徐 航,鄭紅星,左 非,蔣艷國,肖和業(yè)

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

制導(dǎo)彈藥在飛行過程中,通常會不可避免的受到激勵源(electromagnetic pulse,EMP)輻照[1-2]。作為高科技軍事裝備的制導(dǎo)彈藥,其彈上多種類型的電氣設(shè)備、電子器件集合在狹小的空間內(nèi),通過輸配電線路與電氣系統(tǒng)連接在一起,信號有強(qiáng)有弱,電壓、電流有高有低,空間密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他飛行器。這些電氣設(shè)備和電子器件在受到EMP照射時,會在彈體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電場。這往往會影響彈上器件的工作,從而對其飛行姿態(tài)和飛行軌跡產(chǎn)生影響。為了更好地了解制導(dǎo)彈藥飛行時所受外部條件的影響,需要對導(dǎo)彈進(jìn)行仿真分析。

1 仿真模型建立

選用CST仿真軟件,建立彈體模型,并對導(dǎo)彈彈體進(jìn)行簡化[3]。

1.1 彈體結(jié)構(gòu)模型

首先啟動CST設(shè)計工作室，選擇創(chuàng)建新項目。將長度單位設(shè)置為 mm,頻率單位設(shè)置為 MHz,時間單位設(shè)置為μs,背景材料設(shè)置為 Normal,邊界條件設(shè)為open(add space),建立如圖1所示的制導(dǎo)彈藥結(jié)構(gòu)模型。

圖1 某型制導(dǎo)彈藥結(jié)構(gòu)模型

其中,導(dǎo)引頭設(shè)置為玻璃材質(zhì),其他結(jié)構(gòu)部分(包含彈體)設(shè)置為PEC。仿真中需要考慮彈體各艙段由于加工公差產(chǎn)生的縫隙,按最差情況分析,讓縫隙圍繞彈殼一周。根據(jù)目前存在的公差范圍,導(dǎo)引頭、引信艙段縫隙按0.3 mm,0.4 mm和0.5 mm 3種情況處理;而其他艙段縫隙按0.05 mm處理。各艙段間隔板共設(shè)置了6條縫隙。此外,彈內(nèi)有很多不影響計算結(jié)果但影響計算效率的結(jié)構(gòu),例如接插件、表面尖劈、表面圓柱等,通過對這些結(jié)構(gòu)的近似處理,可以獲得更高的計算速率。

1.2 彈上電氣線路模型

彈上線束均設(shè)為理想導(dǎo)體,這里采用鍍銀的銅導(dǎo)線,絕緣層材料為聚四氟乙烯,單根導(dǎo)線截面積均為0.20 mm2,電導(dǎo)率約為6×107S/m;雙絞線絞距為10 mm,屏蔽層為銅制編織層,編織密度80%。按照圖2所示的線束結(jié)構(gòu)建立三維曲線,包含電池、導(dǎo)引頭、飛控、陀螺儀、舵機(jī)和引信之間的互連線。為了防止線纜間的電磁干擾,所有的電源線均為雙絞線而信號線均采用雙絞屏蔽線。為了在傳輸信號有問題時做到隨時調(diào)整,彈壁電纜不能電纜束的形式出現(xiàn)。

圖2 某型制導(dǎo)彈彈上電氣線路模型

1.3 接口電路等效模型

對于供電、RS422、舵指令、舵電位計信號電路、引信接口電路和電機(jī)PWM接口等效電路,可以通過CST設(shè)計工作室進(jìn)行建模。它采用邊界元法,提取各類線纜(單線、排線、雙絞線、屏蔽雙絞線、單芯/多芯屏蔽線以及它們的任意拓?fù)浣M合)以及周邊結(jié)構(gòu)下的傳輸線模型,自動考慮趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗。對從單一金屬線到復(fù)雜的電纜和完整的電纜束的各種幾何線纜結(jié)構(gòu)都可進(jìn)行電磁分析,可提供完整的電子系統(tǒng)互連設(shè)備電磁兼容性及信號完整性分析解決方案,具有很強(qiáng)的實(shí)用性[4]。根據(jù)各個接口電路的等效或簡化模型,與分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型端口一一對應(yīng)連接。在這里可以采取一些簡化處理提高計算效率。

通過以上步驟完成CST中對導(dǎo)彈模型的建模。

2 仿真與結(jié)果分析

通過仿真某型制導(dǎo)彈藥在飛行中遭受激勵源輻照時的情況進(jìn)行仿真分析。

在仿真時,按照以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)定:

1)頻率上限:100 MHz。

2)頻率范圍:若激勵信號為超寬譜源波形(即脈沖寬度1 ns,脈沖上升沿300 ps),將仿真的頻率范圍定義到2 GHz即可包含激勵源的主要能量;若激勵信號為窄譜源波形(載頻為1.3 GHz,脈沖寬度30 ns,脈沖上升沿和下降沿均為3 ns),將仿真的頻率范圍定義到1.3 GHz;若激勵信號為窄譜源波形(載頻為2.8 GHz,脈沖寬度30 ns,脈沖上升沿和下降沿均為3 ns),將仿真的頻率范圍定義到2.8 GHz。

