高空核爆炸环境数值模拟

高空核爆炸产生的辐射环境会对空间飞行器、通信和电力系统等产生严重影响。本文分析了高空核爆炸瞬时和长期环境的产生机理及对目标的效应,介绍了作者团队近年来在高空核爆炸环境数值模拟方面的系列研究工作。解决了X射线剥离原子核外电子形成裸核区过程、基于蒙特卡罗方法计算电流源项的早中期核电磁脉冲一体化模拟、非对称火球演化过程、碎片云扩展上升运动和产生缓发辐射电离大气过程,及人工辐射带电子注入和扩散损失过程等数值建模关键技术,建立了高空核爆炸核辐射、X射线、核电磁脉冲和光辐射等瞬时环境及碎片云、附加电离层和人工辐射带等长期环境的数值模拟方法,研究给出了典型爆高与当量下的高空核爆炸环境参数,总结了高空核爆炸环境特征与规律。

高空核爆电磁脉冲入射情形下航空母舰上鞭状天线耦合特性分析

[目的]在考虑海面影响的情况下,研究大型舰船上鞭状天线在高空核爆电磁脉冲(HEMP)入射下的感应电流与脉冲入射角度和天线位置的关系。[方法]考虑海面的影响,采用半空间时域有限差分法(FDTD),用细导线算法解决由于精细结构导致的计算网格量巨大、效率低下的问题,用集总元件FDTD算法计算天线后面负载对感应电流的影响,采用基于多点接口(MPI)的并行算法提高计算效率。[结果]计算结果表明:在HEMP入射的情形下,某航空母舰模型上鞭状天线的感应电流与天线位置和入射角度等有关;典型情形下天线端口处的感应电流峰值为5.6 A。[结论]进一步分析表明,天线端口处感应电流的大小主要取决于天线位置,与脉冲的入射角关系不大。所做研究为大型舰船脉冲电磁波入射情形下的感应电流计算分析提供了算法基础,为舰船电磁兼容问题分析提供理论支撑。

两种高空核爆电磁脉冲电缆耦合效应的比较

有关高空核爆电磁脉冲(HEMP)的标准,我国推荐的1976HEMP和IEC推荐的1996HEMP的早期波形是不同的。针对两种HEMP标准,采用传输线方程计算了不同长度电缆受HEMP影响的情况,结果表明电缆的1976HEMP早期耦合效应较1996HEMP早期耦合效应要严重的多。

高空核爆电磁脉冲波形标准及特征分析

目前,国际上已有美军标、国际电工委员会、Bell实验室及各种学术出版物等各种高空核爆电磁脉冲波形标准。综述了这些标准,并从时域参数、频谱、归一化累积能流谱、总的能量密度等几方面研究其异同性。比较后认为,IEC61000 2 9和MIL STD 461E表述的新标准要比1976年出版物波形和Bell实验室波形的频谱范围宽,对电子系统的小孔缝耦合效应稍强,但对多数效应物尤其是线缆引入的传导耦合,损伤程度则相对弱化。最后,分析了由于HEMP波形表述形式变化,给EMP模拟器和效应研究带来的影响和新动态趋势。

地面附近的高空核爆电磁脉冲环境

主要研究在高空核爆的双指数类型电磁脉冲平面波入射时,地面附近的电磁脉冲环境。计算给出了在不同入射波状态,不同地表介质电气特性和距地面不同高度等条件下的电磁脉冲环境参数,归纳了一些规律性认识。结果显示:地面附近的电场会随距地面高度的不同而发生显著的变化,对于水平场分量,其反射场总是试图抵消入射场,而对于垂直场分量,其反射场叠加在入射场上,使得地面附近的垂直场强幅值一般大于入射波场强幅值;当入射波仰角增大时,合成电场波形的脉冲宽度会变宽;地表介质的电气特性参数不同也会对地面附近电场的波形和幅值造成一定的影响。

高空核爆电磁脉冲对便携式监护仪的辐射效应

高空核爆电磁脉冲(HEMP)对电子和电气设备构成严重威胁,但是目前针对军队急救医疗卫生装备的电磁脉冲(EMP)耦合效应及防护研究还比较薄弱。因此以某款当前军队医院所使用的便携式监护仪为研究对象,利用有界波电磁脉冲模拟器模拟产生HEMP进行辐射试验,评估HEMP对监护仪的辐射效应,在各种试验条件下测量干扰场强阈值,分析HEMP对监护仪的作用机理。试验表明:HEMP辐射场对监护仪的工作状态会造成严重干扰,上升时间短、持续时间短的电磁脉冲对设备的干扰能力更强。结合监护仪结构、辐射试验结果、HEMP对监护仪的作用机理可得出以下结论:①场线耦合是引入电磁脉冲干扰的主要途径,当导联线与入射电场方向平行时耦合效应增强,导联线的屏蔽层结构对屏蔽效能有显著的影响;②监护仪外壳的屏蔽效能较差,电磁脉冲可由显示屏和空隙直接渗透至监护仪内部形成干扰,加强导联线和外壳的屏蔽效能将有效提高监护仪抗HEMP的能力。

