電響應(yīng)曲線。

3.1 火工品電磁模型建立

某通用型電火工品由本體組件、點(diǎn)火藥柱、發(fā)火頭組件、電連接器組件、電發(fā)火頭、焊橋電極塞、濾波器、殼體、保護(hù)帽、導(dǎo)線等部分組成，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

火工品部件物理建模示意如圖10所示?；诓牧献杩狗治鰞x以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對涉及的材料進(jìn)行電磁特性的測量。測量研究的布置見圖11。依據(jù)電火工品結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料電磁參數(shù)，基于ANSYS HFSS電磁場仿真軟件建立相關(guān)材料的數(shù)據(jù)庫，同時(shí)獲得電火工品的仿真模型[16]。

3.2 電磁響應(yīng)仿真分析

基于ANSYS HFSS仿真軟件建立的仿真模型，同時(shí)建立仿真的邊界范圍[17]。由于本文采用外部激勵(lì)場建立最終橋絲電流響應(yīng)的方式。因此在仿真邊界條件設(shè)置的過程中采用的是輻射邊界條件[18]。外部激勵(lì)設(shè)置如圖12所示。

外部激勵(lì)設(shè)置為在邊界上垂直極化的電場，計(jì)算頻率范圍從0.1 MHz～40 GHz，通過仿真觀測每個(gè)頻率點(diǎn)下電火工品橋絲上感應(yīng)電流情況。

通過仿真獲得了電火工品在頻率范圍0.1 MHz～40 GHz內(nèi)其內(nèi)部橋絲感應(yīng)電流情況如圖13所示。

4 結(jié)論

綜合上述分析可知，外部激勵(lì)場為1 V/m時(shí)，橋絲上感應(yīng)最大電流達(dá)到7.5 mA，大部分頻率點(diǎn)感應(yīng)電流都在2.5 mA以下。感應(yīng)電流較大頻率范圍主要在4.5～7.5 GHz以及30～40 GHz頻率范圍內(nèi)。

短波天線頻段為1.65～.25.6 MHz，單位激勵(lì)場感應(yīng)電流不大于2.5 mA，但在天線附近3 m半徑范圍內(nèi)，局部仍會(huì)有1 kV/m以上電場分布，并在電火工品上產(chǎn)生大于2 A以上的感應(yīng)電流，對電火工品安全構(gòu)成影響。

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