飛機結(jié)構(gòu)強電磁脈沖綜合屏蔽效能評定方法

魏宇宏，王 俊，羅旭東，張 帆，王博龍，盧 潤

(中航西安飛機工業(yè)集團股份有限公司，陜西 西安 710089)

1 引 言

飛機在有限空間內(nèi)裝備了大量的電子、電氣設(shè)備，面臨嚴重的強電磁脈沖威脅[1]。飛機結(jié)構(gòu)是保護機載電子設(shè)備安全的第一道屏障，對內(nèi)限制內(nèi)部輻射區(qū)域的電磁波泄漏，對外防止外部的輻射進入自身區(qū)域[2，3]。若飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計成連續(xù)屏蔽體，可以較好地達到屏蔽的目的，但飛機結(jié)構(gòu)表面積較大，功能件分布廣泛，結(jié)構(gòu)形式眾多，無法設(shè)計成完全屏蔽的殼體，需要存在為滿足各種功能而產(chǎn)生的間隙和孔[4,5]，屏蔽體的完整性受到破壞[6]，導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)表面局部電流不連續(xù)，飛機的強電磁脈沖防護不可能完全靠飛機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，只能依靠飛機結(jié)構(gòu)提供必要的防護能力，并綜合提高機載電子設(shè)備的屏蔽防護能力，確保飛機安全。因此，有必要通過定量的方法研究飛機結(jié)構(gòu)的防護原則，確定飛機結(jié)構(gòu)需要防護的部位，降低防護成本，為制定飛機結(jié)構(gòu)防護方案提供準備，為電子設(shè)備進行有效的針對性防護[7]提供場強數(shù)據(jù)，使敏感設(shè)備[8]有針對性地采取防護措施，提高飛機的抗干擾能力。

2 總體思路

強電磁脈沖具有寬頻譜的特點，不同頻率下的電磁能量又會在飛機結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出不同的耦合特點和效應(yīng)規(guī)律。強電磁脈沖對飛機系統(tǒng)的耦合主要通過孔洞或縫隙耦合進入系統(tǒng)，耦合途徑非常復(fù)雜[9]，形成嚴酷的電磁環(huán)境條件。

強電磁脈沖電磁波的波長決定了孔洞或縫隙是否會出現(xiàn)電磁波泄漏。若孔洞或縫隙尺寸明顯大于波長，就會產(chǎn)生較為嚴重的電磁波泄漏。同時，同一結(jié)構(gòu)的孔洞或縫隙之間還存在耦合效應(yīng)。飛機在強電磁脈沖輻射環(huán)境下會面臨來自不同方向、具有不同極化方式的強電磁脈沖打擊，電磁波在機體表面經(jīng)過散射后，對某些孔洞或縫隙處的電場強度產(chǎn)生影響，這會提高對飛機結(jié)構(gòu)屏蔽效能的要求。因此，在強電磁脈沖照射下，有必要形成綜合的飛機結(jié)構(gòu)屏蔽效能評定方法，從而確定飛機結(jié)構(gòu)的防護原則。

首先，對飛機各部分結(jié)構(gòu)按結(jié)構(gòu)形式、電磁耦合途徑進行歸類，篩選出若干典型結(jié)構(gòu)類型，進行強電磁脈沖防護特性分析，然后在整機照射下，獲得整機表面不同部位典型結(jié)構(gòu)場強數(shù)據(jù)，最終評判綜合屏蔽效能，確定防護原則。流程如圖1所示。

圖1 總體思路流程

某型飛機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔洞或縫隙結(jié)構(gòu)密布于飛機結(jié)構(gòu)各處，按不同結(jié)構(gòu)形式篩選出來的典型結(jié)構(gòu)包含艙門、口蓋、玻璃窗口框、縫隙、管道、百葉窗、濾網(wǎng)、孔和電纜通過孔等，共計61種結(jié)構(gòu)。

3 仿真方法

對電磁脈沖的孔縫耦合問題研究由來已久[10]，數(shù)值模擬計算作為一種快速有效、低成本的解決手段，能夠有效地對整機結(jié)構(gòu)、波形、照射方向、極化方式等要素進行表征，通過對飛機結(jié)構(gòu)孔縫耦合問題進行數(shù)值模擬仿真，可快速有效地計算飛機結(jié)構(gòu)內(nèi)場分布，獲得不同條件下的電磁效應(yīng)數(shù)據(jù)。

強電磁脈沖是一種瞬態(tài)電磁脈沖，其頻譜極寬。針對該特點，選取時域有限差分法[11]作為電磁場數(shù)值分析方法。該方法直接對麥克斯韋方程進行空間和時間離散，適合進行大規(guī)模并行計算，一次計算便可獲得所有頻點的電磁場信息。

3.1 波形

仿真過程中采用GJB 151B-2013標(biāo)準中給出的波形，其波形函數(shù)表達式為：

E(t)=kE0(e-αt-eβt)

