胡 慧，张 旭，熊 波，王伟亚

（海军航空大学，山东烟台264001）

在弹药武器系统中，通常装有多种类型的电火工品（Electric Explosive Device，EED），如电点火管、电雷管和电爆活门等，用于完成发动机点火、引信起爆以及工作状态转换等作战功能。在勤务处理和使用过程中，电磁能对电火工品的安全性有着重要的影响和作用。快速的电磁能量聚集和热能转化，会使药剂加速分解，丧失安全性，使火工品发火，酿成灾难性爆炸事故[1]。因此，深入分析电磁因素对电火工品作用机理，研究掌握电磁能量对电火工品影响规律，对于保证火工品符合安全性能指标，满足作战使用要求，有着重要的作用和实际意义。

在各类电火工品中，桥丝式电火工品占有很大比重。本文以两型桥丝式电火工品为例，分别介绍基于感应射频电流和损耗功率2个层面的建模及仿真分析方法。在分析电磁环境对火工品作用机理的基础上，采用ANSYS HFSS 电磁仿真软件进行火工品电磁建模。对两型电火工品加载不同的电磁能，分别进行感应电流和损耗功率仿真分析。研究电磁环境对火工品的安全性影响，得出仿真结果，并依据钝感电火工品安全性标准，给出对应的分析结论。

1 电磁能对火工品作用机理

1.1 电火工品基本结构

桥丝式电火工品以电能为激发能源，由壳体、引线、电极塞、桥丝、引火药、起爆药和基本装药等组成。其中，桥丝是火工品换能元件，通常为金属材质电阻丝，如钨丝、镍铬丝、钨铼丝及铂钨丝等，桥丝周围包有引火药剂[2]。接通电源时，桥丝灼热点燃引火药，引起火工品发火或起爆。电火工品结构见图1。

图1 电火工品基本结构Fig.1 Basic structrue of electric explosive device

1.2 电磁能对电火工品作用形式

电磁能对桥丝式电火工品的危害形式，取决于火工品的工作状态。当火工品处于连接状态时，可通过相连的电气通道以传导方式注入电磁能；当火工品处于非连接的开放状态时，空间的电磁场则会以电磁波形式经火工品引线输入电磁能量。由于火工品具有敏感性，通常用于执行首发任务，如发动机点火、助推器分离等。因此，在实际使用过程中，火工品往往会直接暴露在电磁场中，电磁能则以电磁波形式对火工品构成潜在威胁[3]。

在电磁波作用下，电火工品引线会把射频能量引入桥丝电阻中，从而起到了接收天线的作用[4]。待发状态下的电火工品，引线处于打开状态，形成偶极天线；贮存状态下的火工品，其引线端通常由短路塞短接，客观上构成环形天线。起天线作用的火工品引线，在环境电磁场中可感应出电流，并在其桥丝电阻端产生损耗功率[5]。本文仅以发火电路处于打开状态的双引线电火工品为例，分析电磁能对火工品的作用机理。电火工品等效电路如图2所示[6]。

图2 电火工品等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram of EED

图2中，V0为电磁场在火工品引线中产生的感应电压；Zg为引线等效阻抗，由电阻分量Rg和电抗分量Xg组成，即Zg=Rg+jXg；ZEED电火工品射频阻抗，由电阻分量 REED和电抗分量 XEED组成，即ZEED=REED+jXEED。

电磁场在引线中产生的感应电动势V0可表示为[7]：

式（1）中：E 为电磁场电场强度；λ 为电磁波波长；G为等效天线的增益。

电磁场进入到电火工品的功率PEED，则[8]：

式中，I 为负载端感应电流。

设定引线处于最大限度吸收电磁波的方向，即引线与电磁场夹角θ 为π/2。此时，方向性函数F(θ)为最大值[9]；同时，引线与负载之间阻抗相匹配，即Rg=REED，Xg=-XEED。此时，电火工品接收到的耦合功率最大。

由上述分析可知，电火工品引线在电磁环境中具有接收天线特性，射频能量可以通过引线进入火工品，形成天线耦合效果[10]。耦合的电磁能在电火工品桥丝回路中转换为感应电流，产生热积累，并依据其热能值的大小，对电火工品的安全性产生影响[11]。因此，可以采用桥丝感应射频电流和损耗功率2种方法，分别分析电磁能对电火工品性能的影响。

