齊射高炮引信電磁兼容性分析:失效機理與應用建議

熊久良，武占成，孫永衛，高樂南

(1.軍械工程學院 靜電與電磁防護研究所，河北 石家莊050003;2.防空兵指揮學院，河南 鄭州450052)

0 引言

某高炮防空旅使用某型榴彈引信進行了實彈射擊，在單炮射擊過程中，未發生早炸情況;改為連齊射，引信發生早炸，早炸率約為引信設計早炸率的數倍。從實彈射擊情況可知，引信間存在相互干擾，即所謂的電磁兼容問題［1-2］。目前在引信電磁兼容方面已有大量研究成果，這些研究成果大都基于非引信的外部干擾［3-6］，而針對引信間相互干擾的研究卻鮮見報道。文獻［1］在分析自差收發機的電磁兼容性中指出，引信齊射或連射過程中理論上會存在電磁兼容問題。然而，由于缺乏實彈打靶驗證，引信間的電磁兼容問題并沒有引起太大關注。目前，實驗室中對引信間電磁兼容問題的系統研究尚未見到公開報道。為分析部隊實彈打靶引信早炸率過高原因，解決該引信實戰使用難題，提出了實驗室內引信互擾效應試驗方法，開展了引信互擾效應試驗，確定了引信失效機理，并提出了引信的戰場使用建議。

1 試驗方法

從實彈打靶情況來看，引信齊射過程中互擾效應與引信間的相對狀態有關，而與每發引信的絕對狀態無關。因此，構建兩引信互擾效應試驗系統，如圖1所示。控制系統用來調整試驗參數、發送控制指令并顯示部分受試設備狀態參數。狀態調整裝置接收控制指令，調整兩受試引信的相對狀態。信號監測系統用來實時測試和記錄受試引信工作參數和響應信號變化情況。為保證試驗的準確性，整個試驗系統放置于屏蔽室中。為保證試驗的安全性和可靠性，按照文獻［4］的方法對引信進行改裝，并將引信測試線引出以方便測試。以引信是否輸出發火信號為判斷標準，來評判引信間是否產生了互擾效應。

圖1 試驗配置圖Fig.1 Experimental setup

為定量評價引信互擾效應程度，定義引信臨界互擾距離為:兩引信間產生相互干擾而導致引信意外起爆的最大距離。考慮到兩引信相對狀態的影響因素主要包括:相對速度、相對姿態、相對高度、輻射能量、輻射頻率等，因此，進行兩引信互擾效應試驗時，需要研究以上因素對引信互擾效應規律的影響。具體試驗方法:1)試驗前利用接收天線、頻譜儀和示波器等，在相同輻射條件和測試條件下測試并記錄引信輻射能量、輻射頻率等基本性能參數;2)受試引信以最強能量耦合姿態［7］處于同一水平面內，一發引信固定，另一發引信移動，采用直流穩壓源為兩發受試引信供電。調整兩受試引信的相對狀態，研究不同因素對引信臨界互擾距離的影響;3)試驗過程中實時監測引信輻射參數及發火信號，記錄引信的試驗狀態和結果。

2 試驗結果與分析

2.1 不同條件下引信互擾試驗結果與分析

2.1.1 不同相對速度和相對高度試驗結果與分析

為分析相對速度對互擾效應的影響，取兩組試驗引信，每組引信經摸底試驗發現都能產生互擾效應。試驗過程中，兩引信處于同一水平面內，一發引信固定放置，另一發運動。兩引信全部采用豎直放置方式，以不同速度、最強能量耦合姿態接近。對于相對高度對引信互擾效應的影響，取一組可以產生互擾效應的試驗引信，一發引信固定豎直放置，另一發引信以不同相對高度、相同速度靠近固定引信。試驗中，利用直流穩壓源對兩引信同時加電，觀察引信發火情況，記錄不同條件下引信意外發火瞬間引信臨界互擾距離。試驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 不同相對速度下互擾臨界距離Fig.2 Threshold interactional distances at different relative velocities

圖3 不同相對高度下互擾臨界距離Fig.3 Threshold interactional distance at different relative height

從圖2中可以看出，兩引信無論在相對靜止狀態下(即相對速度為0)還是在相對運動狀態下，在試驗條件下都會出現意外發火。相對運動狀態下臨界互擾距離要大于靜止狀態，并且隨著相對速度的增大，臨界互擾距離也存在增大趨勢，但是增加的絕對量較小。可見，引信臨界互擾距離與相對速度有關，但是當相對速度高于一定值時，相對速度對臨界互擾距離影響不大。考慮到測試誤差，第1 組引信的臨界互擾距離約為50 cm，第2 組引信的臨界互擾距離約為135 cm. 從試驗結果中還可以看出，同為0.8 m/s 的相對速度，第1 組引信的臨界互擾距離約為47 cm，而第2 組引信約為134 cm. 可見，相同速度不同引信組合下引信臨界互擾距離不同。可知引信臨界互擾距離不僅與相對速度有關，還受其他因素的影響。

