制导弹药微波效应的研究范文
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摘要:制导弹药在飞行过程中，在受到激励源（EMP，electromagneticpulse）辐照时会受到干扰产生感应电场。本文应用CST软件对制导弹药飞行时所受外部条件的影响时的微波效应特性进行了仿真分析。仿真结果显示，导弹头部相对于其他部件更为敏感；对于整弹而言，激励源侧方入射比其他方向入射对舱内产生更大的影响。根据仿真分析的结果得到弹上的敏感部位和敏感器件的耦合状态，从而为整弹的防护设计提供了设计指导。
关键词:制导弹药；微波；CST；仿真；建模
1引言
制导弹药在飞行过程中，通常会不可避免的受到激励源（EMP，electromagneticpulse）辐照[1-2]。作为高科技军事装备的制导弹药，其弹上多种类型的电气设备、电子器件集合在狭小的空间内，通过输配电线路与电气系统连接在一起，信号有强有弱，电压、电流有高有低，空间密度远远高于其他飞行器[3]。这些电气设备和电子器件在受到EMP照射时，会在弹体内产生感应电场。这往往会影响弹上器件的工作，从而对其飞行姿态和飞行轨迹产生影响。为了更好地了解制导弹药飞行时所受外部条件的影响，我们需要对导弹进行仿真分析。
2仿真模型建立
建立正确的仿真模型是导弹微波效应仿真中十分重要的一步，所建立的模型与实际产品的匹配程度将直接决定仿真结果的精度与实用性。在建立仿真模型时，我们需要考虑以下三个方面。在这里我们选用CST仿真软件，建立弹体模型，并对导弹弹体进行简化[4]。
2.1弹体结构模型首先我们启动CST设计工作室后选择创建新项目。将长度单位设置为mm，频率单位设置为MHz，时间单位设置为μs，背景材料设置为Normal，边界条件设为open（addspace），建立如图1所示的制导弹药结构模型。其中，导引头设置为玻璃材质，其它结构部分(包含弹体)设置为PEC。仿真中需要考虑弹体各舱段由于加工公差产生的缝隙，按最差情况分析，让缝隙围绕弹壳一周。根据目前存在的公差范围，导引头、引信舱段缝隙按0.3mm,0.4mm和0.5mm三种情况处理；而其它舱段缝隙按0.05mm处理。各舱段间隔板共设置了6条缝隙。此外，弹内有很多不影响计算结果但影响计算效率的结构，例如接插件、表面尖劈、表面圆柱等，通过对这些结构的近似处理，我们可以获得更高的计算速率。
2.2弹上电气线路模型弹上线束均设为理想导体，这里采用镀银的铜导线，绝缘层材料为聚四氟乙烯，单根导线截面积均为0.20mm2，电导率约为6×107S/m；双绞线绞距为10mm，屏蔽层为铜制编织层，编织密度80%。按照图2所示的线束结构建立三维曲线，包含电池、导引头、飞控、陀螺仪、舵机和引信之间的互连线。为了防止线缆间的电磁干扰，所有的电源线均为双绞线而信号线均采用双绞屏蔽线。为了在传输信号有问题时做到随时调整，弹壁电缆不能用导线成束作电缆，其内部导线之间的相对位置是固定的。
2.3接口电路等效模型对于供电、RS422、舵指令、舵电位计信号电路、引信接口电路和电机PWM接口等效电路，我们可以通过CST设计工作室进行建模。它采用边界元法，提取各类线缆（单线、排线、双绞线、屏蔽双绞线、单芯/多芯屏蔽线以及它们的任意拓扑组合）以及周边结构下的传输线模型，自动考虑趋肤效应、介质损耗。对从单一金属线到复杂的电缆和完整的电缆束的各种几何线缆结构都可进行电磁分析，可提供完整的电子系统互连设备电磁兼容性及信号完整性分析解决方案，具有很强的实用性[5]。根据各个接口电路的等效或简化模型，与分布参数网络模型端口一一对应连接。在这里我们可以采取一些简化处理提高计算效率：将一些等效电路如422信号和舵电位计信号简化为一路，简化处理后的接口电路等效模型如图3所示。通过以上步骤我们完成了CST中对导弹模型的建模。
3仿真与结果分析
