第41卷增刊2 2020年6月
兵工学报
ACTA ARMAMENTARII
v10发动机Vol.41Suppl.2
赵团，张蕊，姚洪志，纪向飞
(陕西应用物理化学研究所应用物理化学国家级重点实验室，陕西西安710061)
摘要：武器弹药内含有敏感的火工品，分析武器弹药内火工品的安全性，对于评估武器弹药在电磁环境中的安全性具有重要意义。利用ANSOFT HFSS电磁仿真软件建立某及其发动机配用电火工品(EED)的电磁仿真模型，计算分析射频环境下EED感应电流的大小；在电波暗室中利用EED感应电流定量测试系统，定量监测单个EED及在射频电磁环境中的响应参数，并与试验测试结果进行比对分析，获得在射频电磁环境中的耦合规律。研究结果表明，在电火工品配装模式下，火工品感应电流为毫安级，据此计算的最大安全场强为1375.3V/m，为评估射频环境中的安全性提供了数据支持。
关键词：；电火工品；射频电磁环境；感应电流；安全场强
中图分类号：TJ450.2文献标志码：A文章编号：1000-1093(2020)S2-0299-06
DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2020.S2.039
Estimation on the Safety of Rocket Projectile in RF
Electromagnetic Environment
ZHAO Tuan,ZHANG Rui,YAO Hongzhi,JI Xiangfei
(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory,Shaanxi Applied Physics and
Chemistry Research Institute,Xi'an710061,Shaanxi,China)
Abstract:Weapon and ammunition contain sensitive electric explosive devices(EEDs),and the analysis of the safety of EED in weapon and ammunition is an significant significance for assessing the safety of weapon and ammunition in RF electromagnetic environment.ANSOFT HFSS electromagnetic simulation software is used to establish an electromagnetic simulation model of a pa
rticular rocket projectile.The magnitude of the induced current of EED in RF electromagnetic environment is calculated and analyzed. In the anechoic chamber，a quantitative test system for the induced current of EED is used to quantitatively monitor the response parameters of single EED and rocket projectile in RF electromagnetic environment，and then the test results are compared and analyzed.Coupling law of rocket projectile in RF electromagnetic environment was obtained，and the safe field strength of rocket projectile in RF electromagnetic environment was calculated.Research results show that the induced current of EED is milliamperes under the assmebly mode of EED，and the calculated maximum safe field strength of rocket projectile，which provides data surpport for evaluating the safety of rocket projectile in radio frequency environment.
收稿日期：2020-04-15
基金项目：领域基金项目(6140619050102)
作者简介：赵团(1980—)，男，咼级工程师。E-mail:********************
通信作者：姚洪志(1982—)，男，高级工程师。E-mail：**************
300
兵工学报第41卷
Keywords:rocket projectile；electric explosive device；radio frequency electromagnetic environment；
induced current；safe field strength
0引言
信息化战争改变了传统的战争样式，极大地拓
