張晶鑫，王 蕾，趙 團(tuán)，王 寅，李 慧

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北斗終端電磁環(huán)境對典型電火工品運(yùn)輸安全性的影響

張晶鑫1，王 蕾2，趙 團(tuán)1，王 寅1，李 慧1

（1.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局駐西安地區(qū)第一軍代室，陜西 西安，710061）

危險(xiǎn)品運(yùn)輸車上的北斗導(dǎo)航終端采用無線電通訊與后臺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，會發(fā)射一定功率的無線電波，對電火工品的運(yùn)輸安全構(gòu)成威脅。為此，開展北斗車載終端射頻輻射場對典型電火工品的危害研究。選取DD4.5電點(diǎn)火管作為典型電火工品，通過電火工品射頻感度試驗(yàn)，得到DD4.5電點(diǎn)火管與北斗車載終端的安全距離；通過計(jì)算最小安全距離上的輻射場強(qiáng)閾值，對DD4.5電點(diǎn)火管進(jìn)行輻射敏感度安全性驗(yàn)證。結(jié)果表明DD4.5電點(diǎn)火管與終端天線之間的安全距離為大于或等于1.4m。

電火工品；BDS；電磁環(huán)境；運(yùn)輸安全；射頻感度；輻射

為了加強(qiáng)火工品的運(yùn)輸管理，在運(yùn)輸車上加裝了我國自行研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）。該系統(tǒng)可全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具有短報(bào)文通信能力，能夠很好滿足故障監(jiān)控時(shí)效性的要求。當(dāng)北斗車載終端安裝在火工品運(yùn)輸車上時(shí)，由于其采用無線電通訊與后臺監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在監(jiān)控過程中，車載終端會發(fā)射一定功率的無線電波，具有腳線的電火工品作為接收天線會吸收一定的電磁波能量，有可能會對火工品的運(yùn)輸安全構(gòu)成威脅。因此，開展北斗車載終端射頻輻射場對電火工品的危害研究，具有一定的意義。

1 火工品車載環(huán)境分析

火工品在運(yùn)輸過程中，在一定的環(huán)境電磁場條件下，其兩根腳線可作為偶極子或單極天線，從環(huán)境電磁場吸收射頻能量，引起火工品出現(xiàn)誤動作（如早爆）、性能或可靠性的降低（如失效）等意外事故，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。當(dāng)火工品運(yùn)輸車使用北斗車載終端時(shí)，北斗車載監(jiān)控終端產(chǎn)生的射頻輻射場有可能會對火工品的運(yùn)輸安全構(gòu)成威脅。

2 試驗(yàn)部分

2.1 典型火工品射頻感度試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)原理

電磁輻射能量的傳輸分為傳導(dǎo)和輻射兩種方式，其中輻射是以電磁波的形式耦合到電火工品上，本研究依據(jù)北斗監(jiān)控終端的工作頻率以及 GJB 5309.13- 2004火工品試驗(yàn)方法第13部分：射頻感度試驗(yàn)方法，利用安捷倫公司E8257D射頻信號源模擬該工作頻率的射頻信號，采用能量注入的方式，直接將射頻能量注入待測電火工品中；采用AR公司2780型雙定向耦合器和安捷倫公司436A功率計(jì)，測量電火工品在該頻率點(diǎn)上接收的射頻功率。根據(jù)施加射頻功率與電火工品的響應(yīng)情況，可計(jì)算典型電火工品的最大不發(fā)火射頻功率。試驗(yàn)測試框圖見圖1，試驗(yàn)系統(tǒng)見圖2。

圖1 射頻感度試驗(yàn)框圖

圖2 電火工品射頻抗擾度測試系統(tǒng)

2.1.2 試驗(yàn)樣品

本試驗(yàn)采用典型的敏感型電火工品DD4.5電點(diǎn)火管，該電點(diǎn)火管屬于單橋絲點(diǎn)火工品，安全電流為30mA，橋路電阻為8～12Ω，試驗(yàn)樣品見圖3。

圖3 DD4.5電點(diǎn)火管試驗(yàn)樣品示意圖

2.1.3 試樣50%發(fā)火射頻功率的確定

選取30發(fā)試驗(yàn)樣品，并利用升降法確定射頻感度，如果試樣發(fā)火，則降低射頻功率進(jìn)行下一次試驗(yàn)；如果不發(fā)火，則增加射頻功率進(jìn)行下一次試驗(yàn)，最后對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到樣品的50%發(fā)火射頻功率。

