復(fù)雜電大開口腔體的高功率微波防護(hù)分析

黃 雋 胡云安 張浩然 金 焱

(海軍航空工程學(xué)院控制工程系,山東 煙臺 264001)

1.引 言

國外非常重視復(fù)雜電大開口腔體的高功率微波(HPM)防護(hù)分析,但缺乏針對具體防護(hù)手段的定量分析。美國國防部確定了適用于飛行器的HPM輻射效應(yīng)評估流程,探討了加固措施,給出了防護(hù)指標(biāo),并建立了相應(yīng)的Matlab模型[1-3]。國內(nèi)直接針對復(fù)雜電大開口腔體的HPM防護(hù)研究較少。文獻(xiàn)[4]-[6]開展了用于減少飛行器座艙雷達(dá)散射截面(RCS)的透明導(dǎo)電膜的性能分析;文獻(xiàn)[7]提出用等離子體對傳感器和飛行器進(jìn)行微波防護(hù)。因?yàn)閲鴥?nèi)外復(fù)雜電大開口腔體的HPM防護(hù)領(lǐng)域鮮有考慮傳輸衰減的高功率微波模型,防護(hù)手段匱乏,缺乏防護(hù)效果的綜合因素指標(biāo)和分析方法,所以開展相關(guān)研究工作具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值。

2.考慮傳輸衰減的HPM模型

研究低頻電磁脈沖可以忽略傳輸衰減,但隨著激勵(lì)頻率提高,傳輸衰減的影響越來越大。目前國內(nèi)外尚無HPM激勵(lì)模型的標(biāo)準(zhǔn),借鑒文獻(xiàn)[2][8]的傳輸衰減(包括大氣和降雨等)規(guī)律,基于高斯脈沖平面波模型,綜合考慮以下因素：傳輸?shù)乃p、載頻(根據(jù)文獻(xiàn)[2],考慮1～20 GHz范圍)、輻射峰值功率、天線的最大輻射方向增益和傳輸距離等,提出一種正弦調(diào)制的高斯脈沖型HPM(文獻(xiàn)[3]分析了其原型的殺傷機(jī)理)時(shí)域模型為

如圖1所示,f為多參數(shù)函數(shù),入射方向?yàn)閆軸方向(入射迎角θ0為0°,入射方位角φ0為90°,假設(shè)在天線最大輻射方向上),電場平行極化方向eφ軸方向。通過仿真優(yōu)化模型參數(shù),其中：脈沖峰值時(shí)間t0=64.9 ns,脈沖持續(xù)時(shí)間τ=64.7 ns,f0為入射脈沖的載頻。按照MIL-STD-461E的指標(biāo)概念,相應(yīng)的脈沖上升時(shí)間為 21.8 ns,半峰寬度為30.3 ns.E0=104V/m是輻射觀察點(diǎn)的峰值電場強(qiáng)度,A為大氣衰減(海平面溫度15℃,水氣密度7.5 g/m3,1個(gè)大氣壓)和降水衰減(降雨量4 mm/h),A根據(jù)文獻(xiàn)[2]的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)插值擬合而成,m是傳輸距離(以20 GW的輻射峰值功率和14.77 dB的輻射增益從天線沿最大輻射增益方向到觀察點(diǎn)的距離)。f0、A和m的關(guān)系如表1所示,A隨著f0的增大而增大,m隨著f0的增大而減小。