從圖3中可以看出，引信臨界互擾距離受相對高度的影響，相對高度越低，引信臨界互擾距離越大。在其他因素不變、只改變相對高度的試驗條件下，當相對高度約為40 cm 時，引信間不再產生互擾效應。另外，試驗中發現，當引信發生互擾效應時兩引信同時意外發火，并且發火瞬間引信輻射頻率和能量變為同一數值。

2.1.2 不同夾角和射角試驗結果與分析

選取一組可以產生互擾效應的引信，固定引信能量耦合方向、相對高度，分別調整引信夾角和射角，使引信處于不同姿態，以相同速度使兩發引信靠近，研究不同夾角、不同射角對引信互擾效應的影響。試驗中同時對受試引信加電，觀察受試引信發火情況，記錄不同姿態下引信意外發火瞬間引信臨界互擾距離。試驗結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同相對姿態下互擾臨界距離Fig.4 Threshold interactional distances in different relative poses

圖5 不同射角下互擾臨界距離Fig.5 Threshold interactional distances at different firing angles

從圖4中可以看出，不同姿態下引信的臨界互擾距離不同，即引信臨界互擾距離與兩引信的夾角有關。兩引信豎直向上姿態時(夾角為0°)，引信臨界互擾距離最大約為50 cm;引信頭部相對時(夾角為180°)，引信臨界互擾距離最小，約為9 cm. 從試驗結果中還可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著夾角的增大，引信臨界互擾距離逐漸減小。這主要是因為受試引信為彈體天線，其天線方向圖呈橫“8”字型，輻射能力兩邊最強，中間最弱。可以看出，引信姿態的改變實際上是改變了引信的輻射(或接收)的能力，從而影響了引信的相互干擾能力。

從圖5中可以看出，不同射角下引信臨界互擾距離基本沒有變化。實質上，由于射角與火炮和目標的位置有關，當火炮位置固定后，射角就只決定于目標的垂直高度。對于兩門火炮而言，不管目標的垂直距離如何變化，3 個坐標點在同一個平面內，即目標垂直距離變化時，兩引信的射角同時變化。可見，射角變化時，兩引信的相對狀態并沒有產生任何改變。試驗中也發現引信發生互擾效應時兩引信同時意外發火，并且發火瞬間引信輻射頻率和能量變為同一數值。

2.1.3 不同輻射頻率和能量試驗結果與分析

為研究不同輻射參數對引信互擾效應的影響，試驗中分別采用頻差相同而輻射能量不同以及輻射能量相近而頻差不同的引信組合進行對比試驗。兩引信以最強能量耦合姿態放置，以相同速度、相同高度、固定姿態接近，利用直流穩壓源對引信同時加電，觀察受試引信發火情況，記錄不同速度下引信意外起爆瞬間引信臨界互擾距離。試驗結果如圖6、圖7所示。

圖6 不同輻射頻率下互擾臨界距離Fig.6 Threshold interactional distances at different radiation frequencies

圖7 不同輻射能量下互擾臨界距離Fig.7 Threshold interactional distances in different radiation energies

從圖6中可以看出，不同頻差下，引信臨界互擾距離不同。頻差越小，臨界互擾距離越大，即引信相互間越容易干擾。可見，要產生引信互擾效應必須滿足一定的頻差范圍。對比圖6中不同引信組合試驗結果可知，不同引信組合即便有相同的頻差，引信臨界互擾距離仍然有很大差別。這從一個側面證明了引信輻射能量對引信互擾距離存在影響。

從圖7中可以看出，相同頻差不同輻射能量下，引信臨界互擾距離不同。可見，引信互擾效應受到引信輻射能量大小的影響。另外，試驗中也發現引信發生互擾效應時兩引信同時意外發火，并且發火瞬間引信輻射頻率和能量變為同一數值。

2.2 失效機理分析

2.2.1 理論分析

從實際打靶場景可知，兩引信在產生互擾效應的時刻，對于其中一發引信而言，另外一發引信可以看成有源干擾。文獻［8］研究表明，當外加干擾信號頻率與引信自差機工作頻率接近時，可以產生牽引振蕩，使得引信檢波端輸出信號波動導致引信意外發火。可以推測，引信發火的原因是由于在互擾時刻兩引信的狀態參數(頻率和能量)達到了牽引振蕩的需求，產生頻率牽引導致了引信意外發火。