2.2 典型電火工品極限輻射閾值下的安全性試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)原理

根據(jù)北斗車載監(jiān)控終端的工作頻率及輻射特性，確定北斗車載監(jiān)控終端在最小安全距離上的輻射場強(qiáng)閾值。依據(jù)GJB151A和GJB152A-97中方法RS103（1×104~4×1010Hz電磁輻射敏感度），利用電火工品輻射敏感度試驗(yàn)系統(tǒng)，在包裝和裸露狀態(tài)下，開展車載監(jiān)控終端極限輻射閾值環(huán)境下的電火工品安全性驗(yàn)證試驗(yàn)。在電火工品輻射敏感度試驗(yàn)系統(tǒng)中，射頻信號源采用安捷倫公司E8257D，射頻放大器采用AR公司100W1 000B，采用意大利PMM公司的PMM8053A場強(qiáng)計(jì)和EP-301探頭（頻率：1×105~3×109Hz，量程：1~1 000V/m，各向同性）監(jiān)測電場強(qiáng)度的大小。試驗(yàn)原理圖見圖4，試驗(yàn)系統(tǒng)見圖5。

圖4 電火工品電磁輻射敏感度試驗(yàn)系統(tǒng)測試原理圖

圖5 電火工品電磁輻射敏感度試驗(yàn)系統(tǒng)

2.2.2 試驗(yàn)樣品

本試驗(yàn)也選擇2.1.2中的DD4.5電點(diǎn)火管。

2.2.3 電火工品極限輻射閾值下的安全性試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，電火工品腳線與電場方向平行，腳線長度取1/2波長，且構(gòu)成半波振子天線進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)北斗車載監(jiān)控終端的工作頻率及輻射特性，計(jì)算確定北斗車載監(jiān)控終端在最小安全距離上的輻射場強(qiáng)閾值，選取一定的裕度，利用圖5所示的電火工品電磁輻射敏感度試驗(yàn)系統(tǒng)，對電火工品進(jìn)行輻射敏感度安全性驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 火工品射頻感度試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)前先確定DD4.5電點(diǎn)火管的初始射頻刺激功率和步長，根據(jù)其最低發(fā)火功率，選定初始射頻刺激功率0，根據(jù)變換：

0=log0（1）

以及Y=0+(=0,±1, ±2,…) （2）

得到X=10（3）

式（1）~（3）中：為順序號；X為第次的射頻功率；為步長。

選取30發(fā)樣品，將射頻固定在400MHz的敏感頻率，在0=0.308W以及=0.05的條件下對DD4.5電點(diǎn)火管進(jìn)行射頻感度試驗(yàn)。

依據(jù)GJB/Z 377A-1997中的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算電火工品50%射頻發(fā)火感度均值：

= -0.417（0.383 W），=0.194。

計(jì)算電火工品最大不發(fā)火射頻功率P(置信度水平95%，發(fā)火率0.1%)：

P=-3.09= -1.02（0.095W）

3.2 北斗車載監(jiān)控終端安全距離計(jì)算

當(dāng)進(jìn)入電火工品的射頻功率小于或等于電火工品的不發(fā)火射頻功率，此時(shí)電火工品在該環(huán)境電磁場條件下是安全的，基于該原理來進(jìn)行電火工品防射頻輻射危害最小不發(fā)火距離的分析。

將電火工品最大不發(fā)火射頻功率除以其等效天線有效孔徑A，稱為電火工品的安全功率密度，如式（5）所示：

電火工品等效天線有效孔徑為：

由公式（5）得：

用頻率（MHz）表示為：

則：

公式（10）既電火工品最小不發(fā)火距離計(jì)算公式。式（10）中：為電火工品離發(fā)射機(jī)天線的最小不發(fā)火距離，m；P為發(fā)射機(jī)輸出功率，W；為發(fā)射機(jī)天線增益（數(shù)值比）；為電火工品在一定試驗(yàn)頻率條件下的安全功率密度，W/m2。

整理式（8）、（10）則有：

由于運(yùn)輸車廂體基本無屏蔽作用，因此實(shí)際使用和研究分析中均不考慮廂體的屏蔽作用。電火工品最小不發(fā)火距離計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電火工品在衛(wèi)星定位導(dǎo)航終端下的最小不發(fā)火距離

Tab.1 The minimum non-fire distance for electric explosive device under BDS terimnal

根據(jù)實(shí)際的電火工品運(yùn)輸車，在運(yùn)輸和裝卸過程中，應(yīng)確保電火工品與北斗定位導(dǎo)航終端天線間的距離為2倍不發(fā)火距離，取電火工品與終端天線之間的距離為大于或等于1.4m，這樣才能確保運(yùn)輸過程中電火工品在北斗導(dǎo)航終端的射頻輻射場下是安全的。

