彈藥倉庫電磁環(huán)境屏蔽效能分析范文

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《現(xiàn)代防御技術(shù)雜志》2016年第3期

摘要:

基于FEKO軟件構(gòu)建了彈藥倉庫電磁屏蔽仿真模型，對彈藥庫墻體、鋼筋網(wǎng)及電磁涂層等的電磁脈沖屏蔽效能的影響進行了研究，得出了一些有價值的規(guī)律與結(jié)論。仿真表明:在混凝土中添加碳粉、鋼纖維等導(dǎo)電材料可顯著提高電磁場高頻屏蔽效能，但對低頻電磁場影響不大;金屬涂層與電導(dǎo)率低的復(fù)合涂層具有較高的屏蔽效能，隨著外部電磁場頻率和強度加大，噴有導(dǎo)電涂料的混凝土墻體，屏蔽效應(yīng)明顯增強。對于孔縫屏蔽效能總體是逐漸降低的，但在0．7～0.8GHz處發(fā)生諧振，屏蔽效能最差;鋼筋直徑與鋼筋網(wǎng)格尺寸及組網(wǎng)方式、孔縫形狀和大小都對庫房的屏蔽效能都有不同程度的影響，為彈藥庫房電磁防護提供了方法參考與有益嘗試。

關(guān)鍵詞:

彈藥倉庫;鋼混墻體;電磁環(huán)境;屏蔽效能;電磁防護;仿真

0引言

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭中電子對抗干擾貫穿于戰(zhàn)爭始終，復(fù)雜多變的電磁環(huán)境不僅影響彈藥裝備的作戰(zhàn)效能，而且直接威脅彈藥倉庫的戰(zhàn)場生存。在彈藥的各個勤務(wù)處理環(huán)節(jié)中，造成彈藥及其組件燃燒、爆炸，甚至人員傷亡的案例屢見不鮮，特別是大量電磁脈沖武器的使用對彈藥倉庫威脅很大。美軍在1991年海灣戰(zhàn)爭期間使用過具有電磁脈沖破壞效能的巡航導(dǎo)彈，1999年科索沃戰(zhàn)爭中再度使用了電磁脈沖炸彈，使半徑數(shù)十千米范圍內(nèi)的幾乎所有的電子設(shè)備無法正常工作、修復(fù)甚至引爆彈藥。目前彈藥庫房的溫濕度調(diào)控以及防火防盜措施研究很多，但應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境下的彈藥磁電安全防護研究有限。為確保彈藥裝備貯存安全，適應(yīng)未來信息化戰(zhàn)爭的裝備保障需求，必須對舊彈藥庫房進行技術(shù)化改造或建設(shè)新庫房，已成為當(dāng)今彈藥倉庫安全管理中亟待解決的一項重大課題［1－4］。2002年，易韻等［5］采用時域有限差分法，分析了常用地下建筑工程鋼筋混凝土層對高功率電磁環(huán)境的屏蔽效能，研究了鋼筋網(wǎng)連接方式、自然防護層等因素對屏蔽效能的影響;2006年，陳彬等［6］建立了簡化的計算模型，運用時域有限差分法計算了金屬門的屏蔽效能;2007年，左躍等［7］分析了電磁屏蔽材料的屏蔽機理和吸波材料的吸波機理，探討了水泥基電磁屏蔽材料與吸波材料的設(shè)計原理，提出了水泥基電磁屏蔽材料與吸波材料今后的研究方向;2008年，徐磊等［8］分析了復(fù)雜電磁環(huán)境下戰(zhàn)略后方倉庫面臨的安全挑戰(zhàn)，提出了有效的防護措施;2009年，呂楠等［9］從理論上探討了混凝土對電磁波屏蔽效能的潛在規(guī)律。此前，還有很多學(xué)者在彈體、引信及其他腔體對電磁場的屏蔽和耦合規(guī)律等方面做了大量工作，大多偏重于理論綜述與部件試驗測試，分析整體性能困難，對彈藥倉庫等的研究甚少。為此嘗試用實體建模仿真方法研究彈藥倉庫磁電影響規(guī)律和防護具有重要意義［10－12］。FEKO是復(fù)雜形狀三維結(jié)構(gòu)的電磁場分析軟件，可以解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁問題，在保持精度的前提下大大提高了計算效率，使得精確仿真電大尺寸物體的電磁輻射和散射問題成為可能。它以矩量法為基礎(chǔ)，采用了多級子算法，將矩量法與高頻分析方法(物理光學(xué)及一致性繞射理論)相結(jié)合，能精確地解決天線設(shè)計、雷達散射截面和電磁兼容中的各類電磁場分析問題。基于FEKO仿真軟件特點，本文將矩量法與高頻分析方法相結(jié)合，提出了彈藥倉庫防護建模仿真方法，分析了彈藥倉庫在不同頻率、涂層材料及其各形窗口下的電磁屏蔽效能影響和磁電分布影響規(guī)律，為進一步探究彈藥貯存及其磁電防護影響提供了參考方法。