两种高空核爆电磁脉冲下电话机的效应异同性及概率分布

利用分布式负载有界波电磁脉冲模拟器提供的电磁环境,试验研究了电话机在我国推荐的1976 HEMP和IEC61000-2-9推荐的1996 HEMP两种波形环境激励下的效应异同性,以及效应的概率分布,应用频谱分析和电磁范数对效应机制进行了分析。结果表明:对于电话机通话中断效应,1996 HEMP要比1976 HEMP的效应阈值稍低,其效应的概率分布可用正态分布来拟合。

高空核爆电磁脉冲穿透电离层数值计算

电离层对电磁脉冲传播的影响可以用一个频域的电流密度来描述,在时域则等效为一附加的电流密度和电导率。推导了附加电流密度和电导率在时域的表达式,它们是电离层参数和作用电场的函数,并以差分方程的形式给出。高空核爆电磁脉冲(HEMP)的计算是在时域进行的,将该电流密度和电导率计算方法应用于HEMP产生和传播的自洽计算中。作为算例,计算了100 km高空核爆电磁脉冲产生和向上传播的3种情况,并对计算结果进行了比对分析。计算结果表明:电离层时域计算方法与核爆电磁脉冲计算方法的结合是合理有效的,爆点上方考虑电离层影响的HEMP要比不考虑电离层影响的结果小得多。

高空核爆炸注入辐射带电子的大气扩散损失

利用辐射带电子大气倾角扩散的福克-普朗克方程,通过推导与拟合处理扩散系数表征式,构造二阶精度有限差分格式,给出辐射带捕获电子大气扩散损失的数值计算方法.计算高空核爆炸裂变β谱电子注入辐射带后在不同L壳上的通量损失和能谱变化,结果表明,当L<1.3时,大气作用引起的扩散损失效应明显,低能电子比高能电子消失要快,电子通量初始阶段衰减很快,随后逐渐近似成时间指数函数形式衰减.

高空核爆电磁脉冲E2部分对架空管道的影响

高空核爆电磁脉冲会通过管道的耦合作用,对各种电子设备和系统造成严重的影响和破坏.为了研究高空核爆电磁脉冲对架空管道的影响,首先通过麦克斯韦方程给出了高空核爆电磁脉冲对架空管道的耦合方程,然后应用格林函数法求解微分方程得到管道上感应电流和电压的频域表达式,再应用傅里叶反变换得到电流和电压的时域波形.最后计算了基于IEC标准波形的高空核爆电磁脉冲E2部分作用下架空管道的感应电流和电压.

高空核爆环境下飞行控制系统的防护方法

针对高空核爆引起的强电磁辐射使空间飞行器控制系统发生瞬时和持续的功能降级以及失效的问题,分析了强电磁辐射对空间飞行器飞行控制系统的潜在威胁和损伤效应,提出了强电磁脉冲辐射和强射线辐射环境下飞行控制系统的一些防护概念和方法。这些方法应用于飞行控制系统抗辐射加固设计,可显著提高空间飞行器抗强电磁辐射损伤能力。

高空核爆时地磁脉动效应的理论研究

本文对高空核爆时产生的地面地磁脉动效应进行了理论研究。认为受扰磁力线的ＵＬＦ波共振激发有可能是核爆时观测到的地磁脉动的产生机制，并讨论了沿着平行于和垂直于磁场方向传播的ＵＬＦ波。

超五类以太网线高空核爆电磁脉冲(HEMP)耦合试验研究

线缆耦合是HEMP对电子设备造成毁伤破坏效应的主要途径之一。针对影响网线中电压、电流的几个关键因素,如辐照场强等级、网线长度、放置方式、屏蔽与否等,从实验的角度探究网线的HEMP耦合规律。得到了网线芯线上耦合电压电流与环境场、网线长度之间的关系;分析了不同放置方式下芯电压、芯电流的之间的差异;测试了屏蔽网线的屏蔽效能,得到了皮电流与辐照场之间的关系。所得到的结论对于实验研究及防护设计都有参考意义。

高空核爆电磁脉冲激励下架空输配电线路绝缘子闪络情况分析

高空核爆电磁脉冲(HEMP)是核爆炸除核辐射、热辐射、冲击波外的第四种效应,HEMP会在输配电线路上耦合产生过电压,引起线路绝缘子串闪络,直接威胁到电网的安全稳定。该文提出采用电路方法来求解HEMP激励下,多导体传输线网络的暂态感应电压。首先通过求解多导体传输线方程,推导出多导体传输线等效的PI型电路模型及电路参数。其次利用节点电压法及IFFT求解多导体传输线网络节点的暂态感应电压。该方法避免了直接对相互耦合的大规模传输线方程组的求解,从而极大地简化了计算。通过与文献计算结果对比,验证了方法的正确性。最后应用传输线有效耦合长度概念,建立考虑地线影响的输配电线路简化模型,并分析了国内四种电压等级的输配电线路在400km高空核爆炸下,绝缘子闪络的可能性。仿真结果表明,低压配电网易在高空核爆电磁脉冲激励下发生绝缘子串闪络。