展了以往的战场空间，使得现代战争成为陆、海、空、
天、电磁五维一体的联合作战，信息优势成为战争能
否取得胜利的先决条件。在信息化战场中，雷达、通
信、导航等大量信息化武器装备的使用，使得战场电磁辐射的功率越来越大，频谱逐渐拓宽，导致战场的电磁环境日趋复杂，而电子战系统的广泛应用和电磁脉冲武器的出现，加上雷电、静电等自然电磁源，使有限战场空间的电磁环境变得更加恶劣⑴。
火工品广泛用于武器弹药中，是各级控制系统与火力系统（或动力系统）之间的接力系统，是武器系统的始发能源与始发动力源，用以完成点火、起爆、传爆、切割等功能。我国现役武器装备主要采用第二代（电热）火工品，在电磁环境中，火工品脚线可等效为天线，从电磁场中拾取电磁场能量并转变为电量，该电能可作为激发火工品的激励源，引起火工品的意外发火，影响火工品的作用安全性I3】。弹药内的电火工品（EED）可以从电磁环境场中拾取能量，弹体会影响EED和电磁环境之间的耦合途径，影响EED在电磁环境中的响应特性。
本文通过ANSYS HFSS电磁仿真分析软件，建立典型发动机部分电磁仿真模型，分析计算武器弹药内EED在电磁环境中的响应特性，利用EED的电磁环境响应定量测试系统，通过对比分析单个EED与弹内EED的电磁响应特性，获得弹内EED在电磁环境中的能量耦合途径及耦合规律。所得成果对分析武器弹药内EED的选型，以及评估武器弹药在复杂电磁环境中的安全性，都具有重要的意义。
1强电磁环境仿真研究
主要由引信、战斗部、发动机、尾翼等部件组成，中的引信、战斗部部分密封在弹体内，屏蔽性能良好，耦合馈入弹内EED的电磁场能量很小；而发动机中的燃气流在燃烧室压力作用下进入喷管向后运动，气流出口破坏了弹体的屏蔽性能，成为中屏蔽性能的薄弱环节。因此，本文只研究电磁波对发动机内EED安全性的影响。发动机部分结构示意图如图1所示。
图1发动机结构示意图
Fig.1Structure diagram of rocket projectile motor
发动机主要由燃烧室（装填推进剂）、尾翼、EED、喷管和底盖等组成。根据及其配用EED结构关系、尺寸、材料属性等特征参数，利用ANSYS HFSS电磁建模软件，以弹体底部中心为坐标原点、弹体的中心轴为z轴建立直角坐标系。整个弹体为轴对称模型。弹体总长度为1200mm、直径为122mm.弹体主要材料为钢，电导率滓=9.3X 106S/叫相对磁导率“r=1；尾翼壳体采用黄铜材质，电导率为滓=5.8x107S/叫相对磁导率“；=1；EED桥丝为镍铬合金丝，电导率为滓=2.4x107S/m，相对磁导率仏=12.EED及发动机部分电磁仿真模型如图2和图3所示。
.0
(C)整体模型
(c)Overall model of EED
(a)前端
(a)Front end of EED
(b)末端
(b)End of EED
图2EED模型
Fig.2Simulation models of EED
时域有限差分法（FDTD）是求解并分析宽频段射频电磁环境电磁场问题的有效方法⑷。EED桥丝是实现点火功能的关键器件，与弹体结构尺寸相比，EED桥丝的线径要小得多，可以 应用细导线FDTD
方法进行射频环境电磁耦
增刊2射频电磁环境中安全性评估301
合问题的数值求解⑸。利用细导线FDTD方法, EED桥丝可以等效为一根细线，根据散射近场的性质，假如沿z轴方向放置半径为r0的细线结构，可用(1)式表示细导线内部电场：
E(x,y,z)=/([j棕滋0H t]G+[E t+VG]+
[E n VG])ds,(1)式中:s表示辐射边界表面；棕为角频率，棕=2仔f, f为频率；如为自由空间磁导率;H t为表面磁场切向分量;E n为表面电场法向分量；E t为表面电场切向分量;G为自由空间格林函数，
e-jk01r一r
G=~,(2)
|r s-r o
k为自由空间波函数，匚和r。分别表示场点和源点位置矢量。
设置正弦电磁波作为激励信号，频率范围为10kHz~18GHz，电场强度为100V/叫频率步进值为0.1GHz，
在水平极化模式下，利用(1)式分析计算内EED桥丝的频响曲线，计算结果如图4
图4弹内EED感应电流仿真结果
Fig.4Simulated result of induced current of
EED in rocket projectile
从图4可见，当外部激励场为100V/m时，在10kHz~18GHz频率范围内，感应电流较大的频率范围主要集中在10MHz~4.5GHz的频率范围内，在频率为0.5GHz左右时，桥丝上感应的电流达到最大26.45mA，高频范围内，大部分频率上感应电流都在4.0mA以下，感应电流较小。
在EED实际配装模式下,EED脚线一极连接底盖、一极连接弹体，脚线长度为1200mm,—根脚线末端一部分呈现垂直状态,EED脚线多以平行线状态为主，在射频电磁场中每根脚线都能感应出振幅与相位几乎相同的电流[6一7]，如图5所示。该电流可以看作由两部分组成：一是在两导线中反方向流动的小的差动部分；二是在两导线中同方向流动的大电流。差动部分围绕电路旋转并通过负载，称为差模电流，也可称为平衡模式电流(脚-脚或串联模式)，该电流在桥丝负载中产生功率耗散，引发EED 发火一9]。同方向流动的电流部分称为共模式电流(脚-壳)，该电流在电路两端为0mA，因此在桥丝负载中不会产生热效应，但会在脚-壳间形成高电压V e.由于EED脚线在电磁场中呈现平行线模式，结构基本对
