制导弹药中电引信磁电分布影响仿真方法

潘文庚，李 涛，徐劲松，刘文强

（空军勤务学院航空弹药系，江苏 徐州 221000）

0 前言

现代战争是信息化战争，敌我双方各种电磁辐射体数量不断增多，辐射功率也不断增强。随着引信逐步向智能化方向发展，各类新型电引信由于采用了大量的电子器件和电路等，随之产生了易受各种电磁脉冲武器和电磁环境干扰和毁伤问题；尤其近年各种大功率无线电发射设备的大量应用以及电子战的发展，武器系统周围的电磁环境愈加恶劣，给武器装备正常使用带来威胁。在制导弹药的储存、使用、部件安装与维护测试等作业过程中的电磁脉冲能量可以导致系统中的电子元器件失效或使电爆装置误动作；也可通过引信观察窗或电缆通孔等耦合至舱体内敏感元器件上，产生很强的感应电磁场而使其工作异常，性能降低或失效等。

1999年，齐杏林，刘尚合等对引信干扰的概念与特性进行了论述［1］；2005 年魏光辉，陈亚洲等人利用微波辐照对无线电引信影响与作用机理进行了研究［2］；2009年许滨等人作了某型弹药电磁耦合的仿真分析［3］。此前，还有很多学者在弹体及其他腔体对电磁场的屏蔽和耦合规律等方面做了大量工作，大多偏重于理论综述与部件试验测试，分析整体性能困难，对制导弹药特别是电引信部件等仿真文章甚少。为此，尝试用实体建模仿真方法研究弹药磁电影响规律对电磁兼容分析和提高防护能力等都有重要意义［3-7］。

1 基于FEKO 软件的磁电仿真方法

电磁场数值仿真计算在本质上讲，就是在不同的边界条件下求解麦克斯韦方程组。FEKO 软件是从严格的电磁场积分方程出发，以矩量法为基础，采用了多层快速多级子算法，在保持精度的前提下大大提高了计算效率；并将矩量法与高频分析方法（物理光学及一致性绕射理论）相结合，能精确地解决天线设计、雷达散射截面（RCS）和电磁兼容中的各类电磁场分析问题。对于电小结构的天线等电磁场问题，常采用完全的矩量法进行分析；对于电小与电大尺寸混合结构的电磁场问题，既可采用高效的多层快速多极子法，也可选用混合方法求解复杂介质体，已形成一套最完整的计算体系［5］。

基于FEKO 仿真软件特点，本人将多层快速多级子算法与高频分析方法相结合应用于制导弹药电磁场分析，提出了制导弹药中电引信磁电影响实体建模仿真方法，分析了电磁对引信性能的影响，研究了电引信在不同频率与不同电磁强度及其不同进入窗口下的电磁耦合能量变化和磁电分布影响规律，为进一步探究制导弹药磁电性能影响提供了参考方法。

2 仿真模型建立

任何一个电磁源都会产生扩散的电磁球面波，这种波在所有方向上传播。在任何一点都包含相互垂直的电场分量和磁场分量，并且都垂直于波的传播方向，相位相同，具有代表性的是正弦均匀平面电磁波，如图1所示。

图1 均匀正弦平面电磁波在理想介质中传播Fig.1 The sine plane electromagnetic waves of uniform in the ideal medium

正弦均匀平面电磁波是最基本、最简单的电磁波，许多复杂电磁波都可看作为若干个均匀平面电磁波的叠加。根据GJB1389A—2005规定，文中可采用平面电磁波作为模拟仿真激励源：

式中：k、r为向量。

引信由光学系统、电子线路、保险执行机构、化学热电池和扩爆管组成。某型弹药采用了红外被动式近炸引信，它利用光场的变化而获取红外目标信息使引信工作。引信作为独立舱段通过两个卡环分别与发动机舱和战斗部舱对接。为研究方便，将引信舱实体建模仿真，假定如下［7-8］：

