电起爆装置等效天线的电磁脉冲响应特性研究

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强电磁脉冲是一种具有前沿陡峭、频率分布宽、瞬时功率大,峰值场强大、影响范围广等特点的高强度瞬态脉冲。高强度的瞬态电磁脉冲会在电子设备中耦合出现一个较强的干扰信号,这个信号会使电子器件,电子设备和电子系统造成紊乱,轻则干扰其正常工作,重则直接毁伤,对电子设备的安全造成巨大威胁。电起爆装置又名电火工品,是一种装填引燃或起爆药剂,能利用不同种类的较小的外界能量(包括机械能、热能和电能等形式)激发,发生燃烧或爆炸等化学效应,从而利用其释放的能量获得某种化学物理效应或机械效应的装置,常用作点火(引燃各类火药药剂)、起爆(引爆各类火药药剂)或作为某种特定的动力能源(利用燃烧或爆炸释放的化学能,作为完成各种特殊作用的能源),是各类武器系统及航空航天装置中的重要组成部分,实际应用包括炮弹的底火、机载导弹的无线电引信、飞机发动机点火、火箭助推器点火、折叠翼展开等。作为武器系统中最敏感的作用元件,电起爆装置在制造、储存和使用过程中,其本身及其相连的有关线路和部件都有可能成为接收天线。因此,空间强电磁脉冲辐射场对电起爆装置的安全性存在较大威胁,快速的电磁能量聚集和热能转化,会使得药剂加速分解,丧失安全性,可能影响其正常发火性能甚至导致其意外起爆,对人员安全及装备安全造成巨大威胁。本文分析了两种典型强电磁脉冲的时频域特性,结合典型双引脚灼热桥丝式电起爆装置组成结构与工作原理,分析了强电磁脉冲对电起爆装置的耦合损伤机理,提取了电起爆装置的两种主要耦合要素,即引脚与桥丝。根据电起爆装置不同构型情况分别提出了开路等效天线模型以及环路等效天线模型,通过理论研究、仿真分析及试验验证三方面对电起爆装置的耦合响应特性进行了研究,得到的结论如下:1.针对桥丝阻抗这一因素,无论是环路构型还是开路构型的电起爆装置,在空间辐照场下,桥丝等效负载阻抗在典型值1-20Ω内变化对电起爆装置耦合电流的影响较小,而电起爆装置的失效及意外发火与桥丝等效负载阻抗上的发热功率I2RL相关,因此桥丝等效负载阻抗实部RL越大,发热功率越大,辐射场耦合对电起爆装置的威胁越大。2.针对开路等效天线构型下的天线臂(引脚)长度这一因素,在空间辐射场能量集中频率的波长远大于引脚长度情况下,电起爆装置耦合电流随引脚长度增大而增大;而在空间辐照场能量集中频率的波长与引脚长度可比拟情况下,当电起爆装置开路等效天线模型单天线臂长度l与辐射场能量集中的频率的波长λ构成电长度l/λ=0.25及其奇数倍时,桥丝等效负载阻抗上的耦合电流达到峰值,且在电长度l/λ=0.25时,耦合电流达到最大,这些频率就是对电起爆装置威胁较大的敏感频率。3.针对开路等效天线构型下的天线臂(引脚)夹角这一因素,对于高空核电磁脉冲及超宽谱高功率微波等瞬态的电磁脉冲辐照场,耦合电流随夹角增大而增大。4.针对环路等效天线下的环路周长这一因素,在空间辐射场能量集中频率的波长远大于环路周长情况下,电起爆装置耦合电流随环路半径(周长)增大而增大;而在空间辐照场能量集中频率的波长与环路周长可比拟情况下,其耦合电流最大情况出现在环路周长C与空间辐射场能量集中的频率对应的波长λ关系为C/λ ≈ n(n为正整数)附近。本文中对于两种典型强电磁脉冲辐照对双引脚灼热桥丝式电起爆装置的耦合机理及耦合响应特性分析较为详尽,通过理论计算、仿真分析和试验验证一一对比验证了所得分析结论的正确性,为电起爆装置在典型强电磁脉冲辐照下的安全性设计提供了理论支撑。
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