胡 慧，張 旭，熊 波，王偉亞

（海軍航空大學，山東煙臺264001）

在彈藥武器系統(tǒng)中，通常裝有多種類型的電火工品（Electric Explosive Device，EED），如電點火管、電雷管和電爆活門等，用于完成發(fā)動機點火、引信起爆以及工作狀態(tài)轉換等作戰(zhàn)功能。在勤務處理和使用過程中，電磁能對電火工品的安全性有著重要的影響和作用?？焖俚碾姶拍芰烤奂蜔崮苻D化，會使藥劑加速分解，喪失安全性，使火工品發(fā)火，釀成災難性爆炸事故[1]。因此，深入分析電磁因素對電火工品作用機理，研究掌握電磁能量對電火工品影響規(guī)律，對于保證火工品符合安全性能指標，滿足作戰(zhàn)使用要求，有著重要的作用和實際意義。

在各類電火工品中，橋絲式電火工品占有很大比重。本文以兩型橋絲式電火工品為例，分別介紹基于感應射頻電流和損耗功率2個層面的建模及仿真分析方法。在分析電磁環(huán)境對火工品作用機理的基礎上，采用ANSYS HFSS 電磁仿真軟件進行火工品電磁建模。對兩型電火工品加載不同的電磁能，分別進行感應電流和損耗功率仿真分析。研究電磁環(huán)境對火工品的安全性影響，得出仿真結果，并依據(jù)鈍感電火工品安全性標準，給出對應的分析結論。

1 電磁能對火工品作用機理

1.1 電火工品基本結構

橋絲式電火工品以電能為激發(fā)能源，由殼體、引線、電極塞、橋絲、引火藥、起爆藥和基本裝藥等組成。其中，橋絲是火工品換能元件，通常為金屬材質電阻絲，如鎢絲、鎳鉻絲、鎢錸絲及鉑鎢絲等，橋絲周圍包有引火藥劑[2]。接通電源時，橋絲灼熱點燃引火藥，引起火工品發(fā)火或起爆。電火工品結構見圖1。

圖1 電火工品基本結構Fig.1 Basic structrue of electric explosive device

1.2 電磁能對電火工品作用形式

電磁能對橋絲式電火工品的危害形式，取決于火工品的工作狀態(tài)。當火工品處于連接狀態(tài)時，可通過相連的電氣通道以傳導方式注入電磁能；當火工品處于非連接的開放狀態(tài)時，空間的電磁場則會以電磁波形式經(jīng)火工品引線輸入電磁能量。由于火工品具有敏感性，通常用于執(zhí)行首發(fā)任務，如發(fā)動機點火、助推器分離等。因此，在實際使用過程中，火工品往往會直接暴露在電磁場中，電磁能則以電磁波形式對火工品構成潛在威脅[3]。

在電磁波作用下，電火工品引線會把射頻能量引入橋絲電阻中，從而起到了接收天線的作用[4]。待發(fā)狀態(tài)下的電火工品，引線處于打開狀態(tài)，形成偶極天線；貯存狀態(tài)下的火工品，其引線端通常由短路塞短接，客觀上構成環(huán)形天線。起天線作用的火工品引線，在環(huán)境電磁場中可感應出電流，并在其橋絲電阻端產(chǎn)生損耗功率[5]。本文僅以發(fā)火電路處于打開狀態(tài)的雙引線電火工品為例，分析電磁能對火工品的作用機理。電火工品等效電路如圖2所示[6]。

圖2 電火工品等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of EED

圖2中，V0為電磁場在火工品引線中產(chǎn)生的感應電壓；Zg為引線等效阻抗，由電阻分量Rg和電抗分量Xg組成，即Zg=Rg+jXg；ZEED電火工品射頻阻抗，由電阻分量 REED和電抗分量 XEED組成，即ZEED=REED+jXEED。

電磁場在引線中產(chǎn)生的感應電動勢V0可表示為[7]：

式（1）中：E 為電磁場電場強度；λ 為電磁波波長；G為等效天線的增益。

電磁場進入到電火工品的功率PEED，則[8]：

式中，I 為負載端感應電流。

設定引線處于最大限度吸收電磁波的方向，即引線與電磁場夾角θ 為π/2。此時，方向性函數(shù)F(θ)為最大值[9]；同時，引線與負載之間阻抗相匹配，即Rg=REED，Xg=-XEED。此時，電火工品接收到的耦合功率最大。

由上述分析可知，電火工品引線在電磁環(huán)境中具有接收天線特性，射頻能量可以通過引線進入火工品，形成天線耦合效果[10]。耦合的電磁能在電火工品橋絲回路中轉換為感應電流，產(chǎn)生熱積累，并依據(jù)其熱能值的大小，對電火工品的安全性產(chǎn)生影響[11]。因此，可以采用橋絲感應射頻電流和損耗功率2種方法，分別分析電磁能對電火工品性能的影響。

2 電火工品感應電流仿真分析

2.1 電火工品模型

采用ANSYS HFSS電磁場仿真軟件，并利用電火工品物理模型，構建火工品電磁模型[12]。

選定的電火工品由殼體、點火藥柱、電點火頭、電極塞、電連接器、保護帽及導線等組成。利用Creo2.0構建電火工品物理模型，結構如圖3所示。

電火工品部分組件及其材料的相關電參數(shù)如表1所示。

圖3 電火工品物理模型Fig.3 Physical model of EED

表1 部分組件材料參數(shù)Tab.1 Material parameters of some components

依據(jù)電火工品結構參數(shù)以及材料電磁參數(shù)，基于ANSYS HFSS 電磁場仿真軟件建立火工品結構和材料數(shù)據(jù)庫[13]，形成火工品電磁模型，結構如圖4所示。

