艦載相控陣?yán)走_(dá)對(duì)火工品安全影響?

張 旭 馬志剛 邱立軍 楊祥紅

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）（2.海軍裝備部 北京 100841）

1 引言

為有效地應(yīng)對(duì)海上艦艇編隊(duì)在復(fù)雜電磁干擾環(huán)境下來(lái)自多方位的武器威脅，抗擊空中、海上多方向、多批次飽和攻擊，各國(guó)海軍相繼發(fā)展了艦載相控陣?yán)走_(dá)。如美國(guó)“提康德洛加”級(jí)導(dǎo)彈巡洋艦“宙斯盾”武器系統(tǒng)AN/SPY-1相控陣?yán)走_(dá)，法國(guó)戴高樂(lè)號(hào)核動(dòng)力航空母艦ARABEL相控陣?yán)走_(dá)，日本朝霧級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦OPS-24有源相控陣?yán)走_(dá)等［1］。艦載相控陣?yán)走_(dá)是海上信息戰(zhàn)的重要信息來(lái)源，可擔(dān)負(fù)警戒、跟蹤、火控、導(dǎo)航、艦載機(jī)的引導(dǎo)以及氣象探測(cè)等多項(xiàng)任務(wù)，使艦艇技術(shù)性能和作戰(zhàn)性能得到顯著提高。同時(shí)，艦載相控陣?yán)走_(dá)也使艦船電磁環(huán)境更加復(fù)雜化，其強(qiáng)大的電磁能量輸出對(duì)艦載彈藥電火工品安全也帶來(lái)了潛在威脅和風(fēng)險(xiǎn)。因此，研究艦載相控陣?yán)走_(dá)特點(diǎn)，分析其對(duì)電火工品作用機(jī)理和效能，對(duì)提高彈藥火工品的使用安全，減少盲目性，最大限度消除安全隱患有著重要的作用和軍事意義。

本文以艦載相控陣?yán)走_(dá)為單一輻射源，以簡(jiǎn)化的艦船模型為研究基礎(chǔ)，采用FEKO、ANSYS HFSS電磁仿真軟件，從單一因素入手，建立艦船電磁環(huán)境，著重分析艦載相控陣?yán)走_(dá)電磁環(huán)境對(duì)電火工品作用過(guò)程，確定典型風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)和參數(shù)，給出仿真分析結(jié)果。分析過(guò)程對(duì)多因素、多任務(wù)條件下復(fù)雜艦船電磁環(huán)境對(duì)電火工品安全性影響研究有一定的借鑒作用。

2 艦載相控陣?yán)走_(dá)電磁環(huán)境

隨著現(xiàn)代海戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，艦載雷達(dá)性能的優(yōu)劣對(duì)整個(gè)作戰(zhàn)起到至關(guān)重要的作用。艦載相控陣?yán)走_(dá)集搜索、識(shí)別、跟蹤、制導(dǎo)和探測(cè)等功能于一體，具有良好的抗干擾性能和工作可靠性，因此，美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)競(jìng)相研制并裝備了艦載相控陣?yán)走_(dá)，以提高水面艦艇的作戰(zhàn)能力。典型的相控陣?yán)走_(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理機(jī)、數(shù)據(jù)處理機(jī)和顯示器組成。不同于機(jī)械式雷達(dá)，相控陣?yán)走_(dá)的天線由許多輻射單元排列而成，而各個(gè)單元的饋電相位由計(jì)算機(jī)靈活控制，形成在空中可移動(dòng)的波束，從而實(shí)現(xiàn)電掃描［2］。

以“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)為例，其主傳感器是洛克希德·馬丁公司研制的S（3.1GHz～3.5GHz）波段AN/SPY-1三坐標(biāo)多功能相控陣?yán)走_(dá)。每一部AN/SPY-1雷達(dá)包含4部直徑3.7m、共4350個(gè)單元的天線，峰值功率5MW，平均功率32kW。該天線呈45°傾斜安裝在艦船的上層結(jié)構(gòu)［3］。