1）弹体不能完全屏蔽外部的电磁脉冲，电磁脉冲能量可以通过孔缝耦合辐射进去，开有八个接收器窗口的引信舱是电磁耦合的主要部位。

2）弹体为理想薄壁导体，其模型如图2。光学系统由八个红外接收器组成，红外接收器分为两组，对称地交错排列在引信壳体的窗口内，从而使得引信舱体相应地开了8个小孔，如图3。坐标原点位于模型中心位置，引信舱长178mm、直径127mm，弹体轴坐标与z轴重合，在引信舱壳体上开8个对称交错成45°的35 mm×20 mm 的矩形孔，x 轴正方形靠下矩形孔坐标为x=63.5mm、y=-17.5～17.5mm、z=-45～-25 mm，上下矩形孔相差5mm。

3）在x 轴正方向加载电场强度1V／m、频率为2.0GHz的平面电磁波源（其数值可调整）。在x∈［-80，80］，y=0，z∈［-90，100］mm 的位置建立观察面。

图2 FEKO 中的弹体模型Fig.2 projectile model for the FEKO software

图3 引信舱模型Fig.3 The fuze cabin model

3 仿真结果及分析

3.1 引信舱体内外电磁能量变化情况

开有接收器窗口的引信舱体不能完全屏蔽外界的电磁源，在引信舱窗口附近，由于孔缝电磁耦合能量进引信舱体内，使引信舱有明显的电磁能量增大现象。当引信正方向加载电磁脉冲时，图4是引信舱体内部x=60mm、y=0、z=-90～100mm 与弹体外部x=65mm、y=0、z=-90～100mm 两条直线上的电场强度对比情况。可以看出，在z=-80、z=90mm 位置，弹腔体发生谐振产生了边缘效应，电场能量明显高于附近其他位置的电场能量；在z=-45～-15 mm 的位置，即引信窗口的位置处，弹体内部的电场能量明显大于外部的电场能量，发生了增强效应。发生这种现象的主要原因在于孔缝壁上积累了大量的电荷，这些电荷在孔缝附近辐射产生了很强的电磁场，导致增强效应的发生。对处在加电工作的引信，提高外来电磁辐射源功率并不会明显提高其误炸率，但其出现硬损伤的比例却会迅速上升。电磁辐射源功率很高时其作用主要以硬损伤为主，损伤阈值范围在140～150kW／m2，辐射功率相对较低时则以干扰或引信误炸为主，损伤阈值范围在100kW／m2。一般信息型干扰引信接收机工作时是通过天线“前门”耦合实施干扰时瞄准的是引信接收机的通频带，对引信易产生误动作或不能正常工作。功率型干扰引信与高功率大能量的电磁辐射源相联系。由于含有电子线路或电火工品的分系统，在引信全寿命期可通过天线“前门”耦合和孔缝、线路等“后门”耦合电磁能量到引信内，对引信干扰不只局限在引信的高频工作阶段，也能对储存、运输、待发及发射后未接电的引信干扰，其损坏或起爆与所耦合的能量有关［1-2］。

图4 引信舱体内外电场强度对比曲线Fig.4 The contrast curve ofinternal and external electric field intensity in the fuze

3.2 不同电磁脉冲频率对孔缝耦合的影响

为了研究不同电磁脉冲频率对电磁孔缝耦合能量的影响，施加一定电场强度，频率为0.1～30GHz的电磁激励源，在引信舱体取六个比较典型的观察点A、B、C、D、E、F，测得六个观测点的电场强度见表1和图5、图6。

表1 不同频率的原场电场强度在六个观察点的值Tab.1 Six points electric field intensity for different electromagnetic wave frequency V／m

图5 六个观察点在0.1～3GHz频率下的电场强度Fig.5 Six points electric field strength for 0.1～3GHz electromagnetic wave

图6 六个观察点在3～30GHz频率下的电场强度Fig.6 Six points electric field strength for 3～30GHz electromagnetic wave

