基本舰船结构的辐射屏蔽因子研究

核辐射环境中,舰船、坦克的辐射屏蔽特性关乎着核安全、防护、效应评估以及决策应对等实际应用问题。瞄准舰船的核辐射屏蔽性能开展研究。针对舰船材料及典型结构,采用中子-光子耦合输运方法,定量给出中子源、γ源同时辐照下的辐射屏蔽效能。通过借助大规模并行技术,实现了该深穿透屏蔽问题的高效模拟。该辐照屏蔽研究中考虑了入射中子和γ以及次级γ粒子的综合叠加效应。通过模拟中子和γ分别入射不同厚度、不同材料壳体后的注量、剂量、能谱演化,计算获得了屏蔽体的入射中子、入射γ射线、中子和次级γ及其综合屏蔽因子,给出腔内的屏蔽因子分布规律,材料包括Fe、Al、Pb、船体材料HSLA100钢等,辐射源包括单能中子、单能γ以及核泄漏中子谱和γ谱。研究成果将为船体、坦克等的辐射防护性能的深入分析奠定基础,为核辐射效应评估、应急处理等提供理论支撑。

神光装置辐照腔体系统电磁脉冲的数值模拟

应用三维MC程序和PIC程序,对神光装置辐照下腔体内系统电磁脉冲(SGEMP)模型进行了耦合模拟。在半高宽为2.9 ns、平均能量为10.3 keV的轫致谱X射线点源辐照下,圆柱腔内电场最大值高达2 MV/m,以轴向电场为主;磁场最大值约为0.8×10^(-3)T,以角向磁场为主,电磁场最大值都集中在发射面附近,以脉冲直流场为主,交流辐射场幅度较小,约在kV/m量级。考察了注量对SGEMP效应的影响,注量越高,电场沿轴向变化越快,交流辐射场占比越大。

从美国EMPIRE软件看大型高功率脉冲电磁等离子体程序研发趋势

EMPIRE软件是美国针对下一代高性能计算平台开发的电磁等离子体模拟软件,可用于高置信度地开展高功率脉冲产生、传输以及与物质互作用的全过程模拟。解读EMPIRE软件的研制进展对发展大型高功率脉冲电磁等离子体软件具有重要借鉴意义。首先分析了EMPIRE软件的架构及数学物理方案,然后着重讨论了其性能可移植性的软件特征和各子模块的算法特点,最后结合具体的应用案例展示了EMPIRE的强大计算能力。解读EMPIRE的启示包括如下几点:使用异构架构是实现未来E级(百亿亿次级)计算能力部署的关键点;研制灵活的功能模块,开展分层级的建模计算,最后拉通整个物理过程链条模拟,能够有效发挥装置指标的数值评估作用;多团队协作共同开发是丰富软件功能的基础;软件的置信度需要全方位的验证与确认。

高功率微波作用下三维结构中多物理场耦合过程仿真方法研究综述

电子系统暴露在高功率微波中,产生的多物理耦合效应会引发其性能降低甚至损毁。为指导其电磁防护设计,需要研究大规模电(磁)-热-应力耦合并行仿真方法。通过集成高性能并行计算框架和区域分解方法(domain decomposition method,DDM),可以实现超大规模复杂结构的高效数值模拟。在无源结构的电-热-应力耦合数值模拟中,每个时间步都需要反复求解电流连续性方程、热传导方程和热应力方程,场间通过焦耳热和温变材料参数实现耦合,当达到稳态后,进入下一个时间步;在射频无源结构的电磁-热-应力耦合过程数值模拟中,每个时间步内分别求解电磁场和热场,并通过耗散功率和温变材料参数实现场间耦合,当达到稳态后,根据温升计算热应力,然后进入下一个时间步。本文回顾了电(磁)-热-应力大规模并行仿真的实现方法,并列举了国内外科研团队在键合线阵列、系统级封装、微波滤波器等多种复杂结构的多物理场模拟方面的标志性成果。

弱导电薄层介质材料电磁耦合等效计算方法研究

面向核电磁脉冲等强电磁环境下复合材料壳体平台的电磁环境效应分析需求,根据Maxwell-Ampere定理的积分形式,分析得到了时域有限差分方法在处理弱导电薄层介质材料参数时的等效计算方法,即当介质等效波长远大于模型厚度时,可将薄层模型适当增厚,同时等比例减小其电导率,参数等效前后模型的电磁耦合特性基本相同。该方法通过等效增厚薄层材料从而实现增大空间离散步长,减少网格量的目的,不需要改变传统时域有限差分方法的时间步进格式,不会破坏计算的稳定性。无限大有耗介质薄板、薄层球体、含薄层壳体无人机电磁耦合等算例表明,在包含毫米级厚度弱导电介质薄层壳体平台的核电磁脉冲耦合模拟中,该方法具有较好的适用性。