1.電磁屏蔽原理

電磁屏蔽是利用屏蔽體對電磁能量的反射、吸收和引導(dǎo)作用將屏蔽區(qū)域與其他區(qū)域分開，是電屏蔽和磁屏蔽的結(jié)合。在近場條件下，對于高電壓、小電流的干擾源，近場以電場為主;而對于低電壓、大電流的干擾源，近場以磁場為主。在遠場條件下，不論干擾源特性如何，均可看作平面波電磁場。其電磁能量有3種不同的衰減機理:①在入射表面的反射衰減;②被屏蔽材料吸收的衰減;③在屏蔽材料體內(nèi)部的多次反射衰減。對于遠場而言，電磁場是統(tǒng)一的整體，即電場屏蔽效能和磁場屏蔽效能是一致的，統(tǒng)稱電磁屏蔽效能。分貝值越大表明屏蔽效果越好，屏蔽效能的分級標準如表1所列。一般民用設(shè)施所需的屏蔽效能為35～65dB;軍用設(shè)備所需的屏蔽效能為60～100dB。在30MHz～1GHz范圍內(nèi)，屏蔽效果在35dB以上被認為是有效屏蔽［13－15］。把金屬板電磁屏蔽體假定在金屬板上不存在任何孔洞、縫隙等電氣不連續(xù)點。根據(jù)Schelkunoff理論，屏蔽效能為電磁能量被屏蔽層反射、吸收及多次反射之和，可表示為SE=R+A+B，式中:R為反射損耗;A為吸收損耗(dB);B為多次反射損耗。其中，吸收損耗A可表示為A=8．686L/σ，式中:L為屏蔽體厚度(m);δ=1/πf槡μσ為趨膚深度，表示電磁波進入屏蔽體內(nèi)部衰減到原來大小的1/e時的距離。可見，當(dāng)趨膚深度δ一定時，屏蔽體厚度越大，吸收損耗就越大。吸收損耗的大小與屏蔽材料、厚度及電磁波頻率有關(guān)。在只改變材料屬性的情況下，磁導(dǎo)率μ和電導(dǎo)率σ越大，其趨膚深度越小，吸收損耗就越大;只改變頻率時，如果f越高，吸收損耗也越大。

2.彈藥庫房電磁防護性能分析

2．1混凝土墻體的電磁屏蔽效能分析為簡化模型計算，外部加載電場強度均為1V/m的平面電磁波，意在探討其電磁屏蔽規(guī)律。彈藥倉庫大多是混凝土墻體結(jié)構(gòu)，建立混凝土墻體模型(對于平面墻體，取樣大小對計算結(jié)果影響不大，取樣計算中采取智能網(wǎng)格劃分。當(dāng)然網(wǎng)格越小越精確，那就越接近真實值):長寬為1000cm×1000cm，厚度為25cm，模型中混凝土參數(shù)［9，11］為εr=8.0，σ=10－3S/m，面向墻體沿x軸負方向加載電場強度為1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，對低頻30kHz和高頻300MHz2種情況進行仿真，取墻體后10cm處為觀察面，所得結(jié)果混凝土對低頻電場和磁場能量的屏蔽效能普遍較低，對高頻電場和磁場能量的屏蔽效能較好。對摻雜碳粉、鋼纖維等導(dǎo)電材料的混凝土墻體和普通混凝土墻體分別進行仿真，比較其屏蔽效能，選擇摻雜導(dǎo)電材料混凝土的參數(shù)為εr=8．0，σ=10－2S/m。對2種墻體建立模型，長寬為1000cm×1000cm，厚度為25cm，面向墻體加載1V/m的平面電磁波，頻率設(shè)置為低頻10～100kHz和高頻0.1～1GHz2個頻段，在沿x軸負方向距墻體5cm處取觀察點，如圖1為添加導(dǎo)電涂料混凝土對高頻的屏蔽效能。普通混凝土墻體及添加導(dǎo)電涂料混凝土仿真結(jié)果都表明:混凝土對電磁場中電場部分的屏蔽效能較低，對磁場部分有較高的屏蔽效能;混凝土對低頻電磁場的屏蔽效能要高于對高頻電磁場的屏蔽效能;在混凝土中添加碳粉、鋼纖維等導(dǎo)電材料可顯著提高混凝土對高頻電磁場的屏蔽效能，但對低頻電磁場影響不大。低頻段處，添有某導(dǎo)電涂料的混凝土與普通添混凝土比較，總體在20dB/m基線上，在60kHz處有突越變化;較高頻段處，添有導(dǎo)電涂料的混凝土與普通添混凝土比較，屏蔽效能有明顯效應(yīng)。理論上在30MHz～1GHz范圍內(nèi)，屏蔽效果在35dB以上被認為是有效屏蔽。由于外部加載電場強度為1V/m的平面電磁波，此處的屏蔽效能最大約在20dB左右，但隨著外部復(fù)雜電磁場強度加大，其相應(yīng)的屏蔽效能會更加顯著。

