某型车辆在高空核爆炸环境下的电磁脉冲耦合特性

聂坤林 ,赵玮 ,李鹏 ,魏雍力 ,刘欣 ,李小强 ,张雄,朱之贞,诸雪征,郑毅

(1.军事科学院 防化研究院,北京 102205;2.陆军防化学院,北京 102205;3.陆军装备部驻昆明军代表室,云南 昆明 650000)

0 引言

强电磁脉冲是高空核爆炸的主要毁伤效应之一,高空核爆炸电磁脉冲(HEMP)的电场峰值可达10V/m,导致剧烈的磁场和电场变化,造成电子设备、线路和元器件永久性损伤或产生严重干扰,引起工作紊乱或控制失灵。

车辆电磁脉冲效应与防护问题一直受到国内外学者的普遍关注。2004 年国际电工委员会(IEC)颁布标准,给出了高功率微波使车辆电子系统永久损坏的案例,一些国家相继开展了电磁脉冲防护效应与防护设计研究,美国先后完成电子元器件易损性与测试计划、编制强电磁脉冲手册规定航天器等抗强电磁脉冲指标、舰船三级防护等工作。俄罗斯在前苏联时代就开展相关工作,并要求一般装备都有抗电磁脉冲要求。我国重点围绕电磁脉冲对车辆发动机系统、电控系统、通信系统等分系统效应与防护开展了大量工作。

某型车辆对核爆炸电磁脉冲的防护能力,直接影响其在核战场环境下能否与其他车辆进行有效通联,进而决定战场指挥方式的选择。受试验条件、体制编制以及核作战特殊情形等因素的影响,在对该类车辆进行高空核爆炸电磁脉冲毁伤效应评估时,主要针对分系统依托小型模拟器开展了仿真验证性实验研究,而没有对整车做现场模拟试验,导致大型复杂车辆装备的核防护能力缺乏全面系统的量化评价方法,底数不清。

为掌握某型车辆核爆炸电磁脉冲防护能力底数,提高其核环境下的生存能力,本文针对其开展HEMP 耦合效应研究,进而为装备运用与装备抗核加固优化设计提供输入。

1 研究对象

针对某型车辆HEMP 毁伤阈值不明确的实际问题,从其瞭望孔入手,研究典型条件下的HEMP耦合效应,其CAD 模型如图1 所示。

图1 某车辆CAD 模型Fig.1 CAD model of a vehicle

2 数值模拟

2.1 模拟方法

模拟计算选取时域有限差分(FDTD)方法,对某型复杂车辆开展HEMP 耦合效应研究。使用FDTD 方法进行电磁场数值计算是一种成熟的方法,国内外已有较多研究通过商业软件与现场试验的方法对其计算结果进行验证,本文也基于该车电台天线开展试验进行了方法有效性验证。图2 所示为利用FDTD 计算方法对该车天线进行仿真模拟的结果,分别给出天线底部(=108,即天线上平行于轴,距离原点108 个网格处的位置)、中点(=188)和顶部(=268)的电流波形。图3 所示为对其进行辐照试验得到的耦合电流。由图2、图3 可知:基于金属边界平面的镜像原理,FDTD计算时车上的天线可近似看作立于金属平板上,而辐照试验中的天线没有金属板,因此仿真计算中天线底部周围垂向电场约为辐照试验时的2 倍,造成了仿真中天线根部的耦合电流约为试验实测结果的2 倍;两种方法得到的耦合电流结果相吻合,并符合相关物理规律,表明了运用FDTD 方法对该车开展HEMP 耦合效应研究的有效性。

图2 电台天线HEMP 模拟计算耦合电流Fig.2 Simulated coupling current of radio antenna HEMP

图3 电台天线HEMP 辐照试验耦合电流Fig.3 Test coupling current of radio antenna HEMP

本文研究的是车辆在HEMP 环境中的孔缝耦合效应,通过FDTD 方法得到时域响应,并通过与设备的毁伤阈值对比,从而判断装备是否会受到损伤。

高空核电磁脉冲具有场强高、频谱宽、作用时间短、危害范围广的特性。当天线及相关通讯设备的工作频段正好处于HEMP 的频谱中时,会对设备造成极大的危害。关于高空核电磁脉冲的早期辐射环境,可以近似地表达成双指数函数模型

