朱宇光

（92941部隊42分隊 葫蘆島 125001）

1 引言

雷電是自然界一種較為常見的大氣現(xiàn)象，在地球大氣環(huán)境中，每年能產(chǎn)生超過800萬次的雷電。當(dāng)雷電出現(xiàn)時，經(jīng)常會伴隨著閃光、高電壓、高電流等現(xiàn)象，電壓可達億伏以上量級，電流幅值可高達200kA，雷電等離子體通道可長達數(shù)千米以上［1～2］。雷電給戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)運用帶來了重大影響，當(dāng)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在飛行中遭遇雷電時，輕則造成彈體結(jié)構(gòu)損壞、傳感器失靈，重則造成導(dǎo)彈解體、飛行失控、危及發(fā)射操作人員安全等致命性后果，如1966年8月，日本的馬特反坦克導(dǎo)彈發(fā)射后遭遇雷擊，導(dǎo)致導(dǎo)彈墜毀，雷電強大的電流通過電線傳導(dǎo)至發(fā)射架，造成5名操作手死亡的重大事故［3］。在飛行器雷電防護方面，飛機類目標(biāo)雷電防護與試驗研究較為充分，針對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈類雷達防護研究不足，能夠查到的文獻較少。

為了提高戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的雷電防護能力，提高對雷電環(huán)境的適應(yīng)性，對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電效應(yīng)進行分析，找出其雷電防護薄弱環(huán)節(jié)。針對雷電的直接效應(yīng)和間接效應(yīng)，研究了提出雷電防護方法。對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護試驗技術(shù)進行研究，提出試驗結(jié)構(gòu)組成、試驗波形、試驗步驟等內(nèi)容。為了提高戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在雷電環(huán)境下的使用成功率，提出雷電環(huán)境使用對策建議。研究結(jié)果能夠為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的雷電防護設(shè)計、試驗提供支撐，能夠提高戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護能力和雷電環(huán)境下的作戰(zhàn)運用能力，具有重要的軍事價值和意義。

2 雷電對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的影響效應(yīng)分析

雷電對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的影響效應(yīng)可分為直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。當(dāng)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈飛行穿越帶電云層時，其與帶電云層的電磁場態(tài)勢如圖1所示。

圖1 導(dǎo)彈在帶電云層中的電磁場態(tài)勢

當(dāng)導(dǎo)彈某個尖端點處的電場強度超過空氣電離電壓30kV/cm時，空氣將被電離，帶電云層將對導(dǎo)彈進行放電，形成電流通路，雷電將直接作用在導(dǎo)彈上，形成對導(dǎo)彈的直接毀傷效應(yīng)［3～5］。雷電直接效應(yīng)包括電弧附著彈體表面所造成的燃燒、溶蝕、爆炸和結(jié)構(gòu)變形、穿孔，以及由大電流引起的高壓沖擊波和電磁力破壞，直接效應(yīng)可造成導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)穿孔、扭曲、折斷等，破壞導(dǎo)彈的氣動外形，還可造成發(fā)動機熄火，造成導(dǎo)彈飛行墜落和任務(wù)失敗。

導(dǎo)彈在穿越帶電云層時，導(dǎo)彈感應(yīng)帶電云層形成的電磁場，內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電壓，當(dāng)電磁感應(yīng)電壓超過彈上電子元器件的耐受電壓后，會造成電子元器件失效，形成對導(dǎo)彈的間接毀傷效應(yīng)［4～8］。雷電對導(dǎo)彈的間接毀傷效應(yīng)能夠影響彈上設(shè)備的性能，容易造成設(shè)備死機、重啟、數(shù)據(jù)錯誤、通信中斷等故障現(xiàn)象，給導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用造成重大威脅。

3 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護措施

以美國魚叉反艦導(dǎo)彈外形為例，導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)包括天線罩、設(shè)備艙、戰(zhàn)斗部艙、發(fā)動機艙和舵機艙、彈翼、舵面等。為了提高透波性，天線罩一般為非金屬材料，如石英晶體、玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料等，不具備電磁屏蔽作用。其他艙體結(jié)構(gòu)外壁一般為金屬材料，具有較好的電磁屏蔽作用。

3.1 雷電直接效應(yīng)防護

雷電直接效應(yīng)對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的影響是通過附著在彈體上形成的，對導(dǎo)彈的損傷機理主要包括熱效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)，表現(xiàn)在彈體結(jié)構(gòu)的變形、穿孔、燒蝕等。根據(jù)電場尖端放電原理，雷電在導(dǎo)彈上的重點附著區(qū)域包括天線罩、彈翼和舵面。戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電直接效應(yīng)防護應(yīng)該重點考慮雷電附著區(qū)域。

