制導彈藥微波效應的研究范文

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摘要:制導彈藥在飛行過程中，在受到激勵源（EMP，electromagneticpulse）輻照時會受到干擾產生感應電場。本文應用CST軟件對制導彈藥飛行時所受外部條件的影響時的微波效應特性進行了仿真分析。仿真結果顯示，導彈頭部相對于其他部件更為敏感；對于整彈而言，激勵源側方入射比其他方向入射對艙內產生更大的影響。根據仿真分析的結果得到彈上的敏感部位和敏感器件的耦合狀態，從而為整彈的防護設計提供了設計指導。

關鍵詞:制導彈藥；微波；CST；仿真；建模

1引言

制導彈藥在飛行過程中，通常會不可避免的受到激勵源（EMP，electromagneticpulse）輻照[1-2]。作為高科技軍事裝備的制導彈藥，其彈上多種類型的電氣設備、電子器件集合在狹小的空間內，通過輸配電線路與電氣系統連接在一起，信號有強有弱，電壓、電流有高有低，空間密度遠遠高于其他飛行器[3]。這些電氣設備和電子器件在受到EMP照射時，會在彈體內產生感應電場。這往往會影響彈上器件的工作，從而對其飛行姿態和飛行軌跡產生影響。為了更好地了解制導彈藥飛行時所受外部條件的影響，我們需要對導彈進行仿真分析。

2仿真模型建立

建立正確的仿真模型是導彈微波效應仿真中十分重要的一步，所建立的模型與實際產品的匹配程度將直接決定仿真結果的精度與實用性。在建立仿真模型時，我們需要考慮以下三個方面。在這里我們選用CST仿真軟件，建立彈體模型，并對導彈彈體進行簡化[4]。

2.1彈體結構模型首先我們啟動CST設計工作室后選擇創建新項目。將長度單位設置為mm，頻率單位設置為MHz，時間單位設置為μs，背景材料設置為Normal，邊界條件設為open（addspace），建立如圖1所示的制導彈藥結構模型。其中，導引頭設置為玻璃材質，其它結構部分(包含彈體)設置為PEC。仿真中需要考慮彈體各艙段由于加工公差產生的縫隙，按最差情況分析，讓縫隙圍繞彈殼一周。根據目前存在的公差范圍，導引頭、引信艙段縫隙按0.3mm,0.4mm和0.5mm三種情況處理；而其它艙段縫隙按0.05mm處理。各艙段間隔板共設置了6條縫隙。此外，彈內有很多不影響計算結果但影響計算效率的結構，例如接插件、表面尖劈、表面圓柱等，通過對這些結構的近似處理，我們可以獲得更高的計算速率。

2.2彈上電氣線路模型彈上線束均設為理想導體，這里采用鍍銀的銅導線，絕緣層材料為聚四氟乙烯，單根導線截面積均為0.20mm2，電導率約為6×107S/m；雙絞線絞距為10mm，屏蔽層為銅制編織層，編織密度80%。按照圖2所示的線束結構建立三維曲線，包含電池、導引頭、飛控、陀螺儀、舵機和引信之間的互連線。為了防止線纜間的電磁干擾，所有的電源線均為雙絞線而信號線均采用雙絞屏蔽線。為了在傳輸信號有問題時做到隨時調整，彈壁電纜不能用導線成束作電纜，其內部導線之間的相對位置是固定的。

2.3接口電路等效模型對于供電、RS422、舵指令、舵電位計信號電路、引信接口電路和電機PWM接口等效電路，我們可以通過CST設計工作室進行建模。它采用邊界元法，提取各類線纜（單線、排線、雙絞線、屏蔽雙絞線、單芯/多芯屏蔽線以及它們的任意拓撲組合）以及周邊結構下的傳輸線模型，自動考慮趨膚效應、介質損耗。對從單一金屬線到復雜的電纜和完整的電纜束的各種幾何線纜結構都可進行電磁分析，可提供完整的電子系統互連設備電磁兼容性及信號完整性分析解決方案，具有很強的實用性[5]。根據各個接口電路的等效或簡化模型，與分布參數網絡模型端口一一對應連接。在這里我們可以采取一些簡化處理提高計算效率：將一些等效電路如422信號和舵電位計信號簡化為一路，簡化處理后的接口電路等效模型如圖3所示。通過以上步驟我們完成了CST中對導彈模型的建模。