2．2鋼筋網(wǎng)的電磁屏蔽效能分析鋼筋直徑、鋼筋網(wǎng)格尺寸和混凝土特性等因素對屏蔽效能都有較大影響。鋼筋的網(wǎng)格很大時對小間保護的屏蔽效能很低，實際工程中常采用鋼筋較小的網(wǎng)格設(shè)計。鋼筋作為一種鐵磁性材料，其相對磁導(dǎo)率隨電磁波頻率增加而下降，雖然鋼的電導(dǎo)率比銅或鋁低，但鋼筋在低頻范圍內(nèi)可提供更高的磁屏蔽性能。要保證具有良好的屏蔽效果，工程上對鋼筋的技術(shù)要求是一般應(yīng)采用不小于直徑8mm的圓鋼焊接成不大于500mm×500mm的網(wǎng)格并與主鋼筋相連，門窗采用截面不小于9mm2，網(wǎng)孔不小于80mm×80mm的鋁合金網(wǎng)，并用不小于16mm2的軟銅線與地網(wǎng)或屏蔽層可靠相連。而鋼筋表面一般要防銹處理，屏蔽效能要求不太高的情況下，可采用鍍鋅等方法對鋼筋做適當(dāng)處理，可通過電磁計量儀測量判斷是否可用。本文建立3個鋼筋網(wǎng)電磁屏蔽效能模型僅做探討，模型A(鋼筋半徑r為1cm，網(wǎng)格大小b為10cm)，模型B(鋼筋半徑r為0.5cm，網(wǎng)格大小b為10cm)，模型C(鋼筋半徑r為0.5cm，網(wǎng)格大小b為20cm)。對3種模型加載1V/m的平面電磁波，對高頻0.1～1GHz和低頻10～100kHz2個頻段進行仿真，觀察點設(shè)在鋼筋網(wǎng)后5cm處。如圖2為模型A在高頻和低頻情況下的屏蔽效能。3個模型仿真表明:鋼筋網(wǎng)對電磁波有一定的屏蔽作用，其屏蔽效能與網(wǎng)筋網(wǎng)格尺寸、鋼筋直徑和入射頻率有關(guān)。一般情況下，較小的鋼筋網(wǎng)格尺寸和較大的鋼筋直徑可以提供較高的屏蔽效能，特別是網(wǎng)格尺寸對屏蔽效能的影響十分顯著。高頻情況下，屏蔽效能隨頻率的增加而逐漸降低;低頻情況下，屏蔽效能保持穩(wěn)定，基本不隨頻率的變化而變化。