天線罩位于導(dǎo)彈的前端，在導(dǎo)彈飛行過程中會在表面積累大量的電荷，并處于雷電電場尖端放電的位置，是雷電附著放電的重點區(qū)域之一。當(dāng)雷電附著在天線罩上，釋放的熱量會使天線罩發(fā)生變形，沖擊波和高電壓會在天線罩上形成穿孔。為了增強天線罩的雷電效應(yīng)直接防護能力，可采取在天線罩上敷設(shè)金屬條帶，并將金屬條帶與彈體結(jié)構(gòu)金屬外壁進行連接，可以有效減小雷電直接效應(yīng)對天線罩的影響，見圖2。在進行天線罩導(dǎo)電條敷設(shè)時，應(yīng)保證不影響導(dǎo)彈氣動外形和天線的透波性能。

圖2 加裝金屬條帶的天線罩

彈翼、舵面和彈體其他部分一般為金屬結(jié)構(gòu)，且連接在一起，其雷電直接效應(yīng)防護主要是保證雷電電流通路的低阻抗特性，保證各個部分的可靠金屬連接，彈體機構(gòu)強度要滿足要求。

3.2 雷電間接效應(yīng)防護

雷電在導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)上附著形成直接效應(yīng)的同時，也會對導(dǎo)彈彈上電子設(shè)備形成間接效應(yīng)，尤其是對非金屬材料包裹的部分和存在縫隙的艙體部分。根據(jù)導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)組成，只有天線罩是非金屬材料，在天線罩包裹中的電子探測設(shè)備最容易受到雷電間接效應(yīng)的影響。因此，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈電子艙探測設(shè)備是雷電間接效應(yīng)的防護重點。

可以采用幾種方法減小雷電間接效應(yīng)對電子艙探測設(shè)備的影響，一是在天線罩上敷設(shè)一定密度的金屬條帶，形成一定的電磁屏蔽效應(yīng)，減小天線罩內(nèi)的電磁場強度，可以減小電子艙內(nèi)部元器件電磁感應(yīng)電壓；二是對探測設(shè)備中的感應(yīng)器件采取電磁屏蔽措施，如線纜、電容電感、驅(qū)動電機等部件；三是對電子設(shè)備艙體縫隙進行電磁屏蔽處理，減小艙內(nèi)電磁感應(yīng)強度；四是條件允許的情況下，盡量采用非電子類天線驅(qū)動器件，如液壓式驅(qū)動，避免雷電間接效應(yīng)影響。

4 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護試驗方法

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護試驗是檢驗其是否滿足使用要求的最直接、最有效的方法。目前，沒有針對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護設(shè)計試驗的試驗規(guī)程，可以參考其他飛行器雷電防護試驗方法。飛機在雷電防護方面制定了較為全面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，如國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB2639-96《軍用飛機雷電防護》、GJB3567-99《軍用飛機雷電防護鑒定試驗方法》、航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HB6129.87《飛機雷電防護要求及試驗方法》以及中國民用航空規(guī)章中第25部有關(guān)雷電的防護規(guī)定等。參考飛機雷電防護試驗規(guī)程，對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護試驗進行設(shè)計，主要包括直接效應(yīng)試驗和間接效應(yīng)試驗。

4.1 雷電直接效應(yīng)試驗方法

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護直接效應(yīng)試驗裝備布置見圖3，將導(dǎo)彈通過絕緣支撐放置在絕緣地板上，利用導(dǎo)彈測試控制設(shè)備控制導(dǎo)彈的工作狀態(tài)；利用雷達波形發(fā)生器模擬產(chǎn)生雷電，并通過球形電極作用于導(dǎo)彈上，利用波形測量裝備記錄模擬雷電的波形；雷電控制計算機用于控制雷電波形發(fā)射器，輸出雷電產(chǎn)生指令、波形等參數(shù)。

圖3 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電直接效應(yīng)試驗結(jié)構(gòu)圖

進行戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電直接效應(yīng)試驗時，天線罩、彈翼、舵機艙為1A區(qū)（較高概率附著點，附著時間較短），其他部位為1B區(qū)（較高概率附著點，附著時間較長），1A區(qū)施加雷電電流分量A、B，1B區(qū)域時間電流分量為A、B、C、D。雷電波形見圖4，其中電流分量A（初始高峰電流）：峰值200±20kA，持續(xù)時間 ≤ 500μs；電流分量B（中間電流）：平均幅值2±0.2kA，最大持續(xù)時間5ms；電流分量C（持續(xù)電流）：幅值200A～800A，持續(xù)時間0.25s～1s之間；電流分量D（重復(fù)放電電流）：峰值100±10kA，持續(xù)時間 ≤500μs［9-10］。

