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摘 要： 防護工程
《沖擊波和破片對相控陣天線的聯合毀傷評估》論文發(fā)表期刊：《防護工程》；發(fā)表周期：2021年01期
《沖擊波和破片對相控陣天線的聯合毀傷評估》論文作者信息：劉一諾( 1993—) ，男，碩士，助理工程師，主要研究方向為武器毀傷效能評估。
摘要為評估反輻射導彈(ARM)對相控陣天線(PAA)的毀傷效果，建立了反輻射導彈和相控陣天線的彈目交會模型，計算了當戰(zhàn)斗部在天線正上方爆炸時，命中目標的破片數量及天線受沖擊波毀傷后的變形曲面。通過電磁仿真軟件建立相控陣天線模型，得到增益和副瓣電平，計算了破片、沖擊波和聯合毀傷對相控陣天線的毀傷效果。結果表明，沖擊波相較于破片毀傷程度更明顯。從彈目交會條件開始，研究物理毀傷導致的陣元失效和位置變化，以及最終導致的電性能影響，為相控陣天線毀傷效能評估提供新的方法。
關鍵詞 雷達毀傷效應;天線方向圖;相控陣;數值仿真
Abstract In order to evaluate the damage effect of anti-radiation missile (ARM) on phased array antenna (PAA), a missile-target rendezvous model was set up, and the number of fragments hitting the target as well as the deformed surface of the antenna after damaged by the shock wave were calculated when the warhead explodes directly abovethe antenna. Then, a PAA model was established using electromagnetic simulation software to obtain the gain and the level of the side lobe, and the damage effects by the fragments, shock wave and their combined damage to the PAA were calculated. The results showed that the damage effect of the shock wave was more significant than that oi the fragments. Starting from the missile-target rendezvous conditions, this paper also investigated the array element failure and position changes caused by physical damage, and the ultimate resuling electrical performance impact, and provided a new approach to evaluate the damage effect of ARM on the PAA.
Keywords radar damage effect; antenna pattern; phased array; numerical simulation
隨著未來戰(zhàn)爭的發(fā)展，奪取電磁優(yōu)勢成為戰(zhàn)爭決勝的關鍵因素。相控陣雷達作為一種重要的信息獲取裝備，與機械雷達相比，在監(jiān)測快速運動目標、多目標跟蹤及雷達探測距離等方面具有絕對優(yōu)勢。在戰(zhàn)爭中，盡快確定相控陣雷達毀傷效能對奪取電磁優(yōu)勢具有重要意義。
反輻射導彈在雷達對抗中有著廣泛的應用。它是雷達對抗中的一種硬殺傷武器，利用被動雷達導引頭接收輻射源的電磁波，對目標進行尋跡、跟蹤和摧毀。目前，已有大量文獻研究反輻射導彈對相控陣雷達的毀傷效應，研究內容包括破片、沖擊波和聯合毀傷對相控陣雷達的毀傷效應，以及機械雷達天線在沖擊波作用下的變形情況。
