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美国水面舰船电磁脉冲防护规范浅析

admin 2019-08-10 267人围观 ,发现0个评论

摘要:

为了进步强电磁脉冲的防护才能,有必要面临雷电、核电磁脉冲高功率微波的应战。首要剖析了水面舰船电磁脉冲能量的耦合办法和途径,包含“前门”耦合,“后门”耦合,并在此基础上剖析了国外水面舰船,首要是美国水面舰船强电磁脉冲防护的规范及要求,为我国水面舰船的强电磁脉冲防护规范拟定供给技能参阅。

强电磁脉冲是一种瞬变电磁现象,也是一种宽频段、高功率的电磁环境。强电磁脉冲能够由雷电等自然现象发作,也能够由核兵器或电磁脉冲兵器等发作[1]。

电磁脉冲对兵器配备尤其是电子信息配备损坏美国水面舰船电磁脉冲防护规范浅析性极大,或许构成通讯瘫痪、指挥失灵、功用下降乃至损失等,直接影响兵器配备的战役效能发挥和战场生存才能。水面舰船作为海上首要作战渠道,具有高科技电子信息配备十分密布的显著特色[2]。渠道内装置有很多杂乱的各种电子设备[3]、电气设备和作战兵器体系。一艘典型水面舰船上的电子设备包含几十台发射机和接纳机,几十副以上的通讯和雷达天线等。

研讨标明,一旦遭受敌方电磁脉冲兵器的冲击,舰船上的很多天线[4]、电缆和管道等金属导体就或许搜集到巨大的电磁脉冲能量,使与这些导体相连的电子、电气体系被搅扰乃至损坏,然后导致舰船的作战功用降级乃至损失作战才能[5]。因而为了进步水面舰船强电磁脉冲的防护才能,就需求针对雷电脉冲、核电磁脉冲、高功率微波和超宽带强电磁脉冲等类型的强搅扰要挟,剖析外军首要是美军水面舰船电磁脉冲能量的耦合办法和途径[6],对国内外水面舰船防护规划的规范要求展开研讨。

1水面舰船电磁脉冲能量耦合办法和途径

任何电磁搅扰的发作都必定存在搅扰能量的耦合途径(或传输通道)。一般有两种耦合办法:一种是传导耦合,另一种是辐射耦合[7]。

传导耦合有必要在搅扰源和灵敏电子设备之间有完好的电路衔接,搅扰信号沿着这个衔接链路传到灵敏设备,发作搅扰损坏现象。辐射耦合是指搅扰信号经过空间传达,搅扰能量按电磁场的规则向周围空间辐射。常见的辐射耦合有三种:搅扰信号被天线接纳,称为天线耦合;空间辐射搅扰信号经导线感应耦合,称为场对线的耦合;两根平行导线之间的高频信号感应,称为线对线耦合。

辐射耦合是指电磁脉冲能量以电磁辐射办法经过空间对体系构成的耦合。其耦合办法首要有电磁脉冲对天线的耦合、对电缆等长导体的耦合、对孔洞与缝隙的耦合等。传导耦合则是指电磁脉冲能量以电压或电流办法经过金属导体或元件(如电容器、变压器)对体系构成的耦合。

水面舰船归于大型金属结构,它露出在电磁场中就成为辐射能量的接纳器。当电磁脉冲冲击到一艘舰艇时,某些辐射能量经过舱口、通道、窗口及缝隙直接穿透至甲板下隔舱。其间大部分接纳到的脉冲能量经过舰上天线、外部电缆、管道等进入内部的电子体系,并耦合到电线、电缆、设备附件上,使灵敏电子设备忽然承遭到较大的冲击电流,然后搅扰乃至损坏C4ISR 体系和电气设备,导致水面舰船作战功用降级乃至损失作战才能。

在电磁脉冲环境中运转的电子、电力体系,电磁脉冲能量可经过各种途径进入体系,这些进入途径首要有:天线或起天线效果的长导体和环状导体对电磁能量的搜集;电线、电缆的耦合与传导;对设备壳体的穿透;经过金属壳体上缝、孔、洞的耦合;金属结构、管道等的结构耦合。

一般电磁脉冲能量进入水面舰船内部的途径有:通讯、雷达天线;船舱外部的电力、信号电缆和波导;对舰船壳体和设备壳体的穿透;经过舱口、通道、窗口及缝隙进入舰船内部;经过通风管等金属管道进入舰艇内部。电磁脉冲进入水面舰船内部的耦合途径如图 1 所示。

