某型電火工品彈藥電磁環(huán)境下使用安全性分析

王 瑾，王漢昌，沈建森，孫靖杰，王曉彤

（海軍航空大學(xué)，山東青島 266041）

0 引言

現(xiàn)代艦船配有大量的雷達(dá)、通信及導(dǎo)航設(shè)備，各種輻射源形成了艦船復(fù)雜的電磁環(huán)境。復(fù)雜電磁環(huán)境是指在一定的時(shí)空和頻段范圍內(nèi)，多種電磁信號(hào)密集、擁擠、交疊，強(qiáng)度動(dòng)態(tài)變化，對(duì)抗特征突出，對(duì)電子信息系統(tǒng)、信息化裝備和信息化作戰(zhàn)產(chǎn)生顯著影響的電磁環(huán)境[1-2]。

以電火工品獲取初始發(fā)火能量的彈藥，在可以預(yù)見(jiàn)的嚴(yán)酷電磁環(huán)境下，其安全性受到很大的威脅[3]。電火工品統(tǒng)稱為電起爆器，凡是通過(guò)電流的輸入使裝藥發(fā)火，并以熱、壓力及沖擊波等形式轉(zhuǎn)化為化學(xué)能或動(dòng)能的元件都被稱為電起爆器，它是傳爆序列、傳火序列及火工裝置、火工系統(tǒng)中的主要起爆點(diǎn)火元件[4]。電火工品在復(fù)雜電磁環(huán)境中要有足夠的抗電磁干擾能力，即要有足夠的電安全性[5-6]。

本文以某型裝配獨(dú)腳腳殼式電火工品的彈藥為研究對(duì)象，通過(guò)以下工作，開(kāi)展對(duì)該型彈藥在艦船復(fù)雜電磁環(huán)境中安全性的研究。首先，分析所裝配的獨(dú)腳腳殼式電火工品受到射頻影響的作用原理和等效電路，采用CST 電磁仿真軟件建立等效模型，并設(shè)置電磁激勵(lì)源參數(shù)，分析典型艦船電磁環(huán)境對(duì)此型火工品的作用過(guò)程，給出仿真分析結(jié)果；然后，考慮該型彈藥外殼的屏蔽作用，利用CST電磁仿真軟件對(duì)彈藥外殼建模，并仿真計(jì)算其對(duì)不同頻率電磁場(chǎng)的屏蔽作用；最后，給出該型彈藥在艦船電磁環(huán)境中使用安全性結(jié)論。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境對(duì)火工品的干擾機(jī)理

電火工品是以電能作為激發(fā)能量的火工品，具有感度靈敏、作用可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在武器裝備、航空及航天器、民用爆破等領(lǐng)域[7]。根據(jù)電能引燃藥劑的方式不同，會(huì)有不同種類的電火工品，其中，橋絲式電火工品具有發(fā)火能量小、作用迅速、易于控制等特點(diǎn)，并可在使用前進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，因此，橋絲式電火工品最為常用。但是橋絲式電火工品在制造、儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，其本身及其相連的有關(guān)線路和部件都有可能成為接收天線，從而把周圍電磁場(chǎng)的射頻能量引入電火工品，造成電火工品失效或者意外起爆，導(dǎo)致安全事故發(fā)生[8]。從構(gòu)造上來(lái)看，橋絲式電火工品分為雙腳線式和獨(dú)腳腳殼式。不論構(gòu)造如何，橋絲式電火工品的發(fā)火原理都是工作電流通入橋絲腳線或者芯級(jí)，在橋絲上按焦耳-楞次定律產(chǎn)生熱能，橋絲升溫，熱量傳給藥劑，直至發(fā)生爆燃反應(yīng)。

本文研究對(duì)象配用的是某型獨(dú)腳腳殼式橋絲電火工品，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 某型電火工品模型示意圖Fig.1 Diagram of a type of electro-explosive device model

