电磁脉冲武器对军机座舱后门耦合效应及软杀伤分析

2011-03-24费奇志张浩然胡云安

海军航空大学学报 2011年1期

黄隽，费奇志，张浩然，，胡云安，金焱

（1.海军航空工程学院 a.研究生管理大队；b.控制工程系，山东烟台 264001；2.海军装备部，北京 100071）

电磁脉冲武器是一种利用定向发射的高功率在与物体或系统相互作用所产生的电效应、热效应和生物效应能对目标造成软杀伤破坏的新型武器，包括低频电磁脉冲武器和高功率微波武器（高功率微波弹与高功率微波炮）。目前尚无确切的软杀伤概念，本文所研究的软杀伤起源于软毁伤学科[1]，来源于新概念武器作战理论，形成于装备战伤理论[2]，指一切在广义战场上发生的装备设施的外部机体结构未曾或难以看出遭到破坏，而电子设备、武器系统暂时或永久出现功能降低、紊乱、故障、失效等现象的事件；人员的生理结构未曾或难以看出遭到杀伤，而暂时或永久降低、丧失某种能力的事件，俗称“内伤”。软杀伤概念既可以从造成杀伤的主动角度，亦可以从遭到杀伤的被动角度提出。

国外非常重视飞机的电磁脉冲软杀伤分析研究，但定量分析的结果难以获取。美国国防部曾经用高功率微波武器对陆军的眼镜蛇直升机进行了试验[3]，并确定了适用于飞机的HPM 辐射效应评估流程；美国空军建立了射频效应实验室，对F-16 进行HPM 效应测试；美国空军大学评估了舰艇的高功率微波和超宽带微波防空武器抵抗各种来袭飞机（包括战术飞机、轻型机、超轻型机、直升机等）的有效性和可能性，并分析了打击部位与策略[2]；瑞典开发了飞机的微波测试设备[4]。国内针对飞机的电磁脉冲软杀伤研究较少，对电磁脉冲耦合效应的定量分析多以半导体器件、引信、集成电路和计算机设备等为研究对象。文献[5]把软损伤作为飞机战伤的一种基本形式，并阐述了高功率微波武器对飞机的杀伤机理。文献[6]通过集成电路器件微波损伤实验分析频率、电压、重复频率和脉宽对损伤功率阈值的影响；文献[7]给出了利用人工神经网络建立集成电路高功率微波易损性预测评估模型的基本步骤；文献[8]利用电磁脉冲模拟器对计算机的干扰和损伤效应进行了实验研究，并应用FDTD方法研究了金属箱孔缝和导线耦合效应；文献[9]通过FDTD方法模拟在不同频率和入射角度的时谐平面电磁波作用下，计算机主板上耦合的电磁场分布，给出一种电磁辐射效应评估的基本方法。对飞机座舱耦合效应的研究据笔者所知未见报道。针对国内外强电磁脉冲对作战飞机耦合效应及软杀伤分析现状，鉴于FDTD方法在处理电特大尺寸复杂物体电磁问题的优势[10]，特别是网格划分的要求比矩量法、多层快速多极子等方法更宽松的特点，本文基于FDTD方法提出了一种作战飞机后门耦合效应建模和软杀伤分析流程，以某作战飞机为例，建立了在低频（0～100 MHz）电磁脉冲武器作用下的耦合模型，并通过仿真分析，提出了一种软杀伤防护方法。

1 后门耦合效应建模与软杀伤分析流程及其实现方法

1.1 分析流程

通常的耦合类型有辐射与传导耦合，两者往往交织在一起。主要通过前门和后门耦合到目标。前门耦合模式通常指电磁脉冲武器所产生的电磁场能量，耦合进入雷达或通讯装备系统的天线，并造成电子设备和人员的破坏和伤害。后门耦合模式指电磁脉冲武器产生的短暂电流或驻波，通过孔、缝、窗口和固定电线（缆）对连接的电子设备间接伤害。座舱耦合指电磁脉冲能量直接在座舱产生的高强度和高功率密度驻波，对人员和电子设备造成的破坏和伤害的方式，属于后门耦合模式。文献[4]介绍了通用装备的HPM 辐射效应一般评估流程，本文提出基于FDTD方法的后门耦合效应建模仿真及软杀伤分析流程如图1所示。

