某型车辆在高空核爆炸环境下的电磁脉冲耦合特性

某型车辆在高空核爆炸环境下的电磁脉冲耦合特性

聂坤林 1,2,赵玮 1,李鹏 1,魏雍力 1,刘欣 1,李小强 1,张雄 1,朱之贞 3,诸雪征 2,郑毅 1

(1. 军事科学院防化研究院, 北京 102205;2. 陆军防化学院, 北京 102205;3.陆军装备部驻昆明军代室，昆明，650000)

摘要:电磁脉冲耦合阈值是装备在核爆环境下作战运用决策与装备抗核加固优化的基本依据，针对某型车辆核爆电磁脉冲抗扰度不清的实际，围绕高空核爆炸环境展开某型车辆的电磁 脉冲耦合特性研究。将 FDTD 理论与算法应用于某型车辆的高空核爆电磁脉冲(HEMP)耦合特性 研究，在通过该车电台天线辐照试验验证 FDTD 方法开展 HEMP 耦合效应研究有效的基础上，重点从车辆瞭望孔入手，对 HEMP 环境中车辆内部电场变化进行了系统分析。研究发现，车内大部 分空间的耦合电场幅值在 2kV/m 以下，瞭望孔附近电场幅值在 HEMP 正入射时较高。结合本文研 究得到的车辆内部电场分布的相关规律，提出电磁脉冲防护建议:车内电子设备及走线应尽量远离瞭望孔;通过改用屏蔽玻璃，降低瞭望孔处耦合电场幅值;当接收到核爆相关预警信息时， 迅速将电子设备尽可能的向远离瞭望孔位置移动，避免造成损坏。

关键词:辐射防护及环境保护;FDTD;高空核爆电磁脉冲;耦合效应

中图分类号:TN78 

文献标志码:A

Electromagnetic pulse coupling characteristics of a vehiclein a Barbara Gordon Environment

Nie Kunlin1,2, Zhao Wei1, Li Peng 1, Wei Yongli1, Liu Xin1, Li Xiaoqiang1, Zhang Xiong1, Zhu Zhizhen3, Zhu Xuezheng2, Zheng Yi1

(1.Research Institute of Chemical Defense, Academy of Military Science , Beijing 102205, China; 2.Insititute of Chemical Defense, Beijing 102205, China;3. Department of Army Equipment, Kunming, Kunming, 650000, China)

Abstract: Electromagnetic pulse coupling threshold is the basic basis for the operational decision-making of equipment in the nuclear explosion environment and the optimization of equipment anti nuclear reinforcement. Aiming at the fact that the electromagnetic pulse immunity of a certain type of vehicle is unclear, the electromagnetic pulse coupling characteristics of a certain type of vehicle are studied around the high altitude nuclear explosion environment. The FDTD theory and algorithm are applied to the research on the coupling characteristics of high altitude nuclear electromagnetic pulse (HEMP) of a certain type of vehicle. Based on the verification of the effectiveness of FDTD method to carry out the research on hemp coupling effect through the radio antenna irradiation test of the vehicle, the change of electric field inside the vehicle in hemp environment is analyzed systematically starting from the lookout hole of the vehicle. It is found that the amplitude of the coupling electric field in most spaces of the vehicle is less than 2kV/m, and the amplitude of the electric field near the observation hole is higher when hemp is normal incidence. Combined with the relevant laws of the electric field distribution in the vehicle, this paper puts forward the suggestions of electromagnetic pulse protection: the electronic equipment and wiring in the vehicle should be as far away from the lookout hole as possible; by using shielding glass, the coupling electric field amplitude at the observation hole is reduced; when receiving the warning information related to nuclear explosion, quickly move the electronic equipment as far away from the lookout hole as possible to avoid damage.

Key words: radiation protection and environmental protection; FDTD; HEMP; coupling effect.

