某型車輛在高空核爆炸環(huán)境下的電磁脈沖耦合特性

聶坤林 ,趙瑋 ,李鵬 ,魏雍力 ,劉欣 ,李小強 ,張雄,朱之貞,諸雪征,鄭毅

(1.軍事科學(xué)院 防化研究院,北京 102205;2.陸軍防化學(xué)院,北京 102205;3.陸軍裝備部駐昆明軍代表室,云南 昆明 650000)

0 引言

強電磁脈沖是高空核爆炸的主要毀傷效應(yīng)之一,高空核爆炸電磁脈沖(HEMP)的電場峰值可達(dá)10V/m,導(dǎo)致劇烈的磁場和電場變化,造成電子設(shè)備、線路和元器件永久性損傷或產(chǎn)生嚴(yán)重干擾,引起工作紊亂或控制失靈。

車輛電磁脈沖效應(yīng)與防護(hù)問題一直受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。2004 年國際電工委員會(IEC)頒布標(biāo)準(zhǔn),給出了高功率微波使車輛電子系統(tǒng)永久損壞的案例,一些國家相繼開展了電磁脈沖防護(hù)效應(yīng)與防護(hù)設(shè)計研究,美國先后完成電子元器件易損性與測試計劃、編制強電磁脈沖手冊規(guī)定航天器等抗強電磁脈沖指標(biāo)、艦船三級防護(hù)等工作。俄羅斯在前蘇聯(lián)時代就開展相關(guān)工作,并要求一般裝備都有抗電磁脈沖要求。我國重點圍繞電磁脈沖對車輛發(fā)動機系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等分系統(tǒng)效應(yīng)與防護(hù)開展了大量工作。

某型車輛對核爆炸電磁脈沖的防護(hù)能力,直接影響其在核戰(zhàn)場環(huán)境下能否與其他車輛進(jìn)行有效通聯(lián),進(jìn)而決定戰(zhàn)場指揮方式的選擇。受試驗條件、體制編制以及核作戰(zhàn)特殊情形等因素的影響,在對該類車輛進(jìn)行高空核爆炸電磁脈沖毀傷效應(yīng)評估時,主要針對分系統(tǒng)依托小型模擬器開展了仿真驗證性實驗研究,而沒有對整車做現(xiàn)場模擬試驗,導(dǎo)致大型復(fù)雜車輛裝備的核防護(hù)能力缺乏全面系統(tǒng)的量化評價方法,底數(shù)不清。

為掌握某型車輛核爆炸電磁脈沖防護(hù)能力底數(shù),提高其核環(huán)境下的生存能力,本文針對其開展HEMP 耦合效應(yīng)研究,進(jìn)而為裝備運用與裝備抗核加固優(yōu)化設(shè)計提供輸入。

1 研究對象

針對某型車輛HEMP 毀傷閾值不明確的實際問題,從其瞭望孔入手,研究典型條件下的HEMP耦合效應(yīng),其CAD 模型如圖1 所示。

圖1 某車輛CAD 模型Fig.1 CAD model of a vehicle

2 數(shù)值模擬

2.1 模擬方法

模擬計算選取時域有限差分(FDTD)方法,對某型復(fù)雜車輛開展HEMP 耦合效應(yīng)研究。使用FDTD 方法進(jìn)行電磁場數(shù)值計算是一種成熟的方法,國內(nèi)外已有較多研究通過商業(yè)軟件與現(xiàn)場試驗的方法對其計算結(jié)果進(jìn)行驗證,本文也基于該車電臺天線開展試驗進(jìn)行了方法有效性驗證。圖2 所示為利用FDTD 計算方法對該車天線進(jìn)行仿真模擬的結(jié)果,分別給出天線底部(=108,即天線上平行于軸,距離原點108 個網(wǎng)格處的位置)、中點(=188)和頂部(=268)的電流波形。圖3 所示為對其進(jìn)行輻照試驗得到的耦合電流。由圖2、圖3 可知:基于金屬邊界平面的鏡像原理,FDTD計算時車上的天線可近似看作立于金屬平板上,而輻照試驗中的天線沒有金屬板,因此仿真計算中天線底部周圍垂向電場約為輻照試驗時的2 倍,造成了仿真中天線根部的耦合電流約為試驗實測結(jié)果的2 倍;兩種方法得到的耦合電流結(jié)果相吻合,并符合相關(guān)物理規(guī)律,表明了運用FDTD 方法對該車開展HEMP 耦合效應(yīng)研究的有效性。

