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      航天器系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法探討

      2011-12-28 01:24:24吳華兵
      河北科技大學(xué)學(xué)報 2011年2期
      關(guān)鍵詞:裕度電磁輻射電平

      吳華兵

      (北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

      航天器系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法探討

      吳華兵

      (北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)

      對系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法進(jìn)行了探討,并結(jié)合航天器的實(shí)際情況,給出了航天器系統(tǒng)的電磁兼容性安全裕度評估方法。

      安全裕度;系統(tǒng)級;EMC;航天器

      隨著現(xiàn)代電子技術(shù)在航天器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,系統(tǒng)的電子設(shè)備數(shù)量劇增,布局也更加密集,在有限空間內(nèi)配置了大量的電子/電氣設(shè)備,系統(tǒng)自身設(shè)備間通過各種耦合途徑產(chǎn)生電磁干擾,同時,系統(tǒng)還會遭受到外部各種有意、無意電磁環(huán)境的干擾。為保證武器在系統(tǒng)內(nèi)、系統(tǒng)間、系統(tǒng)與平臺間、系統(tǒng)與外部環(huán)境間相互電磁兼容,我國2005年頒布了GJB 1389A—2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》[1],提出了14項(xiàng)試驗(yàn)要求,即安全裕度、系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容性、外部射頻電磁環(huán)境、雷電、電磁脈沖、分系統(tǒng)和設(shè)備電磁干擾、靜電電荷控制、電磁輻射危害、全壽命期電磁環(huán)境效應(yīng)控制、電搭接、外部接地、防信息泄漏、發(fā)射控制、頻譜兼容性管理等。這14項(xiàng)要求中,安全裕度是系統(tǒng)電磁兼容性的重要指標(biāo)之一。

      對于航天器而言,其在全壽命周期內(nèi)所遭遇到的內(nèi)部及外部電磁環(huán)境日益復(fù)雜,為提升該系統(tǒng)的可靠性,確保該系統(tǒng)在其全壽命周期內(nèi)能夠正常工作,電磁兼容安全裕度指標(biāo)及評估方法尤為重要。雖然,GJB 1389A-2005標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了軍用裝備系統(tǒng)的電磁兼容性要求,但未給出安全裕度的評估方法,為此,筆者結(jié)合航天器實(shí)際情況,探討一種系統(tǒng)級電磁兼容性安全裕度評估方法。

      1 系統(tǒng)級電磁兼容性安全裕度要求

      電磁兼容性安全裕度是評定一個系統(tǒng)電磁兼容性的重要指標(biāo)之一,該值反映了系統(tǒng)、分系統(tǒng)電磁兼容性的安全程度,系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)的環(huán)境電平比設(shè)備、分系統(tǒng)敏感度門限所低的程度。安全裕度被定義為設(shè)備或分系統(tǒng)的敏感度門限與現(xiàn)場最大干擾值之比,用dB表示為

      式中:M為安全裕度,單位為dB;Po為敏感度門限值,單位為dBμV/m,dBμV,d BμA,表示設(shè)備正常工作時,所能承受的最大干擾值;P為設(shè)備或分系統(tǒng)所受到的最大干擾值,單位為d BμV/m,dBμV,dBμA。

      當(dāng)M<0時,設(shè)備和分系統(tǒng)受到的電磁干擾值大于敏感閾值,則系統(tǒng)與所處的電磁環(huán)境不兼容工作,處于受干擾狀態(tài);當(dāng)M=0時,系統(tǒng)處于臨界工作狀態(tài);當(dāng)M>0時,系統(tǒng)處于兼容工作狀態(tài)。

      GJB 1389A—2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》等效采用了MIL-STD-464A《Electromagnetic Environmental Effects,Requirements for Systems》的武器裝備系統(tǒng)電磁兼容安全裕度要求[2]:對于安全性或完成任務(wù)有關(guān)鍵影響的系統(tǒng),要求應(yīng)具有至少6 dB的安全裕度;對于需要確保系統(tǒng)安全的電起爆裝置,最大不發(fā)火激勵(MNFS)應(yīng)具有至少16.5 dB的安全裕度;對于其他電起爆裝置的最大不發(fā)火激勵應(yīng)具有6 d B的安全裕度,并明確要求進(jìn)行驗(yàn)證。