称，只有很少一部分共模电流因EED两根脚线之间的差异而转换成差模电流，因此平行线模式的EED在电磁场中感应电流很小，电磁波馈入到EED中的能量非常小，与偶极子模式的脚线状态相差甚远，这与电磁波对电EED的耦合响应规律是一
图5EED双脚线中共模和差模感应电流
Fig.5Induced currents of common mode and
difference mode in EED legs
2EED射频电磁环境效应试验研究
根据电点火头在某型内的实际使用状态,EED脚线长度为1.2叫一极连接底盖，一极连接弹体，在这种状态下,EED脚线以平行线为主，利用电波暗室电场辐射敏感度测试系统和EED品感应电流定量测试系统，在10kHz~18GHz频率范围内，在水平极化模式下选取多个典型频点，在一定场强水平下测量电点火头换能兀在射频环境中的感应电流，建立电点火头频响曲线，获得电点火头实际使用状态下在连续波电磁场中耦合规律。
试验布局如
302
兵工学报第41卷
图6所示。
电流暗室在射频环境中的频响曲线，获得在连续波电磁场中耦合规律。试验布局如图8所示。
、»>
> > >»>、
n<
线
天
电
场
极
化
方
向
V
V
V
W
V
Y
y［处理器卜|感应电流|
电流暗室
ywvwvwvvwvvvw w^v^
＞夭线]<
支架
电
场
极
化
弹
传播方向体
桥丝
1
、
支架
光纤
|处理器X感应両图6EED水平极化电场辐照试验布局示意图
Fig.6Layout of horizontally polarized electric
field radiation test for EED
O
O
O
O
O
O
O
O
O
9
8
7
6
5
4
3
2
1
024681012141618
频率/GHz
图7EED水平极化频响曲线
Fig.7Frequency response curve of EED in the
direction of horizontal polarization
在水平极化方向下，根据电点火头在射频电场
中的响应特性，绘制归一化电场下电点火头频响曲线，如图7所示。从图7中可以看出，在100V/m水平极化电场中,EED的感应电流大小随着频率变化而变化，在60MHz时,EED感应电流出现最大值为81.98mA，在100MHz时，EED感应电流出现第2大值为73.88mA；从频段来看，在10kHz-60MHz的频段内，EED感应电流在几毫安量级，在60~150MHz的频段内，EED响应较大，在几十毫安量级，与EED长脚线的平行线状态相一致；在150MHz~8GHz的频段内，EED响应在十几毫安量级；在8~18GHz的高频段内，EED在电场中几乎没有响应。
3射频电磁环境效应试验研究射频电磁环境效应试验研究主要在电波暗室中进行，利用电磁辐射敏感度测试系统输出频率和功率可调射频源，经发射天线给施加不同频率和强度的电磁场，在10kHz-18GHz范围内，在水平极化模式下选取多个频点，辐照场强100V/叫利用EED感应电流定量测试系统，监测内电点火头换能元感应电流大小，建立
图8水平极化电场辐照试验布局示意图
Fig.8Layout of horizontally polarized electric field
radiation test for rocket projectile
________________________________________________________________
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频率/GHz
图9水平极化频响曲线
Fig.9Frequency response curve of rocket projectile in
the direction of horizontal polarization
在水平极化方式下，根据在电场中的响应特性，绘制电场归一化下水平极化方向下频响曲线，如图9所示，从图9中可以看出，在100V/m水平极化电场中，EED的感应电流大小随着频率变化而变化，在120MHz时，EED感应电流出现最大值为27.14mA，在250MHz时,EED感应电流出现第2大值为24.31mA；从频段来看，在0.1-1.1GHz频段内，EED响应较大，感应电流幅值在几十毫安量级。
在水平极化方式下，对比单个EED以及在电场中的响应结果可以发现，在电场中的响应是弹体屏蔽效能特性和EED在电场中响应特性相互结合、综合影响的结果⑼。EED在长引线平行线模式下，在低频时对电场的响应更大，在电场中耦合的感应电流更大；弹体结构影响了辐照电场进入弹体内部电场的大小与分布，在高频段时，外部入射电场更容易进入弹体内部，而且外部入射的均匀电场在弹体内变成了非均匀电场，电场分布特性的改变使得EED响应随之改变。因此，在电场中的响应是“场小响应大、场大响应小”，受EED耦合规律以及弹体屏蔽效能综合影响，导致在
增刊2射频电磁环境中安全性评估303 10kHz~18GHz频率范围内的感应电流偏小。
4射频环境电磁安全性评估
选用某型配用EED，安全电流150mA,
电阻0.6~0.9赘，依据国家军用标准GJB
5309.13—2004火工品试验方法电发火感度试验方
法〔⑵，采用兰利法对30发EED进行直流发火感度
试验。利用国家军用标准GJB/Z377A—1997中的
数理统计方法，试样数量30发，其50%直流发火感
度均值：“=0.497A，标准偏差啄=0.044.
