精确制导武器的电磁脉冲仿真试验方法研究

张江南，吴 皓，谯 梁，王 鑫，陈 飞

(1. 中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007；2. 中国人民解放军96901部队，北京 100094；3. 中国航天科工集团有限公司科研部，北京 100089)

0 引 言

随着电子信息技术的发展，精确制导武器所面临的战场电磁环境也日趋复杂[1]。其中电磁噪声、非对抗性干扰、对抗性干扰等电磁环境只能对精确制导武器造成“软杀伤”，而电磁脉冲将对精确制导武器的电子信息系统造成“硬杀伤”[2-3]，从而影响精确制导武器的作战效能。电磁脉冲对精确制导武器的电磁防护也提出了更高的挑战，其对精确制导武器的毁伤效应、毁伤机制及毁伤评估[4]等问题也亟待研究。

国内外在电磁脉冲对电子系统仿真研究方面开展了电磁脉冲辐射环境仿真[5]、弹上电缆抗干扰仿真[6]、平面波辐照双绞线耦合[7]等研究，为本文仿真方法提供了参考。在电磁脉冲效应研究方面开展了通信系统中电磁脉冲效应[8]、无人机GPS超宽谱电磁脉冲效应[9]、卫星导航接收机强电磁脉冲效应[10]、典型电子设备强电磁安全效应[11]、高空核爆电磁脉冲对输电线缆的耦合效应[12]以及强电磁脉冲环境下传输线感应特性分析[13]等相关研究工作。在电磁脉冲效应试验中，最常用的手段为辐照式试验，对研究目标进行直接辐照可有效模拟研究目标在遭遇电磁脉冲环境下的效应响应，有利于考核研究目标的电磁脉冲环境适应性。辐照式试验也有一定的缺点，比如辐照系统确定后其试验频点和目标处场强不便调节从而难以获得准确的电磁脉冲阈值、电磁脉冲辐射系统成本高、具备系统级辐照试验的试验室较少等。注入式试验也是目前研究电磁脉冲效应试验采用相对较广泛的一种试验手段，其具备试验成本低、效应试验效率高、试验方法灵活等优点，注入试验主要包括大电流注入试验、脉冲电流注入试验、直接电流注入试验和长线注入试验等[14]。

电磁脉冲对精确制导武器的毁伤效应理论研究方法尚不成熟、毁伤机制尚不清晰，其毁伤效应试验存在试验成本高、试验方法不明确的问题。本文采用CST仿真、注入式试验和辐照式试验相结合的方法，研究精确制导武器在电磁脉冲作用下的耦合情况以及注入式与辐照式试验方法，建立系统的电磁脉冲对精确制导武器毁伤效应研究方法。

1 精确制导武器的电磁脉冲目标易损性分析

目标易损性是指在战斗状态下，目标被发现并受到攻击而发生损伤的难易程度。精确制导武器的电磁脉冲易损性主要指精确制导武器在电磁脉冲辐照作用下，其受到电磁干扰、毁伤的难易程度。精确制导武器的电磁脉冲易损性分析包括精确制导武器目标特性分析、电磁脉冲分析、毁伤机制分析等。

1.1 精确制导武器目标特性分析

精确制导武器系统包括导引系统、控制系统、战斗部和推进系统4个部分。精确制导武器系统的基本组成如图1所示。

图1 精确制导武器系统的基本组成Fig.1 Basic composition of precision guided weapon system

导引系统通过探测装置确定精确制导武器相对于目标或发射点的位置并形成导引指令。探测装置对目标和精确制导武器的运动信息进行实时测量，由于探测原理、探测装置不同形成了精确制导武器不同的制导体制，根据相应的探测数据生成相应的导引指令。控制系统则根据导引系统给定的导引指令，准确而高效地执行导引指令，控制精确制导武器飞行姿态，精确打击目标。战斗部主要通过爆炸等剧烈化学反应为精确制导武器提供侵彻体、射流、冲击波、破片等毁伤元，从而杀伤目标。推进系统则主要为精确制导武器提供飞行动力。

1.2 电磁脉冲分析

在电磁脉冲研究过程中，采用双指数函数来描述，双指数函数的时域、频域分别为

E(t)=kEp(e-α t-e-β t)

(1)

(2)

式中：EP为峰值场强；k为修正系数；α、β为描述脉冲前、后沿的参数。

1.3 毁伤机制分析

电磁脉冲对精确制导武器的电子系统毁伤机制为电磁脉冲源辐射电磁脉冲，经空间传播后到达精确制导武器目标位置。电磁脉冲耦合进入精确制导武器的通道有“前门”耦合和“后门”耦合，其中“前门”耦合指天线耦合、电源线耦合、传输线耦合、回路耦合等通道，“后门”耦合指精确制导武器弹体上的孔洞和缝隙等通道。电磁脉冲进入精确制导武器电子系统后造成一系列的毁伤。电磁脉冲对精确制导武器电子系统毁伤机制如图2所示。

图2 电磁脉冲对精确制导武器电子系统毁伤机制Fig.2 Damage mechanism of electromagnetic pulse to electronic system of precision guided weapons

