火箭弹连续波电磁环境中响应特性仿真分析研究

赵 团，姚洪志，纪向飞，李 蛟，尹 明

火箭弹连续波电磁环境中响应特性仿真分析研究

赵 团，姚洪志，纪向飞，李 蛟，尹 明

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学重点实验室，陕西 西安，710061）

为了分析火箭弹电磁环境中的响应特性，利用ANSYS HFSS电磁仿真软件，建立了火箭弹发动机及其配用电火工品电磁仿真模型，并在连续波电磁环境中，开展了火箭弹发动机及其配用电火工品电磁环境效应仿真研究。通过探测火工品上的感应电流大小，得到了10×103～18×109Hz频率范围内火工品的频响曲线，以及100MHz时弹内电场分布特点，获得了火箭弹在不同入射方向、不同电场强度电磁场中的耦合规律，为分析火箭弹连续波电磁场中安全性提供支撑。

电火工品；火箭弹；电磁环境；仿真；电场强度；感应电流

在信息化战场中，雷达、通信、导航等大量信息化武器装备的使用，使得战场电磁辐射的功率越来越大、频谱逐渐拓宽，导致战场的电磁环境日趋复杂[1]，弹药受到的环境危害越来越严重。火工品广泛用于武器弹药中，是武器系统的始发能源与始发动力源，完成点火、起爆、传爆、切割等功能。弹药内的电火工品可以从电磁环境场中拾取能量，弹体会影响电火工品和电磁环境之间的耦合途径，导致电火工品从电磁环境耦合能量大小的改变。当能量高于其临界发火能量时，作为武器系统的首发元件会产生作用，使弹药内由火工系统控制的分系统意外作用或失效[2]。

由于火工品的安全性可靠性直接影响弹药系统的安全性和可靠性，因此，分析弹内火工品电磁环境安全性对于评估武器弹药的电磁环境安全性具有重要意义[3]。本文利用ANSYS HFSS电磁仿真软件，建立了火箭弹及其配用电火工品电磁仿真模型，分析连续波电磁环境中火箭弹内装配电火工品的感应电流大小及弹内电场分布等响应参量，获得火箭弹电磁场中的耦合规律和响应特性，为分析火箭弹连续波电磁场中安全性提供支撑。

1 火箭弹及其配装火工品电磁仿真模型

火箭弹主要由引信、战斗部、发动机、尾翼等组成，火箭弹中的引信、战斗部部分密封在弹体内，屏蔽性能良好，耦合馈入弹内火工品的电磁场能量很小；而在发动机部分，火箭弹发动机中的燃气流在燃烧室压力作用下，进入喷管向后运动，气流出口破坏了弹体的屏蔽性能，成为火箭弹中屏蔽性能的薄弱环节。因此，本文只研究电磁波对火箭弹发动机内火工品安全性的影响，发动机部分结构示意图如图1所示。

图1 火箭弹发动机结构示意图

根据火箭弹及其配用火工品结构关系、尺寸、材料属性等特征参数，利用ANSYS HFSS电磁场仿真软件建立了火箭弹及其配用火工品电磁仿真模型。根据火工品在火箭弹中的实际使用状态，火工品脚线一极连接底盖，一极连接弹体，火工品脚线以平行线为主，脚线长度为1 200mm，一根脚线末端一部分呈现垂直状态，为了保证发火可靠性，火工品采用双发并联冗余设计。火工品实际使用状态电磁仿真模型如图2所示[4]。

火箭弹发动机部分主要由燃烧室（装填推进剂）、尾翼、喷管和底盖等组成。发动机壳体材料为钢，电导率=9.3×106S/m，相对磁导率μ=1。尾翼壳体采用黄铜材质，电导率=5.8×107S/m，相对磁导率μ=1，火箭弹发动机部分仿真模型如图3所示[5-6]。

图2 火工品模型

图3 火箭弹发动机部分仿真模型

通过分析火箭弹发动机部分结构和尺寸，导电盖部分只有部分内镶金属材质，大部分结构为胶木，这种材料相对介电常数为2.1，相对磁导率为1，与空气的材料属性相近，对于电磁波的传播是“透明”的，电磁波完全可以不受导电盖孔、缝的影响，使电磁场能量进入火箭弹内部，从而破坏了整个弹体的屏蔽效能。因此，该火箭弹发动机部分基本可以看作是一个末端开口，其他边界条件为金属材质的等效物体。

2 仿真结果分析

2.1 不同入射角度对火箭弹内火工品响应的影响

电磁波的入射角度会直接影响火箭弹电磁场中的耦合效应，火箭弹内部火工品脚线为实际配装模式，分别研究电磁波水平极化（与弹体平行，夹角为0°）、45°（与弹体夹角为45°）、垂直极化（与弹体垂直，夹角为90°）3种不同入射方向下火箭弹内部火工品电磁环境响应情况。以正弦电磁波作为激励信号，电磁波从火箭弹尾部中心位置入射，频率范围10×103~18×109Hz，电场强度100V/m，频率步进值为0.1GHz，分析计算不同入射方向下火箭弹内部火工品桥丝的频响，3种入射方向下的频响曲线如图4所示。

在10×103~18×109Hz频率范围内，对比3种电磁波入射方向可知，火工品在平行线模式下，随着电场方向与火工品脚线之间角度的增加，火工品在电磁场中感应电流的峰值不断减小，电磁波在水平极化方式下，火工品桥丝上的感应电流峰值最大；火工品桥丝上感应电流较大的频率范围主要集中在4.5GHz以下，在水平极化方式下，在100MHz左右感应电流达到最大值26.45mA。

