趙 團，姚洪志，紀向飛，李 蛟，尹 明

火箭彈連續(xù)波電磁環(huán)境中響應特性仿真分析研究

趙 團，姚洪志，紀向飛，李 蛟，尹 明

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學重點實驗室，陜西 西安，710061）

為了分析火箭彈電磁環(huán)境中的響應特性，利用ANSYS HFSS電磁仿真軟件，建立了火箭彈發(fā)動機及其配用電火工品電磁仿真模型，并在連續(xù)波電磁環(huán)境中，開展了火箭彈發(fā)動機及其配用電火工品電磁環(huán)境效應仿真研究。通過探測火工品上的感應電流大小，得到了10×103～18×109Hz頻率范圍內火工品的頻響曲線，以及100MHz時彈內電場分布特點，獲得了火箭彈在不同入射方向、不同電場強度電磁場中的耦合規(guī)律，為分析火箭彈連續(xù)波電磁場中安全性提供支撐。

電火工品；火箭彈；電磁環(huán)境；仿真；電場強度；感應電流

在信息化戰(zhàn)場中，雷達、通信、導航等大量信息化武器裝備的使用，使得戰(zhàn)場電磁輻射的功率越來越大、頻譜逐漸拓寬，導致戰(zhàn)場的電磁環(huán)境日趨復雜[1]，彈藥受到的環(huán)境危害越來越嚴重。火工品廣泛用于武器彈藥中，是武器系統(tǒng)的始發(fā)能源與始發(fā)動力源，完成點火、起爆、傳爆、切割等功能。彈藥內的電火工品可以從電磁環(huán)境場中拾取能量，彈體會影響電火工品和電磁環(huán)境之間的耦合途徑，導致電火工品從電磁環(huán)境耦合能量大小的改變。當能量高于其臨界發(fā)火能量時，作為武器系統(tǒng)的首發(fā)元件會產生作用，使彈藥內由火工系統(tǒng)控制的分系統(tǒng)意外作用或失效[2]。

由于火工品的安全性可靠性直接影響彈藥系統(tǒng)的安全性和可靠性，因此，分析彈內火工品電磁環(huán)境安全性對于評估武器彈藥的電磁環(huán)境安全性具有重要意義[3]。本文利用ANSYS HFSS電磁仿真軟件，建立了火箭彈及其配用電火工品電磁仿真模型，分析連續(xù)波電磁環(huán)境中火箭彈內裝配電火工品的感應電流大小及彈內電場分布等響應參量，獲得火箭彈電磁場中的耦合規(guī)律和響應特性，為分析火箭彈連續(xù)波電磁場中安全性提供支撐。

1 火箭彈及其配裝火工品電磁仿真模型

火箭彈主要由引信、戰(zhàn)斗部、發(fā)動機、尾翼等組成，火箭彈中的引信、戰(zhàn)斗部部分密封在彈體內，屏蔽性能良好，耦合饋入彈內火工品的電磁場能量很小；而在發(fā)動機部分，火箭彈發(fā)動機中的燃氣流在燃燒室壓力作用下，進入噴管向后運動，氣流出口破壞了彈體的屏蔽性能，成為火箭彈中屏蔽性能的薄弱環(huán)節(jié)。因此，本文只研究電磁波對火箭彈發(fā)動機內火工品安全性的影響，發(fā)動機部分結構示意圖如圖1所示。

圖1 火箭彈發(fā)動機結構示意圖

根據(jù)火箭彈及其配用火工品結構關系、尺寸、材料屬性等特征參數(shù)，利用ANSYS HFSS電磁場仿真軟件建立了火箭彈及其配用火工品電磁仿真模型。根據(jù)火工品在火箭彈中的實際使用狀態(tài)，火工品腳線一極連接底蓋，一極連接彈體，火工品腳線以平行線為主，腳線長度為1 200mm，一根腳線末端一部分呈現(xiàn)垂直狀態(tài)，為了保證發(fā)火可靠性，火工品采用雙發(fā)并聯(lián)冗余設計。火工品實際使用狀態(tài)電磁仿真模型如圖2所示[4]。