水面舰船露出在电磁脉冲环境中,电磁脉冲能量进入舰艇内部的途径是多方面的,因为舰面上层建筑杂乱,电磁脉冲潜在的进入部位十分多。美国水兵在研讨水面舰船电磁脉冲防护与加固技能时进行了全舰电磁脉冲实验,并对电磁脉冲能量进入水面舰船内部的耦合途径进行了剖析。图 2 给出了美国“宙斯盾”巡洋舰“安吉奥”舰(USS Anzio,CG68)作战体系中电磁脉冲潜在的进入部位。从图 2 中能够看出,这些潜在进入部位首要是作战体系的雷达、通讯天线,以及舱面、侧舷兵器开孔处。

关于水面舰船舰载电子、兵器体系来说,电磁脉冲进入的耦合途径又分为“前门”和“后门”两种途径。“前门”指设备的天线,“后门”指设备的衔接电缆、机壳或屏蔽箱体上的洞孔等。

“前门”耦合是指电磁脉冲能量直接经过天线进入包含有发射机和接纳机的体系。通讯、雷达及电子对抗设备的天线是“前门”耦合的首要目标。其天线的功用是将能量耦合进设备,这就为电磁脉冲能量进入设备并构成损坏供给了有用的途径。天线是用来搜集能量的,舰载 C4ISR 体系舱面上的天线都具有这种效果。

“前门”耦合一般是单通道耦合,接纳天线一般具有方向性和通频带,与天线相匹配的传输线、低通或高通滤波器也只能传输必定频率的信号。因而,只有当电磁脉冲信号的频率落在接纳天线的带宽内,耦合功率最强。电磁脉冲信号频率落在接纳天线带宽外时,耦合功率一般很小;频率在通频带上时,耦合能量按频率的平方联系敏捷下降;频率在通频带以下时,按频率的四次方联系敏捷下降。

因为高功率微波掩盖规模广,而且传达到海面上的水面舰船处时为平面波的办法,场强峰值没有改变,基本上没有方向性。舰载电子、兵器体系的天线一般都装有保护器材,用于约束进入天线的电磁能量。例如一般雷达接纳机的前部都装有开关和限幅器以保护后边的电路,可是因为电磁脉冲是场强十分高、时刻十分短(纳秒级)的窄脉冲,一般保护器美国水面舰船电磁脉冲防护规范浅析材对外界电磁能量的呼应时刻超越电磁脉冲经过时刻,因而对其抑制效果很小,电磁脉冲能量能够直接经过天线端保护器材直接进入设备内部[8]。

“前门”(天线)是电磁脉冲能量进入水面舰船舰载电子、兵器体系的一个最首要的途径。天线吸收的电磁脉冲能量能够直接损坏天线接纳设备,也能够经过天线进入体系内部,损坏体系内部的电子元器材,然后损坏体系的功用。

“后门”耦合是指电磁脉冲能量经过电子设备外壳的开口与缝隙进入设备,或在设备之间的衔接电缆上发作传导搅扰信号。

水面舰美国水面舰船电磁脉冲防护规范浅析船舰载电子、兵器体系“后门”耦合电磁脉冲能量的办法首要有以下几种:

1)传导耦合办法。电磁脉冲能量耦合至水面舰船甲板的外部信号电缆上,这些电缆直接与舰艇舱室内部的电子设备相连,耦合能量直接进入设备内部。电磁脉冲能量耦合至水面舰船甲板的外部电力电缆上,经过电力体系进入舱室内部的电子设备。

2)美国水面舰船电磁脉冲防护规范浅析辐射耦合办法。电磁脉冲能量经过舱口、通道、窗口及缝隙辐射进入或穿透舰艇壳体进入舰艇舱室内。这些辐射进入的能量又经过设备上的开孔、缝隙进入设备内部。

3)交叉耦合办法。电磁脉冲能量耦合在舰艇甲板外部电力、信号电缆上,进入舱室后这些电缆辐射电磁脉冲能量,经过辐射和传导耦合办法进入舱室内其他电子设备内部。经过舱口、通道、窗口及缝隙辐射进入或穿透舰艇壳体进入舰艇舱室内的电磁脉冲能量,耦合至信号或电力电缆上,经过传导办法耦合进入电子设备内部。

“后门”耦合是多通道耦合:耦合强度与孔缝的数目、尺度、形状以及截止的频率有关,电磁脉冲信号在耦合的过程中或许呈现“共振增强”的现象;经过等效天线(偶极子和磁极子)将高频能量耦合到低频电路中;经过“整流”或“互调”将射频信号变换成“视频脉冲”或带宽信号,该信号传遍整个电子体系而发作效果,在传输过程中因寄生谐振或许会在电路中发作频率等于两个或多个基频、谐波之和或差的信号。

水面舰船内各种电子设备的机箱,大部分是用金属板材加工组合而成的。因为技能水平的约束和功用的需求,存在孔缝是不免,有的还要在壳体上开口。如各种操作渠道的显现器、通风散热窗口、操作哈利波特电影显现窗口、电源、信号的出入口、各种表头显现调查窗口、灯座、开关和操作按键装置孔、接缝处的缝隙等,这些孔隙是电磁脉冲能量进入的重要途径。别的,舰艇上线缆散布十分广泛。可见“后门”耦合具有适当的普遍性[9]。

