黃 雋，費(fèi)奇志，張浩然，，胡云安，金 焱

（1.海軍航空工程學(xué)院 a.研究生管理大隊(duì)；b.控制工程系，山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍裝備部，北京 100071）

電磁脈沖武器是一種利用定向發(fā)射的高功率在與物體或系統(tǒng)相互作用所產(chǎn)生的電效應(yīng)、熱效應(yīng)和生物效應(yīng)能對(duì)目標(biāo)造成軟殺傷破壞的新型武器，包括低頻電磁脈沖武器和高功率微波武器（高功率微波彈與高功率微波炮）。目前尚無(wú)確切的軟殺傷概念，本文所研究的軟殺傷起源于軟毀傷學(xué)科[1]，來(lái)源于新概念武器作戰(zhàn)理論，形成于裝備戰(zhàn)傷理論[2]，指一切在廣義戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)生的裝備設(shè)施的外部機(jī)體結(jié)構(gòu)未曾或難以看出遭到破壞，而電子設(shè)備、武器系統(tǒng)暫時(shí)或永久出現(xiàn)功能降低、紊亂、故障、失效等現(xiàn)象的事件；人員的生理結(jié)構(gòu)未曾或難以看出遭到殺傷，而暫時(shí)或永久降低、喪失某種能力的事件，俗稱“內(nèi)傷”。軟殺傷概念既可以從造成殺傷的主動(dòng)角度，亦可以從遭到殺傷的被動(dòng)角度提出。

國(guó)外非常重視飛機(jī)的電磁脈沖軟殺傷分析研究，但定量分析的結(jié)果難以獲取。美國(guó)國(guó)防部曾經(jīng)用高功率微波武器對(duì)陸軍的眼鏡蛇直升機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)[3]，并確定了適用于飛機(jī)的HPM 輻射效應(yīng)評(píng)估流程；美國(guó)空軍建立了射頻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)F-16 進(jìn)行HPM 效應(yīng)測(cè)試；美國(guó)空軍大學(xué)評(píng)估了艦艇的高功率微波和超寬帶微波防空武器抵抗各種來(lái)襲飛機(jī)（包括戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)、輕型機(jī)、超輕型機(jī)、直升機(jī)等）的有效性和可能性，并分析了打擊部位與策略[2]；瑞典開(kāi)發(fā)了飛機(jī)的微波測(cè)試設(shè)備[4]。國(guó)內(nèi)針對(duì)飛機(jī)的電磁脈沖軟殺傷研究較少，對(duì)電磁脈沖耦合效應(yīng)的定量分析多以半導(dǎo)體器件、引信、集成電路和計(jì)算機(jī)設(shè)備等為研究對(duì)象。文獻(xiàn)[5]把軟損傷作為飛機(jī)戰(zhàn)傷的一種基本形式，并闡述了高功率微波武器對(duì)飛機(jī)的殺傷機(jī)理。文獻(xiàn)[6]通過(guò)集成電路器件微波損傷實(shí)驗(yàn)分析頻率、電壓、重復(fù)頻率和脈寬對(duì)損傷功率閾值的影響；文獻(xiàn)[7]給出了利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立集成電路高功率微波易損性預(yù)測(cè)評(píng)估模型的基本步驟；文獻(xiàn)[8]利用電磁脈沖模擬器對(duì)計(jì)算機(jī)的干擾和損傷效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并應(yīng)用FDTD方法研究了金屬箱孔縫和導(dǎo)線耦合效應(yīng)；文獻(xiàn)[9]通過(guò)FDTD方法模擬在不同頻率和入射角度的時(shí)諧平面電磁波作用下，計(jì)算機(jī)主板上耦合的電磁場(chǎng)分布，給出一種電磁輻射效應(yīng)評(píng)估的基本方法。對(duì)飛機(jī)座艙耦合效應(yīng)的研究據(jù)筆者所知未見(jiàn)報(bào)道。針對(duì)國(guó)內(nèi)外強(qiáng)電磁脈沖對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)耦合效應(yīng)及軟殺傷分析現(xiàn)狀，鑒于FDTD方法在處理電特大尺寸復(fù)雜物體電磁問(wèn)題的優(yōu)勢(shì)[10]，特別是網(wǎng)格劃分的要求比矩量法、多層快速多極子等方法更寬松的特點(diǎn)，本文基于FDTD方法提出了一種作戰(zhàn)飛機(jī)后門(mén)耦合效應(yīng)建模和軟殺傷分析流程，以某作戰(zhàn)飛機(jī)為例，建立了在低頻（0～100 MHz）電磁脈沖武器作用下的耦合模型，并通過(guò)仿真分析，提出了一種軟殺傷防護(hù)方法。

