魚雷電磁兼容性綜合管理與控制

譚靜儀, 潘 進(jìn), 王凱國, 楊進(jìn)候

魚雷電磁兼容性綜合管理與控制

譚靜儀1, 潘 進(jìn)2, 王凱國2, 楊進(jìn)候2

(1. 中山大學(xué) 新華學(xué)院, 廣東 廣州, 510520; 2. 中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

電磁兼容性(EMC)是魚雷通用質(zhì)量特性中衡量魚雷內(nèi)部涉電組件之間, 以及魚雷與武器系統(tǒng)平臺、作戰(zhàn)空間之間電磁環(huán)境承受能力和作用影響的重要指標(biāo)。文中結(jié)合魚雷EMC設(shè)計與驗證過程, 綜合試驗實施及整改中的經(jīng)驗與教訓(xùn), 總結(jié)提煉魚雷全壽命周期內(nèi)EMC綜合管理與控制的方法, 并通過產(chǎn)品驗證, 為魚雷的EMC管理與控制提供了參考。

魚雷; 電磁兼容; 管理; 控制

0 引言

魚雷是集小信號調(diào)理采集、大數(shù)據(jù)運(yùn)算處理、高速總線信息傳輸、大電流驅(qū)動控制等于一體的水下攻防裝備。

在其有限的體積和重量約束條件下, 集成有自導(dǎo)、引信、控制等系統(tǒng)的涉電組件, 同時內(nèi)部有大量靈敏傳感器和大功率變換電路, 相互之間電磁干擾及敏感防護(hù)要求較高; 且在潛艇、水面艦船、直升機(jī)、固定翼飛機(jī)、火箭助飛及高空滑翔等多平臺使用, 因此使用方對各型魚雷提高自兼容性和滿足平臺總體電磁兼容性(electromagn-etic compatibility, EMC)設(shè)計的需求不斷增強(qiáng)。

面對內(nèi)部復(fù)雜電磁環(huán)境和外部密集電磁干擾的現(xiàn)狀, 在魚雷設(shè)計、生產(chǎn)、工藝、試驗和使用等各個環(huán)節(jié)均應(yīng)采取相應(yīng)的EMC技術(shù), 因此, EMC管理與控制應(yīng)貫穿于魚雷產(chǎn)品研制到使用的全過程[1]。

魚雷的EMC主要包括電磁干擾性和電磁敏感度兩部分, 目前針對魚雷內(nèi)部組件EMC的管理控制主要包括前期的設(shè)計控制及后期以GJB 151A/B中CE、RE、CS、RS項目要求為依據(jù)的考核控制, 對系統(tǒng)間的EMC控制大多遵循GJB 1389A的規(guī)定, 但滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并不能表征其具備良好的EMC性能, 中間狀態(tài)管理控制尚缺乏成熟的驗證手段。文中根據(jù)魚雷研制流程結(jié)合多型號生產(chǎn)試驗經(jīng)驗, 提出一種基于數(shù)據(jù)模型管理、變量迭代開發(fā)的全壽命周期EMC管理控制方法, 旨在對魚雷研發(fā)過程中的EMC進(jìn)行管理控制。

1 EMC管理與控制現(xiàn)狀分析

國外武器裝備先進(jìn)制造國家大部分都已建成完善的EMC管理機(jī)構(gòu), 制定了健全的技術(shù)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 具有完整的EMC測試技術(shù)和實施方法[2]。在管理方面以美軍為例, 其主要采用MIL- HDBK-237D標(biāo)準(zhǔn)對武器裝備的電磁環(huán)境效應(yīng)和頻譜保障性管理工作提供指南, 從裝備的研制、采購及部署全流程進(jìn)行EMC管理, 而控制方面有MIL-HDBK-235系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行EMC約束考核。

國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開展了類似研究, 但對于武器裝備EMC管理控制主要在組織、計劃和實施層面, 而相應(yīng)的EMC管理標(biāo)準(zhǔn)GJB/Z17已實施二十余年, 難以滿足最新技術(shù)實現(xiàn)及驗證的需求[3]。