圖2 電臺天線HEMP 模擬計算耦合電流Fig.2 Simulated coupling current of radio antenna HEMP

圖3 電臺天線HEMP 輻照試驗耦合電流Fig.3 Test coupling current of radio antenna HEMP

本文研究的是車輛在HEMP 環(huán)境中的孔縫耦合效應(yīng),通過FDTD 方法得到時域響應(yīng),并通過與設(shè)備的毀傷閾值對比,從而判斷裝備是否會受到損傷。

高空核電磁脈沖具有場強高、頻譜寬、作用時間短、危害范圍廣的特性。當(dāng)天線及相關(guān)通訊設(shè)備的工作頻段正好處于HEMP 的頻譜中時,會對設(shè)備造成極大的危害。關(guān)于高空核電磁脈沖的早期輻射環(huán)境,可以近似地表達(dá)成雙指數(shù)函數(shù)模型

式中:為修正系數(shù);為場強峰值,一般為50 kV/m;、為表征脈沖前沿、后沿的參數(shù)。表1 為3 種常見的HEMP 波形標(biāo)準(zhǔn)的總結(jié)。由表3 可見,從1976年出版物波形到Bell 實驗室波形再到IEC 標(biāo)準(zhǔn)波形,它的變化趨勢是脈沖前沿逐漸變陡、脈寬逐漸變窄。IEC 標(biāo)準(zhǔn)頻率到100 kHz 時能量成分占到2%,而到300 MHz 時,這個比例為98%,因此IEC 波形96%的能量分布范圍在100 kHz～300 MHz。相應(yīng)地,Bell 實驗室波形的能量范圍主要在10 kHz～30 MHz 之間。1976 年出版物標(biāo)準(zhǔn)波形,其能量范圍主要在1 kHz～10 MHz 的頻段。

表1 HEMP 波形標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對比Tab.1 Comparison of HEMP waveform standard parameters

對于同樣的系統(tǒng),如果采用不同的HEMP 波形標(biāo)準(zhǔn),則得到的耦合量也是不同的。在進(jìn)行系統(tǒng)HEMP 效應(yīng)研究時,應(yīng)該選用對其影響程度較高的波形標(biāo)準(zhǔn)。通過上述分析可以看出,IEC 標(biāo)準(zhǔn)的頻譜范圍與本文研究對象所對應(yīng)的頻譜范圍重合最多,因此將其作為本文的激勵源波形。

2.2 模型構(gòu)建

研究對象CAD 模型為復(fù)雜三維模型,選取三角面元投影求交法生成計算模型。

三維動畫渲染與制作軟件3ds Max 展示的CAD模型表面有多種形狀,梯形、方形、圓形等,這些形狀均由大小不同的三角面元拼接而成。用3ds Max 軟件將CAD 模型輸出生成“.ASE”格式文件,在該文件中可以找到所有三角面元的頂點坐標(biāo)。圖4 所示為投影求交法示意圖。圖4 中,為三角面元為例,3 個頂點及坐標(biāo)分別為(x,y,z)、(x,y,z)、(x,y,z),3 個頂點在平面上的投影分別為(x,y,0)、(x,y,0)、(x,y,0)。定義與軸平行的某一條網(wǎng)格線的、坐標(biāo)為x、y,點表示與三角面元的交點,表示與面的交點。

圖4 投影求交法示意圖Fig.4 Schematic diagram of projection intersection method

3 個向量、、可分別表示為

式中:與分別表示軸與軸的單位向量。

將(2)式中的3 個向量依次進(jìn)行叉乘,即×、×、×,如果3 個叉乘的結(jié)果同時大于等于0 或者同時小于0,則點在三角形內(nèi),即點在三角形上,網(wǎng)格線與三角形相交;否則不相交。