1 后門(mén)耦合效應(yīng)建模與軟殺傷分析流程及其實(shí)現(xiàn)方法

1.1 分析流程

通常的耦合類型有輻射與傳導(dǎo)耦合，兩者往往交織在一起。主要通過(guò)前門(mén)和后門(mén)耦合到目標(biāo)。前門(mén)耦合模式通常指電磁脈沖武器所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)能量，耦合進(jìn)入雷達(dá)或通訊裝備系統(tǒng)的天線，并造成電子設(shè)備和人員的破壞和傷害。后門(mén)耦合模式指電磁脈沖武器產(chǎn)生的短暫電流或駐波，通過(guò)孔、縫、窗口和固定電線（纜）對(duì)連接的電子設(shè)備間接傷害。座艙耦合指電磁脈沖能量直接在座艙產(chǎn)生的高強(qiáng)度和高功率密度駐波，對(duì)人員和電子設(shè)備造成的破壞和傷害的方式，屬于后門(mén)耦合模式。文獻(xiàn)[4]介紹了通用裝備的HPM 輻射效應(yīng)一般評(píng)估流程，本文提出基于FDTD方法的后門(mén)耦合效應(yīng)建模仿真及軟殺傷分析流程如圖1所示。

圖1 分析流程圖

1.2 實(shí)現(xiàn)方法分析

1.2.1 飛機(jī)機(jī)體與飛行員幾何模型

以某作戰(zhàn)飛機(jī)為研究對(duì)象，該飛機(jī)采用雙座、雙發(fā)、雙垂尾、機(jī)腹進(jìn)氣、頂部輔助進(jìn)氣、帶邊條的中等展弦比后掠下單翼、翼身融合的正常氣動(dòng)布局。參考資料數(shù)據(jù)圖片，獲取特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建該飛機(jī)的三維幾何模型。文獻(xiàn)[11]采用1∶12 縮比模型，由于縮比模型不能改變激勵(lì)頻率和飛機(jī)尺寸對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文選擇了1∶1的建模方式。座艙內(nèi)設(shè)置了顯示器、儀表板、控制面板等裝置。為了開(kāi)展強(qiáng)電磁脈沖對(duì)人體的軟殺傷研究，還建立了兩個(gè)飛行員模型。建立直角坐標(biāo)系如下，設(shè)飛機(jī)平飛狀態(tài)，機(jī)頭縱軸為Z方向，原點(diǎn)為機(jī)身縱向?qū)ΨQ面內(nèi)座艙前端底部中心點(diǎn)，左機(jī)翼為X方向，機(jī)身垂直向上為Y軸。建立的幾何模型和坐標(biāo)系如圖2所示。

圖2 座艙及飛行員幾何模型

1.2.2 激勵(lì)波源

核電磁脈沖有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的模型進(jìn)行模擬[8]，而強(qiáng)電磁脈沖武器的模型尚未有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[9]用時(shí)諧平面波與高斯脈沖平面波模型模擬對(duì)計(jì)算機(jī)主板的電磁脈沖輻射源，文獻(xiàn)[11]用雙高斯脈沖仿真無(wú)載波雷達(dá)信號(hào)。

本文用高斯脈沖平面波模型，模擬未加載頻、輻射的峰值功率為10 GW、約300 m 處起爆的低頻電磁脈沖武器（文獻(xiàn)[12]分析了該武器的殺傷機(jī)理）波形，并通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化電磁參數(shù)。不考慮其在有效作用距離內(nèi)傳輸?shù)乃p，入射方向?yàn)橛鳽軸方向（飛機(jī)正前方），電場(chǎng)極化方向?yàn)檠刂鳼軸方向。脈沖持續(xù)時(shí)間τ 亦決定頻譜寬度，需要反復(fù)試驗(yàn)權(quán)衡選擇，才能增強(qiáng)損傷的效果；選擇脈沖峰值時(shí)間 t0和τ相近，可使脈沖在起始時(shí)刻近似為零。本文取峰值振幅 E0=9.962 664 kV/m，t0=64.845 49 ns，τ=64.74 ns，其絕大部分功率分布在0～100 MHz范圍內(nèi)。

1.2.3 計(jì)算區(qū)域的FDTD網(wǎng)格劃分

文獻(xiàn)[8-9]采用均勻網(wǎng)格劃分，為提高計(jì)算精度，利用亞網(wǎng)格技術(shù)[10]對(duì)包含飛機(jī)機(jī)體和空勤人體的計(jì)算空間進(jìn)行FDTD 自適應(yīng)劃分，對(duì)指定區(qū)域部分（薄層結(jié)構(gòu)）采用比最大網(wǎng)格尺寸小1/2的尺寸，Δx×Δy×Δz為0.010 53 m×0.010 53 m×0.010 53 m。