火箭彈發(fā)動機部分主要由燃燒室（裝填推進劑）、尾翼、噴管和底蓋等組成。發(fā)動機殼體材料為鋼，電導率=9.3×106S/m，相對磁導率μ=1。尾翼殼體采用黃銅材質，電導率=5.8×107S/m，相對磁導率μ=1，火箭彈發(fā)動機部分仿真模型如圖3所示[5-6]。

圖2 火工品模型

圖3 火箭彈發(fā)動機部分仿真模型

通過分析火箭彈發(fā)動機部分結構和尺寸，導電蓋部分只有部分內鑲金屬材質，大部分結構為膠木，這種材料相對介電常數(shù)為2.1，相對磁導率為1，與空氣的材料屬性相近，對于電磁波的傳播是“透明”的，電磁波完全可以不受導電蓋孔、縫的影響，使電磁場能量進入火箭彈內部，從而破壞了整個彈體的屏蔽效能。因此，該火箭彈發(fā)動機部分基本可以看作是一個末端開口，其他邊界條件為金屬材質的等效物體。

2 仿真結果分析

2.1 不同入射角度對火箭彈內火工品響應的影響

電磁波的入射角度會直接影響火箭彈電磁場中的耦合效應，火箭彈內部火工品腳線為實際配裝模式，分別研究電磁波水平極化（與彈體平行，夾角為0°）、45°（與彈體夾角為45°）、垂直極化（與彈體垂直，夾角為90°）3種不同入射方向下火箭彈內部火工品電磁環(huán)境響應情況。以正弦電磁波作為激勵信號，電磁波從火箭彈尾部中心位置入射，頻率范圍10×103~18×109Hz，電場強度100V/m，頻率步進值為0.1GHz，分析計算不同入射方向下火箭彈內部火工品橋絲的頻響，3種入射方向下的頻響曲線如圖4所示。

在10×103~18×109Hz頻率范圍內，對比3種電磁波入射方向可知，火工品在平行線模式下，隨著電場方向與火工品腳線之間角度的增加，火工品在電磁場中感應電流的峰值不斷減小，電磁波在水平極化方式下，火工品橋絲上的感應電流峰值最大；火工品橋絲上感應電流較大的頻率范圍主要集中在4.5GHz以下，在水平極化方式下，在100MHz左右感應電流達到最大值26.45mA。

圖 4 火工品感應電流頻響曲線

2.2 同一入射方向下的時域分析

火箭彈內部火工品的響應特性和耦合規(guī)律會隨著頻率的變化而變化。在10×103~18×109Hz頻率范圍內，分別選取10MHz、100MHz、500MHz、3GHz等頻點。以正弦電磁波作為激勵信號，火箭彈內部火工品腳線為實際配裝模式，電磁波從火箭彈尾部垂直入射，電場強度100V/m，電場方向與火工品腳線平行，通過仿真計算，分析不同頻點下火箭彈內部火工品橋絲的時域響應特征?；鸸て窐蚪z感應電流波形如圖5所示，火工品不同頻率下的時域仿真結果見表1。

表1 火工品不同頻率下的仿真結果

火工品橋絲上感應電流與外界輻照電磁波緊密相關，激勵源波形的頻率、周期等特征參數(shù)決定了火工品橋絲感應電流波形的頻率、周期，振蕩周期與其中心頻率滿足關系=1/。

2.3 場強與電火工品感應電流的關系

電場強度是影響火工品感應電流大小的一個重要因素。按照火工品在電磁場中的頻響曲線，感應電流較大的頻率范圍主要集中在10×106~4×109Hz的頻率范圍內，在此頻率范圍內，以正弦電磁波作為激勵信號，選取10MHz、100MHz、3GHz 3個點，電場方向與火工品腳線平行，依次設置電場強度20V/m、50V/m、100V/m、150V/m、200V/m，開展場強與電火工品感應電流關系仿真研究。在3個頻點下，火工品在不同場強下的感應電流均為正弦波，周期與激勵信號相同，感應電流峰值隨電場強度大小而變化，3個頻點不同電場強度條件下的感應電流峰值數(shù)據(jù)見表2。電場強度與感應電流峰值擬合關系如圖6所示。