針對沖擊波對相控陣雷達的毀傷效應，吳俊全[1]使用蒙特卡羅方法進行終點彈道采樣，計算得到了爆破戰(zhàn)斗部對雷達的毀傷概率。馬登武等口利用吳俊全的方法計算了不同天線高度下的最佳起爆高度。周棟等[研究了圓概率誤差(CEP)、落角、制導偏差等因素對毀傷概率的影響。
針對破片對相控陣雷達的毀傷效果，李衛(wèi)平等[建立了破片戰(zhàn)斗部對典型陸基相控陣雷達目標的毀傷模型。結果表明，爆炸高度、傾斜角和CEP是影響反輻射導彈戰(zhàn)斗部毀傷概率的關鍵因素。張志鋒等[3對李衛(wèi)平的模型進行了改進，考慮破片速度對毀傷程度的影響，并結合強度極限和剪切應力，建立了較為全面的天線毀傷概率計算模型。徐文亮等[考慮了侵徹角的影響及跳彈現象，對模型進行網格劃分，考慮各網格單元之間的遮擋關系，得到了破片毀傷效應計算方法。該方法可以更準確地計算出一定條件下有效破片數量及目標毀傷面積。
對于破片和沖擊波對相控陣雷達天線的聯合毀傷效應，袁俊明等[首先建立了完整的天線模型，之后在模型上打孔模擬破片侵徹效果，再用爆炸載荷模擬破片和沖擊波的聯合毀傷，這種方法稱為預打孔法。研究結果表明，破片和沖擊波對結構的破壞效應并非簡單疊加，而是會產生更為劇烈的聯合毀傷作用。目前，預打孔法是建立聯合毀傷后天線模型的常用方法。
這些研究建立了反輻射導彈對相控陣雷達的毀傷模型，但由于研究僅評估目標的物理毀傷，而沒有考慮物理毀傷與功能毀傷之間的聯系，使評估結果不夠全面。
對于傳統機械天線的電性能毀傷，董濤等研究了變形和穿孔聯合毀傷對賦形反射面天線輻射特性的影響。肖疆等回研究了穿孔毀傷時賦形反射面天線的輻射特性。劉彥等[0研究了反射面天線表面變形穿孔下的結構毀傷對輻射特性的影響及沖擊波作用下反射面天線的輻射特性。袁俊明等四研究了沖擊波作用下變形毀傷對圓拋物面天線電性能的影響，破片穿孔毀傷對圓拋物面天線電性能的影響，以及沖擊波與破片聯合毀傷對反射面天線電性能的影響。以上學者雖然研究了物理毀傷對天線電性能的影響，但研究的是對傳統機械天線的影響。
目前，對于相控陣天線的電性能毀傷研究，主要從失效陣元的數量、位置對電性能的影響著手12-1，鮮見研究建立物理毀傷與陣元失效數和位置變化的聯系。
筆者擬從彈目交會條件開始，研究物理毀傷導致的陣元失效和位置變化，以及最終導致的電性能影響，研究分為以下5個步驟：(1)設計符合標準的天線，導入電磁仿真軟件仿真，得到完整的天線方向圖;(2)確定破片數量、炸藥當量、炸高、飛行速度、攻角和飛行方向，計算破片穿孔數量，得到穿孔后陣元數量及坐標，建立預穿孔天線模型：(3)通過理論計算，求解沖擊波作用后的天線變形曲面，得到變形后陣元坐標，建立穿孔變形天線模型;(4)將穿孔變形天線模型上的陣元坐標輸入FEKO，通過仿真計算得到破片與沖擊波聯合毀傷后的天線方向圖;
(5)對比破片、沖擊波及聯合毀傷后的方向圖，分析反輻射導彈對相控陣天線的毀傷規(guī)律，為反輻射導彈設計提供參考。
1 設計
由于單個陣元類型對相控陣天線陣方向圖影響不大，可以把陣元看作是各向同性的。若使用微帶陣元構建相控陣，且計算各陣元之間的耦合效應，需要仿真時間較長，但如果選擇偶極子天線作為陣元，耦合效應的強度則會降低。因此，為了提高仿真計算效率，筆者選擇偶極子陣元代替微帶陣元，不過在計算破片是否擊中目標陣元時，仍視它們?yōu)槲ш囋?/p>
通過電磁學仿真軟件軟件建立偶極子陣元模型，并通過編程生成由 30 × 30 的偶極子陣元組成的，兩兩中心相距 10 cm 的陣列，偶極子陣元長度為9. 99 cm。
方向圖綜合是相控陣天線實現波束賦型的數學基礎，也是天線設計中的一個重要課題，其研究已經相當成熟。對于均勻線陣天線，研究重點在于，當確定陣元的數量和間距后，通過計算幅相權重實現方向圖綜合。大部分線陣天線的方向圖綜合方法只需做小改動，便可應用于平面陣列天線，其中常用到的是切比雪夫綜合和泰勒綜合方法。
筆者選取泰勒綜合法進行綜合。加權元素幅值和相位后，天線增益為 30. 071 dbi，旁瓣電平為 - 30. 513 dbi。天線方向圖見圖 2。
2 穿孔天線模型
