直升机机舱电磁屏蔽效能仿真研究

2011-12-26柳永祥朱勇刚姚富强

河北科技大学学报 2011年1期

关键词：电磁脉冲机舱导电

柳永祥，朱勇刚，姚富强

（总参第六十三研究所，江苏南京 210007）

直升机机舱电磁屏蔽效能仿真研究

柳永祥，朱勇刚，姚富强

（总参第六十三研究所，江苏南京 210007）

对直升机机舱的电磁屏蔽效能进行了仿真，分别给出了不采取防护措施以及对直升机门窗等孔洞进行屏蔽处理2种情况下机舱的屏蔽效能仿真曲线，得到了机舱屏蔽效能随频率变化的一般规律及量级，认为影响机舱屏蔽效能的主要因素不是舱壁渗透，而是门窗孔洞的泄漏。

直升机；电磁脉冲；防护；屏蔽效能；仿真

在现代战争中，军用直升机主要承担对地面目标攻击、野战运输、野战抢修与救生等任务，有时还作为某些特殊的空中平台使用，尤其是武装直升机的地位和作用更为重要，被称为陆军的“领头雁”，是敌方重点打击目标之一。另一方面，为进一步提高军用直升机的作战能力，机上装备有多种先进的电子设备，例如电台、雷达、导航系统、测高仪、干扰机等，一旦遭到高能电磁脉冲武器的打击，这些设备将失去正常工作能力，装备精良的飞机在瞬间即变成无头的苍蝇。因此，必须采取有效措施对直升机及其机载电子装备进行电磁防护，减小或消除强电磁脉冲攻击的影响。

为了能够定量考查机舱的屏蔽性能，并在工程防护过程中合理分配屏蔽效能指标，本文通过计算机仿真，分析不同条件下机舱电磁屏蔽效能、舱内不同位置的电磁响应等，为有针对性地采取防护措施提供参考。

1 直升机面临的强电磁攻击威胁分析

常规电磁脉冲武器按照使用方式可以分为陆基、空基和天基3种。限于当前的技术水平，大功率、可重复使用的电磁脉冲攻击系统通常需要庞大的支持子系统（包括大功率电源、冷却系统以及指控系统等），需要装在多台车辆上，体积比较大，多见于陆基电磁脉冲武器，且受发射天线效率的限制，脉冲功率主要集中于500 MHz以上频段，即属于HPM范畴。此外，陆基电磁脉冲武器还包括不可重复使用的电磁脉冲炸弹，使用时可通过导弹或炮弹等携带电磁脉冲弹头，在目标附近爆炸后产生电磁脉冲，达到攻击目的。同样基于天线效率及目标耦合特性的考虑，这种电磁脉冲炸弹的频率通常也集中于数百兆赫兹到数吉赫兹。

对于天基电磁脉冲武器（大气层外发射），由于直升机一般都是低空作战，电磁波从大气层外发射到达近地飞行的直升机时，路径损耗很大，使得最终到达直升机的电磁脉冲功率过小而达不到攻击效果，因此攻击方一般不会使用天基电磁脉冲武器对直升机之类的低空目标进行攻击。

空基（机载）电磁脉冲武器受设备体积及重量的限制，目前还很难携带体积和重量过大的大功率可重复式电磁脉冲武器攻击系统，更多的是使用一次性的电磁脉冲炸弹，但是这些武器通常不是针对直升机的，而是用来对地面指挥控制中心发动袭击或者当有导弹来袭时用来自卫。

根据以上分析，直升机在战争中主要面临来自于陆基高功率微波武器（HPM）和核爆电磁脉冲（NEMP）的威胁，由于国际条约对使用核武器的限制，可以认为高功率微波武器是未来高技术局部战争中直升机面临的主要强电磁攻击威胁。因此，现阶段直升机的电磁防护将重点针对HPM来展开，同时兼顾抗NEMP的防护。