强电磁脉冲是高空核爆的主要毁伤效应之一， 高空核爆电磁脉冲(HEMP)的电场峰值可达 105V/m，导致剧烈的磁场和电场变化，造成电子设 备、线路和元器件的永久性损伤，或产生严重干扰， 引起工作紊乱或控制失灵[1]。

车辆电磁脉冲效应与防护问题一直受到国内外 学者的普遍关注。2004 年国际电工委员会(IEC)颁 布标准给出了高功率微波使车辆电子系统永久损坏 的案例[2]，各国相继开展了电磁脉冲防护效应与防护 设计研究，美国先后完成电子元器件易损性与测试 计划、编制强电磁脉冲手册规定航天器等抗强电磁 脉冲指标、舰船三级防护等工作。俄罗斯在前苏联 时代就开展相关工作，并要求一般装备都有抗电磁 脉冲要求。我国重点围绕电磁脉冲对车辆发动机系 统、电控系统、通信系统等分系统效应与防护开展 了大量工作[3-12]。

某型车辆对核爆电磁脉冲的防护能力，直接影响其在核战场环境下能否与其它车辆进行有效通联，进而决定战场指挥方式的选择。受试验条件、体制编制以及核作战特殊情形等因素的影响，在对该类车辆进行高空核爆电磁脉冲毁伤效应评估时，主要针对分系统(车辆上装设备)依托小型模拟器开展过仿真验证性实验研究，而没有对整车做过现场模拟试验，导致大型复杂车辆装备的核防护能力缺乏全面系统的量化评价方法，底数不清。因而，为掌握某型车辆核爆电磁脉冲防护能力 底数，提高其核环境下的生存能力，亟需针对其开 展 HEMP 耦合效应研究，进而为装备运用与装备抗 核加固优化设计提供输入。

针对某型车辆 HEMP 毁伤阈值不明确的实际问 题，从其瞭望孔入手，研究典型条件下的 HEMP 耦 合效应，其 CAD 模型如图 1 所示。

图1 某车辆CAD模型 

Fig.1 CAD model of a vehicle

2.1 模拟方法

本文模拟计算选取时域有限差分法(FDTD)， 对某型复杂车辆开展 HEMP 耦合效应研究。使用 FDTD 进行电磁场数值计算是一种成熟的方法，国内 外已有较多研究通过商业软件与现场试验的方法对 其计算结果进行验证，本文也基于该车电台天线开 展试验进行了方法有效性验证。下图 2 是利用 FDTD 计算方法对该车天线进行仿真模拟的结果，分别给 出天线底部(Z=108)、中点(Z=188)和顶部(Z=268) 的电流波形，图 3 是对其进行辐照试验得到的耦合 电流。分析结果可知，基于金属边界平面的镜像原 理，FDTD 计算时车上的天线可近似看作立于金属平 板上，而辐照试验中的天线没有金属板，所以仿真 计算中天线底部周围垂向电场约为辐照试验时的 2 倍，造成了仿真中天线根部的耦合电流约为试验实 测结果的 2 倍。两种方法得到的耦合电流结果相吻 合，并符合相关物理规律，说明运用 FDTD 方法对该车开展 HEMP 耦合效应研究的有效性。

图 2 电台天线 HEMP 模拟计算耦合电流 

Fig.2 Simulation of coupling current of radio antenna HEMP

图 3 电台天线 HEMP 辐照试验耦合电流 

Fig.3 Coupling current calculation of radio antenna hempsimulation coupling current of radio antenna HEMP radiation test

本文研究的是车辆在 HEMP 环境中的孔缝耦合 效应，通过 FDTD 方法得到时域响应，并通过与设 备的毁伤阈值对比从而判断装备是否会受到损伤。

高空核电磁脉冲具有场强高，频谱宽，作用时 间短，危害范围广的特性。当天线及相关通讯设备 的工作频段正好处于HEMP的频谱中时，会对设备造 成极大的危害。关于高空核电磁脉冲的早期辐射环 境可以近似地表达成双指数函数模型

式中，E0 为场强峰值，一般为 50 kV/m，k 是修 正系数，α、β为表征脉冲前、后沿的参数。下表 1 是对三种常见的 HEMP 波形标准的总结，从 1976 年 出版物波形到 Bell 实验室波形再到 IEC 标准波形， 它的变化趋势是脉冲前沿逐渐变陡，脉宽逐渐变窄。IEC 标准频率到 100kHz 时能量成分占到 2%，而到 300MHz 时，这个比例为 98%，因此 IEC 波形96% 的能量分布范围在100kHz~300MHz。相应地，Bell 实验室波形的能量范围主要在10kHz~30MHz 之间。1976 年出版物波形，其能量范围主要在 1kHz~ 10MHz 的频段。

