精確制導(dǎo)武器的電磁脈沖仿真試驗(yàn)方法研究

張江南，吳 皓，譙 梁，王 鑫，陳 飛

(1. 中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007；2. 中國人民解放軍96901部隊(duì)，北京 100094；3. 中國航天科工集團(tuán)有限公司科研部，北京 100089)

0 引 言

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，精確制導(dǎo)武器所面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境也日趨復(fù)雜[1]。其中電磁噪聲、非對(duì)抗性干擾、對(duì)抗性干擾等電磁環(huán)境只能對(duì)精確制導(dǎo)武器造成“軟殺傷”，而電磁脈沖將對(duì)精確制導(dǎo)武器的電子信息系統(tǒng)造成“硬殺傷”[2-3]，從而影響精確制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)效能。電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器的電磁防護(hù)也提出了更高的挑戰(zhàn)，其對(duì)精確制導(dǎo)武器的毀傷效應(yīng)、毀傷機(jī)制及毀傷評(píng)估[4]等問題也亟待研究。

國內(nèi)外在電磁脈沖對(duì)電子系統(tǒng)仿真研究方面開展了電磁脈沖輻射環(huán)境仿真[5]、彈上電纜抗干擾仿真[6]、平面波輻照雙絞線耦合[7]等研究，為本文仿真方法提供了參考。在電磁脈沖效應(yīng)研究方面開展了通信系統(tǒng)中電磁脈沖效應(yīng)[8]、無人機(jī)GPS超寬譜電磁脈沖效應(yīng)[9]、衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)強(qiáng)電磁脈沖效應(yīng)[10]、典型電子設(shè)備強(qiáng)電磁安全效應(yīng)[11]、高空核爆電磁脈沖對(duì)輸電線纜的耦合效應(yīng)[12]以及強(qiáng)電磁脈沖環(huán)境下傳輸線感應(yīng)特性分析[13]等相關(guān)研究工作。在電磁脈沖效應(yīng)試驗(yàn)中，最常用的手段為輻照式試驗(yàn)，對(duì)研究目標(biāo)進(jìn)行直接輻照可有效模擬研究目標(biāo)在遭遇電磁脈沖環(huán)境下的效應(yīng)響應(yīng)，有利于考核研究目標(biāo)的電磁脈沖環(huán)境適應(yīng)性。輻照式試驗(yàn)也有一定的缺點(diǎn)，比如輻照系統(tǒng)確定后其試驗(yàn)頻點(diǎn)和目標(biāo)處場強(qiáng)不便調(diào)節(jié)從而難以獲得準(zhǔn)確的電磁脈沖閾值、電磁脈沖輻射系統(tǒng)成本高、具備系統(tǒng)級(jí)輻照試驗(yàn)的試驗(yàn)室較少等。注入式試驗(yàn)也是目前研究電磁脈沖效應(yīng)試驗(yàn)采用相對(duì)較廣泛的一種試驗(yàn)手段，其具備試驗(yàn)成本低、效應(yīng)試驗(yàn)效率高、試驗(yàn)方法靈活等優(yōu)點(diǎn)，注入試驗(yàn)主要包括大電流注入試驗(yàn)、脈沖電流注入試驗(yàn)、直接電流注入試驗(yàn)和長線注入試驗(yàn)等[14]。

電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器的毀傷效應(yīng)理論研究方法尚不成熟、毀傷機(jī)制尚不清晰，其毀傷效應(yīng)試驗(yàn)存在試驗(yàn)成本高、試驗(yàn)方法不明確的問題。本文采用CST仿真、注入式試驗(yàn)和輻照式試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究精確制導(dǎo)武器在電磁脈沖作用下的耦合情況以及注入式與輻照式試驗(yàn)方法，建立系統(tǒng)的電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器毀傷效應(yīng)研究方法。

1 精確制導(dǎo)武器的電磁脈沖目標(biāo)易損性分析

目標(biāo)易損性是指在戰(zhàn)斗狀態(tài)下，目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)并受到攻擊而發(fā)生損傷的難易程度。精確制導(dǎo)武器的電磁脈沖易損性主要指精確制導(dǎo)武器在電磁脈沖輻照作用下，其受到電磁干擾、毀傷的難易程度。精確制導(dǎo)武器的電磁脈沖易損性分析包括精確制導(dǎo)武器目標(biāo)特性分析、電磁脈沖分析、毀傷機(jī)制分析等。