大量的魚雷工程研制經(jīng)驗教訓(xùn)表明, 魚雷EMC費(fèi)效比存在如圖1所示的關(guān)系。在魚雷研發(fā)生產(chǎn)過程中, EMC問題越早發(fā)現(xiàn), 解決措施越多, 產(chǎn)生費(fèi)用越少, 取得效果越好[4], 因此魚雷研制生產(chǎn)中, 應(yīng)在規(guī)劃論證及方案設(shè)計階段根據(jù)魚雷獨有的電磁特性(如中低頻頻譜分布, 特殊使用平臺電磁環(huán)境等)進(jìn)行多次多方面EMC綜合控制與指標(biāo)分配, 在工程設(shè)計和狀態(tài)鑒定階段進(jìn)行試驗驗證與迭代優(yōu)化, 在批量生產(chǎn)和交付使用階段進(jìn)行信息搜集反饋, 通過多型號多數(shù)據(jù)的融合, 循序漸進(jìn)地進(jìn)行全壽命周期管理控制, 才能取得良好的EMC效果和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 EMC整改費(fèi)效比關(guān)系圖

2 魚雷EMC管理控制策略

魚雷進(jìn)行全壽命周期內(nèi)EMC管理與控制的流程如圖2所示。

1) 論證階段, 利用多型號魚雷的EMC數(shù)據(jù)模型及經(jīng)驗進(jìn)行頂層規(guī)劃, 根據(jù)魚雷工作電磁特性進(jìn)行系統(tǒng)指標(biāo)分解及預(yù)測[5];

2) 方案階段, 確認(rèn)總體EMC指標(biāo), 對各系統(tǒng)進(jìn)行指標(biāo)分配, 根據(jù)以往魚雷型號組件的電磁數(shù)據(jù)模型進(jìn)行系統(tǒng)級EMC預(yù)測與分析, 并根據(jù)相關(guān)仿真分析結(jié)果進(jìn)行方案設(shè)計, 設(shè)計方案需通過EMC評審并進(jìn)行過程控制, 在方案階段可制作相應(yīng)的組件級樣機(jī)產(chǎn)品, 并對樣機(jī)進(jìn)行EMC預(yù)先測試, 測試結(jié)果及優(yōu)化措施加入EMC數(shù)據(jù)庫和EMC知識管理庫, 以預(yù)先測試數(shù)據(jù)結(jié)果為輸入?yún)?shù)修正仿真分析的結(jié)果, 并達(dá)到優(yōu)化方案設(shè)計的目的;

3) 工程設(shè)計階段, 對研制的魚雷系統(tǒng)級產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)先測試, 根據(jù)系統(tǒng)級預(yù)先測試結(jié)果進(jìn)行硬件整改和設(shè)計優(yōu)化, 同時通過半實物仿真、電機(jī)拖動、水下熱車等系統(tǒng)間匹配兼容試驗驗證魚雷產(chǎn)品的電磁自兼容效果, 以相關(guān)試驗達(dá)到預(yù)期目的作為階段管理控制標(biāo)志;

4) 狀態(tài)鑒定階段, 應(yīng)確定EMC考核指標(biāo), 并制定試驗大綱進(jìn)行全雷級EMC試驗, 通過系統(tǒng)級認(rèn)證測試進(jìn)行符合性評估, 對試驗結(jié)果進(jìn)行整改和優(yōu)化;

5) 型號批產(chǎn)階段, 為確保魚雷產(chǎn)品的一致性、工藝可達(dá)性和EMC性能, 需對生產(chǎn)工藝過程中的EMC關(guān)鍵件、關(guān)鍵工序及工藝處理方式進(jìn)行管理控制[6];

圖2 魚雷全壽命周期EMC管理與控制圖

6) 列裝使用階段, 收集部隊使用問題及需求反饋, 對復(fù)雜多變的使用環(huán)境進(jìn)行預(yù)期分析, 對武器平臺的EMC數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集, 不斷地豐富EMC數(shù)據(jù)庫, 為后期其他魚雷型號仿真預(yù)測提供可模擬的電磁環(huán)境變量[7]。