獨(dú)腳腳殼式電火工品的芯電極、環(huán)電極和橋絲構(gòu)成了天線。當(dāng)火工品位于電磁場(chǎng)環(huán)境中，射頻能量會(huì)通過(guò)芯電極和環(huán)電極耦合進(jìn)入其內(nèi)部[9]。當(dāng)高于裝藥的發(fā)火能量時(shí)，會(huì)意外觸發(fā)火工品橋絲作為負(fù)載，將耦合的射頻能量轉(zhuǎn)換為熱能。當(dāng)耦合能量積聚，高于安全性要求時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電火工品意外引燃；當(dāng)耦合能量比較小，不足以使電火工品發(fā)火，但電火工品長(zhǎng)期受到低于發(fā)火能量的射頻作用時(shí)，發(fā)火可靠性可能會(huì)降低。

2 電火工品等效天線模型分析

根據(jù)前述分析，受到外界電磁場(chǎng)環(huán)境的影響，獨(dú)腳腳殼式橋絲電火工品的芯電極、環(huán)電極以及橋絲構(gòu)成了天線。其中：芯電極和環(huán)電極為天線的2 個(gè)輻射體，能夠耦合空間電磁場(chǎng)；而橋絲作為天線的負(fù)載，將耦合的電磁場(chǎng)能量轉(zhuǎn)換為熱能，或是點(diǎn)燃電火工品裝藥，或是影響裝藥的性能。其簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 某型電火工品簡(jiǎn)化模型示意圖Fig.2 Diagram of a type of electro-explosive device simplified model

獨(dú)腳腳殼式電火工品可以等效為單極振子天線。可將其單獨(dú)的引線等效為1 個(gè)單極天線；環(huán)電極等效為大地；橋絲等效為天線與大地之間的負(fù)載阻抗[9]。等效天線模型和電路圖，如圖3所示。

圖3 等效模型示意圖Fig.3 Diagram of equivalent model

依據(jù)等效電路定量分析該型電火工品所受電磁環(huán)境射頻耦合危害，就是結(jié)合電火工品等效模型，根據(jù)相關(guān)物理參數(shù)、電參數(shù)和接收特性，在電磁危害最不利情況下，分析計(jì)算耦合的射頻能量。假設(shè)電火工品能最大限度地接收環(huán)境電磁場(chǎng)的射頻能量，且該射頻能量全部進(jìn)入電火工品。Za是天線等效阻抗，ZL是負(fù)載阻抗，如式（1）（2）所示：

式（1）（2）中：Ra為天線等效阻抗的電阻分量；Xa為天線等效阻抗的電抗分量；RL為負(fù)載的電阻分量；XL為負(fù)載的電抗分量。

假設(shè)PL為射頻場(chǎng)進(jìn)入負(fù)載端的功率，則有：

式（3）中：I為負(fù)載端感應(yīng)電流；Va為發(fā)火電路感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；Zt為發(fā)火電路總阻抗。

根據(jù)天線等效電路圖可得：

式（5）中：E為環(huán)境電場(chǎng)強(qiáng)度；G1為等效天線的增益；λ為電磁波波長(zhǎng)。

由式（4）（5）可得：

在遠(yuǎn)場(chǎng)電條件下，有E2=120π?Sp，其中，Sp為遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的電磁波功率密度。則進(jìn)入負(fù)載端的功率可表示為：

當(dāng)天線與負(fù)載阻抗匹配，輻射電阻內(nèi)無(wú)功率損耗，且天線按最佳拾波方向取向時(shí)，負(fù)載能最大限度地接收射頻功率[5]，即滿足前述最不利條件。此時(shí)Ra=RL，Xa=-XL，式（7）表示為：

3 電火工品等效天線仿真模型的建立與結(jié)果分析

CST電磁仿真軟件由CST公司出品，廣泛應(yīng)用于通用中高頻無(wú)源器件仿真，適用于整個(gè)電磁波和光波波段的電磁及電磁兼容仿真，可以進(jìn)行各類天線及天線陣、天線布局、RCS、FSS、平面無(wú)源器件仿真，集成時(shí)域有限積分法、時(shí)域傳輸線矩陣、頻域有限積分、頻域有限元等多種算法[10]。

選取適合的求解器運(yùn)用理想邊界擬合技術(shù)（PBATM）和薄片技術(shù)（TSTTM），與其他傳統(tǒng)仿真器相比，其在精度上有數(shù)量級(jí)的提高[11]。因此，本文選用該軟件進(jìn)行此型號(hào)火工品的電磁仿真研究，對(duì)其使用安全性進(jìn)行分析。

