艦載相控陣雷達對火工品安全影響?

張 旭 馬志剛 邱立軍 楊祥紅

（1.海軍航空大學 煙臺 264001）（2.海軍裝備部 北京 100841）

1 引言

為有效地應對海上艦艇編隊在復雜電磁干擾環境下來自多方位的武器威脅，抗擊空中、海上多方向、多批次飽和攻擊，各國海軍相繼發展了艦載相控陣雷達。如美國“提康德洛加”級導彈巡洋艦“宙斯盾”武器系統AN/SPY-1相控陣雷達，法國戴高樂號核動力航空母艦ARABEL相控陣雷達，日本朝霧級導彈驅逐艦OPS-24有源相控陣雷達等［1］。艦載相控陣雷達是海上信息戰的重要信息來源，可擔負警戒、跟蹤、火控、導航、艦載機的引導以及氣象探測等多項任務，使艦艇技術性能和作戰性能得到顯著提高。同時，艦載相控陣雷達也使艦船電磁環境更加復雜化，其強大的電磁能量輸出對艦載彈藥電火工品安全也帶來了潛在威脅和風險。因此，研究艦載相控陣雷達特點，分析其對電火工品作用機理和效能，對提高彈藥火工品的使用安全，減少盲目性，最大限度消除安全隱患有著重要的作用和軍事意義。

本文以艦載相控陣雷達為單一輻射源，以簡化的艦船模型為研究基礎，采用FEKO、ANSYS HFSS電磁仿真軟件，從單一因素入手，建立艦船電磁環境，著重分析艦載相控陣雷達電磁環境對電火工品作用過程，確定典型風險狀態和參數，給出仿真分析結果。分析過程對多因素、多任務條件下復雜艦船電磁環境對電火工品安全性影響研究有一定的借鑒作用。

2 艦載相控陣雷達電磁環境

隨著現代海戰技術的發展，艦載雷達性能的優劣對整個作戰起到至關重要的作用。艦載相控陣雷達集搜索、識別、跟蹤、制導和探測等功能于一體，具有良好的抗干擾性能和工作可靠性，因此，美國、俄羅斯、法國、英國、日本等國競相研制并裝備了艦載相控陣雷達，以提高水面艦艇的作戰能力。典型的相控陣雷達主要由天線、發射機、接收機、信號處理機、數據處理機和顯示器組成。不同于機械式雷達，相控陣雷達的天線由許多輻射單元排列而成，而各個單元的饋電相位由計算機靈活控制，形成在空中可移動的波束，從而實現電掃描［2］。

以“宙斯盾”作戰系統為例，其主傳感器是洛克希德·馬丁公司研制的S（3.1GHz～3.5GHz）波段AN/SPY-1三坐標多功能相控陣雷達。每一部AN/SPY-1雷達包含4部直徑3.7m、共4350個單元的天線，峰值功率5MW，平均功率32kW。該天線呈45°傾斜安裝在艦船的上層結構［3］。

為研究艦載相控陣雷達對彈藥火工品的作用機理，在FEKO的CADFEKO環境中建立簡化艦船模型［4］，主要尺寸分別為長160m，寬20m，高37m，結構如圖1所示。四部天線分別置于模型中部四棱臺的四個平面上，設工作頻率為S波段中間值3GHz，各個天線俯仰角及方位角均為0°。

為確定艦載相控陣雷達電磁場分布特性，利用FEKO CADFEKO仿真環境，在艦船模型的前、后、左、右分別放置一個平面波作為天線激勵源，如圖2所示。激勵源參數設置如表1所示。

表1 平面波激勵波參數設置

由于艦船具有電大尺寸和特電大尺寸三維目標特性，本文采用多層快速多極子技術（MLFMM）進行天線電磁環境仿真。

MLFMM技術是電磁場仿真軟件FEKO的核心算法［5］，也是水面艦艇短波電磁環境仿真預測的理論基礎。

快速多極子方法的數學基礎是矢量加法定理，其原理是將目標表面離散得到子目標分組，根據任意兩個子目標間互耦關系的不同，自身組和相鄰組采用直接矩量法計算，非相鄰組采用聚合-轉移-配置方法計算。

多層快速多極子方法（MLFMM）則是快速多極子方法在多層級結構中的推廣應用。采用多層分區計算，逐層聚合、逐層轉移，逐層配置、嵌套遞推。對于三維結構，用一個立方體包圍目標，第一層得到8個子立方體。隨著層數增加，每個子立方體再細分為8個更小的子立方體，直到最細層滿足要求為止。

多層快速多極子技術（MLFMM）基于分層的數組算法，能比矩量法（MOM）更快地解決復雜的高頻問題，具有計算內存少、精度高、收斂較快等特點［6］，因此，本文船體采用MLFMM法求解混合積分方程（CFIE）進行計算。

由于雷達頻率（freq）較高，艦船模型尺寸較大（以驅逐艦為仿真背景），以邊長為λ/6劃分網格，網格數超過570 000 000，數量太過巨大，遠遠超出一般PC機計算能力，故本文設縮放系數sf為0.001，相應的波長采用λ=c0/freq/sf形式，其中c0為光速。電磁場3D分布結構如圖3所示，甲板平面電磁場2D分布如圖4所示，甲板平面電磁場極坐標分布如圖5所示。

由FEKO的POSTFEKO近場仿真結果可知，在艦面區域范圍內，當Y軸值分別取0.25m、12.75m時，場強沿X軸（艦船縱軸）分布如圖6所示。

為直觀了解相控陣天線在艦面區域場強分布情況，對3GMHz頻率信號進行了近場分析。由于甲板平面電磁場分布密集度高、強度大且分布變化較大，本文僅列出了該部分水平面典型位置場強分布值。相控陣雷達工作時艦面近場場強分布如圖7所示。

