某型制导弹药微波效应的研究*

徐 航,郑红星,左 非,蒋艳国,肖和业

(西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

0 引言

制导弹药在飞行过程中,通常会不可避免的受到激励源(electromagnetic pulse,EMP)辐照[1-2]。作为高科技军事装备的制导弹药,其弹上多种类型的电气设备、电子器件集合在狭小的空间内,通过输配电线路与电气系统连接在一起,信号有强有弱,电压、电流有高有低,空间密度远远高于其他飞行器。这些电气设备和电子器件在受到EMP照射时,会在弹体内产生感应电场。这往往会影响弹上器件的工作,从而对其飞行姿态和飞行轨迹产生影响。为了更好地了解制导弹药飞行时所受外部条件的影响,需要对导弹进行仿真分析。

1 仿真模型建立

选用CST仿真软件,建立弹体模型,并对导弹弹体进行简化[3]。

1.1 弹体结构模型

首先启动CST设计工作室，选择创建新项目。将长度单位设置为 mm,频率单位设置为 MHz,时间单位设置为μs,背景材料设置为 Normal,边界条件设为open(add space),建立如图1所示的制导弹药结构模型。

图1 某型制导弹药结构模型

其中,导引头设置为玻璃材质,其他结构部分(包含弹体)设置为PEC。仿真中需要考虑弹体各舱段由于加工公差产生的缝隙,按最差情况分析,让缝隙围绕弹壳一周。根据目前存在的公差范围,导引头、引信舱段缝隙按0.3 mm,0.4 mm和0.5 mm 3种情况处理;而其他舱段缝隙按0.05 mm处理。各舱段间隔板共设置了6条缝隙。此外,弹内有很多不影响计算结果但影响计算效率的结构,例如接插件、表面尖劈、表面圆柱等,通过对这些结构的近似处理,可以获得更高的计算速率。

1.2 弹上电气线路模型

弹上线束均设为理想导体,这里采用镀银的铜导线,绝缘层材料为聚四氟乙烯,单根导线截面积均为0.20 mm2,电导率约为6×107S/m;双绞线绞距为10 mm,屏蔽层为铜制编织层,编织密度80%。按照图2所示的线束结构建立三维曲线,包含电池、导引头、飞控、陀螺仪、舵机和引信之间的互连线。为了防止线缆间的电磁干扰,所有的电源线均为双绞线而信号线均采用双绞屏蔽线。为了在传输信号有问题时做到随时调整,弹壁电缆不能电缆束的形式出现。

图2 某型制导弹弹上电气线路模型

1.3 接口电路等效模型

对于供电、RS422、舵指令、舵电位计信号电路、引信接口电路和电机PWM接口等效电路,可以通过CST设计工作室进行建模。它采用边界元法,提取各类线缆(单线、排线、双绞线、屏蔽双绞线、单芯/多芯屏蔽线以及它们的任意拓扑组合)以及周边结构下的传输线模型,自动考虑趋肤效应、介质损耗。对从单一金属线到复杂的电缆和完整的电缆束的各种几何线缆结构都可进行电磁分析,可提供完整的电子系统互连设备电磁兼容性及信号完整性分析解决方案,具有很强的实用性[4]。根据各个接口电路的等效或简化模型,与分布参数网络模型端口一一对应连接。在这里可以采取一些简化处理提高计算效率。

通过以上步骤完成CST中对导弹模型的建模。

2 仿真与结果分析

通过仿真某型制导弹药在飞行中遭受激励源辐照时的情况进行仿真分析。

在仿真时,按照以下参数进行设定:

1)频率上限:100 MHz。

2)频率范围:若激励信号为超宽谱源波形(即脉冲宽度1 ns,脉冲上升沿300 ps),将仿真的频率范围定义到2 GHz即可包含激励源的主要能量;若激励信号为窄谱源波形(载频为1.3 GHz,脉冲宽度30 ns,脉冲上升沿和下降沿均为3 ns),将仿真的频率范围定义到1.3 GHz;若激励信号为窄谱源波形(载频为2.8 GHz,脉冲宽度30 ns,脉冲上升沿和下降沿均为3 ns),将仿真的频率范围定义到2.8 GHz。

