張 旭，呂曉峰，姚洪志，王偉亞

（1.海軍航空大學(xué)，山東煙臺(tái)264001；2.中國(guó)兵器工業(yè)第213研究所，西安710061）

大型艦船通常攜載有大量的反艦和防空導(dǎo)彈裝備，由艦載雷達(dá)、通信及各種微波源構(gòu)成的艦船復(fù)雜電磁環(huán)境，對(duì)彈上電火工品安全造成潛在的威脅和風(fēng)險(xiǎn)。由于艦船電磁場(chǎng)的復(fù)雜性和遂行任務(wù)的多樣性，艦船電磁場(chǎng)對(duì)電火工品安全性影響缺少針對(duì)性的研究，研究成果也相對(duì)較少，使電火工品使用存在一定的盲目性和安全隱患。

本文以艦船短波天線為單一輻射源，以簡(jiǎn)化的艦船模型研究為基礎(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，著重分析艦船電磁環(huán)境對(duì)電火工品作用過程，確定典型風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)和參數(shù)，給出仿真分析結(jié)果。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。

1 艦船短波電磁環(huán)境

短波通信是歷史最為久遠(yuǎn)的無線電通信，也是艦船通信網(wǎng)的重要組成部分。短波通信具有設(shè)備簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉、發(fā)射功率小而作用距離遠(yuǎn)等突出特點(diǎn)，長(zhǎng)期以來，一直是艦船重要的通信手段。

常用的艦船天線有單根或多根導(dǎo)線組成的斜天線、鞭狀天線、寬頻帶天線和定向天線等。海上短波無線電通信使用頻率范圍為1.65～25.6 MHz[1]。為了保證在短波范圍內(nèi)利用空間波進(jìn)行可靠通信，艦船用短波天線通常工作在寬頻帶?？紤]在艦船上使用短波天線的經(jīng)驗(yàn)和安裝可能性，選擇天線長(zhǎng)度為10～12 m[2]。寬頻帶天線工作頻率范圍：在無匹配裝置時(shí)為 4.06～25.6 MHz，有匹配裝置時(shí)為1.65～25.6 MHz。另外，寬頻帶天線通常采用自立式結(jié)構(gòu)，以保證天線參數(shù)與艦船類型及其尺寸無關(guān)。

設(shè)艦船配置有10副短波單鞭天線。其中，右前側(cè)3副，艦島3副，左后側(cè)4副，選取10 m單鞭天線進(jìn)行仿真計(jì)算。在FEKO的POSTFEKO環(huán)境中建立簡(jiǎn)化艦船模型[3]，天線在艦船上布置如圖1所示。

為確定單鞭天線方向圖特性，在FEKO POSTFEKO環(huán)境中建立一只單鞭天線模型，單鞭天線仿真模型如圖2所示。采用Wire port導(dǎo)線端口電壓源作為天線激勵(lì)源[4]。模型參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 模型參數(shù)設(shè)置Tab.1 Model parameter setting

改變單邊天線激勵(lì)源工作頻率以觀察其方向圖變化。選擇4個(gè)典型頻率點(diǎn)，分別是1.65 MHz、7.5 MHz、16.5 MHz、20.5 MHz，不同頻率點(diǎn)天線工作方向圖如圖3所示。

由圖3可以看出，在設(shè)定連接面為無限大理想導(dǎo)電平面的前提下，隨著工作頻率的增加，單鞭天線的方向圖變化很大，會(huì)出現(xiàn)多瓣效應(yīng)，主瓣峰值產(chǎn)生偏移，因而在艦面產(chǎn)生的輻射場(chǎng)強(qiáng)也將隨之發(fā)生變化。當(dāng)頻率為7.5 MHz，天線水平方向輻射強(qiáng)度最強(qiáng)。

為了分析短波單鞭天線在艦面產(chǎn)生的輻射場(chǎng)的典型分布特性，本文選取天線發(fā)射功率為10 kW（每根天線平均1 kW），并選擇天線水平方向輻射強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)的頻率值7.5 MHz為工作頻率。

