马继峰 王美娥 周春梅 林金永
1.宇航智能控制技术国防科技重点实验室,北京 1008542.北京航天自动控制研究所,北京 100854
近年来,随着我国科学技术和航天科技的飞速发展,火箭、卫星等飞行器大量投入使用。飞行器在飞行过程中,会受到各种空间辐射环境的影响。在飞离地球大气层的过程中会受到雷电等电磁脉冲的影响,在环地球轨道上可能会遇到地球辐射带、银河宇宙射线、太阳宇宙射线等空间高能粒子的辐射,甚至可能受到核爆电磁脉冲等的影响。这些电磁脉冲辐射环境会引起航天器控制系统材料、设备和电子元器件的性能退化、功能失效,引起航天器在轨故障,缩短航天器的寿命,严重时导致空间任务失败。所以,针对飞行器控制系统电磁脉冲辐射环境的分析非常重要,是开展控制系统抗电磁脉冲加固设计的基础和依据,是关系到飞行器安全飞行保障、以及生命、财产和国防安全的重要问题。
一般采用理论分析、先验知识、仿真模拟验证和试验验证相结合的组合方法,开展电磁脉冲耦合途径和损伤规律研究,摸索飞行器控制系统的电磁脉冲敏感点和薄弱环节,开展有针对性的防护方案研究。主要技术路线是从辐射环境分析到损伤机理分析,再到防护系统设计、防护效果验证(试验、仿真)、防护技术评估,最后开展高层次的电磁脉冲防护技术研究。本文利用CST公司的3D电磁场仿真软件CST STUDIO SUITETM(以下简称为CST软件)分析对飞行器控制系统影响较大的典型空间电磁环境的空间分布规律,并进而仿真分析电磁脉冲可能对控制系统的耦合规律和产生的影响等。CST软件运用三维可视化技术,可直观表现飞行器机体、控制系统周边的电磁场分布情况,对于观察电磁脉冲场对控制系统设备的干扰、损伤效应,测试脉冲电场、脉冲磁场的干扰值及损伤值比较有效。
CST软件是德国CST公司开发的面向3D电磁场、电路和温度场设计工程师的一款专业仿真软件包。它将8个子软件集成在同一平台下,可以为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。CST软件主要包括CST MICROWAVE STUDIO,CST EM STUDIO,CST PARTICLE STUDIO,CST MPHYSICS STUDIO,CST DESIGN STUDIO,CST PCB STUDIO,CST CABLE STUDIO,CST MICROSTRIPES等,具体的功能描述如表1所示。
表1 CST软件模块介绍
控制系统电磁脉冲辐射环境分析的目的是通过使用电磁场及电磁兼容分析软件,建立或导入飞行器整体外壳及控制系统结构模型,并建立核电磁脉冲(NEMP, Nuclear ElectroMagnetic Pulse)场强模型,考察NEMP通过飞行器外壳孔缝和天线等途径对飞行器内部的耦合效应以及电缆耦合效应情况,进而分析在NEMP作用下飞行器控制系统(相关单机、电路、电缆等)的可能薄弱环节,为进一步的防护设计提供依据。
分析对象为飞行器整体外壳及控制系统结构模型,主要是由飞行器不同舱段的外壳结构模型和控制系统组件结构模型组成。
这些不同舱段参考典型运载火箭飞行过程中依次出现的飞行器第一级整体外壳模型、飞行器第二级外壳模型、非屏蔽状态的飞行器第二级外壳模型(整流罩抛掉)、飞行器第三级外壳模型、裸露仪器舱等模型组成。控制系统组件结构模型包括控制组合结构、控制系统电路板、控制系统电缆、惯性测量组合等的结构模型。
控制系统电磁脉冲辐射环境分析是应用电磁场及电磁兼容理论与方法分析飞行器内部,特别是飞行器控制系统相关的内部电磁场分布和辐射效应情况。整个分析方案由3部分组成:功能模块、电磁辐射效应分析、飞行器结构模型研究,如图1所示。
图1 飞行器控制系统电磁脉冲辐射环境分析方案
电磁辐射效应分析过程从NEMP场设置开始,对飞行器系统逐层逐步向下进行分析。首先分析位于场中的飞行器系统内部场强情况,从飞行器系统结构模型出发分析壳体孔缝耦合效应和天线耦合效应。在获取飞行器系统内部电磁场分布以后分析控制组合内部的电磁场分布情况和电缆耦合效应情况。最后根据控制组合内部的电磁场分布情况分析电路板电磁辐射效应情况。
飞行器结构模型分为2个层次:飞行器系统结构模型和飞行器控制系统结构模型。飞行器系统结构模型主要是飞行器各级壳体、整流罩等的简化模型,重点描述飞行器仪器舱位置、结构,孔缝,天线安装位置等辐射耦合部分。飞行器控制系统结构模型主要包括控制组合结构模型、控制组合内部电路板模型、控制系统电缆模型、天线模型、惯性测量组合模型等。这些结构模型不仅包括具体尺寸和安装位置,还应重点描述孔缝、材料等情况,以便进行电磁辐射效应分析。
1)助推段飞行器壳体NEMP耦合途径和耦合规律研究