在保證差分近似帶來(lái)的色散在允許的前提下，其穩(wěn)定性條件較文獻(xiàn)[10]放寬為：

可得仿真時(shí)間步長(zhǎng) Δt為20.27×10-12s，最高頻率f為2.85×109Hz。

1.2.4 飛機(jī)和人體的電磁參數(shù)

[11，13]設(shè)定電磁參數(shù)，飛機(jī)機(jī)體：電導(dǎo)率σ為3.82×107S/m，相對(duì)介電常數(shù)rε為1；座艙玻璃：相對(duì)介電常數(shù)rε為3.8?0.002 85j；人腦：電導(dǎo)率σ為1.1 S/m，相對(duì)介電常數(shù)rε為49，ρ為1000 kg/m3；肌肉：電導(dǎo)率σ為1.21 S/m，相對(duì)介電常數(shù)rε為58，ρ為1 000 kg/m3。

1.2.5 吸收邊界條件

采用吸收邊界條件實(shí)現(xiàn)對(duì)FDTD計(jì)算區(qū)域的截?cái)啵行战財(cái)噙吔缣幍耐庀蛐胁?，從而用有限FDTD 區(qū)域模擬開(kāi)放空間的電磁耦合過(guò)程。文獻(xiàn)[9]采用的四階Liao 氏吸收邊界條件實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為繁瑣，本文在保證吸收效果的前提下，為了減少內(nèi)存占用、加快計(jì)算速度，采用了更簡(jiǎn)潔的二階Liao 氏吸收邊界條件。

1.2.6 耦合電磁場(chǎng)求解

文獻(xiàn)[9]為了處理遠(yuǎn)小于網(wǎng)格尺寸的金屬覆層，需要修正差分計(jì)算公式。本文避免了此類修正，將以上電磁參數(shù)、吸收邊界條件、激勵(lì)波源，應(yīng)用于麥克斯韋有限差分方程組，即可按照式(3)、(4)對(duì)以上剖分的每一個(gè)網(wǎng)格中各個(gè)時(shí)刻的耦合電場(chǎng) Ex和磁場(chǎng)分量Hx進(jìn)行計(jì)算，選擇最大計(jì)算為10 000步，可保證電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度基本趨近于零。式中：σ為電導(dǎo)率；ε為介電常數(shù)；mσ為導(dǎo)磁率；μ為磁導(dǎo)系數(shù)；Δt為時(shí)間步長(zhǎng)；n表示時(shí)間步長(zhǎng)的個(gè)數(shù)；Δx、Δy和Δz為網(wǎng)格尺寸；i、j、k為網(wǎng)格位置。

2 軟殺傷分析

2.1 基于功率密度的軟殺傷易損性分析

軟殺傷易損性主要研究目標(biāo)遭受電磁脈沖武器軟殺傷后的損傷程度。文獻(xiàn)[6-7]給出的損傷功率閾值擬合分布曲線把損傷功率閾值近似成正態(tài)分布，易損性概率則近似為0-1分布，實(shí)際上損傷功率閾值曲線呈階梯形，是一種所謂“分段均勻分布”。因此，本文基于功率密度提出一種適宜工程操作的易損性概率P 定義：

式中：S指觀察點(diǎn)（波源）的功率密度峰值；Sthreshold指功率密度閾值。

電子設(shè)備、常見(jiàn)電子元器件和人體的損傷事件、損傷閾值[14]和仿真計(jì)算的易損性概率見(jiàn)表1。

表1 強(qiáng)電磁脈沖的功率密度損傷閾值和易損性概率

迎著Z方向來(lái)的高斯脈沖激勵(lì)下觀察點(diǎn)（設(shè)在座艙內(nèi)駕駛員身前一個(gè)網(wǎng)格處，且在機(jī)身縱向?qū)ΨQ面內(nèi)，該點(diǎn)達(dá)到座艙內(nèi)能量密度的最值）時(shí)域、功率密度波形和第4 431時(shí)間步（該時(shí)間步能量密度幅值達(dá)到整個(gè)計(jì)算時(shí)間內(nèi)的峰值4.449 MW/m2）Z方向能量密度幅值（包含觀察點(diǎn)的XZ 平面）分布，表明現(xiàn)有座艙蓋對(duì)高斯脈沖有一定衰減作用。