圖4 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電直接效應(yīng)試驗波形圖

導(dǎo)彈雷電直接效應(yīng)試驗方法為：首先，對雷電波形發(fā)生器進行檢查，確保放電波形、時間和幅度滿足要求；其次，將球形電極移動到天線罩區(qū)域，利用導(dǎo)彈測控設(shè)備對導(dǎo)彈進行加電，模擬導(dǎo)彈飛行工作狀態(tài)；第三，控制波形發(fā)生器產(chǎn)生雷電，通過球形電極對導(dǎo)彈放電，至少進行3次試驗；第四，放電結(jié)束后，利用導(dǎo)彈測控設(shè)備對導(dǎo)彈技術(shù)狀態(tài)進行檢查；第五，改變雷電放電位置，重復(fù)上述動作，直至所有位置試驗完畢。導(dǎo)彈經(jīng)過雷電直接效應(yīng)試驗后，彈體結(jié)構(gòu)完整，無變形彎曲，彈上設(shè)備工作正常，測試結(jié)果合格時，導(dǎo)彈雷電直接效應(yīng)試驗結(jié)果合格。

4.2 雷電間接效應(yīng)試驗方法［11～13］

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電間接效應(yīng)試驗裝備布置見圖5，與圖3不同的是，將球形電極換成了電極板，其他組成和功能基本相同，這里不再贅述。

圖5 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電間接效應(yīng)試驗波形圖

為了減少試驗次數(shù)，雷電波形采用最為嚴(yán)酷的雷電波形，見圖6，T1為電壓上升到峰值的時間，T2為電壓峰值衰退到一半的時間，T1、T2可調(diào)。

圖6 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電間接效應(yīng)試驗波形圖

導(dǎo)彈雷電間接效應(yīng)試驗方法為：首先，對雷電波形進行校準(zhǔn)，確保各項參數(shù)滿足要求；其次，將電極板放在天線罩和電子設(shè)備艙上面；第三，利用導(dǎo)彈測控設(shè)備控制導(dǎo)彈處于模擬飛行狀態(tài)；第四，控制雷電波形發(fā)生器產(chǎn)生雷電，通過電極板對導(dǎo)彈施加電磁感應(yīng)作用；第五，利用導(dǎo)彈測控設(shè)備檢查導(dǎo)彈工作狀態(tài)；第六，將電極板移動其他部位，重復(fù)以上步驟。導(dǎo)彈經(jīng)過雷電間接效應(yīng)試驗后，導(dǎo)彈及彈上設(shè)備應(yīng)工作正常，測試結(jié)果合格，導(dǎo)彈雷電間接效應(yīng)試驗結(jié)果合格。

5 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電環(huán)境使用對策

戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在作戰(zhàn)使用時，不可避免地遭遇陰雨雷電天氣，盡管進行雷電防護設(shè)計可以減少使用影響，但仍不能完全避免雷電的破壞作用。為了最大程度減小雷電影響，提高作戰(zhàn)使用成功率，提出以下幾條雷達環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈使用對策。一是加強氣象監(jiān)測。在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用時，需要重點關(guān)注導(dǎo)彈飛行航路上的氣象，尤其陰雨天氣時，對云層高度、厚度和類型進行判別，對帶電云層進行監(jiān)測判別，為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈使用提供依據(jù)。二是利用火箭/激光進行提前引雷。通過氣象監(jiān)測和判別，在近距離作戰(zhàn)航路上存在大量帶電云層和雷電環(huán)境時，可考慮使用火箭或激光進行引雷，掃除導(dǎo)彈發(fā)射區(qū)域內(nèi)的雷電隱患。三是利用導(dǎo)彈的技術(shù)能力進行規(guī)避。根據(jù)氣象監(jiān)測結(jié)果和火箭/激光引雷結(jié)果，合理利用戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的技術(shù)能力對雷電進行規(guī)避，比如利用航路規(guī)劃功能可以繞開雷電區(qū)域，結(jié)合引雷區(qū)域和導(dǎo)彈彈道使用規(guī)劃也可合理躲避雷電，在條件允許的情況下，也可改變平臺發(fā)射位置，減小導(dǎo)彈遭遇雷電的概率。

6 結(jié)語

對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電效應(yīng)進行了分析，研究提出了雷電防護措施，針對戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護性能試驗進行了研究，提出了雷電直接效應(yīng)和間接效應(yīng)試驗組成、試驗方法和結(jié)果評價方法，針對雷電環(huán)境下戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈使用提出了對策。研究結(jié)果能夠為戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈雷電防護設(shè)計、試驗和使用提供支撐，具有重要的理論和實際使用價值。