場強分布圖中明顯的波紋形狀變化，是由相鄰雷達的副瓣相互干涉形成的。由以上仿真結果可以看出，艦上相控陣雷達同時工作時，艦船甲板部區域場強值較高，部分區域強值最大可達到25kV/m。

GJB1389A-2005《系統電磁兼容性要求》中規定的“電磁輻射對軍械危害的外部電磁環境”要求如表2所示［7］。

表2 艦船甲板上工作的外部電磁環境

對比分析可知，在整個甲板區域存在較高的場強，大部分區域電場強度遠大于表2所規定的露天區域臨界電平值水平，因而應避免雷達主波束直接照射武器裝備。在開展相控陣天線對火工品安全影響分析時，考慮到艦載裝備主要布置于艦船中部附近，則應以場強值不小于10kV/m作為火工品電磁信號照射源，重點研究其對電火工品作用機理，并進行風險評估。

3 電磁環境對電火工品作用機理

電火工品主要由管殼、加強帽、電極塞、橋絲、起爆藥、猛炸藥及引線等組成［8］。電火工品基本結構如圖8所示。

電磁輻射對電火工品的危害能量傳輸有兩種方式：一是通過直接的電氣通道以傳導方式注入電磁輻射能量；二是通過空間電磁輻射以電磁波形式輸入電磁能量。實際使用過程中，電火工品通常是暴露在周圍的電磁場中，所以絕大多數電磁危害是通過電磁波形式進行的。電磁波對電火工品的影響主要以電流的形式通過腳線作用于橋絲換能元件，使橋絲換能元件產生感應電流導致熱積累［9］。電磁環境中火工品響應過程如圖9所示。

分析計算時，首先考慮電火工品可能的使用結構狀態和發火模式，并將其表征為適當的天線。可將圖8電火工品基本結構等效為環形接收天線，并設接收天線的有效孔徑為Ae。設Pˉ0為火工品引線附近（等效接收天線處）電磁場平均功率密度，則火工品所接收到的電磁輻射功率為

式中：Pr為接收天線接收到的電磁輻射功率（W）；Pˉ0為接收天線處的平均功率密度（W/m2）；Ae為接收天線的有效孔徑（m2）。

A火工品等效天線有效孔徑表達式為［10］

天線方向系數DF的取值與L/λ有關：

式中：A為火工品實際環路面積（m2）；RT為火工品電磁輻射阻抗的電阻分量（Ω）；L為火工品等效環路周長（m）；λ為電磁波波長（m）。

發射機天線在火工品接收天線處所成電磁輻射場的功率密度為［11］

式中：Pt為發射機輸出功率（W）；Gt為發射天線的增益；d為電火工品與發射機天線之間距離（m）；Pˉ0為電火工品所在位置的功率密度（W/m2）。

在仿真分析模型建立中，火工品腳線結構按實際幾何模型進行建模，由于換能元尺度很小，其具體幾何模型暫不考慮，在仿真計算中考慮其阻抗效應，將其簡化為有一定電阻的元件。

本文著重對火工品引線附近（即等效接收天線處）接收到的電磁耦合能量在橋絲上所產生的電磁感應電流進行仿真分析。

4 電火工品電磁模型及仿真分析

本文選擇某通用型電火工品為建模對象，在充分了解火工品組成、結構、材料等特征的基礎上，首先建立物理模型，并依據電磁特性參數（相對介電常數和磁導率等）構建火工品電磁模型。對電火工品組件在頻率范圍0.1MHz～40GHz內電磁響應進行仿真分析，獲得了頻率與橋絲電響應曲線。

4.1 火工品電磁模型建立

某通用型電火工品由本體組件、點火藥柱、發火頭組件、電連接器組件、電發火頭、焊橋電極塞、濾波器、殼體、保護帽、導線等部分組成，結構相對復雜。

火工品部件物理建模示意見圖10。

將待檢測材料壓制成圓柱形狀，利用平板電極將其接入到材料阻抗分析儀或者矢量網絡分析中，通過端口的S參數，以及電極距離、圓柱直徑等結構參數，獲得材料的相對介電常數和磁導率。測量的基本布置如圖11所示。

依據電火工品結構參數以及材料電磁參數，基于ANSYS HFSS電磁場仿真軟件建立相關材料的數據庫，同時獲得電火工品的仿真模型。

4.2 電磁響應仿真分析

基于ANSYS HFSS仿真軟件建立的仿真模型，同時建立仿真的邊界范圍［12］。由于本文采用外部激勵場建立最終橋絲電流響應的方式。因此在仿真邊界條件設置的過程中采用的是輻射邊界條件。外部激勵設置如圖12所示。求解器設置如圖13所示。

通過仿真獲得了電火工品在頻率范圍0.1MHz-40GHz內其內部橋絲感應電流情況如圖14所示。

5 結語

通過仿真獲得了某通用型電火工品在頻率范圍0.1GHz～40GHz內其內部橋絲感應電流情況。從仿真數據來看，當外部激勵場為1V/m時，在橋絲上感應的最大電流達到或接近2mA，大部分頻率上感應電流都在0.5mA以下。感應電流較大的頻率范圍主要出現在25GHz以上。

綜合相控陣雷達天線工作時電磁分布值分析可知，當相控陣雷達工作時，在艦船甲板范圍內，局部會有10kV/m以上電場分布，并在電火工品上產生接近20A的感應電流，遠大于電火工品安全電流范圍值，對電火工品安全構成嚴重影響。因此，必須從雷達工作時間控制和艦載裝備電火工品電磁防護等多方面進行綜合考慮，將風險降低到最小限度。

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