图1 分析流程图

1.2 实现方法分析

1.2.1 飞机机体与飞行员几何模型

以某作战飞机为研究对象，该飞机采用双座、双发、双垂尾、机腹进气、顶部辅助进气、带边条的中等展弦比后掠下单翼、翼身融合的正常气动布局。参考资料数据图片，获取特征点数据，构建该飞机的三维几何模型。文献[11]采用1∶12 缩比模型，由于缩比模型不能改变激励频率和飞机尺寸对应关系，本文选择了1∶1的建模方式。座舱内设置了显示器、仪表板、控制面板等装置。为了开展强电磁脉冲对人体的软杀伤研究，还建立了两个飞行员模型。建立直角坐标系如下，设飞机平飞状态，机头纵轴为Z方向，原点为机身纵向对称面内座舱前端底部中心点，左机翼为X方向，机身垂直向上为Y轴。建立的几何模型和坐标系如图2所示。

图2 座舱及飞行员几何模型

1.2.2 激励波源

核电磁脉冲有相关标准的模型进行模拟[8]，而强电磁脉冲武器的模型尚未有相关标准，文献[9]用时谐平面波与高斯脉冲平面波模型模拟对计算机主板的电磁脉冲辐射源，文献[11]用双高斯脉冲仿真无载波雷达信号。

本文用高斯脉冲平面波模型，模拟未加载频、辐射的峰值功率为10 GW、约300 m 处起爆的低频电磁脉冲武器（文献[12]分析了该武器的杀伤机理）波形，并通过试验优化电磁参数。不考虑其在有效作用距离内传输的衰减，入射方向为迎着Z轴方向（飞机正前方），电场极化方向为沿着Y轴方向。脉冲持续时间τ 亦决定频谱宽度，需要反复试验权衡选择，才能增强损伤的效果；选择脉冲峰值时间 t0和τ相近，可使脉冲在起始时刻近似为零。本文取峰值振幅 E0=9.962 664 kV/m，t0=64.845 49 ns，τ=64.74 ns，其绝大部分功率分布在0～100 MHz范围内。

1.2.3 计算区域的FDTD网格划分

文献[8-9]采用均匀网格划分，为提高计算精度，利用亚网格技术[10]对包含飞机机体和空勤人体的计算空间进行FDTD 自适应划分，对指定区域部分（薄层结构）采用比最大网格尺寸小1/2的尺寸，Δx×Δy×Δz为0.010 53 m×0.010 53 m×0.010 53 m。

在保证差分近似带来的色散在允许的前提下，其稳定性条件较文献[10]放宽为：

可得仿真时间步长 Δt为20.27×10-12s，最高频率f为2.85×109Hz。

1.2.4 飞机和人体的电磁参数

[11，13]设定电磁参数，飞机机体：电导率σ为3.82×107S/m，相对介电常数rε为1；座舱玻璃：相对介电常数rε为3.8−0.002 85j；人脑：电导率σ为1.1 S/m，相对介电常数rε为49，ρ为1000 kg/m3；肌肉：电导率σ为1.21 S/m，相对介电常数rε为58，ρ为1 000 kg/m3。

1.2.5 吸收边界条件

采用吸收边界条件实现对FDTD计算区域的截断，有效吸收截断边界处的外向行波，从而用有限FDTD 区域模拟开放空间的电磁耦合过程。文献[9]采用的四阶Liao 氏吸收边界条件实现起来较为繁琐，本文在保证吸收效果的前提下，为了减少内存占用、加快计算速度，采用了更简洁的二阶Liao 氏吸收边界条件。