针对飞行器助推段的不同飞行舱段的结构特点(各级结构以及头罩分离前后),开展各状态下(外露和不外露状态)飞行器壳体电磁脉冲耦合途径与耦合规律研究,并通过电磁场分析软件CST的相应模块进行结构建模仿真,开展电磁脉冲耦合规律和薄弱环节分析,了解特定对象对NEMP的敏感点和薄弱环节,为后续的加固设计提供依据。具体内容包括:飞行器系统结构模型和飞行器控制系统结构模型设计和建立;飞行器整体电磁环境分析;飞行器第二级飞行阶段电磁环境分析;非屏蔽状态的飞行器第二级飞行阶段电磁环境分析;飞行器第三级飞行阶段电磁环境分析;裸露仪器舱飞行阶段电磁环境分析。
2)NEMP效应仿真分析技术研究
针对控制系统的集成电路等元器件和电路板、整机、系统等,通过相关的仿真软件建立电气仿真模型,研究其电磁脉冲损伤模式和损伤机理,开展系统NEMP效应仿真分析,建立测试用例库和效应仿真软件及硬件环境。具体内容包括:器件、电路板、整机、系统等各级电气模型设计和建立;控制组合内部电磁场分析;控制系统电缆电磁耦合效应分析;控制组合内部电路板电磁耦合效应分析;飞行器天线耦合效应分析;惯性测量组合电磁耦合效应分析;辐射效应库初步设计。
以助推段飞行器壳体核电磁脉冲耦合途径和耦合规律研究为例,介绍电磁脉冲辐射环境分析试验过程。
本试验是分析飞行器在具有整流罩保护环境下(控制设备不外露状态)飞行器壳体电磁脉冲耦合途径与耦合规律。首先进行简化的飞行器壳体结构建模,使用电磁场分析的工具软件CST,建立飞行器助推段外壳(重点研究仪器舱和整流罩)的结构模型,设置核电磁脉冲(NEMP)环境和结构材料参数,主要考察NEMP通过飞行器外壳孔缝等途径对飞行器内部的耦合效应,进而分析在NEMP作用下飞行器飞行控制系统可能存在的薄弱环节,为进一步的系统防护设计提供了依据。
飞行器助推段外壳简化模型,如图2所示。此简化模型描述了飞行器助推段的典型飞行状态结构信息,这时飞行器主要由弹头和仪器舱组成,仪器舱中包括若干个控制系统设备。
(1) 飞行器结构模型构建
飞行器结构模型构建主要包括建立飞行器各级壳体、整流罩等的简化模型,重点描述飞行器仪器舱位置、结构、孔缝位置等辐射耦合部分,不仅包括具体尺寸和安装位置,还应重点描述孔缝、材料等情况,以便进行电磁辐射效应分析。
(2) 软件功能模块应用
飞行器壳体核电磁辐射效应分析过程从NEMP场参数设置开始,主要分析位于NEMP辐射场中的飞行器系统内部场强情况,从飞行器系统结构模型出发分析壳体孔缝耦合效应。
在如图2所示的飞行器壳体上设置缝隙的位置如图3所示,缝隙的参数为500*2mm,500*5mm和500*10mm 三种。入射波沿X方向传播,电场极化方向为Z方向,磁场极化方向为-Y方向,输入的核电磁脉冲波形为:
E(t)=kE0(e-αt-e-βt)
取k=1,E0=6.5×104V/m,α=4.0×107s-1,β=5.88×108s-1。
输入的波形如图4所示。
图3 飞行器壳体上添加缝隙位置
(3) 电磁耦合效应分析
在飞行器壳体外部和内部分别选取3个检测点,检测点的位置如图5所示,P1在飞行器外部,P2在飞行器内部中心的位置,P3在飞行器内部靠近孔缝的位置。通过CST软件进行仿真分析,得到每个检测点上的耦合电场强度的时间和频率相关变化规律如图6~8所示。
图4 输入电磁脉冲波形
图5 飞行器壳体俯视图中设置的3个检测点位置(蓝色线条为孔缝的位置)
图6 缝隙为500*2mm,3个检测点耦合电场的时域和频域图
图7 缝隙为500*5mm,3个检测点耦合电场的时域和频域图
(4) 电磁耦合效应分析
从上述仿真计算的结果可以看到,飞行器壳体上的孔缝能够对HEMP进行耦合,对飞行器内部的屏蔽效能产生较大影响,主要表现:
1)飞行器壳体外部检测点上的结果不受孔缝影响,而飞行器内部检测点上的耦合电磁场受到孔缝尺寸变化的影响;
2)核电磁脉冲经过飞行器外壳孔缝,耦合到了飞行器内部并且发生了谐振,飞行器壳体内部的耦合场强在谐振区大大加强;
图8 缝隙为500*10mm,3个检测点耦合电场的时域和频域图
3)飞行器壳体内部的耦合场强并不均匀分布,距离孔缝较近的检测点场强是较远的检测点场强的10倍左右,距离孔缝越近耦合场强越强;
4)飞行器壳体孔缝的宽边尺寸相同,孔缝窄边的尺寸变化时,耦合谐振的频点基本不变,随着窄边尺寸的增大,耦合能量增大。
采用理论分析和仿真模拟分析是开展电磁脉冲辐射环境研究的重要技术手段,这部分研究工作也通常是工业部门开展研究过程中的薄弱环节。本文选取了业内常用、功能强大的商用软件CST作为仿真工具,进行了控制系统电磁脉冲辐射环境分析。在制定电磁脉冲辐射环境分析方案后,以助推段飞行器壳体核电磁脉冲耦合途径和耦合规律研究试验为例进行了研究对象的建模研究,设置了电磁脉冲环境参数,选取了检测点监测电磁脉冲场强和孔缝耦合的分布规律,得到了仿真分析的结果。
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