复杂环境下的弹药仓库电磁防护分析*

潘文庚，孔凡成，张洪海，黄强，晋耀

(空军勤务学院 航空弹药系，江苏 徐州　221002)



综合保障性技术

复杂环境下的弹药仓库电磁防护分析*

潘文庚，孔凡成，张洪海，黄强，晋耀

(空军勤务学院 航空弹药系，江苏 徐州221002)

摘要：基于FEKO软件构建了弹药仓库电磁屏蔽仿真模型，对弹药库墙体、钢筋网及电磁涂层等的电磁脉冲屏蔽效能的影响进行了研究，得出了一些有价值的规律与结论。仿真表明：在混凝土中添加碳粉、钢纤维等导电材料可显著提高电磁场高频屏蔽效能，但对低频电磁场影响不大；金属涂层与电导率低的复合涂层具有较高的屏蔽效能，随着外部电磁场频率和强度加大，喷有导电涂料的混凝土墙体，屏蔽效应明显增强。对于孔缝屏蔽效能总体是逐渐降低的，但在0.7～0.8 GBZ处发生谐振，屏蔽效能最差；钢筋直径与钢筋网格尺寸及组网方式、孔缝形状和大小都对库房的屏蔽效能都有不同程度的影响，为弹药库房电磁防护提供了方法参考与有益尝试。

关键词：弹药仓库；钢混墙体；电磁环境；屏蔽效能；电磁防护；仿真

0引言

现代信息化战争中电子对抗干扰贯穿于战争始终，复杂多变的电磁环境不仅影响弹药装备的作战效能，而且直接威胁弹药仓库的战场生存。在弹药的各个勤务处理环节中，造成弹药及其组件燃烧、爆炸，甚至人员伤亡的案例屡见不鲜，特别是大量电磁脉冲武器的使用对弹药仓库威胁很大。美军在1991年海湾战争期间使用过具有电磁脉冲破坏效能的巡航导弹，1999年科索沃战争中再度使用了电磁脉冲炸弹，使半径数十千米范围内的几乎所有的电子设备无法正常工作、修复甚至引爆弹药。目前弹药库房的温湿度调控以及防火防盗措施研究很多，但应对复杂电磁环境下的弹药磁电安全防护研究有限。为确保弹药装备贮存安全，适应未来信息化战争的装备保障需求，必须对旧弹药库房进行技术化改造或建设新库房，已成为当今弹药仓库安全管理中亟待解决的一项重大课题[1-4]。

2002年，易韵等[5]采用时域有限差分法，分析了常用地下建筑工程钢筋混凝土层对高功率电磁环境的屏蔽效能，研究了钢筋网连接方式、自然防护层等因素对屏蔽效能的影响；2006年，陈彬等[6]建立了简化的计算模型，运用时域有限差分法计算了金属门的屏蔽效能；2007年，左跃等[7]分析了电磁屏蔽材料的屏蔽机理和吸波材料的吸波机理，探讨了水泥基电磁屏蔽材料与吸波材料的设计原理，提出了水泥基电磁屏蔽材料与吸波材料今后的研究方向；2008年，徐磊等[8]分析了复杂电磁环境下战略后方仓库面临的安全挑战，提出了有效的防护措施；2009年，吕楠等[9]从理论上探讨了混凝土对电磁波屏蔽效能的潜在规律。此前，还有很多学者在弹体、引信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，对弹药仓库等的研究甚少。为此尝试用实体建模仿真方法研究弹药仓库磁电影响规律和防护具有重要意义[10-12]。

FEKO是复杂形状三维结构的电磁场分析软件，可以解决复杂结构的电磁问题，在保持精度的前提下大大提高了计算效率，使得精确仿真电大尺寸物体的电磁辐射和散射问题成为可能。它以矩量法为基础，采用了多级子算法，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、雷达散射截面和电磁兼容中的各类电磁场分析问题。基于FEKO仿真软件特点，本文将矩量法与高频分析方法相结合，提出了弹药仓库防护建模仿真方法，分析了弹药仓库在不同频率、涂层材料及其各形窗口下的电磁屏蔽效能影响和磁电分布影响规律，为进一步探究弹药贮存及其磁电防护影响提供了参考方法。