1.1 精確制導(dǎo)武器目標(biāo)特性分析

精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)包括導(dǎo)引系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、戰(zhàn)斗部和推進(jìn)系統(tǒng)4個(gè)部分。精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

圖1 精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的基本組成Fig.1 Basic composition of precision guided weapon system

導(dǎo)引系統(tǒng)通過探測裝置確定精確制導(dǎo)武器相對(duì)于目標(biāo)或發(fā)射點(diǎn)的位置并形成導(dǎo)引指令。探測裝置對(duì)目標(biāo)和精確制導(dǎo)武器的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，由于探測原理、探測裝置不同形成了精確制導(dǎo)武器不同的制導(dǎo)體制，根據(jù)相應(yīng)的探測數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的導(dǎo)引指令?？刂葡到y(tǒng)則根據(jù)導(dǎo)引系統(tǒng)給定的導(dǎo)引指令，準(zhǔn)確而高效地執(zhí)行導(dǎo)引指令，控制精確制導(dǎo)武器飛行姿態(tài)，精確打擊目標(biāo)。戰(zhàn)斗部主要通過爆炸等劇烈化學(xué)反應(yīng)為精確制導(dǎo)武器提供侵徹體、射流、沖擊波、破片等毀傷元，從而殺傷目標(biāo)。推進(jìn)系統(tǒng)則主要為精確制導(dǎo)武器提供飛行動(dòng)力。

1.2 電磁脈沖分析

在電磁脈沖研究過程中，采用雙指數(shù)函數(shù)來描述，雙指數(shù)函數(shù)的時(shí)域、頻域分別為

E(t)=kEp(e-α t-e-β t)

(1)

(2)

式中：EP為峰值場強(qiáng)；k為修正系數(shù)；α、β為描述脈沖前、后沿的參數(shù)。

1.3 毀傷機(jī)制分析

電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器的電子系統(tǒng)毀傷機(jī)制為電磁脈沖源輻射電磁脈沖，經(jīng)空間傳播后到達(dá)精確制導(dǎo)武器目標(biāo)位置。電磁脈沖耦合進(jìn)入精確制導(dǎo)武器的通道有“前門”耦合和“后門”耦合，其中“前門”耦合指天線耦合、電源線耦合、傳輸線耦合、回路耦合等通道，“后門”耦合指精確制導(dǎo)武器彈體上的孔洞和縫隙等通道。電磁脈沖進(jìn)入精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)后造成一系列的毀傷。電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)毀傷機(jī)制如圖2所示。

圖2 電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)毀傷機(jī)制Fig.2 Damage mechanism of electromagnetic pulse to electronic system of precision guided weapons

由于精確制導(dǎo)武器各子系統(tǒng)模塊由大量的電子元器件和大規(guī)模集成電路等組成，不同的電子設(shè)備根據(jù)電磁脈沖易損性差異具有不同的毀傷閾值，根據(jù)電磁脈沖對(duì)系統(tǒng)及器件的毀傷效應(yīng)可分為以下幾種。

1) 瞬間干擾：當(dāng)電磁脈沖耦合進(jìn)入電子系統(tǒng)的功率較低時(shí)，耦合電磁脈沖信號(hào)相當(dāng)于在精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)中增加了一定的噪聲或干擾信號(hào)，從而影響精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的正常工作。

2) 高壓擊穿：當(dāng)電磁脈沖耦合進(jìn)入的功率較高時(shí)，耦合進(jìn)入的電磁能將在電路中轉(zhuǎn)化為高電壓或大電流，引起結(jié)點(diǎn)、部件或回路間發(fā)生擊穿。

3) 易損器件燒毀：當(dāng)電磁脈沖耦合進(jìn)入的功率較高時(shí)，該部分的電磁能超過電子元器件所能承受的電壓或電流，造成電子元器件內(nèi)部燒毀，主要是易損性半導(dǎo)體器件的燒蝕或內(nèi)部連線的熔斷等。