2.1 EMC數(shù)據(jù)庫和知識管理庫

通過對魚雷各型號、各階段EMC試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的處理, 分析魚雷各組件工作機(jī)理及其電磁特性, 重點關(guān)注中低頻段組件(如自導(dǎo)信號預(yù)處理部分、發(fā)電機(jī)換向變換部分等)的電磁特性對魚雷整體電磁指標(biāo)的影響。建立EMC數(shù)據(jù)庫, 作為系統(tǒng)預(yù)測分析的輸入?yún)⒘? 同時優(yōu)化各組件的電磁特征模型。結(jié)合相關(guān)設(shè)計優(yōu)化整改措施, 對試驗記錄和整改措施進(jìn)行分類、總結(jié)和分析, 可形成EMC知識管理庫, 該知識管理庫能夠有效避免由于設(shè)計人員工程經(jīng)驗差異導(dǎo)致的設(shè)計缺陷重復(fù)出現(xiàn), 也能夠規(guī)避由于設(shè)計人員流動導(dǎo)致的設(shè)計經(jīng)驗流失[8]。在數(shù)據(jù)庫不斷充實擴(kuò)大、知識管理庫不斷歸納收斂的過程中, 能夠有效縮短魚雷的設(shè)計時間、降低設(shè)計成本, 提高全雷的EMC性能。

故依托于EMC數(shù)據(jù)庫和知識管理庫積累設(shè)計技術(shù)和工程經(jīng)驗, 有預(yù)見性地配置使用合理的軟件仿真預(yù)測手段和充分的硬件試驗驗證條件, 最終實現(xiàn)魚雷各階段EMC設(shè)計和驗證測試的管理控制。

2.2 EMC預(yù)測與分析

在方案階段對研制總要求進(jìn)行指標(biāo)細(xì)化和分解時, 魚雷內(nèi)部復(fù)雜多樣的電磁環(huán)境導(dǎo)致指標(biāo)分解的合理性與可實現(xiàn)性大打折扣, 因此需采取基于多數(shù)據(jù)融合的全雷EMC分析前置方法對指標(biāo)分配進(jìn)行驗證和調(diào)整, 利用數(shù)值計算方法和系統(tǒng)頂層設(shè)計的分析理論, 結(jié)合已有的型號產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù), 依據(jù)前期所建立的組件電磁特征模型開展全雷的分析預(yù)測, 通過系統(tǒng)EMC參量數(shù)值的迭代調(diào)整, 最終完成全雷系統(tǒng)級EMC指標(biāo)合理分配, 并為EMC驗證試驗提供支撐[9]。

如圖3所示, 基于魚雷工作環(huán)境的電磁特性建立作戰(zhàn)平臺電磁模型、電波傳播衰減模型和自由空間傳輸損耗模型。通過仿真GJB1389A電磁場模型, 來模擬嚴(yán)酷的作戰(zhàn)電磁環(huán)境[10]; 通過仿真建立雷體模型, 對魚雷結(jié)構(gòu)上孔縫和接口進(jìn)行電磁特性分析, 來模擬外界環(huán)境通過該傳輸途徑對雷內(nèi)電磁場的影響; 通過建立雷內(nèi)組件電磁特征模型, 模擬傳輸線纜傳導(dǎo)耦合途徑, 得到輻射頻譜分布圖; 選擇合理的數(shù)值計算方法進(jìn)行仿真分析, 根據(jù)仿真分析結(jié)果提出相關(guān)組件的EMC要求和指標(biāo), 并隨著研制進(jìn)程不斷修正和補(bǔ)充, 進(jìn)一步提高預(yù)測分析系統(tǒng)的通用性和準(zhǔn)確性, 相關(guān)預(yù)測分析數(shù)據(jù)積累加入EMC數(shù)據(jù)庫和知識管理庫, 并作為后期同類型號項目研制基礎(chǔ)。

