引信强电磁脉冲效应仿真与评估方法

郑福泉，娄文忠，杨金刚，冯恒振

(1.北京理工大学机电学院, 北京100081;2.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

随着信息化时代的发展，各种电子系统应用在军事中的各个方面，其中炮弹引信电子系统是典型代表。电磁脉冲武器可瞬间损坏现代化武器中的电子系统[1]，具备全天候作战能力、对瞄准精度要求低、“软”“硬”杀伤兼具、成本低、适用范围广[2-4]，并且这些效应对信息化武器装备和系统的破坏机理具有普适性，不随目标种类不同而变化。作为新机理定向能武器，强电磁脉冲武器越来越受到军事强国的高度关注[5-6]。

为了对我国的炮弹引信及其他电子系统进行电磁防护，研究电磁脉冲对炮弹引信的毁伤效应变得极为紧迫。当前对炮弹引信电磁脉冲辐照效应研究存在的主要问题为：电磁脉冲对炮弹引信的辐照复杂，很难通过单纯的仿真对其辐照效应进行解释；其次试验条件不足，国内具有超宽谱强电磁脉冲试验条件的单位少，导致效应试验困难。本文以炮弹引信为研究对象，利用CST微波工作室对炮弹引信强电磁脉冲耦合进行仿真计算，得到关键点的场强值。利用强电磁脉冲模拟器进行辐照试验，得到了电子系统效应阈值。

1 引信壳体与电磁脉冲耦合仿真分析

CST微波工作室广泛应用雷击、强电磁脉冲等各类高频电磁仿真。本文利用其瞬态求解器，完成仿真计算。

1.1 仿真设置

对真实情况下炮弹引信进行建模，如图1所示。设置激励脉冲沿y轴反方向传播，即从炮弹引信前向后传播，电场方向沿z轴方向，垂直于弹轴。由于炮弹引信后方连接有战斗部，需要有孔，为了模拟最差的耦合情况，使该孔直接暴露于外部电磁场中。

图1 仿真模型 Fig.1 Simulation model

仿真中设置电场探针沿弹轴均匀分布，每5 mm设置一个,如图2所示。其他仿真参数设置如表1所示。

图2 测点示意图Fig.2 Schematic diagram

表1 仿真参数表
Tab.1 simulation parameter table

序号仿真设置项目参数2激励形式平面波3激励脉冲双指数脉冲4激励脉冲频率0.1～3GHz5脉冲场强25kV/m6边界条件Open(addspace)

1.2 仿真结果及分析

CST微波工作室利用有限积分法(FIT)的方法进行电磁场的解算。计算完成后，可得到主方向(x轴方向)不同探针处电场的时域波形，如图3所示。电磁脉冲在炮弹引信壳体内部脉冲宽度基本不变，幅值被大幅度压缩。

图3 各测点电场波形图Fig.3 Electric field waveform of each measuring point

图4所示为电场峰峰值随距离变化的曲线图。在炮弹引信壳体外部，由于金属对电磁场具有反射作用，所以引信壳体内部电场强度有所下降。在炮弹引信壳体内部，到达安全系统位置，电场强度为1 kV/m，相对外部25 kV/m，电场强度衰减为27.9 dB。可得金属壳体对电磁脉冲具有很好的屏蔽作用。

图4 各测点场强峰峰值变化曲线Fig.4 Field strength peak-peak variation curve

在中心频率1.5 GHz、相位90°时，炮弹引信周围及内部电场分布情况，如图5所示。由图可见，炮弹引信金属壳体对周围电场有较大影响。尽管炮弹引信后部开有孔，但电磁场进入后被迅速衰减，在炮弹引信壳体头部和炮弹引信体连接处为过盈配合，没有任何电磁泄露。该壳体满足防护强电磁脉冲的要求。

图5 炮弹引信内外电场分布Fig.5 Distribution of electric field

2 炮弹引信强电磁脉冲耦合效应试验设备

试验系统主要由控制系统、电磁脉冲源、发射天线、测试系统、示波器及小口径炮弹引信组成。电磁脉冲控制系统和示波器放在屏蔽室内，以防止电磁脉冲对其产生损坏，试验布置如图6所示。试验为了模拟真实战场环境，耦合试验在外场进行，控制台和示波器放置在屏蔽室内。试验前利用测试系统标定各个场点的电场强度。

图6 试验布置图Fig.6 Test layout

2.1 电磁脉冲模拟器

电磁脉冲模拟器包括：控制系统，电磁脉冲源，P-C开关(Peaking-Chopping开关)及TEM喇叭天线等。电磁脉冲模拟器通过电磁脉冲源把“慢”存储的具有较高密度的能量，进行快速压缩，经P-C开关整形形成电磁脉冲，传输至天线，进而辐射到外部空间，实物如图7所示。