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。

取網(wǎng)格邊長(zhǎng)為λ/25，線單元長(zhǎng)λ/35。通過計(jì)算仿真，得到10根單鞭天線工作在7.5 MHz頻率時(shí)在艦面產(chǎn)生輻射場(chǎng)分布特性。3D電磁場(chǎng)分布結(jié)構(gòu)如圖4所示，甲板水平方向分布如圖5所示。

為了解10副短波單鞭天線在艦面區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)分布情況，對(duì)單鞭天線7.5 MHz頻率信號(hào)進(jìn)行了近場(chǎng)分析。由于右舷前甲板電磁場(chǎng)分布密集且強(qiáng)度較大，本文僅列出了該部位水平面典型位置場(chǎng)強(qiáng)分布值。短波單鞭天線工作時(shí)艦面近場(chǎng)電場(chǎng)分布如圖6所示。

由以上仿真結(jié)果可以看出，艦上10副單鞭天線全部工作時(shí)，右前側(cè)鞭天線附近區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)值較高，0.5 m處場(chǎng)強(qiáng)值最大可達(dá)到16.625 kV/m，但隨著半徑范圍增加，場(chǎng)強(qiáng)也隨之急劇下降，2 m處場(chǎng)強(qiáng)降至218.33 V/m。從場(chǎng)強(qiáng)值總體分布來看，半徑3 m以外，場(chǎng)強(qiáng)會(huì)降至300 V/m以下。

GJB 786-89《預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求》中規(guī)定的軍械系統(tǒng)允許工作的電磁環(huán)境要求見表2[7]。

表2 軍械系統(tǒng)允許工作的電磁環(huán)境Tab.2 Electromagnetic environment permitting the ordnance system to work

對(duì)比分析可知，距艦面單鞭天線核心點(diǎn)半徑3 m以內(nèi)的甲板區(qū)域內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)高于國(guó)軍標(biāo)規(guī)定的界限值，對(duì)處于該區(qū)域火工品構(gòu)成安全威脅。而半徑3 m以外區(qū)域，除個(gè)別點(diǎn)外，大部分場(chǎng)強(qiáng)值在200 V/m以下，場(chǎng)強(qiáng)值符合安全要求。故當(dāng)單鞭天線工作時(shí)，武器裝備與天線之間安全距離應(yīng)大于3 m。在開展短波天線對(duì)火工品安全影響分析時(shí)，則應(yīng)以7.5 MHz、場(chǎng)強(qiáng)值不小于1 kV/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。

2 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、起爆藥和猛炸藥等組成[8]。電磁波對(duì)電火工品的影響主要以電流的形式通過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]。

從電磁環(huán)境對(duì)火工品的作用過程來看，當(dāng)不同狀態(tài)的火工品處于電磁場(chǎng)中時(shí)，火工品的引線起到天線（通常為窄帶天線）的作用，可從電磁環(huán)境中拾取一定的電磁能量。引線拾取的能量通過火工品電極塞饋入到火工品換能元，換能元獲得的電能通過能量轉(zhuǎn)換成火工藥劑的化學(xué)能，當(dāng)此化學(xué)能足夠大時(shí)就會(huì)導(dǎo)致火工品作用[10]。電磁環(huán)境中火工品響應(yīng)過程見圖7。

火工品引線端在電磁場(chǎng)中起到接收天線的作用，并從環(huán)境電磁場(chǎng)中拾取電磁輻射能量。火工品接收電磁輻射能量的大小，與電磁輻射場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)和火工品線路所形成的天線結(jié)構(gòu)、天線的取向以及火工品與天線發(fā)射機(jī)之間的距離等幾個(gè)因素有關(guān)。

根據(jù)天線理論中的弗里斯傳輸方程[11]：

式（1）中：Pr為接收天線接收到的電磁輻射功率/W；Pt為發(fā)射天線的輸出功率/W；Aer為接收天線的有效孔徑/m2；Aet為接收天線的有效孔徑/m2；d為發(fā)射天線與接收天線間的距離/m；λ為發(fā)射天線輻射電磁波的波長(zhǎng)/m。

