飞机结构强电磁脉冲综合屏蔽效能评定方法

魏宇宏，王 俊，罗旭东，张 帆，王博龙，卢 润

(中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089)

1 引 言

飞机在有限空间内装备了大量的电子、电气设备，面临严重的强电磁脉冲威胁[1]。飞机结构是保护机载电子设备安全的第一道屏障，对内限制内部辐射区域的电磁波泄漏，对外防止外部的辐射进入自身区域[2，3]。若飞机结构设计成连续屏蔽体，可以较好地达到屏蔽的目的，但飞机结构表面积较大，功能件分布广泛，结构形式众多，无法设计成完全屏蔽的壳体，需要存在为满足各种功能而产生的间隙和孔[4,5]，屏蔽体的完整性受到破坏[6]，导致飞机结构表面局部电流不连续，飞机的强电磁脉冲防护不可能完全靠飞机结构实现，只能依靠飞机结构提供必要的防护能力，并综合提高机载电子设备的屏蔽防护能力，确保飞机安全。因此，有必要通过定量的方法研究飞机结构的防护原则，确定飞机结构需要防护的部位，降低防护成本，为制定飞机结构防护方案提供准备，为电子设备进行有效的针对性防护[7]提供场强数据，使敏感设备[8]有针对性地采取防护措施，提高飞机的抗干扰能力。

2 总体思路

强电磁脉冲具有宽频谱的特点，不同频率下的电磁能量又会在飞机结构上呈现出不同的耦合特点和效应规律。强电磁脉冲对飞机系统的耦合主要通过孔洞或缝隙耦合进入系统，耦合途径非常复杂[9]，形成严酷的电磁环境条件。

强电磁脉冲电磁波的波长决定了孔洞或缝隙是否会出现电磁波泄漏。若孔洞或缝隙尺寸明显大于波长，就会产生较为严重的电磁波泄漏。同时，同一结构的孔洞或缝隙之间还存在耦合效应。飞机在强电磁脉冲辐射环境下会面临来自不同方向、具有不同极化方式的强电磁脉冲打击，电磁波在机体表面经过散射后，对某些孔洞或缝隙处的电场强度产生影响，这会提高对飞机结构屏蔽效能的要求。因此，在强电磁脉冲照射下，有必要形成综合的飞机结构屏蔽效能评定方法，从而确定飞机结构的防护原则。

首先，对飞机各部分结构按结构形式、电磁耦合途径进行归类，筛选出若干典型结构类型，进行强电磁脉冲防护特性分析，然后在整机照射下，获得整机表面不同部位典型结构场强数据，最终评判综合屏蔽效能，确定防护原则。流程如图1所示。

图1 总体思路流程

某型飞机结构复杂，孔洞或缝隙结构密布于飞机结构各处，按不同结构形式筛选出来的典型结构包含舱门、口盖、玻璃窗口框、缝隙、管道、百叶窗、滤网、孔和电缆通过孔等，共计61种结构。

3 仿真方法

对电磁脉冲的孔缝耦合问题研究由来已久[10]，数值模拟计算作为一种快速有效、低成本的解决手段，能够有效地对整机结构、波形、照射方向、极化方式等要素进行表征，通过对飞机结构孔缝耦合问题进行数值模拟仿真，可快速有效地计算飞机结构内场分布，获得不同条件下的电磁效应数据。

强电磁脉冲是一种瞬态电磁脉冲，其频谱极宽。针对该特点，选取时域有限差分法[11]作为电磁场数值分析方法。该方法直接对麦克斯韦方程进行空间和时间离散，适合进行大规模并行计算，一次计算便可获得所有频点的电磁场信息。

3.1 波形

仿真过程中采用GJB 151B-2013标准中给出的波形，其波形函数表达式为：

E(t)=kE0(e-αt-eβt)

式中，k=1.3，E0=50kV/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1。

由此可见，强电磁脉冲具有很高的峰值场强，并且辐射范围广、上升沿变化快、强度大、频谱宽[12]，可以计算出各频段的电磁能量占比，具体数值如表1所示。

表1 各频段电磁能量占比

3.2 典型结构仿真

3.2.1 计算类型

对于每种典型结构，分别考虑正对典型结构垂直照射下的2种正交极化，采用平面波来表征强电磁脉冲，在仿真计算中利用电边界和磁边界来形成平面波。图2为通风窗结构仿真中的平面波和边界条件。

图2 通风窗结构仿真中的平面波和边界条件

3.2.2 网格划分

强电磁脉冲的电磁能量主要是通过细缝结构耦合进入飞机内部，因此，必须对典型结构中的这些细缝结构进行网格加密，才能保证计算结果的准确性。网格加密后，在同一个方向上至少要有3个网格来对细缝进行表征。由于有的细缝宽度只有1mm(如口盖)，甚至有的细缝结构呈弯曲状态，这些都将大幅增加典型结构的网格数量。图3和图4所示为对不同典型结构进行网格加密后的网格剖分图。

图3 玻璃窗口框缝隙网格加密示意

图4 某口盖缝隙网格加密示意

3.3 整机仿真

3.3.1 计算类型

由于强电磁脉冲在照射方向和极化方式上的不确定性，需要对多种来袭情况进行数值模拟。设置了17个典型的照射方向，不同照射方向以空间45°进行间隔，每种照射方向分别以2种正交极化方式进行照射，共计34种照射情况，定量分析不同频段整机表面不同部位典型结构场强增强数据。若数据为大于0的正数值，其对应的物理意义为表面电场强度得到增强；若数据为小于0的负数值，其对应的物理意义为表面电场强度得到减弱。

