电火工品电磁兼容时域响应特性

电火工品电磁兼容时域响应特性

郭晓虎

安徽红星机电科技股份有限公司 安徽省合肥市 230011

摘要：将电火工品电起爆理论和算法应用于电火工品电磁兼容时域响应研究，建立了火工品不同电磁波时域响应的数学模型，基于换能元感应电磁能量测量方法验证时域特性，试验结果与计算结果趋势一致且十分吻合。

关键词：电火工品；电磁兼容；时域响应；数学模型

前言

由电磁环境与装备弹药系统中包含的电火工品或火工系统之间存在的不兼容问题，相互作用导致的危害称为电磁辐射对军械危害问题。HERO问题是由武器弹药中包含的火工品或火工品发火电路与弹药所遭遇的外部电磁辐射之间的根本不兼容引起的。火工品在武器装备中应用广泛，例如火箭发动机点火，武器弹药起爆等。这些功能中任何一项由于暴露于电磁能量而无意或过早发生时，就会产生HERO问题。因此，火工品作为武器弹药中始发元件的电磁环境响应特征研究是武器弹药电磁兼容研究不可忽略的一环。

一、电磁环境

电磁环境是指存在特定空间所有电磁现象的综合。构成电磁环境的各种电磁危害预案十分复杂，既有雷电、静电之类的自然电磁危害源，又有雷达、通讯、广播、电子对抗等射频源和定向能武器等的人为电磁危害源。武器弹药对人为电磁危害源的响应特征及防护研究更为重要。

1.1无线电波

包括广播、电视、无线电通信等在自由空间传播的电磁波，是武器弹药不可回避的电磁危害源。为了不同的应用采用模拟或者数字调制的方式，达到传输信息、内容的目的，通常这些无线电波以正弦波为基础。

1.2雷达脉冲

雷达是各武器平台不可或缺的关重设备，具有应用范围广、种类多、频谱宽、电磁辐射强度大等特点，是对武器装备、弹药危害等级比较高的人为电磁辐射源。雷达工作时发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲，其中最为简单的雷达脉冲是采用方波调制的周期性脉冲信号。

1.3电磁脉冲

电磁脉冲是在核爆炸时，由于伽马光子与空气介质分子相互作用而产生的电磁辐射。根据高空核爆炸电磁脉冲的基本理论模型，采用双指数函数进行拟合。

E=E0K(e-αt-e-βt)（1）式（1）中：E0为峰值场强；K为修正系数；α为前沿参数；β为后沿参数。

二、响应分析

电火工品在电磁场的响应极其复杂，包括电火工品对电磁场的拾取、电磁波在电火工品内部的传输、电能-热能-化学能的转换，国内外广泛采用Rosenthol能量方程进行求解，该能量方程的积分方程如式（2）所示：

式（

2）中：C为桥丝热容，J/℃；G为桥丝散热系数，J/(s·℃)；T(t)为桥丝温度差（初始温度为环境温度），℃；P为桥丝电功率，W。

根据Rosenthol能量方程，可以计算出输入电功率与桥丝温度变化量之间的关系，用来分析电火工品的电磁-热响应十分便利，结果也是非常可靠的。由公式（3）可以看出，火工品桥丝温度变化只与桥丝获得的电功率以及火工品的固有参数有关。通过不同信号特征电磁波在火工品桥丝产生的时域效应，可以更加直观地研究火工品电磁环境下的响应特性。

2.1正弦电磁波

根据公式（3），在已知电火工品桥丝上射频电流的前提下，就可以计算桥丝形成的温升，典型射频电流使桥丝温升在时域上的表现如图4所示。根据Rosenthal能量方程，建立：

令ω=2×π×f，其中f为电磁波的频率，根据公式（4），则可以得到：

当正弦电磁波震荡周期远大于火工品热时间常数时，其热响应的震荡现象明显。当正弦电磁波震荡周期远小于热时间常数时，电火工品在正弦电磁功率作用下，在时域上会达到热平衡的状态，这与直流功率加载的情况是一致的。

