典型無人機飛行控制系統(tǒng)HEMP效應研究

趙 墨， 吳 偉， 李進璽， 程引會， 馬 良， 郭景海， 劉逸飛

(西北核技術研究所， 西安 710024； 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室， 西安 710024)

電子系統(tǒng)的高空核爆電磁脈沖(high altitude electromagnetic pulse，HEMP)易損性研究一直是電磁脈沖效應研究的難點和重點。在信息化時代，無人機在軍用和民用領域的重要程度日益提高，但作為高度集成的信息化裝備，其內(nèi)部核心電子系統(tǒng)易受到強電磁脈沖的干擾甚至毀傷[1-3]，最終導致無法完成任務。針對無人機面臨的電磁威脅，國內(nèi)學者開展了大量的研究工作，分析了無人機戰(zhàn)場應用中所面臨的電磁干擾因素和威脅特點，通過分析機體外形、機體復合材料與電磁耦合特性的相互關系，總結了具備抗電磁干擾性能的無人機機體設計思路，開展了有關無人機通信系統(tǒng)的強電磁干擾效應研究工作，獲取了通信系統(tǒng)的典型效應現(xiàn)象[4-8]。機體與通信系統(tǒng)等均為無人機的重要組成部分，但飛行控制系統(tǒng)是無人機系統(tǒng)的“心臟”，其工作狀態(tài)是決定無人機能夠完成預定任務的關鍵，國內(nèi)已開展的研究中，針對HEMP環(huán)境下無人機核心電子學系統(tǒng)干擾與毀傷效應的研究未見報道。本文針對無人機飛行控制系統(tǒng)面臨的強電磁威脅，利用半實物仿真模擬，開展了無人機飛行狀態(tài)下，飛行控制系統(tǒng)的HEMP效應研究，獲取了典型效應現(xiàn)象，為下一步開展無人機飛行控制系統(tǒng)HEMP易損性分析奠定了技術基礎。

1 試驗系統(tǒng)

效應試驗中的無人機系統(tǒng)為前置雙槳固定翼無人機，總體布局如圖1所示。飛行控制系統(tǒng)是一種典型的無人機電子學系統(tǒng)，如圖2所示，主要由飛行控制計算機、遙控分系統(tǒng)、遙測分系統(tǒng)、2臺發(fā)動機系統(tǒng)、舵機分系統(tǒng)(方向舵機、升降舵機、副翼舵機，共5個)和電源系統(tǒng)構成。測試與仿真系統(tǒng)包括飛行仿真系統(tǒng)、舵機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和接口響應測量系統(tǒng)，其中飛行仿真系統(tǒng)、舵機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和無人機系統(tǒng)共同構成了整個無人機HEMP試驗系統(tǒng)。

圖1 無人機系統(tǒng)總體布局Fig.1 General layout of UAV system

圖2 電子學系統(tǒng)構成Fig.2 Composition of electronics system

2 試驗結果

利用“春雷號”有界波電磁脈沖模擬器，開展了無人機電子系統(tǒng)輻照試驗。試驗中，固定無人機方位，輻照電場強度為3～8 kV·m-1，共進行了24次試驗，獲得了在飛行狀態(tài)下核電磁脈沖效應現(xiàn)象、規(guī)律及主要節(jié)點的響應數(shù)據(jù)，驗證了新研制的端口電流探頭和光學信號傳輸系統(tǒng)的工作性能。

將無人機放置在“春雷號”有界波模擬器的試驗空間中，機身與地面垂直，測量電子分系統(tǒng)之間線纜連接處的響應電流，試驗現(xiàn)場如圖3所示。

(a) The EMP simulator

(b) The experiment status

圖3無人機試驗現(xiàn)場
Fig.3UAVtestingsite

無人機系統(tǒng)試驗采用半實物模擬飛行狀態(tài)，通過地面站與無人機遙測天線發(fā)送控制指令，并反饋飛行狀態(tài)，利用視景系統(tǒng)觀察無人機飛行的實時情況，無人機地面站控制面板如圖4所示，視景系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖4 地面站控制面板Fig.4 Control panel of ground control station