3.1 仿真模型的建立

通過(guò)對(duì)該型獨(dú)腳腳殼式橋絲電火工品進(jìn)行模型簡(jiǎn)化和等效，可視為單極振子天線[12]。通過(guò)實(shí)際調(diào)研，對(duì)某型號(hào)電火工品建立單極子天線模型，如圖4所示。

圖4 單極子天線仿真建模Fig.4 Monopole antenna simulation model

單極子天線為實(shí)心圓柱體，黃銅和鎳鉻合金材質(zhì)，臂長(zhǎng)29.5 mm，直徑0.6 mm，設(shè)置鏡像地用于饋電。微波天線作為1 種能量轉(zhuǎn)換器具有互易性，即接收天線和發(fā)射天線作用過(guò)程是可逆的[13]，同型天線作為接收和發(fā)射天線時(shí)的增益是相同的，只是物理含義不同。

3.2 仿真參數(shù)的選取與設(shè)置

本文所研究的某型電火工品的應(yīng)用環(huán)境為艦船甲板，因此，對(duì)照相關(guān)艦船電磁環(huán)境閾值和國(guó)軍標(biāo)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選用最嚴(yán)苛的條件設(shè)置頻率和參數(shù)。結(jié)合GJB A151B—2013[14]中關(guān)于RS103測(cè)試項(xiàng)目的環(huán)境閾值和GJB 1389A—2005[15]中關(guān)于艦船甲板上工作的外部電磁環(huán)境要求限值，以及該型電火工品的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境要求，設(shè)置等效單極子天線的頻率為1～45 GHz。為了提升仿真效率，將其劃分為5個(gè)頻段，每個(gè)頻段按照一定的頻率步進(jìn)值進(jìn)行掃描仿真。由仿真得出天線增益、特性阻抗，進(jìn)而得到其接收特性，即等效接收天線有效孔徑。由式（6）得到射頻進(jìn)入電火工品的功率。

3.3 仿真結(jié)果分析

對(duì)在1～4 GHz 范圍內(nèi)的單極子天線增益進(jìn)行了仿真，在諧振狀態(tài)下，阻抗匹配時(shí)，單極子天線在2.33 GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向如圖5所示，得到增益為2.515 dB。

圖5 單極子天線三維遠(yuǎn)場(chǎng)圖Fig.5 Three-dimensional farfield diagram of monopole antenna

在此頻率下，單極子天線呈諧振狀態(tài)，可以耦合入最大射頻功率值。根據(jù)GJB A151B—2013 和GJB 1389A—2005 中關(guān)于艦船甲板上最不利電磁環(huán)境表述，選取此時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度為200 V/m，由式（6）可得此頻段最大射頻功率值為0.43 W。結(jié)合該型電火工品裝藥的物理參數(shù)、GJB 7515—2012[16]的安全性要求，可得該型電火工品最大不發(fā)火功率為0.15 W。綜上可知，該型電火工品在此頻段具有一定的不安全性。

對(duì)3.2 節(jié)中劃分的5 個(gè)頻段進(jìn)行仿真，通過(guò)MATLAB 計(jì)算可得頻率和射頻功率的關(guān)系，如圖6 所示?？芍撔碗娀鸸て吩陔妶?chǎng)強(qiáng)度為200 V/m電磁應(yīng)用環(huán)境下，在頻段1.3～4.3 GHz 范圍內(nèi)安全性無(wú)法保證。從全頻域看，當(dāng)頻率大于諧振頻率，射頻功率隨著頻率的增大而減小，這與文獻(xiàn)[17]的結(jié)論相一致。

圖6 射頻功率與頻率關(guān)系圖Fig.6 Diagram of RF power against frequency

此外，為了研究不同頻率對(duì)等效天線的天線增益的作用，對(duì)劃分的5個(gè)頻段分別進(jìn)行仿真，在每個(gè)頻段添加一定步進(jìn)的遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)視器，可得天線增益與頻率的關(guān)系，如圖7所示。