圖3 魚雷EMC預(yù)測與分析流程圖

2.3 EMC設(shè)計控制

在方案設(shè)計過程中需進(jìn)行魚雷總體設(shè)計控制和原則設(shè)計控制。

2.3.1 EMC總體設(shè)計

EMC頂層總體指標(biāo)確認(rèn)后, 需對魚雷內(nèi)部組件采取時域分配、頻域管理、空域分離和電氣布局等設(shè)計手段, 優(yōu)化內(nèi)部組件間的EMC; 同時通過結(jié)構(gòu)設(shè)計, 電路控制等方式實現(xiàn)魚雷同武器平臺和作戰(zhàn)使用環(huán)境之間的EMC[11]。

1) 時域分配設(shè)計, 采取不同時間段內(nèi)不同組件按時序完成工作任務(wù)的設(shè)計方式來實現(xiàn)對電磁影響的控制[11], 如魚雷自導(dǎo)聲吶分時發(fā)射接收、引信戰(zhàn)斗部分時上電工作等, 在同一時間段內(nèi), 互為干擾源或敏感設(shè)備的組件按要求單一工作, 以避免相互串?dāng)_或發(fā)生敏感等非預(yù)期情況。

2) 頻域管理設(shè)計, 主要是避免不同組件工作頻率或頻段重復(fù), 避免低頻信號的倍頻干擾與其他組件正常工作頻段處于重疊區(qū)域, 如自導(dǎo)引信采用分頻段或跳頻通信的工作模式, 對雷內(nèi)發(fā)電機(jī)或電動機(jī)換向頻率、電源隔離模塊開關(guān)頻率、總線通信頻率等采取分布管理等措施[12]。

3) 空域分離設(shè)計, 是利用電磁場的空間傳播衰減特性及空間矢量方向特性, 對干擾源及敏感設(shè)備的空間布局進(jìn)行控制, 增加組件之間的空間距離[13], 如電機(jī)和靈敏傳感器分艙段布局, 調(diào)整組件之間的安裝方式, 以避免組件結(jié)構(gòu)縫隙開孔方向為電磁場接收或發(fā)射的最大方向。

4) 電氣布局設(shè)計, 雷內(nèi)組件要滿足干擾源和敏感設(shè)備的合理分布, 總線節(jié)點及傳輸線阻抗的匹配符合相關(guān)規(guī)范, 地線網(wǎng)絡(luò)能提供差/共模干擾快速泄放的途徑等總體EMC設(shè)計要求。

5) 結(jié)構(gòu)設(shè)計, 在保證其強(qiáng)度和剛度的總體性能指標(biāo)前提下, 考慮其整體屏蔽效能, 如魚雷頭部結(jié)構(gòu)為屏蔽效能較低的透聲橡膠, 則需要在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上設(shè)計相應(yīng)屏蔽隔板以實現(xiàn)內(nèi)部空間的有效封閉, 提高魚雷殼體的電磁屏蔽能力。

6) 電路控制設(shè)計, 主要采取特殊保護(hù)電路, 提高系統(tǒng)對電磁環(huán)境的耐受程度, 規(guī)劃通信總線和對外接口時考慮到其與外界環(huán)境的交互, 如通過對內(nèi)外交互的電氣接口增加保護(hù)電路, 以提高魚雷整體對雷擊浪涌、靜電和外界強(qiáng)電磁脈沖的防護(hù)能力[14]。

2.3.2 EMC設(shè)計原則

EMC設(shè)計的具體原則主要是對設(shè)計中電源、電路及信號的接地方式、濾波處理方法、印制電路板(printed circuit board, PCB)布局、組件殼體屏蔽等進(jìn)行控制。

1) 良好的接地設(shè)計為電流返回其源提供一個低阻抗通道, 能夠提高系統(tǒng)抗干擾能力和減小電磁干擾發(fā)射, 工藝設(shè)計時應(yīng)著重考慮, 對地線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理劃分, 并可靠接地[15];

2) 適當(dāng)?shù)臑V波處理能夠?qū)崿F(xiàn)電路差/共模干擾的雙向抑制, 在關(guān)鍵位置或節(jié)點(如功率組件入口、魚雷對外交互接口等部位)進(jìn)行濾波處理, 實現(xiàn)對關(guān)鍵頻段或倍頻點的有效抑制, 達(dá)到切斷傳輸途徑的目的[16];