2 仿真模型及基本设定

对于各类电子装备，强电磁脉冲真正破坏的大多是装备内部的半导体器件。因此强电磁能量对直升机的攻击需要跨过两道屏障，第1道是金属蒙皮的机舱，第2道是各机载设备的金属机箱。这两道屏障虽然不是为抗电磁脉冲专门设计，但以金属为材料的机舱或机箱外壳仍然具有一定的电磁屏蔽能力。本文重点分析在强电磁脉冲攻击时直升机内部不同位置的响应特点以及机舱的屏蔽效能。

机舱屏蔽能力的大小除了与舱壁材料的电导率有关外，还与舱壁上的孔缝情况以及入射电磁脉冲的功率谱分布有密切关系。

直升机机身上的开孔主要有舷窗、观察窗、机身蒙皮的接缝等等，对于采用不导电复合材料作为机身蒙皮的飞机，则整个机舱内部相对于入射电磁场而言是开放的，入射电磁场将直接作用于机载各类电子设备，在强电磁环境下还会出现一些非线性现象，给整体防护工作带来意想不到的麻烦。因此，通常应对机舱外壳进行屏蔽处理。

腔体屏蔽效能的定义为腔体内某点处的电场（磁场）强度在插入腔体前后的幅值之比，在实际处理中为了方便计算，将屏蔽体内某点处的电（磁）场强度和紧靠屏蔽体外侧的入射电（磁）场强度之比作为该腔体屏蔽效能的近似值：

式中，EMp表示在腔内p点得到的电（磁）场强度，EMinc表示入射场强度。以下计算中均采用式（1）计算屏蔽效能。

如图1所示为直升机的三维模型，由于在仿真过程中使用的直升机模型尺寸与实际尺寸之比为1∶100，根据腔体谐振理论，腔体几何尺寸缩小100倍，其相同振荡模式的谐振频率将增大100倍。因此，在所得到的仿真结果中，如果将频率轴对应的数值缩小100倍，则所得到的曲线可以近似认为是实际尺寸的直升机屏蔽效能－频率曲线。

直升机外壳材料假定为铝合金材料，相对电导率为0.61（令铜的电导率为1）。分别比较不对舷窗、观察孔等进行任何处理以及对这些部位进行导电屏蔽处理2种情况下机舱的频域电场屏蔽性能和时域响应特性。仿真的基本设定如下。

1）在仿真机舱频域屏蔽效能时，入射波频率范围为0～6 GHz，仿真其时域响应特征时，入射波为幅度归一化的高斯脉冲平面波，其时域波形和频谱分布如图2a）和图2b）所示；

图2 入射电磁脉冲时域波形和频谱

图1 按照1∶100比例缩小的直升机三维模型

2）电磁波的入射角度分别为飞机正下方垂直入射、侧面水平入射2种情况；

3）由于入射波的最短波长为0.05 m，相对于该波长而言，直升机属于电大尺寸物体，基于现有计算机硬件平台以及实验室已有的仿真软件难以对这样的大型电大尺寸物体进行电磁场仿真。另外，考虑到仅需对舱壁的电磁屏蔽能力作粗略分析，并不需要了解精确的电磁场分布情况，因此在实际仿真中使用缩微模型，缩微模型尺寸与实物尺寸的比例为1∶100；

4）仿真环境为Remcom公司的三维时域电磁场分析软件XFDTD 6.0；

5）考查以下2个典型位置：机舱侧壁，记作A点；机头仪表面板中点，记作B点；

6）时域波形的横坐标单位都为ns，纵坐标单位都为V／m；频域波形的横坐标单位都为GHz，纵坐标单位都为dB。

3 仿真结果及分析

3.1 未对舷窗、观察孔等进行加固的情况

根据以上仿真模型及设定条件，分别得到不同脉冲入射方向时，机舱侧壁以及机头仪表面板中点处的脉冲响应时域和频域波形，图3为不同条件下直升机机舱内部时域和频域响应仿真结果，图4为直升机机舱屏蔽效能随频率的变化情况。

