高空核爆炸晚期核电磁脉冲的数值模拟研究

根据高空核爆炸晚期核电磁脉冲(E3)的产生机理,将E3的计算分解为大气电离、碎片云运动、大气等离子体运动和低频电磁场在等离子体中的传播4个过程,给出了E3的数值模拟方法。利用该方法模拟了美国Starfish试验的E3过程,通过与试验观测地磁数据的比对验证了该方法的正确性。对离子的能量沉积分析结果表明,爆心正下方存在大气等离子体火球,能量峰值约为175 km,此火球向下膨胀导致地磁场增强,向上运动导致磁场变弱。该结果解释了Starfish试验地磁扰动波形的变化机理,与原有解释机理相比,无需引入额外的假设。

大型双板导波天线对核电磁脉冲传输损耗和畸变特性

大型导波核电磁脉冲模拟器可为系统级装备试验提供自由空间辐照环境。针对此类模拟器常用的双板导波天线可能存在的传输损耗和波形畸变问题,以电磁仿真软件和算例对比分析研究了3种主要的影响因素,包括土壤的介电损耗及其抑制、前锥板向平行板转折的结构不连续、线栅阵列代替金属板的缝隙泄漏。研究结果表明:对上下极板等宽的情形,土壤损耗可使电压传输效率降低25%以上;适当展开下极板宽度可屏蔽土壤损耗;上极板转折处的结构不连续可导致平行段试验空间内电场呈现双峰交叠、幅度降低、波形畸变等特征;最大线间距0.3 m不会导致前沿显著变化。作为工程应用案例,设计了前锥长度60 m、顶高15 m、下极板拓宽3 m、由100根线栅阵列构成上极板的导波天线,试验空间超过20 m×20 m×10 m,实现了前沿2.5~3.0 ns双指数脉冲的无损耗、无畸变传输。

核爆炸早中期电磁脉冲产生的数值模拟方法

由于核电磁脉冲(nuclear electromagnetic pulse,NEMP)电场与爆炸当量、爆高、方位角、大气参数和观测位置等密切相关,NEMP产生的数值模拟是非常复杂的问题。本文评述了核爆炸电磁脉冲产生过程的数值模拟方法,包括NEMP产生的物理模型、γ射线和中子在大气中输运及康普顿电流源、大气电导率模型和电磁场求解方法;给出了NEMP的典型数值模拟结果,主要包括早期电磁脉冲和中期电磁脉冲联合模拟结果,并分析了早期电磁脉冲和中期电磁脉冲峰值、起止时间和频谱等特征参数。

高空核爆炸磁流体动力学电磁脉冲

高空核爆炸产生的磁流体动力学(晚期)电磁脉冲对电力系统等国家重要基础设施具有严重影响。由于晚期电磁脉冲产生的机理复杂,依赖因素众多,包括爆炸当量、爆高、爆炸方位、爆炸时间、观察点位置以及土壤电导率等,因此,目前还没有成熟的代码可以模拟整个晚期电磁脉冲的产生过程。介绍晚期电磁脉冲的产生机理,讨论晚期电磁脉冲电场随核装置爆炸当量、爆高和大气状况的变化关系。E3A电场峰值随爆炸当量线性增加,而E3B电场峰值则随爆炸当量增加出现明显的饱和效应。分析了当前晚期电磁脉冲模拟代码现状,为进一步研究晚期电磁脉冲数值模拟方法和代码研发提供参考。

半导体桥火工品电磁响应及其防护技术仿真研究

为了研究半导体桥(SCB)火工品在连续电磁波、核电磁脉冲环境下的响应特性及防护技术,采用COMSOL仿真软件建立了SCB组件仿真模型,分别研究了并联瞬态电压抑制(TVS)二极管前后SCB组件在连续电磁波、核电磁脉冲照射状态下的感应电流和桥区温度的变化。结果表明:场强为1 200 V·m~(-1)、频率为1.15 GHz的连续电磁波以及上升时间为5 ns、半高宽为24 ns、幅值为10 k V·m~(-1)的核电磁脉冲照射,均可能使SCB桥区温度高于常用起爆药的作用温度,从而导致SCB火工品意外发火;并联TVS二极管对连续电磁波、核电磁脉冲均起到较好的防护效果,连续电磁波照射下SCB的感应电流峰值衰减率大于64.79%,核电磁脉冲照射下SCB桥区最高温度衰减率为54.34%。