3仿真與結果分析

在這里我們通過仿真某型制導彈藥在飛行中遭受激勵源輻照時的情況進行仿真分析。在仿真時，我們按照以下參數進行設定：1）頻率上限：100MHz2）頻率范圍：若激勵信號為超寬譜源波形（即脈沖寬度1ns，脈沖上升沿300ps），將仿真的頻率范圍定義到2GHz即可包含激勵源的主要能量；若激勵信號為窄譜源波形(載頻為1.3GHz，脈沖寬度30ns，脈沖上升沿和下降沿均為3ns),將仿真的頻率范圍定義到1.3GHz；若激勵信號為窄譜源波形(載頻為2.8GHz，脈沖寬度30ns，脈沖上升沿和下降沿均為3ns),將仿真的頻率范圍定義到2.8GHz。3）信號波形：雙指數函數波形4）網格設置：為了達到仿真效率和仿真精度的平衡，本項目仿真采用六面體網格對模型進行剖分，全局網格設置中將Cellsperwavelength中的Neartomodel設為15。5）監視器和探針：我們在彈體內定義5個探針，這些探針分別位于導引頭前端、導引頭后端、舵機、儀器艙和引信艙，如圖4所示，并觀察彈體內這些位置的感應電場。為了研究外設條件對導彈微波特性的影響，我們通過改變彈體各艙段之間的縫隙寬度、入射激勵源的強度及方向等預設條件，計算觀察點的感應電場場強值的變化。為了研究各艙段之間縫隙對仿真結果的影響，我們將導引頭、引信艙段縫隙分別按0.3mm,0.4mm,0.5mm三種情況處理；而在考慮入射激勵源的強度及方向對導彈的微波效應的影響時，我們分別采用10kV，20kV和40kV的電壓，和導彈的正面、后面、側面和底面五個方向，極化方式為水平極化。因為通常情況下，水平極化為激勵源類問題中最惡劣的情況，采用該極化方式可以更加明顯的看出入射激勵源的入射方向對導彈微波特性的影響。我們根據之前的仿真設置，通過觀察各個觀察點的電場強度對仿真結果進行分析。

3.1縫隙寬度對電場強度的影響艙段間因加工誤差引起的不同縫隙寬度對各個位置場強的影響仿真結果如圖5所示。其中橫軸代表仿真時間，單位為ms；縱軸代表電場強度，單位為V。通過上述各個觀察點的場強隨著縫隙寬度的變化所產生的影響可以看出：縫隙寬度對于導引頭前端的場強值影響較小，而對于其他艙段產生了較為明顯的影響。我們可以明顯看出縫隙寬度為0.3mm的場強值會大于其他兩種縫隙寬度的場強值。這是由于艙段間加工誤差造成的縫隙，會導致更多的激勵源能量耦合進艙內，因此在加工工藝時，我們可以通過減小艙段間空縫提高屏蔽效能。

3.2入射激勵源強度對電場強度的影響入射激勵源在10kV,20kV,40kV三個強度下，各個位置場強仿真結果如圖6所示。其中橫軸代表仿真時間，單位為ms；縱軸代表電場強度，單位為V。通過上述仿真結果我們可以看出：入射激勵源的強度越大，各個點的場強值也會越大。且入射激勵源強度的變化對導引頭的電場強度的影響尤為明顯。

3.3入射激勵源方向對電場強度的影響入射激勵源為導彈底部，前方，左側，右側后方五個方向時，各個位置場強仿真結果如圖7所示。其中橫軸代表仿真時間，單位為ms；縱軸代表電場強度，單位為V。通過上述仿真結果我們可以看出：對于舵機，儀器艙和引信艙而言，不同方向的入射激勵源入射對于艙內的電場影響不大；而對于導引頭而言，側方入射（即入射方向為導彈左側和導彈右側）比從導彈前后側入射對艙內的電場影響大。由于入射激勵源大小和方向的變化都對導引頭部分艙內電場產生較大的影響，因此在設計彈上電氣時，我們需要多加考慮導彈的頭部抗擾設計方案。

4結論

本文應用電磁兼容仿真軟件CST對某型導彈在飛行中遭受激勵源輻照時的情況進行仿真分析，得到了具體的可數值化的參數。通過改變各艙段之間的縫隙寬度，入射激勵源強度和入射方向等預設條件，計算改變這些預設條件對導彈微波特性的影響。結果表明，激勵源側方入射比前后側入射對艙內影響大；導彈的頭部相對于其他艙段而言，更容易受到入射激勵源輻照的干擾，在導彈電氣設計時艙段間我們需要重點考慮導彈的頭部抗擾設計方案；加工誤差造成的縫隙，會導致更多的激勵源能量耦合進艙內，控制好加工工藝，減小艙段間孔縫，提高屏蔽效能。所有仿真結果得到的結論與實際結果相吻合，對導彈電氣設計有一定的指導意義。

參考文獻：

[1].白曉坤.基于CST仿真的線纜串擾耦合分析[C].全國微波毫米波會議.2013:1575-1576-1577-1578.

[4].張敏著.CST微波工作室用戶全書卷1/卷2[M].ISBN7-81094-602-1

[5].白曉坤.基于CST的系統級電磁兼容分析和軟件設計[D].

作者：徐航 鄭紅星 左非 蔣艷國 肖和業 單位：西安現代控制技術研究所