军用直升机抗强电磁攻击若干问题探讨

蒋海霞，白 俊，柳永祥，朱 磊

（1.解放军理工大学通信工程学院，江苏南京 210007；2.总参第六十三研究所，江苏南京 210007）

军用直升机抗强电磁攻击若干问题探讨

蒋海霞1，白 俊1，柳永祥2，朱 磊1

（1.解放军理工大学通信工程学院，江苏南京 210007；2.总参第六十三研究所，江苏南京 210007）

电磁脉冲武器的出现对大量装备多种电子设备的军用直升机构成了严重威胁，本文探讨了直升机的电磁防御设计的若干问题，主要包括机载电子设备的接地、飞机结构设计以及电子设备自身的容错设计等等，以求为直升机的强电磁攻击防护提供参考。

电磁脉冲；直升机；电磁防护

电磁脉冲武器是一种利用强电磁能量脉冲来对目标进行攻击的武器，其主要形式为核电磁脉冲武器、电磁脉冲炸弹以及高功率微波武器等等。这类武器不像常规动能武器依靠炸药爆炸产生的强大冲击波来对目标进行摧毁，而是以强电磁能量脉冲攻击对方的军用、民用各类电子设施。由于电磁脉冲频谱覆盖范围宽，脉冲能量几乎无孔不入，其强大的瞬时电磁场能够使一定范围内的各类电子设备无法正常工作，甚至造成难以修复的物理损坏。现代军用直升机采用了大量的通信、导航、侦察等先进电子设备，这些设备对于高能电磁脉冲武器的打击具有较强的易损性，直接影响到直升机作战能力的发挥。本文针对直升机在抗强电磁攻击设计以及各种机载设备的配备过程中应注意的若干问题进行了探讨，并提出了解决问题的途径。

1 总体考虑

同常规电磁兼容问题一样，直升机的电磁防御应在设计的初始阶段就给予充分考虑，这样可以最大限度地节省经费和整体优化设计。另外，防御的指导思想要从防止电子器件物理损坏提高到增强整体系统的鲁棒性上来，即：要充分加强各分系统的抗干扰与容错设计，综合利用各种防护措施，确保直升机在遭遇电磁脉冲攻击时不仅不会发生硬件损坏，还能够保持正常工作。

基于上述考虑，直升机的电磁防护设计应分为3个基本层次：1）机舱外壳屏蔽。有效减少进入机舱内部的电磁场能量，避免因高功率电磁场作用使得机舱内部出现非线性现象。2）设备机箱屏蔽。进一步减少进入设备内部的电磁能量，使其降到元器件毁伤门限之下。3）设备功能单元的综合防护设计。一方面是加强敏感元器件的防护，增强其抗脉冲干扰能力，另一方面是加强信号通路的容错设计，消除残余脉冲能量的影响。

各层之间的相互关系及主要防护点如图1所示。

防护的要点首先在于做好电磁屏蔽设计和各种连接线缆的传导干扰抑制，这是防止硬损伤的主要手段。其次，良好的PCB板级电磁兼容性设计以及信号容错设计是防止性能下降的必要措施。以下主要从这2方面阐述直升机抗强电磁攻击设计应注意的问题。

2 直升机外壳与系统接地

具有一定屏蔽能力的机舱外壳对于保护舱内人员免受高功率电磁武器的直接照射以及减轻各种机载设备防护压力有着重要意义。因此，从电磁防护的角度出发，在直升机设计中舱体材料应该使用导电能力好的金属材料，或者至少具有连续导电能力的导电涂敷层。然而随着强度高、重量轻的复合有机材料广泛应用，很多直升机设计者倾向于尽可能地使用复合材料替代金属制作机舱外壳，因为这样可以大幅度减轻飞机自重，并且复合材料成本低廉、加工、成型非常容易。电磁脉冲武器的出现给这种思想敲响警钟，在对军用直升机进行结构设计时，不仅要考虑重量、强度、电源供电等问题，还要根据电磁脉冲武器带来的新威胁作出相应调整。

图1 直升机电磁防护拓扑结构

根据计算机仿真结果以及国外相关研究成果［1］，采用金属材料制作的直升机机舱对电磁波的屏蔽效能在10 GHz以下的某一频段内最差时只有几个分贝，如图2所示，不足以提供足够的屏蔽能力以抵抗高强度电磁能量的攻击。