下面求解剖分網(wǎng)格線與三角面元交點的軸坐標(biāo)。三角面元3 個頂點所在平面的平面方程為

判斷確定與三角面元相交后,將網(wǎng)格線的軸、軸坐標(biāo)值x、y代入(3)式中,可求出網(wǎng)格線與三角面元所在平面交點的軸坐標(biāo)值z,標(biāo)記x、y、z確定的網(wǎng)格。依次將三角面元范圍內(nèi)所有的網(wǎng)格標(biāo)記出來,就生成了該三角面元的FDTD 網(wǎng)格模型;將CAD 模型所有三角面元對應(yīng)的網(wǎng)格全部標(biāo)記出來,就生成了該CAD 模型的FDTD 計算模型。但是,CAD 模型在建模過程中可能存在一些點、線、面等輔助結(jié)構(gòu),應(yīng)用于不同目的時也可能對模型進(jìn)行部分修改,這些處理可能對生成正確的FDTD 計算模型產(chǎn)生影響。因而在針對某型車輛建模時,需要進(jìn)行模型修正,并檢測FDTD 計算模型正確與否。某型車輛FDTD 計算模型圖、某型車輛FDTD 模型的剖面視圖如圖5 和圖6 所示。模型建成后,利用Origin 軟件對車輛模型每一層網(wǎng)格進(jìn)行觀察,保證車輛結(jié)構(gòu)完整,且其結(jié)構(gòu)與CAD 模型一致,證明建立的FDTD 計算模型準(zhǔn)確無誤,進(jìn)而保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖5 某型車輛FDTD 計算模型Fig.5 FDTD calculation model of a vehicle

圖6 某型車輛FDTD 模型的剖面視圖Fig.6 Section view of a vehicle FDTD model

2.3 瞭望孔耦合電場模擬

分析車輛結(jié)構(gòu)可知,HEMP 可以通過孔縫耦合進(jìn)入車內(nèi),在車內(nèi)激勵出耦合電場,將FDTD 計算模型瞭望孔網(wǎng)格按真空進(jìn)行計算,FDTD 計算模型在平面的投影如圖7 所示。

圖7 FDTD 模型Oxz 平面投影圖(增加瞭望孔)Fig.7 Oxz plane projection of FDTD model (adding observation hole)

研究選擇HEMP 沿+軸、-軸、-軸3 個典型方向入射,主要分析HEMP 通過瞭望孔的耦合效應(yīng)。在瞭望孔每條中軸線上,選擇中點及距孔10 cm 點作為耦合電場觀測點,12 個觀測點的具體位置如圖8 所示。

圖8 FDTD 模型耦合電場觀測點Fig.8 Observation points of coupling electric field of FDTD model

2.3.1 HEMP 沿+軸入射計算

設(shè)定HEMP 沿+軸方向傳播,電場沿+軸,HEMP 從車頭入射。選定一定的時間步,讀取=85 平面上所有電場強度值,觀察HEMP 的傳播過程如下:

1)=1.668 ns(見圖9(a))時,HEMP 平面波從連接邊界產(chǎn)生;

2)=10.008 ns(見圖9(b))時,HEMP 遇到車前部,圖中可以看出車燈和煙霧彈筒的輪廓;

3)=18.348 ns(見圖9(c))時,HEMP 到達(dá)車中后部;

4)=26.688 ns(見圖9(d))時,HEMP 通過車主體部分。

HEMP 遇到車輛金屬結(jié)構(gòu)后,在部分電磁波被反射的同時,在金屬表面激勵出面電流。這種面電流流經(jīng)棱角等細(xì)微金屬結(jié)構(gòu)時,由于傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)生突變,會產(chǎn)生很小范圍的超強電場,圖9(b)、圖9(c)、圖9(d)中的最大場強值(紅、灰色)比較難觀察到。