圖1 HPM和復(fù)雜電大開口腔體模型

表1 不同頻率下傳輸距離

3.鍍膜介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[7]所提出的等離子體防護(hù)方法采用50 mm厚的等離子層,實(shí)際上難以在飛行器上應(yīng)用。文獻(xiàn)[4]指出降低RCS的導(dǎo)電鍍膜材料要求,透光率不低于70%、電磁反射率不低于80%。文獻(xiàn)[5]對鍍膜玻璃的透光度、霧度、電阻率和電磁波反射率進(jìn)行試驗(yàn)研究,并應(yīng)用分層媒質(zhì)理論給出復(fù)合玻璃的電磁波反射率、透射率和吸收率計(jì)算公式;文獻(xiàn)[6]研究了平面分層系統(tǒng)的電磁波功率反射率和透射率公式;文獻(xiàn)[9]研究了多層介質(zhì)膜的反射率和透射率公式;但文獻(xiàn)[5][6][9]的計(jì)算公式都有不準(zhǔn)確的地方。設(shè)計(jì)電磁防護(hù)的透明鍍膜介質(zhì),電磁反射率和透光率指標(biāo)是不夠的,提出電磁透射率和反射率相結(jié)合的設(shè)計(jì)性能指標(biāo),并給出兩者的理論計(jì)算方法。

國內(nèi)沒有電磁反射率和透射率的明確定義,參考文獻(xiàn)[5][6],給出電磁反射率R定義[9]：在給定波長和極化的條件下,電磁波入射到電磁材料平面,該電磁材料平面鏡面反射功率Pr與入射功率Pi之比。對圖2所示鍍膜透明介質(zhì)結(jié)構(gòu),平行極化波入射的電磁反射率R可計(jì)算如下

圖2 鍍膜透明介質(zhì)分層結(jié)構(gòu)

給出電磁透射率T定義[9]：在給定波長和極化的條件下,電磁波入射到電磁材料平面,該電磁材料平面鏡面透射功率Pt與入射功率Pi之比。對圖2所示鍍膜介質(zhì)結(jié)構(gòu),平行極化波入射的電磁透射率T可計(jì)算如下

A、B、C和D見式(4),δi見式(5),ηi見式(6)。

式中：Di為厚度;λ0為入射波波長;f為入射波頻率;μri為相對導(dǎo)磁率;為復(fù)相對介電常數(shù);εri為相對介電常數(shù)為復(fù)相對介電常數(shù)虛部;θi為界面i上的入射角。

首先通過評價(jià)分析電磁波入射角和透明導(dǎo)電膜厚度對平板鍍膜透明介質(zhì)的電磁反射率和透射率的影響,設(shè)計(jì)出平板鍍膜透明介質(zhì)分層結(jié)構(gòu),然后虛擬裝配鍍膜介質(zhì)結(jié)構(gòu)(在腔體開口透明介質(zhì)內(nèi)表面加載透明導(dǎo)電膜)并經(jīng)防護(hù)分析,從而設(shè)計(jì)與完善鍍膜透明介質(zhì)結(jié)構(gòu),流程如圖3。

圖3 鍍膜透明介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

文獻(xiàn)[6]為評價(jià)平面分層介質(zhì)系統(tǒng)反射性能與厚度關(guān)系建立了評價(jià)函數(shù),但未考慮入射角的影響,而入射角對電磁反射率和透射率影響較大,為了尋求所謂最惡劣入射角(使得各個(gè)頻率電磁反射率之和最小,透射率之和最大),采用如下綜合評價(jià)函數(shù)：

選取透明導(dǎo)電膜導(dǎo)電率σ為1.5×105S/m,相對導(dǎo)磁率μr為1,相對介電常數(shù)εr為1,厚度分別為0.4、0.8和 1.2μm,分別對應(yīng)的方塊電阻為16.67、8.33和5.56Ω,符合高于5Ω低于30Ω的經(jīng)驗(yàn)范圍[5-6],保證透射性能和透光性能同時(shí)滿足使用要求。評價(jià)表明,對不同薄膜厚度,反射率的最惡劣入射角為θ=0°,透射率的最惡劣入射角為θ=86.4°。

