引信強電磁脈沖效應仿真與評估方法

鄭福泉，婁文忠，楊金剛，馮恒振

(1.北京理工大學機電學院, 北京100081;2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

隨著信息化時代的發(fā)展，各種電子系統(tǒng)應用在軍事中的各個方面，其中炮彈引信電子系統(tǒng)是典型代表。電磁脈沖武器可瞬間損壞現(xiàn)代化武器中的電子系統(tǒng)[1]，具備全天候作戰(zhàn)能力、對瞄準精度要求低、“軟”“硬”殺傷兼具、成本低、適用范圍廣[2-4]，并且這些效應對信息化武器裝備和系統(tǒng)的破壞機理具有普適性，不隨目標種類不同而變化。作為新機理定向能武器，強電磁脈沖武器越來越受到軍事強國的高度關注[5-6]。

為了對我國的炮彈引信及其他電子系統(tǒng)進行電磁防護，研究電磁脈沖對炮彈引信的毀傷效應變得極為緊迫。當前對炮彈引信電磁脈沖輻照效應研究存在的主要問題為：電磁脈沖對炮彈引信的輻照復雜，很難通過單純的仿真對其輻照效應進行解釋；其次試驗條件不足，國內(nèi)具有超寬譜強電磁脈沖試驗條件的單位少，導致效應試驗困難。本文以炮彈引信為研究對象，利用CST微波工作室對炮彈引信強電磁脈沖耦合進行仿真計算，得到關鍵點的場強值。利用強電磁脈沖模擬器進行輻照試驗，得到了電子系統(tǒng)效應閾值。

1 引信殼體與電磁脈沖耦合仿真分析

CST微波工作室廣泛應用雷擊、強電磁脈沖等各類高頻電磁仿真。本文利用其瞬態(tài)求解器，完成仿真計算。

1.1 仿真設置

對真實情況下炮彈引信進行建模，如圖1所示。設置激勵脈沖沿y軸反方向傳播，即從炮彈引信前向后傳播，電場方向沿z軸方向，垂直于彈軸。由于炮彈引信后方連接有戰(zhàn)斗部，需要有孔，為了模擬最差的耦合情況，使該孔直接暴露于外部電磁場中。

圖1 仿真模型 Fig.1 Simulation model

仿真中設置電場探針沿彈軸均勻分布，每5 mm設置一個,如圖2所示。其他仿真參數(shù)設置如表1所示。

圖2 測點示意圖Fig.2 Schematic diagram

表1 仿真參數(shù)表
Tab.1 simulation parameter table

序號仿真設置項目參數(shù)2激勵形式平面波3激勵脈沖雙指數(shù)脈沖4激勵脈沖頻率0.1～3GHz5脈沖場強25kV/m6邊界條件Open(addspace)

1.2 仿真結果及分析

CST微波工作室利用有限積分法(FIT)的方法進行電磁場的解算。計算完成后，可得到主方向(x軸方向)不同探針處電場的時域波形，如圖3所示。電磁脈沖在炮彈引信殼體內(nèi)部脈沖寬度基本不變，幅值被大幅度壓縮。

圖3 各測點電場波形圖Fig.3 Electric field waveform of each measuring point

圖4所示為電場峰峰值隨距離變化的曲線圖。在炮彈引信殼體外部，由于金屬對電磁場具有反射作用，所以引信殼體內(nèi)部電場強度有所下降。在炮彈引信殼體內(nèi)部，到達安全系統(tǒng)位置，電場強度為1 kV/m，相對外部25 kV/m，電場強度衰減為27.9 dB?？傻媒饘贇んw對電磁脈沖具有很好的屏蔽作用。

圖4 各測點場強峰峰值變化曲線Fig.4 Field strength peak-peak variation curve

在中心頻率1.5 GHz、相位90°時，炮彈引信周圍及內(nèi)部電場分布情況，如圖5所示。由圖可見，炮彈引信金屬殼體對周圍電場有較大影響。盡管炮彈引信后部開有孔，但電磁場進入后被迅速衰減，在炮彈引信殼體頭部和炮彈引信體連接處為過盈配合，沒有任何電磁泄露。該殼體滿足防護強電磁脈沖的要求。

圖5 炮彈引信內(nèi)外電場分布Fig.5 Distribution of electric field

2 炮彈引信強電磁脈沖耦合效應試驗設備

試驗系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、電磁脈沖源、發(fā)射天線、測試系統(tǒng)、示波器及小口徑炮彈引信組成。電磁脈沖控制系統(tǒng)和示波器放在屏蔽室內(nèi)，以防止電磁脈沖對其產(chǎn)生損壞，試驗布置如圖6所示。試驗為了模擬真實戰(zhàn)場環(huán)境，耦合試驗在外場進行，控制臺和示波器放置在屏蔽室內(nèi)。試驗前利用測試系統(tǒng)標定各個場點的電場強度。

圖6 試驗布置圖Fig.6 Test layout

2.1 電磁脈沖模擬器

電磁脈沖模擬器包括：控制系統(tǒng)，電磁脈沖源，P-C開關(Peaking-Chopping開關)及TEM喇叭天線等。電磁脈沖模擬器通過電磁脈沖源把“慢”存儲的具有較高密度的能量，進行快速壓縮，經(jīng)P-C開關整形形成電磁脈沖，傳輸至天線，進而輻射到外部空間，實物如圖7所示。

