一种舰载武器系统的防雷能力分析

郭娟娟，杜 哲，杜江鹏，王 皓，邵志江

(1. 中国人民解放军91550部队43分队，辽宁 大连 116023；2. 上海机电工程研究所，上海 201109)

0 引 言

水面舰船作为海面制高点，极易受到雷击伤害。我国南海海域是全世界雷击密度最高的区域之一。2015年，某舰雷达侦察系统、通信侦察分系统、某型搜索雷达、红外警戒设备、舰用移动电台、气象观测设备、短波综合通信系统发信机等就曾遭受一定的雷击损坏。2016年，另一艘舰再次遭遇雷击，造成雷达天线器件直接损毁。

目前雷击的危害主要发生在电子设备上，特别是雷达发射机和接收机，然而针对武器系统的雷击分析也至关重要。因为一旦发生雷击感应电流引发武器弹药的爆炸事件，将导致全舰舰毁人亡的重大安全事故。

舰载武器系统包含舰空武器、舰舰武器、反潜武器、干扰及诱饵武器等，安装位置遍布舱内、舷外和甲板，安装方式既有垂直安放也有倾斜安放。直观地从全舰缩比模型试验来看，即使是布置在甲板下的武器装备，同样也存在一定的雷击风险，而舷外和后甲板上的装备遭受雷击的概率则更大。

为突出重点，本文以一种舰载武器系统为例进行分析，主要考虑甲板外发射装置(内含导弹)和甲板下控制装置，暂不考虑与武器装备有关的目标探测、跟踪、制导等雷达和无线电设备。

1 雷电电磁脉冲危害分析

1.1 雷击环境条件简介

雷电一般分为直击雷、感应雷和球形雷，其中感应雷又包含未达到击穿条件的静感应雷和直击雷泄放后造成的电离子冲击感应雷[1]。雷电电磁脉冲的效应主要为雷电放电时产生的电流瞬变和强电磁场辐射。直击雷可能会顶部放电，也可能会侧方放电，其破坏效应包括电弧附着时的直接效应和感应脉冲引起的过压或过流对电子电气设备的间接效应。针对直击雷，传统的防护措施主要为通过“接闪器(引雷器)+引下线+接地装置”形成电流泄放通道。针对感应雷，主要使用避雷器(脉冲防护器)进行防护。避雷器的主要工作原理是检测到一定的感应电压或者感应电流后，防雷设备电路瞬间接通，形成低阻抗通路对雷电的电磁脉冲能量进行旁路泄放。

GJB 1389A—2013《系统电磁兼容性要求》对雷击环境条件的说明主要通过吸收美军标而形成[2]。典型电磁脉冲的频谱分布见图1[3]。

图1 典型电磁脉冲频谱分布Fig.1 Spectrum distribution of typical electromagnetic pulse

1.2 雷击区域划分

按规范，舰船顶部都安装有避雷针或者其他避雷装置，包括直击雷避雷针、可控避雷针、预放电避雷针以及特殊放电避雷针。避雷针又称引雷针，特别是直击雷避雷针，是舰船上普遍安装的避雷装置。而特殊放电避雷针与直击雷避雷针不同，主要针对的是气罐、油储等特殊装置[4]。可控和预放电避雷针则配合雷电监测设备一起使用。

进行雷击分析时，首先由舰总体按照滚球法或者折线法等方法对避雷针的保护区域进行划分。一般舰上区域被划分为：直击雷保护区、直击雷非保护区和舱室雷电防护区。假设该武器系统发射架安装于舰艇尾部01甲板，直升机起降平台前方，指向舰艉方向。按照本方法划分，其位置处于直击雷非保护区，因此该武器系统可能经受直击雷引起的直接和间接效应损害，也可能经受感应雷损害。舰船露天设备布置示意图如图2所示。

图2 舰船露天设备布置示意图Fig.2 Layout of the ship’s open air equipments

2 雷击对武器系统的影响和防护分析

依据电磁脉冲对舰载设备损害机理的分析，雷电对该武器系统及发射装置的损伤要素与防护方法[3]见表1。其中电磁效应的影响最大，第3章将单独分析[5]。

表1 雷击分析Tab.1 Analysis of lightning strike

3 电磁感应分析

对于外部保护壳体，应进行电磁感应分析，分析其能量吸收情况。如对于本舰载设备，分析模型可以简化为矩形截止波导模型和圆截止波导模型。对于任意LC谐振电路，其振荡频率(吸收频率)为

(1)

式中：L为电感；C为电容。

按照图3进行演变分析，甲板上的矩形发射架可以作为一种波导形式，按出现的短路半波长传输线谐振器进行分析，其中心频率f按照空腔进行估算[9]，以TM110模计算时，计算式见式(2)。