系统电磁脉冲建模与数值模拟研究进展

系统电磁脉冲是X射线、伽马射线产生的二次辐射效应,通过在作用目标系统周围激励出瞬态电磁场/电流进而造成电子学系统失效。自20世纪70年代以来,研究人员对系统电磁脉冲的产生机理、效应特点进行了大量研究,形成了一系列理论分析方法与专用数值模拟程序。然而,受限于系统电磁脉冲所涉及物理过程的复杂性,目前仍难以实现其毁伤效果的定量分析,已经成为抗辐射加固领域的短板问题。为此,本文综述了系统电磁脉冲的基本物理过程与分类方法,按外部系统电磁脉冲、腔体系统电磁脉冲、线缆系统电磁脉冲、电路盒系统电磁脉冲等不同类型,分别从建模方法、已形成专用数值模拟程序的功能与特点等方面介绍了国内外系统电磁脉冲理论研究的进展。结果表明,除电路盒系统电磁脉冲外,国内外数值模拟采用的技术路线较明确。国内发展的模拟能力基本可实现自主程序替代,但在未来的研究中,需要进一步加强专用模拟程序的集成以及模型校验,以更好地应用于系统电磁脉冲对实际电子学系统干扰/毁伤效能的评估。

计算电磁学及其在复杂电磁环境数值模拟中的应用和发展趋势

概述计算电磁学的发展历程及其数值方法,并从学术研究、商业软件以及专用软件三个层次论述国内外研究的最新进展.结合复杂电磁环境的应用介绍复杂电磁环境数值模拟平台的研究现状,最后提出未来发展趋势的几点设想.

VLASOV天线的研究

使用频域矩量法 (MM)和时域有限差分方法 (FDTD)对 VL ASOV天线进行了系统研究。通过数值模拟 :对 VL ASOV天线中的模式转换及辐射过程进行了清晰的物理描述 ;对 VL ASOV天线进行了参数化研究 ;并为实验提供了加工原型 ,实测结果与模拟结果吻合良好。在此基础上 ,结合VL ASOV天线在高功率微波系统中的应用提出了一种新的设计方案。该方案实现了天线与天线罩的一体化设计 ,使辐射波束实现了较好的圆对称性 ,天线增益提高 6 d B,第一副瓣电平下降 13d B。

新型椭圆函数波导族的保角变换有限差分解法

保角变换一直是求解边值问题的重要方法，但以往在电磁场领域的应用多限于求解静态和准静态问题。利用保角变换及椭圆函数的理论和方法结合数值技术求解导波问题中的二维Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程。这种半解析数值方法的优点是：利用保角变换解析的前处理将不规则的场域转化为规则域，从而可以消除最常用的矩形网格对复杂边界的离散化误差，降低算法复杂度，提高计算效率。根据我们提出的新型高功率导波结构的特点导出了从五边形族到矩形的椭圆函数保角变换式，采用有限差分法对变换后得到的非均匀Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ方程在变换域进行简单的五点格式剖分。通过保角变换有限差分算法（ＣＭＦＤ）得出各模式的截止频率和电磁场分布，从而进一步对该波导族做出全面的性能分析和优化。最后，对计算结果进行了全面验证。

任意截面波导中截止波长测试的一种新方法

提出了一种测试任意复杂截面波导截止波长的新方法。该方法利用波导及谐振腔的有关理论，把任意复杂截面波导的截止频率测试问题转化为对波导谐振腔的测试，因而不但在测试中回避了匹配和过渡等难题，而且达到较高精度，非常适合于微波工程设计使用。还提出了对波导衰减以及模式场分布的测试方法。

一种用高斯波束进行方向图模拟的新方法

提出并系统研究了一种利用高斯波束进行天线方向图模拟的新方法。大量数值结果表明了波瓣匹配法（ＬＭＴ）的有效性。该法不但能与复射线法（ＣＲＭ）结合用于解决复杂媒质环境下的高频电磁场问题，而且也是一种优良的方向图综合算法。文中还首次将基于盖博表达式的高斯波束展开用于方向图综合。

宇航产品型谱化发展研究与实践

宇航产品普遍具有高要求、高风险和小子样等特点,这与保证宇航型号任务一次成功的要求之间形成了强烈反差,也使得经典质量与可靠性工程技术方法难以充分满足宇航型号研制的需求。

概率风险评价技术及应用

介绍了概率风险评价技术的基本概念,详细分析了概率风险评价的实施过程,包括目标定义和系统分析、初因事件识别、事件链建模、故障模式确定、数据收集和分析、模型的量化和集成、不确定性分析和结果分析等步骤。最后通过一个航天器推进系统的示例说明概率风险评价技术的分析结果及应用范围。

概率风险评价技术及应用(续)

3 PRA应用示例分析 3.1定义目标与系统分析 以航天器的推进系统为例。在航天器内有两个独立的冗余推进器系统。图3是其中一套推进器系统的推进剂输送模块，包括：肼储箱、引向推进器的两条推进管线、每条管线上设有的常开隔离阀和压力传感器，以及基于压力传感器所测压力来控制隔离阀的控制器。