圖7 電磁脈沖模擬器實物圖Fig.7 EMP simulator physical photo

在強電磁脈沖模擬器正前方6 m處檢測到波形如圖8所示。由于外場環(huán)境中會有反射存在，故主脈沖后有許多拖尾。

圖8 實測電磁波形Fig.8 Measured electromagnetic waveform

2.2 某典型炮彈引信電子系統(tǒng)工作原理

某典型炮彈引信為電子時間炮彈引信。電子系統(tǒng)由電源外部供電，電路的芯片中裝訂延時為15 s。供電開始后，芯片計時，電路系統(tǒng)中的電容器充電，達到裝訂的延時時間，輸出端輸出高電平，觸發(fā)電點火頭，試驗中為了研究強電磁脈沖對電路的損傷效應，部分試驗使用指示燈代替電點火頭。

炮彈引信電子系統(tǒng)結構如圖9所示。炮彈引信殼體對電磁脈沖有一定的吸收。試驗時將炮彈引信電路放置在炮彈引信殼體中。在此試驗中電磁脈沖對炮彈引信電路的耦合主要為孔縫耦合與電源線耦合[7]。

圖9 炮彈引信電子系統(tǒng)圖Fig.9 Fuze circuit

3 炮彈引信強電磁脈沖耦合效應試驗

3.1 試驗步驟

1) 放置好各個裝置的相對位置。把強電磁脈沖模擬器放在預設的輻照方向上；測試系統(tǒng)放在一定距離和高度處。

2) 連接各個裝置。通過屏蔽線纜把控制系統(tǒng)與脈沖源連接在一起；接收天線通過信號傳輸線連接至示波器。

3) 連接電源線。

4) 啟動設備。按下控制系統(tǒng)的開關接通電源，點擊脈沖發(fā)射按鈕發(fā)射電磁脈沖。

5) 信號讀取。超寬帶強電磁脈沖信號在脈沖源中形成經(jīng)過發(fā)射天線發(fā)射到外部空間，在遠區(qū)場測量天線采集到信號通過信號傳輸線、傳輸至示波器顯示。

6) 觀察試驗現(xiàn)象、取回炮彈引信，測試炮彈引信電子系統(tǒng)性能，記錄實驗數(shù)據(jù)。

3.2 試驗現(xiàn)象及分析

把帶有電子系統(tǒng)炮彈引信放置在場強大于65 kV/m的位置，接通電源后7 s，電磁脈沖源發(fā)射一個脈沖輻照炮彈引信電路。在第15 s電點火頭不會被引爆，炮彈引信沒有正常工作。在22 s時電點火頭起爆，表明炮彈引信電子系統(tǒng)在強電磁脈沖輻照下被抑制。取回效應物，對其電子系統(tǒng)進行測試，炮彈引信電子系統(tǒng)正常工作。通過分析試驗現(xiàn)象及電路可知：在強電磁脈沖輻照下，炮彈引信電路芯片復位、重啟；在電磁脈沖消失后，延時被重置。

本文進行的試驗及現(xiàn)象如表1所示。由于強電磁脈沖試驗本身費用昂貴，需要大量的效應物，且對于炮彈引信電子系統(tǒng)效應閾值區(qū)間缺乏預估，使得采集的試驗數(shù)據(jù)少而且較為分散。

通過試驗發(fā)現(xiàn)當炮彈引信帶有屏蔽殼體時，屏蔽殼體具有較好的防護效果。在外部電磁場中電場強度小于60 kV/m時，均能保證炮彈引信電路正常工作。對比仿真結果，屏蔽體沒有達到理想的屏蔽效果。其原因在于試驗中采用了外部供電的方式，電磁脈沖會通過電源線耦合一定的能量進入電子系統(tǒng)，影響其工作。

為了在有限強度的電磁場下得到炮彈引信電子系統(tǒng)的效應閾值，試驗采取直接對電子系統(tǒng)進行輻照試驗。試驗數(shù)據(jù)如圖10、表2所示?？偨Y得出，炮彈引信電子系統(tǒng)在電磁場中電場強度大于25 kV/m時，有一定概率會使電子系統(tǒng)中芯片復位重啟。隨著場強增加，芯片復位重啟概率變大。當電場強度在65～80 kV/m時電路中的芯片會產(chǎn)生不可恢復性故障，不能再工作。當電場強度大于80 kV/m時，芯片基本會被損壞。

圖10 炮彈引信試驗圖Fig.10 Test chart for projectile Missile Fuze

表2 試驗測試數(shù)據(jù)
Tab.2 test test data

場強/(kV/m)有殼體無殼體場強/(kV/m)有殼體無殼體10.700350114.800450118.501551217.30152.21116.20148.90115.10053.20220.801571225.901591228016212

注：0代表無效；1代表電子系統(tǒng)重啟；2代表芯片燒毀，不能恢復工作

4 結論

通過仿真分析和試驗驗證可知，炮彈引信的殼體會對強電磁脈沖起到很好的屏蔽作用，仿真結果顯示炮彈引信殼體對電場衰減為27.9 dB，試驗結果顯示電場強度小于45 kV/m時炮彈引信電子系統(tǒng)均能正常工作，滿足防護需求。進一步對炮彈引信的電磁輻射效應試驗研究表明，在電磁脈沖的作用下，當強電磁脈沖電場強度峰值達15 kV/m時，芯片會產(chǎn)生重啟復位，使炮彈引信起爆出現(xiàn)故障；當場強達50 kV/m時芯片有一定概率會被永久損壞。由于器件差異，試驗中測量誤差等不可控因素的存在，炮彈引信電子系統(tǒng)閾值場強并非絕對定值，而是在一定區(qū)間內(nèi)符合概率分布。