對于牽引振蕩而言，只要頻率和能量滿足牽引的要求，就能產生有效的干擾，這種干擾是和相對運動速度無關的。然而，試驗中發現，不同相對速度下引信的臨界互擾距離并不完全相同，特別是運動狀態和靜止狀態結果有較大差距。可見，引信能否意外發火是和相對速度有關的。也就是說，相對速度的存在提供了引信牽引需要的條件。可見，雖然在互擾時刻兩引信由于頻率牽引而意外發火，但是在互擾以前兩引信的工作狀態參數并不能滿足頻率牽引條件。換句話說，由于相對運動速度的存在，使得引信工作參數發生變化，在臨界互擾距離內都滿足頻率牽引條件，從而導致了引信意外發火。

從自差機振蕩理論可知［8］，其振蕩電路是一個變參量的電路，即其電路中的分布參數受外界影響比較大。假定振蕩回路的振蕩頻率f 為

式中:L、C 分別為振蕩電路的參數。

當各種因素使L、C 的變化量分別為ΔL、ΔC時，振蕩頻率的變化量可表示為

(2)式和(3)式表征的是振蕩電路頻率穩定程度。可見，振蕩器的振蕩頻率主要取決于振蕩電路的L、C，任何改變參數值的因素都會影響振蕩電路工作狀態。

在試驗中發現，引信互擾效應只有在臨界距離內才能發生。由于頻率牽引只有在滿足頻率和能量要求時才能發生，可以得到臨界互擾距離與引信輻射參數的關系如(4)式所示。

式中:f1為引信1 輻射頻率;f2為引信2 輻射頻率;E1為引信1 輻射能量;E2為引信2 輻射能量。

只要f1、f2、E1、E2中有參數變化，那么引信臨界互擾距離λ 就會改變。從試驗結果可知，相對速度、夾角、相對高度等因素都會影響上述參數。根據天線互易定理和文獻［9 -12］的研究結論可知，引信自身的輻射能力(輻射頻率和能量)以及對外在信號的接收能力與引信方向圖、天線體制、相對極化方向、相對距離等參數特性有關，任何影響上述參數的因素，都會影響引信的實際輻射能力和對干擾信號的實際接收效果。試驗中相對速度、加電方式的不同改變了兩引信振蕩電路的參數，從而使得f1、f2發生變化;而相對夾角和相對高度實際上是改變了引信的姿態，即改變了引信天線方向圖，引信輻射信號的能力和接收能量的能力都會隨之改變，從而使得引信接收到的E1、E2發生變化。

從振蕩電路的分析中可以看出，只要能夠影響引信振蕩電路的電容或電感參數就能造成引信輻射參數的改變。對于受試引信而言，其自差機振蕩器由集中參數元件和分布參數元件構成，其等效的電容三點式振蕩回路中的電感和電容分別由天線的等效電感和晶體三極管的極間電容來擔任。從兩引信的作用過程來看，在兩引信靠近過程中，其姿態在不斷變化，引信振蕩回路的分布參數產生了變化，使得引信輻射參數不斷變化，產生類似掃頻的效果。當兩引信輻射參量變化到滿足頻率牽引條件時，就會導致引信意外發火。

2.2.2 試驗驗證

為驗證理論分析結論，在試驗過程中，利用美國Tektronix 公司生產的RSA3408A 實時頻譜分析儀(DC ～8 GHz)實時觀察和記錄引信輻射參數變化情況，利用示波器對引信互擾瞬間檢波電壓信號和發火信號進行測試，結果如圖8～圖10 所示。

從圖8和圖9中可以看出，只有在一定距離范圍內引信才能發生互擾效應，并且不論是靜止狀態還是運動狀態，在互擾發生時刻兩引信的頻率和能量都在不斷變化。從圖8和圖9中也可以明顯地看出，互擾時刻發生了頻率牽引，兩引信的輻射頻率變為同一頻率，這一結論與文獻［1］的結論相同。對比圖8和圖9還可以看出，運動狀態下，引信輻射參數變化要比靜止放置下變化更劇烈。可見，引信的相對運動狀態對引信互擾條件有著一定的影響。從圖10 中可以看出，產生互擾效應瞬間，引信檢波電壓產生了波動，電壓波動峰值約為2.5 V. 根據引信信號處理特點，該檢波電壓信號完全能夠導致引信誤動作。

圖8 不同距離固定放置條件下兩引信輻射頻率及能量變化情況Fig.8 Changing results of radiation frequency and energy when fuzes are fixed at different distances

