ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－９４９２．２０１３．１２．０２６ 车辆外部电磁环境分析
王宇飞，陈卓然 （吉林师范大学，吉林四平 １３６００１）
摘要：车辆外部的电磁环境主要受到电磁脉冲武器源的特性和地面因素的影响，因此以高空核电磁脉冲武器为例从武器的作用 范围、功率和能量、地面参数等方面人手，对影响车辆外部电磁脉冲环境的因素进行分析。仿真结果表明：高空核电磁脉冲的 作用范围可由爆高计算得出，在中国领土覆盖范围内，北纬３Ｏ。一６０。范围内的电场极化方式以水平极化为主，在北纬４。～３０。 范围内的电场的极化方式以垂直极化为主。随着地面电导率的增加水平场强峰值不变，垂直电场强度峰值增大，总场强峰值在 大地电导率为０．１时最大，对绝大多数土壤来说，含有机物粘土的电场强度峰值最大。 关键词：高空核电磁脉冲；车辆；电磁环境；地面参数；仿真分析 中图分类号：ＴＮ９７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—９４９２ｆ２０１３）１２—００８９—０５
Ｔｈｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ Ｏｕｔｓｉｄｅ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ ＷＡＮＧ Ｙｕ－ｆｅｉ．ＣＨＥＮ Ｚｈｕｏ－ｒａｎ （ＪｉＬｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｉｐｉｎｇｌ３６００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｕｔｓｉｄｅ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｗａｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｕｌｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｆａｃｔｏｒｓ ｐｒｉｍａｒｉｌｙ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔａｋｅ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｕｌｓｅ ａｓ ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｔａｋｅｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｃｏｐｅ， ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ，ｇｒｏｕｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｃａｎ ｂｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｅｉｓｈｔ ｏｆ ｈｉｓｈ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｕｌｓｅ，ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏａｈ ｌａｔｉｔｕｄｅ ３０。ｔｏ ６０。ａｎｄ ｍａｉｎｌｙ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｎｏｒｔｈ ｌａｔｉｔｕｄｅ ４。ｔｏ ３０。ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ ｐｅａｋ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｗｈｉｌｅ ｐｅａｋ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ．Ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｐｅａｋｓ ｆｉｅｌｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｓ ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｓｔ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｇｒｏｕｎｄ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｉｓ ０．１ ａｎｄ ｉｎ ｃｌａｙ—ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｃ ｉｎ ｍｏｓｔ ｓｏｉｌｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ａｌｔｉｔｕｄｅ ｎｕｃｌｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｕｌｓｅ；ｖｅｈｉｃｌｅ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｇｒｏｕｎｄ ｐａｒａｍｅｔｅ￣；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ
