发布时间：2021-08-11所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 防护工程
《冲击波和破片对相控阵天线的联合毁伤评估》论文发表期刊：《防护工程》；发表周期：2021年01期
《冲击波和破片对相控阵天线的联合毁伤评估》论文作者信息：刘一诺( 1993—) ，男，硕士，助理工程师，主要研究方向为武器毁伤效能评估。
摘要为评估反辐射导弹(ARM)对相控阵天线(PAA)的毁伤效果，建立了反辐射导弹和相控阵天线的弹目交会模型，计算了当战斗部在天线正上方爆炸时，命中目标的破片数量及天线受冲击波毁伤后的变形曲面。通过电磁仿真软件建立相控阵天线模型，得到增益和副瓣电平，计算了破片、冲击波和联合毁伤对相控阵天线的毁伤效果。结果表明，冲击波相较于破片毁伤程度更明显。从弹目交会条件开始，研究物理毁伤导致的阵元失效和位置变化，以及最终导致的电性能影响，为相控阵天线毁伤效能评估提供新的方法。
关键词 雷达毁伤效应;天线方向图;相控阵;数值仿真
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
随着未来战争的发展，夺取电磁优势成为战争决胜的关键因素。相控阵雷达作为一种重要的信息获取装备，与机械雷达相比，在监测快速运动目标、多目标跟踪及雷达探测距离等方面具有绝对优势。在战争中，尽快确定相控阵雷达毁伤效能对夺取电磁优势具有重要意义。
反辐射导弹在雷达对抗中有着广泛的应用。它是雷达对抗中的一种硬杀伤武器，利用被动雷达导引头接收辐射源的电磁波，对目标进行寻迹、跟踪和摧毁。目前，已有大量文献研究反辐射导弹对相控阵雷达的毁伤效应，研究内容包括破片、冲击波和联合毁伤对相控阵雷达的毁伤效应，以及机械雷达天线在冲击波作用下的变形情况。
针对冲击波对相控阵雷达的毁伤效应，吴俊全[1]使用蒙特卡罗方法进行终点弹道采样，计算得到了爆破战斗部对雷达的毁伤概率。马登武等口利用吴俊全的方法计算了不同天线高度下的最佳起爆高度。周栋等[研究了圆概率误差(CEP)、落角、制导偏差等因素对毁伤概率的影响。
针对破片对相控阵雷达的毁伤效果，李卫平等[建立了破片战斗部对典型陆基相控阵雷达目标的毁伤模型。结果表明，爆炸高度、倾斜角和CEP是影响反辐射导弹战斗部毁伤概率的关键因素。张志锋等[3对李卫平的模型进行了改进，考虑破片速度对毁伤程度的影响，并结合强度极限和剪切应力，建立了较为全面的天线毁伤概率计算模型。徐文亮等[考虑了侵彻角的影响及跳弹现象，对模型进行网格划分，考虑各网格单元之间的遮挡关系，得到了破片毁伤效应计算方法。该方法可以更准确地计算出一定条件下有效破片数量及目标毁伤面积。
对于破片和冲击波对相控阵雷达天线的联合毁伤效应，袁俊明等[首先建立了完整的天线模型，之后在模型上打孔模拟破片侵彻效果，再用爆炸载荷模拟破片和冲击波的联合毁伤，这种方法称为预打孔法。研究结果表明，破片和冲击波对结构的破坏效应并非简单叠加，而是会产生更为剧烈的联合毁伤作用。目前，预打孔法是建立联合毁伤后天线模型的常用方法。
这些研究建立了反辐射导弹对相控阵雷达的毁伤模型，但由于研究仅评估目标的物理毁伤，而没有考虑物理毁伤与功能毁伤之间的联系，使评估结果不够全面。
对于传统机械天线的电性能毁伤，董涛等研究了变形和穿孔联合毁伤对赋形反射面天线辐射特性的影响。肖疆等回研究了穿孔毁伤时赋形反射面天线的辐射特性。刘彦等[0研究了反射面天线表面变形穿孔下的结构毁伤对辐射特性的影响及冲击波作用下反射面天线的辐射特性。袁俊明等四研究了冲击波作用下变形毁伤对圆抛物面天线电性能的影响，破片穿孔毁伤对圆抛物面天线电性能的影响，以及冲击波与破片联合毁伤对反射面天线电性能的影响。以上学者虽然研究了物理毁伤对天线电性能的影响，但研究的是对传统机械天线的影响。
目前，对于相控阵天线的电性能毁伤研究，主要从失效阵元的数量、位置对电性能的影响着手12-1，鲜见研究建立物理毁伤与阵元失效数和位置变化的联系。
笔者拟从弹目交会条件开始，研究物理毁伤导致的阵元失效和位置变化，以及最终导致的电性能影响，研究分为以下5个步骤：(1)设计符合标准的天线，导入电磁仿真软件仿真，得到完整的天线方向图;(2)确定破片数量、炸药当量、炸高、飞行速度、攻角和飞行方向，计算破片穿孔数量，得到穿孔后阵元数量及坐标，建立预穿孔天线模型：(3)通过理论计算，求解冲击波作用后的天线变形曲面，得到变形后阵元坐标，建立穿孔变形天线模型;(4)将穿孔变形天线模型上的阵元坐标输入FEKO，通过仿真计算得到破片与冲击波联合毁伤后的天线方向图;
(5)对比破片、冲击波及联合毁伤后的方向图，分析反辐射导弹对相控阵天线的毁伤规律，为反辐射导弹设计提供参考。
1 设计
由于单个阵元类型对相控阵天线阵方向图影响不大，可以把阵元看作是各向同性的。若使用微带阵元构建相控阵，且计算各阵元之间的耦合效应，需要仿真时间较长，但如果选择偶极子天线作为阵元，耦合效应的强度则会降低。因此，为了提高仿真计算效率，笔者选择偶极子阵元代替微带阵元，不过在计算破片是否击中目标阵元时，仍视它们为微带阵元。