綜上可以得出打靶引信互擾機理為:引信接近互擾過程中，由于引信相對狀態的影響，使得兩引信輻射參數處于不斷變化中;兩引信同時進行類似于掃頻模式的干擾;當兩引信輻射參數滿足牽引需求時，就會產生頻率牽引，導致引信檢波電壓出現波動，從而使引信意外發火。

3 引信戰場應用建議

圖9 0.5 m/s 相對速度下引信輻射頻率及能量變化情況Fig.9 Changing results of radiation frequency and energy at relative velocity of 0.5 m/s

圖10 引信互擾時刻信號測試結果Fig.10 Signal test in interaction time

從以上分析可知，在安全距離外，受引信設計技術原因，在進行連齊射時，早炸問題無法避免。考慮到部隊的實際作戰應用需求，在不設計新型引信的前提下，通過戰術應用來降低引信的早炸率是最直接有效的途徑。從互擾效應規律可以看出，只有在一定距離范圍內，引信才能產生互擾。因此，根據引信的特點，合理調整陣地上的火炮布局，以降低相鄰引信產生干擾的概率是較為可行的方法。

從引信工作特點可知，從炮目垂直面上看，引信彈著點對散布中心的綜合偏差服從二維正態分布，其平面誤差是由方向和高低兩個相互獨立的分誤差合成的，且都符合正態分布，其概率密度函數可表示為

二維平面隨機誤差的概率密度函數可表示為

(5)式～(7)式中:X、Y 分別為方位誤差和高低誤差;分別為x、y 的數學期望;Ex、Ey分別為x、y 的公算偏差;ρ 為炮兵常數。

以兩門火炮為例，引信在飛行過程中產生互擾效應時的狀態如圖11 所示。圖中:O 為火炮陣地中心;P1、P2為兩火炮位置;R 為火炮間距;M 為目標;M'為目標投影坐標點;H 為目標高度;ε1、ε2為兩火炮的射角;d1、d2為引信的實際飛行距離;D1、D2為炮目斜距離;O1、O2分別為引信在距離d1、d2上的散布區域的中心;O1X'Y'為炮目垂直面上以O1為原點建立的坐標系;Q1、Q2分別為臨界互擾距離在散布區域中與X'軸的交點。考慮炮目斜距離遠大于火炮間距，可認為兩炮目斜距離D、實際飛行距離d以及散布區域相同。從圖中的三角關系可知:

即

圖11 兩引信互擾狀態圖Fig.11 Interaction state of the fuzes

值得注意的是，實際散布通常是表定散布的2 ～3 倍，計算時取2.5 倍的中間偏差，這樣更符合實際情況。以實彈打靶中的“二四二”布局為例，在綜合標定情況下8 門火炮的坐標P1～P8依次為(-R/2，R)、(R/2，R)、(-3R/2，0)、(- R/2，0)、(R/2，0)、(3R/2，0)、(- R/2，- R)、(R/2，- R)。記Pi、Pi+1，i=1，2，…，7，引信在距離d 處在牽引距離λ 內的概率為Pij，則8 門火炮中任意兩發引信在距離d 處在牽引距離內的概率為

將(10)式代入(11)式可知:

假定開火距離為1 500 m，高度為400 m，平均臨界牽引距離為0.5 m，根據不同引信實際飛行距離，通過查火炮射表得到公算偏差，數學期望取4 倍公算偏差。從而可以計算得到不同火炮配置距離R，不同引信實際飛行距離d 處，兩引信處于牽引距離內的概率。計算結果如圖12 所示。

圖12 不同火炮間距和飛行距離下的引信牽引概率Fig.12 Pulling rates at different flying distances

從圖12 中可以看出，在火炮配置間距R 不變的情況下，任意兩發引信在牽引距離內的概率隨著引信飛行距離d 的增加而增大;在一定飛行距離d 下，進入牽引距離的概率隨著火炮配置間距的增加而減小。從而可知，適當增加火炮間距可有效減小引信早炸率。

4 結論

針對打靶引信早炸率過高的問題，研究了引信的互擾效應規律和失效機理，并提出了打靶引信戰場使用建議。研究發現，引信相對速度、相對姿態、相對高度、輻射能量、輻射頻率等因素都會對引信臨界互擾距離產生影響;齊射條件下引信早炸率過高的原因為:各種因素使得相互靠近中的引信輻射參數不斷變化，當輻射參數滿足頻率牽引需求時，將發生頻率牽引效應，導致引信意外起爆;另外，由于引信生產過程中頻率的散布性使得齊射條件下靶試引信互擾問題無法避免。雖然合理火炮布局可以有效地降低引信早炸率，但無法根本解決此問題。使用比較成熟的技術研制新的無線電引信或進行靶試引信徹底改造是解決此問題的根本所在。

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