图3 不同条件下直升机机舱内部响应仿真结果

根据图3所示仿真结果，可以发现以下现象：

1）对于所考查的A，B 2个位置，电磁波从侧面入射时得到的电场强度要大于从正下方入射时的情况；

2）当入射波消失之后，直升机中的电磁场响应波并没有马上消失，而是要持续较长一段时间；

现象1）说明舱壁的遮挡对入射电磁波可以起到一定的衰减作用；现象2）说明渗透进入机舱内部的电磁波由于机舱内壁的反射作用，在机舱内形成振荡。振荡持续时间与舱内较大尺寸物体的摆放以及内壁材料的电磁特性有关。

为了进一步明确直升机金属机舱对不同频率平面波的屏蔽效果，图4给出了A，B两点处所得到的电场屏蔽效能仿真曲线，该曲线利用HFSS 9.0仿真得到。从图4可以发现，直升机机舱的金属蒙皮对外部入射电磁场的低频分量（8 MHz以下）有一定的屏蔽作用，其数量级在10～60 dB之间，与入射波方向以及机舱内部考查点的位置有关。当入射波频率继续增加时，机舱的屏蔽效能迅速下降。另一方面，根据国外相关研究成果，一般直升机的机舱屏蔽效能如图5所示，图中所示曲线与本文的仿真结果基本吻合。

图4 机舱屏蔽效能的仿真结果

3.2 对舷窗、观察孔等进行加固时的情况

考虑到部分直升机使用的是非导电复合材料蒙皮，因此在仿真中也考虑了这种情况，并分别就机舱使用良导体材料和商用导电涂料2种情况进行了仿真比较。采取如下的防护措施：

1）对于窗户玻璃，使用嵌有细密金属丝网的电磁屏蔽透光玻璃替换原有的普通强化玻璃，其结构特点如图6所示，导电丝中心以聚酯纤维为支撑材料，外面用铜包裹，构成屏蔽的主要部分，最外层是黑色包层防止反光。1英寸（约为2.54 cm）距离上有90个网格，每个网格丝线的直径约为40 μm，表面阻抗约为0.14Ω／m2。

（2）对于复合材料机舱，在其外壁上涂覆有一层厚度为40μm的导电漆，导电漆的各项性能参数如表1所示：

图5 直升机外壳的屏蔽效能曲线

图6 嵌入玻璃的金属丝网结构

表1 导电漆的主要性能参数

利用HFSS对直升机机舱的屏蔽效能进行仿真，仿真结果如图7所示。

由图7所示的仿真结果可以看出，对机舱上的门窗等开孔进行电磁加固处理后，机舱的屏蔽效能显著提高，在（0～30）MHz频段均有一定的屏蔽作用，低端（10 MHz以下）达到（30～55）dB；在高端，由于机舱谐振的影响，屏蔽效能逐步下降，但除掉谐振频率附近区域外，其他频段的屏蔽效能基本能达到20 dB左右。如果能在机舱内壁涂敷吸波材料对电磁波进行吸收，则又可以进一步改善屏蔽效果。

另外，从仿真结果还可以看出，使用导电涂料喷涂机舱外壳与使用理想金属导体作为外壳蒙皮两者得到的机舱屏蔽效能差别不明显。这说明，导电漆的导电率在一定范围内变化对机舱屏蔽效能影响不大，影响机舱屏蔽效能的主要因素不是舱壁渗透，而是门窗孔洞的泄漏。

由此可见，机舱上的门窗、观察窗等较大的开孔是电磁能量进入直升机的主要途径，要对直升机机舱进行电磁屏蔽处理，应将开孔的屏蔽问题作为重点。

4 结语

本文针对直升机机舱的电磁屏蔽效能进行了仿真研究，分别给出了不采取防护措施以及对直升机门窗等孔洞进行屏蔽处理2种情况下机舱的屏蔽效能仿真曲线，得到了一些初步的结论，认为影响机舱屏蔽效能的主要因素不是舱壁渗透，而是门窗孔洞的泄漏。因此，直升机的强电磁攻击防护除了做好“前门防护”外，机身门窗等开孔的屏蔽应作为重点，以尽可能减小进入机舱内部的脉冲攻击强度。