為研究艦載相控陣?yán)走_(dá)對(duì)彈藥火工品的作用機(jī)理，在FEKO的CADFEKO環(huán)境中建立簡(jiǎn)化艦船模型［4］，主要尺寸分別為長(zhǎng)160m，寬20m，高37m，結(jié)構(gòu)如圖1所示。四部天線分別置于模型中部四棱臺(tái)的四個(gè)平面上，設(shè)工作頻率為S波段中間值3GHz，各個(gè)天線俯仰角及方位角均為0°。

為確定艦載相控陣?yán)走_(dá)電磁場(chǎng)分布特性，利用FEKO CADFEKO仿真環(huán)境，在艦船模型的前、后、左、右分別放置一個(gè)平面波作為天線激勵(lì)源，如圖2所示。激勵(lì)源參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 平面波激勵(lì)波參數(shù)設(shè)置

由于艦船具有電大尺寸和特電大尺寸三維目標(biāo)特性，本文采用多層快速多極子技術(shù)（MLFMM）進(jìn)行天線電磁環(huán)境仿真。

MLFMM技術(shù)是電磁場(chǎng)仿真軟件FEKO的核心算法［5］，也是水面艦艇短波電磁環(huán)境仿真預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)。

快速多極子方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是矢量加法定理，其原理是將目標(biāo)表面離散得到子目標(biāo)分組，根據(jù)任意兩個(gè)子目標(biāo)間互耦關(guān)系的不同，自身組和相鄰組采用直接矩量法計(jì)算，非相鄰組采用聚合-轉(zhuǎn)移-配置方法計(jì)算。

多層快速多極子方法（MLFMM）則是快速多極子方法在多層級(jí)結(jié)構(gòu)中的推廣應(yīng)用。采用多層分區(qū)計(jì)算，逐層聚合、逐層轉(zhuǎn)移，逐層配置、嵌套遞推。對(duì)于三維結(jié)構(gòu)，用一個(gè)立方體包圍目標(biāo)，第一層得到8個(gè)子立方體。隨著層數(shù)增加，每個(gè)子立方體再細(xì)分為8個(gè)更小的子立方體，直到最細(xì)層滿足要求為止。

多層快速多極子技術(shù)（MLFMM）基于分層的數(shù)組算法，能比矩量法（MOM）更快地解決復(fù)雜的高頻問(wèn)題，具有計(jì)算內(nèi)存少、精度高、收斂較快等特點(diǎn)［6］，因此，本文船體采用MLFMM法求解混合積分方程（CFIE）進(jìn)行計(jì)算。

由于雷達(dá)頻率（freq）較高，艦船模型尺寸較大（以驅(qū)逐艦為仿真背景），以邊長(zhǎng)為λ/6劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)超過(guò)570 000 000，數(shù)量太過(guò)巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般PC機(jī)計(jì)算能力，故本文設(shè)縮放系數(shù)sf為0.001，相應(yīng)的波長(zhǎng)采用λ=c0/freq/sf形式，其中c0為光速。電磁場(chǎng)3D分布結(jié)構(gòu)如圖3所示，甲板平面電磁場(chǎng)2D分布如圖4所示，甲板平面電磁場(chǎng)極坐標(biāo)分布如圖5所示。

由FEKO的POSTFEKO近場(chǎng)仿真結(jié)果可知，在艦面區(qū)域范圍內(nèi)，當(dāng)Y軸值分別取0.25m、12.75m時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)沿X軸（艦船縱軸）分布如圖6所示。

為直觀了解相控陣天線在艦面區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)分布情況，對(duì)3GMHz頻率信號(hào)進(jìn)行了近場(chǎng)分析。由于甲板平面電磁場(chǎng)分布密集度高、強(qiáng)度大且分布變化較大，本文僅列出了該部分水平面典型位置場(chǎng)強(qiáng)分布值。相控陣?yán)走_(dá)工作時(shí)艦面近場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布如圖7所示。

場(chǎng)強(qiáng)分布圖中明顯的波紋形狀變化，是由相鄰雷達(dá)的副瓣相互干涉形成的。由以上仿真結(jié)果可以看出，艦上相控陣?yán)走_(dá)同時(shí)工作時(shí)，艦船甲板部區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)值較高，部分區(qū)域強(qiáng)值最大可達(dá)到25kV/m。

GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》中規(guī)定的“電磁輻射對(duì)軍械危害的外部電磁環(huán)境”要求如表2所示［7］。

表2 艦船甲板上工作的外部電磁環(huán)境

對(duì)比分析可知，在整個(gè)甲板區(qū)域存在較高的場(chǎng)強(qiáng)，大部分區(qū)域電場(chǎng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于表2所規(guī)定的露天區(qū)域臨界電平值水平，因而應(yīng)避免雷達(dá)主波束直接照射武器裝備。在開(kāi)展相控陣天線對(duì)火工品安全影響分析時(shí)，考慮到艦載裝備主要布置于艦船中部附近，則應(yīng)以場(chǎng)強(qiáng)值不小于10kV/m作為火工品電磁信號(hào)照射源，重點(diǎn)研究其對(duì)電火工品作用機(jī)理，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3 電磁環(huán)境對(duì)電火工品作用機(jī)理

電火工品主要由管殼、加強(qiáng)帽、電極塞、橋絲、起爆藥、猛炸藥及引線等組成［8］。電火工品基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。

電磁輻射對(duì)電火工品的危害能量傳輸有兩種方式：一是通過(guò)直接的電氣通道以傳導(dǎo)方式注入電磁輻射能量；二是通過(guò)空間電磁輻射以電磁波形式輸入電磁能量。實(shí)際使用過(guò)程中，電火工品通常是暴露在周?chē)碾姶艌?chǎng)中，所以絕大多數(shù)電磁危害是通過(guò)電磁波形式進(jìn)行的。電磁波對(duì)電火工品的影響主要以電流的形式通過(guò)腳線作用于橋絲換能元件，使橋絲換能元件產(chǎn)生感應(yīng)電流導(dǎo)致熱積累［9］。電磁環(huán)境中火工品響應(yīng)過(guò)程如圖9所示。

分析計(jì)算時(shí)，首先考慮電火工品可能的使用結(jié)構(gòu)狀態(tài)和發(fā)火模式，并將其表征為適當(dāng)?shù)奶炀€?？蓪D8電火工品基本結(jié)構(gòu)等效為環(huán)形接收天線，并設(shè)接收天線的有效孔徑為Ae。設(shè)Pˉ0為火工品引線附近（等效接收天線處）電磁場(chǎng)平均功率密度，則火工品所接收到的電磁輻射功率為

式中：Pr為接收天線接收到的電磁輻射功率（W）；Pˉ0為接收天線處的平均功率密度（W/m2）；Ae為接收天線的有效孔徑（m2）。

A火工品等效天線有效孔徑表達(dá)式為［10］

天線方向系數(shù)DF的取值與L/λ有關(guān)：

式中：A為火工品實(shí)際環(huán)路面積（m2）；RT為火工品電磁輻射阻抗的電阻分量（Ω）；L為火工品等效環(huán)路周長(zhǎng)（m）；λ為電磁波波長(zhǎng)（m）。

發(fā)射機(jī)天線在火工品接收天線處所成電磁輻射場(chǎng)的功率密度為［11］

式中：Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率（W）；Gt為發(fā)射天線的增益；d為電火工品與發(fā)射機(jī)天線之間距離（m）；Pˉ0為電火工品所在位置的功率密度（W/m2）。

在仿真分析模型建立中，火工品腳線結(jié)構(gòu)按實(shí)際幾何模型進(jìn)行建模，由于換能元尺度很小，其具體幾何模型暫不考慮，在仿真計(jì)算中考慮其阻抗效應(yīng)，將其簡(jiǎn)化為有一定電阻的元件。

本文著重對(duì)火工品引線附近（即等效接收天線處）接收到的電磁耦合能量在橋絲上所產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電流進(jìn)行仿真分析。

4 電火工品電磁模型及仿真分析

本文選擇某通用型電火工品為建模對(duì)象，在充分了解火工品組成、結(jié)構(gòu)、材料等特征的基礎(chǔ)上，首先建立物理模型，并依據(jù)電磁特性參數(shù)（相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率等）構(gòu)建火工品電磁模型。對(duì)電火工品組件在頻率范圍0.1MHz～40GHz內(nèi)電磁響應(yīng)進(jìn)行仿真分析，獲得了頻率與橋絲電響應(yīng)曲線。