由于精确制导武器各子系统模块由大量的电子元器件和大规模集成电路等组成，不同的电子设备根据电磁脉冲易损性差异具有不同的毁伤阈值，根据电磁脉冲对系统及器件的毁伤效应可分为以下几种。

1) 瞬间干扰：当电磁脉冲耦合进入电子系统的功率较低时，耦合电磁脉冲信号相当于在精确制导武器系统中增加了一定的噪声或干扰信号，从而影响精确制导武器系统的正常工作。

2) 高压击穿：当电磁脉冲耦合进入的功率较高时，耦合进入的电磁能将在电路中转化为高电压或大电流，引起结点、部件或回路间发生击穿。

3) 易损器件烧毁：当电磁脉冲耦合进入的功率较高时，该部分的电磁能超过电子元器件所能承受的电压或电流，造成电子元器件内部烧毁，主要是易损性半导体器件的烧蚀或内部连线的熔断等。

4) 电磁脉冲加温：由于各电子元器件均在工作温度要求内工作，若电磁脉冲通过加热使易损器件的温度超过正常工作的温度上限时，将导致易损器件无法正常工作。

2 精确制导武器辐照仿真研究

精确制导武器辐照仿真主要研究精确制导武器在电磁脉冲辐照环境中其电子系统及结构内部耦合情况，为毁伤效应机制研究提供有效研究手段。其中线缆线束是“前门”耦合的主要通道，提取各线缆线束耦合结果，可作为注入式试验的输入条件，为效应试验提供试验依据。

2.1 精确制导武器建模

利用三维建模软件对精确制导武器进行三维实体建模，并输出为_.STEP文件。启动CST设计环境后，将精确制导武器实体模型_.STEP导入CST电缆工作室。根据精确制导武器壳体及结构常用材料类型和相应性能参数，在材料库中选择所需材料，精确制导武器常用仿真材料参数见表1。

表1 精确制导武器常用仿真材料参数Tab.1 Common simulation material parameters for precision guided weapons

几何结构创建完成后，进行精确制导武器电子系统线缆线束模型创建。CST相比其他建模软件，可以对导线材料的电导率、绝缘层的介电常数、同轴线屏蔽层的金属丝材料、线径、编织股数等电特性进行定义，各传输线类型如图3所示。

图3 传输线类型Fig.3 Types of transmission lines

首先对精确制导武器电子系统中包含的线缆线束进行测量，得到精确制导武器电子系统中线缆线束参数。其次考虑到精确制导武器内部不具备对称性，故不设置电场、磁场对称面。精确制导武器作战环境周围无反射面，故将边界设置为Open。网格类型选择Hexahedral TLM，准确度为-30 dB，精确制导武器模型网格划分设置为近模型处每个波长20个网格，远模型处每个波长10个网格。最后在结构及线缆建模结束之后切换到设计工作室中，提取线缆线束的等效分布参数模型，其中所有端口均是线缆的两个端口，每个端口均以线缆的Node、名称等进行唯一编号，便于识别。

精确制导武器系统级平面波辐照方案中采用双指数电磁脉冲激励源，电磁脉冲辐照仿真中峰值场强为50 kV/m，双指数电磁脉冲能量集中在25 MHz以下，故设置频率范围为0～75 MHz。平面波激励信号参数设置如表2所示。双指数电磁脉冲时域、频域波形如图4～5所示。

表2 平面波激励信号参数设置Tab.2 Plane wave excitation signal parameter setting

图4 双指数电磁脉冲时域波形Fig.4 Time domain waveform of double exponential electromagnetic pulse

图5 双指数电磁脉冲频域波形Fig.5 Frequency domain waveform of double exponential electromagnetic pulse

2.2 仿真结果分析

传输线作为电磁脉冲电子系统“前门”耦合的主要通道，其中精确制导武器电子系统中包含多种传输线，如信号多绞线、天线馈线同轴线、电源单线、信号排线等。根据精确制导武器系统的内部布线方式、传输线类型及参数进行相应仿真，可得到精确制导武器子系统与子系统之间传输线内部耦合电压情况，某精确制导武器电子系统的各种传输线耦合电压情况如图6～9所示。

图6 多绞线耦合电压波形Fig.6 Multi-pair coupling voltagewaveform

图7 天线馈线耦合电压波形Fig.7 Antenna feeder coupling voltage waveform

图8 电源线耦合电压波形Fig.8 Power line coupling voltagewaveform

图9 信号排线耦合电压波形Fig.9 Signal cable coupling voltage waveform

电磁脉冲在传输线中的耦合电压将作用于精确制导武器的子系统并造成毁伤效应。通过仿真得到各子系统传输线的耦合电压并作为注入式效应试验的输入条件，为注入式效应试验提供依据。电磁脉冲频域耦合情况可反映电磁脉冲在不同频率处耦合效率，电磁脉冲频域耦合情况如图10所示。不同材料对电磁脉冲功率损耗情况有所不同，电磁脉冲功率损耗情况如图11所示。