从水面舰船的结构和灵敏电子设备的安置特色来看,舰载电子、兵器体系中的灵敏电子设备置于甲板以下关闭的金属舱室内,其间要点灵敏设备舱室为屏蔽舱室。另一方面,舰面甲板上露天电力、信号等电缆均为屏蔽电缆,因而电磁脉冲能量难以直接经过“后门”耦合途径进入灵敏设备内部,首要经过舰面安置的天线(“前门”)耦合进入灵敏设备内部。

2国外水面舰船强电磁脉冲防护规范要求剖析

美国在水面舰船强电磁脉冲防护范畴展开研讨时刻长、效果多,规范相对全面。因而对美国舰船强电磁脉冲防护规范的剖析有助于咱们了解和学习国外先进技能,更好地拟定合适我国的水面舰船电磁脉冲防护规范。

2.1 雷电电磁脉冲防护要求规范

触及水面舰船雷电电磁脉冲防护要求的美国军用规范首要是 MIL-STD-464C《电磁环境效应要求和办法》,该规范的 5.5 条为雷电要求。

体系在雷电的直接和直接效应下,均需满意其作业功用要求。军器在露出状态下饱尝近距雷击或在封存状态下饱尝直接雷击之后,应满意其作业功用美国水面舰船电磁脉冲防护规范浅析要求。军器在饱尝露出状态下直接雷击的期间及之后,仍需确保安全。表 1 供给了与直接雷击引起的直接效应相关的雷电环境数据,表 2 适用于近距雷击环境。契合性应经过体系、分体系、设备和部件(如结构和天线罩)级实验、剖析或其组合来验证[10]。

2.2 核电磁脉冲防护要求规范

触及水面舰船核电磁脉冲防护美国水面舰船电磁脉冲防护规范浅析要求的美国军用规范首要包含:MIL-STD-464C《体系电磁环境效应要求》、MIL-STD-461F《设备与分体系电磁搅扰操控要求》。464C 规范规则了适用于舰船渠道的核电磁脉冲防护要求,461F 规范规则了适用于舰载设备和分体系的核电磁脉冲防护要求。

1)MIL-STD-464C《体系电磁环境效应要求》中5.6 条规则的电磁脉冲要求如下:体系在接受电磁脉冲环境今后,需求满意其作业功用要求。相应的电磁环境有不同的类别,且在 MIL-STD-2169《高空电磁脉冲环境》中有界说。仅在订货方有明确要求时,该条件才适用。契合性应经过体系、分体系、设备级实验、剖析或其组合来验证 MIL-STD-2169 规范为秘密级规范,其要求限值波形未对外发布,MIL-STD-464C 给出了可供参阅的核电磁脉冲环境要求,如图 3 所示。

2)MIL-STD-461F《设备与分体系电磁搅扰操控要求》中 5.21 条为 RS105 瞬态电磁场辐射灵敏度,其条文规则:当设备或分体系装置在加固(屏蔽)的渠道或设备的外部时,RS105 适用于水面舰船、潜艇、陆军飞机(包含机场保护作业区)、水兵飞机和水兵地面上的设备和分体系壳体 。订货方有规则时 ,RS105 既适用于上述渠道中只预订使用于非金属渠道上的设备,也适用于空间体系渠道上的设备。关于陆军飞机上用于安全意图的关键性安全设备或分体系,当其装置在外部时,RS105 也适用。当按该规范中图 2-3 所示实验信号的波形和起伏进行实验时,受试设备不该呈现任何毛病、功用下降或违背规则的目标值,或超出单个设备和分体系规范中给出的目标允差。至少施加 5 个脉冲,重复频率步重复频率不超越1 个脉冲/min。

2.3 高功率微波防护要求规范

触及水面舰船高功率微波防护要求的美国军用规范首要是 MIL-STD-464C《电磁环境效应要求和办法》,该规范的 5.4 条规则了高功率微波防护要求。

体系在接受窄带或宽带高功率微波之后,仍需满 足 其 工 作 性 能 要 求 。 使用 经 过 诸 如 《 Capstone Threat Assessment Report》威望验证的具有要挟的源数据,并根据体系作业情况、计划和使命要求,订货方需供给体系可适用的场级和高功率微波脉冲特性。仅在订货方有明确要求时,该条件才适用。契合性应经过体系、分体系、设备级实验、剖析或其组合来验证。

3结语

国外水面舰船强电磁脉冲防护的规范及要求的剖析能为我国水面舰船的强电磁脉冲防护供给必定的技能参阅,对我国水面舰船的抗强电磁脉冲规范拟定具有较好的学习效果。

来历:本文宣布在《配备环境工程》2018.3

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