图7 电磁脉冲模拟器实物图Fig.7 EMP simulator physical photo

在强电磁脉冲模拟器正前方6 m处检测到波形如图8所示。由于外场环境中会有反射存在，故主脉冲后有许多拖尾。

图8 实测电磁波形Fig.8 Measured electromagnetic waveform

2.2 某典型炮弹引信电子系统工作原理

某典型炮弹引信为电子时间炮弹引信。电子系统由电源外部供电，电路的芯片中装订延时为15 s。供电开始后，芯片计时，电路系统中的电容器充电，达到装订的延时时间，输出端输出高电平，触发电点火头，试验中为了研究强电磁脉冲对电路的损伤效应，部分试验使用指示灯代替电点火头。

炮弹引信电子系统结构如图9所示。炮弹引信壳体对电磁脉冲有一定的吸收。试验时将炮弹引信电路放置在炮弹引信壳体中。在此试验中电磁脉冲对炮弹引信电路的耦合主要为孔缝耦合与电源线耦合[7]。

图9 炮弹引信电子系统图Fig.9 Fuze circuit

3 炮弹引信强电磁脉冲耦合效应试验

3.1 试验步骤

1) 放置好各个装置的相对位置。把强电磁脉冲模拟器放在预设的辐照方向上；测试系统放在一定距离和高度处。

2) 连接各个装置。通过屏蔽线缆把控制系统与脉冲源连接在一起；接收天线通过信号传输线连接至示波器。

3) 连接电源线。

4) 启动设备。按下控制系统的开关接通电源，点击脉冲发射按钮发射电磁脉冲。

5) 信号读取。超宽带强电磁脉冲信号在脉冲源中形成经过发射天线发射到外部空间，在远区场测量天线采集到信号通过信号传输线、传输至示波器显示。

6) 观察试验现象、取回炮弹引信，测试炮弹引信电子系统性能，记录实验数据。

3.2 试验现象及分析

把带有电子系统炮弹引信放置在场强大于65 kV/m的位置，接通电源后7 s，电磁脉冲源发射一个脉冲辐照炮弹引信电路。在第15 s电点火头不会被引爆，炮弹引信没有正常工作。在22 s时电点火头起爆，表明炮弹引信电子系统在强电磁脉冲辐照下被抑制。取回效应物，对其电子系统进行测试，炮弹引信电子系统正常工作。通过分析试验现象及电路可知：在强电磁脉冲辐照下，炮弹引信电路芯片复位、重启；在电磁脉冲消失后，延时被重置。

本文进行的试验及现象如表1所示。由于强电磁脉冲试验本身费用昂贵，需要大量的效应物，且对于炮弹引信电子系统效应阈值区间缺乏预估，使得采集的试验数据少而且较为分散。

通过试验发现当炮弹引信带有屏蔽壳体时，屏蔽壳体具有较好的防护效果。在外部电磁场中电场强度小于60 kV/m时，均能保证炮弹引信电路正常工作。对比仿真结果，屏蔽体没有达到理想的屏蔽效果。其原因在于试验中采用了外部供电的方式，电磁脉冲会通过电源线耦合一定的能量进入电子系统，影响其工作。

为了在有限强度的电磁场下得到炮弹引信电子系统的效应阈值，试验采取直接对电子系统进行辐照试验。试验数据如图10、表2所示。总结得出，炮弹引信电子系统在电磁场中电场强度大于25 kV/m时，有一定概率会使电子系统中芯片复位重启。随着场强增加，芯片复位重启概率变大。当电场强度在65～80 kV/m时电路中的芯片会产生不可恢复性故障，不能再工作。当电场强度大于80 kV/m时，芯片基本会被损坏。

图10 炮弹引信试验图Fig.10 Test chart for projectile Missile Fuze

表2 试验测试数据
Tab.2 test test data

场强/(kV/m)有壳体无壳体场强/(kV/m)有壳体无壳体10.700350114.800450118.501551217.30152.21116.20148.90115.10053.20220.801571225.901591228016212

注：0代表无效；1代表电子系统重启；2代表芯片烧毁，不能恢复工作

4 结论

通过仿真分析和试验验证可知，炮弹引信的壳体会对强电磁脉冲起到很好的屏蔽作用，仿真结果显示炮弹引信壳体对电场衰减为27.9 dB，试验结果显示电场强度小于45 kV/m时炮弹引信电子系统均能正常工作，满足防护需求。进一步对炮弹引信的电磁辐射效应试验研究表明，在电磁脉冲的作用下，当强电磁脉冲电场强度峰值达15 kV/m时，芯片会产生重启复位，使炮弹引信起爆出现故障；当场强达50 kV/m时芯片有一定概率会被永久损坏。由于器件差异，试验中测量误差等不可控因素的存在，炮弹引信电子系统阈值场强并非绝对定值，而是在一定区间内符合概率分布。