1电磁屏蔽原理

电磁屏蔽是利用屏蔽体对电磁能量的反射、吸收和引导作用将屏蔽区域与其他区域分开，是电屏蔽和磁屏蔽的结合。在近场条件下，对于高电压、小电流的干扰源，近场以电场为主；而对于低电压、大电流的干扰源，近场以磁场为主。在远场条件下，不论干扰源特性如何，均可看作平面波电磁场。其电磁能量有3种不同的衰减机理：①在入射表面的反射衰减；②被屏蔽材料吸收的衰减；③在屏蔽材料体内部的多次反射衰减。对于远场而言，电磁场是统一的整体，即电场屏蔽效能和磁场屏蔽效能是一致的，统称电磁屏蔽效能。分贝值越大表明屏蔽效果越好，屏蔽效能的分级标准如表1所列。一般民用设施所需的屏蔽效能为35～65dB；军用设备所需的屏蔽效能为60～100dB。在30MBZ～1GBZ范围内，屏蔽效果在35dB以上被认为是有效屏蔽[13-15]。

表1　屏蔽效能的分级标准

把金属板电磁屏蔽体假定在金属板上不存在任何孔洞、缝隙等电气不连续点。根据Schelkunoff理论，屏蔽效能为电磁能量被屏蔽层反射、吸收及多次反射之和，可表示为

SE=R+A+B，

式中：R为反射损耗；A为吸收损耗(dB)；B为多次反射损耗。

其中，吸收损耗A可表示为

A=8.686L/σ，

2弹药库房电磁防护性能分析

2.1混凝土墙体的电磁屏蔽效能分析

为简化模型计算，外部加载电场强度均为1V/m的平面电磁波，意在探讨其电磁屏蔽规律。弹药仓库大多是混凝土墙体结构，建立混凝土墙体模型(对于平面墙体，取样大小对计算结果影响不大，取样计算中采取智能网格划分。当然网格越小越精确，那就越接近真实值)：长宽为1 000cm×1 000cm，厚度为25cm，模型中混凝土参数[9，11]为εr=8.0，σ=10-3S/m，面向墙体沿x轴负方向加载电场强度为1V/m的平面电磁波，极化方向为z轴，对低频30kBZ和高频300MBZ2种情况进行仿真，取墙体后10cm处为观察面，所得结果混凝土对低频电场和磁场能量的屏蔽效能普遍较低，对高频电场和磁场能量的屏蔽效能较好。对掺杂碳粉、钢纤维等导电材料的混凝土墙体和普通混凝土墙体分别进行仿真，比较其屏蔽效能，选择掺杂导电材料混凝土的参数为εr=8.0，σ=10-2S/m。对2种墙体建立模型，长宽为1 000cm×1 000cm，厚度为25cm，面向墙体加载1V/m的平面电磁波，频率设置为低频10～100kBZ和高频0.1～1GBZ2个频段，在沿x轴负方向距墙体5cm处取观察点，如图1为添加导电涂料混凝土对高频的屏蔽效能。普通混凝土墙体及添加导电涂料混凝土仿真结果都表明：混凝土对电磁场中电场部分的屏蔽效能较低，对磁场部分有较高的屏蔽效能；混凝土对低频电磁场的屏蔽效能要高于对高频电磁场的屏蔽效能；在混凝土中添加碳粉、钢纤维等导电材料可显著提高混凝土对高频电磁场的屏蔽效能，但对低频电磁场影响不大。低频段处，添有某导电涂料的混凝土与普通添混凝土比较，总体在20dB/m基线上，在60kBZ处有突越变化；较高频段处，添有导电涂料的混凝土与普通添混凝土比较，屏蔽效能有明显效应。理论上在30MBZ～1GBZ范围内，屏蔽效果在35dB以上被认为是有效屏蔽。由于外部加载电场强度为1V/m的平面电磁波，此处的屏蔽效能最大约在20dB左右，但随着外部复杂电磁场强度加大，其相应的屏蔽效能会更加显著。

图1　添加导电涂料混凝土对高频的屏蔽效能Fig. 1　Shielding effectiveness of high frequency on concrete with conductive coating