图3 谐振演变分析Fig.3 Evolution analysis of resonance

(2)

式中：c0为光速，即3.0×108m/s；a为发射箱次短边长度，m；b为发射箱最短边长度，m;c为发射箱最长边长度，m。

事实上，对于复杂腔体，即使通过仿真也很难得到其品质因数Q的确切值，因此，对于1 MHz的振动频率，通过估算取Q=100。对于尺寸较小的高频产品，还可以采用体积/集肤深度/表面积的方法进行更精确的估算[10]。

谐振带宽B=f/Q，其量级在2 MHz左右。由图1可见，雷击的频谱一般在1 MHz以下，远小于10 MHz，可见其能量无法落入209 MHz～211 MHz的耦合带宽内，在腔体谐振形成的电磁场能量实际很小，因此对其整体的电磁效应可以免于考虑。

4 仿真分析

对于雷电电磁脉冲在该舰载设备及其外部保护装置上的响应状况，可以按照GJB 1389A给定的雷击谱进行仿真分析。假设该型舰船武器系统结构与组成为导弹和发射装置，针对单点接地和定位销与电路接地的不同情况进行仿真分析，两种不同连接形式的仿真模型分别如图4～5所示，仿真结果如图6所示。使用T-solution 公司的EMPIRE软件进行仿真。雷击波形的简化处理见表2，为贴近事实，采用双指数函数进行仿真[11]。

表2 雷击波形Tab.2 Lightning strike waveform

4.1 状态设置1:电缆连接

图4 仿真模型(模拟线缆连接弹体)Fig.4 Simulation model (simulate cable connecting missile)

4.2 状态设置2：接头和线缆均连接地

图5 仿真模型(模拟线缆和定位销连接弹体)Fig.5 Simulation model (simulate cable and locating pin connecting missile)

4.3 仿真结果

图6 10 kHz的磁场强度分布Fig.6 10 kHz magnetic field intensity distribution

对两种接地状态进行仿真结果分析，见表3。

表3 雷击时的磁场强度(10 kHz)Tab.3 Magnetic field intensity when lightning(10 kHz)

仿真时设置的电压为1 V，远远小于表1中规定的严酷值。如A分量电流值最大为218 810 A，则其电压数值为218 810×50 V，所以在双点接地时，按照GJB 1389A推荐的频谱，实际落在武器系统表面上的磁场强度的峰值强度量级为10-6，通过查看其趋势，可发现不同接地方式对弹体的保护效果。在仿真中，发射筒被视为弹体本身和外部发射架的介质隔离。通过对上述仿真结果的分析可知，当采用状态1时，雷击通过接地电缆耦合的能量较小；当采用状态2时，通过线缆和定位销连接耦合，耦合能量约为状态1时的100倍。

5 试验验证

为验证仿真结果，对该武器系统及其舱外设备进行验证试验，包括高压附着试验和直接雷击引起的间接效应试验，试验现场见图7。直接雷击引起的间接效应试验采用GJB 1389A—2013中A分量进行，击穿当量分为50 kA、80 kA、100 kA、120 kA 4个等级。

高压附着试验后，发射架顶部出现击穿现象。直接雷击引起的间接效应试验后，电弧引入电位致非金属材料烧蚀破裂。试验时连接电缆上最大感应电流为1.5 kA，试验后舱外设备和武器系统测试性能正常，说明该武器系统在舱外设备的防护下侵入弹上敏感设备的电流很小(与仿真结果一致)，舱外设备和接地系统可以对导弹雷击的间接效应进行有效防护。

根据电缆上监测到的感应电流进行外推，可见最大200 kA时感应电缆上电流峰值约为2.4 kA，脉冲上升沿约900s，可以作为后续雷击防护研究的依据，数据见表4。

表4 雷击试验时监测电缆上的感应电流及外推值

图7 雷击试验Fig.7 Lightning striking test

6 结 论

雷击试验表明，导弹在舱外设备的防护下可以抗击直接雷电的间接效应，与本文进行的理论分析一致，说明该型武器系统在一定雷击风险概率下发射架对导弹的雷击防护措施是有效的。通过对不同安装方式下导弹附近的磁场值进行仿真比较，可见不同接地方式对导弹的保护效果不同，理论分析与仿真分析的结果基本契合。试验验证过程中，对导弹与外部设备连接电缆进行了感应电流监测，结果表明尽管电流峰值很大，导弹等产品依然可以正常工作，说明在非工作状态下电缆上产生的感应电流对导弹内部产品的强电磁脉冲效应不显著。