某制导弹药电磁耦合仿真分析

摘 要：随着信息化战争的到来，战场电磁环境变得越来越复杂，由于制导弹药在有限的空间内集合了大量的电子电器设备，其电磁易损性非常高，研究制导弹药的电磁耦合情况，对制导弹药的电磁防护有着重要意义。文章利用电磁仿真软件FEKO分别仿真分析了某型制导弹药外部和制导舱、引信舱的电磁耦合情况，仿真结果可作为勤务处理中提高制导弹药电磁防护能力的参考。

关键词：制导弹药；电磁耦合；仿真；FEKO

1．引言

随着信息化战争的到来，战场的电磁环境变的越来越复杂，特别是电磁脉冲炸弹和高功率微波武器等的使用，使得现代战场电磁环境呈现出频率覆盖范围大，杀伤范围广、电场强度高等新的特点[1]。大量先进的制导弹药不断地装备空军部队，这些制导弹药广泛采用高技术，在有限的弹体内集成了各种电子电气设备。电磁脉冲可以通过传导耦合、辐射耦合的方式[2]，作用于弹体内的电子电器设备，使其可靠性降低，甚至毁坏弹上设备，导致制导弹药失效，严重时可能引起弹药爆炸。因此，研究强电磁脉冲作用下制导弹药电磁脉冲耦合情况，并加强勤务处理中的防护措施意义重大。电磁脉冲对导弹的照射实验通常存在代价高，可调参数少等困难，计算机仿真则可以做到代价低、可重复、参数可调等优点，是电磁研究的重要手段。

2.软件介绍与模型建立

仿真软件选择FEKO。它是南非EMSS公司研发的一款基于积分方程方法求解麦克斯韦方程组的任意结构通用三维电磁场仿真软件，是复杂专业电磁场仿真领域中最强大的软件之一，以其精度高、操作简单等特点得到非常广泛的应用[3]。

任何一个电磁能量都会产生扩散的球面波，这种波在所有方向上传播。在任何一点都包含相互垂直的电场分量和磁场分量，并且都垂直于波的传播方向，相位相同，具有代表性的是正弦均匀平面电磁波。仿真的电磁波选择正弦均匀平面电磁波，频率选择高空核爆电磁脉冲和高功率微波能量主要集中的10KHz～2GHz之间[4]。

为了建立的模型与实物更好的接近，通过测量，建立某型制导弹药的模型如图1所示，对模型作如下说明：1）弹轴方向沿z轴方向；2）除整流罩为Go2材料外，其它弹体材料均为某时效钢，电导率为107S/m，相对磁导率为1；3）引信舱有四个开孔，为天线窗口；4）为研究问题的简化，假设弹体内为空腔，制导舱、引信舱、战斗部舱之间相互隔离，发动机舱底部为开口。

仿真结果用dB作为单位，dB表示的是两个参数间的倍率关系，场强的dB单位定义[5]为：

式中［db］v|m为场强E1相对于基准场强E2的比值的对数函数，反映E1和E2两个场强的倍率关系，E2为基准电压。如果式中E2=1V|m作为基准电压，则E1的分贝值单位用dBV|m表示。dBV|m与V|m的换算关系为：

3.仿真结果与分析

3.1弹体外部场强分布

图2为外界电场沿z轴方向且频率为500MHz和2GHz时的弹体外部电场强度分布。由2(a)和2(b)可以看出，弹体外电场强度沿着x轴方向强弱交替。且频率越高，强弱交替的速度越快，而且强弱差别更大。这主要是由于弹体壳体对外界电磁波反射造成的。

图3为入射波沿x轴方向时弹体外部电场强度分布。图3(a)电场强度沿z轴有强弱交替的现象，图3(b)这种强弱交替不是很明显，这种主要原因可能是弹体上的耦合电流辐射电场，与外部电磁波相叠加的结果，且与外界辐照电场频率紧密相关。

