電火工品電磁建模及仿真分析

胡 慧，張 旭，熊 波，王偉亞

（海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001）

在彈藥武器系統(tǒng)中，通常裝有多種類(lèi)型的電火工品（Electric Explosive Device，EED），如電點(diǎn)火管、電雷管和電爆活門(mén)等，用于完成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、引信起爆以及工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換等作戰(zhàn)功能。在勤務(wù)處理和使用過(guò)程中，電磁能對(duì)電火工品的安全性有著重要的影響和作用?？焖俚碾姶拍芰烤奂蜔崮苻D(zhuǎn)化，會(huì)使藥劑加速分解，喪失安全性，使火工品發(fā)火，釀成災(zāi)難性爆炸事故[1]。因此，深入分析電磁因素對(duì)電火工品作用機(jī)理，研究掌握電磁能量對(duì)電火工品影響規(guī)律，對(duì)于保證火工品符合安全性能指標(biāo)，滿(mǎn)足作戰(zhàn)使用要求，有著重要的作用和實(shí)際意義。

在各類(lèi)電火工品中，橋絲式電火工品占有很大比重。本文以?xún)尚蜆蚪z式電火工品為例，分別介紹基于感應(yīng)射頻電流和損耗功率2個(gè)層面的建模及仿真分析方法。在分析電磁環(huán)境對(duì)火工品作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，采用ANSYS HFSS 電磁仿真軟件進(jìn)行火工品電磁建模。對(duì)兩型電火工品加載不同的電磁能，分別進(jìn)行感應(yīng)電流和損耗功率仿真分析。研究電磁環(huán)境對(duì)火工品的安全性影響，得出仿真結(jié)果，并依據(jù)鈍感電火工品安全性標(biāo)準(zhǔn)，給出對(duì)應(yīng)的分析結(jié)論。

1 電磁能對(duì)火工品作用機(jī)理

1.1 電火工品基本結(jié)構(gòu)

橋絲式電火工品以電能為激發(fā)能源，由殼體、引線、電極塞、橋絲、引火藥、起爆藥和基本裝藥等組成。其中，橋絲是火工品換能元件，通常為金屬材質(zhì)電阻絲，如鎢絲、鎳鉻絲、鎢錸絲及鉑鎢絲等，橋絲周?chē)幸鹚巹2]。接通電源時(shí)，橋絲灼熱點(diǎn)燃引火藥，引起火工品發(fā)火或起爆。電火工品結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 電火工品基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structrue of electric explosive device

1.2 電磁能對(duì)電火工品作用形式

電磁能對(duì)橋絲式電火工品的危害形式，取決于火工品的工作狀態(tài)。當(dāng)火工品處于連接狀態(tài)時(shí)，可通過(guò)相連的電氣通道以傳導(dǎo)方式注入電磁能；當(dāng)火工品處于非連接的開(kāi)放狀態(tài)時(shí)，空間的電磁場(chǎng)則會(huì)以電磁波形式經(jīng)火工品引線輸入電磁能量。由于火工品具有敏感性，通常用于執(zhí)行首發(fā)任務(wù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、助推器分離等。因此，在實(shí)際使用過(guò)程中，火工品往往會(huì)直接暴露在電磁場(chǎng)中，電磁能則以電磁波形式對(duì)火工品構(gòu)成潛在威脅[3]。

在電磁波作用下，電火工品引線會(huì)把射頻能量引入橋絲電阻中，從而起到了接收天線的作用[4]。待發(fā)狀態(tài)下的電火工品，引線處于打開(kāi)狀態(tài)，形成偶極天線；貯存狀態(tài)下的火工品，其引線端通常由短路塞短接，客觀上構(gòu)成環(huán)形天線。起天線作用的火工品引線，在環(huán)境電磁場(chǎng)中可感應(yīng)出電流，并在其橋絲電阻端產(chǎn)生損耗功率[5]。本文僅以發(fā)火電路處于打開(kāi)狀態(tài)的雙引線電火工品為例，分析電磁能對(duì)火工品的作用機(jī)理。電火工品等效電路如圖2所示[6]。

圖2 電火工品等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of EED

圖2中，V0為電磁場(chǎng)在火工品引線中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓；Zg為引線等效阻抗，由電阻分量Rg和電抗分量Xg組成，即Zg=Rg+jXg；ZEED電火工品射頻阻抗，由電阻分量 REED和電抗分量 XEED組成，即ZEED=REED+jXEED。