从以上图表得知，在0.1～3GHz的频率段内，随着频率的增加，6个观察点的电场强度都在下降，其中A（60，0，-20）点由于是在孔的中心位置，下降最为明显，其次是位于孔边沿的F（60，0，-30）点；在3～30GHz的频率段内，6个观察点的电场强度变化都不大，只有F 点的电场强度有所变化。但是随着外扰电磁辐射源功率增大，开孔中心处的电磁强度干扰会增强很多，孔边沿的场强变化相对缓慢，且在不同的电磁波频谱会有明显差异。如射频源频谱在10 MHz～100 GHz 时，辐射功率可达100 MW～100GW。一般的军事目标都是红外辐射源，其频谱主要分布在近红外区，波长在0.75～10μm。对近炸引信具有定位精度高、作用距离大和抗人工有源干扰能力较强等优点，但对目标辐射的依赖性大，工作稳定性较差。而红外电磁干扰源、背景辐射包括太阳、云朵等对引信的干扰却很大。电磁频谱的变化会影响引信中光敏装置定向接收目标红外辐射转换成电信号的稳定性。对于无线电引信，引信低频组件的输入阻抗会相应提高，接收电磁脉冲的感应电压的能力增强，天线接收的电磁脉冲通过损坏的高频组件直接传导触发低频组件。在引信不加电的条件下，单纯从电磁波辐射中耦合的能量不足以导致引信意外发火，但会使引信起爆执行电路误动作而导致引信误炸发生［7］。

3.3 不同电磁强度对引信孔缝耦合的影响

对弹体施加频率为10GHz，原场电场强度分别为1～50V／m 的电磁激励源。得到引信舱体上6个不同的观察点A、B、C、D、E、F的数据见表2。

表2 10GHz的不同原场电场强度在不同观察点的值Tab.2 Electric field strength of different points with different original field value for 10GHz V／m

从表2可以发现，孔边沿的F 点（如原激励源50V／m 耦合后的场强变为53.2V／m）最强，超过原激励源的场强强度，这与孔洞边缘的场强反射叠加有关；处在孔的中心位置A 点（如原激励源50V／m 耦合后的场强变为46.4V／m）耦合后场强次之；其他点处的耦合后场强下降明显。随着外场电磁波强度的增强，六个观察点处的电场强度值都相应增加，也基本上成线性关系。据资料表明［2］：320kW／m2的能量可起爆执行电路直接导致无线电引信中的电点火头意外发火。因此，当外场电磁波激励源突然增强，通过“后门”的孔缝耦合到引信体的电磁能量会迅速直线上升，可使引信中的电子元件和电路工作产生误动作、近炸功能降低甚至早爆。

3.4 引信舱内缆线对电磁孔缝耦合的影响

假设引信舱内有金属导线，且为理想导体。导线的中心点与引信舱的中心点E（0，0，0）位置重合，导线半径为2mm，长100mm，导线轴线与弹体轴线重合，对弹体施加电场强度为1V／m，频率为1.2 GHz的电磁平面波。得到五个观察点在有无导线时的电场强度数据如表3。

表3 引信舱内有无导线时的电场强度Tab.3 The electric field intensity for a wire or not in fuze V／m

从表3可以看出，引信舱体内的观察点，在有无导线时的电场强度变化不大。由图7看出，当引信舱体内有导线时，导线上正对着孔口处场强比无导线时要高的多，峰值的场强达到了57.4V／m。

导线上下两端面的电场强度如图8所示，从图中可以发现导线xz 平面上的上下端面的电场强度有一定的数值差，这将会形成感应电流与感应电压，对周边的电子器件性能会产生干扰影响。

图7 有垂直引信矩形孔窗口长边导线时的电场强度与没有时的对比（y=0，x=20mm）Fig.7 The contrast of electric field intensity for a long wire vertical to rectangular slot or not in fuse（y=0，x=20mm）

图8 导线垂直引信矩形孔窗口长边时上下端面的电场强度（y=0，z=50mm；y=0，z=-50mm）Fig.8 The electric field intensity in two face for a long wire vertical to rectangular slot in fuze（y=0，z=50mm；y=0，z=-50mm）

为比较引信舱中横竖放置导线的区别，在腔体建立相同半径和长度，导线中心点在（0，0，-30）mm，平行于y 轴的水平导线，得到有无水平导线时的电场强度，如图9所示，在有平行引信矩形孔窗口长边导线时的左右端面的电场强度，如图10所示。