圖4 電火工品電磁模型Fig.4 Electromagnetic model of EED

2.2 感應電流仿真分析

本文采用外部激勵電磁場建立最終的橋絲電流響應。仿真邊界設置過程采用的是輻射邊界條件。

外部激勵設置為在邊界上的垂直極化電場，計算頻率范圍從0.1～40 GHz，掃頻步進設置為0.1 GHz[14]，仿真每個頻率點橋絲感應電流情況。掃頻設置如圖5所示。

在頻率范圍0.1～40 GHz 內，電火工品橋絲感應電流變化值如圖6所示。

圖5 掃頻設置Fig.5 Sweep frequency setting

圖6 橋絲感應電流Fig.6 Induction current of bridge wire

從寬頻帶電磁效應仿真數(shù)據(jù)來看，當外部激勵場為1 V/m 時，0.1～40 GHz 單位激勵場感應電流不大于2 mA，大部分頻率上感應電流都在0.5 mA 以下，感應電流較大的頻率范圍主要出現(xiàn)在30 GHz 以上。當局部有500 V/m 以上電磁場分布時，會產(chǎn)生大于1 A 的感應電流，超過鈍感電火工品1 A 的安全電流閾值，對電火工品安全構成影響。

3 電火工品損耗功率仿真分析

3.1 電火工品電磁模型

選定的電火工品為橋絲式點火裝置，內裝2 個并聯(lián)的電發(fā)火頭，用來點燃點火藥。該火工品由陶瓷絕緣材料、金屬殼體、裝藥、引線及橋絲組成，外部接有供電電纜。點火裝置通常處于裸露狀態(tài)，無電磁屏蔽措施，因而電磁場可以直接耦合到點火電纜上，并通過電纜將耦合電流傳輸?shù)近c火裝置的橋絲，形成能量聚集，產(chǎn)生損耗功率。當該值大于火工品可靠發(fā)火功率時，就會造成點火裝置誤點火。

電發(fā)火頭橋絲設置為阻抗邊界條件，設定電阻值為5 Ω。電纜采用雙線形式，導線材質為黃銅，外部材料為聚乙烯。

基于ANSYS HFSS 電磁場仿真軟件建立的火工品電磁模型，如圖7所示。

圖7 電火工品電磁模型Fig.7 Electromagnetic model of EED

3.2 損耗功率仿真分析

本文激勵設定為波端口（Wave Port）。波端口是ANSYS HFSS中典型的外部端口，位于傳輸線與背景電磁環(huán)境的交界處，其截面是ANSYS HFSS求解結構參數(shù)的參考面[15]。為此，在設定的電磁能耦合通道口側邊平面上，建立“矩形平面”，緊貼free space boundary（自由空間邊界），波端口平面的大小與實際通道尺寸相一致，以減小平面尺寸對仿真精度造成的影響。

根據(jù)GJB 786-89《預防電磁場對軍械危害的一般要求》的相關要求[16]，電磁環(huán)境功率密度要求為：2～2.7 GHz 時，上限為1 000 W/m2；2.7～3.6 GHz 時，上限為4 000 W/m2；3.6～4 GHz 時，上限為1 000 W/m2。據(jù)此，本文設置波端口的入射功率為4 000 W，信號頻率為3 GHz，功率密度取上限值4 000 W/m2。

在場計算器中通過對功率密度進行積分得到電阻上的損耗功率，如圖8所示。

圖8 損耗功率計算設置及結果Fig.8 Settings and results of power loss calculation

通過仿真可得到橋絲電阻功率損耗密度分布，如圖9所示。

圖9 電阻功率損耗密度Fig.9 Resistance power loss density

從仿真結果可知，電阻上的感應電場強度最大可達6 000 V/m。電阻上的電流密度最大為80 A/m，在場計算器中計算得到電阻上的損耗功率為0.57 W。根據(jù)GJB 344A-2005《鈍感電起爆器通用規(guī)范》規(guī)定，常規(guī)鈍感電火工品滿足1 W/1 A/5 min 不點火安全性要求[17]，故該損耗功率尚不足以使鈍感電火工品發(fā)火。但當入射遠超過4 000 W，如“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)S（3.1～3.5 GHz）波段AN/SPY-1相控陣雷達峰值功率5 MW ，平均功率32 kW[18]，則足以破壞火工品安全性，使電火工品意外發(fā)火。

4 結論

本文按照GJB 786-89《預防電磁場對軍械危害的一般要求》加載典型電磁能量，選取兩型電火工品，采用感應電流和損耗功率2 種分析方法，分別研究電磁環(huán)境對電火工品安全性的影響。在ANSYS HFSS 電磁場仿真環(huán)境中，通過設定的電磁場環(huán)境頻率、電場強度及功率密度，分別獲取典型結構電火工品的感應電流數(shù)據(jù)和橋絲電阻的損耗功率。通過與GJB 344A-2005《鈍感電起爆器通用規(guī)范》中鈍感電火工品安全閾值相比較，得出電火工品在特定電磁環(huán)境下的安全性仿真分析結論。本文所介紹的2 種研究方法，可獲得置信度較高的仿真數(shù)據(jù)，并為電火工品安全性評估提供理論和技術支撐。