在这里我们通过仿真某型制导弹药在飞行中遭受激励源辐照时的情况进行仿真分析。在仿真时，我们按照以下参数进行设定：1）频率上限：100MHz2）频率范围：若激励信号为超宽谱源波形（即脉冲宽度1ns，脉冲上升沿300ps），将仿真的频率范围定义到2GHz即可包含激励源的主要能量；若激励信号为窄谱源波形(载频为1.3GHz，脉冲宽度30ns，脉冲上升沿和下降沿均为3ns),将仿真的频率范围定义到1.3GHz；若激励信号为窄谱源波形(载频为2.8GHz，脉冲宽度30ns，脉冲上升沿和下降沿均为3ns),将仿真的频率范围定义到2.8GHz。3）信号波形：双指数函数波形4）网格设置：为了达到仿真效率和仿真精度的平衡，本项目仿真采用六面体网格对模型进行剖分，全局网格设置中将Cellsperwavelength中的Neartomodel设为15。5）监视器和探针：我们在弹体内定义5个探针，这些探针分别位于导引头前端、导引头后端、舵机、仪器舱和引信舱，如图4所示，并观察弹体内这些位置的感应电场。为了研究外设条件对导弹微波特性的影响，我们通过改变弹体各舱段之间的缝隙宽度、入射激励源的强度及方向等预设条件，计算观察点的感应电场场强值的变化。为了研究各舱段之间缝隙对仿真结果的影响，我们将导引头、引信舱段缝隙分别按0.3mm,0.4mm,0.5mm三种情况处理；而在考虑入射激励源的强度及方向对导弹的微波效应的影响时，我们分别采用10kV，20kV和40kV的电压，和导弹的正面、后面、侧面和底面五个方向，极化方式为水平极化。因为通常情况下，水平极化为激励源类问题中最恶劣的情况，采用该极化方式可以更加明显的看出入射激励源的入射方向对导弹微波特性的影响。我们根据之前的仿真设置，通过观察各个观察点的电场强度对仿真结果进行分析。
3.1缝隙宽度对电场强度的影响舱段间因加工误差引起的不同缝隙宽度对各个位置场强的影响仿真结果如图5所示。其中横轴代表仿真时间，单位为ms；纵轴代表电场强度，单位为V。通过上述各个观察点的场强随着缝隙宽度的变化所产生的影响可以看出：缝隙宽度对于导引头前端的场强值影响较小，而对于其他舱段产生了较为明显的影响。我们可以明显看出缝隙宽度为0.3mm的场强值会大于其他两种缝隙宽度的场强值。这是由于舱段间加工误差造成的缝隙，会导致更多的激励源能量耦合进舱内，因此在加工工艺时，我们可以通过减小舱段间空缝提高屏蔽效能。
3.2入射激励源强度对电场强度的影响入射激励源在10kV,20kV,40kV三个强度下，各个位置场强仿真结果如图6所示。其中横轴代表仿真时间，单位为ms；纵轴代表电场强度，单位为V。通过上述仿真结果我们可以看出：入射激励源的强度越大，各个点的场强值也会越大。且入射激励源强度的变化对导引头的电场强度的影响尤为明显。
3.3入射激励源方向对电场强度的影响入射激励源为导弹底部，前方，左侧，右侧后方五个方向时，各个位置场强仿真结果如图7所示。其中横轴代表仿真时间，单位为ms；纵轴代表电场强度，单位为V。通过上述仿真结果我们可以看出：对于舵机，仪器舱和引信舱而言，不同方向的入射激励源入射对于舱内的电场影响不大；而对于导引头而言，侧方入射（即入射方向为导弹左侧和导弹右侧）比从导弹前后侧入射对舱内的电场影响大。由于入射激励源大小和方向的变化都对导引头部分舱内电场产生较大的影响，因此在设计弹上电气时，我们需要多加考虑导弹的头部抗扰设计方案。
4结论
本文应用电磁兼容仿真软件CST对某型导弹在飞行中遭受激励源辐照时的情况进行仿真分析，得到了具体的可数值化的参数。通过改变各舱段之间的缝隙宽度，入射激励源强度和入射方向等预设条件，计算改变这些预设条件对导弹微波特性的影响。结果表明，激励源侧方入射比前后侧入射对舱内影响大；导弹的头部相对于其他舱段而言，更容易受到入射激励源辐照的干扰，在导弹电气设计时舱段间我们需要重点考虑导弹的头部抗扰设计方案；加工误差造成的缝隙，会导致更多的激励源能量耦合进舱内，控制好加工工艺，减小舱段间孔缝，提高屏蔽效能。所有仿真结果得到的结论与实际结果相吻合，对导弹电气设计有一定的指导意义。
参考文献：
[1].白晓坤.基于CST仿真的线缆串扰耦合分析[C].全国微波毫米波会议.2013:1575-1576-1577-1578.
[4].张敏著.CST微波工作室用户全书卷1/卷2[M].ISBN7-81094-602-1
[5].白晓坤.基于CST的系统级电磁兼容分析和软件设计[D].
作者：徐航 郑红星 左非 蒋艳国 肖和业 单位：西安现代控制技术研究所
