某型电火工品弹药电磁环境下使用安全性分析

王 瑾，王汉昌，沈建森，孙靖杰，王晓彤

（海军航空大学，山东青岛 266041）

0 引言

现代舰船配有大量的雷达、通信及导航设备，各种辐射源形成了舰船复杂的电磁环境。复杂电磁环境是指在一定的时空和频段范围内，多种电磁信号密集、拥挤、交叠，强度动态变化，对抗特征突出，对电子信息系统、信息化装备和信息化作战产生显著影响的电磁环境[1-2]。

以电火工品获取初始发火能量的弹药，在可以预见的严酷电磁环境下，其安全性受到很大的威胁[3]。电火工品统称为电起爆器，凡是通过电流的输入使装药发火，并以热、压力及冲击波等形式转化为化学能或动能的元件都被称为电起爆器，它是传爆序列、传火序列及火工装置、火工系统中的主要起爆点火元件[4]。电火工品在复杂电磁环境中要有足够的抗电磁干扰能力，即要有足够的电安全性[5-6]。

本文以某型装配独脚脚壳式电火工品的弹药为研究对象，通过以下工作，开展对该型弹药在舰船复杂电磁环境中安全性的研究。首先，分析所装配的独脚脚壳式电火工品受到射频影响的作用原理和等效电路，采用CST 电磁仿真软件建立等效模型，并设置电磁激励源参数，分析典型舰船电磁环境对此型火工品的作用过程，给出仿真分析结果；然后，考虑该型弹药外壳的屏蔽作用，利用CST电磁仿真软件对弹药外壳建模，并仿真计算其对不同频率电磁场的屏蔽作用；最后，给出该型弹药在舰船电磁环境中使用安全性结论。

1 复杂电磁环境对火工品的干扰机理

电火工品是以电能作为激发能量的火工品，具有感度灵敏、作用可靠等优点，被广泛应用在武器装备、航空及航天器、民用爆破等领域[7]。根据电能引燃药剂的方式不同，会有不同种类的电火工品，其中，桥丝式电火工品具有发火能量小、作用迅速、易于控制等特点，并可在使用前进行质量检验，因此，桥丝式电火工品最为常用。但是桥丝式电火工品在制造、储存和使用过程中，其本身及其相连的有关线路和部件都有可能成为接收天线，从而把周围电磁场的射频能量引入电火工品，造成电火工品失效或者意外起爆，导致安全事故发生[8]。从构造上来看，桥丝式电火工品分为双脚线式和独脚脚壳式。不论构造如何，桥丝式电火工品的发火原理都是工作电流通入桥丝脚线或者芯级，在桥丝上按焦耳-楞次定律产生热能，桥丝升温，热量传给药剂，直至发生爆燃反应。

本文研究对象配用的是某型独脚脚壳式桥丝电火工品，结构模型如图1所示。

图1 某型电火工品模型示意图Fig.1 Diagram of a type of electro-explosive device model

独脚脚壳式电火工品的芯电极、环电极和桥丝构成了天线。当火工品位于电磁场环境中，射频能量会通过芯电极和环电极耦合进入其内部[9]。当高于装药的发火能量时，会意外触发火工品桥丝作为负载，将耦合的射频能量转换为热能。当耦合能量积聚，高于安全性要求时，会导致电火工品意外引燃；当耦合能量比较小，不足以使电火工品发火，但电火工品长期受到低于发火能量的射频作用时，发火可靠性可能会降低。

2 电火工品等效天线模型分析

根据前述分析，受到外界电磁场环境的影响，独脚脚壳式桥丝电火工品的芯电极、环电极以及桥丝构成了天线。其中：芯电极和环电极为天线的2 个辐射体，能够耦合空间电磁场；而桥丝作为天线的负载，将耦合的电磁场能量转换为热能，或是点燃电火工品装药，或是影响装药的性能。其简化模型如图2所示。