图2 直升机外壳的屏蔽效能曲线

仿真结果表明，如果直升机的机舱外壳采用导电性好的金属材料包覆，玻璃窗采用夹芯金属丝网玻璃，舱门缝隙利用高强度导电胶条密封，使整个飞机外表面形成一个连续的导电面，经过这样的处理后，直升机机舱的屏蔽效能可在图2的基础上提高10～20 dB，在10 GHz以下频段范围内可达到20～60 d B（在机舱谐振频率附近可能会低于该数值，可在机舱内壁涂敷吸波材料减轻谐振的影响）。

为进一步减弱外部强电磁脉冲对内部设备的影响，应考虑机载设备接地面的屏蔽问题。机载设备的接地平面不应和作为屏蔽层的外壳连接在一起，以防止屏蔽层上感应产生的尖峰电流通过接地线损坏设备内部元件。可考虑将机舱内、外壁均进行导电处理，外层作为屏蔽层，内层作为公共接地平面，内外导电层之间只在某些远离设备安装点的地方使用多个大电流浪涌抑制器或电感连接，以消除内外层之间由于静电积累造成的电位差。这样一方面可以减小设备接地平面感应尖峰电流的影响，另一方面相当于增加了一层屏蔽层，提高了机舱整体的屏蔽效能。在具体设计中还需要根据机身重量、天线安装等各项要求综合权衡。

3 相关标准的补充

各电子设备在交付使用前必须经过严格的电磁辐射敏感度测试，达到要求的才允许上机。

我军现有的国家军用标准GJB 151A－1997和GJB 152A－1997中对军用电子设备和系统发射和敏感度性能及测试方法给出了相关规定［2－3］，其中关于强电磁脉冲相关的测试项目有3项。

1）CS115：电缆束脉冲激励传导敏感度，模拟强电磁脉冲在设备电缆上产生的瞬态电流对设备的冲击。

2）CS116：10 k Hz～100 MHz电缆和电源线阻尼正弦瞬变传导敏感度，模拟强电磁脉冲照射下，由于电缆固有谐振而在电缆接口处产生的共模干扰。

3）RS105：瞬变电磁场辐射敏感度，模拟核电磁脉冲照射对设备的影响。

显然，上述两个标准中缺少当设备受到高功率微波（HPM）波束照射时的极限值。另外，RS103（10 k Hz～40 GHz电场辐射敏感度）中规定的环境极限电场强度值相对于HPM照射下设备所处环境电场强度值要低得多。在标准尚不完善的情况下，可考虑暂时借鉴美国军标MIL-STD-464A中关于旋翼飞机外部电磁环境限定值的有关规定［4］，并作为RS103的补充。具体见表1。

表1 MIL-STD-464A中关于旋翼飞机外部电磁环境的有关限定值

军标规定的各项限定值只是针对战时电磁环境的一般情况，满足这些规定的电子设备能够在大多数情况下正常工作，在遭受电磁强攻击时，没有经过专门电磁加固的设备很难维持正常工作。因此应根据设备的作战用途及所要求的电磁防护等级，执行相应的测试。

为增强设备在电磁强攻击条件下的鲁棒性，应注意从设备设计阶段就要考虑电磁防护要求，在结构设计、线缆安排、PCB布局等方面充分考虑防强电磁干扰的问题，对重点器件（如CPU，RAM以及ROM等）进行重点防护。

另外在信号设计方面，应加强信号容错、纠错设计，其依据就是电磁脉冲攻击的短时性。电磁脉冲的持续时间一般在微秒级，电子系统被脉冲照射后，根据被照射系统的内部电路特性及外部环境，在其内部信号通路上会激励出时间长短不一的衰减正弦波［5］：

式中：ωi是谐振角频率，ωi的大小以及数目跟系统的几何结构以及电气连接均有关系；Vi为对应不同谐振频率的最大感应电压；αi是衰减因子，它跟相应谐振回路的品质因素以及谐振频率有关。典型的响应为多个不同谐振频率成份的组合。

对于通信设备而言，当信息速率较低时，每一个信息元持续的时间较长，若上述衰减正弦波持续的时间远小于码元宽度，则不会形成误码。因此适当降低数据传输速率，可以在一定程度上提高通信系统受到强电磁攻击时的鲁棒性。

低速传输系统较强的抗脉冲干扰能力还可以推广到其他方面，例如航电及武器系统中经常要用到一种数控电子开关，如图3所示。

当控制端为高电平时，输入输出之间导通，为低电平则断开。这种数控开关非常灵敏，只要检测到控制端电平超过一定门限，开关马上就会导通，当然，如果控制端上由于受强电磁脉冲影响而感应产生幅度足够大的信号，开关也会毫不犹豫地导通，如果正好这个开关控制的是一个导弹发射信号，那将会产生难以预料的后果。