式中，k=1.3，E0=50kV/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1。

由此可見，強電磁脈沖具有很高的峰值場強，并且輻射范圍廣、上升沿變化快、強度大、頻譜寬[12]，可以計算出各頻段的電磁能量占比，具體數(shù)值如表1所示。

表1 各頻段電磁能量占比

3.2 典型結(jié)構(gòu)仿真

3.2.1 計算類型

對于每種典型結(jié)構(gòu)，分別考慮正對典型結(jié)構(gòu)垂直照射下的2種正交極化，采用平面波來表征強電磁脈沖，在仿真計算中利用電邊界和磁邊界來形成平面波。圖2為通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)仿真中的平面波和邊界條件。

圖2 通風(fēng)窗結(jié)構(gòu)仿真中的平面波和邊界條件

3.2.2 網(wǎng)格劃分

強電磁脈沖的電磁能量主要是通過細縫結(jié)構(gòu)耦合進入飛機內(nèi)部，因此，必須對典型結(jié)構(gòu)中的這些細縫結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格加密，才能保證計算結(jié)果的準確性。網(wǎng)格加密后，在同一個方向上至少要有3個網(wǎng)格來對細縫進行表征。由于有的細縫寬度只有1mm(如口蓋)，甚至有的細縫結(jié)構(gòu)呈彎曲狀態(tài)，這些都將大幅增加典型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)量。圖3和圖4所示為對不同典型結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格加密后的網(wǎng)格剖分圖。

圖3 玻璃窗口框縫隙網(wǎng)格加密示意

圖4 某口蓋縫隙網(wǎng)格加密示意

3.3 整機仿真

3.3.1 計算類型

由于強電磁脈沖在照射方向和極化方式上的不確定性，需要對多種來襲情況進行數(shù)值模擬。設(shè)置了17個典型的照射方向，不同照射方向以空間45°進行間隔，每種照射方向分別以2種正交極化方式進行照射，共計34種照射情況，定量分析不同頻段整機表面不同部位典型結(jié)構(gòu)場強增強數(shù)據(jù)。若數(shù)據(jù)為大于0的正數(shù)值，其對應(yīng)的物理意義為表面電場強度得到增強；若數(shù)據(jù)為小于0的負數(shù)值，其對應(yīng)的物理意義為表面電場強度得到減弱。

采用平面波來表征強電磁脈沖，計算邊界條件為開放邊界條件或者吸收邊界條件，用于模擬飛機的空中飛行狀態(tài)。強電磁脈沖照射到飛機上的散射場不對飛機形成二次照射。

以飛機坐標(biāo)原點為基準，17個照射方向分別為：1.正前方(-1,0,0)；2.正側(cè)方(0,0,1)；3.正后方(1,0,0)；4.正前斜上方(-1,1,0)；5.正上方(0,1,0)；6.正后斜上方(1,1,0)；7.正側(cè)斜上方(0,1,-1)；8.正前斜下方(-1,-1,0)；9.正下方(0,-1,0)；10.正后斜下方(1,-1,0)；11.正側(cè)斜下方(0,-1,-1)；12.側(cè)前方(-1,0,-1)；13.側(cè)前斜上方(-1,1,-1)；14.側(cè)前斜下方(-1,-1,-1)；15.側(cè)后方(1,0,-1)；16.側(cè)后斜上方(1,1,-1)；17.側(cè)前斜下方(1,-1,-1)。

3.3.2 網(wǎng)格劃分

以關(guān)心的最高頻率500MHz為例，其對應(yīng)波長為600mm。即使網(wǎng)格為30mm，也僅為波長的1/20。通常情況下，這個比例可以保證計算結(jié)果的準確性。在整機仿真工作中，一些精細結(jié)構(gòu)部分并不對整機電磁特性分布產(chǎn)生明顯的影響。在網(wǎng)格剖分過程中，同時兼顧計算結(jié)果的準確性和計算效率，將單元網(wǎng)格大小設(shè)定為10mm左右。

4 綜合屏蔽效能評定方法

通過仿真可獲得不同典型結(jié)構(gòu)的屏蔽效能數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)?shù)湫徒Y(jié)構(gòu)作為機體的某一部分時，由于電磁脈沖的變化因素(照射方向、極化方式)及典型結(jié)構(gòu)周圍金屬結(jié)構(gòu)的影響，典型結(jié)構(gòu)外表面的電場強度可能會得到增強，對典型結(jié)構(gòu)的屏蔽效能要求會相應(yīng)提高。因此，要判斷整機在電磁脈沖照射下會有多少電磁能量通過典型結(jié)構(gòu)耦合進入機體內(nèi)，還需仿真計算整機照射下典型結(jié)構(gòu)所處位置的表面電場增強數(shù)值，再結(jié)合典型結(jié)構(gòu)自身的屏蔽效能和強電磁脈沖的電磁能量頻域分布特性，才可綜合判斷典型結(jié)構(gòu)需要滿足的屏蔽效能。因此，提出綜合屏蔽效能的概念。