2.2钢筋网的电磁屏蔽效能分析

钢筋直径、钢筋网格尺寸和混凝土特性等因素对屏蔽效能都有较大影响。钢筋的网格很大时对小间保护的屏蔽效能很低，实际工程中常采用钢筋较小的网格设计。钢筋作为一种铁磁性材料，其相对磁导率随电磁波频率增加而下降，虽然钢的电导率比铜或铝低，但钢筋在低频范围内可提供更高的磁屏蔽性能。要保证具有良好的屏蔽效果，工程上对钢筋的技术要求是一般应采用不小于直径8mm的圆钢焊接成不大于500mm× 500mm的网格并与主钢筋相连，门窗采用截面不小于9mm2，网孔不小于80mm×80mm的铝合金网，并用不小于16mm2的软铜线与地网或屏蔽层可靠相连。而钢筋表面一般要防锈处理，屏蔽效能要求不太高的情况下，可采用镀锌等方法对钢筋做适当处理，可通过电磁计量仪测量判断是否可用。本文建立3个钢筋网电磁屏蔽效能模型仅做探讨，模型A(钢筋半径r为1cm，网格大小b为10cm)，模型B(钢筋半径r为0.5cm，网格大小b为10cm)，模型C(钢筋半径r为0.5cm，网格大小b为20cm)。对3种模型加载1V/m的平面电磁波，对高频0.1～1GBZ和低频10～100kBZ2个频段进行仿真，观察点设在钢筋网后5cm处。如图2为模型A在高频和低频情况下的屏蔽效能。3个模型仿真表明：钢筋网对电磁波有一定的屏蔽作用，其屏蔽效能与网筋网格尺寸、钢筋直径和入射频率有关。一般情况下，较小的钢筋网格尺寸和较大的钢筋直径可以提供较高的屏蔽效能，特别是网格尺寸对屏蔽效能的影响十分显著。高频情况下，屏蔽效能随频率的增加而逐渐降低；低频情况下，屏蔽效能保持稳定，基本不随频率的变化而变化。

图2　模型A在高频和低频情况下的屏蔽效能Fig. 2　Shielding effectiveness on model A under the condition of high and low frequency

2.3屏蔽涂层的电磁屏蔽效能分析

由于镍粉、银粉或镀银的电阻率小于一定值时有导电率高，良好的化学稳定性， 表面不易氧化和锈蚀以及抗迁移能力强等特点，通常用来制成具有屏蔽功能的抗电磁涂料。但这些金属涂料经济成本较高，如能制成镍包或银包铜粉涂料则具有良好的经济价值，可广泛用于导电胶、导电涂料、导电、导静电涂料以及各种电磁屏蔽、非导电性物质表面金属化处理等工业。为了简便起见，采用典型的金属涂层粉末：镍粉、银粉和镀银(5%，质量分数)铜粉作为研究对象，研究不同涂层的屏蔽效能，具有一定的工程意义。电磁参数如表2所示。

表2　3种金属材料相对电导率

设涂(喷)层厚度为0.2cm，加载电场强度为1V/m的平面电磁波，极化方向为z轴，频率设置为0.1～1GBZ，在涂层后15cm处设立观察点进行仿真分析。在相同频域区间，加有粉末镍粉、银粉和镀银的涂层(纯度为99.99%，平均粒径为5nm)由0.1GBZ到1GBZ的过程中，均在0.7GBZ屏蔽效能最好，在-26～ -31dB，银粉相对效果更强，然后都逐渐转弱。

以银粉涂层为参考建立涂层模型研究涂层厚度对屏蔽效能的影响，将模型中的涂层厚度分别设为d=0.2cm和d=0.4cm，在同样的条件下进行仿真，不同厚度下Ag涂层的屏蔽效能也是均在0.7GBZ屏蔽效能最好，如图3是d=0.4cm时Ag涂层的屏蔽效能。以某银粉涂层和镍粉涂层建立复合涂层模型研究其屏蔽效能，模型A为银粉涂层在外侧，模型B为镍粉涂层在外侧，在同样的条件下进行仿真，如图4所示。为不同顺序复合涂层的屏蔽效能。仿真结果表明：金属涂层的屏蔽效能总体较高，在厚度相同的条件下，不同填料涂层的屏蔽效能不同，在选用的3种填料涂层中，银粉涂层的屏蔽效能较高，镀银铜粉的屏蔽效能次之，镍粉的屏蔽效能最低，屏蔽效能随着电导率的增加而逐渐增大；不同厚度的同种涂层屏蔽效能也不同，随着厚度的增加，屏蔽效能逐渐增大；复合屏蔽涂层的顺序不同，其屏蔽效能也有很大的不同，高电导率涂层在外侧时的屏蔽效能较低，低电导率涂层在外侧时的屏蔽效能较高，且要高于复合涂层中同厚度的任一涂层。