3) 合理的PCB布局, 主要是結(jié)合實際電路進(jìn)行元器件布局、接口布局和地布局, 實現(xiàn)布局布線的優(yōu)化, 提高PCB電路自身EMC性能[17];

4) 正確的屏蔽設(shè)計, 在進(jìn)行組件殼體設(shè)計時結(jié)構(gòu)屏蔽體盡量保持連續(xù), 減小接縫長度, 開孔設(shè)計時, 其開孔效應(yīng)帶來的電磁泄漏影響需進(jìn)行重點控制[18]。

2.4 EMC試驗

在樣機(jī)設(shè)計至狀態(tài)鑒定階段均應(yīng)通過EMC試驗進(jìn)行檢驗評估, 并根據(jù)試驗結(jié)果優(yōu)化EMC設(shè)計, 在方案及工程設(shè)計階段主要針對樣機(jī)進(jìn)行預(yù)先測試, 在狀態(tài)鑒定階段主要對全雷進(jìn)行認(rèn)證測試。

方案及工程設(shè)計階段應(yīng)對組件樣機(jī)、分系統(tǒng)和系統(tǒng)進(jìn)行EMC預(yù)先測試, 如圖4所示, 預(yù)先測試可在簡易環(huán)境下進(jìn)行, 具有方便快捷、成本費(fèi)用較低, 可直接在實驗室現(xiàn)場進(jìn)行EMC故障診斷的顯著特點, 在研制早期開展預(yù)先測試可以提前釋放EMC風(fēng)險、提高研發(fā)效率、降低設(shè)計成本、縮短研制周期[19]; 同時優(yōu)化預(yù)先測試中出現(xiàn)的問題, 將測試數(shù)據(jù)加入相應(yīng)EMC數(shù)據(jù)庫, 作為其他型號EMC預(yù)測與分析的基本輸入?yún)⒘俊?/p>

圖4 魚雷EMC預(yù)先測試示意圖

預(yù)先測試試驗中利用“接收機(jī)+近場探頭”的方式進(jìn)行電磁場測試, 逐級分析隔離干擾源; 利用屏蔽、濾波、接地等方式切斷傳輸途徑, 將干擾源抑制、傳輸途徑阻卻的相關(guān)整改措施及優(yōu)化方法加入到EMC知識管理庫, 作為其他型號方案設(shè)計優(yōu)化、系統(tǒng)問題解決、工程實踐整改的技術(shù)儲備, 同時該測試結(jié)果將作為轉(zhuǎn)階段的重要支撐[20]。

狀態(tài)鑒定階段對全雷進(jìn)行認(rèn)證測試, 根據(jù)前期指標(biāo)分析, 結(jié)合預(yù)先測試結(jié)果和系統(tǒng)級使用要求, 制定相應(yīng)EMC試驗大綱和試驗方法, 組織進(jìn)行認(rèn)證測試試驗, 如圖5所示, 并根據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行符合性考核與評估。

2.5 EMC質(zhì)量管理

魚雷EMC質(zhì)量管理負(fù)責(zé)計劃、組織、監(jiān)督、控制和指導(dǎo)型號研制全流程的EMC工作, 在經(jīng)過預(yù)測仿真分析及指標(biāo)確認(rèn)之后, 制定EMC管理控制計劃書, 約束并協(xié)調(diào)技術(shù)人員落實整個計劃; 在研制各階段進(jìn)行EMC技術(shù)狀態(tài)控制, 如通過專家審查的方式對過程狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控, 并將專家意見落實在設(shè)計之中; 在試驗環(huán)節(jié)需對試驗大綱、試驗方法等進(jìn)行評審, 并對預(yù)先測試及認(rèn)證測試試驗結(jié)果進(jìn)行評判。

圖5 魚雷EMC試驗圖

3 EMC管理控制效果評估

魚雷EMC管理控制效果評估主要包括以下內(nèi)容:

1) 雷內(nèi)組件之間能否相互兼容工作;