3)信号波形:双指数函数波形。

4)网格设置:为了达到仿真效率和仿真精度的平衡,本项目仿真采用六面体网格对模型进行剖分,全局网格设置中将Cells per wavelength中的Near to model设为15。

5)监视器和探针:在弹体内定义5个探针,这些探针分别位于导引头前端、导引头后端、舵机、仪器舱和引信舱,如图3所示,并观察弹体内这些位置的感应电场。

图3 弹体内的探针位置

为了研究外设条件对导弹微波特性的影响,通过改变弹体各舱段之间的缝隙宽度、入射激励源的强度及方向等预设条件,计算观察点的感应电场场强值的变化。为了研究各舱段之间缝隙对仿真结果的影响,将导引头、引信舱段缝隙分别按0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm 3种情况处理;而在考虑入射激励源的强度及方向对导弹的微波效应的影响时,分别采用10 kV,20 kV和40 kV的电压,和导弹的正面、后面、左右侧面和底面5个方向,极化方式为水平极化。因为通常情况下,水平极化为激励源类问题中最恶劣的情况,采用该极化方式可以更加明显的看出入射激励源的入射方向对导弹微波特性的影响。根据前面的仿真设置,通过观察各个观察点的电场强度对仿真结果进行分析。

2.1 缝隙宽度对电场强度的影响

舱段间因加工误差引起的不同缝隙宽度对各个位置场强的影响仿真结果如图4所示。

通过上述各个观察点的场强随着缝隙宽度的变化所产生的影响可以看出:缝隙宽度对于导引头前端的场强值影响较小,而对于其他舱段产生了较为明显的影响。缝隙宽度为0.3 mm的场强值会大于其他两种缝隙宽度的场强值。这是由于舱段间加工误差造成的缝隙,会导致更多的激励源能量耦合进舱内,因此在加工时,可以通过减小舱段间空缝提高屏蔽效能。

2.2 入射激励源强度对电场强度的影响

入射激励源在10 kV、20 kV、40 kV 3个强度下,各个位置场强仿真结果如图5所示。

图5 入射激励源强度对各舱段电场强度的影响

通过上述仿真结果可以看出:入射激励源的强度越大,各个点的场强值也会越大。且入射激励源强度的变化对导引头的电场强度的影响尤为明显。

2.3 入射激励源方向对电场强度的影响

入射激励源为导弹底部、前方、左侧、右侧、后方5个方向时,各个位置场强仿真结果如图6所示。

通过上述仿真结果可以看出:对于舵机、仪器舱和引信舱而言,不同方向的入射激励源入射，对于舱内的电场影响不大;而对于导引头而言,侧方入射(即入射方向为导弹左侧和导弹右侧)比从导弹前后方入射对舱内的电场影响大。由于入射激励源大小和方向的变化都对导引头部分舱内电场产生较大的影响,因此在设计弹上电气时,需要多加考虑导弹的头部抗扰设计方案。

图6 入射激励源方向对各舱段电场强度的影响

3 结论

应用电磁兼容仿真软件CST对某型导弹在飞行中遭受激励源辐照时的情况进行仿真分析,得到了具体的可数值化的参数。通过改变各舱段之间的缝隙宽度、入射激励源强度和入射方向等预设条件,计算其对导弹微波特性的影响。结果表明,激励源侧方入射比前后方入射对舱内影响大;导弹的头部相对于其他舱段而言,更容易受到入射激励源辐照的干扰,在导弹电气设计时需要重点考虑导弹的头部抗扰设计方案;加工误差造成的缝隙,会导致更多的激励源能量耦合进舱内,控制好加工工艺,减小舱段间缝隙,提高屏蔽效能。所得仿真结果与实际结果相吻合,对导弹电气设计有一定的指导意义。