从仿真结果可以看出：在弹体外部，当电磁波沿z轴入射时，弹体外部存在着沿x轴强弱交替的电场，频率越高，强弱交替越明显，且强弱变化越大，这主要是弹体反射外部电场，与辐射源相叠加造成的；当电磁波沿x轴入射时，电场强度沿z轴有强弱交替的现象，频率越高，现象有减弱的趋势，这主要是由于弹体表面感应出的电流与外界电场的频率紧密相关。

3.2制导系统建模与分析

建立制导舱模型并用沿z轴方向的电磁波照射，不同频率下制导舱的电磁屏蔽效能如图4所示：

由图4可以看出，制导舱内电场强度分布比较复杂，这主要是由于整流罩电磁屏蔽能力弱，电磁波容易穿透整流罩进入制导舱内部，并在制导舱内反射叠加的结果，分布情况主要与电磁波的频率有关。

该型导弹导引系统由红外导引头和舵机舱两部分组成，如图5，导引头主要包括位标器和电子系统两大部分，舵机舱由氮气瓶组件、伺服机构和舵面组成，其中电子系统容易受到电磁脉冲的干扰。为了提高制导舱的电磁屏蔽效能，将制导舱保护罩做成金属结构(如图6),所示。

制导舱在加保护罩前后电子系统所在位置的电场强度比较曲线如图7所示。曲线A为不加保护罩的情况，曲线B为加保护罩的情况。从图7中可以看出，当频率低于1.1GHz时，加保护罩反而使制导舱内的屏蔽效能降低；当频率高于1.1GHz时，有的频段屏蔽效能较好，但总体上效果并不明显。这主要是因为保护罩与弹体之间不可避免的存在缝隙，保护罩与弹体没有构成一个封闭的空间，电磁波可以通过缝隙耦合进入制导舱。从理论上讲，当保护罩与弹体之间没有缝隙时，能起到很好的屏蔽作用，所以应该加强保护罩的设计，以提高制导舱的电磁屏蔽作用。

3.3引信舱建模与分析

建立引信舱模型，以引信舱中心为原点，在x轴方向开四个孔缝，即天线窗口。由于是双侧分别开双孔，电磁波在引信舱内耦合叠加，使得引信舱内场强分布较为复杂，如图8为引信舱模型和不同频率下引信舱的屏蔽效能云图。

在勤务处理中，天线窗口上一般加天线保护罩，如图9所示，引信舱中心点处屏蔽效能与不加保护罩的对比曲线如图10所示：

图10中，曲线A为未加保护罩引信舱内中点处的场强分贝值，曲线B为加天线保护罩后的场强分贝值。从中可以看出，一般的天线保护罩并不能起到屏蔽电磁脉冲的作用，有的频段甚至高于无保护罩的情况，这启示我们应该重新考虑保护罩的设计和应用。

4.结论

1）在弹体外部，当电磁波沿z轴入射时，弹体外部存在着沿x轴强弱交替的电场，当电磁波沿x轴入射时，电场强度沿z轴有强弱交替的现象，且频率越高，这种强弱交替越明显。

2）由于制导舱整流罩的电磁屏蔽性能弱，引信舱有天线窗口，导致制导舱和引信舱内部电场强度较复杂，使用电磁保护罩后屏蔽性能并无明显改善，主要原因是保护罩与弹体之间存在缝隙，不能组成一个封闭的空间。

3）仿真结果可作为制导弹药电磁脉辐照实验的参考，另外对制导舱和引信的保护罩应重新设计，以提高其电磁屏蔽性能。

参考文献：

[1] Wik M.W., Baum C.E., et al. Introduction to Special Issue on High-Power Electromagnetic and Intentional Electromagnetic Interference [J]. IEEE Trans on EMC, 2004, 40(3):314-32I.

[2]肖金石,刘文化,张世英等.强电磁脉冲对导弹的电磁毁伤性分析[J].火力与指挥控制,2010,35(8):63—74.

[3]阎照文,林,袁晓梅.FEKO5.4电磁场分析与技术与实例详解[M].北京:中国水利水电出版社,2009.

[4]刘淑肖,傅文洁,王莹.强电磁脉冲源及其战场杀伤机理分析[J].测试技术学报,1997,11(3):43—47.

[5]邹逢兴.电磁兼容技术[M].北京:国防工业出版社,2005.