圖5 視景系統(tǒng)界面Fig.5 Vision system interface

表1為無人機試驗的狀態(tài)，在較低電場強度下，無人機正常完成預設飛行。當電場強度達到4.5 kV·m-1時，地面站與無人機遙測數(shù)據(jù)鏈路傳輸異常，飛機接受持續(xù)錯誤指令后進入盤旋待命狀態(tài)，等待進一步指令，由地面站向無人機再次發(fā)送控制指令后，可恢復對無人機的控制。當電場強度達到5 kV·m-1時，地面站與無人機遙測數(shù)據(jù)鏈路通信中斷，地面站無法向無人機發(fā)送控制指令，將遙測數(shù)據(jù)鏈路全部重啟后，可恢復連接并對無人機進行控制。當電場強度達到6.5 kV·m-1時，地面站與無人機遙測數(shù)據(jù)鏈路中斷，重啟遙測數(shù)據(jù)鏈路后仍無法建立連接，切換到遙控模式下可人為對無人機進行控制，進行增穩(wěn)模式(增穩(wěn)模式為飛控計算機輔助人工對無人機進行控制，以保證飛行的穩(wěn)定性)遙控控制飛行，表明遙測鏈路死機，飛控計算機工作正常。當電場強度達到7.5 kV·m-1時，地面站與無人機遙測數(shù)據(jù)鏈路通信中斷，遙測鏈路重啟仍無法建立連接，切換遙控控制后無法進行增穩(wěn)控制，僅能進行人工控制，遙控鏈路死機，飛控計算機死機。當電場強度達到8 kV·m-1時，無人機失控墜落，飛控計算機死機，仿真計算機死機。

表1 無人機試驗狀態(tài)Tab.1 Testing status of UAV

無人機偏離航線，如圖6所示。無人機偏離預設航線時，無人機與地面站遙測通信鏈路中斷，地面站顯示界面如圖7所示。無人機失控墜落時，視景系統(tǒng)顯示界面如圖8所示。

圖6 無人機偏離航線示意圖Fig.6 A UAV deviation from airway

圖7 地面站與遙測數(shù)據(jù)鏈路中斷示意圖Fig.7 Interruption of remote measuring data link with ground control station

圖8 無人機失控墜落示意圖Fig.8 An out-of-control UAV

由上述試驗結果可知，無人機的核心電子學系統(tǒng)在遭受強電磁脈沖干擾時，會產(chǎn)生遙測數(shù)據(jù)鏈通信故障、遙控數(shù)據(jù)鏈路中斷、飛控計算機死機等效應現(xiàn)象。遙控與遙測數(shù)據(jù)鏈路屬于通信鏈路，其收發(fā)天線在強電磁脈沖作用下會產(chǎn)生很高的脈沖電壓，脈沖電壓通過天線引入到后端信號處理電路，造成電路工作異常。無人機各分系統(tǒng)之間是由數(shù)據(jù)傳輸線纜和供電線纜相互連接，各線纜在強電磁脈沖作用下也會產(chǎn)生很高的脈沖電壓，通過線纜引入到兩端連接的電路，從而干擾電路的正常工作。飛控計算機相當于無人機的“心臟”，所有的核心參數(shù)與控制信號的計算都是由飛控計算機完成，因此，飛控計算機在強電磁脈沖作用下無法正常工作，也就意味著無人機將直接失控、墜毀。

3 結論

研制的無人機典型電子學試驗系統(tǒng)包含無人機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實時仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了無人機地面模擬飛行狀態(tài)的半實物仿真功能。利用“春雷號”有界波電磁脈沖模擬器開展的核電磁脈沖效應研究，獲得了無人機在飛行狀態(tài)下的效應現(xiàn)象與初步規(guī)律，總結分析了無人機典型電子學系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，提出了應重點考慮抗電磁脈沖加固的組部件。

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