2．3屏蔽涂層的電磁屏蔽效能分析由于鎳粉、銀粉或鍍銀的電阻率小于一定值時有導(dǎo)電率高，良好的化學(xué)穩(wěn)定性，表面不易氧化和銹蝕以及抗遷移能力強等特點，通常用來制成具有屏蔽功能的抗電磁涂料。但這些金屬涂料經(jīng)濟成本較高，如能制成鎳包或銀包銅粉涂料則具有良好的經(jīng)濟價值，可廣泛用于導(dǎo)電膠、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電、導(dǎo)靜電涂料以及各種電磁屏蔽、非導(dǎo)電性物質(zhì)表面金屬化處理等工業(yè)。為了簡便起見，采用典型的金屬涂層粉末:鎳粉、銀粉和鍍銀(5%，質(zhì)量分數(shù))銅粉作為研究對象，研究不同涂層的屏蔽效能，具有一定的工程意義。電磁參數(shù)如表2所示。設(shè)涂(噴)層厚度為0.2cm，加載電場強度為1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，頻率設(shè)置為0.1～1GHz，在涂層后15cm處設(shè)立觀察點進行仿真分析。在相同頻域區(qū)間，加有粉末鎳粉、銀粉和鍍銀的涂層(純度為99.99%，平均粒徑為5nm)由0.1GHz到1GHz的過程中，均在0.7GHz屏蔽效能最好，在－26～－31dB，銀粉相對效果更強，然后都逐漸轉(zhuǎn)弱。以銀粉涂層為參考建立涂層模型研究涂層厚度對屏蔽效能的影響，將模型中的涂層厚度分別設(shè)為d=0.2cm和d=0.4cm，在同樣的條件下進行仿真，不同厚度下Ag涂層的屏蔽效能也是均在0.7GHz屏蔽效能最好，如圖3是d=0.4cm時Ag涂層的屏蔽效能。以某銀粉涂層和鎳粉涂層建立復(fù)合涂層模型研究其屏蔽效能，模型A為銀粉涂層在外側(cè)，模型B為鎳粉涂層在外側(cè)，在同樣的條件下進行仿真，如圖4所示。為不同順序復(fù)合涂層的屏蔽效能。仿真結(jié)果表明:金屬涂層的屏蔽效能總體較高，在厚度相同的條件下，不同填料涂層的屏蔽效能不同，在選用的3種填料涂層中，銀粉涂層的屏蔽效能較高，鍍銀銅粉的屏蔽效能次之，鎳粉的屏蔽效能最低，屏蔽效能隨著電導(dǎo)率的增加而逐漸增大;不同厚度的同種涂層屏蔽效能也不同，隨著厚度的增加，屏蔽效能逐漸增大;復(fù)合屏蔽涂層的順序不同，其屏蔽效能也有很大的不同，高電導(dǎo)率涂層在外側(cè)時的屏蔽效能較低，低電導(dǎo)率涂層在外側(cè)時的屏蔽效能較高，且要高于復(fù)合涂層中同厚度的任一涂層。

2．4孔洞和縫隙的電磁屏蔽效能分析(1)孔洞和縫隙對屏蔽效能的影響由于彈藥倉庫、彈藥包裝和彈體本身以及一些電子設(shè)備都存在著不同的孔縫，分別建立3個立方體腔體模型30cm×30cm×30cm，厚度為1cm，模型A為全封閉腔體，模型B為有方孔(4cm×4cm)腔體，模型C為有縫隙(24cm×0.6cm)腔體，設(shè)屏蔽腔體為理想完全導(dǎo)體。對孔洞和縫隙的模型加載電場強度為1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，設(shè)置頻率為0.6GHz，在模型中的Oyz平面上取腔體截面作仿真計算，仿真結(jié)果表明:孔洞和縫隙的存在大大影響了屏蔽體的屏蔽效能，其中孔洞的影響比較大，縫隙的影響略小;電磁波通過孔洞和縫隙耦合進入腔體內(nèi)，場強分布不均勻，具體表現(xiàn)為:在y軸方向上，中間的場強大，屏蔽效能低，兩側(cè)的場強小，屏蔽效能高。隨著外部復(fù)雜電磁場強度加大，其相應(yīng)的屏蔽效能會更加顯著。

(2)孔洞的屏蔽效能仿真分析按同樣尺寸建立屏蔽腔體模型，模型A為正方形孔(4cm×4cm)腔體，模型B為長方形孔(8cm×2cm)腔體，模型C為圓形孔(半徑2.5cm)腔體。為了研究方便，假設(shè)孔洞位于屏蔽腔體側(cè)面的正中心位置，面向腔體沿x軸負方向加載電場強度1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，設(shè)置頻率為0.3GHz～1GHz，在3個孔洞模型中的x軸上設(shè)定3處觀察點，依次為距離孔洞5cm處、腔體中心、距離孔洞25cm處，坐標依次為A(10，0，0)，B(0，0，0)，C(－10，0，0)，如圖5為B(0，0，0)點時不同頻率下孔洞腔體的屏蔽效能。所有選點的仿真表明:不同孔洞對電磁波的屏蔽效能不同，在開孔面積相同的情況下，矩形孔的屏蔽效能是最差的，其次是方形孔，屏蔽效能最好的是圓形孔，與實測現(xiàn)象相符;隨著與孔洞之間距離的增大，場強逐漸變小，屏蔽效能逐漸增大;對于不同頻率的電磁波，屏蔽效能也不同，隨著頻率的增大，屏蔽效能逐漸減小，并在0.7GHz和0.8GHz之間產(chǎn)生諧振，在諧振點處的屏蔽效果最差。