1.2.6 耦合电磁场求解

文献[9]为了处理远小于网格尺寸的金属覆层，需要修正差分计算公式。本文避免了此类修正，将以上电磁参数、吸收边界条件、激励波源，应用于麦克斯韦有限差分方程组，即可按照式(3)、(4)对以上剖分的每一个网格中各个时刻的耦合电场 Ex和磁场分量Hx进行计算，选择最大计算为10 000步，可保证电场和磁场强度基本趋近于零。式中：σ为电导率；ε为介电常数；mσ为导磁率；μ为磁导系数；Δt为时间步长；n表示时间步长的个数；Δx、Δy和Δz为网格尺寸；i、j、k为网格位置。

2 软杀伤分析

2.1 基于功率密度的软杀伤易损性分析

软杀伤易损性主要研究目标遭受电磁脉冲武器软杀伤后的损伤程度。文献[6-7]给出的损伤功率阈值拟合分布曲线把损伤功率阈值近似成正态分布，易损性概率则近似为0-1分布，实际上损伤功率阈值曲线呈阶梯形，是一种所谓“分段均匀分布”。因此，本文基于功率密度提出一种适宜工程操作的易损性概率P 定义：

式中：S指观察点（波源）的功率密度峰值；Sthreshold指功率密度阈值。

电子设备、常见电子元器件和人体的损伤事件、损伤阈值[14]和仿真计算的易损性概率见表1。

表1 强电磁脉冲的功率密度损伤阈值和易损性概率

迎着Z方向来的高斯脉冲激励下观察点（设在座舱内驾驶员身前一个网格处，且在机身纵向对称面内，该点达到座舱内能量密度的最值）时域、功率密度波形和第4 431时间步（该时间步能量密度幅值达到整个计算时间内的峰值4.449 MW/m2）Z方向能量密度幅值（包含观察点的XZ 平面）分布，表明现有座舱盖对高斯脉冲有一定衰减作用。

图3为第4 431时间步功率密度幅值（仿真观察图片用红橙黄绿青蓝紫七色和机体颜色表示功率密度幅值的分贝值−70～0 dB，其中 0 dB=4.449 MW/m2，本文用灰度片表示）分布表明：座舱内屏蔽效果很强（耦合电场幅值低于−70 dB），前部是圆弧风挡的固定段，中间是前固定段，后部是后设备舱口盖。空勤身前方几乎没有屏蔽，空勤身后方有铝框架的座椅屏蔽。

图3 第4431时间步功率密度幅值分布

图4显示在89.798 54 ns时刻电场强度达到峰值−5.826 63 kV/m，在89.798 54 ns时刻功率密度达到峰值198.549 52 kW/m2，耦合电场强度和功率密度波形与入射波形方向相反，说明耦合进入座舱的电磁脉冲对外辐射很强，辐射的电场强度和功率密度大大超过了入射电场。

图4 观察点耦合电场时域波形和功率密度波形

仿真结果如表1所示，现有座舱盖对人员和设备的屏蔽效能有限。电磁脉冲弹对飞机座舱耦合过程中，对人体的烧伤概率100%，烧死概率24.819%。对电子设备的损坏概率较小，干扰、拒止和削弱概率达到100%。

2.2 基于座舱玻璃导电膜的软杀伤防护分析

软杀伤防护分析主要研究某种防护手段在各种参数电磁脉冲武器攻击下的效果与影响。本文提出用座舱玻璃导电膜防护电磁脉冲软杀伤。透明导电膜（Transparent Conductive Oxide，TCO）是在平板玻璃表面通过物理或者化学镀膜的方法均匀地镀上一层透明的导电氧化物薄膜。TCO 有两个主要指标：一是对可见光的高透过率（Tavg＞80%）；另一个是高的电导率（σ≥ 105S/m）。本文选取导电膜电导率σ为105S/m，相对介电常数为3.8。[11]

第4 441时间步（该时间步功率密度幅值达到整个计算时间内的峰值2.137 MW/m2）功率密度幅值分布图（0 dB=2.137 M W/m2）如图5所示，导电膜对能量集中在100 MHz以下的高斯脉冲防护效果很好，对电子设备和人体的易损性概率降至0。