2 电火工品感应电流仿真分析

2.1 电火工品模型

采用ANSYS HFSS电磁场仿真软件，并利用电火工品物理模型，构建火工品电磁模型[12]。

选定的电火工品由壳体、点火药柱、电点火头、电极塞、电连接器、保护帽及导线等组成。利用Creo2.0构建电火工品物理模型，结构如图3所示。

电火工品部分组件及其材料的相关电参数如表1所示。

图3 电火工品物理模型Fig.3 Physical model of EED

表1 部分组件材料参数Tab.1 Material parameters of some components

依据电火工品结构参数以及材料电磁参数，基于ANSYS HFSS 电磁场仿真软件建立火工品结构和材料数据库[13]，形成火工品电磁模型，结构如图4所示。

图4 电火工品电磁模型Fig.4 Electromagnetic model of EED

2.2 感应电流仿真分析

本文采用外部激励电磁场建立最终的桥丝电流响应。仿真边界设置过程采用的是辐射边界条件。

外部激励设置为在边界上的垂直极化电场，计算频率范围从0.1～40 GHz，扫频步进设置为0.1 GHz[14]，仿真每个频率点桥丝感应电流情况。扫频设置如图5所示。

在频率范围0.1～40 GHz 内，电火工品桥丝感应电流变化值如图6所示。

图5 扫频设置Fig.5 Sweep frequency setting

图6 桥丝感应电流Fig.6 Induction current of bridge wire

从宽频带电磁效应仿真数据来看，当外部激励场为1 V/m 时，0.1～40 GHz 单位激励场感应电流不大于2 mA，大部分频率上感应电流都在0.5 mA 以下，感应电流较大的频率范围主要出现在30 GHz 以上。当局部有500 V/m 以上电磁场分布时，会产生大于1 A 的感应电流，超过钝感电火工品1 A 的安全电流阈值，对电火工品安全构成影响。

3 电火工品损耗功率仿真分析

3.1 电火工品电磁模型

选定的电火工品为桥丝式点火装置，内装2 个并联的电发火头，用来点燃点火药。该火工品由陶瓷绝缘材料、金属壳体、装药、引线及桥丝组成，外部接有供电电缆。点火装置通常处于裸露状态，无电磁屏蔽措施，因而电磁场可以直接耦合到点火电缆上，并通过电缆将耦合电流传输到点火装置的桥丝，形成能量聚集，产生损耗功率。当该值大于火工品可靠发火功率时，就会造成点火装置误点火。

电发火头桥丝设置为阻抗边界条件，设定电阻值为5 Ω。电缆采用双线形式，导线材质为黄铜，外部材料为聚乙烯。

基于ANSYS HFSS 电磁场仿真软件建立的火工品电磁模型，如图7所示。

图7 电火工品电磁模型Fig.7 Electromagnetic model of EED

3.2 损耗功率仿真分析

本文激励设定为波端口（Wave Port）。波端口是ANSYS HFSS中典型的外部端口，位于传输线与背景电磁环境的交界处，其截面是ANSYS HFSS求解结构参数的参考面[15]。为此，在设定的电磁能耦合通道口侧边平面上，建立“矩形平面”，紧贴free space boundary（自由空间边界），波端口平面的大小与实际通道尺寸相一致，以减小平面尺寸对仿真精度造成的影响。

根据GJB 786-89《预防电磁场对军械危害的一般要求》的相关要求[16]，电磁环境功率密度要求为：2～2.7 GHz 时，上限为1 000 W/m2；2.7～3.6 GHz 时，上限为4 000 W/m2；3.6～4 GHz 时，上限为1 000 W/m2。据此，本文设置波端口的入射功率为4 000 W，信号频率为3 GHz，功率密度取上限值4 000 W/m2。

在场计算器中通过对功率密度进行积分得到电阻上的损耗功率，如图8所示。

图8 损耗功率计算设置及结果Fig.8 Settings and results of power loss calculation

通过仿真可得到桥丝电阻功率损耗密度分布，如图9所示。

图9 电阻功率损耗密度Fig.9 Resistance power loss density

从仿真结果可知，电阻上的感应电场强度最大可达6 000 V/m。电阻上的电流密度最大为80 A/m，在场计算器中计算得到电阻上的损耗功率为0.57 W。根据GJB 344A-2005《钝感电起爆器通用规范》规定，常规钝感电火工品满足1 W/1 A/5 min 不点火安全性要求[17]，故该损耗功率尚不足以使钝感电火工品发火。但当入射远超过4 000 W，如“宙斯盾”作战系统S（3.1～3.5 GHz）波段AN/SPY-1相控阵雷达峰值功率5 MW ，平均功率32 kW[18]，则足以破坏火工品安全性，使电火工品意外发火。

4 结论

本文按照GJB 786-89《预防电磁场对军械危害的一般要求》加载典型电磁能量，选取两型电火工品，采用感应电流和损耗功率2 种分析方法，分别研究电磁环境对电火工品安全性的影响。在ANSYS HFSS 电磁场仿真环境中，通过设定的电磁场环境频率、电场强度及功率密度，分别获取典型结构电火工品的感应电流数据和桥丝电阻的损耗功率。通过与GJB 344A-2005《钝感电起爆器通用规范》中钝感电火工品安全阈值相比较，得出电火工品在特定电磁环境下的安全性仿真分析结论。本文所介绍的2 种研究方法，可获得置信度较高的仿真数据，并为电火工品安全性评估提供理论和技术支撑。