采用平面波来表征强电磁脉冲，计算边界条件为开放边界条件或者吸收边界条件，用于模拟飞机的空中飞行状态。强电磁脉冲照射到飞机上的散射场不对飞机形成二次照射。

以飞机坐标原点为基准，17个照射方向分别为：1.正前方(-1,0,0)；2.正侧方(0,0,1)；3.正后方(1,0,0)；4.正前斜上方(-1,1,0)；5.正上方(0,1,0)；6.正后斜上方(1,1,0)；7.正侧斜上方(0,1,-1)；8.正前斜下方(-1,-1,0)；9.正下方(0,-1,0)；10.正后斜下方(1,-1,0)；11.正侧斜下方(0,-1,-1)；12.侧前方(-1,0,-1)；13.侧前斜上方(-1,1,-1)；14.侧前斜下方(-1,-1,-1)；15.侧后方(1,0,-1)；16.侧后斜上方(1,1,-1)；17.侧前斜下方(1,-1,-1)。

3.3.2 网格划分

以关心的最高频率500MHz为例，其对应波长为600mm。即使网格为30mm，也仅为波长的1/20。通常情况下，这个比例可以保证计算结果的准确性。在整机仿真工作中，一些精细结构部分并不对整机电磁特性分布产生明显的影响。在网格剖分过程中，同时兼顾计算结果的准确性和计算效率，将单元网格大小设定为10mm左右。

4 综合屏蔽效能评定方法

通过仿真可获得不同典型结构的屏蔽效能数据。然而，当典型结构作为机体的某一部分时，由于电磁脉冲的变化因素(照射方向、极化方式)及典型结构周围金属结构的影响，典型结构外表面的电场强度可能会得到增强，对典型结构的屏蔽效能要求会相应提高。因此，要判断整机在电磁脉冲照射下会有多少电磁能量通过典型结构耦合进入机体内，还需仿真计算整机照射下典型结构所处位置的表面电场增强数值，再结合典型结构自身的屏蔽效能和强电磁脉冲的电磁能量频域分布特性，才可综合判断典型结构需要满足的屏蔽效能。因此，提出综合屏蔽效能的概念。

综合屏蔽效能定义为：T=L+M-N。T为综合屏蔽效能，L为典型结构屏蔽效能，M为波形频谱权重(按强电磁脉冲波形频谱，在典型频率处的频谱权重数值见表2)，N为整机照射下典型结构表面电场增强，全部归一化为dB。确定防护标准要考虑典型结构向机体内延伸50mm处的综合屏蔽效能T(T≥50dB，不防护；T<50dB，需防护)。

表2 在典型频率处的频谱权重数值

仿真工作选取的频点为：1MHz，2MHz，5MHz，10MHz，20MHz，50MHz，100MHz，200MHz，500MHz。典型结构屏蔽效能计算时，采用垂直照射下2种正交极化方式获得不同频段、典型结构向机体内延伸50mm处的屏蔽效能。整机照射下典型结构表面电场增强计算时，采用17个照射方向、2种极化方式(共计34种情况)获得不同频段下的典型结构处表面电场增强数据。对每个频段下的所有数据进行比较，得到受强电磁脉冲影响最严重时对应的最大值，获得2种极化方式下的最大增强。

5 以某口盖为例说明综合屏蔽效能评定方法的使用

5.1 某口盖典型结构仿真数据

某口盖典型结构仿真场强分布如图5所示。图中所示的图例为-100dB～0dB，表示电场强度的分布范围。相对应的，屏蔽效能的分布范围为0dB～100dB，即电场强度与屏蔽效能呈相反的关系。

(a)某口盖结构

(b)10MHz时某口盖的电场场强分布图

(c)100MHz时某口盖的电场场强分布图图5 某口盖典型结构仿真场强分布

某口盖的屏蔽效能数据表见表3。可以看出，口盖在低频和高频频段的屏蔽效能表现不一。随着频率的升高，屏蔽效能变差，电磁能量更容易耦合穿过典型结构。在不同极化条件下获得的屏蔽效能结果差异较大，距离结构50mm处的屏蔽效能最大值不超过70dB。

表3 某口盖的屏蔽效能数据

5.2 某口盖整机仿真数据

17个照射方向、2种正交极化方式、9个频点下的表面场强增强数据共计306个(此处略)。若数据为大于0的正数值，其对应的物理意义为表面电场强度得到增强；若数据为小于0的负数值，其对应的物理意义为表面电场强度得到减弱。对每个观察频点下的所有数据进行比较，列出2种极化方式的某口盖表面电场强度最大增强数据(见表4)。

5.3 某口盖综合屏蔽效能评定

某口盖综合屏蔽效能计算结果见表5。某口盖向机身内延伸50mm处的综合屏蔽效能T<50dB，因此，判定需采取防护措施。

6 结 论

本文按飞机结构强电磁脉冲综合屏蔽效能评定方法完成了全机61种结构的典型结构仿真、整机环境下典型结构处场强耦合效应分析，并进行了综合屏蔽效能评定，筛选出飞机结构需要防护的部位。

表4 某口盖表面电场强度最大增强数据

表5 某口盖的综合屏蔽效能

针对飞机结构强电磁脉冲的特性，梳理了典型结构类型，总结了整机仿真和典型结构仿真方法，开展了整机环境下典型结构处场强耦合效应分析，首次提出了以整机仿真和典型结构仿真相结合、飞机结构强电磁脉冲综合屏蔽效能评定的方法，定量地衡量飞机结构的防护效能，制定了防护原则，解决了飞机结构强电磁脉冲防护的紧迫问题，降低了防护成本，明确了防护部位，为后续开展防护设计、全机防护性能评估奠定了基础，对其他飞机结构强电磁脉冲防护研究的开展有较强的理论价值和指导意义。