阶梯阴极型L波段MILO的实验研究

对阶梯阴极型L波段磁绝缘线振荡器（MILO）进行了实验研究。介绍了测试方法与测试系统；开展了阴极电子发射实验。发现阴极电子发射不均匀是对称结构MILO产生非对称微波模式的最关键的因素之一；并对二极管屏蔽环尺寸、扼流片半径、提取间隙等进行了研究。在电子束电压约420kV、电流33kA的条件下，得到了阶梯阴极型L波段MILO的高功率微波辐射功率为1．22～1．47GW，脉宽大于20ns，频率为1．21GHz。柬波转换效率约为10％。器件产生微波模式为TM01模。经过模式转换器后的辐射模式为TE11模。

S波段长脉冲相对论速调管放大器的实验研究

介绍了S波段强流长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的高频系统设计、长脉冲强流相对论电子束(IREB)的调制及微波提取等方面的实验研究结果。重点阐述了长脉冲IREB调制和输出微波中的自激振荡问题。通过采用高阶工作模式以及参差模式设置的谐振腔、提高系统安装的同心度和调节电子束参数等措施,使自激振荡得到了抑制。采用550 kV,4 kA及210 ns的环行电子束,经过优化调节RKA参数,使强流调制电子束流脉宽由50 ns增加到150 ns,同时得到了3.2 kA的基波调制电流。从该RKA得到了峰值功率580MW、脉宽140 ns的输出微波,束波转换效率26%,增益34 dB。

混响室的概率统计分析方法及其蒙特卡罗模拟

提出了一种研究混响室问题的理论分析方法,从理想混响室的离散概率模型出发,采用蒙特卡罗模拟来获得室内电磁场量及其相关物理量的概率统计特性。运用该方法获得了混响室内若干场量(均为归一化值)的概率密度函数、室内一段均匀无耗单导体传输线的负载平均耦合截面及负载电流响应模值的概率分布,所得结果与已有文献给出的结果(包括由解析公式计算或测量所得的结果)吻合良好。由于蒙特卡罗方法的普适性,采用该方法可以获得任意待分析参量的全部概率统计特性(只要样本数足够大)。同时该方法无需针对具体混响室进行,只要在其测试区域能较好地与理想混响室的基本概率模型相吻合,就能给出较精确的计算结果,且其计算量远远小于基于全波分析的蒙特卡罗方法。

L波段硬管磁绝缘线振荡器的研制

对L波段磁绝缘线振荡器(MILO)的二极管进行了研究,优化了器件的设计,以及辐射天线一体化的设计,研制出了L波段硬管MILO。硬管MILO的实验结果是:在电压为450 kV、电流为35 kA的条件下,L波段硬管MILO的输出微波频率为1.22 GHz,功率大于1.5 GW,微波脉宽半高宽约20 ns,功率效率约10%;硬管MILO的保真空时间超过了5 h。

3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE

介绍了自主编制的3维全电磁粒子模拟大规模并行程序NEPTUNE的基本情况。该程序具备对多种典型高功率微波源器件的3维模拟能力,可以在数百乃至上千个CPU上稳定运行。该程序使用时域有限差分(FDTD)方法更新计算电磁场,采用Buneman-Boris算法更新粒子运动状态,运用质点网格法(PIC)处理粒子与电磁场的耦合关系,最后利用Boris方法求解泊松方程对电场散度进行修正,以确保计算精度。该程序初步具备复杂几何结构建模能力,可以对典型高功率微波器件中常见的一些复杂结构,如任意边界形状的轴对称几何体、正交投影面几何体,慢波结构、耦合孔洞、金属线和曲面薄膜等进行几何建模。该程序将理想导体边界、外加波边界、粒子发射与吸收边界及完全匹配层边界等物理边界应用于几何边界上,实现了数值计算的封闭求解。最后以算例的形式,介绍了使用NEPTUNE程序对磁绝缘线振荡器、相对论返波管、虚阴极振荡器及相对论速调管等典型高功率微波源器件进行的模拟计算情况,验证了模拟计算结果的可靠性,同时给出了并行效率的分布情况。

基于电磁拓扑的多腔体屏蔽效能快速算法

提出基于电磁拓扑理论计算开孔多腔体屏蔽效能的快速方法.首先给出双腔体等效电路和电磁拓扑信号流图,并推导孔缝节点处的散射矩阵,给出拓扑网络的散射矩阵方程和传输矩阵方程,获得双腔体的广义Baum-Liu-Tesche(BLT)方程.在此基础上研究了开孔三腔体,包括串型级联三腔体和串并型混合级联三腔体的广义BLT方程.对于串型级联三腔体,其电磁拓扑网络和广义BLT方程在双腔体基础上直接扩展即可获得.而对于串并型混合级联三腔体,通过将位于三腔体公共面上的孔缝等效为三端口网络节点,并根据三端口网络散射参数定义推导获得该节点的散射矩阵,最终得到串并型混合级联三腔体的广义BLT方程.本文方法对双腔体的计算结果与文献结果和实验结果相符合,对3组不同类型和尺寸开孔腔的屏蔽效能的计算结果与时域有限差分法计算结果符合较好.该算法不仅效率高,通过对所有计算结果和实验结果的误差统计分析,表明该算法具有较高的计算准确度.