圖3為第4 431時(shí)間步功率密度幅值（仿真觀察圖片用紅橙黃綠青藍(lán)紫七色和機(jī)體顏色表示功率密度幅值的分貝值?70～0 dB，其中 0 dB=4.449 MW/m2，本文用灰度片表示）分布表明：座艙內(nèi)屏蔽效果很強(qiáng)（耦合電場(chǎng)幅值低于?70 dB），前部是圓弧風(fēng)擋的固定段，中間是前固定段，后部是后設(shè)備艙口蓋?？涨谏砬胺綆缀鯖](méi)有屏蔽，空勤身后方有鋁框架的座椅屏蔽。

圖3 第4431時(shí)間步功率密度幅值分布

圖4顯示在89.798 54 ns時(shí)刻電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到峰值?5.826 63 kV/m，在89.798 54 ns時(shí)刻功率密度達(dá)到峰值198.549 52 kW/m2，耦合電場(chǎng)強(qiáng)度和功率密度波形與入射波形方向相反，說(shuō)明耦合進(jìn)入座艙的電磁脈沖對(duì)外輻射很強(qiáng)，輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度和功率密度大大超過(guò)了入射電場(chǎng)。

圖4 觀察點(diǎn)耦合電場(chǎng)時(shí)域波形和功率密度波形

仿真結(jié)果如表1所示，現(xiàn)有座艙蓋對(duì)人員和設(shè)備的屏蔽效能有限。電磁脈沖彈對(duì)飛機(jī)座艙耦合過(guò)程中，對(duì)人體的燒傷概率100%，燒死概率24.819%。對(duì)電子設(shè)備的損壞概率較小，干擾、拒止和削弱概率達(dá)到100%。

2.2 基于座艙玻璃導(dǎo)電膜的軟殺傷防護(hù)分析

軟殺傷防護(hù)分析主要研究某種防護(hù)手段在各種參數(shù)電磁脈沖武器攻擊下的效果與影響。本文提出用座艙玻璃導(dǎo)電膜防護(hù)電磁脈沖軟殺傷。透明導(dǎo)電膜（Transparent Conductive Oxide，TCO）是在平板玻璃表面通過(guò)物理或者化學(xué)鍍膜的方法均勻地鍍上一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜。TCO 有兩個(gè)主要指標(biāo)：一是對(duì)可見(jiàn)光的高透過(guò)率（Tavg＞80%）；另一個(gè)是高的電導(dǎo)率（σ≥ 105S/m）。本文選取導(dǎo)電膜電導(dǎo)率σ為105S/m，相對(duì)介電常數(shù)為3.8。[11]

第4 441時(shí)間步（該時(shí)間步功率密度幅值達(dá)到整個(gè)計(jì)算時(shí)間內(nèi)的峰值2.137 MW/m2）功率密度幅值分布圖（0 dB=2.137 M W/m2）如圖5所示，導(dǎo)電膜對(duì)能量集中在100 MHz以下的高斯脈沖防護(hù)效果很好，對(duì)電子設(shè)備和人體的易損性概率降至0。

圖5 第4 441時(shí)間步功率密度幅值分布圖

迎著Z方向來(lái)的高斯脈沖激勵(lì)下觀察點(diǎn)的時(shí)域和功率密度波形見(jiàn)圖6，在85.683 62 ns時(shí)刻電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到峰值?3.138 542×10-2V/m，在85.683 62 ns時(shí)刻功率密度達(dá)到峰值7×10-4W/m2，雖然耦合電場(chǎng)強(qiáng)度和功率密度都震蕩得比較厲害，但幅值已經(jīng)衰減到很小的范圍內(nèi)。

圖6 觀察點(diǎn)耦合電場(chǎng)時(shí)域波形和功率密度波形

3 結(jié)論

本文首先建立了一套座艙電磁脈沖耦合效應(yīng)建模仿真及軟殺傷分析流程，然后針對(duì)某作戰(zhàn)飛機(jī)開(kāi)展了低頻電磁武器的座艙耦合效應(yīng)仿真，對(duì)具體實(shí)現(xiàn)方法上進(jìn)行了深入分析，提出了一種適宜工程操作的軟殺傷易損性定義，計(jì)算了易損性概率，最后對(duì)導(dǎo)電膜的防護(hù)效果進(jìn)行了評(píng)估。

通過(guò)仿真優(yōu)化電磁參數(shù)可作為電磁脈沖武器研制和升級(jí)的參考依據(jù)，其上升沿越陡峭，峰值越高，脈寬越寬對(duì)目標(biāo)的毀傷效果越好。

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