图3　d=0.04 cm时Ag涂层的屏蔽效能Fig.3　Shielding effectiveness of Ag coating in d=0.04 cm

图4　镍粉涂层在外侧的屏蔽效能Fig. 4　Shielding effectiveness of nickel coating on the outside

2.4孔洞和缝隙的电磁屏蔽效能分析

(1) 孔洞和缝隙对屏蔽效能的影响

由于弹药仓库、弹药包装和弹体本身以及一些电子设备都存在着不同的孔缝，分别建立3个立方体腔体模型30cm×30cm×30cm，厚度为1cm，模型A为全封闭腔体，模型B为有方孔(4cm×4cm)腔体，模型C为有缝隙(24cm×0.6cm)腔体，设屏蔽腔体为理想完全导体。对孔洞和缝隙的模型加载电场强度为1V/m的平面电磁波，极化方向为z轴，设置频率为0.6GBZ，在模型中的Oyz平面上取腔体截面作仿真计算，仿真结果表明：孔洞和缝隙的存在大大影响了屏蔽体的屏蔽效能，其中孔洞的影响比较大，缝隙的影响略小；电磁波通过孔洞和缝隙耦合进入腔体内，场强分布不均匀，具体表现为：在y轴方向上，中间的场强大，屏蔽效能低，两侧的场强小，屏蔽效能高。随着外部复杂电磁场强度加大，其相应的屏蔽效能会更加显著。

(2) 孔洞的屏蔽效能仿真分析

按同样尺寸建立屏蔽腔体模型，模型A为正方形孔(4cm×4cm)腔体，模型B为长方形孔(8cm×2cm)腔体，模型C为圆形孔(半径2.5cm)腔体。为了研究方便，假设孔洞位于屏蔽腔体侧面的正中心位置，面向腔体沿x轴负方向加载电场强度1V/m的平面电磁波，极化方向为z轴，设置频率为0.3GBZ～1GBZ，在3个孔洞模型中的x轴上设定3处观察点，依次为距离孔洞5cm处、腔体中心、距离孔洞25cm处，坐标依次为A(10，0，0)，B(0，0，0)，C(-10，0，0)，如图5 为B(0，0，0)点时不同频率下孔洞腔体的屏蔽效能。所有选点的仿真表明：不同孔洞对电磁波的屏蔽效能不同，在开孔面积相同的情况下，矩形孔的屏蔽效能是最差的，其次是方形孔，屏蔽效能最好的是圆形孔，与实测现象相符；随着与孔洞之间距离的增大，场强逐渐变小，屏蔽效能逐渐增大；对于不同频率的电磁波，屏蔽效能也不同，随着频率的增大，屏蔽效能逐渐减小，并在0.7GBZ和0.8GBZ之间产生谐振，在谐振点处的屏蔽效果最差。

图5　B(0，0，0)点时，不同频率下孔洞腔体的屏蔽效能Fig. 5　Shielding effectiveness of hole cavity underdifferent frequencies at B (0,0,0)

(3) 缝隙的屏蔽效能仿真分析

建立同样尺寸的立方体屏蔽腔体模型，在屏蔽腔体侧面的正中心位置，建立不同类型的缝隙，分别为模型A(24cm×0.6cm)、模型B(12cm×0.6cm)、模型C(12cm×0.2cm)。面向腔体，沿x轴负方向加载电场强度1V/m的平面电磁波，极化方向为z轴，设置频率为0.3 ～1GBZ，在模型的中心(坐标原点)处设置近场求解点进行仿真，可以得到3种模型在不同频率下不同缝隙的屏蔽效能的变化，在0.3～1.0GBZ频变过程中，发现在0.7～0.8GBZ处达到高点，左右两侧成斜坡状。仿真结果表明：屏蔽体的孔缝尺寸不同，屏蔽效能也不同，缝隙的长度越长，宽度越宽，屏蔽效能越差；缝隙对不同频率电磁波的屏蔽效能不同，屏蔽效能随着频率的增加而减小，并在0.7～0.8GBZ处产生谐振，使得屏蔽效能大大降低，与实际估算基本一致。

