朱宇光
(92941部队42分队 葫芦岛 125001)
雷电是自然界一种较为常见的大气现象,在地球大气环境中,每年能产生超过800万次的雷电。当雷电出现时,经常会伴随着闪光、高电压、高电流等现象,电压可达亿伏以上量级,电流幅值可高达200kA,雷电等离子体通道可长达数千米以上[1~2]。雷电给战术导弹的作战运用带来了重大影响,当战术导弹在飞行中遭遇雷电时,轻则造成弹体结构损坏、传感器失灵,重则造成导弹解体、飞行失控、危及发射操作人员安全等致命性后果,如1966年8月,日本的马特反坦克导弹发射后遭遇雷击,导致导弹坠毁,雷电强大的电流通过电线传导至发射架,造成5名操作手死亡的重大事故[3]。在飞行器雷电防护方面,飞机类目标雷电防护与试验研究较为充分,针对战术导弹类雷达防护研究不足,能够查到的文献较少。
为了提高战术导弹的雷电防护能力,提高对雷电环境的适应性,对战术导弹雷电效应进行分析,找出其雷电防护薄弱环节。针对雷电的直接效应和间接效应,研究了提出雷电防护方法。对战术导弹雷电防护试验技术进行研究,提出试验结构组成、试验波形、试验步骤等内容。为了提高战术导弹在雷电环境下的使用成功率,提出雷电环境使用对策建议。研究结果能够为战术导弹的雷电防护设计、试验提供支撑,能够提高战术导弹雷电防护能力和雷电环境下的作战运用能力,具有重要的军事价值和意义。
雷电对战术导弹的影响效应可分为直接效应和间接效应。当战术导弹飞行穿越带电云层时,其与带电云层的电磁场态势如图1所示。
图1 导弹在带电云层中的电磁场态势
当导弹某个尖端点处的电场强度超过空气电离电压30kV/cm时,空气将被电离,带电云层将对导弹进行放电,形成电流通路,雷电将直接作用在导弹上,形成对导弹的直接毁伤效应[3~5]。雷电直接效应包括电弧附着弹体表面所造成的燃烧、溶蚀、爆炸和结构变形、穿孔,以及由大电流引起的高压冲击波和电磁力破坏,直接效应可造成导弹弹体结构穿孔、扭曲、折断等,破坏导弹的气动外形,还可造成发动机熄火,造成导弹飞行坠落和任务失败。
导弹在穿越带电云层时,导弹感应带电云层形成的电磁场,内部产生感应电压,当电磁感应电压超过弹上电子元器件的耐受电压后,会造成电子元器件失效,形成对导弹的间接毁伤效应[4~8]。雷电对导弹的间接毁伤效应能够影响弹上设备的性能,容易造成设备死机、重启、数据错误、通信中断等故障现象,给导弹作战使用造成重大威胁。
以美国鱼叉反舰导弹外形为例,导弹弹体结构包括天线罩、设备舱、战斗部舱、发动机舱和舵机舱、弹翼、舵面等。为了提高透波性,天线罩一般为非金属材料,如石英晶体、玻璃钢、碳纤维复合材料等,不具备电磁屏蔽作用。其他舱体结构外壁一般为金属材料,具有较好的电磁屏蔽作用。
雷电直接效应对战术导弹的影响是通过附着在弹体上形成的,对导弹的损伤机理主要包括热效应和力学效应,表现在弹体结构的变形、穿孔、烧蚀等。根据电场尖端放电原理,雷电在导弹上的重点附着区域包括天线罩、弹翼和舵面。战术导弹雷电直接效应防护应该重点考虑雷电附着区域。
天线罩位于导弹的前端,在导弹飞行过程中会在表面积累大量的电荷,并处于雷电电场尖端放电的位置,是雷电附着放电的重点区域之一。当雷电附着在天线罩上,释放的热量会使天线罩发生变形,冲击波和高电压会在天线罩上形成穿孔。为了增强天线罩的雷电效应直接防护能力,可采取在天线罩上敷设金属条带,并将金属条带与弹体结构金属外壁进行连接,可以有效减小雷电直接效应对天线罩的影响,见图2。在进行天线罩导电条敷设时,应保证不影响导弹气动外形和天线的透波性能。
图2 加装金属条带的天线罩
弹翼、舵面和弹体其他部分一般为金属结构,且连接在一起,其雷电直接效应防护主要是保证雷电电流通路的低阻抗特性,保证各个部分的可靠金属连接,弹体机构强度要满足要求。
雷电在导弹弹体结构上附着形成直接效应的同时,也会对导弹弹上电子设备形成间接效应,尤其是对非金属材料包裹的部分和存在缝隙的舱体部分。根据导弹结构组成,只有天线罩是非金属材料,在天线罩包裹中的电子探测设备最容易受到雷电间接效应的影响。因此,战术导弹电子舱探测设备是雷电间接效应的防护重点。
可以采用几种方法减小雷电间接效应对电子舱探测设备的影响,一是在天线罩上敷设一定密度的金属条带,形成一定的电磁屏蔽效应,减小天线罩内的电磁场强度,可以减小电子舱内部元器件电磁感应电压;二是对探测设备中的感应器件采取电磁屏蔽措施,如线缆、电容电感、驱动电机等部件;三是对电子设备舱体缝隙进行电磁屏蔽处理,减小舱内电磁感应强度;四是条件允许的情况下,尽量采用非电子类天线驱动器件,如液压式驱动,避免雷电间接效应影响。