图2 某型电火工品简化模型示意图Fig.2 Diagram of a type of electro-explosive device simplified model

独脚脚壳式电火工品可以等效为单极振子天线。可将其单独的引线等效为1 个单极天线；环电极等效为大地；桥丝等效为天线与大地之间的负载阻抗[9]。等效天线模型和电路图，如图3所示。

图3 等效模型示意图Fig.3 Diagram of equivalent model

依据等效电路定量分析该型电火工品所受电磁环境射频耦合危害，就是结合电火工品等效模型，根据相关物理参数、电参数和接收特性，在电磁危害最不利情况下，分析计算耦合的射频能量。假设电火工品能最大限度地接收环境电磁场的射频能量，且该射频能量全部进入电火工品。Za是天线等效阻抗，ZL是负载阻抗，如式（1）（2）所示：

式（1）（2）中：Ra为天线等效阻抗的电阻分量；Xa为天线等效阻抗的电抗分量；RL为负载的电阻分量；XL为负载的电抗分量。

假设PL为射频场进入负载端的功率，则有：

式（3）中：I为负载端感应电流；Va为发火电路感应电动势；Zt为发火电路总阻抗。

根据天线等效电路图可得：

式（5）中：E为环境电场强度；G1为等效天线的增益；λ为电磁波波长。

由式（4）（5）可得：

在远场电条件下，有E2=120π∙Sp，其中，Sp为远场条件下的电磁波功率密度。则进入负载端的功率可表示为：

当天线与负载阻抗匹配，辐射电阻内无功率损耗，且天线按最佳拾波方向取向时，负载能最大限度地接收射频功率[5]，即满足前述最不利条件。此时Ra=RL，Xa=-XL，式（7）表示为：

3 电火工品等效天线仿真模型的建立与结果分析

CST电磁仿真软件由CST公司出品，广泛应用于通用中高频无源器件仿真，适用于整个电磁波和光波波段的电磁及电磁兼容仿真，可以进行各类天线及天线阵、天线布局、RCS、FSS、平面无源器件仿真，集成时域有限积分法、时域传输线矩阵、频域有限积分、频域有限元等多种算法[10]。

选取适合的求解器运用理想边界拟合技术（PBATM）和薄片技术（TSTTM），与其他传统仿真器相比，其在精度上有数量级的提高[11]。因此，本文选用该软件进行此型号火工品的电磁仿真研究，对其使用安全性进行分析。

3.1 仿真模型的建立

通过对该型独脚脚壳式桥丝电火工品进行模型简化和等效，可视为单极振子天线[12]。通过实际调研，对某型号电火工品建立单极子天线模型，如图4所示。

图4 单极子天线仿真建模Fig.4 Monopole antenna simulation model

单极子天线为实心圆柱体，黄铜和镍铬合金材质，臂长29.5 mm，直径0.6 mm，设置镜像地用于馈电。微波天线作为1 种能量转换器具有互易性，即接收天线和发射天线作用过程是可逆的[13]，同型天线作为接收和发射天线时的增益是相同的，只是物理含义不同。

3.2 仿真参数的选取与设置

本文所研究的某型电火工品的应用环境为舰船甲板，因此，对照相关舰船电磁环境阈值和国军标设计标准，选用最严苛的条件设置频率和参数。结合GJB A151B—2013[14]中关于RS103测试项目的环境阈值和GJB 1389A—2005[15]中关于舰船甲板上工作的外部电磁环境要求限值，以及该型电火工品的实际应用环境要求，设置等效单极子天线的频率为1～45 GHz。为了提升仿真效率，将其划分为5个频段，每个频段按照一定的频率步进值进行扫描仿真。由仿真得出天线增益、特性阻抗，进而得到其接收特性，即等效接收天线有效孔径。由式（6）得到射频进入电火工品的功率。