3结论

为应对未来信息化战争日益复杂的电磁干扰和攻击，从弹药仓库储存的实际出发，运用FEKO软件分别对弹药库房电磁防护效能规律进行了分析，结论如下：

(1) 混凝土对电磁场中的磁场部分有较高的屏蔽效能，且对低频电磁场的屏蔽效能要强于高频电磁场；在混凝土中添加碳粉、钢纤维等导电材料可显著提高混凝土对高频电磁场的屏蔽效能，但随着外部电磁场强度加大，其相应的屏蔽效能会更加显著。

(2) 钢筋网可以弥补混凝土对电磁波屏蔽效能不高的不足，网格尺寸和钢筋直径是影响其屏蔽效能的关键因素；高频情况下，屏蔽效能随电磁波频率的增加而逐渐降低；低频情况下，屏蔽效能相对保持稳定。

(3) 金属涂层厚度和材质对电磁波屏蔽效能有较大影响；在选用填料涂层厚度相同条件下，不同涂层的屏蔽效能有显著差异；研究发现：银粉涂层的屏蔽效能较高，镀银铜粉涂层的屏蔽效能次之，镍粉涂层的屏蔽效能最低，屏蔽效能随着电导率增大而逐渐变大；不同厚度的同种涂层屏蔽效能也不同，随着厚度增大，屏蔽效能逐渐变大。

(4) 填料涂层顺序对屏蔽效能差异很大。高电导率涂层在外侧时的屏蔽效能较低，低电导率涂层在外侧时的屏蔽效能较高，一般高于复合涂层中同厚度的任何涂层；对复合涂层，应将电导率低的涂层置于外侧可以得到较高的屏蔽效能。

(5) 孔缝的存在会大大降低屏蔽体的屏蔽效能，其屏蔽效能随电磁波源频率增加而逐渐降低，在0.7～0.8GBZ处发生谐振，屏蔽效能最差；对于面积相同的不同孔洞的屏蔽效能有差异，圆孔屏蔽效能最好，方孔次之，长方孔最次；且缝隙长宽度越大其屏蔽效能越差，与实测规律基本相符[11,13]。为新型弹药储存、新旧库房建设或改造等提供了理论研究与技术方法支撑。

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Magnetoelectric Protection of Ammunition Depot underComplexEnvironment

PAN Wen-geng， KONG Fan-cheng， ZHANG Hong-hai， HUANG Qiang， JIN Yao

( Air Force Logistics College，Department of Aviation Ammunition， Jiangsu Xuzhou 221002， China)

Abstract:An electromagnetic shielding model on ammunition depot is built with FEKO software. Some valuable rules and conclusions about the shielding effectiveness of ammunition wall, steel mesh and its electromagnetic coating against electromagnetic pulse are obtained. Simulation results show that concrete with carbon powder, steel fiber and other conductive materials can significantly increase its shielding effectiveness against high frequency electromagnetic field but has little effect on the shielding effectiveness against low frequency electromagnetic field. It has higher shielding effectiveness with metal coating and the composite coating with low electrical conductivity. With the increase of external electromagnetic field frequency and strength, the shielding effectiveness increases obviously in concrete wall with conductive coating. The overall shielding effectiveness of the wall with slots reduces gradually. But the shielding effectiveness is the worst at 0.7 ～ 0.8 GBZ in resonance. The diameter of reinforced steel, the size of reinforced steel mesh, the networking mode, and the shape and the size of slot are of greater effects on the shielding effectiveness of the depot. Some technical support and methods are proposed for the ammunition electromagnetic protection research.

Key words:ammunition depot； steelmesh wall； electromagnetic environment； shielding effectiveness； electromagnetic protection； simulation

*收稿日期：2015-04-28；修回日期：2015-07-21

作者简介：潘文庚(1964-)，男，江西宜春人。副教授，博士，研究方向为弹药工程。

通信地址：221002江苏徐州市鼓楼区西阁街85号航弹系E-mail：shuangjianggood@163.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.025

中图分类号：TN972；TP391.9；O441

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-03-0154-07