高空核爆近海面电磁脉冲辐射环境数值模拟与分析

针对舰艇等武器装备面临的高空核爆电磁脉冲辐射威胁,研究了近海面电磁脉冲辐射环境。基于电磁场理论,分析了电磁脉冲在海面及海水中的传播规律,建立了高空核爆近海面电磁脉冲辐射环境解析模型,并进行了模型验证。利用该模型对高空核爆近海面电磁脉冲辐射环境进行了数值模拟,计算给出了高空核爆近海面电磁脉冲传播变化规律及电场分布情况,分析了入射波角度、距海面距离等对电磁场的影响。研究结果表明,海面上电磁脉冲环境比较复杂和恶劣,海面下电磁脉冲环境相对较好。

基于流体-磁流体-粒子混合方法的高空核爆炸碎片云模拟

提出了描述高空核爆炸碎片云运动的流体-磁流体-粒子(particle-in-cell,PIC)混合模型,相较目前的主流模型,该模型能够计算更加广泛的空间尺度.根据碎片云运动涉及的高温离子、低温离子和中性大气的不同性质,采用三种模型进行联合求解:高温离子用PIC粒子模型计算,低温离子用磁流体模型计算,中性大气用流体模型计算,并将三者之间的相互作用作为源项加入相应的控制方程.最后,计算了美国Starfish试验中碎片云的扩展情况,与试验结果进行了比对,并验证了求解方案的可靠性.此外,还给出了不同投影角度下碎片云形状随时间的变化,并分析了影响碎片云运动的主要因素,包括大气阻力、磁压、槽型不稳定性和霍尔电流等.

高空核爆炸能量在大气层中的沉积规律

建立了高空核爆炸X射线辐射能和碎片动能在大气层中沉积的计算模型,利用该模型模拟了美国和苏联的4次大威力高空核爆炸试验(Checkmate,Starfish,K3,K4)的能量沉积情况,分析了碎片动能在海拔100—200 km的沉积规律.计算结果表明,与X射线沉积区相比,碎片动能沉积区范围较小,能量密度较大;碎片动能沉积在较短时间内(约0.5 s)完成,在爆心附近和海拔115 km附近存在两个吸收峰;动能沉积区在水平截面大体上为椭圆形,爆炸纬度越高,椭圆偏心率越小,水平截面积随海拔高度的增加而增大,随爆高的增大而减小;距爆点较远、远离磁泡时,动能沉积峰值点在穿过爆心的地磁场磁力线附近;距爆点较近、磁泡内部的动能沉积峰值点在爆心投影点附近.

高空核爆与雷电电磁脉冲特征及能量吸收技术

高空核爆电磁脉冲(HEMP)对数据采集与监视控制系统(SCADA)的损害研究越来越成为当今社会关注的焦点,也是给风力发电行业造成经济损失的威胁之一。雷电电磁脉冲(LEMP)和高空核爆电磁脉冲(HEMP)同属高能电磁脉冲范畴。为了有效保护风电场SCADA不受LEMP和HEMP的损害,根据HEMP与LEMP对SCADA的损害机理,通过对波形参数的比较,采用多元四端网络技术研发了专门用于风电场SCADA保护的HEMP/LEMP高能吸收器,经注入不同波形参数的瞬态脉冲测试,效果显著。

某型车辆在高空核爆炸环境下的电磁脉冲耦合特性

电磁脉冲耦合阈值是装备在核爆炸环境下作战时运用决策与装备抗核加固优化的基本依据。针对某型车辆核爆炸环境下电磁脉冲抗扰度不清的实际,开展高空核爆炸电磁脉冲(HEMP)耦合特性研究。应用时域有限差分(FDTD)方法,通过该车电台天线辐照试验验证FDTD方法开展HEMP耦合效应研究基础上,重点从车辆瞭望孔入手,对HEMP环境中车辆内部电场变化进行系统分析。研究发现,车内大部分空间的耦合电场幅值在2 kV/m以下,瞭望孔附近电场幅值在HEMP正入射时较高。结合所得到的车辆内部电场分布的相关规律,提出电磁脉冲防护建议:车内电子设备及走线应尽量远离瞭望孔;改用屏蔽玻璃,可以降低瞭望孔处耦合电场幅值;当接收到核爆炸相关预警信息时,迅速将电子设备尽可能向远离瞭望孔位置移动,可以避免造成损坏。

高空核爆电磁脉冲激励下架空导线感应电压的电路求解方法及影响因素分析

高空核爆电磁脉冲(HEMP)是核爆炸的第四种效应,HEMP会在架空导线上耦合产生过电压造成设备损坏。为分析任意边界条件下HEMP在架空导线上的感应电压,采用电路方法求解以降低计算的复杂度。通过求解传输线的端口特性参数,推导了传输线的PI型等效电路模型及其参数。结合节点电压法,计算了任意边界条件下传输线首末端点的感应电压时域解,并通过与文献NULINE程序的计算结果对比,验证了方法的正确性。基于该方法,分别研究了土壤电导率、导线高度、入射角对架空导线上感应电压的影响规律。