式中，為接收天線處的平均功率密度/（W/m2）。

從式（2）可知，將火工品等效成一定結(jié)構(gòu)的天線，就可得到電熱火工品拾取的電磁輻射功率。為簡(jiǎn)化分析過程，將電火工品等效成圖8所示結(jié)構(gòu)[12]。

等效天線有效孔徑表達(dá)式為：

當(dāng)L/λ＜1/2時(shí)，

當(dāng)L/λ≥1/2時(shí)，

式（3）、（4）中：A為環(huán)路面積/m2；RT為火工品電磁輻射阻抗的電阻分量/Ω；λ為電磁波波長(zhǎng)/m。

火工品最大接收頻率（諧振頻率）與腳線長(zhǎng)度L有關(guān)[13]，并按式（5）計(jì)算：

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[14]：

式（6）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；為電火工品所在位置的功率密度/（W/m2）。

電火工品腳線兩種典型放置方式簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖9所示[15]。圖9中，L是腳線長(zhǎng)度，d是腳線直徑，a是腳線間距，b是換能元距殼體表面距離，E是電場(chǎng)方向，θ是電場(chǎng)方向夾角。

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。

3 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0.1 MHz～40 GHz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。

3.1 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如圖10所示?；诓牧献杩狗治鰞x以及矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對(duì)涉及的材料進(jìn)行電磁特性的測(cè)量。測(cè)量研究的布置見圖11。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[16]。

3.2 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[17]。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)置的過程中采用的是輻射邊界條件[18]。外部激勵(lì)設(shè)置如圖12所示。

外部激勵(lì)設(shè)置為在邊界上垂直極化的電場(chǎng)，計(jì)算頻率范圍從0.1 MHz～40 GHz，通過仿真觀測(cè)每個(gè)頻率點(diǎn)下電火工品橋絲上感應(yīng)電流情況。

通過仿真獲得了電火工品在頻率范圍0.1 MHz～40 GHz內(nèi)其內(nèi)部橋絲感應(yīng)電流情況如圖13所示。

4 結(jié)論

綜合上述分析可知，外部激勵(lì)場(chǎng)為1 V/m時(shí)，橋絲上感應(yīng)最大電流達(dá)到7.5 mA，大部分頻率點(diǎn)感應(yīng)電流都在2.5 mA以下。感應(yīng)電流較大頻率范圍主要在4.5～7.5 GHz以及30～40 GHz頻率范圍內(nèi)。

短波天線頻段為1.65～.25.6 MHz，單位激勵(lì)場(chǎng)感應(yīng)電流不大于2.5 mA，但在天線附近3 m半徑范圍內(nèi)，局部仍會(huì)有1 kV/m以上電場(chǎng)分布，并在電火工品上產(chǎn)生大于2 A以上的感應(yīng)電流，對(duì)電火工品安全構(gòu)成影響。

[1]鐘順時(shí).天線理論與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011：135-152.ZHONG SHUNSHI.Antenna theory and technology[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2011：135-152.（in Chinese）

[2]王坦.短波通信原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：122-136.WANG TAN.The principle of shot wave communication[M].Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2012：122-136.（in Chinese）

[3]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，2012：72-89.FAN LISI，CUI YAOZHONG.FEKO5.4 instance tutorial[M].Beijing：National Defense Industry Press，2012：72-89.（in Chinese）

[4]劉又銘，洪承聰，馮奇，等.基于FEKO軟件的中波天線方向圖建模與仿真[J].艦船電子工程，2016，36（6）：66-67.LIU YOUMING，HONG CHENGCONG，F(xiàn)ENG QI，et al.Simulation of mid-wave antenna pattern based on FEKO[J].Ship Electronic Engineering，2016，36（6）：66-67.（in Chinese）

[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.YAN ZHAOWEN，SU DONGLIN，YUAN XIAOMEI.FEKO5.4 electromagnetic field analysis technology and detailed solution[M].Beijing：China Water Conservancy and Hydropower Press，2009：112-117.（in Chinese）