核电磁脉冲中非电离辐射作用于人体的电磁场和温度场仿真

采用国际电工委员会制定的双指数脉冲波形模拟核电磁脉冲,分析脉冲波形主要谐波分量的幅值、频谱及相位。在多物理场仿真软件COMSOLMultiphysics建立偶极子天线模型及人体三维模型,通过电磁场与热场耦合模块,求解人体组织中感应电场强度、磁场强度、比吸收率(Specificabsorptionratio,SAR)和温度场分布。将结果与国际非电离辐射防护委员会(International commission on non-ionizing radiation protection,ICNIRP)制定的《限制电磁场暴露导则》进行比较。结果表明:人体距离暴露源1 km时,感应电场强度、磁场强度、局部最大SAR值和平均SAR值分别为88.8 V/m、0.58 A/m、0.66 W/kg、0.011W/kg。感应电场强度和磁场强度超过了ICNIRP规定限制59.8V/m和0.22A/m。但在10km处,电场、磁场、局部最大SAR值和平均SAR值都满足安全限制。人体组织中温度升高主要集中在大脑处,暴露时间为6min时,温升为0.2171℃,符合ICNIRP规定的局部温升2℃和核心温升1℃限值的要求。本研究结果为核电磁脉冲环境中人体遭受电磁暴露的健康风险安全评估提供了一定的科学依据。

基于TEM喇叭的电磁脉冲辐射天线优化设计

针对TEM喇叭天线终端反射大、低频辐射效率低的问题,对其进行了仿真优化设计。采用时域分析方法,分析了端部加载电阻与背部加载电阻的低频补偿方法,对TEM喇叭天线的尺寸、极板顶角等结构参数进行了优化,采用末端卷边结构,提升了辐射场的峰值场强与脉宽。根据仿真优化结果,研制了长度2.5 m、天线极板间张角45°、天线极板顶角45°的TEM喇叭天线,通过实测验证了仿真结果。结果表明,加载电阻可以有效降低反射,背部加载电阻方式的峰值场强和脉宽比端部加载电阻高,且采用4个电阻并联加载的效果较好;适当增加天线长度、极板顶角以及极板间夹角可以提高天线辐射性能。该研究结果为TEM喇叭天线在辐射式核电磁脉冲试验系统的应用提供了参考。

长线缆高空核电磁脉冲效应的数值求解及仿真分析

本文研究了高空核电磁脉冲的作用下线缆的耦合效应,采用了Agrawal模型传输线分析方法,对高空核电磁脉冲耦合效应下的感应电流和电压进行了解析求解,讨论了入射波电场位于入射波平面左侧和右侧这两种情况时负载端感应电流数值解析式的差异,并通过MATLAB软件仿真,分别分析了这两种情况下不同线缆负载、线缆长度、线缆高度对终端感应电流的影响。

高空核爆电磁脉冲晚期效应对变压器的影响

高空核爆电磁脉冲晚期效应(即E3效应)产生的直流偏磁严重影响电力设备的正常运行,甚至导致供电系统瘫痪。针对此现象,本文模拟高空核爆电磁脉冲晚期环境,建立变压器模型,开展直流偏磁对变压器影响的综合分析,包括变压器内部的振动位移、变压器声压级以及变压器内部铁芯的温度增长等。仿真结果表明,随着高空核爆电磁脉冲E3效应在变压器引入的电流增大,变压器铁芯产生的位移、噪声声压级、铁芯温升快速增大,且值极有可能超过变压器的相关阈值,从而对变压器造成损坏。本文可为变压器的安全运行提供理论支撑。

