電爆裝置電磁脈沖響應(yīng)分析

姚洪志，封青梅，紀(jì)向飛，趙 團

（1.火工品安全性可靠性國防科技重點實驗室，陜西西安 710061；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西西安 710061）

電爆裝置電磁脈沖響應(yīng)分析

姚洪志1，2，封青梅1，2，紀(jì)向飛1，2，趙 團1，2

（1.火工品安全性可靠性國防科技重點實驗室，陜西西安 710061；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西西安 710061）

介紹了電爆裝置在電磁脈沖環(huán)境下的感應(yīng)電流響應(yīng)特征，利用有限積分法進行了同種電爆裝置不同腳線長度情況下感應(yīng)電流的變化分析，以及同種腳線長度、不同脈沖環(huán)境，電爆裝置感應(yīng)電流的分布情況分析，研究了不同脈沖環(huán)境、不同腳線長度對電爆裝置感應(yīng)能量的影響，為電火工品電磁脈沖效應(yīng)測試提供數(shù)據(jù)支撐。

電爆裝置；電磁脈沖；感應(yīng)電流

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種大功率定向能武器諸如高功率微波武器、電磁脈沖彈在戰(zhàn)場上的應(yīng)用，使得武器裝備經(jīng)受著前所未有的考驗。作為武器系統(tǒng)中最敏感的作用元件，電爆裝置（EED）的電磁脈沖效應(yīng)研究備受關(guān)注。研究EED對電磁脈沖的響應(yīng)，分析電磁脈沖對EED的危害，評價EED以及武器裝備在電磁脈沖環(huán)境下的安全性和可靠性是非常有意義的。

筆者采用有限積分方法計算了電磁脈沖對不同腳線長度的EED響應(yīng)分析，得到了EED腳線上感應(yīng)電流的分布情況；另外開展了不同的脈沖環(huán)境對EED同樣腳線長度的響應(yīng)研究。

1 電磁脈沖環(huán)境

美國國家標(biāo)準(zhǔn)IEEE／ANSI C63.14中對電磁脈沖的定義如下：電磁脈沖是在核爆炸時，由于伽馬光子與空氣介質(zhì)分子相互作用而產(chǎn)生的電磁輻射［1］。根據(jù)高空核爆炸電磁脈沖的基本理論模型，采用雙指數(shù)函數(shù)［2］進行擬合，雖然不能完全模擬實際情況，但是對于工程應(yīng)用是非常有價值的。

式中：E0為峰值場強；K為修正系數(shù)；α為前沿參數(shù)；β為后沿參數(shù)。

時至今日，高空核電磁脈沖已歷經(jīng)了多種波形標(biāo)準(zhǔn)的變更，尤其是近年來國際電工委員會以及美國軍用標(biāo)準(zhǔn)提出的新的波形標(biāo)準(zhǔn)，這些不同標(biāo)準(zhǔn)的電磁脈沖對電爆裝置的影響非常值得關(guān)注。

2 電爆裝置（EED）

EED是實施點火、起爆等功能的電熱裝置。目前中國大量使用的仍然是第2代電爆裝置——橋絲式電爆裝置，通常由管殼、橋絲、起爆藥、傳爆藥、主裝藥、腳線等組成［3］。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

計算所選取EED模型參數(shù)如下：管殼直徑為6 mm，腳線直徑為0.4 mm。換能元暫用5Ω電阻代替（本文主要考慮EED腳線對感應(yīng)電流的影響，并未研究換能元上的電熱轉(zhuǎn)換過程）。

3 有限積分法

有限積分法是計算電磁場的一種數(shù)值方法，該方法可提供一種通用的空間離散化方案，可用于解決各種電磁場問題，從靜態(tài)場計算到時域和頻域的高頻應(yīng)用。

與許多電磁場計算方法不同，F(xiàn)IT（有限積分法）是將麥克斯韋方程離散化。

圖1 電爆裝置結(jié)構(gòu)示意圖

采用數(shù)值方法求解這些方程，需要定義一個有限的計算區(qū)域，并且該區(qū)域包含了整個的計算問題，劃分一套網(wǎng)格，將計算區(qū)域分割為許多小的網(wǎng)格單元，進行計算。

采用這種方法，麥克斯韋方程將在每個網(wǎng)格面上進行離散。具體的計算方法在這里就不另行介紹，可參照有關(guān)書籍。

4 不同腳線長度分析

基于最新的MIL-STD-461F［4］標(biāo)準(zhǔn)所提出的電磁脈沖對EED進行不同腳線長度的響應(yīng)分析。其波形參數(shù)如下：α＝4×10－7s－1；β＝6×10－8s－1；k＝1.3；E0＝5×104V／m，詳見圖2。

在電爆裝置使用過程中，其腳線長度根據(jù)實際使用情況可進行相應(yīng)的調(diào)整，通常在10 mm到2 m不等。因此研究10 mm到2 m腳線長度的電爆裝置，并進行電磁脈沖響應(yīng)分析是十分必要的。這里選用腳線長度為100 mm及1 m的EED進行說明，詳見圖3－圖6。

EED在電磁脈沖環(huán)境下的感應(yīng)電流振蕩周期與EED的腳線長度有直接關(guān)系，可用下式進行計算［5］：

式中：Tcurrent為電流的振蕩周期；L為EED的腳線長度；c為電流在EED中的傳播速度，近似為光速（3×108m／s）。

圖2 激勵信號——MIL-STD-461F標(biāo)準(zhǔn)

