电爆装置电磁脉冲响应分析

姚洪志，封青梅，纪向飞，赵 团

（1.火工品安全性可靠性国防科技重点实验室，陕西西安 710061；2.陕西应用物理化学研究所，陕西西安 710061）

电爆装置电磁脉冲响应分析

姚洪志1，2，封青梅1，2，纪向飞1，2，赵 团1，2

（1.火工品安全性可靠性国防科技重点实验室，陕西西安 710061；2.陕西应用物理化学研究所，陕西西安 710061）

介绍了电爆装置在电磁脉冲环境下的感应电流响应特征，利用有限积分法进行了同种电爆装置不同脚线长度情况下感应电流的变化分析，以及同种脚线长度、不同脉冲环境，电爆装置感应电流的分布情况分析，研究了不同脉冲环境、不同脚线长度对电爆装置感应能量的影响，为电火工品电磁脉冲效应测试提供数据支撑。

电爆装置；电磁脉冲；感应电流

随着科学技术的发展，各种大功率定向能武器诸如高功率微波武器、电磁脉冲弹在战场上的应用，使得武器装备经受着前所未有的考验。作为武器系统中最敏感的作用元件，电爆装置（EED）的电磁脉冲效应研究备受关注。研究EED对电磁脉冲的响应，分析电磁脉冲对EED的危害，评价EED以及武器装备在电磁脉冲环境下的安全性和可靠性是非常有意义的。

笔者采用有限积分方法计算了电磁脉冲对不同脚线长度的EED响应分析，得到了EED脚线上感应电流的分布情况；另外开展了不同的脉冲环境对EED同样脚线长度的响应研究。

1 电磁脉冲环境

美国国家标准IEEE／ANSI C63.14中对电磁脉冲的定义如下：电磁脉冲是在核爆炸时，由于伽马光子与空气介质分子相互作用而产生的电磁辐射［1］。根据高空核爆炸电磁脉冲的基本理论模型，采用双指数函数［2］进行拟合，虽然不能完全模拟实际情况，但是对于工程应用是非常有价值的。

式中：E0为峰值场强；K为修正系数；α为前沿参数；β为后沿参数。

时至今日，高空核电磁脉冲已历经了多种波形标准的变更，尤其是近年来国际电工委员会以及美国军用标准提出的新的波形标准，这些不同标准的电磁脉冲对电爆装置的影响非常值得关注。

2 电爆装置（EED）

EED是实施点火、起爆等功能的电热装置。目前中国大量使用的仍然是第2代电爆装置——桥丝式电爆装置，通常由管壳、桥丝、起爆药、传爆药、主装药、脚线等组成［3］。其结构示意图见图1。

计算所选取EED模型参数如下：管壳直径为6 mm，脚线直径为0.4 mm。换能元暂用5Ω电阻代替（本文主要考虑EED脚线对感应电流的影响，并未研究换能元上的电热转换过程）。

3 有限积分法

有限积分法是计算电磁场的一种数值方法，该方法可提供一种通用的空间离散化方案，可用于解决各种电磁场问题，从静态场计算到时域和频域的高频应用。

与许多电磁场计算方法不同，FIT（有限积分法）是将麦克斯韦方程离散化。

图1 电爆装置结构示意图

采用数值方法求解这些方程，需要定义一个有限的计算区域，并且该区域包含了整个的计算问题，划分一套网格，将计算区域分割为许多小的网格单元，进行计算。

采用这种方法，麦克斯韦方程将在每个网格面上进行离散。具体的计算方法在这里就不另行介绍，可参照有关书籍。

4 不同脚线长度分析

基于最新的MIL-STD-461F［4］标准所提出的电磁脉冲对EED进行不同脚线长度的响应分析。其波形参数如下：α＝4×10－7s－1；β＝6×10－8s－1；k＝1.3；E0＝5×104V／m，详见图2。

在电爆装置使用过程中，其脚线长度根据实际使用情况可进行相应的调整，通常在10 mm到2 m不等。因此研究10 mm到2 m脚线长度的电爆装置，并进行电磁脉冲响应分析是十分必要的。这里选用脚线长度为100 mm及1 m的EED进行说明，详见图3－图6。