4) 電磁脈沖加溫：由于各電子元器件均在工作溫度要求內(nèi)工作，若電磁脈沖通過加熱使易損器件的溫度超過正常工作的溫度上限時(shí)，將導(dǎo)致易損器件無法正常工作。

2 精確制導(dǎo)武器輻照仿真研究

精確制導(dǎo)武器輻照仿真主要研究精確制導(dǎo)武器在電磁脈沖輻照環(huán)境中其電子系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)內(nèi)部耦合情況，為毀傷效應(yīng)機(jī)制研究提供有效研究手段。其中線纜線束是“前門”耦合的主要通道，提取各線纜線束耦合結(jié)果，可作為注入式試驗(yàn)的輸入條件，為效應(yīng)試驗(yàn)提供試驗(yàn)依據(jù)。

2.1 精確制導(dǎo)武器建模

利用三維建模軟件對(duì)精確制導(dǎo)武器進(jìn)行三維實(shí)體建模，并輸出為_.STEP文件。啟動(dòng)CST設(shè)計(jì)環(huán)境后，將精確制導(dǎo)武器實(shí)體模型_.STEP導(dǎo)入CST電纜工作室。根據(jù)精確制導(dǎo)武器殼體及結(jié)構(gòu)常用材料類型和相應(yīng)性能參數(shù)，在材料庫中選擇所需材料，精確制導(dǎo)武器常用仿真材料參數(shù)見表1。

表1 精確制導(dǎo)武器常用仿真材料參數(shù)Tab.1 Common simulation material parameters for precision guided weapons

幾何結(jié)構(gòu)創(chuàng)建完成后，進(jìn)行精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)線纜線束模型創(chuàng)建。CST相比其他建模軟件，可以對(duì)導(dǎo)線材料的電導(dǎo)率、絕緣層的介電常數(shù)、同軸線屏蔽層的金屬絲材料、線徑、編織股數(shù)等電特性進(jìn)行定義，各傳輸線類型如圖3所示。

圖3 傳輸線類型Fig.3 Types of transmission lines

首先對(duì)精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)中包含的線纜線束進(jìn)行測量，得到精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)中線纜線束參數(shù)。其次考慮到精確制導(dǎo)武器內(nèi)部不具備對(duì)稱性，故不設(shè)置電場、磁場對(duì)稱面。精確制導(dǎo)武器作戰(zhàn)環(huán)境周圍無反射面，故將邊界設(shè)置為Open。網(wǎng)格類型選擇Hexahedral TLM，準(zhǔn)確度為-30 dB，精確制導(dǎo)武器模型網(wǎng)格劃分設(shè)置為近模型處每個(gè)波長20個(gè)網(wǎng)格，遠(yuǎn)模型處每個(gè)波長10個(gè)網(wǎng)格。最后在結(jié)構(gòu)及線纜建模結(jié)束之后切換到設(shè)計(jì)工作室中，提取線纜線束的等效分布參數(shù)模型，其中所有端口均是線纜的兩個(gè)端口，每個(gè)端口均以線纜的Node、名稱等進(jìn)行唯一編號(hào)，便于識(shí)別。

精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)級(jí)平面波輻照方案中采用雙指數(shù)電磁脈沖激勵(lì)源，電磁脈沖輻照仿真中峰值場強(qiáng)為50 kV/m，雙指數(shù)電磁脈沖能量集中在25 MHz以下，故設(shè)置頻率范圍為0～75 MHz。平面波激勵(lì)信號(hào)參數(shù)設(shè)置如表2所示。雙指數(shù)電磁脈沖時(shí)域、頻域波形如圖4～5所示。

表2 平面波激勵(lì)信號(hào)參數(shù)設(shè)置Tab.2 Plane wave excitation signal parameter setting

圖4 雙指數(shù)電磁脈沖時(shí)域波形Fig.4 Time domain waveform of double exponential electromagnetic pulse

圖5 雙指數(shù)電磁脈沖頻域波形Fig.5 Frequency domain waveform of double exponential electromagnetic pulse