鍍膜結(jié)構(gòu)的電磁反射率透射率理論計(jì)算數(shù)據(jù)經(jīng)分段三次Hermite插值得到在不同頻率下不同厚度鍍膜的電磁透射率如圖4所示。不同厚度鍍膜透明介質(zhì)的透射率隨入射波頻率變化有相似之處,有兩個(gè)較為明顯的波峰,這是由透明介質(zhì)和透明導(dǎo)電膜間的干涉效應(yīng)造成,其中9和18 GHz附近出現(xiàn)透射率極大值,對應(yīng)波長約為和.采用電磁透射率和反射率指標(biāo)設(shè)計(jì)的平板鍍膜介質(zhì)分層結(jié)構(gòu)如圖2所示,把1.2μm厚度膜鍍在單層介質(zhì)第二界面處,結(jié)構(gòu)總厚度為10 mm(保持原有透明介質(zhì)厚度),電磁反射率(θ=0°)高于80%,電磁透射率(θ=86.4°)低于 15%。

圖4 鍍膜透射率數(shù)據(jù)插值

4.仿真與防護(hù)分析

平板鍍膜介質(zhì)的電磁透射率和反射率僅作為鍍膜透明介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù),不能直接用來評估復(fù)雜電大腔體的防護(hù)效果,因此需要開展全尺寸復(fù)雜電大腔體仿真的防護(hù)效能分析。設(shè)立直角坐標(biāo),建立復(fù)雜電大開口腔體(某型飛機(jī))與人體(兩名飛行員)幾何模型：飛機(jī)采用雙座、雙發(fā)雙垂尾、機(jī)腹進(jìn)氣、頂部輔助進(jìn)氣、帶邊條的中等展弦比后掠下單翼、翼身融合的正常氣動(dòng)布局,飛機(jī)總長21 m,停機(jī)高度6.6 m,翼展12.8 m,座艙蓋包括風(fēng)擋、前艙蓋、后艙蓋、前固定段、后固定段和口框梁等,座艙長4.29 m,寬0.85 m,深1.43 m,座艙玻璃厚度為10 mm;座艙內(nèi)設(shè)置了顯示器、儀表板和控制面板等裝置;飛機(jī)機(jī)體電導(dǎo)率σ為3.82×107S/m,相對介電常數(shù)εr為1;座艙玻璃相對介電常數(shù)為3.8,相對磁導(dǎo)系數(shù)μr為1。兩名飛行員坐高 1.34 m,肩寬0.5 m,重心在沿前座艙和后座艙的對稱YZ面內(nèi)。設(shè)定電磁參數(shù)與吸收邊界條件,并求解耦合電磁場。計(jì)算區(qū)域的FDTD最大網(wǎng)格尺寸Δx=Δy=Δz=Δ設(shè)為0.0015 m,膜厚度為1.2μm,介質(zhì)和透明導(dǎo)電膜組成結(jié)構(gòu)如圖2。建立的飛機(jī)模型的屏蔽效能與文獻(xiàn)[10]測試數(shù)據(jù)基本吻合。文獻(xiàn)[11]為處理厚度遠(yuǎn)小于網(wǎng)格尺寸Δ的薄金屬層,對常規(guī)FDTD算法進(jìn)行了修正,但并沒有闡述修正的原理,且處理方式改變了電場的量綱。提出一種厚度遠(yuǎn)低于網(wǎng)格尺寸Δ的薄膜等效處理算法：在Δ尺寸下,曲面介質(zhì)和膜組成結(jié)構(gòu)可等效為如圖2結(jié)構(gòu),把透明導(dǎo)電膜厚度D2乘以放大因子Δ/D2,而電磁參數(shù)σ、μr和εr都乘以縮小因子D2/Δ.其等效性證明如下：根據(jù)公式(5)和(6),該等效算法可以保證 ηi和 δi不變,由公式(4)可保證電磁矢量E1、H1、E2和H2不變。這樣等效處理的薄膜可按照網(wǎng)格尺寸Δ均勻劃分,便于使用并行FDTD算法[12-13],極大地節(jié)省了計(jì)算資源。

4.1 針對不同載頻HPM的防護(hù)效能分析

文獻(xiàn)[14]采用時(shí)域電場幅度最值衰減評估屏蔽效能,工程應(yīng)用比較方便,但未綜合考慮入射方向和極化方向等因素。把評估防護(hù)效能的幅度最值衰減定義為：在一定載頻f0、入射方向(入射迎角θ0與入射方位角φ0)和極化方向(eφ或者eθ)下隨時(shí)間變化的無屏蔽條件下耦合電場強(qiáng)度E1(θ0,φ0,t,f0)幅度最值和屏蔽條件下電場強(qiáng)度E2(θ0,φ0,t,f0)幅度最值之比,即