3.3 電火工品極限輻射閾值下的安全性試驗(yàn)

利用電火工品電磁輻射敏感度測試系統(tǒng)開展電火工品極限閾值下的安全性驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，電火工品腳線與電場方向平行，腳線長度取1/2波長，且構(gòu)成半波振子天線進(jìn)行試驗(yàn)。

根據(jù)北斗車載監(jiān)控終端的工作頻率及輻射特性，用公式（8）計(jì)算確定北斗車載監(jiān)控終端在最小安全距離上的輻射場強(qiáng)閾值，選取一定的裕度，對DD4.5電點(diǎn)火管進(jìn)行輻射敏感度安全性試驗(yàn)。

表2驗(yàn)證結(jié)果試驗(yàn)表明：在北斗車載終端的常用頻率內(nèi)，按照國軍標(biāo)GJB 786-89 預(yù)防電磁場對軍械危害的一般要求[8]中安全裕度16.5dB的要求，模擬場強(qiáng)為DD4.5電點(diǎn)火管安全場強(qiáng)的6.7倍，在此條件下，DD4.5電點(diǎn)火管仍是安全的。

表2 DD4.5電點(diǎn)火管在GTEM傳輸裝置中電磁敏感度試驗(yàn)

Tab.2 Electromagnetic sensitivity test of DD4.5 electric igniter in GTEM transmission device

4 結(jié)論

（1）在400MHz的條件下，DD4.5電點(diǎn)火管50%射頻發(fā)火感度均值為0.383W，最大不發(fā)火射頻功率為0.095W。（2）根據(jù)DD4.5電點(diǎn)火管的最大不發(fā)火射頻功率，通過分析計(jì)算得到了DD4.5電點(diǎn)火管與終端天線之間的安全距離為大于或等于1.4m。（3）利用北斗車載監(jiān)控終端的工作頻率及輻射特性，通過分析計(jì)算得到了當(dāng)場強(qiáng)超過安全場強(qiáng)6倍時(shí)，DD4.5電點(diǎn)火管是安全的。

[1] 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)介紹[EB/OL].http://www.beidu.gov.cn/ xtjs.html.

[2] 李錦榮. 電火工品電磁危害分析[J].火工品,1992(4):24-25.

[3] 李錦榮.電火工品射頻發(fā)火機(jī)制及其射頻感度的應(yīng)用簡介[J].火工品,1995(2):14-17.

[4] GJB 5309.13-2004 火工品試驗(yàn)方法第13部分：射頻感度試驗(yàn)方法[S].國防科學(xué)工業(yè)技術(shù)委員會,1997.

[5] GJB 151A-1997 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感要求[S]. 國防科學(xué)工業(yè)技術(shù)委員會,1997.

[6] GJB 151A-1997 軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感測量[S]. 國防科學(xué)工業(yè)技術(shù)委員會,1997.

[7] GJB/Z 377A-1994 感度試驗(yàn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[S].國防科學(xué)工業(yè)技術(shù)委員會,1994.

[8] GJB 786-89 預(yù)防電磁場對軍械危害的一般要求[S].國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會,1989.

The Influence of BDS Electromagnetic Environment on the Transportation Safety of Electric Explosive Device

ZHANG Jing-xin1，WANG Lei2，ZHAO Tuan1，WANG Yin1，LI Hui1

(1. Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi'an, 710061；2.The First Military Representative Office of the Military Equipment Bureau of the Army Equipment Department in Xi’an, Xi’an, 710061)

The BDS terminal on the dangerous transport vehicle, which use radio communication and background monitoring system for data transmission, can emit radio waves of a certain power and pose a threat to the transportation safety of electric explosive device. Therefore, the research on the harm of BDS vehicle terminal radiation field to typical electric explosive device was carried out, and DD4.5 electric igniter was selected as typical electric explosive device. The safe distance between DD4.5 electric igniter and BDS terminal was obtained through radio frequency sensitivity test. The radiation field intensity threshold on the minimum safe distance was calculated to verify the radiation sensitivity safety of DD4.5 electric igniter. It is found that the safe distance between DD4.5 electric igniter and BDS terminal antenna is more than or equal to 1.4m.

Electric explosive device；BDS；Electric environment；Transportation safety；Radio frequency sensitivity；Radiation

1003-1480（2019）02-0050-04

TJ45+4

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.013

2019-03-05

張晶鑫（1985-）, 男, 工程師，主要從事先進(jìn)火工品技術(shù)研究。