      2 航天器系統(tǒng)電磁環(huán)境分析

      為能正確確定航天器系統(tǒng)的電磁環(huán)境,對該系統(tǒng)遭遇的電磁環(huán)境情況做以下劃分。

      根據(jù)干擾源來源,將系統(tǒng)遭遇的電磁環(huán)境包括電磁傳導(dǎo)發(fā)射和電磁輻射發(fā)射兩方面。

      1)電磁輻射發(fā)射:由2部分組成,一部分為系統(tǒng)自身產(chǎn)生的電磁輻射干擾信號,另一部分為系統(tǒng)外產(chǎn)生的各種電磁環(huán)境(包含空間輻射能量耦合到線纜中的干擾);

      2)電磁傳導(dǎo)發(fā)射:系統(tǒng)工作時,線纜中產(chǎn)生的各種尖峰干擾信號(不包空間輻射能量耦合到線纜中的干擾)。

      要進(jìn)行安全裕度測試[3],關(guān)鍵在于確定正確的電磁環(huán)境干擾值,而這恰恰是該項(xiàng)試驗(yàn)的難點(diǎn)。

      3 航天器系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法

      根據(jù)以上對航天器系統(tǒng)電磁環(huán)境分析,將其系統(tǒng)級電磁兼容安全裕度分為電磁輻射安全裕度和電磁傳導(dǎo)安全裕度2種情況。

      3.1 航天器系統(tǒng)電磁輻射安全裕度評估方法

      對于電磁輻射安全裕度主要采用以下2種方法進(jìn)行評估

      1)全威脅電平的照射方法 根據(jù)系統(tǒng)所處的電磁輻射環(huán)境干擾值大小,產(chǎn)生一個合適電平(考慮安全裕度值)的電磁輻射環(huán)境干擾場照射(覆蓋航天器整個范圍),即按照實(shí)際環(huán)境條件下的全威脅電平進(jìn)行照射。對航天器長度小于照射電磁波的波長,則通過照射航天器來獲得適當(dāng)?shù)捻憫?yīng),而對于小于航天器長度的電磁波波長信號,適宜采用點(diǎn)照射。因?yàn)殡y以獲得整個頻率范圍的掃頻,這樣做容易漏掉航天器殼體諧振時的感應(yīng)電流,有可能得出錯誤的試驗(yàn)結(jié)果。

      2)低電平線纜耦合方法 將航天器置于一個均勻的低電平電磁場(其大小、波形根據(jù)實(shí)際環(huán)境確定)中,在所要求的頻率覆蓋范圍內(nèi)加以掃頻。測量各種頻率情況下系統(tǒng)的成束電纜內(nèi)所感應(yīng)的電流值,然后將所測電流放大(外推)到包含安全裕度在內(nèi)的全威脅電平下的電流值,接著將此全威脅電平電流借助于成束電流注入技術(shù)(BCI),對每一個電纜束注入其相應(yīng)的全威脅電流,觀察其敏感現(xiàn)象,以確定該系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的安全裕度。

      要確定航天器電磁輻射安全裕度評估模型,最為重要的是要確定其電磁輻射發(fā)射值。

      對于系統(tǒng)自身所產(chǎn)生的電磁輻射發(fā)射可通過實(shí)際測量得到;對于系統(tǒng)在運(yùn)輸、測試及飛行等過程中面臨的外部電磁輻射環(huán)境,特別是在飛行過程中面臨的電磁環(huán)境,目前國內(nèi)尚未開展系統(tǒng)的測量工作,因此,其外部環(huán)境可參考GJB 151A—1997《軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求》中隊(duì)空間飛行器單機(jī)或分系統(tǒng)的電磁輻射極限值電平(10 k Hz~40 GHz頻率范圍內(nèi)均為20 V/m),并參考GJB 1389A—2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》的空間和運(yùn)載系統(tǒng)的外部輻射環(huán)境值(見表1)加以確定。

      表1 空間和運(yùn)載系統(tǒng)的外部電磁環(huán)境

      可以看出,在100 MHz~10 GHz頻率范圍內(nèi),GJB 1389A—2005給出的航天器系統(tǒng)外部電磁環(huán)境要比GJB 151A—1997中給出的單機(jī)或分系統(tǒng)的電磁輻射極限值電平要高得多。對于這一差異可以理解為:例如,運(yùn)載火箭殼體為金屬材質(zhì),具備一定的屏蔽效能,而所有箭載設(shè)備均布置在該金屬艙段內(nèi)部,雖然外部的電磁環(huán)境較高,但是由于金屬艙段的屏蔽作用,實(shí)際進(jìn)入艙體內(nèi)部的電磁輻射干擾會明顯減小,因此,對于火箭單機(jī)或分系統(tǒng)而言,其電磁輻射極限值電平要比系統(tǒng)外部的電磁環(huán)境值要低。

