戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈在核電磁環(huán)境下的生存能力研究

王 鵬 史鵬濤 周 政 李 婧

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈通常由戰(zhàn)斗部、發(fā)動(dòng)機(jī)及舵機(jī)、制導(dǎo)系統(tǒng)、彈載計(jì)算機(jī)、導(dǎo)引頭及熱電池等組成[5]。導(dǎo)引頭是實(shí)現(xiàn)末端制導(dǎo)、精確打擊目標(biāo)的重要部件，根據(jù)其制導(dǎo)方式可將導(dǎo)引頭分為紅外制導(dǎo)、激光制導(dǎo)、毫米波雷達(dá)制導(dǎo)以及復(fù)合制導(dǎo)等形式。核電磁脈沖是復(fù)雜電磁環(huán)境強(qiáng)電磁脈沖的一種形式，是高空核電磁脈沖最主要的一種表現(xiàn)，由于其具有電場(chǎng)幅度大、作用時(shí)間短、頻帶寬以及擴(kuò)散范圍廣等特點(diǎn)越來越受到軍事強(qiáng)國的重視[1]。

本文結(jié)合核電磁脈沖在半電波暗室的測(cè)量原理及試驗(yàn)方法，研究戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈電磁防護(hù)技術(shù)以期達(dá)到工程化，提升戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈在軍事對(duì)抗中的生存能力。

1 核電磁脈沖試驗(yàn)技術(shù)

1.1 試驗(yàn)技術(shù)原理

在GJB151B-2013和GJB1389A-2005中幾乎給出了一樣的核電磁脈沖試驗(yàn)曲線，如圖1所示，其波形的數(shù)學(xué)表達(dá)為雙指數(shù)函數(shù)[1][7]，即

E(t)=E0×k(e-αt-e-βt)

(1)

其中，E0=5×104V/m，α=4×107s-1，β=6×108s-1，k=1.3。

圖1 核電磁脈沖基本波形

在式(1)中，波形的上升時(shí)間(10%-90%)為2.3±0.5 ns，半峰值脈沖寬度為23±5 ns，波形覆蓋的頻譜上限在1 GHz。

試驗(yàn)時(shí)，通常采用平行板輻射系統(tǒng)、橫電磁波傳輸室、GETM小室或棚架式輻射系統(tǒng)，其中半電波暗室使用較廣的為GTEM小室和棚架式輻射系統(tǒng)，但考慮到被試系統(tǒng)的體積、操作等因素，半電波暗室通常采用棚架式輻射系統(tǒng)，其特性阻抗為170±5 Ω、極化方式為垂直極化，具體如圖2所示。

1.2 測(cè)試模型

GTEM小室或棚架式輻射系統(tǒng)屬于有界波(導(dǎo)體)型模擬器，其理論依據(jù)為平行板傳輸線理論[2-3]，具體見圖3所示。

若脈沖雙指數(shù)發(fā)生器VS、傳輸線及負(fù)載能夠很好地匹配，則脈沖信號(hào)則向負(fù)載方向傳輸而不發(fā)生反射，并被負(fù)載完全吸收。若存在阻抗失配情況則信號(hào)會(huì)在阻抗失配處發(fā)生反射，其核電磁脈沖傳輸方向如圖4所示。

傳輸線傳輸阻抗由棚架式輻射系統(tǒng)的高、寬比來決定[6]，依據(jù)公式(2)為

(2)

其中，Z為傳輸線阻抗、h為棚架結(jié)構(gòu)的高度、w為棚架結(jié)構(gòu)的寬度。

核電磁脈沖場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度依據(jù)公式為

(3)

其中，V為雙指數(shù)脈沖發(fā)生器峰值電壓、h為棚架式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度。

圖2 棚架式輻射測(cè)試系統(tǒng)配置簡圖

圖3 平行板傳輸線理論簡圖

圖4 核電磁脈沖場(chǎng)傳輸方向及結(jié)構(gòu)簡圖

2 戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈防護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 電源接口電路設(shè)計(jì)

戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈在發(fā)射前有其載彈平臺(tái)，通常為車載平臺(tái)或機(jī)載平臺(tái)。在導(dǎo)彈未進(jìn)行跟蹤打擊之前應(yīng)由載彈平臺(tái)電源供電處于伺機(jī)擊發(fā)準(zhǔn)備，一旦目標(biāo)確定則導(dǎo)彈進(jìn)入發(fā)后鎖狀態(tài)進(jìn)入飛行模式并在末端由導(dǎo)引頭準(zhǔn)確制導(dǎo)命中目標(biāo)。因此，電源接口處理電路就成為較為重要的問題。

在核電磁脈沖的威脅下電源接口電路應(yīng)采取電磁脈沖防護(hù)電源濾波器設(shè)計(jì)，這種濾波器主要特征是對(duì)電磁干擾EMI有一定的抑制效果，同時(shí)其前端和后端增加了瞬態(tài)高壓抑制器件，具有一定的快速響應(yīng)時(shí)間，其原理如圖5所示。

圖5 電磁脈沖防護(hù)濾波器構(gòu)造

在第一級(jí)浪涌脈沖處理中，根據(jù)核電磁脈沖的上升時(shí)間及脈沖持續(xù)時(shí)間，應(yīng)選用ns級(jí)TVS器件，可提高快速響應(yīng)時(shí)間來抑制電磁脈沖。在第二級(jí)濾波電路重點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的電磁干擾噪聲進(jìn)行濾波，其濾波上限的截止頻率通常設(shè)計(jì)為30 MHz。第三級(jí)脈沖后處理設(shè)計(jì)主要控制后續(xù)殘余電磁脈沖，采用壓敏電阻類器件即可滿足要求。

根據(jù)實(shí)際工作情況不同種類的制導(dǎo)導(dǎo)彈都有不同地控制與通訊模式，在有必要的情況下對(duì)傳輸鏈路可采取信號(hào)濾波來處理，其信號(hào)濾波的構(gòu)思設(shè)計(jì)同電源濾波一致。

2.2 彈體電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

核電磁脈沖最主要的損毀途徑是空間耦合，如果能夠?qū)Ⅰ詈系膹?qiáng)電磁脈沖能量以最快速狀態(tài)釋放到地線系統(tǒng)中，則可以有效抑制對(duì)電子元器件的擊穿、損毀等。耦合方式可以通過殼體孔縫耦合以及互連電纜耦合進(jìn)入電子系統(tǒng)中造成損毀，故合適的彈體及布線位置增加接地處理設(shè)計(jì)能夠有效地提高核電磁脈沖抑制能力。

2.2.1 彈體多點(diǎn)接地處理

對(duì)于低頻控制系統(tǒng)(100 kHz以下)通常采用單點(diǎn)接地，但對(duì)于脈沖上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間在ns級(jí)脈沖信號(hào)而言，單點(diǎn)接地已經(jīng)不能滿足要求。在導(dǎo)彈脫離發(fā)射裝置進(jìn)行空中飛行時(shí)不可能保持一定的接地線與載彈平臺(tái)可靠連接，真正的接地連接只能通過導(dǎo)彈掛點(diǎn)來實(shí)施。

導(dǎo)彈在發(fā)射架上發(fā)射前鎖位點(diǎn)采用至少兩點(diǎn)位置進(jìn)行固定，才能可靠實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的安裝與飛行平衡，鎖位點(diǎn)既是安裝點(diǎn)同時(shí)也是導(dǎo)彈殼體接地點(diǎn)，應(yīng)采用合理的接地技術(shù)進(jìn)行處理，對(duì)接觸點(diǎn)彈性(彈片)連接、材料以及表面導(dǎo)電處理應(yīng)按電搭接要求處理，滿足搭接電阻在mΩ級(jí)，如圖6所示。

圖6 導(dǎo)彈接地點(diǎn)位置簡圖

2.2.2 彈體屏蔽設(shè)計(jì)

為了保證殼體屏蔽體導(dǎo)電連續(xù)性，彈體各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及組裝應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：

1)防止殼體縫隙過大以及安裝的緊密性要求，導(dǎo)彈各級(jí)系統(tǒng)相互之間級(jí)聯(lián)采用螺紋方式進(jìn)行固定安裝；對(duì)無法采用螺紋連接方式的情況應(yīng)采用定位銷/定位孔等設(shè)計(jì)、同時(shí)保證定位銷/定位孔的數(shù)量滿足λ/16波長設(shè)計(jì)(可依據(jù)1GHz頻率計(jì)算波長)。