圖7 天線增益與頻率關(guān)系圖Fig.7 Diagram of antenna gain against frequency

由圖7 可知：在1～2.7 GHz 和6.4～12.8 GHz 范圍內(nèi)，天線增益與頻率有著較嚴(yán)格的正相關(guān)關(guān)系；而在研究的全頻率范圍，天線增益與頻率并不遵守嚴(yán)格的正相關(guān)關(guān)系。增益的變化會(huì)引起電磁波在天線上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的變化，也會(huì)影響接收天線有效孔徑的數(shù)值，進(jìn)而影響進(jìn)入電火工品的耦合功率。

4 彈藥外殼屏蔽作用分析

屏蔽是將電磁場(chǎng)激勵(lì)源至器件或設(shè)備的傳輸（播）路徑“切斷”，從而達(dá)到消除或減弱激勵(lì)源對(duì)其他器件或設(shè)備影響的效果。根據(jù)屏蔽對(duì)象的不同，可以將其分為兩類：一類是對(duì)電磁場(chǎng)的產(chǎn)生源作屏蔽，使得屏蔽層外的電磁場(chǎng)強(qiáng)度減弱；另一類是將特定的器件模塊或設(shè)備屏蔽起來(lái)，使得它們受屏蔽層外的電磁場(chǎng)的影響減弱[18]。對(duì)于該型彈藥外殼的屏蔽作用屬于后者。因此，將彈藥模型簡(jiǎn)化，根據(jù)實(shí)際材料設(shè)置外殼的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率，使用CST仿真軟件仿真計(jì)算出彈藥外殼對(duì)電磁場(chǎng)的屏蔽效能，從而得到該型裝配獨(dú)腳腳殼式電火工品的彈藥在艦船電磁環(huán)境下呈現(xiàn)的安全性特點(diǎn)。

4.1 屏蔽作用原理

技術(shù)上描述電磁屏蔽效果好壞的參數(shù)通常采用屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE），它的定義為當(dāng)屏蔽體不存在時(shí)，某點(diǎn)處存在的電場(chǎng)強(qiáng)度E0或者磁場(chǎng)強(qiáng)度H0與存在屏蔽體時(shí)該點(diǎn)處存在的電場(chǎng)強(qiáng)度E1或者磁場(chǎng)強(qiáng)度H1的比值，單位為dB，表達(dá)式為式（9）（10）。

4.2 仿真模型建立與計(jì)算

對(duì)該型彈藥進(jìn)行建模，如圖8所示，并根據(jù)實(shí)際尺寸和材料設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

圖8 某型彈藥殼體模型圖Fig.8 Modeling diagram of a type of ammunition shell

加載平面電磁波，如圖9 所示。在電火工品橋絲位置設(shè)置探針，方向與電磁波入射方向相同，用以測(cè)算彈藥殼體的屏蔽效能。設(shè)置邊界條件和背景參數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖9 加載平面電磁波Fig.9 Loading planar electromagnetic waves

按照上文的分析，該型電火工品在電場(chǎng)強(qiáng)度為200 V/m電磁應(yīng)用環(huán)境下，在頻段1.3～4.3 GHz范圍內(nèi)安全性無(wú)法保證，因此，研究彈藥殼體屏蔽效能時(shí)，選取這個(gè)頻段進(jìn)行仿真計(jì)算，屏蔽效能如圖10所示。在1.3 GHz 時(shí)，電磁波發(fā)生諧振，當(dāng)電磁諧振發(fā)生時(shí)，電磁波可等效為1 種駐波[19]，這種駐波攜帶的電磁能量非常大，可導(dǎo)致屏蔽體的屏蔽效能急劇降低。

圖10 1.3～4.3 GHz頻段內(nèi)彈藥殼體屏蔽效能Fig.10 Shielding effectiveness of ammunition shell in the frequency band of 1.3～4.3 GHz

圖11 1.3 GHz時(shí)彈藥殼體場(chǎng)強(qiáng)分布情況Fig.11 Field strength distribution of ammunition shell at 1.3 GHz

圖12 3.32 GHz時(shí)彈藥殼體場(chǎng)強(qiáng)分布情況Fig.12 Field intensity distribution of ammunition shell at 3.32 GHz