圖9 HEMP 沿+x 軸方向傳播過程(瞭望孔高度位于Z=85)Fig.9 Propagation process of HEMP along +x direction (Z=85,height of observation hole)

HEMP 傳播方向與瞭望孔孔面準(zhǔn)平行,由于表面電流在瞭望孔處被截斷,電流變化激勵的電磁波會通過瞭望孔耦合進(jìn)入車內(nèi)部,各個觀測點的電場強度時域波形如圖10 所示。

圖10 HEMP 沿+x 軸方向傳播時各個監(jiān)測點電場強度時域波形Fig.10 Time-domain waveform of electric field intensity at each monitoring point during the propagation of HEMP along+x direction

從圖10 所示計算結(jié)果來看:距離孔10 cm 位置的電場強度脈沖峰值約為0.2 kV/m,并在車內(nèi)部激勵出幅值小于0.5 kV/m 的諧振電場;觀測點3 附近沒有孔,首峰電場幅值要低于點6、9、12;與單個設(shè)備的HEMP 輻照試驗結(jié)果相比,這個量級的電場強度不會對設(shè)備造成硬損傷;如果個別設(shè)備受到干擾無法正常工作,則斷電重啟后可恢復(fù)正常工作。

2.3.2 HEMP 沿-軸入射計算

設(shè)定HEMP 沿-軸方向傳播,電場沿-軸,HEMP 從車右側(cè)入射。選定一定的時間步,讀取=85 平面上所有電場強度值,觀察HEMP 的傳播過程如下:

1)=1.668 ns(見圖11(a))時,HEMP 平面波從車右側(cè)入射,車燈、煙霧彈筒輪廓可見,在右側(cè)4 個瞭望孔處HEMP 耦合進(jìn)入車內(nèi);

2)=3.336 ns(見圖11(b))時,HEMP 繼續(xù)沿著-軸方向傳播,在車右側(cè)4 個瞭望孔處的耦合更加明顯;

3)=8.34 ns(見圖11(c))時,HEMP 沿著-軸方向傳播更遠(yuǎn);

4)=13.344 ns(見圖11(d)時),HEMP 通過車主體部分。

圖11 HEMP 沿-y 軸方向傳播過程(瞭望孔高度位于Z=85)Fig.11 Propagation process of HEMP along-y direction (Z=85,height of observation hole)

HEMP 遇到車右側(cè)金屬壁,傳播方向垂直于金屬壁,電場極化方向平行于金屬壁,根據(jù)前期的研究和仿真結(jié)果得知,這種入射方式的孔縫耦合效應(yīng)最強,HEMP 可在孔附近激勵出明顯的脈沖電場,并在車內(nèi)激勵出更強的諧振電場。各個觀測點的電場強度時域波形如圖12 所示。

圖12 HEMP 沿-y 軸方向傳播時各個監(jiān)測點電場強度時域波形Fig.12 Time-domain waveform of electric field intensity at each monitoring point during the propagation of HEMP along-y direction

從圖12 所示計算結(jié)果來看:距離孔10 cm 位置的電場強度脈沖峰值達(dá)到約2.5 kV/m,并在車內(nèi)部激勵出幅值小于1.5 kV/m 的諧振電場;從時間關(guān)系上看,觀測點3、6、9、12 的電場是HEMP 通過車右側(cè)4 個瞭望孔傳播所致,場強峰值明顯低于觀測點1、4、7、10。

由于此種入射方式耦合電場強度峰值比前一種入射方式明顯提高,HEMP 小孔正入射時對車內(nèi)設(shè)備的威脅明顯增強。車內(nèi)設(shè)備是否會出現(xiàn)干擾或損傷效應(yīng),需要在后期完成相關(guān)的HEMP 試驗后來確定。本文計算將瞭望孔處的玻璃看作普通玻璃(計算中按真空計算),如果將瞭望孔處的玻璃換成導(dǎo)電玻璃,則可有效降低耦合電場幅值,提高車輛的抗HEMP 能力。