圖3 腳線長度100 mm，EED感應(yīng)電流波形

圖4 腳線長100 mm，EED感應(yīng)電流頻域分布

圖5 腳線長1 m，EED感應(yīng)電流波形

圖6 腳線長1 m，EED感應(yīng)電流頻域分布

圖7 電爆裝置腳線長度與感應(yīng)電流峰值的關(guān)系示意圖

另外，分別對不同腳線長度的EED進行電磁脈沖電流響應(yīng)分析。結(jié)果顯示：隨著EED腳線長度的增加，EED的感應(yīng)電流幅度不斷增大，電流的周期也變大；EED感應(yīng)電流的大小與腳線長度呈大致的線性關(guān)系，見圖7。

另外，同樣腳線長度情況下，通過修改EED的橋絲電阻，分別為1，5，10，15Ω，發(fā)現(xiàn)EED橋絲上感應(yīng)的電流變化不大。因此可以判斷EED感應(yīng)的電流大小主要與EED的橋絲展開長度有關(guān)，橋絲電阻對感應(yīng)電流的影響較小（見表1）。同時，電爆裝置腳線的半徑對感應(yīng)電流同樣有一定的影響，本文暫不做說明，使用的腳線半徑均為0.2 mm。

表1 變化換能元電阻值，同狀態(tài)（腳線長5 cm）下EED感應(yīng)電流峰值對照表

不同腳線長度電爆裝置在電磁脈沖環(huán)境中的計算結(jié)果表明，在實際使用中，腳線的長短對于感應(yīng)電流的影響很大；在電爆裝置的電磁脈沖防護中可以通過減小電爆裝置腳線的長度來降低電磁脈沖對EED的危害。

5 不同脈沖環(huán)境分析

選取 MIL-STD-461F，MIL-STD-2169，BELL實驗室和1976年脈沖，進行EED不同脈沖寬度的響應(yīng)分析。

樣品選擇：腳線長度為50 cm，橋絲電阻為5Ω，平行電場方向放置。

電磁脈沖波形隨著年代的發(fā)展，上升沿越來越快速，半高寬度越來越短。下面介紹各種電磁脈沖對EED的響應(yīng)分析，研究同樣技術(shù)條件下，EED橋絲上感應(yīng)的電流大小，分析不同電磁脈沖對EED的危害影響，詳見圖8－圖12。

圖8 4種脈沖標(biāo)準(zhǔn)的對比

圖9 MIL-STD-461F脈沖EED感應(yīng)電流

圖10 MIL-STD-2169脈沖EED感應(yīng)電流

圖11 BELL脈沖EED感應(yīng)電流

經(jīng)過計算分析可以看出，同樣腳線狀態(tài)下，4種電磁脈沖對EED上感應(yīng)的電流周期基本一致；上升時間快，脈沖寬度窄的MIL-STD-461F環(huán)境在同樣腳線長度的電爆裝置橋絲上感應(yīng)電流峰值最高，能量最大，因此對EED的影響也為最大。

常規(guī)電爆裝置的電容器發(fā)火能量為1×10－5～1×10－3J量級。當(dāng)腳線長度為50 cm時，4種脈沖環(huán)境下電爆裝置感應(yīng)能量都在1×10－5J量級左右，根據(jù)GJB 786—1990《預(yù)防電磁場對軍械危害的一般要求》［6］，足以威脅到電爆裝置的安全性和可靠性。

圖12 1976年脈沖EED感應(yīng)電流

6 結(jié) 語

隨著大功率定向能武器在戰(zhàn)場上的大規(guī)模應(yīng)用，特別是能夠產(chǎn)生快上升前沿的電磁脈沖武器，使得武器裝備、分系統(tǒng)、甚至是電爆元件都承受著嚴(yán)酷的考驗。研究EED的電磁脈沖效應(yīng)，分析EED的電磁脈沖易損性，評價EED在電磁脈沖環(huán)境下的安全性可靠性，對于保障武器裝備的安全性和可靠性至關(guān)重要。

通過電磁場理論對電爆裝置電磁脈沖電流響應(yīng)問題進行了一些的計算分析，給出了一定的結(jié)論，對于實際測試工作的開展非常有利。

［1］ ANSIC63.14，American National Standard Dictionary for Technologies of Electromagnetic Compatibility（EMC），Electromagnetic Pulse（EMP），and Electrostatic Discharge（ESD）［S］.

［2］ 謝彥召，王贊基，王群書，等.高空核爆電磁脈沖波形標(biāo)準(zhǔn)及特征分析［J］.強激光與粒子束，2003，15（8）：781-787.

［3］ 姚洪志.工業(yè)電雷管電磁兼容性和安全性研究［M］.［S.l.］：［s.n.］，2008.

［4］ MIL-STD-461F，Requirements For the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment［S］.

［5］ 敬文濤.導(dǎo)彈線纜高空核爆電磁脈沖耦合效應(yīng)的研究［M］.北京：國防科技大學(xué)，2004.

［6］ GJB 786—1990，預(yù)防電磁場對軍械危害的一般要求［S］.

TN97

A

1008-1542（2011）07-0045-04

2011-06-20；責(zé)任編輯:張士瑩

姚洪志（1985-），男，遼寧錦州人，工程師，主要從事電爆裝置電磁兼容性方面的研究。