EED在电磁脉冲环境下的感应电流振荡周期与EED的脚线长度有直接关系，可用下式进行计算［5］：

式中：Tcurrent为电流的振荡周期；L为EED的脚线长度；c为电流在EED中的传播速度，近似为光速（3×108m／s）。

图2 激励信号——MIL-STD-461F标准

图3 脚线长度100 mm，EED感应电流波形

图4 脚线长100 mm，EED感应电流频域分布

图5 脚线长1 m，EED感应电流波形

图6 脚线长1 m，EED感应电流频域分布

图7 电爆装置脚线长度与感应电流峰值的关系示意图

另外，分别对不同脚线长度的EED进行电磁脉冲电流响应分析。结果显示：随着EED脚线长度的增加，EED的感应电流幅度不断增大，电流的周期也变大；EED感应电流的大小与脚线长度呈大致的线性关系，见图7。

另外，同样脚线长度情况下，通过修改EED的桥丝电阻，分别为1，5，10，15Ω，发现EED桥丝上感应的电流变化不大。因此可以判断EED感应的电流大小主要与EED的桥丝展开长度有关，桥丝电阻对感应电流的影响较小（见表1）。同时，电爆装置脚线的半径对感应电流同样有一定的影响，本文暂不做说明，使用的脚线半径均为0.2 mm。

表1 变化换能元电阻值，同状态（脚线长5 cm）下EED感应电流峰值对照表

不同脚线长度电爆装置在电磁脉冲环境中的计算结果表明，在实际使用中，脚线的长短对于感应电流的影响很大；在电爆装置的电磁脉冲防护中可以通过减小电爆装置脚线的长度来降低电磁脉冲对EED的危害。

5 不同脉冲环境分析

选取 MIL-STD-461F，MIL-STD-2169，BELL实验室和1976年脉冲，进行EED不同脉冲宽度的响应分析。

样品选择：脚线长度为50 cm，桥丝电阻为5Ω，平行电场方向放置。

电磁脉冲波形随着年代的发展，上升沿越来越快速，半高宽度越来越短。下面介绍各种电磁脉冲对EED的响应分析，研究同样技术条件下，EED桥丝上感应的电流大小，分析不同电磁脉冲对EED的危害影响，详见图8－图12。

图8 4种脉冲标准的对比

图9 MIL-STD-461F脉冲EED感应电流

图10 MIL-STD-2169脉冲EED感应电流

图11 BELL脉冲EED感应电流

经过计算分析可以看出，同样脚线状态下，4种电磁脉冲对EED上感应的电流周期基本一致；上升时间快，脉冲宽度窄的MIL-STD-461F环境在同样脚线长度的电爆装置桥丝上感应电流峰值最高，能量最大，因此对EED的影响也为最大。

常规电爆装置的电容器发火能量为1×10－5～1×10－3J量级。当脚线长度为50 cm时，4种脉冲环境下电爆装置感应能量都在1×10－5J量级左右，根据GJB 786—1990《预防电磁场对军械危害的一般要求》［6］，足以威胁到电爆装置的安全性和可靠性。

图12 1976年脉冲EED感应电流

6 结 语

随着大功率定向能武器在战场上的大规模应用，特别是能够产生快上升前沿的电磁脉冲武器，使得武器装备、分系统、甚至是电爆元件都承受着严酷的考验。研究EED的电磁脉冲效应，分析EED的电磁脉冲易损性，评价EED在电磁脉冲环境下的安全性可靠性，对于保障武器装备的安全性和可靠性至关重要。

通过电磁场理论对电爆装置电磁脉冲电流响应问题进行了一些的计算分析，给出了一定的结论，对于实际测试工作的开展非常有利。

［1］ ANSIC63.14，American National Standard Dictionary for Technologies of Electromagnetic Compatibility（EMC），Electromagnetic Pulse（EMP），and Electrostatic Discharge（ESD）［S］.

［2］ 谢彦召，王赞基，王群书，等.高空核爆电磁脉冲波形标准及特征分析［J］.强激光与粒子束，2003，15（8）：781-787.

［3］ 姚洪志.工业电雷管电磁兼容性和安全性研究［M］.［S.l.］：［s.n.］，2008.

［4］ MIL-STD-461F，Requirements For the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment［S］.

［5］ 敬文涛.导弹线缆高空核爆电磁脉冲耦合效应的研究［M］.北京：国防科技大学，2004.

［6］ GJB 786—1990，预防电磁场对军械危害的一般要求［S］.

TN97

A

1008-1542（2011）07-0045-04

2011-06-20；责任编辑:张士莹

姚洪志（1985-），男，辽宁锦州人，工程师，主要从事电爆装置电磁兼容性方面的研究。