水下无人系统学报
Journal of Unmanned Undersea Systems
2024年第4期
桥丝式电火工品感应电流及电磁安全性分析
署名作者：
朱晓楠, 潘进, 杨进候, 王凯国, 林小川
作者单位：
中国船舶集团有限公司 第七〇五研究所, 陕西 西安, 710077
摘要
基于电磁场基本理论对桥丝式电引爆火工品等效天线的形成及其能量转化过程进行理论分析, 利用CST软件对强电磁脉冲作用下火工品中感应电流的形成进行仿真建模, 并利用验证后的模型分析了入射波信号、火工品引线布置形式及桥丝电阻等因素对感应电流的影响。研究结果表明, 入射波强度、频率、入射方向以及火工品等效天线的感应接收面积是感应电流的主要决定因素; 桥丝电阻和感应电流共同决定了耦合到火工品中的感应能量, 从电磁安全性角度出发, 电火工品承受连续电磁脉冲作用时间不得超过178 μs。文中研究可为武器装备火工品安全防护提供参考。
引言
电引爆火工品(简称电火工品)是以电能作为初始激发能量的爆炸装置, 在航空、航天领域以及鱼雷、导弹等武器装备系统中作为始发能量源有着重要作用[1-4]。火箭和导弹等制导武器的点火、分离及姿态控制等都离不开电火工品的作用。在各类电火工品中, 桥丝式电火工品由于成本低、发火能量小、易于控制等优点应用最为广泛。桥丝式电火工品的工作状态非常敏感[5], 在其制造、使用和储存过程中, 火工品固有结构及周围控制电路易受到外部电磁辐射的影响, 从而在桥丝控制回路中产生感应电流。感应电流的连续作用会使桥丝发热, 当桥丝中累积的电热能量达到引爆能量阈值时就会引燃火药, 造成火工品及武器系统误动作, 引发严重的安全事故。另一方面, 即使电磁辐射耦合到火工品中的感应能量未达到桥丝引爆能量阈值, 相反方向的感应电流也会降低控制线路正常动作时的实际发火电流, 造成火工品哑火和装备失灵[6]。
随着高性能雷达以及高功率微波武器等新式无线电设备的快速发展与应用, 加之雷电、静电等自然环境的作用, 武器装备所面临的战场电磁环境空前恶劣[7-9]。研究电火工品在强电磁脉冲作用下的安全性就显得尤为必要。文献[1]对航天器火工品的电磁环境进行分析, 提出了火工品对桥丝感应电流敏感度的试验方案, 并在混响室中评估了火工品电缆组件在较宽频域范围内的安全性; 文献[2]采用试验的手段, 针对桥丝式电火工品在2.3/23 ns核电磁脉冲辐射下的电磁安全性展开研究, 获得了桥丝电阻、脚线长度与感应电流和感应能量的关系; 文献[10]分别采用红外辐射间接法和直接法测试了桥丝式电火工品在强电磁脉冲作用下的感应电流并进行了对比; 文献[11]选取 RS103、RS105和HPM-UWB等3种典型电磁辐射环境, 对不同引线结构和不同桥丝电阻的电火工品进行仿真分析, 得到桥丝式电火工品电磁耦合效应规律; 文献[3]通过仿真构建舰载相控阵雷达电磁场环境, 研究雷达电磁场对典型电火工品的电磁耦合规律, 获取了0.01~40 GHz范围内火工品内部的感应电流情况; 文献[12]分析了火工品对强电场脉冲的敏感度, 并用Comsol软件建立了有限元仿真模型, 对感应电流及感应能量进行了定量分析。上述研究分别从实验和仿真的角度对火工品在干扰电磁环境下的感应电流进行了分析。相对于实验测试, 采用仿真的手段开展研究可大幅提高工作效率, 同时更有利于进行机理解释。但目前已有的仿真研究并未提供吻合度较高的仿真结果和实验结果的直接对比, 仿真模型置信度验证不充分。同时, 结合GJB 1389B-2022[13]对飞机、舰船、鱼雷及导弹等各种武器系统提出的电磁兼容性要求, 尚未对火工品在武器系统中应用时的电磁安全性作出针对性分析。
针对此, 文中首先基于电磁场基本理论对桥丝式电火工品的感应电流产生机理进行分析, 在CST软件中针对该问题建立仿真模型, 并通过采信其他研究者的实验数据对仿真模型进行了验证, 获得了较高的结果对比吻合度。进一步地, 基于该仿真模型分析了火工品感应电流的影响因素, 并结合GJB 1389B-2022中规定的自由场电磁脉冲环境, 对于电火工品的电磁安全性给出了定量的使用建议。文中的研究对武器装备的安全运行具有一定的参考意义。
结论
文中分析了强电磁脉冲作用下桥丝式电火工品等效天线模型的形成原理, 采用仿真的手段研究了该工况下电火工品内部感应电流的影响因素, 针对GJB 1389B-2022中的规定对火工品的电磁安全性进行了定量评估。所得主要结论如下。
1) 电火工品中感应电流由外界电磁辐射信号以及电火工品引线结构布置共同决定。辐射场强、频率、引线开口面积以及电磁波与引线接收面积的夹角是感应电流的主要影响因素。在外界电磁辐射源一定的情况下, 可以通过引线双绞减小接收面积, 来抑制感应电流, 提高电磁防护效果。
2) 感应电流和桥丝电阻共同决定了耦合到桥丝上的感应能量以及电火工品的电磁安全性。根据GJB 1389B-2022中自由场电磁脉冲波形进行计算, 可知电火工品承受外界连续电磁脉冲时间不得超过178 μs。
未来, 可针对电火工品的真实工作状态对仿真模型中的电磁环境进行更加贴近实际的构建。
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END
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参考文献略
文章有删减，原文刊登于《水下无人系统学报》2024年第32卷第4期，点击阅读原文可查看。