假設導彈飛行速度為 v = 800 m /s，戰(zhàn)斗部形狀呈腰鼓狀，炸藥當量為 30 kg，起爆位置位于目標中心，半徑為 4 mm 的球形鎢破片數量為 N = 10 000，散射角 θ = 120°，導彈飛行方向和天線表面的夾角為 φ = 20°，攻角為 ω = 10°，即導彈與天線表面的軸線角為 φ + ω = 30°，將相控陣天線面看作邊長3. 1 m 的正方形平面，忽略沖擊波使陣元失效的情況，假設只有破片使陣元失效�；诖思俣ǎ嬎惚黄破胁⑹У年囋獢盗俊�
由格尼方程[1 4]得到的最大初速度為:
圖4 顯示天線增益為 29. 830 dBi，降低5. 4% ;旁瓣電平為 - 27. 372 dBi，增長 06% 。這表明，該工況下破片對天線電性能的毀傷程度較低。
3 穿孔變形天線建模
筆者采用預打孔的方式處理沖擊波和破片的聯合毀傷問題，不考慮 2 種毀傷元的耦合問題，只將兩者簡單疊加，即先將天線板打孔，之后在計算天線變形程度時，不考慮孔洞對天線變形程度的影響。假設天線四周固支，對于四周固支的矩形板，計算其在沖擊波作用下的變形情況，已有學者[17]給出公式:
通過式( 7) -( 10) 可求出靶板的中心撓度，代入式( 6) 得到變形后的天線形狀，依此可得到天線變形后未被破片毀傷的每個陣元的坐標。將該數據輸入電磁學仿真軟件，得到被破片和沖擊波聯合毀傷的天線陣列模型，如圖 5 所示。將模型導入電磁學仿真軟件，得到由破片和沖擊波聯合毀傷后的天線方向圖，如圖 6 所示。
圖6顯示，破片和沖擊波聯合毀傷后增益變?yōu)?8.571 dBi，降低92.9%;副瓣電平為-19.595 dBi，增長1140%。結果表明，破片和沖擊波的聯合毀傷對天線電性能的毀傷程度較高。
4破片與沖擊波毀傷效果對比
如果僅考慮沖擊波影響，不考慮破片穿孔，可以得到僅受沖擊波毀傷的天線模型，如圖7所示。將模型導入電磁學仿真軟件，得到被沖擊波毀傷的天線方向圖，如圖8所示。
如 圖 8 所 示，沖擊波毀傷后天線增益變 為18. 829 dBi，下 降 了 92. 5% ，副 瓣 電 平 變 為- 24. 350 dBi，增長 313% 。結果表明，沖擊波的單一作用下，相控陣天線電性能參數已發(fā)生巨大變化。
對比破片、沖擊波和聯合作用下的毀傷效果，數據如表 1 所示。
如表1所示，該工況下，可得到如下結論：
(1)沖擊波對天線增益的毀傷作用比破片要大得多;
(2)聯合毀傷效應不能簡單地視為毀傷元獨立毀傷效應的簡單疊加;
(3)沖擊波所產生的毀傷效果足以摧毀相控陣天線;
(4)一個包含900個陣元的相控陣天線，43個破片最多能破壞其4.8%的陣元，破片毀傷效果遠遠不足。若要提高破片的毀傷效果，可通過調整導彈姿態(tài)或降低導彈炸高來增加破片命中陣元的數量。
5 增強破片打擊效果的其他情況
若將炸藥當量改為 5 kg，炸高改為 5 m，假設在該條件下，破片命中陣元即可摧毀。較之前相比，命中目標天線的破片數量從 43 個增加到 84 個，破片的毀傷效果隨著沖擊波毀傷效果的減弱而增大。按照上述方法，可得到新的作戰(zhàn)條件下，破片、沖擊波及其聯合作用下的毀傷效果，如表 2 所示。
結果表明，由于比例距離增加，天線變形后的中心撓度由 23 cm 減小到 8 cm。盡管變形相對微弱，但變形對增益的影響仍舊很強。這意味著，天線變形對于增益影響顯著。因此，在使用反輻射導彈打擊厚度較薄、固支較弱的天線時，可優(yōu)先考慮沖擊波毀傷; 對于較厚且固定方式穩(wěn)定的天線，由于沖擊波難以使天線變形，此時才應該考慮選擇破片作為主要毀傷元。
6結論
通過理論計算，得到當戰(zhàn)斗部于天線正上方起爆時，被反輻射導彈毀傷后的天線模型。之后利用電磁仿真軟件，結合天線毀傷模型得到破片、沖擊波和聯合毀傷后的天線方向圖，最后比較了破片和沖擊波在2種不同條件下的毀傷效果。
從彈目交會條件開始，研究了物理毀傷導致的陣元失效和位置變化，及最終導致的電性能影響，提供了一種定量計算反輻射導彈對相控陣天線毀傷程度的方法，可為評估相控陣天線毀傷效能提供一定參考。另外，該方法在對增益和副瓣電平變化進行定量評估后，未給出失效判據，這需要結合天線的作戰(zhàn)環(huán)境綜合分析。如何解決這一復雜問題，有待進一步研究。參考文獻
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