綜合屏蔽效能定義為：T=L+M-N。T為綜合屏蔽效能，L為典型結(jié)構(gòu)屏蔽效能，M為波形頻譜權(quán)重(按強電磁脈沖波形頻譜，在典型頻率處的頻譜權(quán)重數(shù)值見表2)，N為整機照射下典型結(jié)構(gòu)表面電場增強，全部歸一化為dB。確定防護標(biāo)準要考慮典型結(jié)構(gòu)向機體內(nèi)延伸50mm處的綜合屏蔽效能T(T≥50dB，不防護；T<50dB，需防護)。

表2 在典型頻率處的頻譜權(quán)重數(shù)值

仿真工作選取的頻點為：1MHz，2MHz，5MHz，10MHz，20MHz，50MHz，100MHz，200MHz，500MHz。典型結(jié)構(gòu)屏蔽效能計算時，采用垂直照射下2種正交極化方式獲得不同頻段、典型結(jié)構(gòu)向機體內(nèi)延伸50mm處的屏蔽效能。整機照射下典型結(jié)構(gòu)表面電場增強計算時，采用17個照射方向、2種極化方式(共計34種情況)獲得不同頻段下的典型結(jié)構(gòu)處表面電場增強數(shù)據(jù)。對每個頻段下的所有數(shù)據(jù)進行比較，得到受強電磁脈沖影響最嚴重時對應(yīng)的最大值，獲得2種極化方式下的最大增強。

5 以某口蓋為例說明綜合屏蔽效能評定方法的使用

5.1 某口蓋典型結(jié)構(gòu)仿真數(shù)據(jù)

某口蓋典型結(jié)構(gòu)仿真場強分布如圖5所示。圖中所示的圖例為-100dB～0dB，表示電場強度的分布范圍。相對應(yīng)的，屏蔽效能的分布范圍為0dB～100dB，即電場強度與屏蔽效能呈相反的關(guān)系。

(a)某口蓋結(jié)構(gòu)

(b)10MHz時某口蓋的電場場強分布圖

(c)100MHz時某口蓋的電場場強分布圖圖5 某口蓋典型結(jié)構(gòu)仿真場強分布

某口蓋的屏蔽效能數(shù)據(jù)表見表3?？梢钥闯?，口蓋在低頻和高頻頻段的屏蔽效能表現(xiàn)不一。隨著頻率的升高，屏蔽效能變差，電磁能量更容易耦合穿過典型結(jié)構(gòu)。在不同極化條件下獲得的屏蔽效能結(jié)果差異較大，距離結(jié)構(gòu)50mm處的屏蔽效能最大值不超過70dB。

表3 某口蓋的屏蔽效能數(shù)據(jù)

5.2 某口蓋整機仿真數(shù)據(jù)

17個照射方向、2種正交極化方式、9個頻點下的表面場強增強數(shù)據(jù)共計306個(此處略)。若數(shù)據(jù)為大于0的正數(shù)值，其對應(yīng)的物理意義為表面電場強度得到增強；若數(shù)據(jù)為小于0的負數(shù)值，其對應(yīng)的物理意義為表面電場強度得到減弱。對每個觀察頻點下的所有數(shù)據(jù)進行比較，列出2種極化方式的某口蓋表面電場強度最大增強數(shù)據(jù)(見表4)。

5.3 某口蓋綜合屏蔽效能評定

某口蓋綜合屏蔽效能計算結(jié)果見表5。某口蓋向機身內(nèi)延伸50mm處的綜合屏蔽效能T<50dB，因此，判定需采取防護措施。

6 結(jié) 論

本文按飛機結(jié)構(gòu)強電磁脈沖綜合屏蔽效能評定方法完成了全機61種結(jié)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)仿真、整機環(huán)境下典型結(jié)構(gòu)處場強耦合效應(yīng)分析，并進行了綜合屏蔽效能評定，篩選出飛機結(jié)構(gòu)需要防護的部位。

表4 某口蓋表面電場強度最大增強數(shù)據(jù)

表5 某口蓋的綜合屏蔽效能

針對飛機結(jié)構(gòu)強電磁脈沖的特性，梳理了典型結(jié)構(gòu)類型，總結(jié)了整機仿真和典型結(jié)構(gòu)仿真方法，開展了整機環(huán)境下典型結(jié)構(gòu)處場強耦合效應(yīng)分析，首次提出了以整機仿真和典型結(jié)構(gòu)仿真相結(jié)合、飛機結(jié)構(gòu)強電磁脈沖綜合屏蔽效能評定的方法，定量地衡量飛機結(jié)構(gòu)的防護效能，制定了防護原則，解決了飛機結(jié)構(gòu)強電磁脈沖防護的緊迫問題，降低了防護成本，明確了防護部位，為后續(xù)開展防護設(shè)計、全機防護性能評估奠定了基礎(chǔ)，對其他飛機結(jié)構(gòu)強電磁脈沖防護研究的開展有較強的理論價值和指導(dǎo)意義。