(3)縫隙的屏蔽效能仿真分析建立同樣尺寸的立方體屏蔽腔體模型，在屏蔽腔體側(cè)面的正中心位置，建立不同類型的縫隙，分別為模型A(24cm×0.6cm)、模型B(12cm×0.6cm)、模型C(12cm×0.2cm)。面向腔體，沿x軸負方向加載電場強度1V/m的平面電磁波，極化方向為z軸，設(shè)置頻率為0.3～1GHz，在模型的中心(坐標原點)處設(shè)置近場求解點進行仿真，可以得到3種模型在不同頻率下不同縫隙的屏蔽效能的變化，在0.3～1.0GHz頻變過程中，發(fā)現(xiàn)在0.7～0.8GHz處達到高點，左右兩側(cè)成斜坡狀。仿真結(jié)果表明:屏蔽體的孔縫尺寸不同，屏蔽效能也不同，縫隙的長度越長，寬度越寬，屏蔽效能越差;縫隙對不同頻率電磁波的屏蔽效能不同，屏蔽效能隨著頻率的增加而減小，并在0．7～0．8GHz處產(chǎn)生諧振，使得屏蔽效能大大降低，與實際估算基本一致。

3.結(jié)論

為應(yīng)對未來信息化戰(zhàn)爭日益復(fù)雜的電磁干擾和攻擊，從彈藥倉庫儲存的實際出發(fā)，運用FEKO軟件分別對彈藥庫房電磁防護效能規(guī)律進行了分析，結(jié)論如下:

(1)混凝土對電磁場中的磁場部分有較高的屏蔽效能，且對低頻電磁場的屏蔽效能要強于高頻電磁場;在混凝土中添加碳粉、鋼纖維等導(dǎo)電材料可顯著提高混凝土對高頻電磁場的屏蔽效能，但隨著外部電磁場強度加大，其相應(yīng)的屏蔽效能會更加顯著。

(2)鋼筋網(wǎng)可以彌補混凝土對電磁波屏蔽效能不高的不足，網(wǎng)格尺寸和鋼筋直徑是影響其屏蔽效能的關(guān)鍵因素;高頻情況下，屏蔽效能隨電磁波頻率的增加而逐漸降低;低頻情況下，屏蔽效能相對保持穩(wěn)定。

(3)金屬涂層厚度和材質(zhì)對電磁波屏蔽效能有較大影響;在選用填料涂層厚度相同條件下，不同涂層的屏蔽效能有顯著差異;研究發(fā)現(xiàn):銀粉涂層的屏蔽效能較高，鍍銀銅粉涂層的屏蔽效能次之，鎳粉涂層的屏蔽效能最低，屏蔽效能隨著電導(dǎo)率增大而逐漸變大;不同厚度的同種涂層屏蔽效能也不同，隨著厚度增大，屏蔽效能逐漸變大。

(4)填料涂層順序?qū)ζ帘涡懿町惡艽蟆８唠妼?dǎo)率涂層在外側(cè)時的屏蔽效能較低，低電導(dǎo)率涂層在外側(cè)時的屏蔽效能較高，一般高于復(fù)合涂層中同厚度的任何涂層;對復(fù)合涂層，應(yīng)將電導(dǎo)率低的涂層置于外側(cè)可以得到較高的屏蔽效能。

(5)孔縫的存在會大大降低屏蔽體的屏蔽效能，其屏蔽效能隨電磁波源頻率增加而逐漸降低，在0．7～0．8GHz處發(fā)生諧振，屏蔽效能最差;對于面積相同的不同孔洞的屏蔽效能有差異，圓孔屏蔽效能最好，方孔次之，長方孔最次;且縫隙長寬度越大其屏蔽效能越差，與實測規(guī)律基本相符［11，13］。為新型彈藥儲存、新舊庫房建設(shè)或改造等提供了理論研究與技術(shù)方法支撐。

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作者：潘文庚 孔凡成 張洪海 黃強 晉耀 單位：空軍勤務(wù)學(xué)院