０引言 随着信息时代的到来和微电子技术的迅猛发 展，汽车上越来越多的系统采用了电子控制设 备，这就使得车辆所处的电磁环境在战争中变得 十分复杂，特别是强电磁脉冲作用下，车辆的生 存能力逐渐成为关注的重点，因此对电磁脉冲武 器作用下车辆附近电磁环境的研究迫在眉睫。车 辆外部的电磁环境主要是由作为激励源的电磁脉 冲武器引起的，并受到电磁脉冲武器源的特性和 地面因素的影响，从文献【ｌ】可知对电磁环境影响 较为重要的因素是脉冲武器的作用范围、功率和 能量、地面参数等，因此本文以高空核电磁脉冲 武器为例，主要从此方面人手，对影响车辆外部 收稿日期：２０１３—１０—０９ 电磁脉冲环境的因素进行分析。 １高空核电磁脉冲的作用范围 核爆炸发生在３０ ｋｍ以上的高空称为ＨＥＭＰ， 瞬发辐射将能量存储在爆炸点下方的高密度空气 区域中，形成电磁脉冲源区，大致呈中间厚边缘 薄的圆饼形，在地面形成巨大的覆盖区域。 ＨＥＭＰ的覆盖范围取决于爆炸高度ＨＯＢ（Ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ Ｂｕｒｓｔ）和当量。高空爆炸产生ＨＥＭＰ的过程示 意图如图１所示拉 。 １．１爆炸高度的影响 高空核爆炸时，电磁脉冲从源区垂直向下辐 射，而且还从源区的边缘以不同角度向地面辐 射，因此电磁脉冲的高频分量在地面上的作用范 与开发 ＼．
图１ 高空爆炸产生ＨＥＭＰ过程示意图 围可延伸到视界范围（即地面上能够“见到”爆 点的范围），频率较低的分量甚至能伸延到视界 范围之外，而早期ＨＥＭＰ作用以高频成分居多， 所以覆盖范围以视 界范围为最大范 围。因此，爆高在 ５００ ｋｍ以下时，爆 点越高，电磁脉冲 切点 在地面上的覆盖范 围越宽。 以爆炸点下的 视界范围计算电磁 脉冲在地面上的覆 盖半径冠，地球半 图２ ＨＥＭＰ爆炸高度与 径尺 为６ ３７１ ｋｍ， 覆盖半径关系ＨＥＭＰ爆炸高度与 覆盖半径的关系如 图２所示 。爆炸高度与覆盖半径的计算公式如式 （１）所示，所得结果如图３所示。
／‘ ／。 ／。 ．／。 一， ／’
／
．
Ｒ ＝Ｒｅ‘ｃｏｓ ＩＲ Ｉ （１） 其中，Ｒ 为切．半：Ｈ
径ＯＢ
（地表上爆炸投影点与切 点间沿地球表面的弧线距离），０为尺 对应的圆 心角度，与爆高ＨＯＢ有关。 从图３中可以看出，在爆高为３０ ｋｍ时覆盖 半径约为６１７ ｋｍ，爆高为１００ ｋｍ时覆盖半径约 为１ １２１ ｋｍ，覆盖范围约为４×１０ ｋｍ ，它是随着 高度的增加而非线性递增的。在中国正中心上方爆 炸，当爆高为５００ ｋｍ时能覆盖中国大部分的面 积，当爆高约为６７０ ｋｍ时约能覆盖整个中国领土。 １－２当量的影响 目前，核弹的当量并不是越大越好。一般情 况下，当量越大的核弹，对其使用的要求也就越 高。迄今为止世界上当量最大的核弹是１９６１年苏 联制造的，为五千万吨ＴＮＴ当量。苏联原计划设 计的是一亿吨当量的核弹，但在当时在苏联广阔 的地域范围内根本没有适合该枚核弹的试验场 所。现在拥有核弹的国家都在极力发展核弹小型 化乃至微型化技术，因为十个十万吨当量的核爆 远比一个百万吨当量的核爆更具破坏性和可行 性。基于这个原因，当前更趋向于缩小核弹体积 与重量，提高核弹的比威力，即提高核弹每一单 位重量的当量［４１。 高空核爆炸发生时，瞬发 辐射较强。 射 线向上辐射进入密度很低的大气中，向下方辐射 将碰到密度逐渐增大的大气， 辐射与空气分子 相互作用形成的电磁脉冲源区，大致呈中间厚而 边缘薄的回饼形。电磁脉冲源区的大小是爆高和 爆炸当量的函数，图４和图５分别为十万吨级及百 万吨级核爆炸在不同爆高条件下电磁脉冲源区的 半径和高度 ＇ 。
图４ ０．１Ｍｔ核武器在不同高度爆炸时电磁脉冲源区的范围 １００ ２００ ３００ ４００ ５００ ６００ ７００ ＨＯＢ／ｋｍ 可看出十万吨级和百万吨级核爆炸在１００ ｋｍ
图３日ＤＢ与覆盖半径关系 爆高时电磁脉冲源区的半径（爆点与爆心投影点
ｒ
塌 ３ 王宇飞 等：车辆外部电磁环境分析 研究与 连线算起平行于地面的距离）分别为４８０ ｋｍ和 ６００ ｋｍ，高度（电磁脉冲源区的高度）分别为 １０～６５ ｋｍ和１０～８０ ｋｍ，这是由于大部分ｙ射线在 高约为１５～６５ ｋｍ的空气中就被吸收了，而水平方 向上源区的分布范围比较宽。从源区向下当电场 能达到的最大稳定值时出现饱和场，此时仅与空 气的基本参数有关，而与爆炸当量无关。因此由源 区向下发射的电磁脉冲在广大的区域内场强变化不 大，从文献『ｌ１中距离分别为１００ ｍ，１ ｋｍ，１０ ｋｍ 处峰值电场均为５０ ｋＶ／ｍ也可得到验证。 要 ＼ 姐 图５ １Ｍｔ核武器在不同高度爆炸时电磁脉冲源区的范围 １．３地面场强的分布 地面电磁脉冲强度的分布还与地磁场的方向 有关 ，由于地磁场磁力线不是与地球表面平行的 圆，爆点到地球的垂线与磁力线夹角不是直角， 因此电磁脉冲最强区并不是爆点的垂直投影区， 而是 射线与磁力线垂直的地区。对北半球而 言，最强区是在垂直投影区偏南处，最弱区是ｙ 射线与磁力线平行的地区。当核爆当量在几十万 吨以上，爆高为１００ ｋｍ～５００ ｋｍ，爆心投影点位 于北纬３Ｏ。～６Ｏ。之间时，以爆心投影点作为坐标 原点，以爆高为单位长度建立坐标系，按峰值场 强最大值Ｅ （下文均同）计算的等场强线，如 图６所示。 图６中当爆高为１００ ｋｍ时，地面的覆盖半径 约为１ １２１ ｋｍ，在４２０ ｋｍ到此范围内场强值约为 ０—５ Ｅ ，而在爆心投影点正北方１１５ｋｍ范围内场 强值约为０．５ Ｅ…在爆点投影点正北方５０ｋｍ范 围内场强值最小，约为０—１ Ｅ ，场强最大值范围 出现在爆点投影点正南方１ １０ ｋｍ～２４０ ｋｍ，东西 １９０ ｋｍ范围内，约为０．９８ Ｅ 。 在电磁脉冲覆盖范围内，大部分地区的电场 强度高于０．５Ｅ 。当纬度高于６Ｏ。，磁倾角较 大，Ｅ 和０．７５Ｅ 的等场强线越趋近于围绕地 面零点。当磁倾角为９０。，从理论上说，等场强线 可能由一族围绕地面零点的圆组成。当纬度低于 ３Ｏ。，磁倾角较低，地面上的等场强线将变得更不 象圆，发散的趋势将有所增加。
图６ 地面上等场强线的分布情况 磁场东 ２计算地面附近电磁脉冲环境的理论基础 如图７和图８所示，幅度为 的任意极化入射 平面波可以分解为垂直极化分量和水平极化分量。
、 ｋ 垂直极化分量 Ｊ
水平方 ＼
＾、 ｋ ｆ
水平极化分量
水平极化 Ｉｃ Ｉ 糕Ｉｌ
图７ 入射波极化角 垂直极化
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，，，ｒ／，，∥，／ ｙ ，／／／，／，／，／，，
图８ 方位角及入射波仰角