2) 魚雷與武器平臺之間能否相互兼容共存;

3) 魚雷與作戰(zhàn)空間之間能否相互安全兼容。

針對雷內(nèi)EMC評估方法采取層次分析法, 分別對組件級、系統(tǒng)級、全雷級電磁干擾發(fā)射及電磁敏感度進(jìn)行預(yù)先測試, 各測試項無極限線考核標(biāo)準(zhǔn), 針對組件工作特性、頻域特性對其EMC安全裕度進(jìn)行調(diào)整, 根據(jù)過往經(jīng)驗針對CE102及RE102等測試項進(jìn)行重點關(guān)注, 同時通過靜態(tài)水池兼容試驗、EMC半實物仿真試驗、EMC電機(jī)拖動試驗、EMC水下熱車試驗以及EMC實航驗證試驗等措施對魚雷內(nèi)部電子組件之間的兼容性進(jìn)行驗證。

魚雷與武器平臺或作戰(zhàn)空間之間的EMC性能通過認(rèn)證測試的方式考核評估, 根據(jù)型號任務(wù)研制總要求、EMC量化指標(biāo)、武器平臺電磁環(huán)境和作戰(zhàn)空間的電磁危害等條件, 通過對GJB151 A/B、HJB34A、GJB1389A和 GJB8848等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行裁剪、加嚴(yán)和指標(biāo)選取, 設(shè)置相應(yīng)測試項、安全裕度值和試驗方法, 利用認(rèn)證測試考核評估結(jié)果實現(xiàn)對魚雷EMC管理與控制效果的最終評判。

4 結(jié)束語

文中結(jié)合魚雷EMC設(shè)計與驗證過程，總結(jié)提煉了魚雷全壽命周期內(nèi)EMC綜合管理與控制方法，并通過了試驗驗證。

魚雷研制過程中通過數(shù)據(jù)模型管理、變量迭代開發(fā)的優(yōu)化方式進(jìn)行EMC總體規(guī)劃、指標(biāo)分解、預(yù)測分析、設(shè)計驗證、試驗整改及效果評估, 在多型號任務(wù)和產(chǎn)品中不斷完善管理控制方法, 能夠達(dá)到縮短魚雷型號研制周期, 提高魚雷產(chǎn)品EMC性能的目的。但隨著魚雷武器內(nèi)部電氣復(fù)雜化、裝載作戰(zhàn)平臺多樣化和戰(zhàn)場電磁環(huán)境嚴(yán)酷化的發(fā)展趨勢不斷加強(qiáng), 以及軍方對武器裝備EMC關(guān)注度不斷加深, 魚雷研制過程中產(chǎn)品的電磁特性以及電磁干擾傳輸機(jī)理的研究需進(jìn)一步深入開展, 以期獲得具有針對性的EMC綜合管理控制新方法。

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Integrated Management and Control of Torpedo Electromagnetic Compatibility

TAN Jing-yi1, PAN Jin2, WANG Kai-guo2, YANG Jin-hou2

(1. Xinhua College of Sun Yat-sen University, Guangzhou 510520, China; 2. The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

Electromagnetic compatibility(EMC) is an important indicator for measuring the endurance and effect of electromagnetic environment among the torpedo’s internal electrical components, as well as among the torpedo and the weapon system platforms and the operational space, in the general quality characteristics of torpedo. This paper describes the EMC design and verification processes of torpedo, discusses the experience and lessons in the comprehensive test implementation and rectification, and summarizes the integrated management and control method of EMC over the whole life cycle of torpedo. This integrated management and control method of EMC is verified by a certain product, and may serve as a reference for the EMC management and control of torpedo.

torpedo; electromagnetic compatibility(EMC); management; control

TJ630.7; TN973

A

2096-3920(2020)03-0330-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2020.03.014

2020-05-06;

2020-07-08.

譚靜儀(1989-), 女, 在讀博士, 主要研究方向為自動控制、數(shù)據(jù)挖掘和分析.

譚靜儀, 潘進(jìn), 王凱國, 等. 魚雷電磁兼容性綜合管理與控制[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2020, 28(3): 330-336.