对于同样的系统来说，如果采用不同的 HEMP 波形标准，得到的耦合量也是不同的。在进行系统 HEMP 效应研究时，应该选用对其影响程度较高的 波形标准。通过上述分析可以看出，IEC 标准的频谱 范围与本文研究对象所对应的频谱范围重合最多， 因此将其作为本文的激励源波形。

表1 HEMP波形标准参数对比

2.2 模型构建

研究对象 CAD 模型为复杂三维模型，选取三角 面元投影求交法生成计算模型。

3ds Max 软件展示的 CAD 模型表面有多种形状， 梯形、方形、圆形等，这些形状均由大小不同的三 角面元拼接而成。用 3ds Max 软件将 CAD 模型输出 生成“.ASE”格式文件，在该文件中可以找到所有三 角面元的顶点坐标。

图 4 投影求交法示意图

Fig.4Schematicdiagram of projection intersection method

以图 4 中 ABC 这个三角面元为例，三个顶点及坐标分别为A(x ,y ,z )、B(x ,y ,z )、C(x ,y ,z )，三个顶点在 x-y 平面上的投影分别为A'(x , y ,0)、B'(x , y ,0)、C'(x , y ,0)。定义与 z 轴112233平行的某一条网格线 l 的 x、y 坐标为 x 、y ，三个向量 P'A'、P'B'、P'C' 可分别表示为:

将公式(2)中的三个向量依次进行叉乘，即P'A'   P'B'、P'B'   P'C'、P'C'   P'A' ，如果三个叉乘的结果同时大于等于 0 或者同时小于 0，则 P' 点在三角形 A'B'C' 内，也就是 P 点在三角形 ABC 上，网格线 l 与三角形 ABC 相交;否则不相交。 

下面还需要求解剖分网格线与三角面元交点的z 坐标。三角面元三个顶点所在平面的平面方程为:

判断确定与三角面元相交后，将网格线 l 的 x、y 坐标值 xp、yp 代入上式中，可求出网格线与三角 面元所在平面交点的 z 值 zp，标记 xp、yp、zp 确定 的网格。依次将三角面元 ABC 范围内所有的网格 标记出来，就生成了该三角面元的 FDTD 网格模型; 将 CAD 模型所有三角面元对应的网格全部标记出 来，就生成了该 CAD 模型的 FDTD 计算模型。但 是，CAD 模型在建模的过程中可能存在一些点、线、 面等辅助结构，应用于不同目的时也可能对模型进 行部分修改，这些处理可能对生成正确的 FDTD 计 算模型产生影响。因而在针对某型车辆建模时，需 要进行模型修正，并检测 FDTD 计算模型正确与否。某型车辆 FDTD 计算模型图、某型车辆 FDTD 模型 的剖面视图如图 5、图 6 所示。模型建成后，利用 origin 软件对车辆模型每一层网格进行观察，保证 车辆结构完整，且其结构与 cad 模型一致，证明建 立的 FDTD 计算模型准确无误，进而保证计算结果 的准确性。

图 5 某型车辆 FDTD 计算模型

Fig.5 FDTD calculation model of a certain type of vehicle

图 6某型车辆FDTD模型的剖面视图

Fig. 6 Section view of a vehicle FDTD model

2.3 瞭望孔耦合电场模拟

分析车辆结构，HEMP 可以通过孔缝耦合进入 车内，在车内激励出耦合电场，将 FDTD 计算模型 瞭望孔网格按真空进行计算，FDTD 计算模型在 x-z 平面的投影如图 7 所示。

图 7 FDTD 模型 x-z 平面投影图(增加瞭望孔)

Fig. 7 x-z plane projection of FDTD model (adding observation hole)