電磁場(chǎng)在引線中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)V0可表示為[7]：

式（1）中：E 為電磁場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度；λ 為電磁波波長(zhǎng)；G為等效天線的增益。

電磁場(chǎng)進(jìn)入到電火工品的功率PEED，則[8]：

式中，I 為負(fù)載端感應(yīng)電流。

設(shè)定引線處于最大限度吸收電磁波的方向，即引線與電磁場(chǎng)夾角θ 為π/2。此時(shí)，方向性函數(shù)F(θ)為最大值[9]；同時(shí)，引線與負(fù)載之間阻抗相匹配，即Rg=REED，Xg=-XEED。此時(shí)，電火工品接收到的耦合功率最大。

由上述分析可知，電火工品引線在電磁環(huán)境中具有接收天線特性，射頻能量可以通過(guò)引線進(jìn)入火工品，形成天線耦合效果[10]。耦合的電磁能在電火工品橋絲回路中轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電流，產(chǎn)生熱積累，并依據(jù)其熱能值的大小，對(duì)電火工品的安全性產(chǎn)生影響[11]。因此，可以采用橋絲感應(yīng)射頻電流和損耗功率2種方法，分別分析電磁能對(duì)電火工品性能的影響。

2 電火工品感應(yīng)電流仿真分析

2.1 電火工品模型

采用ANSYS HFSS電磁場(chǎng)仿真軟件，并利用電火工品物理模型，構(gòu)建火工品電磁模型[12]。

選定的電火工品由殼體、點(diǎn)火藥柱、電點(diǎn)火頭、電極塞、電連接器、保護(hù)帽及導(dǎo)線等組成。利用Creo2.0構(gòu)建電火工品物理模型，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

電火工品部分組件及其材料的相關(guān)電參數(shù)如表1所示。

圖3 電火工品物理模型Fig.3 Physical model of EED

表1 部分組件材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of some components

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)仿真軟件建立火工品結(jié)構(gòu)和材料數(shù)據(jù)庫(kù)[13]，形成火工品電磁模型，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電火工品電磁模型Fig.4 Electromagnetic model of EED

2.2 感應(yīng)電流仿真分析

本文采用外部激勵(lì)電磁場(chǎng)建立最終的橋絲電流響應(yīng)。仿真邊界設(shè)置過(guò)程采用的是輻射邊界條件。

外部激勵(lì)設(shè)置為在邊界上的垂直極化電場(chǎng)，計(jì)算頻率范圍從0.1～40 GHz，掃頻步進(jìn)設(shè)置為0.1 GHz[14]，仿真每個(gè)頻率點(diǎn)橋絲感應(yīng)電流情況。掃頻設(shè)置如圖5所示。

在頻率范圍0.1～40 GHz 內(nèi)，電火工品橋絲感應(yīng)電流變化值如圖6所示。

圖5 掃頻設(shè)置Fig.5 Sweep frequency setting

圖6 橋絲感應(yīng)電流Fig.6 Induction current of bridge wire

從寬頻帶電磁效應(yīng)仿真數(shù)據(jù)來(lái)看，當(dāng)外部激勵(lì)場(chǎng)為1 V/m 時(shí)，0.1～40 GHz 單位激勵(lì)場(chǎng)感應(yīng)電流不大于2 mA，大部分頻率上感應(yīng)電流都在0.5 mA 以下，感應(yīng)電流較大的頻率范圍主要出現(xiàn)在30 GHz 以上。當(dāng)局部有500 V/m 以上電磁場(chǎng)分布時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大于1 A 的感應(yīng)電流，超過(guò)鈍感電火工品1 A 的安全電流閾值，對(duì)電火工品安全構(gòu)成影響。

