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摘要:制導(dǎo)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(chǎn)生感應(yīng)電場。本文應(yīng)用CST軟件對制導(dǎo)彈藥飛行時所受外部條件的影響時的微波效應(yīng)特性進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果顯示，導(dǎo)彈頭部相對于其他部件更為敏感；對于整彈而言，激勵源側(cè)方入射比其他方向入射對艙內(nèi)產(chǎn)生更大的影響。根據(jù)仿真分析的結(jié)果得到彈上的敏感部位和敏感器件的耦合狀態(tài)，從而為整彈的防護(hù)設(shè)計提供了設(shè)計指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:制導(dǎo)彈藥；微波；CST；仿真；建模

1引言

制導(dǎo)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(dǎo)彈藥，其彈上多種類型的電氣設(shè)備、電子器件集合在狹小的空間內(nèi)，通過輸配電線路與電氣系統(tǒng)連接在一起，信號有強(qiáng)有弱，電壓、電流有高有低，空間密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他飛行器[3]。這些電氣設(shè)備和電子器件在受到EMP照射時，會在彈體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電場。這往往會影響彈上器件的工作，從而對其飛行姿態(tài)和飛行軌跡產(chǎn)生影響。為了更好地了解制導(dǎo)彈藥飛行時所受外部條件的影響，我們需要對導(dǎo)彈進(jìn)行仿真分析。

2仿真模型建立

建立正確的仿真模型是導(dǎo)彈微波效應(yīng)仿真中十分重要的一步，所建立的模型與實際產(chǎn)品的匹配程度將直接決定仿真結(jié)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(dǎo)彈彈體進(jìn)行簡化[4]。

2.1彈體結(jié)構(gòu)模型首先我們啟動CST設(shè)計工作室后選擇創(chuàng)建新項目。將長度單位設(shè)置為mm，頻率單位設(shè)置為MHz，時間單位設(shè)置為μs，背景材料設(shè)置為Normal，邊界條件設(shè)為open（addspace），建立如圖1所示的制導(dǎo)彈藥結(jié)構(gòu)模型。其中，導(dǎo)引頭設(shè)置為玻璃材質(zhì)，其它結(jié)構(gòu)部分(包含彈體)設(shè)置為PEC。仿真中需要考慮彈體各艙段由于加工公差產(chǎn)生的縫隙，按最差情況分析，讓縫隙圍繞彈殼一周。根據(jù)目前存在的公差范圍，導(dǎo)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(shè)置了6條縫隙。此外，彈內(nèi)有很多不影響計算結(jié)果但影響計算效率的結(jié)構(gòu)，例如接插件、表面尖劈、表面圓柱等，通過對這些結(jié)構(gòu)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(shè)為理想導(dǎo)體，這里采用鍍銀的銅導(dǎo)線，絕緣層材料為聚四氟乙烯，單根導(dǎo)線截面積均為0.20mm2，電導(dǎo)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(jié)構(gòu)建立三維曲線，包含電池、導(dǎo)引頭、飛控、陀螺儀、舵機(jī)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(diào)整，彈壁電纜不能用導(dǎo)線成束作電纜，其內(nèi)部導(dǎo)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(jī)PWM接口等效電路，我們可以通過CST設(shè)計工作室進(jìn)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?fù)浣M合）以及周邊結(jié)構(gòu)下的傳輸線模型，自動考慮趨膚效應(yīng)、介質(zhì)損耗。對從單一金屬線到復(fù)雜的電纜和完整的電纜束的各種幾何線纜結(jié)構(gòu)都可進(jìn)行電磁分析，可提供完整的電子系統(tǒng)互連設(shè)備電磁兼容性及信號完整性分析解決方案，具有很強(qiáng)的實用性[5]。根據(jù)各個接口電路的等效或簡化模型，與分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)模型端口一一對應(yīng)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(dǎo)彈模型的建模。

