战术制导导弹在核电磁环境下的生存能力研究

王 鹏 史鹏涛 周 政 李 婧

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

战术制导导弹通常由战斗部、发动机及舵机、制导系统、弹载计算机、导引头及热电池等组成[5]。导引头是实现末端制导、精确打击目标的重要部件，根据其制导方式可将导引头分为红外制导、激光制导、毫米波雷达制导以及复合制导等形式。核电磁脉冲是复杂电磁环境强电磁脉冲的一种形式，是高空核电磁脉冲最主要的一种表现，由于其具有电场幅度大、作用时间短、频带宽以及扩散范围广等特点越来越受到军事强国的重视[1]。

本文结合核电磁脉冲在半电波暗室的测量原理及试验方法，研究战术制导导弹电磁防护技术以期达到工程化，提升战术制导导弹在军事对抗中的生存能力。

1 核电磁脉冲试验技术

1.1 试验技术原理

在GJB151B-2013和GJB1389A-2005中几乎给出了一样的核电磁脉冲试验曲线，如图1所示，其波形的数学表达为双指数函数[1][7]，即

E(t)=E0×k(e-αt-e-βt)

(1)

其中，E0=5×104V/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1，k=1.3。

图1 核电磁脉冲基本波形

在式(1)中，波形的上升时间(10%-90%)为2.3±0.5 ns，半峰值脉冲宽度为23±5 ns，波形覆盖的频谱上限在1 GHz。

试验时，通常采用平行板辐射系统、横电磁波传输室、GETM小室或棚架式辐射系统，其中半电波暗室使用较广的为GTEM小室和棚架式辐射系统，但考虑到被试系统的体积、操作等因素，半电波暗室通常采用棚架式辐射系统，其特性阻抗为170±5 Ω、极化方式为垂直极化，具体如图2所示。

1.2 测试模型

GTEM小室或棚架式辐射系统属于有界波(导体)型模拟器，其理论依据为平行板传输线理论[2-3]，具体见图3所示。

若脉冲双指数发生器VS、传输线及负载能够很好地匹配，则脉冲信号则向负载方向传输而不发生反射，并被负载完全吸收。若存在阻抗失配情况则信号会在阻抗失配处发生反射，其核电磁脉冲传输方向如图4所示。

传输线传输阻抗由棚架式辐射系统的高、宽比来决定[6]，依据公式(2)为

(2)

其中，Z为传输线阻抗、h为棚架结构的高度、w为棚架结构的宽度。

核电磁脉冲场的电场强度依据公式为

(3)

其中，V为双指数脉冲发生器峰值电压、h为棚架式系统结构的高度。

图2 棚架式辐射测试系统配置简图

图3 平行板传输线理论简图

图4 核电磁脉冲场传输方向及结构简图

2 战术制导导弹防护设计

2.1 电源接口电路设计

战术制导导弹在发射前有其载弹平台，通常为车载平台或机载平台。在导弹未进行跟踪打击之前应由载弹平台电源供电处于伺机击发准备，一旦目标确定则导弹进入发后锁状态进入飞行模式并在末端由导引头准确制导命中目标。因此，电源接口处理电路就成为较为重要的问题。

在核电磁脉冲的威胁下电源接口电路应采取电磁脉冲防护电源滤波器设计，这种滤波器主要特征是对电磁干扰EMI有一定的抑制效果，同时其前端和后端增加了瞬态高压抑制器件，具有一定的快速响应时间，其原理如图5所示。

图5 电磁脉冲防护滤波器构造

在第一级浪涌脉冲处理中，根据核电磁脉冲的上升时间及脉冲持续时间，应选用ns级TVS器件，可提高快速响应时间来抑制电磁脉冲。在第二级滤波电路重点是对系统的电磁干扰噪声进行滤波，其滤波上限的截止频率通常设计为30 MHz。第三级脉冲后处理设计主要控制后续残余电磁脉冲，采用压敏电阻类器件即可满足要求。

根据实际工作情况不同种类的制导导弹都有不同地控制与通讯模式，在有必要的情况下对传输链路可采取信号滤波来处理，其信号滤波的构思设计同电源滤波一致。

2.2 弹体电气结构设计

核电磁脉冲最主要的损毁途径是空间耦合，如果能够将耦合的强电磁脉冲能量以最快速状态释放到地线系统中，则可以有效抑制对电子元器件的击穿、损毁等。耦合方式可以通过壳体孔缝耦合以及互连电缆耦合进入电子系统中造成损毁，故合适的弹体及布线位置增加接地处理设计能够有效地提高核电磁脉冲抑制能力。