2.2 仿真結(jié)果分析

傳輸線作為電磁脈沖電子系統(tǒng)“前門”耦合的主要通道，其中精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)中包含多種傳輸線，如信號(hào)多絞線、天線饋線同軸線、電源單線、信號(hào)排線等。根據(jù)精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的內(nèi)部布線方式、傳輸線類型及參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)仿真，可得到精確制導(dǎo)武器子系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間傳輸線內(nèi)部耦合電壓情況，某精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)的各種傳輸線耦合電壓情況如圖6～9所示。

圖6 多絞線耦合電壓波形Fig.6 Multi-pair coupling voltagewaveform

圖7 天線饋線耦合電壓波形Fig.7 Antenna feeder coupling voltage waveform

圖8 電源線耦合電壓波形Fig.8 Power line coupling voltagewaveform

圖9 信號(hào)排線耦合電壓波形Fig.9 Signal cable coupling voltage waveform

電磁脈沖在傳輸線中的耦合電壓將作用于精確制導(dǎo)武器的子系統(tǒng)并造成毀傷效應(yīng)。通過仿真得到各子系統(tǒng)傳輸線的耦合電壓并作為注入式效應(yīng)試驗(yàn)的輸入條件，為注入式效應(yīng)試驗(yàn)提供依據(jù)。電磁脈沖頻域耦合情況可反映電磁脈沖在不同頻率處耦合效率，電磁脈沖頻域耦合情況如圖10所示。不同材料對(duì)電磁脈沖功率損耗情況有所不同，電磁脈沖功率損耗情況如圖11所示。

圖10 電磁脈沖頻域耦合Fig.10 Electromagnetic pulse frequency domain coupling

圖11 電磁脈沖功率損耗Fig.11 Electromagnetic pulse power loss

由圖10可知，在0～75 MHz范圍內(nèi)，頻率越高耦合場強(qiáng)幅值越高，耦合效率也較高，空間域場強(qiáng)峰值隨頻率增加呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，且在特定頻率點(diǎn)電磁脈沖耦合效率較低。由圖11可知，在雙指數(shù)電磁脈沖輻照情況下，由于電磁脈沖功率集中在0～75 MHz范圍內(nèi)，且在低頻范圍內(nèi)功率相對(duì)較高，精確制導(dǎo)武器材料對(duì)電磁脈沖在低頻范圍內(nèi)功率損耗較高，且常用材料中鋁對(duì)電磁脈沖功率損耗最高，為6×10-16W，聚四氟乙烯電磁脈沖功率損耗最低。頻域耦合情況和材料對(duì)電磁脈沖功率損耗情況可為精確制導(dǎo)武器電磁脈沖防護(hù)提供參考。

3 注入式試驗(yàn)與輻照式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 注入式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

注入式試驗(yàn)采用注入式源作為電磁脈沖源，對(duì)精確制導(dǎo)武器的子系統(tǒng)進(jìn)行注入式試驗(yàn)，得到各子系統(tǒng)的電磁脈沖注入式毀傷閾值及毀傷效應(yīng)。注入式試驗(yàn)原理拓?fù)鋱D如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)原理拓?fù)鋱DFig.12 Test principle topology diagram

注入式效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)由注入式源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)組成。注入式源的脈沖電壓發(fā)生系統(tǒng)主要由高壓發(fā)生器、隔離裝置和注入接口組成，可輸出滿足試驗(yàn)參數(shù)要求的電流脈沖。信號(hào)發(fā)生器主要用于為效應(yīng)物提供必要的工作波形。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由示波器、高壓探頭、電流探頭信號(hào)監(jiān)測器件通過傳輸線連接組成。負(fù)載試驗(yàn)系統(tǒng)由負(fù)載匹配器與可選負(fù)載組成，為待測效應(yīng)物提供測試接入端口。為保持注入電壓波形與CST線纜耦合仿真波形的一致性，注入式試驗(yàn)采用雙指數(shù)電壓波形，注入式試驗(yàn)歸一化電壓波形與線纜仿真耦合歸一化電壓波形如圖13所示。