對入射方向?yàn)閆軸方向(θ0為 0°,φ0為 90°),平行極化方向eφ為Y軸方向,載頻在1～20 GHz的諧波調(diào)制高斯脈沖HPM,間隔1 GHz選取頻率點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,仿真獲取的相應(yīng)頻率的無屏蔽條件下幅度最值、屏蔽條件下幅度最值、幅度最值衰減以及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(從評價(jià)方法研究角度而言,選擇固定翼飛機(jī)在最惡劣電磁環(huán)境飛行的航空高強(qiáng)輻射場(HIRF)標(biāo)準(zhǔn)2003[3,15]容許最值)如表2所示,其中HIRF標(biāo)準(zhǔn)2003在1～4 GHz頻率段的容許最值較大,在5～6 GHz頻率段的容許最值最大,主要是這些頻段的關(guān)鍵機(jī)載設(shè)備多,干擾源多、能量強(qiáng)的緣故;該鍍膜介質(zhì)對1～12 GHz載頻范圍的HPM防護(hù)效能較好,幅度最值低于HIRF容許最值標(biāo)準(zhǔn);隨頻率增加,腔體逐漸明顯促進(jìn)HPM對鍍膜介質(zhì)的耦合,幅度最值衰減在震蕩中逐漸減小,在9 GHz時(shí)達(dá)到極小值,對應(yīng)波長約為13 GHz以上,鍍膜開口腔體耦合共振效應(yīng)更加明顯,屏蔽條件下幅度最值增加,幅度最值衰減減小,防護(hù)效能減弱;18 GHz附近,對應(yīng)波長約為屏蔽條件下幅度最值達(dá)到極大值,幅度最值衰減達(dá)到極小值,防護(hù)效能最弱。

表2 不同頻率防護(hù)效能數(shù)據(jù)

4.2 針對不同入射迎角HPM的防護(hù)極限分析

針對HPM具有入射方向、極化方向及強(qiáng)度難以探測,即使能夠探測也來不及做出反應(yīng)的特點(diǎn),提出防護(hù)極限的概念：復(fù)雜電大腔體所能防護(hù)(電場幅度最值低于一定標(biāo)準(zhǔn))的HPM(一定入射方向和極化方向)的最大輻射峰值功率。

在不同入射迎角θ(φ0為90°),平行極化方向eφ為Y軸方向的正弦調(diào)制(載頻9 GHz)的高斯脈沖型HPM 正面激勵(lì)下(θ在-90°～+90°范圍)的防護(hù)極限如表3所示。在非屏蔽條件下,θ在-90°～0°的范圍時(shí),防護(hù)極限較大,其中-45°時(shí)防護(hù)極限最大;θ在 0°～90°時(shí),防護(hù)極限較小,其中 90°時(shí)防護(hù)極限最小。在屏蔽條件下,-90°～0°的范圍內(nèi)防護(hù)極限有所加強(qiáng),最小防護(hù)極限出現(xiàn)在 0°;0°～90°范圍內(nèi)防護(hù)極限大大增強(qiáng),最大防護(hù)極限出現(xiàn)在45°。

表3 不同入射迎角的防護(hù)極限(323 m起爆距離)

5.結(jié) 論

通過仿真計(jì)算,得到了有關(guān)復(fù)雜電大腔體HPM防護(hù)的一些結(jié)論。

1)透明導(dǎo)電膜對一定載頻范圍的HPM防護(hù)效能較理想。

2)電磁透射率和反射率相結(jié)合的鍍膜透明介質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)工程適用性強(qiáng)。

3)針對一定傳輸距離和一定載頻的電磁波,透明導(dǎo)電膜使最小防護(hù)極限明顯增強(qiáng)。

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