高空核电磁脉冲空间分布特征研究

目的评估一定范围内高空核电磁脉冲,计算高空核电磁脉冲电场强度,以及研究电场强度的空间分布特征。方法从高空核爆炸物理过程出发,结合现有的理论成果和相关计算公式,对高空核爆产生早期高空核电磁脉冲的场强数值计算过程进行推导,并编写相应计算程序。结果得到指定情况下的核电磁脉冲时域波形和观测范围内电场强度分布,计算结果与IEC标准中变化规律一致。此外,对不同爆炸当量、爆炸高度、爆炸位置和不同观测位置下电场强度进行了计算,并对高空核电磁脉冲空间分布特征进行了分析,讨论了各主要计算参数对高空核电磁脉冲电场强度和时域波形的影响。结论爆炸高度增加,高空核电磁脉冲场强峰值降低,到达场强峰值的时刻延后。随着爆炸当量的增大,高空核电磁脉冲场强峰值也会增加,但会随着当量变大增速变缓直至趋向饱和,到达电场峰值的时刻也会相对提前。随着纬度的增大,场强峰值也随之增大。随着观测高度的增大,场强峰值呈线性趋势有一定升高。

组合型高压电力线核电磁脉冲防护滤波器设计

为避免10 kV电力线面临的核电磁脉冲等强电磁脉冲的威胁,本文设计了一种瞬态抑制电路与稳态滤波电路相结合的高压电力线核电磁脉冲防护滤波器。通过仿真分析与研究,结合实际试验,验证了电路结构的可靠性。该组合型高压电力线核电磁脉冲防护滤波器弥补了一般电源滤波器无法抑制强电磁脉冲干扰的缺陷,并具有工作电压高,绝缘性好,滤波后残余电流低,滤波效果好的特点。

高空核爆电磁脉冲下埋地电缆瞬态响应研究

高空核爆电磁脉冲(HEMP)会引发埋地电缆的耦合作用,从而产生瞬态响应。针对HEMP下埋地电缆瞬态响应问题,首先分析了高空核爆电磁脉冲的时频特性;然后给出了电磁场与电缆耦合公式,明确了两者之间的耦合关系;最后基于电磁仿真软件Gprmax模拟了不同土壤成份、电缆埋深和辐射状态下的埋地电缆瞬态响应。仿真结果表明:利用Gprmax对高空核爆电磁脉冲下的埋地电缆瞬态响应进行分析是一种有效的方法,对高空核爆电磁脉冲的防护以及其他高功率电磁脉冲的电磁兼容问题分析具有参考意义。

NEMP三站时差法定位理论误差分析

通过核电磁脉冲(NEMP)进行核爆探测具有探测距离远、速度快、受天侯影响小等优点。但由于电磁脉冲传播速度快,定位精度一直是核电磁脉冲探测面临的主要问题。通过对定位误差的计算和分析,不仅可以给出电磁脉冲核爆探测的定位精度,而且对电磁脉冲核爆探测时的测站布局、电路设计、数据处理方法等有一定的参考价值。该文推导了NEMP三站时差法定位理论误差计算公式。根据公式,对不同的基线夹角、不同的时差精度、不同的基线长所对应的定位误差进行了计算,并绘出了定位误差分布图。

采用最优集成学习的小样本电磁脉冲信号分类

闪电与核爆电磁脉冲分类是核检测系统中的关键问题,其主要难点便是其正负样本不均衡程度可达到104,因此我们提出了一种名为SMALLBAG的集成学习分类方法。针对小样本问题,通过对少数类样本进行数据增强和多数类样本重采样的方法重新构建新的训练数据集,分别提取时域、频域、小波域的特征以表征信号。针对样本不均衡问题,提出了基于新采样数据集的集成学习方案,减少样本不均衡影响同时提高分类准确率。该模型能够在保证准确率的同时保证实时性要求,试验结果显示识别准确率可达99.99%,测试速度为每个样本0.67 ms。