式中:为修正系数;为场强峰值,一般为50 kV/m;、为表征脉冲前沿、后沿的参数。表1 为3 种常见的HEMP 波形标准的总结。由表3 可见,从1976年出版物波形到Bell 实验室波形再到IEC 标准波形,它的变化趋势是脉冲前沿逐渐变陡、脉宽逐渐变窄。IEC 标准频率到100 kHz 时能量成分占到2%,而到300 MHz 时,这个比例为98%,因此IEC 波形96%的能量分布范围在100 kHz～300 MHz。相应地,Bell 实验室波形的能量范围主要在10 kHz～30 MHz 之间。1976 年出版物标准波形,其能量范围主要在1 kHz～10 MHz 的频段。

表1 HEMP 波形标准参数对比Tab.1 Comparison of HEMP waveform standard parameters

对于同样的系统,如果采用不同的HEMP 波形标准,则得到的耦合量也是不同的。在进行系统HEMP 效应研究时,应该选用对其影响程度较高的波形标准。通过上述分析可以看出,IEC 标准的频谱范围与本文研究对象所对应的频谱范围重合最多,因此将其作为本文的激励源波形。

2.2 模型构建

研究对象CAD 模型为复杂三维模型,选取三角面元投影求交法生成计算模型。

三维动画渲染与制作软件3ds Max 展示的CAD模型表面有多种形状,梯形、方形、圆形等,这些形状均由大小不同的三角面元拼接而成。用3ds Max 软件将CAD 模型输出生成“.ASE”格式文件,在该文件中可以找到所有三角面元的顶点坐标。图4 所示为投影求交法示意图。图4 中,为三角面元为例,3 个顶点及坐标分别为(x,y,z)、(x,y,z)、(x,y,z),3 个顶点在平面上的投影分别为(x,y,0)、(x,y,0)、(x,y,0)。定义与轴平行的某一条网格线的、坐标为x、y,点表示与三角面元的交点,表示与面的交点。

图4 投影求交法示意图Fig.4 Schematic diagram of projection intersection method

3 个向量、、可分别表示为

式中:与分别表示轴与轴的单位向量。

将(2)式中的3 个向量依次进行叉乘,即×、×、×,如果3 个叉乘的结果同时大于等于0 或者同时小于0,则点在三角形内,即点在三角形上,网格线与三角形相交;否则不相交。

下面求解剖分网格线与三角面元交点的轴坐标。三角面元3 个顶点所在平面的平面方程为

判断确定与三角面元相交后,将网格线的轴、轴坐标值x、y代入(3)式中,可求出网格线与三角面元所在平面交点的轴坐标值z,标记x、y、z确定的网格。依次将三角面元范围内所有的网格标记出来,就生成了该三角面元的FDTD 网格模型;将CAD 模型所有三角面元对应的网格全部标记出来,就生成了该CAD 模型的FDTD 计算模型。但是,CAD 模型在建模过程中可能存在一些点、线、面等辅助结构,应用于不同目的时也可能对模型进行部分修改,这些处理可能对生成正确的FDTD 计算模型产生影响。因而在针对某型车辆建模时,需要进行模型修正,并检测FDTD 计算模型正确与否。某型车辆FDTD 计算模型图、某型车辆FDTD 模型的剖面视图如图5 和图6 所示。模型建成后,利用Origin 软件对车辆模型每一层网格进行观察,保证车辆结构完整,且其结构与CAD 模型一致,证明建立的FDTD 计算模型准确无误,进而保证计算结果的准确性。

图5 某型车辆FDTD 计算模型Fig.5 FDTD calculation model of a vehicle

图6 某型车辆FDTD 模型的剖面视图Fig.6 Section view of a vehicle FDTD model

2.3 瞭望孔耦合电场模拟

分析车辆结构可知,HEMP 可以通过孔缝耦合进入车内,在车内激励出耦合电场,将FDTD 计算模型瞭望孔网格按真空进行计算,FDTD 计算模型在平面的投影如图7 所示。