3.3 仿真结果分析

对在1～4 GHz 范围内的单极子天线增益进行了仿真，在谐振状态下，阻抗匹配时，单极子天线在2.33 GHz时的远场方向如图5所示，得到增益为2.515 dB。

图5 单极子天线三维远场图Fig.5 Three-dimensional farfield diagram of monopole antenna

在此频率下，单极子天线呈谐振状态，可以耦合入最大射频功率值。根据GJB A151B—2013 和GJB 1389A—2005 中关于舰船甲板上最不利电磁环境表述，选取此时电场强度为200 V/m，由式（6）可得此频段最大射频功率值为0.43 W。结合该型电火工品装药的物理参数、GJB 7515—2012[16]的安全性要求，可得该型电火工品最大不发火功率为0.15 W。综上可知，该型电火工品在此频段具有一定的不安全性。

对3.2 节中划分的5 个频段进行仿真，通过MATLAB 计算可得频率和射频功率的关系，如图6 所示。可知该型电火工品在电场强度为200 V/m电磁应用环境下，在频段1.3～4.3 GHz 范围内安全性无法保证。从全频域看，当频率大于谐振频率，射频功率随着频率的增大而减小，这与文献[17]的结论相一致。

图6 射频功率与频率关系图Fig.6 Diagram of RF power against frequency

此外，为了研究不同频率对等效天线的天线增益的作用，对划分的5个频段分别进行仿真，在每个频段添加一定步进的远场监视器，可得天线增益与频率的关系，如图7所示。

图7 天线增益与频率关系图Fig.7 Diagram of antenna gain against frequency

由图7 可知：在1～2.7 GHz 和6.4～12.8 GHz 范围内，天线增益与频率有着较严格的正相关关系；而在研究的全频率范围，天线增益与频率并不遵守严格的正相关关系。增益的变化会引起电磁波在天线上产生电动势的变化，也会影响接收天线有效孔径的数值，进而影响进入电火工品的耦合功率。

4 弹药外壳屏蔽作用分析

屏蔽是将电磁场激励源至器件或设备的传输（播）路径“切断”，从而达到消除或减弱激励源对其他器件或设备影响的效果。根据屏蔽对象的不同，可以将其分为两类：一类是对电磁场的产生源作屏蔽，使得屏蔽层外的电磁场强度减弱；另一类是将特定的器件模块或设备屏蔽起来，使得它们受屏蔽层外的电磁场的影响减弱[18]。对于该型弹药外壳的屏蔽作用属于后者。因此，将弹药模型简化，根据实际材料设置外壳的介电常数和磁导率，使用CST仿真软件仿真计算出弹药外壳对电磁场的屏蔽效能，从而得到该型装配独脚脚壳式电火工品的弹药在舰船电磁环境下呈现的安全性特点。

4.1 屏蔽作用原理

技术上描述电磁屏蔽效果好坏的参数通常采用屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE），它的定义为当屏蔽体不存在时，某点处存在的电场强度E0或者磁场强度H0与存在屏蔽体时该点处存在的电场强度E1或者磁场强度H1的比值，单位为dB，表达式为式（9）（10）。

4.2 仿真模型建立与计算

对该型弹药进行建模，如图8所示，并根据实际尺寸和材料设置相关参数。

图8 某型弹药壳体模型图Fig.8 Modeling diagram of a type of ammunition shell

加载平面电磁波，如图9 所示。在电火工品桥丝位置设置探针，方向与电磁波入射方向相同，用以测算弹药壳体的屏蔽效能。设置边界条件和背景参数，并进行网格划分。

图9 加载平面电磁波Fig.9 Loading planar electromagnetic waves

按照上文的分析，该型电火工品在电场强度为200 V/m电磁应用环境下，在频段1.3～4.3 GHz范围内安全性无法保证，因此，研究弹药壳体屏蔽效能时，选取这个频段进行仿真计算，屏蔽效能如图10所示。在1.3 GHz 时，电磁波发生谐振，当电磁谐振发生时，电磁波可等效为1 种驻波[19]，这种驻波携带的电磁能量非常大，可导致屏蔽体的屏蔽效能急剧降低。