基于自适应信号分解特征集成学习的电磁脉冲识别方法

为准确高效地识别核爆电磁脉冲(nuclear electromagnetic pulse,NEMP)和闪电电磁脉冲(lightning electromagnetic pulse,LEMP),提出一种基于自适应信号分解和集成学习的识别分类方法。首先,针对样本不均衡问题,利用数据扩增方法对数据集进行预处理;然后,采用希尔伯特-黄变换对NEMP和LEMP分别进行自适应信号分解;其次,对分解信号提取其在时域、频域和小波域的特征;最后,对提取特征采用集成学习算法进行识别分类。试验结果表明,该方法在实测数据上的准确率能够达到99.99%以上,LEMP信号的误报率低于万分之一。

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。

高空核电磁脉冲与双层损耗土壤下线缆的耦合响应研究

针对双层土壤下线缆在复杂电磁环境中的电磁防护,采用了电磁波在介质中的传输理论,推导出电磁脉冲透过双层土壤的透射系数表达式,根据该表达式计算出双层土壤下线缆的激励电场,然后结合传输线方程计算出线缆的感应电流,对比CST软件仿真的结果,验证了双层土壤透射系数表达式的有效性。在此基础上研究了上层介质厚度、湿度、环境以及布线深度对埋地线缆上感应电流的影响。结果表明,上层介质厚度对线缆的感应电流影响较小,但上层介质的湿度、环境以及布线深度对线缆的感应电流影响较大。

屏蔽室线缆滤波器雷电防护性能评估

加装滤波器是抑制屏蔽室电源线和信号线传导干扰的常见方式之一。为研究屏蔽室线缆滤波器雷电冲击下的防护性能,分别进行了六种型号信号线滤波器和五种型号电源线滤波器不同等级的雷电脉冲注入试验。通过监测滤波器输出端残余电流,并测量滤波器输出线和壳体之间的绝缘电阻来评估其防护效果。试验表明:信号线和电源线滤波器雷电脉冲注入时的残余电流多数大于同等级核电磁脉冲注入时的残余电流;电源线滤波器在雷电脉冲注入时的残余电流峰值可达上千安培,传统线缆滤波器对雷电脉冲和核电磁脉冲传导干扰的防护能力有限;试验中应重点关注滤波器的非线性效应,特别是高等级电流注入时残余电流低于限定值而低等级电流注入时残余电流超出限定值的情况。

核电厂核辐射监测系统误报警问题分析及对策

核电设备的安全性要求极高,为解决核电厂核辐射监测(KRT)系统实际工况下的误报警问题,在实验室环境下搭建了KRT系统抗瞬态脉冲干扰试验最小系统,提出了带有集总电容C的模拟测试方案,并从不同端口开展了电磁干扰注入试验。试验结果表明:模拟测试方案的抗扰度测试结果低于GB/T 17626.4-2018测试方案,较低的干扰等级就能触发KRT系统误报警;KRT系统的敏感设备为本地信号处理显示单元(LPDU)及其探头回路,LPDU敏感端口为探头线端口及主机接地端口,两端口的电磁瞬态最低抗扰等级分别为220 V、270 V。安装及运维工程师现场操作时,要充分保护敏感回路,防止引入干扰;设备厂商应结合实际工况开展电磁抗扰试验,以使试验结果对于核电厂关键设备的安全运行及维护更有指导意义。

天基核爆电磁脉冲探测技术发展

天基核爆电磁脉冲(Nuclear Electromagnetic Pulse,NEMP)探测可用于全球实时核爆核查,具有灵敏度高、定位精确和响应迅速等优势。本文从NEMP特征及其天基探测实现两个方面分析了大气层核爆和高空核爆激发NEMP的区别,重点阐述了NEMP传播穿过电离层到达卫星轨道后的波形特征、射频(Radio Frequency,RF)探测系统的发展历程,以及空间RF信号的观测成果,并指出现阶段开展天基NEMP探测存在的难点和搭建天基NEMP探测网络的应用价值。