2.3.3 HEMP 沿-軸入射計算

設(shè)定HEMP 沿-軸方向傳播,電場沿+軸,HEMP 從車頂入射。選定一定的時間步,讀取=-23 平面上所有電場強度值,觀察HEMP 的傳播過程如下:

1)=1.668 ns(見圖13(a))時,HEMP 平面波從車頂入射;

2)=3.336 ns(見圖13(b)),HEMP 遇到車上半部,圖中可以看出車輪廓;

3)=6.672 ns(見圖13(c)),HEMP 到達(dá)車的下半部;

4)=11.676 ns(見圖13(d)),HEMP 通過車主體部分。

圖13 HEMP 沿-z 軸方向傳播過程(Y=-23)Fig.13 Propagation process of HEMP along -z direction (Y=-23)

HEMP 從車頂入射與HEMP 從車前面入射類似,HEMP 傳播方向與瞭望孔孔面平行,仍然可以通過瞭望孔耦合進(jìn)入車內(nèi)部。各個觀測點的電場強度時域波形如圖14 所示。

從圖14 所示計算結(jié)果來看:距離孔10 cm 位置的電場強度脈沖峰值約為0.8 kV/m,并在車內(nèi)部激勵出幅值小于0.5 kV/m 的諧振電場;觀測點3 附近沒有孔,首峰電場幅值要低于觀測點6、9、12。

圖14 HEMP 沿-z 軸方向傳播時各個監(jiān)測點電場強度時域波形Fig.14 Time-domain waveform of electric field intensity at each monitoring point during the propagation of HEMP along -z direction

3 結(jié)論

本文通過選取3 種典型HEMP 入射方式,對某型車輛高空核爆炸電磁脈沖耦合效應(yīng)進(jìn)行了分析,與其他相似裝備的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對照。得出主要結(jié)論如下:

1)車內(nèi)大部分空間的耦合電場幅值在2 kV/m以下,該數(shù)據(jù)的數(shù)量級與相似裝備外場試驗結(jié)果基本吻合,在該電場條件下電臺能夠正常工作,基本不影響通訊。

2)瞭望孔附近電場幅值在HEMP 正入射時較高,但瞭望孔附近無電子設(shè)備,不會造成威脅。

通過分析比較,可以確定本文研究方法與研究結(jié)論的有效性,值得在同類裝備相關(guān)研究工作中應(yīng)用推廣。結(jié)合本文研究得到的相關(guān)結(jié)論,綜合考慮裝備建設(shè)發(fā)展需求與裝備運用實際,提出如下建議:1)瞭望孔玻璃應(yīng)加強HEMP 防護(hù),可改用屏蔽玻璃,降低耦合電場幅值;2)在車內(nèi)設(shè)備布放設(shè)計時,車內(nèi)電子設(shè)備及走線應(yīng)遠(yuǎn)離瞭望孔;3)當(dāng)接收到核爆炸相關(guān)預(yù)警信息時,應(yīng)避免進(jìn)入爆區(qū)并加強瞭望孔的防護(hù),迅速將電子設(shè)備盡可能向遠(yuǎn)離瞭望孔位置移動,避免造成損壞,待警報解除或通過危險區(qū)域后,根據(jù)操作員使用需求進(jìn)行設(shè)備布設(shè)。

本文研究是整車開展核防護(hù)能力評估的重要構(gòu)成部分,盡管研究結(jié)果得到了初步驗證,但對于大型復(fù)雜裝備核爆炸電磁脈沖抗擾度的研究,通過有界波模擬器開展外場試驗是一種更為可靠的方法。因此,在下一步工作中,除了對計算流程進(jìn)行優(yōu)化、提高計算精度與對其他耦合途徑進(jìn)行深入研究外,還應(yīng)下大力投入整車的核防護(hù)能力評估試驗條件建設(shè),加強整車核防護(hù)能力評價方法研究,推動整車HEMP 試驗開展,進(jìn)而為裝備在核爆炸環(huán)境下的運用及裝備抗核加固設(shè)計提供更系統(tǒng)全面的支撐。