图7 FDTD 模型Oxz 平面投影图(增加瞭望孔)Fig.7 Oxz plane projection of FDTD model (adding observation hole)

研究选择HEMP 沿+轴、-轴、-轴3 个典型方向入射,主要分析HEMP 通过瞭望孔的耦合效应。在瞭望孔每条中轴线上,选择中点及距孔10 cm 点作为耦合电场观测点,12 个观测点的具体位置如图8 所示。

图8 FDTD 模型耦合电场观测点Fig.8 Observation points of coupling electric field of FDTD model

2.3.1 HEMP 沿+轴入射计算

设定HEMP 沿+轴方向传播,电场沿+轴,HEMP 从车头入射。选定一定的时间步,读取=85 平面上所有电场强度值,观察HEMP 的传播过程如下:

1)=1.668 ns(见图9(a))时,HEMP 平面波从连接边界产生;

2)=10.008 ns(见图9(b))时,HEMP 遇到车前部,图中可以看出车灯和烟雾弹筒的轮廓;

3)=18.348 ns(见图9(c))时,HEMP 到达车中后部;

4)=26.688 ns(见图9(d))时,HEMP 通过车主体部分。

HEMP 遇到车辆金属结构后,在部分电磁波被反射的同时,在金属表面激励出面电流。这种面电流流经棱角等细微金属结构时,由于传导结构发生突变,会产生很小范围的超强电场,图9(b)、图9(c)、图9(d)中的最大场强值(红、灰色)比较难观察到。

图9 HEMP 沿+x 轴方向传播过程(瞭望孔高度位于Z=85)Fig.9 Propagation process of HEMP along +x direction (Z=85,height of observation hole)

HEMP 传播方向与瞭望孔孔面准平行,由于表面电流在瞭望孔处被截断,电流变化激励的电磁波会通过瞭望孔耦合进入车内部,各个观测点的电场强度时域波形如图10 所示。

图10 HEMP 沿+x 轴方向传播时各个监测点电场强度时域波形Fig.10 Time-domain waveform of electric field intensity at each monitoring point during the propagation of HEMP along+x direction

从图10 所示计算结果来看:距离孔10 cm 位置的电场强度脉冲峰值约为0.2 kV/m,并在车内部激励出幅值小于0.5 kV/m 的谐振电场;观测点3 附近没有孔,首峰电场幅值要低于点6、9、12;与单个设备的HEMP 辐照试验结果相比,这个量级的电场强度不会对设备造成硬损伤;如果个别设备受到干扰无法正常工作,则断电重启后可恢复正常工作。

2.3.2 HEMP 沿-轴入射计算

设定HEMP 沿-轴方向传播,电场沿-轴,HEMP 从车右侧入射。选定一定的时间步,读取=85 平面上所有电场强度值,观察HEMP 的传播过程如下:

1)=1.668 ns(见图11(a))时,HEMP 平面波从车右侧入射,车灯、烟雾弹筒轮廓可见,在右侧4 个瞭望孔处HEMP 耦合进入车内;

2)=3.336 ns(见图11(b))时,HEMP 继续沿着-轴方向传播,在车右侧4 个瞭望孔处的耦合更加明显;

3)=8.34 ns(见图11(c))时,HEMP 沿着-轴方向传播更远;

4)=13.344 ns(见图11(d)时),HEMP 通过车主体部分。

图11 HEMP 沿-y 轴方向传播过程(瞭望孔高度位于Z=85)Fig.11 Propagation process of HEMP along-y direction (Z=85,height of observation hole)

HEMP 遇到车右侧金属壁,传播方向垂直于金属壁,电场极化方向平行于金属壁,根据前期的研究和仿真结果得知,这种入射方式的孔缝耦合效应最强,HEMP 可在孔附近激励出明显的脉冲电场,并在车内激励出更强的谐振电场。各个观测点的电场强度时域波形如图12 所示。

图12 HEMP 沿-y 轴方向传播时各个监测点电场强度时域波形Fig.12 Time-domain waveform of electric field intensity at each monitoring point during the propagation of HEMP along-y direction