图 4 火工品感应电流频响曲线

2.2 同一入射方向下的时域分析

火箭弹内部火工品的响应特性和耦合规律会随着频率的变化而变化。在10×103~18×109Hz频率范围内，分别选取10MHz、100MHz、500MHz、3GHz等频点。以正弦电磁波作为激励信号，火箭弹内部火工品脚线为实际配装模式，电磁波从火箭弹尾部垂直入射，电场强度100V/m，电场方向与火工品脚线平行，通过仿真计算，分析不同频点下火箭弹内部火工品桥丝的时域响应特征。火工品桥丝感应电流波形如图5所示，火工品不同频率下的时域仿真结果见表1。

表1 火工品不同频率下的仿真结果

火工品桥丝上感应电流与外界辐照电磁波紧密相关，激励源波形的频率、周期等特征参数决定了火工品桥丝感应电流波形的频率、周期，振荡周期与其中心频率满足关系=1/。

2.3 场强与电火工品感应电流的关系

电场强度是影响火工品感应电流大小的一个重要因素。按照火工品在电磁场中的频响曲线，感应电流较大的频率范围主要集中在10×106~4×109Hz的频率范围内，在此频率范围内，以正弦电磁波作为激励信号，选取10MHz、100MHz、3GHz 3个点，电场方向与火工品脚线平行，依次设置电场强度20V/m、50V/m、100V/m、150V/m、200V/m，开展场强与电火工品感应电流关系仿真研究。在3个频点下，火工品在不同场强下的感应电流均为正弦波，周期与激励信号相同，感应电流峰值随电场强度大小而变化，3个频点不同电场强度条件下的感应电流峰值数据见表2。电场强度与感应电流峰值拟合关系如图6所示。

表2 不同场强条件下电火工品感应电流峰值 （mA）

图 6 电场强度与感应电流峰值关系曲线

在100MHz时，电场强度与感应电流拟合公式：

=0.267 4（1）

式（1）中：为感应电流峰值，mA；为脉冲峰值场强，V/m。

从图6中可以看出，感应电流峰值随电场强度增大而线性增大，二者成正比关系。

2.4 弹内电磁场分布仿真研究

为了探测火箭弹内部电磁场的分布，以火箭弹导电盖中心为坐标原点（0，0，0），沿着电场方向（y方向），分别在（0，20，0）、（0，50，0）、（0，100，0）、（0，200，0）、（0，300，0）、（0，400，0）、（0，600，0）、（0，800，0）、（0，1 000，0）、（0，200，30）、（0，300，30）、（0，400，30）、（0，600，30）、（0，800，0）、（0，1 000，30）15个点布置了电场探头，探头位置分布点如图7所示。在100MHz频点下，以水平极化正弦电磁波作为激励信号，峰值场强100V/m，火箭弹内不同位置处峰值场强如表3所示，其分布图如图8所示。

图7 火箭弹发动机内探头位置分布点

表 3 火箭弹发动机内不同位置处峰值场强

Tab.3 The peak value of electric field strength in different position in rocket projectile motor

图 8 100MHz时火箭弹内不同位置处峰值场强分布

从火箭弹内不同位置处峰值场强分布可以看出，电场强度随着位置的变化而变化，在100MHz时，在靠近火工品桥丝所在位置，外部电场在进入弹体内部反射叠加以后，电场强度峰值达到最大值，约为入射电场值的2～3倍，场强越大，越不利于火工品在电磁场中的安全性，因此，火工品在弹内布局时应尽量避开这些位置，或者使用更加钝感的火工品。

3 结论

（1）通过火箭弹配装状态下正弦电磁波仿真分析，可以看出，在平行线模式下，即电场与火工品引线平行时，火工品桥丝上感应电流最大。

（2）在电场与火工品引线平行的状态下，弹内火工品桥丝上的感应电流与电场强度存在正比关系，电场强度越大，桥丝感应电流就越大。

（3）通过分析弹内电磁场分布，可知当电场进入火箭弹内部时，由于尾翼及发动机内部金属面的反射，造成电场的二次分布，局部电场经过反射叠加后，电场强度峰值会发生变化。在100MHz正弦电磁波激励下，在火工品桥丝附近的电场强度会达到最大值，为入射电场的2.8倍。

[1] 马红茂,李火伟,等.电磁环境效应对导弹武器系统的影响[J].机械管理开发,2007(1):36-38.

[2] Ricketts L,Bridges J E,Mileta J.EMP. Radiation and protective technique[M].New York:Wile-y,1976.

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[4] 杨培杰,李金明,等.电火工品等效天线模型的建立与分析[J].装备环境工程,2012,9(2):46-48．

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[7] 许滨,谢鹏浩,谭志良.某型弹药电磁耦合的仿真分析[J].军械工程学院学报,2009,21(3):36-39.

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Simulation Analysis on Response Characteristics of Rocket Projectile in Continuous Wave Electromagnetic Environment

ZHAO Tuan，YAO Hong-zhi，JI Xiang-fei，LI Jiao，YIN Ming

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

To analyze the response characteristics of rocket projectile in electromagnetic environment, the electromagnetic simulation models of rocket projectile and electric explosive device(EED) used were built, through ANSYS HFSS electromagnetic soft. The simulation analysis of electromagnetic environment effect on rocket projectile motor and EED were performed in the continuous electromagnetic environment. Through monitoring the induced current of EED, the frequency-response curve of EED was obtained in the frequency range of 10kHz to 18GHz, and the distribution feature of electric field at 100MHz in rocket projectile motor was analyzed, so the coupling role of rocket projectile was gotten with the different strength of electric field and the different direction of polarization. The study can provide support to analyze the safety of rocket projectile in the continuous electromagnetic environment.

Electric explosive device(EED)；Rocket projectile；Electromagnetic environment；Simulation；Electric field strength；Induced current

TJ45+2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.002

1003-1480（2019）05-0006-04