      顯然,全威脅電平的照射方法要求苛刻,因?yàn)橐粍t不易獲得如此大功率的放大器,二則如此大功率的照射容易干擾其他系統(tǒng)和設(shè)備。對于航天器系統(tǒng)而言,有金屬殼體,具備一定的屏蔽效能,當(dāng)外部電磁環(huán)境進(jìn)入到殼體內(nèi)后,會衰減。當(dāng)不具備大功率放大器設(shè)備情況下,對于航天器系統(tǒng)電磁輻射安全裕度的評估,可參考設(shè)備/分系統(tǒng)的電磁輻射敏感度試驗(yàn)結(jié)果,即比較單機(jī)試驗(yàn)時施加的電磁輻射極限值與該設(shè)備處的實(shí)際電磁環(huán)境值(綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)部、外部電磁輻射值以及殼體屏蔽效能、安全裕度值后的電磁輻射值)的大小關(guān)系,分析得出系統(tǒng)是否滿足安全裕度指標(biāo)要求。

      另外,對于航天器系統(tǒng)電磁輻射安全裕度的評估,還可采用低電平線纜耦合方法進(jìn)行評估,但是對于該方法而言,要求系統(tǒng)感應(yīng)的電流/電壓值與電磁輻射場值大小是成線性關(guān)系的,否則,會給安全裕度評估帶來誤差。

      3.2 電磁傳導(dǎo)安全裕度評估方法

      根據(jù)系統(tǒng)所處的電磁傳導(dǎo)干擾值大小,在系統(tǒng)線纜中注入適當(dāng)?shù)母蓴_信號(考慮系統(tǒng)的安全裕度值),觀察系統(tǒng)是否敏感,以確定系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的安全裕度要求。

      系統(tǒng)的電磁傳導(dǎo)發(fā)射干擾可通過監(jiān)測關(guān)鍵點(diǎn)處傳導(dǎo)發(fā)射得到,對于航天器系統(tǒng)電磁傳導(dǎo)安全裕度的評估可以通過以下2種方法得到:

      1)首先監(jiān)測得到系統(tǒng)關(guān)鍵線纜中的最大傳導(dǎo)發(fā)射干擾值,然后再向系統(tǒng)線纜中注入干擾信號(考慮系統(tǒng)規(guī)定的安全裕度值),觀察系統(tǒng)是否敏感,以確定系統(tǒng)是否滿足規(guī)定的安全裕度要求;

      2)結(jié)合航天器設(shè)備/分系統(tǒng)的電磁傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)情況與系統(tǒng)線纜中的實(shí)際傳導(dǎo)干擾值,對其電磁傳導(dǎo)安全裕度進(jìn)行分析與評估。先得到傳導(dǎo)敏感度量級與實(shí)際干擾值之間的差,然后在比較該差值與系統(tǒng)規(guī)定的安全裕度大小,若該差值比規(guī)定的安全裕度值大時,則系統(tǒng)滿足安全裕度要求,否則,不滿足安全裕度要求。

      4 結(jié) 語

      筆者對系統(tǒng)電磁兼容性安全裕度評估方法進(jìn)行了探討,并結(jié)合航天器的實(shí)際電磁環(huán)境特性等情況,將其電磁兼容安全裕度分為電磁輻射安全裕度和電磁傳導(dǎo)安全裕度2個部分分別進(jìn)行了分析與探討,并給出了航天器系統(tǒng)的電磁兼容性安全裕度評估方法。

      [1] GJB 1389A—2005,系統(tǒng)電磁兼容性要求[S].

      [2] MIL-STD-464A,Electromagnetic Environment Effects Requirements for Systems[S].

      [3] 成偉蘭,湯仕平,陸東升.基于數(shù)據(jù)模型的艦船電磁兼容性安全裕度評估技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011,13(2):94-97.

      O441

      A

      1008-1542(2011)12-0136-03

      2011-06-20;責(zé)任編輯:李 穆

      吳華兵(1980-),男,湖北鄂州人,工程師,主要從事火箭系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)、仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證方面的研究。

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