图10 电磁脉冲频域耦合Fig.10 Electromagnetic pulse frequency domain coupling

图11 电磁脉冲功率损耗Fig.11 Electromagnetic pulse power loss

由图10可知，在0～75 MHz范围内，频率越高耦合场强幅值越高，耦合效率也较高，空间域场强峰值随频率增加呈波动上升趋势，且在特定频率点电磁脉冲耦合效率较低。由图11可知，在双指数电磁脉冲辐照情况下，由于电磁脉冲功率集中在0～75 MHz范围内，且在低频范围内功率相对较高，精确制导武器材料对电磁脉冲在低频范围内功率损耗较高，且常用材料中铝对电磁脉冲功率损耗最高，为6×10-16W，聚四氟乙烯电磁脉冲功率损耗最低。频域耦合情况和材料对电磁脉冲功率损耗情况可为精确制导武器电磁脉冲防护提供参考。

3 注入式试验与辐照式试验设计

3.1 注入式试验设计

注入式试验采用注入式源作为电磁脉冲源，对精确制导武器的子系统进行注入式试验，得到各子系统的电磁脉冲注入式毁伤阈值及毁伤效应。注入式试验原理拓扑图如图12所示。

图12 试验原理拓扑图Fig.12 Test principle topology diagram

注入式效应试验系统由注入式源、数据采集系统、负载试验系统组成。注入式源的脉冲电压发生系统主要由高压发生器、隔离装置和注入接口组成，可输出满足试验参数要求的电流脉冲。信号发生器主要用于为效应物提供必要的工作波形。数据采集系统主要由示波器、高压探头、电流探头信号监测器件通过传输线连接组成。负载试验系统由负载匹配器与可选负载组成，为待测效应物提供测试接入端口。为保持注入电压波形与CST线缆耦合仿真波形的一致性，注入式试验采用双指数电压波形，注入式试验归一化电压波形与线缆仿真耦合归一化电压波形如图13所示。

图13 注入式试验归一化电压波形Fig.13 Normalized voltage waveform of injection test

试验在宽敞通风、无强电磁干扰的环境中进行，气温25 ℃左右，湿度60%左右。电磁脉冲注入采用步进法，即按照预估损伤阈值的80%将电磁脉冲注入到单元部件注入端口，若精确制导武器部件单元未发生损伤，则增加注入量再次注入，如此反复直至精确制导武器部件单元电子元器件发生损伤。每次注入后进行电参数测量或接入系统以判断部件单元是否损伤。注入式试验可用于研究注入电压的幅度、上升沿、脉冲宽度等参数对毁伤阈值与毁伤效应的影响规律[15]。

3.2 辐照式试验设计

系统级辐照试验是研究精确制导武器在电磁脉冲环境中毁伤效应最直观、最有效的方式。通过系统级辐照试验，可得到精确制导武器在不同电磁脉冲源作用下的毁伤效应现象、毁伤阈值等一系列试验数据。

图14 辐照试验原理图Fig.14 Schematic diagram of irradiation test

电磁脉冲辐照源采用双指数电磁脉冲辐照源，双指数电磁脉冲辐照源实测归一化波形如图15所示。辐照试验可用于研究电磁脉冲的幅度、极化方向、入射角、上升沿、脉冲宽度等参数对精确制导武器毁伤阈值与毁伤效应的影响规律。

3.3 仿真与试验结果对比分析

在保证CST仿真激励源信号波形参数与辐照式试验电磁脉冲源波形参数一致的情况下，以传输线耦合电压波形为参考，利用注入式源在电子系统传输线相应端口注入电压脉冲，对比分析注入式试验与辐照式效应试验的毁伤效应。以电子系统中电源管理芯片为例，仿真与试验结果分析见表3。

图15 电磁脉冲辐照源实测归一化波形Fig.15 Measured normalized waveform of electromagnetic pulse irradiation source

表3 仿真与试验结果对比Tab.3 Comparison of simulation and test results

CST仿真可直观描述电磁脉冲对精确制导武器电子系统的耦合情况，结合注入式试验可有效研究精确制导武器子系统以及器件级电磁脉冲毁伤效应，将复杂的电磁脉冲效应研究分解为子系统或器件级效应研究，降低研究成本及难度。辐照式试验则从精确制导武器系统级层面开展效应研究，模拟作战环境下精确制导武器的毁伤效应现象。在保持CST仿真和辐照式试验的输入条件相同时，辐照式试验效应与注入式试验效应的一致性可验证CST仿真及注入式试验结果的正确性。

4 结束语

由于精确制导武器面临的电磁环境日益复杂，其中电磁脉冲威胁的“硬杀伤”作用不可忽视，因此针对电磁脉冲对精确制导武器的毁伤评估问题，本文提出了CST仿真、注入式试验与辐照式试验相结合的方法，对精确制导武器的电磁脉冲目标易损性、辐照仿真、效应试验方法进行研究，可有效解决辐照式试验带来的研究成本高、效费比低等问题。精确制导武器的电磁脉冲仿真试验方法研究为电磁脉冲对精确制导武器的毁伤效应、毁伤机制及毁伤评估等研究奠定了基础，为电子信息系统的电磁脉冲毁伤效应研究方法提供了参考。