图10 1.3～4.3 GHz频段内弹药壳体屏蔽效能Fig.10 Shielding effectiveness of ammunition shell in the frequency band of 1.3～4.3 GHz

图11 1.3 GHz时弹药壳体场强分布情况Fig.11 Field strength distribution of ammunition shell at 1.3 GHz

图12 3.32 GHz时弹药壳体场强分布情况Fig.12 Field intensity distribution of ammunition shell at 3.32 GHz

通过添加的场强监视器可以看到，频率在1.3 GHz 和3.32 GHz 时弹药壳体场强分布情况，如图11、12 所示。可以看出，在电火工品位置，电磁波在1.3 GHz 辐射弹药壳体进入弹体的场强要比3.32 GHz时大。

下面，按照电火工品等效仿真方案，对弹药壳体分段设置频率范围，并进行仿真计算，观察在标准规定的频率使用范围内有无电磁谐振情况，并结合1.3～4.3 GHz范围内的电磁谐振点一并分析该型弹药的使用安全性。弹药壳体屏蔽效能如图13所示。

图13 各频段内弹药壳体屏蔽效能Fig.13 Shielding effectiveness of ammunition shells in various frequency bands

图13 a）为频率在4～8 GHz之间的屏蔽效能，频率谐振点为4.856 GHz，此频率下屏蔽效能为2.285 2 dB；图13 b）为频率在8～24 GHz 之间的屏蔽效能，频率谐振点为12.432 GHz，此频率下屏蔽效能为-5.613 1 dB；图13 c）频率在24～40 GHz 之间的屏蔽效能，频率谐振点为36.496 GHz，此频率下屏蔽效能为9.499 5 dB；图13 d）频率在40～45 GHz 之间的屏蔽效能，频率谐振点为40.625 GHz，此频率下屏蔽效能为14.522 5 dB。由此可知，在加上弹药壳体屏蔽效能的考虑之后，除了要考虑此型弹配用的电火工品的不安全频段，还应考察12.432 GHz的电磁场环境。

5 某型弹药在舰船电磁场环境下安全性分析

通过对某型弹药配用的独脚脚壳式桥丝电火工品进行等效仿真，以及对弹药壳体屏蔽效能的研究，所得结论为该型弹药处于200 V/m电场强度的电磁环境时，由于弹药壳体的屏蔽效能，该型弹药在不同频率下，其装配的电火工品所受到的电磁辐射场强不同，场强与频率的关系如图14所示。

图14 电场强度与频率关系图Fig.14 Diagram of electric field intensity against frequency

随着频率的增大，电火工品受到电磁辐射场强逐渐降低。考虑在此电磁环境影响下耦合入电火工品的功率，如图15 所示。在1.3～1.9 GHz 耦合的功率大于安全阈值，而12.432 GHz 时，由于电磁谐振的原因也导致耦合功率大于安全阈值。

图15 射频功率与频率关系图Fig.15 Diagram of RF power against frequency

由此，得出该型弹药在L波段和Ku波段的应用安全性无法得到保障。

6 结论

为研究某型弹药在舰船电磁环境中应用安全性的问题，首先，建立了该型弹药配用的某型独脚脚壳式桥丝电火工品的等效单极子天线模型，并使用CST天线仿真软件对等效天线模型进行辐射远场特性分析，得到了不同频率的天线增益。依照射频耦合理论，仿真计算出该型电火工品在特定电磁应用环境下的安全性，定量给出了影响该型电火工品的频率范围。然后，研究该型弹药壳体电磁屏蔽效能，通过CST 软件仿真得出其在不同频域段的屏蔽效能。最后，给出该型弹药在舰船电磁环境中使用的安全频段，这对今后针对性地研究该型弹药的防护手段和应用流程提供了理论基础。此外，研究得出了频率与天线增益在特定频率范围内成正相关性的结论。