2.2雷达脉冲

雷达脉冲波属于周期性电磁信号，当雷达脉冲信号的周期为t0，功率加载的时间为0.5t0，也就是雷达脉冲波的占空比为50%，根据Rosenthol能量方程获得第1个周期内火工品桥丝温度的关系式：

在雷达脉冲波的作用下火工品桥丝的温度在1个周期内呈先上升后下降的趋势，直到达到热平衡。随着雷达脉冲载波频率的上升，锯齿效应会逐渐降低，同时雷达脉冲的占空比越小电火工品时域电热响应中的锯齿效应越明显。

2.3电磁脉冲

根据电火工品电磁脉冲响应研究相关结论，电火工品在电磁脉冲环境下的感应电流振荡周期与引线长度有直接关系。

式（7）中：Tc为电流的振荡周期；L为电火工品引线长度；v为射频电流在火工品中的传播速度，3×108 m/s。通过拟合曲线获得其感应电流的表达式。

由于电磁脉冲在电火工品换能元上感应的电流作用时间短，远远小于电火工品的热时间常数，因此电磁脉冲对于电火工品的作用属于绝热响应过程，即电磁脉冲感应能量全部转化为电火工品的热效应。根据公式（3）计算桥丝温度的时域响应曲线（温度上升部分）。

通过3种典型电磁波对电火工品热响应时域特性理论分析，可知周期性的正弦电磁波与雷达脉冲在一定条件下均会达到热平衡状态，非周期信号的电磁脉冲则在非常短的时间内达到温度峰值，在此期间内没有激发电火工品，则其温度会慢慢消散至室温状态。

三、试验验证

通过试验来验证理论计算的电火工品电磁波时域特性，采用电火工品光纤温度测量方法，对正弦电磁波和雷达脉冲波下电火工品实际热响应进行测量；而电火工品对于电磁脉冲波的效应属于绝热响应特性，需使用罗国夫斯基线圈对其桥丝上感应电流进行测量研究，直接关注其电流变化。

3.1正弦波

正弦波情况下，采用光纤温度传感器来检测桥丝上的温度响应，。

3.2雷达脉冲波

根据前面的响应分析，雷达脉冲情况与正弦波一致，最终会达到热平衡的状态，因此同样采用光纤温度传感器来测量电火工品桥丝温度变化。

3.3电磁脉冲波

电火工品电磁脉冲试验特征与周期性信号差异很大，通常采用电磁脉冲发生器加GTEM装置的方式形成电磁脉冲，对电火工品进行时域响应分析。根据图3和图7，电磁脉冲信号作用时间小于0.1μs，温度测量传感器响应时间在1ms以上，暂时无法实现对其的定量表征，只能采用响应时间更快的罗国夫斯基线圈对其感应电流进行测量，进而研究其响应特性。

不同信号特征电磁波对电火工品的实际响应试验结果，可以看出数值计算与试验结果基本一致，通过试验验证了数值计算的正确性，获得了典型电磁波条件下电火工品桥丝的时域响应，为电火工品电磁兼容、电磁辐射阈值研究提供了参考依据。

结束语

通过理论计算和试验研究，可以获得以下结论：（1）明确了电火工品不同信号特征电磁辐射电热响应时域变化情况；（2）对于正弦电磁波，电火工品时域响应呈热稳态趋势，且当正弦电磁波震荡周期远小于电火工品热时间常数时，其桥丝响应状态接近同功率条件的直流输入水平；（3）对于雷达脉冲波，电火工品时域响应呈锯齿震荡趋势，这与雷达脉冲波的周期与占空比联系密切；（4）对于电磁脉冲波，电火工品电流时域响应呈阻尼震荡趋势，流经桥丝的电磁能量全部参与热能的转化，而热响应为绝热响应趋势。理论计算和试验验证结果一致，趋势吻合，可为电火工品电磁兼容研究提供一定的指导。

参考文献：

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