图3 数控开关和温控开关

将该开关改成图3b）所示的温控开关，输入的控制电平用来使电热器件发热，而在电子开关的控制端通过温度传感器检测电热器件温度变化，只有当电热器件温度超过指定门限值时才使开关导通。由于强电磁脉冲照射而感应产生的电流持续时间都非常短，其能量不足以使电热器件的温度升高到门限值，因此也不会造成开关误触发。

除了采用低速策略外，还可以综合利用各种信号处理技术，例如纠错编码、信号变换等等，配合攻击检测机制，只有检测到系统遭受电磁脉冲攻击才启动这些措施，这样可将采取这些措施所付出的代价降至最小。

4 天线及各种线缆

各种长度大于1 m的信号线、天线馈线可考虑使用光纤代替，通信设备可将功放与主机分离，二者之间通过光纤连接，功放部分靠近天线，并进行专门的电磁防护设计：天线馈线进入屏蔽层的入口处要处理好两个方面的问题，其一是馈线外层与飞机屏蔽层的连接应符合EMC的相关要求，确保屏蔽层完整；其二是必须使用合适的尖峰电流抑制器件（如瞬态抑制二极管等），以减小甚至消除馈线芯线上可能通过的高峰值脉冲电流，防止对后级电路造成损坏。

较长的控制信号线一般不适合于用光纤替代，设计过程中应遵循以下原则。

1）慢速控制 在所要求的响应时间内，尽量使用低速的、具有积分特性的控制电路，这样可以消除高强度的短时脉冲带来的干扰。

2）吸收滤波 采用铁氧体、穿心滤波器等EMI抑制器件对控制线上可能感应的干扰电流进行抑制。

3）独立回路 每根控制线应尽量采用单独的回路，即控制线应成对出现，各对线采用差分双绞线形式。

电源地线与公共接地面仅在供电电源安装处相连，即供电电源的回流不通过公共接地面，这一点是从抑制地线耦合的角度考虑的。

5 燃油系统

飞机的燃油箱既有复合材料，也有金属材料，金属材料的箱体在防电磁攻击方面有天然优势，只要确保箱体导电连续性以及与输入输出金属油管之间搭接良好，就可以达到很好的防护性能。但是对于复合材料制成的燃油箱，在强电磁能量作用下，金属输油管道与油箱的结合处有可能发生电弧放电，甚至油箱附近的突出导电体也会产生电弧放电穿过油箱。如果此时燃油箱内存在油气混合物，则极有可能发生爆炸。因此强烈建议使用金属材料制作油箱，或者使用良导体蒙皮对油箱进行无缝包覆，并且要确保输油管与箱体导电层之间接触良好。

燃油输送管道大都采用高强度的合金制成，具有较好的导电性能。防护重点在于确保各段管线之间的导电搭接良好，以及输油管与其周围10 cm以内的金属突出物导电搭接良好，杜绝非线性电弧放电引起不必要的麻烦，具体操作要求可参照相关国军标执行［6－7］。

6 结 语

直升机的电磁防护研究是一门交叉学科，涉及到飞机设计与制造、作战使用、电磁场理论、电磁兼容、材料科学、半导体理论以及信息处理等等，是一项复杂的系统工程。本文在这方面作了一些初步的探讨，希望能够起到抛砖引玉的作用，以尽快提高我军直升机在未来信息化战争中的生存能力。

［1］ ANDREW S.Podgorski，Composite Electromagnetic Pulse Threat［A］.IEEE International Symposium on EMC［C］.［S.l.］：［s.n.］，1990.

［2］ GJB 151A－1997，军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求［S］.

［3］ GJB 152A－1997，军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量［S］.

［4］ MIL-STD 464A—2002，Electromagnetic Environmental Effects Requirements For Systems［S］.

［5］ BALRAM P，SURESH BABU B N.EMP effects on the performance of a direct sequence spread-spectrum communication system［A］.IEEE Trans on Comm［C］.［S.l.］：［s.n.］，1984.1 251-1 259.

［6］ GJB 2639－1996，军用飞机雷电防护［S］.

［7］ GJB 358－1987，军用飞机电搭接技术要求［S］.

O441

A

1008-1542（2011）07-0197-04

2011-06-20；责任编辑:冯 民

蒋海霞（1974-），女，江苏淮阴人，讲师，主要从事军事通信抗干扰技术、数字通信技术方面的研究。