3仿真與結(jié)果分析

在這里我們通過仿真某型制導(dǎo)彈藥在飛行中遭受激勵源輻照時的情況進(jìn)行仿真分析。在仿真時，我們按照以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(shù)函數(shù)波形4）網(wǎng)格設(shè)置：為了達(dá)到仿真效率和仿真精度的平衡，本項目仿真采用六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行剖分，全局網(wǎng)格設(shè)置中將Cellsperwavelength中的Neartomodel設(shè)為15。5）監(jiān)視器和探針：我們在彈體內(nèi)定義5個探針，這些探針分別位于導(dǎo)引頭前端、導(dǎo)引頭后端、舵機(jī)、儀器艙和引信艙，如圖4所示，并觀察彈體內(nèi)這些位置的感應(yīng)電場。為了研究外設(shè)條件對導(dǎo)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(qiáng)度及方向等預(yù)設(shè)條件，計算觀察點的感應(yīng)電場場強(qiáng)值的變化。為了研究各艙段之間縫隙對仿真結(jié)果的影響，我們將導(dǎo)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(qiáng)度及方向?qū)?dǎo)彈的微波效應(yīng)的影響時，我們分別采用10kV，20kV和40kV的電壓，和導(dǎo)彈的正面、后面、側(cè)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?qū)?dǎo)彈微波特性的影響。我們根據(jù)之前的仿真設(shè)置，通過觀察各個觀察點的電場強(qiáng)度對仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1縫隙寬度對電場強(qiáng)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(qiáng)的影響仿真結(jié)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(qiáng)度，單位為V。通過上述各個觀察點的場強(qiáng)隨著縫隙寬度的變化所產(chǎn)生的影響可以看出：縫隙寬度對于導(dǎo)引頭前端的場強(qiáng)值影響較小，而對于其他艙段產(chǎn)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(qiáng)值會大于其他兩種縫隙寬度的場強(qiáng)值。這是由于艙段間加工誤差造成的縫隙，會導(dǎo)致更多的激勵源能量耦合進(jìn)艙內(nèi)，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(qiáng)度對電場強(qiáng)度的影響入射激勵源在10kV,20kV,40kV三個強(qiáng)度下，各個位置場強(qiáng)仿真結(jié)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(qiáng)度，單位為V。通過上述仿真結(jié)果我們可以看出：入射激勵源的強(qiáng)度越大，各個點的場強(qiáng)值也會越大。且入射激勵源強(qiáng)度的變化對導(dǎo)引頭的電場強(qiáng)度的影響尤為明顯。

3.3入射激勵源方向?qū)﹄妶鰪?qiáng)度的影響入射激勵源為導(dǎo)彈底部，前方，左側(cè)，右側(cè)后方五個方向時，各個位置場強(qiáng)仿真結(jié)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(qiáng)度，單位為V。通過上述仿真結(jié)果我們可以看出：對于舵機(jī)，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(nèi)的電場影響不大；而對于導(dǎo)引頭而言，側(cè)方入射（即入射方向為導(dǎo)彈左側(cè)和導(dǎo)彈右側(cè)）比從導(dǎo)彈前后側(cè)入射對艙內(nèi)的電場影響大。由于入射激勵源大小和方向的變化都對導(dǎo)引頭部分艙內(nèi)電場產(chǎn)生較大的影響，因此在設(shè)計彈上電氣時，我們需要多加考慮導(dǎo)彈的頭部抗擾設(shè)計方案。

4結(jié)論

本文應(yīng)用電磁兼容仿真軟件CST對某型導(dǎo)彈在飛行中遭受激勵源輻照時的情況進(jìn)行仿真分析，得到了具體的可數(shù)值化的參數(shù)。通過改變各艙段之間的縫隙寬度，入射激勵源強(qiáng)度和入射方向等預(yù)設(shè)條件，計算改變這些預(yù)設(shè)條件對導(dǎo)彈微波特性的影響。結(jié)果表明，激勵源側(cè)方入射比前后側(cè)入射對艙內(nèi)影響大；導(dǎo)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(dǎo)彈電氣設(shè)計時艙段間我們需要重點考慮導(dǎo)彈的頭部抗擾設(shè)計方案；加工誤差造成的縫隙，會導(dǎo)致更多的激勵源能量耦合進(jìn)艙內(nèi)，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(jié)果得到的結(jié)論與實際結(jié)果相吻合，對導(dǎo)彈電氣設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1].白曉坤.基于CST仿真的線纜串?dāng)_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(tǒng)級電磁兼容分析和軟件設(shè)計[D].

作者：徐航 鄭紅星 左非 蔣艷國 肖和業(yè) 單位：西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所