表2 不同場強條件下電火工品感應電流峰值 （mA）

圖 6 電場強度與感應電流峰值關系曲線

在100MHz時，電場強度與感應電流擬合公式：

=0.267 4（1）

式（1）中：為感應電流峰值，mA；為脈沖峰值場強，V/m。

從圖6中可以看出，感應電流峰值隨電場強度增大而線性增大，二者成正比關系。

2.4 彈內電磁場分布仿真研究

為了探測火箭彈內部電磁場的分布，以火箭彈導電蓋中心為坐標原點（0，0，0），沿著電場方向（y方向），分別在（0，20，0）、（0，50，0）、（0，100，0）、（0，200，0）、（0，300，0）、（0，400，0）、（0，600，0）、（0，800，0）、（0，1 000，0）、（0，200，30）、（0，300，30）、（0，400，30）、（0，600，30）、（0，800，0）、（0，1 000，30）15個點布置了電場探頭，探頭位置分布點如圖7所示。在100MHz頻點下，以水平極化正弦電磁波作為激勵信號，峰值場強100V/m，火箭彈內不同位置處峰值場強如表3所示，其分布圖如圖8所示。

圖7 火箭彈發(fā)動機內探頭位置分布點

表 3 火箭彈發(fā)動機內不同位置處峰值場強

Tab.3 The peak value of electric field strength in different position in rocket projectile motor

圖 8 100MHz時火箭彈內不同位置處峰值場強分布

從火箭彈內不同位置處峰值場強分布可以看出，電場強度隨著位置的變化而變化，在100MHz時，在靠近火工品橋絲所在位置，外部電場在進入彈體內部反射疊加以后，電場強度峰值達到最大值，約為入射電場值的2～3倍，場強越大，越不利于火工品在電磁場中的安全性，因此，火工品在彈內布局時應盡量避開這些位置，或者使用更加鈍感的火工品。

3 結論

（1）通過火箭彈配裝狀態(tài)下正弦電磁波仿真分析，可以看出，在平行線模式下，即電場與火工品引線平行時，火工品橋絲上感應電流最大。

（2）在電場與火工品引線平行的狀態(tài)下，彈內火工品橋絲上的感應電流與電場強度存在正比關系，電場強度越大，橋絲感應電流就越大。

（3）通過分析彈內電磁場分布，可知當電場進入火箭彈內部時，由于尾翼及發(fā)動機內部金屬面的反射，造成電場的二次分布，局部電場經過反射疊加后，電場強度峰值會發(fā)生變化。在100MHz正弦電磁波激勵下，在火工品橋絲附近的電場強度會達到最大值，為入射電場的2.8倍。

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Simulation Analysis on Response Characteristics of Rocket Projectile in Continuous Wave Electromagnetic Environment

ZHAO Tuan，YAO Hong-zhi，JI Xiang-fei，LI Jiao，YIN Ming

(Science and Technology on Applied Physical Chemistry Laboratory, Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute, Xi’an, 710061)

To analyze the response characteristics of rocket projectile in electromagnetic environment, the electromagnetic simulation models of rocket projectile and electric explosive device(EED) used were built, through ANSYS HFSS electromagnetic soft. The simulation analysis of electromagnetic environment effect on rocket projectile motor and EED were performed in the continuous electromagnetic environment. Through monitoring the induced current of EED, the frequency-response curve of EED was obtained in the frequency range of 10kHz to 18GHz, and the distribution feature of electric field at 100MHz in rocket projectile motor was analyzed, so the coupling role of rocket projectile was gotten with the different strength of electric field and the different direction of polarization. The study can provide support to analyze the safety of rocket projectile in the continuous electromagnetic environment.

Electric explosive device(EED)；Rocket projectile；Electromagnetic environment；Simulation；Electric field strength；Induced current

TJ45+2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.05.002

1003-1480（2019）05-0006-04