2.2.1 弹体多点接地处理

对于低频控制系统(100 kHz以下)通常采用单点接地，但对于脉冲上升时间和持续时间在ns级脉冲信号而言，单点接地已经不能满足要求。在导弹脱离发射装置进行空中飞行时不可能保持一定的接地线与载弹平台可靠连接，真正的接地连接只能通过导弹挂点来实施。

导弹在发射架上发射前锁位点采用至少两点位置进行固定，才能可靠实现导弹的安装与飞行平衡，锁位点既是安装点同时也是导弹壳体接地点，应采用合理的接地技术进行处理，对接触点弹性(弹片)连接、材料以及表面导电处理应按电搭接要求处理，满足搭接电阻在mΩ级，如图6所示。

图6 导弹接地点位置简图

2.2.2 弹体屏蔽设计

为了保证壳体屏蔽体导电连续性，弹体各部件结构设计及组装应遵循以下设计原则：

1)防止壳体缝隙过大以及安装的紧密性要求，导弹各级系统相互之间级联采用螺纹方式进行固定安装；对无法采用螺纹连接方式的情况应采用定位销/定位孔等设计、同时保证定位销/定位孔的数量满足λ/16波长设计(可依据1GHz频率计算波长)。

2)各独立子系统应独立采取屏蔽壳体设计，除需要连接的互连电缆之外均应将独立子系统全屏蔽设计。

3)毫米波雷达导引头部件应加装天线罩，将天线罩紧密扣在雷达天线外并做好屏蔽设计；其他形式导引头应做好窗口透光的屏蔽罩设计。

4)弹体引出指令及弹上电缆应采用屏蔽电缆设计，连接器尾附件做到360°屏蔽包接，在需要的条件下可选择具有滤波功能的电连接器进行干扰屏蔽。

2.3 其他设计技术

核电磁脉冲到来时，弹体表面类似于长导体耦合模型，壳体金属表面会耦合感应到电磁脉冲能量。耦合感应的电磁能量根据弹体离地高度、弹体直径、电磁脉冲的入射角、方位角及极化角而变化，在有条件的情况下可采取隐身弹仓设计，即不将导弹暴露在视线范围内，而是通过隐蔽弹仓将导弹包裹起来，一旦核电磁脉冲过后或在适时的条件下打开弹仓对目标进行精确打击。

3 系统工程化控制

3.1 控制方案

制导导弹系统应充分考虑弹载电子设备的功能、数量以及布局形式，开展电磁兼容性数值仿真与数据统计，评估全弹系统电磁兼容性环境，开展自顶向下的预设计[4]，如图7所示。

图7 系统控制流程图

制导导弹系统抗核电磁脉冲试验主要的抑制措施应归结为滤波技术、屏蔽技术和接地技术。可针对各分系统设备进行接口电路的滤波仿真与壳体孔缝的屏蔽仿真设计；对弹体外的发射接收天线应做到天线耦合度仿真与抗浪涌抑制仿真设计，进而完成试验验证。

3.2 控制要求

控制电磁干扰的相关方法对核电磁脉冲的控制是完全有效的。导弹分系统包括导引头、引信、弹上计算机、制导系统、弹上电源、定位定向系统以及通信控制分系统等。对弹上电源主要考虑电源线的传导辐射与抗尖峰信号浪涌设计，可进行CE102和CS106试验；对导引头主要考虑电场辐射发射与电场辐射敏感度，可进行RE102和RS103试验；其他分系统根据弹上布局可考虑CE102、CS106、RE102、及RS103等项目试验，保证分系统的电磁发射、抗电场辐射满足要求，间接到达考核滤波设计、接地设计以及空间结构布局设计。

4 结束语

某型战术制导导弹的抗核电磁脉冲试验在半电波暗室进行，依据GJB151B-2013的试验方法分别对导弹不同摆放位置、朝向以及安装形式进行了多次试验，试验结果满足规定的相关要求。通过对全弹工程化设计，采取和改进了相应的电磁兼容性加固技术来控制电磁干扰、提高了导弹系统的抗核电磁脉冲能力，在工程化中更易将相应的措施进行固化，优化了设计技术。