战术导弹雷电防护试验是检验其是否满足使用要求的最直接、最有效的方法。目前,没有针对战术导弹雷电防护设计试验的试验规程,可以参考其他飞行器雷电防护试验方法。飞机在雷电防护方面制定了较为全面的标准规程,如国家军用标准GJB2639-96《军用飞机雷电防护》、GJB3567-99《军用飞机雷电防护鉴定试验方法》、航空工业标准HB6129.87《飞机雷电防护要求及试验方法》以及中国民用航空规章中第25部有关雷电的防护规定等。参考飞机雷电防护试验规程,对战术导弹雷电防护试验进行设计,主要包括直接效应试验和间接效应试验。
战术导弹雷电防护直接效应试验装备布置见图3,将导弹通过绝缘支撑放置在绝缘地板上,利用导弹测试控制设备控制导弹的工作状态;利用雷达波形发生器模拟产生雷电,并通过球形电极作用于导弹上,利用波形测量装备记录模拟雷电的波形;雷电控制计算机用于控制雷电波形发射器,输出雷电产生指令、波形等参数。
图3 战术导弹雷电直接效应试验结构图
进行战术导弹雷电直接效应试验时,天线罩、弹翼、舵机舱为1A区(较高概率附着点,附着时间较短),其他部位为1B区(较高概率附着点,附着时间较长),1A区施加雷电电流分量A、B,1B区域时间电流分量为A、B、C、D。雷电波形见图4,其中电流分量A(初始高峰电流):峰值200±20kA,持续时间 ≤ 500μs;电流分量B(中间电流):平均幅值2±0.2kA,最大持续时间5ms;电流分量C(持续电流):幅值200A~800A,持续时间0.25s~1s之间;电流分量D(重复放电电流):峰值100±10kA,持续时间 ≤500μs[9-10]。
图4 战术导弹雷电直接效应试验波形图
导弹雷电直接效应试验方法为:首先,对雷电波形发生器进行检查,确保放电波形、时间和幅度满足要求;其次,将球形电极移动到天线罩区域,利用导弹测控设备对导弹进行加电,模拟导弹飞行工作状态;第三,控制波形发生器产生雷电,通过球形电极对导弹放电,至少进行3次试验;第四,放电结束后,利用导弹测控设备对导弹技术状态进行检查;第五,改变雷电放电位置,重复上述动作,直至所有位置试验完毕。导弹经过雷电直接效应试验后,弹体结构完整,无变形弯曲,弹上设备工作正常,测试结果合格时,导弹雷电直接效应试验结果合格。
战术导弹雷电间接效应试验装备布置见图5,与图3不同的是,将球形电极换成了电极板,其他组成和功能基本相同,这里不再赘述。
图5 战术导弹雷电间接效应试验波形图
为了减少试验次数,雷电波形采用最为严酷的雷电波形,见图6,T1为电压上升到峰值的时间,T2为电压峰值衰退到一半的时间,T1、T2可调。
图6 战术导弹雷电间接效应试验波形图
导弹雷电间接效应试验方法为:首先,对雷电波形进行校准,确保各项参数满足要求;其次,将电极板放在天线罩和电子设备舱上面;第三,利用导弹测控设备控制导弹处于模拟飞行状态;第四,控制雷电波形发生器产生雷电,通过电极板对导弹施加电磁感应作用;第五,利用导弹测控设备检查导弹工作状态;第六,将电极板移动其他部位,重复以上步骤。导弹经过雷电间接效应试验后,导弹及弹上设备应工作正常,测试结果合格,导弹雷电间接效应试验结果合格。
战术导弹在作战使用时,不可避免地遭遇阴雨雷电天气,尽管进行雷电防护设计可以减少使用影响,但仍不能完全避免雷电的破坏作用。为了最大程度减小雷电影响,提高作战使用成功率,提出以下几条雷达环境下战术导弹使用对策。一是加强气象监测。在战术导弹作战使用时,需要重点关注导弹飞行航路上的气象,尤其阴雨天气时,对云层高度、厚度和类型进行判别,对带电云层进行监测判别,为战术导弹使用提供依据。二是利用火箭/激光进行提前引雷。通过气象监测和判别,在近距离作战航路上存在大量带电云层和雷电环境时,可考虑使用火箭或激光进行引雷,扫除导弹发射区域内的雷电隐患。三是利用导弹的技术能力进行规避。根据气象监测结果和火箭/激光引雷结果,合理利用战术导弹的技术能力对雷电进行规避,比如利用航路规划功能可以绕开雷电区域,结合引雷区域和导弹弹道使用规划也可合理躲避雷电,在条件允许的情况下,也可改变平台发射位置,减小导弹遭遇雷电的概率。
对战术导弹雷电效应进行了分析,研究提出了雷电防护措施,针对战术导弹雷电防护性能试验进行了研究,提出了雷电直接效应和间接效应试验组成、试验方法和结果评价方法,针对雷电环境下战术导弹使用提出了对策。研究结果能够为战术导弹雷电防护设计、试验和使用提供支撑,具有重要的理论和实际使用价值。