圖13 注入式試驗(yàn)歸一化電壓波形Fig.13 Normalized voltage waveform of injection test

試驗(yàn)在寬敞通風(fēng)、無強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中進(jìn)行，氣溫25 ℃左右，濕度60%左右。電磁脈沖注入采用步進(jìn)法，即按照預(yù)估損傷閾值的80%將電磁脈沖注入到單元部件注入端口，若精確制導(dǎo)武器部件單元未發(fā)生損傷，則增加注入量再次注入，如此反復(fù)直至精確制導(dǎo)武器部件單元電子元器件發(fā)生損傷。每次注入后進(jìn)行電參數(shù)測量或接入系統(tǒng)以判斷部件單元是否損傷。注入式試驗(yàn)可用于研究注入電壓的幅度、上升沿、脈沖寬度等參數(shù)對(duì)毀傷閾值與毀傷效應(yīng)的影響規(guī)律[15]。

3.2 輻照式試驗(yàn)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)級(jí)輻照試驗(yàn)是研究精確制導(dǎo)武器在電磁脈沖環(huán)境中毀傷效應(yīng)最直觀、最有效的方式。通過系統(tǒng)級(jí)輻照試驗(yàn)，可得到精確制導(dǎo)武器在不同電磁脈沖源作用下的毀傷效應(yīng)現(xiàn)象、毀傷閾值等一系列試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖14 輻照試驗(yàn)原理圖Fig.14 Schematic diagram of irradiation test

電磁脈沖輻照源采用雙指數(shù)電磁脈沖輻照源，雙指數(shù)電磁脈沖輻照源實(shí)測歸一化波形如圖15所示。輻照試驗(yàn)可用于研究電磁脈沖的幅度、極化方向、入射角、上升沿、脈沖寬度等參數(shù)對(duì)精確制導(dǎo)武器毀傷閾值與毀傷效應(yīng)的影響規(guī)律。

3.3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

在保證CST仿真激勵(lì)源信號(hào)波形參數(shù)與輻照式試驗(yàn)電磁脈沖源波形參數(shù)一致的情況下，以傳輸線耦合電壓波形為參考，利用注入式源在電子系統(tǒng)傳輸線相應(yīng)端口注入電壓脈沖，對(duì)比分析注入式試驗(yàn)與輻照式效應(yīng)試驗(yàn)的毀傷效應(yīng)。以電子系統(tǒng)中電源管理芯片為例，仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析見表3。

圖15 電磁脈沖輻照源實(shí)測歸一化波形Fig.15 Measured normalized waveform of electromagnetic pulse irradiation source

表3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.3 Comparison of simulation and test results

CST仿真可直觀描述電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器電子系統(tǒng)的耦合情況，結(jié)合注入式試驗(yàn)可有效研究精確制導(dǎo)武器子系統(tǒng)以及器件級(jí)電磁脈沖毀傷效應(yīng)，將復(fù)雜的電磁脈沖效應(yīng)研究分解為子系統(tǒng)或器件級(jí)效應(yīng)研究，降低研究成本及難度。輻照式試驗(yàn)則從精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)級(jí)層面開展效應(yīng)研究，模擬作戰(zhàn)環(huán)境下精確制導(dǎo)武器的毀傷效應(yīng)現(xiàn)象。在保持CST仿真和輻照式試驗(yàn)的輸入條件相同時(shí)，輻照式試驗(yàn)效應(yīng)與注入式試驗(yàn)效應(yīng)的一致性可驗(yàn)證CST仿真及注入式試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

4 結(jié)束語

由于精確制導(dǎo)武器面臨的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，其中電磁脈沖威脅的“硬殺傷”作用不可忽視，因此針對(duì)電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器的毀傷評(píng)估問題，本文提出了CST仿真、注入式試驗(yàn)與輻照式試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)精確制導(dǎo)武器的電磁脈沖目標(biāo)易損性、輻照仿真、效應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行研究，可有效解決輻照式試驗(yàn)帶來的研究成本高、效費(fèi)比低等問題。精確制導(dǎo)武器的電磁脈沖仿真試驗(yàn)方法研究為電磁脈沖對(duì)精確制導(dǎo)武器的毀傷效應(yīng)、毀傷機(jī)制及毀傷評(píng)估等研究奠定了基礎(chǔ)，為電子信息系統(tǒng)的電磁脈沖毀傷效應(yīng)研究方法提供了參考。