2)各獨(dú)立子系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立采取屏蔽殼體設(shè)計(jì)，除需要連接的互連電纜之外均應(yīng)將獨(dú)立子系統(tǒng)全屏蔽設(shè)計(jì)。

3)毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭部件應(yīng)加裝天線罩，將天線罩緊密扣在雷達(dá)天線外并做好屏蔽設(shè)計(jì)；其他形式導(dǎo)引頭應(yīng)做好窗口透光的屏蔽罩設(shè)計(jì)。

4)彈體引出指令及彈上電纜應(yīng)采用屏蔽電纜設(shè)計(jì)，連接器尾附件做到360°屏蔽包接，在需要的條件下可選擇具有濾波功能的電連接器進(jìn)行干擾屏蔽。

2.3 其他設(shè)計(jì)技術(shù)

核電磁脈沖到來時(shí)，彈體表面類似于長導(dǎo)體耦合模型，殼體金屬表面會(huì)耦合感應(yīng)到電磁脈沖能量。耦合感應(yīng)的電磁能量根據(jù)彈體離地高度、彈體直徑、電磁脈沖的入射角、方位角及極化角而變化，在有條件的情況下可采取隱身彈倉設(shè)計(jì)，即不將導(dǎo)彈暴露在視線范圍內(nèi)，而是通過隱蔽彈倉將導(dǎo)彈包裹起來，一旦核電磁脈沖過后或在適時(shí)的條件下打開彈倉對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確打擊。

3 系統(tǒng)工程化控制

3.1 控制方案

制導(dǎo)導(dǎo)彈系統(tǒng)應(yīng)充分考慮彈載電子設(shè)備的功能、數(shù)量以及布局形式，開展電磁兼容性數(shù)值仿真與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，評(píng)估全彈系統(tǒng)電磁兼容性環(huán)境，開展自頂向下的預(yù)設(shè)計(jì)[4]，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

制導(dǎo)導(dǎo)彈系統(tǒng)抗核電磁脈沖試驗(yàn)主要的抑制措施應(yīng)歸結(jié)為濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)?？舍槍?duì)各分系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行接口電路的濾波仿真與殼體孔縫的屏蔽仿真設(shè)計(jì)；對(duì)彈體外的發(fā)射接收天線應(yīng)做到天線耦合度仿真與抗浪涌抑制仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)而完成試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 控制要求

控制電磁干擾的相關(guān)方法對(duì)核電磁脈沖的控制是完全有效的。導(dǎo)彈分系統(tǒng)包括導(dǎo)引頭、引信、彈上計(jì)算機(jī)、制導(dǎo)系統(tǒng)、彈上電源、定位定向系統(tǒng)以及通信控制分系統(tǒng)等。對(duì)彈上電源主要考慮電源線的傳導(dǎo)輻射與抗尖峰信號(hào)浪涌設(shè)計(jì)，可進(jìn)行CE102和CS106試驗(yàn)；對(duì)導(dǎo)引頭主要考慮電場(chǎng)輻射發(fā)射與電場(chǎng)輻射敏感度，可進(jìn)行RE102和RS103試驗(yàn)；其他分系統(tǒng)根據(jù)彈上布局可考慮CE102、CS106、RE102、及RS103等項(xiàng)目試驗(yàn)，保證分系統(tǒng)的電磁發(fā)射、抗電場(chǎng)輻射滿足要求，間接到達(dá)考核濾波設(shè)計(jì)、接地設(shè)計(jì)以及空間結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語

某型戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)導(dǎo)彈的抗核電磁脈沖試驗(yàn)在半電波暗室進(jìn)行，依據(jù)GJB151B-2013的試驗(yàn)方法分別對(duì)導(dǎo)彈不同擺放位置、朝向以及安裝形式進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)定的相關(guān)要求。通過對(duì)全彈工程化設(shè)計(jì)，采取和改進(jìn)了相應(yīng)的電磁兼容性加固技術(shù)來控制電磁干擾、提高了導(dǎo)彈系統(tǒng)的抗核電磁脈沖能力，在工程化中更易將相應(yīng)的措施進(jìn)行固化，優(yōu)化了設(shè)計(jì)技術(shù)。