通過(guò)添加的場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)視器可以看到，頻率在1.3 GHz 和3.32 GHz 時(shí)彈藥殼體場(chǎng)強(qiáng)分布情況，如圖11、12 所示。可以看出，在電火工品位置，電磁波在1.3 GHz 輻射彈藥殼體進(jìn)入彈體的場(chǎng)強(qiáng)要比3.32 GHz時(shí)大。

下面，按照電火工品等效仿真方案，對(duì)彈藥殼體分段設(shè)置頻率范圍，并進(jìn)行仿真計(jì)算，觀察在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻率使用范圍內(nèi)有無(wú)電磁諧振情況，并結(jié)合1.3～4.3 GHz范圍內(nèi)的電磁諧振點(diǎn)一并分析該型彈藥的使用安全性。彈藥殼體屏蔽效能如圖13所示。

圖13 各頻段內(nèi)彈藥殼體屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness of ammunition shells in various frequency bands

圖13 a）為頻率在4～8 GHz之間的屏蔽效能，頻率諧振點(diǎn)為4.856 GHz，此頻率下屏蔽效能為2.285 2 dB；圖13 b）為頻率在8～24 GHz 之間的屏蔽效能，頻率諧振點(diǎn)為12.432 GHz，此頻率下屏蔽效能為-5.613 1 dB；圖13 c）頻率在24～40 GHz 之間的屏蔽效能，頻率諧振點(diǎn)為36.496 GHz，此頻率下屏蔽效能為9.499 5 dB；圖13 d）頻率在40～45 GHz 之間的屏蔽效能，頻率諧振點(diǎn)為40.625 GHz，此頻率下屏蔽效能為14.522 5 dB。由此可知，在加上彈藥殼體屏蔽效能的考慮之后，除了要考慮此型彈配用的電火工品的不安全頻段，還應(yīng)考察12.432 GHz的電磁場(chǎng)環(huán)境。

5 某型彈藥在艦船電磁場(chǎng)環(huán)境下安全性分析

通過(guò)對(duì)某型彈藥配用的獨(dú)腳腳殼式橋絲電火工品進(jìn)行等效仿真，以及對(duì)彈藥殼體屏蔽效能的研究，所得結(jié)論為該型彈藥處于200 V/m電場(chǎng)強(qiáng)度的電磁環(huán)境時(shí)，由于彈藥殼體的屏蔽效能，該型彈藥在不同頻率下，其裝配的電火工品所受到的電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)不同，場(chǎng)強(qiáng)與頻率的關(guān)系如圖14所示。

圖14 電場(chǎng)強(qiáng)度與頻率關(guān)系圖Fig.14 Diagram of electric field intensity against frequency

隨著頻率的增大，電火工品受到電磁輻射場(chǎng)強(qiáng)逐漸降低。考慮在此電磁環(huán)境影響下耦合入電火工品的功率，如圖15 所示。在1.3～1.9 GHz 耦合的功率大于安全閾值，而12.432 GHz 時(shí)，由于電磁諧振的原因也導(dǎo)致耦合功率大于安全閾值。

圖15 射頻功率與頻率關(guān)系圖Fig.15 Diagram of RF power against frequency

由此，得出該型彈藥在L波段和Ku波段的應(yīng)用安全性無(wú)法得到保障。

6 結(jié)論

為研究某型彈藥在艦船電磁環(huán)境中應(yīng)用安全性的問(wèn)題，首先，建立了該型彈藥配用的某型獨(dú)腳腳殼式橋絲電火工品的等效單極子天線模型，并使用CST天線仿真軟件對(duì)等效天線模型進(jìn)行輻射遠(yuǎn)場(chǎng)特性分析，得到了不同頻率的天線增益。依照射頻耦合理論，仿真計(jì)算出該型電火工品在特定電磁應(yīng)用環(huán)境下的安全性，定量給出了影響該型電火工品的頻率范圍。然后，研究該型彈藥殼體電磁屏蔽效能，通過(guò)CST 軟件仿真得出其在不同頻域段的屏蔽效能。最后，給出該型彈藥在艦船電磁環(huán)境中使用的安全頻段，這對(duì)今后針對(duì)性地研究該型彈藥的防護(hù)手段和應(yīng)用流程提供了理論基礎(chǔ)。此外，研究得出了頻率與天線增益在特定頻率范圍內(nèi)成正相關(guān)性的結(jié)論。