3 電火工品損耗功率仿真分析

3.1 電火工品電磁模型

選定的電火工品為橋絲式點(diǎn)火裝置，內(nèi)裝2 個(gè)并聯(lián)的電發(fā)火頭，用來(lái)點(diǎn)燃點(diǎn)火藥。該火工品由陶瓷絕緣材料、金屬殼體、裝藥、引線及橋絲組成，外部接有供電電纜。點(diǎn)火裝置通常處于裸露狀態(tài)，無(wú)電磁屏蔽措施，因而電磁場(chǎng)可以直接耦合到點(diǎn)火電纜上，并通過(guò)電纜將耦合電流傳輸?shù)近c(diǎn)火裝置的橋絲，形成能量聚集，產(chǎn)生損耗功率。當(dāng)該值大于火工品可靠發(fā)火功率時(shí)，就會(huì)造成點(diǎn)火裝置誤點(diǎn)火。

電發(fā)火頭橋絲設(shè)置為阻抗邊界條件，設(shè)定電阻值為5 Ω。電纜采用雙線形式，導(dǎo)線材質(zhì)為黃銅，外部材料為聚乙烯。

基于ANSYS HFSS 電磁場(chǎng)仿真軟件建立的火工品電磁模型，如圖7所示。

圖7 電火工品電磁模型Fig.7 Electromagnetic model of EED

3.2 損耗功率仿真分析

本文激勵(lì)設(shè)定為波端口（Wave Port）。波端口是ANSYS HFSS中典型的外部端口，位于傳輸線與背景電磁環(huán)境的交界處，其截面是ANSYS HFSS求解結(jié)構(gòu)參數(shù)的參考面[15]。為此，在設(shè)定的電磁能耦合通道口側(cè)邊平面上，建立“矩形平面”，緊貼free space boundary（自由空間邊界），波端口平面的大小與實(shí)際通道尺寸相一致，以減小平面尺寸對(duì)仿真精度造成的影響。

根據(jù)GJB 786-89《預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求》的相關(guān)要求[16]，電磁環(huán)境功率密度要求為：2～2.7 GHz 時(shí)，上限為1 000 W/m2；2.7～3.6 GHz 時(shí)，上限為4 000 W/m2；3.6～4 GHz 時(shí)，上限為1 000 W/m2。據(jù)此，本文設(shè)置波端口的入射功率為4 000 W，信號(hào)頻率為3 GHz，功率密度取上限值4 000 W/m2。

在場(chǎng)計(jì)算器中通過(guò)對(duì)功率密度進(jìn)行積分得到電阻上的損耗功率，如圖8所示。

圖8 損耗功率計(jì)算設(shè)置及結(jié)果Fig.8 Settings and results of power loss calculation

通過(guò)仿真可得到橋絲電阻功率損耗密度分布，如圖9所示。

圖9 電阻功率損耗密度Fig.9 Resistance power loss density

從仿真結(jié)果可知，電阻上的感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度最大可達(dá)6 000 V/m。電阻上的電流密度最大為80 A/m，在場(chǎng)計(jì)算器中計(jì)算得到電阻上的損耗功率為0.57 W。根據(jù)GJB 344A-2005《鈍感電起爆器通用規(guī)范》規(guī)定，常規(guī)鈍感電火工品滿(mǎn)足1 W/1 A/5 min 不點(diǎn)火安全性要求[17]，故該損耗功率尚不足以使鈍感電火工品發(fā)火。但當(dāng)入射遠(yuǎn)超過(guò)4 000 W，如“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)S（3.1～3.5 GHz）波段AN/SPY-1相控陣?yán)走_(dá)峰值功率5 MW ，平均功率32 kW[18]，則足以破壞火工品安全性，使電火工品意外發(fā)火。

4 結(jié)論

本文按照GJB 786-89《預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求》加載典型電磁能量，選取兩型電火工品，采用感應(yīng)電流和損耗功率2 種分析方法，分別研究電磁環(huán)境對(duì)電火工品安全性的影響。在ANSYS HFSS 電磁場(chǎng)仿真環(huán)境中，通過(guò)設(shè)定的電磁場(chǎng)環(huán)境頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度及功率密度，分別獲取典型結(jié)構(gòu)電火工品的感應(yīng)電流數(shù)據(jù)和橋絲電阻的損耗功率。通過(guò)與GJB 344A-2005《鈍感電起爆器通用規(guī)范》中鈍感電火工品安全閾值相比較，得出電火工品在特定電磁環(huán)境下的安全性仿真分析結(jié)論。本文所介紹的2 種研究方法，可獲得置信度較高的仿真數(shù)據(jù)，并為電火工品安全性評(píng)估提供理論和技術(shù)支撐。