研究选择 HEMP 沿+x、-y、-z 三个典型方向入 射，主要分析 HEMP 通过瞭望孔的耦合效应。在瞭 望孔每条中轴线上，选择中点及距孔 10cm 点作为耦 合电场观测点，12 个观测点的具体位置如图 8 所示。

图 8 FDTD 模型耦合电场观测点

Fig. 8 Observation points of coupling electric field of FDTD model

2.3.1 HEMP 沿+x 入射计算

设定 HEMP 沿+x 方向传播，电场沿+z，HEMP 从车头入射。选定一定的时间步，读取 Z=85 平面上 所有电场强度值，观察 HEMP 的传播过程如下:

(1)图 9a)t=1.668 ns 时，HEMP 平面波从连 接边界产生;

(2)图 9b)t=10.008 ns 时，HEMP 遇到车前部， 图中可以看出车灯和烟雾弹筒的轮廓;

(3)图 9c)t=18.348 ns 时，HEMP 到达车中后 部;

(4)图 9d)t=26.688 ns 时，HEMP 通过车主体 部分。

图 9 HEMP 沿+x 方向传播过程(Z=85，瞭望孔高度)

Fig. 9 Propagation process of hemp along + X direction (z = 85, height of observation hole)

HEMP 遇到车辆金属结构后，在部分电磁波被 反射的同时，在金属表面激励出面电流。这种面电 流流经棱角等细微金属结构时，由于传导结构发生 突变，会产生很小范围的超强电场，图 9 b)、c)、d) 中的最大场强值(红、灰色)比较难观察到。

HEMP 传播方向与瞭望孔孔面准平行，由于表 面电流在瞭望孔处被截断，电流变化激励的电磁波 会通过瞭望孔耦合进入车内部，各个观测点的电场 强度时域波形如图 10 所示。

a)点 1 电场强度时域波形 b)点 2 电场强度时域波形 a)Time-domain waveform of b)Time-domain waveform of electric field intensity at point 1 electric field intensity at point 2

e)点 5 电场强度时域波形 e)Time-domain waveform of

f)点 6 电场强度时域波形 f)Time-domain waveform of electric field intensity at point 5 electric field intensity at point 6

图 10 各个监测点电场强度时域波形

Fig. 10 Time domain waveform of electric field intensity at each monitoring point

从计算结果来看，距离孔 10cm 位置的电场强度 脉冲峰值约为 0.2kV/m，并在车内部激励出幅值小于 0.5kV/m 的谐振电场。观测点 3 附近没有孔，首峰电 场幅值要低于点 6、9、12。与单个设备的 HEMP 辐 照试验结果相比，这个量级的电场强度不会对设备 造成硬损伤;如果个别设备受到干扰无法正常工作， 断电重启后可恢复正常工作。

2.3.2 HEMP 沿-y 入射计算

设定 HEMP 沿-y 方向传播，电场沿-z，HEMP 从车右侧入射。选定一定的时间步，读取 Z=85 平面 上所有电场强度值，观察 HEMP 的传播过程如下:

(1)图 11a)t=1.668 ns，HEMP 平面波从车右 侧入射，车灯、烟雾弹筒轮廓可见，在右侧 4 个瞭 望孔处 HEMP 耦合进入车内;

(2)图 11b)t=3.336 ns，HEMP 继续沿着-y 方 向传播，在车右侧 4 个瞭望孔处的耦合更加明显;

(3)图 11c)t=8.34 ns，HEMP 沿着-y 方向传 播更远;

(4)图 11d)t=13.344 ns，HEMP 通过车主体 部分。

HEMP 遇到车右侧金属壁，传播方向垂直于金 属壁，电场极化方向平行于金属壁，根据前期的研 究和仿真结果得知，这种入射方式的孔缝耦合效应 最强，HEMP 可在孔附近激励出明显的脉冲电场， 并在车内激励出更强的谐振电场。各个观测点的电 场强度时域波形如图 12 所示。

c)点 3 电场强度时域波形d)点 4 电场强度时域波形

c)Time-domain waveform of d)Time-domain waveform ofelectric field intensity at point 3 electric field intensity at point 4