从图12 所示计算结果来看:距离孔10 cm 位置的电场强度脉冲峰值达到约2.5 kV/m,并在车内部激励出幅值小于1.5 kV/m 的谐振电场;从时间关系上看,观测点3、6、9、12 的电场是HEMP 通过车右侧4 个瞭望孔传播所致,场强峰值明显低于观测点1、4、7、10。

由于此种入射方式耦合电场强度峰值比前一种入射方式明显提高,HEMP 小孔正入射时对车内设备的威胁明显增强。车内设备是否会出现干扰或损伤效应,需要在后期完成相关的HEMP 试验后来确定。本文计算将瞭望孔处的玻璃看作普通玻璃(计算中按真空计算),如果将瞭望孔处的玻璃换成导电玻璃,则可有效降低耦合电场幅值,提高车辆的抗HEMP 能力。

2.3.3 HEMP 沿-轴入射计算

设定HEMP 沿-轴方向传播,电场沿+轴,HEMP 从车顶入射。选定一定的时间步,读取=-23 平面上所有电场强度值,观察HEMP 的传播过程如下:

1)=1.668 ns(见图13(a))时,HEMP 平面波从车顶入射;

2)=3.336 ns(见图13(b)),HEMP 遇到车上半部,图中可以看出车轮廓;

3)=6.672 ns(见图13(c)),HEMP 到达车的下半部;

4)=11.676 ns(见图13(d)),HEMP 通过车主体部分。

图13 HEMP 沿-z 轴方向传播过程(Y=-23)Fig.13 Propagation process of HEMP along -z direction (Y=-23)

HEMP 从车顶入射与HEMP 从车前面入射类似,HEMP 传播方向与瞭望孔孔面平行,仍然可以通过瞭望孔耦合进入车内部。各个观测点的电场强度时域波形如图14 所示。

从图14 所示计算结果来看:距离孔10 cm 位置的电场强度脉冲峰值约为0.8 kV/m,并在车内部激励出幅值小于0.5 kV/m 的谐振电场;观测点3 附近没有孔,首峰电场幅值要低于观测点6、9、12。

图14 HEMP 沿-z 轴方向传播时各个监测点电场强度时域波形Fig.14 Time-domain waveform of electric field intensity at each monitoring point during the propagation of HEMP along -z direction

3 结论

本文通过选取3 种典型HEMP 入射方式,对某型车辆高空核爆炸电磁脉冲耦合效应进行了分析,与其他相似装备的试验数据进行对照。得出主要结论如下:

1)车内大部分空间的耦合电场幅值在2 kV/m以下,该数据的数量级与相似装备外场试验结果基本吻合,在该电场条件下电台能够正常工作,基本不影响通讯。

2)瞭望孔附近电场幅值在HEMP 正入射时较高,但瞭望孔附近无电子设备,不会造成威胁。

通过分析比较,可以确定本文研究方法与研究结论的有效性,值得在同类装备相关研究工作中应用推广。结合本文研究得到的相关结论,综合考虑装备建设发展需求与装备运用实际,提出如下建议:1)瞭望孔玻璃应加强HEMP 防护,可改用屏蔽玻璃,降低耦合电场幅值;2)在车内设备布放设计时,车内电子设备及走线应远离瞭望孔;3)当接收到核爆炸相关预警信息时,应避免进入爆区并加强瞭望孔的防护,迅速将电子设备尽可能向远离瞭望孔位置移动,避免造成损坏,待警报解除或通过危险区域后,根据操作员使用需求进行设备布设。

本文研究是整车开展核防护能力评估的重要构成部分,尽管研究结果得到了初步验证,但对于大型复杂装备核爆炸电磁脉冲抗扰度的研究,通过有界波模拟器开展外场试验是一种更为可靠的方法。因此,在下一步工作中,除了对计算流程进行优化、提高计算精度与对其他耦合途径进行深入研究外,还应下大力投入整车的核防护能力评估试验条件建设,加强整车核防护能力评价方法研究,推动整车HEMP 试验开展,进而为装备在核爆炸环境下的运用及装备抗核加固设计提供更系统全面的支撑。