[6]石昕陽，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.SHI XINYANG，SONG DONGAN，YI XUEQIN，et al.Research on the shortwave electromagnetic coupling effects among multi-ship platforms based on MLFMM technology[J].Ship Science and Technology，2011，33（4）：82-84.（in Chinese）

[7]曲長(zhǎng)云，齊全尚，邵子昕.GJB 786-89預(yù)防電磁場(chǎng)對(duì)軍械危害的一般要求[S].1989：2 QU CHANGYUN，QI QUANSHANG，SHAO ZIXIN.GJB 786-89 Preclusion of ordnance hazards in electromagnetic fields，general requirements for[S].1989：2.（in Chinese）

[8]葉迎華.火工品技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014：37-50.YE YINGHUA.The technology of initiating explosive device[M].Beijing：Beijing Institute of Technology Press，2014：37-50.（in Chinese）

[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.LIAN KAI，LIU JUPENG，F(xiàn)ENG QINGMEI，et al.Research on electromagnetic pulse generator for EED[J].Initiators&Pyrotechnics，2014（1）：53-54.（in Chinese）

[10]白穎偉，任煒，劉舉鵬，等.電熱火工品感應(yīng)電流與連續(xù)電磁波頻率的關(guān)系[J].含能材料，2014，22（4）：521-524.BAI YINGWEI，REN WEI，LIU JUPENG，et al.Relationship between continuous electromagnetic wave frequency and EED induced current[J].Chinese Journal of Energetic Materials，2014，22（4）：521-524.（in Chinese）

[11]王凱民.軍用火工品技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：98-107.WANG KAIMIN.Design of initiators and pyrotechnics for weapon systems[M].Beijing：National Defense Industry Press，2006：98-107.（in Chinese）

[12]李貴蘭，李國(guó)新，汪佩蘭.基于場(chǎng)線耦合理論的電爆裝置射頻感應(yīng)電流仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011，23（3）：265-267.LI GUILAN，LI GUOXIN，WANG PEILAN.RF induced current simulation of electro-explosive device based on field coupling to line theory[J].Journal of System Simulation，2011，23（3）：265-267.（in Chinese）

[13]相輝，謝彥如，封青梅，等.橋絲式電火工品電磁脈沖效應(yīng)研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26（6）：88-89.XIANG HUI，XIE YANRU，F(xiàn)ENG QINGMEI，et al.Study on electromagnetic pulse effect of bridge wire electric pyrotechnics[J].Chinese Journal of Radio Science，2011，26（6）：88-89.（in Chinese）

[14]孫緒保.微波技術(shù)與天線[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：123-137.SUN XUBAO.Microwave technology and antenna[M].Beijing：Mechanical Industry Press，2010：123-137.（in Chinese）

[15]姚洪志，封青梅，紀(jì)向飛，等.電爆裝置電磁脈沖響應(yīng)分析[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（6）：45-47.YAO HONGZHI，F(xiàn)ENG QINGMEI，JI XIANGFEI，et al.Analysis of electromagnetic pulse effect on electric explosive device[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2011，32（6）：45-47.（in Chinese）

[16]屈樂樂，楊天虹，張麗麗，等.基于HFSS仿真軟件的天線實(shí)驗(yàn)課程研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2017，33（7）：129-130.QU LELE，YANG TIANHONG，ZHANG LILI，et al.Research on HFSS-based antenna experimental teaching[J].Experimental Technology and Management，2017，33（7）：129-130.（in Chinese）

[17]李明洋.HFSS電磁仿真設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2013：116-123.LI MINGYANG.HFSS electromagnetic simulation design from introductory to mastery[M].Beijing：People’s post and Telecommunication Press，2013：116-123.（in Chinese）

[18]晏高平，毛建舟，赫永磊.艦艇短波電磁環(huán)境仿真預(yù)測(cè)研究[J].艦船電子工程，2014，34（6）：144-145.YAN GAOPING，MAO JIANZHOU，HAO YONGLEI.Simulation and research of the surface ship short wave electromagnetic environment[J].Ship Electronic Engineering，2014，34（6）：144-145.（in Chinese）