3)信號波形:雙指數(shù)函數(shù)波形。

4)網(wǎng)格設(shè)置:為了達(dá)到仿真效率和仿真精度的平衡,本項目仿真采用六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行剖分,全局網(wǎng)格設(shè)置中將Cells per wavelength中的Near to model設(shè)為15。

5)監(jiān)視器和探針:在彈體內(nèi)定義5個探針,這些探針分別位于導(dǎo)引頭前端、導(dǎo)引頭后端、舵機(jī)、儀器艙和引信艙,如圖3所示,并觀察彈體內(nèi)這些位置的感應(yīng)電場。

圖3 彈體內(nèi)的探針位置

為了研究外設(shè)條件對導(dǎo)彈微波特性的影響,通過改變彈體各艙段之間的縫隙寬度、入射激勵源的強(qiáng)度及方向等預(yù)設(shè)條件,計算觀察點(diǎn)的感應(yīng)電場場強(qiáng)值的變化。為了研究各艙段之間縫隙對仿真結(jié)果的影響,將導(dǎo)引頭、引信艙段縫隙分別按0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm 3種情況處理;而在考慮入射激勵源的強(qiáng)度及方向?qū)?dǎo)彈的微波效應(yīng)的影響時,分別采用10 kV,20 kV和40 kV的電壓,和導(dǎo)彈的正面、后面、左右側(cè)面和底面5個方向,極化方式為水平極化。因?yàn)橥ǔＧ闆r下,水平極化為激勵源類問題中最惡劣的情況,采用該極化方式可以更加明顯的看出入射激勵源的入射方向?qū)?dǎo)彈微波特性的影響。根據(jù)前面的仿真設(shè)置,通過觀察各個觀察點(diǎn)的電場強(qiáng)度對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 縫隙寬度對電場強(qiáng)度的影響

艙段間因加工誤差引起的不同縫隙寬度對各個位置場強(qiáng)的影響仿真結(jié)果如圖4所示。

通過上述各個觀察點(diǎn)的場強(qiáng)隨著縫隙寬度的變化所產(chǎn)生的影響可以看出:縫隙寬度對于導(dǎo)引頭前端的場強(qiáng)值影響較小,而對于其他艙段產(chǎn)生了較為明顯的影響。縫隙寬度為0.3 mm的場強(qiáng)值會大于其他兩種縫隙寬度的場強(qiáng)值。這是由于艙段間加工誤差造成的縫隙,會導(dǎo)致更多的激勵源能量耦合進(jìn)艙內(nèi),因此在加工時,可以通過減小艙段間空縫提高屏蔽效能。

2.2 入射激勵源強(qiáng)度對電場強(qiáng)度的影響

入射激勵源在10 kV、20 kV、40 kV 3個強(qiáng)度下,各個位置場強(qiáng)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 入射激勵源強(qiáng)度對各艙段電場強(qiáng)度的影響

通過上述仿真結(jié)果可以看出:入射激勵源的強(qiáng)度越大,各個點(diǎn)的場強(qiáng)值也會越大。且入射激勵源強(qiáng)度的變化對導(dǎo)引頭的電場強(qiáng)度的影響尤為明顯。

2.3 入射激勵源方向?qū)﹄妶鰪?qiáng)度的影響

入射激勵源為導(dǎo)彈底部、前方、左側(cè)、右側(cè)、后方5個方向時,各個位置場強(qiáng)仿真結(jié)果如圖6所示。

通過上述仿真結(jié)果可以看出:對于舵機(jī)、儀器艙和引信艙而言,不同方向的入射激勵源入射，對于艙內(nèi)的電場影響不大;而對于導(dǎo)引頭而言,側(cè)方入射(即入射方向?yàn)閷?dǎo)彈左側(cè)和導(dǎo)彈右側(cè))比從導(dǎo)彈前后方入射對艙內(nèi)的電場影響大。由于入射激勵源大小和方向的變化都對導(dǎo)引頭部分艙內(nèi)電場產(chǎn)生較大的影響,因此在設(shè)計彈上電氣時,需要多加考慮導(dǎo)彈的頭部抗擾設(shè)計方案。

圖6 入射激勵源方向?qū)Ω髋摱坞妶鰪?qiáng)度的影響

3 結(jié)論

應(yīng)用電磁兼容仿真軟件CST對某型導(dǎo)彈在飛行中遭受激勵源輻照時的情況進(jìn)行仿真分析,得到了具體的可數(shù)值化的參數(shù)。通過改變各艙段之間的縫隙寬度、入射激勵源強(qiáng)度和入射方向等預(yù)設(shè)條件,計算其對導(dǎo)彈微波特性的影響。結(jié)果表明,激勵源側(cè)方入射比前后方入射對艙內(nèi)影響大;導(dǎo)彈的頭部相對于其他艙段而言,更容易受到入射激勵源輻照的干擾,在導(dǎo)彈電氣設(shè)計時需要重點(diǎn)考慮導(dǎo)彈的頭部抗擾設(shè)計方案;加工誤差造成的縫隙,會導(dǎo)致更多的激勵源能量耦合進(jìn)艙內(nèi),控制好加工工藝,減小艙段間縫隙,提高屏蔽效能。所得仿真結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相吻合,對導(dǎo)彈電氣設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。