图 12 各个监测点电场强度时域波形

Fig.12 Time domain waveform of electric field intensity at each monitoring point

从计算结果来看，距离孔 10cm 位置的电场强度脉冲峰值达到约 2.5kV/m，并在车内部激励出幅值小 于 1.5kV/m 的谐振电场。从时间关系上看，观测点 3、 6、9、12 的电场是 HEMP 通过车右侧 4 个瞭望孔传播所致，场强峰值明显低于观测点 1、4、7、10。 

由于此种入射方式耦合电场强度峰值比前一种 入射方式明显提高，HEMP 小孔正入射时对车内设 备的威胁明显增强。车内设备是否会出现干扰或损伤效应，需要在后期完成相关的 HEMP 试验后来确 定。本文中的计算将瞭望孔处的玻璃看作普通玻璃 (计算中按真空计算)，如果将瞭望孔处的玻璃换成 导电玻璃，可有效降低耦合电场幅值，提高车辆的 抗 HEMP 能力。

2.3.3 HEMP 沿-z 入射计算

设定 HEMP 沿-z 方向传播，电场沿+y，HEMP 从车顶入射。选定一定的时间步，读取 Y=-23 平面 上所有电场强度值，观察 HEMP 的传播过程如下:

(1)图 13a)t=1.668 ns，HEMP 平面波从车顶 入射;

(2)图 13b)t=3.336 ns，HEMP 遇到车上半部， 图中可以看出车轮廓;

(3)图 13c)t=6.672 ns，HEMP 到达车的下半 部;

(4)图 13d)t=11.676 ns，HEMP 通过车主体 部分。

图 13 HEMP 沿-z 方向传播过程(Y=-23)

Fig. 13Propagation process of hemp along - Z direction (Y = - 23)

HEMP 从车顶入射与 HEMP 从车前面入射类似， HEMP 传播方向与瞭望孔孔面平行，仍然可以通过 瞭望孔耦合进入车内部。各个观测点的电场强度时 域波形如图 14 所示。

图 14 各个监测点电场强度时域波形

Fig. 14 Time domain waveform of electric field intensity at each monitoring point

从计算结果来看，距离孔 10cm 位置的电场强度 脉冲峰值约为 0.8kV/m，并在车内部激励出幅值小于 0.5kV/m 的谐振电场。观测点 3 附近没有孔，首峰电 场幅值要低于观测点 6、9、12。

本文通过选取三种典型 HEMP 入射方式，对某 型车辆高空核爆电磁脉冲耦合效应进行了分析，与 其他相似装备的试验数据进行对照，综合分析可以 得出基本结论如下:

(1)车内大部分空间的耦合电场幅值在 2kV/m 以下，该数据的数量级与相似装备外场试验结果基 本吻合，在该电场条件下电台能够正常工作，基本 不影响通讯;(2)瞭望孔附近电场幅值在 HEMP 正 入射时较高，但瞭望孔附近无电子设备，不会造成 威胁。

通过分析比较，可以确定本文研究方法与研究 结论的有效性，值得在同类装备相关研究工作中应 用推广。结合本文研究得到的相关结论，综合考虑 装备建设发展需求与装备运用实际，建议:(1)瞭 望孔玻璃应加强 HEMP 防护，可改用屏蔽玻璃，降 低耦合电场幅值;(2)在车内设备布放设计时，考 虑车内电子设备及走线远离瞭望孔;(3)当接收到 核爆相关预警信息时，应避免进入爆区，并加强瞭 望孔的防护，迅速将电子设备尽可能的向远离瞭望 孔位置移动，避免造成损坏，待警报解除或通过危 险区域后，根据操作员使用需求进行设备布设。

本文研究是整车开展核防护能力评估的重要构成部分，尽管研究结果得到了初步验证，但对于大型复杂装备核爆电磁脉冲抗扰度的研究，通过有界波模拟器开展外场试验是一种更为可靠的方法。因此，在下一步工作中，除了对计算流程进行优化提 高计算精度与对其他耦合途径进行深入研究外，还 应下大力投入整车的核防护能力评估试验条件建 设，加强整车核防护能力评价方法研究，推动整车 HEMP 试验开展，进而为装备在核爆环境下的运用 及装备抗核加固设计提供更系统全面的支撑。

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