计算EED最大不发火电流I mnf(置信度水平95%，发火率0.1%):
I mnf=滋-3.09啄=0.361A.(3)
计算EED最小全发火电流I maf(置信度水平95%，发火率99.9%):
I MAF=滋+3.09啄=0.633A.(4)
国家军用标准GJB1389A—2005系统电磁兼容性要求中明确提出了EED对电磁环境的安全性裕度要求：
1)对需确保系统安全的EED，其最大不发火激励应具有至少16.5dB的安全裕度；
2)对其他EED的最大不发火激励，应具有至少6dB的安全裕度。
根据电点火头的发火统计结果，结合上述安全裕度要求，计算EED取16.5dB安全裕度之后最大不发火电流的值为
/—/mnf=361—5402mA(5)
1max=1O12o5=6.683=54-02mA-(5)考虑到电场在校准时场均匀性有0~6dB范围的要求，为了研究最不利、最严酷情况下EED在电场中的安全性,EED最大不发火电流取16.5dB安全裕度之后，应再取6dB的安全裕度［⑶，其值为
I5402
/；ax=ma6=52-°2=27.01mA.(6)
1°20厶0
根据安全场强的定义，结合本文的试验结果，利用EED在100V/m电场中的频响曲线，计算在水平极化方向时，在10kHz~18GHz频率范围内的安全场强。计算公式如(7)式所示：
27.01
E s=2I，01xlOO,(7)
I i nd
式中:E s为不同频率下的安全场强(V/m)；/m(1为不 同频率下的感应电流(mA)。
在水平极化模式下，根据弹内EED感应电流的频响曲线，计算不同频率下的安全场强，计算
图10水平极化时不同频率下的安全场强
Fig.10Safe field strength of rocket projectile at
different frequencies in the direction of
horizontal polarization
在进行电磁兼容试验考核时，一般按照国家军用标准GJB151B—2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量［14］和GJB1389A—2005系统电磁兼容要求〔15］执行。按照水平极化时不同频率下的安全场强，当GJB1389A及GJB151B中规定的外部电磁辐射环境大于的安全场强时，在电磁环境中是不安全的，可能造成在电磁辐照场中的意外发火以及性能降低。
当GJB1389A及GJB151B中规定的外部电磁辐射环境小于的安全场强时，在电磁环境中是安全的。
5结论
1)本文通过分析发动机以及配装EED 结构尺寸、材料特征参数，建立了发动机以及配装EED电磁仿真模型，利用ANSYS HFSS仿真软件进行仿真分析，获得了EED配装模式下在射频环境中感应电流大小，并与EED实际发火能量进行了比较。从比较结果可知，在平行线模式下引线不利于电磁脉冲能量馈入，该种状态EED安全性裕度较高。
2)利用电波暗室电场辐射敏感度测试系统和EED感应电流定量测试系统，在10kHz~18GHz频率范围内、水平极化模式下，定量测量了EED配装模式下在射频环境中感应电流大小。从测量结果可知,EED的感应电流在毫安量级，为射频环境中的安全性评估提供了数据支撑。
3)利用射频环境中感应电流频响曲线，结合国家军用标准GJB1389A—2005系统电磁兼容性要求中提出的EED对电磁环境安全性裕度要求，
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