图9 舱体内有无平行于引信矩形孔窗口长边导线时的电场强度（x=0.2，z=-30mm）Fig.9 The electric field intensity of a long conductor parallel to rectangle slot or not in fuze cabin（x=0.2，z=-30mm）

图10 舱体内平行矩形孔窗口长边导线的左右端面电场强度（y=-50mm，z=-30mm；y=50mm，z=-30mm）Fig.10 The electric field intensity in about face of a long conductor parallel to the rectangle slot in fuze cabin（y=-50mm，z=-30mm；y=50mm，z=-30mm）

比较图7-图10 可以发现，引信舱中有导线时，对舱体中其他位置的电场强度影响不大，但在导线上耦合出很大的电场强度，如图9所示，导线两端有电场强度差，容易感应出电流；但放置平行于矩形孔窗口长边导线比放置垂直矩形孔窗口长边导线时的耦合强度要低的多。因此，对引信舱体内的电子布线时，应尽量平行于弹体轴线和矩形孔窗口长边。设计时应将敏感电子元器件避开电磁耦合能量较强处，合理设计可改善内部电路的电磁兼容性能。

3.5 不同孔缝形状的电磁耦合效应对比

为研究不同孔缝对舱体电磁耦合效应的影响，取相同面积下的矩形孔35mm×20mm、正方形孔26.48mm×26.48mm 和圆孔r=14.93 mm 作为比较研究。加载电场强度1V／m、频率2GHz的平面电磁波作为激励源。取引信舱体内部x=60，y=0，z=-90～100 mm 的一条直线上的等间距点作为观察点，得到同面积下的矩形孔、正方形孔和圆形孔的电场强度，如图11所示。三种孔形状的电磁耦合强度在z=-90～-60mm 和z=0～100mm 的位置段内，耦合场强基本一致。在z=-60～0mm的位置段内，三种孔的耦合场强都发生了变化，矩形孔处耦合场强最大而圆孔处最小，即矩形孔的耦合强度达到了1.92V／m，方孔处为1.62 V／m，圆孔处为1.29V／m。在引信研制生产过程中，不同引信体的抗电磁干扰能力相差很大，由此导致引信的电磁损伤阈值差异较大，有的电磁损伤阈值可相差数倍。因此在弾体或引信开孔时尽可能采用圆形孔，这有利于防护制导弹药外加电磁脉冲干扰与影响，从生产设计源头提高引信的抗电磁损伤能力。

图11 不同孔形状在舱体内（x=60mm，y=0）处的电场强度曲线Fig.11 The contrast of electric field intensity for different slot-shape in fuze cabin（x=60mm，y=0）

4 结论及建议

基于FEKO 电磁软件，对制导弹药中电引信磁电分布影响提出了实体建模仿真算法。通过仿真获得了如下结论：1）在弹体内部由于舱体壳层影响引信窗口处电场能量发生了增强效应，与文献［6］结论一致。该处电场强度增大明显，而引信体内部电场强度却有所衰减；不同的外加电磁脉冲频率与强度以及进入电磁脉冲的不同形状窗口对弹药内部电磁耦合能量也存在较大影响。2）引信舱观测窗附近有很强的电磁耦合能量，且耦合到引信舱内的能量与外加电磁脉冲能量成正比。舱体内缆线的横竖放置其电磁耦合能量有很大差异。引信观测窗处最大，在弹体内布置线路时，应尽量水平布线。内部电路应合理设计可改善的电磁兼容性能，可将敏感的电子元器件避开电磁耦合能量较强处。3）孔缝耦合是电磁脉冲进入引信舱体的主要通道。在孔缝附近有很高的电场，且电磁耦合能量随电磁频率升高而下降，应加强对低频电磁脉冲的防护。4）当孔缝面积相同时，矩形孔的耦合能量最大而圆形孔最小，设计可考虑采用圆形孔缝。仿真结果表明：利用FEKO软件对制导弹药电引信磁电分布影响仿真是可行的，可为其他弹药性能分析、引信设计改进及电磁防护研究等提供方法参考。

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