4.1 火工品電磁模型建立

某通用型電火工品由本體組件、點(diǎn)火藥柱、發(fā)火頭組件、電連接器組件、電發(fā)火頭、焊橋電極塞、濾波器、殼體、保護(hù)帽、導(dǎo)線等部分組成，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

火工品部件物理建模示意見(jiàn)圖10。

將待檢測(cè)材料壓制成圓柱形狀，利用平板電極將其接入到材料阻抗分析儀或者矢量網(wǎng)絡(luò)分析中，通過(guò)端口的S參數(shù)，以及電極距離、圓柱直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得材料的相對(duì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率。測(cè)量的基本布置如圖11所示。

依據(jù)電火工品結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料電磁參數(shù)，基于ANSYS HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件建立相關(guān)材料的數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)獲得電火工品的仿真模型。

4.2 電磁響應(yīng)仿真分析

基于ANSYS HFSS仿真軟件建立的仿真模型，同時(shí)建立仿真的邊界范圍［12］。由于本文采用外部激勵(lì)場(chǎng)建立最終橋絲電流響應(yīng)的方式。因此在仿真邊界條件設(shè)置的過(guò)程中采用的是輻射邊界條件。外部激勵(lì)設(shè)置如圖12所示。求解器設(shè)置如圖13所示。

通過(guò)仿真獲得了電火工品在頻率范圍0.1MHz-40GHz內(nèi)其內(nèi)部橋絲感應(yīng)電流情況如圖14所示。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)仿真獲得了某通用型電火工品在頻率范圍0.1GHz～40GHz內(nèi)其內(nèi)部橋絲感應(yīng)電流情況。從仿真數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)外部激勵(lì)場(chǎng)為1V/m時(shí)，在橋絲上感應(yīng)的最大電流達(dá)到或接近2mA，大部分頻率上感應(yīng)電流都在0.5mA以下。感應(yīng)電流較大的頻率范圍主要出現(xiàn)在25GHz以上。

綜合相控陣?yán)走_(dá)天線工作時(shí)電磁分布值分析可知，當(dāng)相控陣?yán)走_(dá)工作時(shí)，在艦船甲板范圍內(nèi)，局部會(huì)有10kV/m以上電場(chǎng)分布，并在電火工品上產(chǎn)生接近20A的感應(yīng)電流，遠(yuǎn)大于電火工品安全電流范圍值，對(duì)電火工品安全構(gòu)成嚴(yán)重影響。因此，必須從雷達(dá)工作時(shí)間控制和艦載裝備電火工品電磁防護(hù)等多方面進(jìn)行綜合考慮，將風(fēng)險(xiǎn)降低到最小限度。

［1］葉顯武.艦載相控陣?yán)走_(dá)的技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2012，34（6）：5-6.

［2］趙登平.世界海用雷達(dá)手冊(cè)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012：47-52.

［3］練學(xué)輝，郭琳琳，莊雷.美國(guó)“宙斯盾”系統(tǒng)及主要傳感器進(jìn)展分析［J］.雷達(dá)與對(duì)抗，2016，36（3）：16-17.

［4］范麗思，崔耀中.FEKO5.4實(shí)例教程［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012：77-82.

［5］閻照文，蘇東林，袁曉梅.FEKO5.4電磁場(chǎng)分析技術(shù)與實(shí)例詳解［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：112-117.

［6］石昕陽(yáng)，宋東安，易學(xué)勤，等.基于MLFMM技術(shù)的多艦平臺(tái)間短波電磁耦合效應(yīng)研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33（4）：82-84.

［7］吳彥靈，王桂華，胡景森，等.系統(tǒng)電磁兼容性要求GJB1389A-2005［S］.北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2005：3-4.

［8］葉迎華.火工品技術(shù)［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2014：37-39.

［9］連愷，劉舉鵬，封青梅，等.火工品電磁脈沖發(fā)生器研究［J］.火工品，2014，1：53-54.

［10］王凱民，溫玉全.軍用火工品設(shè)計(jì)技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：102-105.

［11］孫緒保.微波技術(shù)與天線［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：123-127.

［12］李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通［M］.北京：人民郵電出版社，2013：116-117.