通过电磁学仿真软件软件建立偶极子阵元模型，并通过编程生成由 30 × 30 的偶极子阵元组成的，两两中心相距 10 cm 的阵列，偶极子阵元长度为9. 99 cm。
方向图综合是相控阵天线实现波束赋型的数学基础，也是天线设计中的一个重要课题，其研究已经相当成熟。对于均匀线阵天线，研究重点在于，当确定阵元的数量和间距后，通过计算幅相权重实现方向图综合。大部分线阵天线的方向图综合方法只需做小改动，便可应用于平面阵列天线，其中常用到的是切比雪夫综合和泰勒综合方法。
笔者选取泰勒综合法进行综合。加权元素幅值和相位后，天线增益为 30. 071 dbi，旁瓣电平为 - 30. 513 dbi。天线方向图见图 2。
2 穿孔天线模型
假设导弹飞行速度为 v = 800 m /s，战斗部形状呈腰鼓状，炸药当量为 30 kg，起爆位置位于目标中心，半径为 4 mm 的球形钨破片数量为 N = 10 000，散射角 θ = 120°，导弹飞行方向和天线表面的夹角为 φ = 20°，攻角为 ω = 10°，即导弹与天线表面的轴线角为 φ + ω = 30°，将相控阵天线面看作边长3. 1 m 的正方形平面，忽略冲击波使阵元失效的情况，假设只有破片使阵元失效。基于此假定，计算被破片命中并失效的阵元数量。
由格尼方程[1 4]得到的最大初速度为:
图4 显示天线增益为 29. 830 dBi，降低5. 4% ;旁瓣电平为 - 27. 372 dBi，增长 06% 。这表明，该工况下破片对天线电性能的毁伤程度较低。
3 穿孔变形天线建模
笔者采用预打孔的方式处理冲击波和破片的联合毁伤问题，不考虑 2 种毁伤元的耦合问题，只将两者简单叠加，即先将天线板打孔，之后在计算天线变形程度时，不考虑孔洞对天线变形程度的影响。假设天线四周固支，对于四周固支的矩形板，计算其在冲击波作用下的变形情况，已有学者[17]给出公式:
通过式( 7) -( 10) 可求出靶板的中心挠度，代入式( 6) 得到变形后的天线形状，依此可得到天线变形后未被破片毁伤的每个阵元的坐标。将该数据输入电磁学仿真软件，得到被破片和冲击波联合毁伤的天线阵列模型，如图 5 所示。将模型导入电磁学仿真软件，得到由破片和冲击波联合毁伤后的天线方向图，如图 6 所示。
图6显示，破片和冲击波联合毁伤后增益变为18.571 dBi，降低92.9%;副瓣电平为-19.595 dBi，增长1140%。结果表明，破片和冲击波的联合毁伤对天线电性能的毁伤程度较高。
4破片与冲击波毁伤效果对比
如果仅考虑冲击波影响，不考虑破片穿孔，可以得到仅受冲击波毁伤的天线模型，如图7所示。将模型导入电磁学仿真软件，得到被冲击波毁伤的天线方向图，如图8所示。
如 图 8 所 示，冲击波毁伤后天线增益变 为18. 829 dBi，下 降 了 92. 5% ，副 瓣 电 平 变 为- 24. 350 dBi，增长 313% 。结果表明，冲击波的单一作用下，相控阵天线电性能参数已发生巨大变化。
对比破片、冲击波和联合作用下的毁伤效果，数据如表 1 所示。
如表1所示，该工况下，可得到如下结论：
(1)冲击波对天线增益的毁伤作用比破片要大得多;
(2)联合毁伤效应不能简单地视为毁伤元独立毁伤效应的简单叠加;
(3)冲击波所产生的毁伤效果足以摧毁相控阵天线;
(4)一个包含900个阵元的相控阵天线，43个破片最多能破坏其4.8%的阵元，破片毁伤效果远远不足。若要提高破片的毁伤效果，可通过调整导弹姿态或降低导弹炸高来增加破片命中阵元的数量。
5 增强破片打击效果的其他情况
若将炸药当量改为 5 kg，炸高改为 5 m，假设在该条件下，破片命中阵元即可摧毁。较之前相比，命中目标天线的破片数量从 43 个增加到 84 个，破片的毁伤效果随着冲击波毁伤效果的减弱而增大。按照上述方法，可得到新的作战条件下，破片、冲击波及其联合作用下的毁伤效果，如表 2 所示。
结果表明，由于比例距离增加，天线变形后的中心挠度由 23 cm 减小到 8 cm。尽管变形相对微弱，但变形对增益的影响仍旧很强。这意味着，天线变形对于增益影响显著。因此，在使用反辐射导弹打击厚度较薄、固支较弱的天线时，可优先考虑冲击波毁伤; 对于较厚且固定方式稳定的天线，由于冲击波难以使天线变形，此时才应该考虑选择破片作为主要毁伤元。
6结论
通过理论计算，得到当战斗部于天线正上方起爆时，被反辐射导弹毁伤后的天线模型。之后利用电磁仿真软件，结合天线毁伤模型得到破片、冲击波和联合毁伤后的天线方向图，最后比较了破片和冲击波在2种不同条件下的毁伤效果。
从弹目交会条件开始，研究了物理毁伤导致的阵元失效和位置变化，及最终导致的电性能影响，提供了一种定量计算反辐射导弹对相控阵天线毁伤程度的方法，可为评估相控阵天线毁伤效能提供一定参考。另外，该方法在对增益和副瓣电平变化进行定量评估后，未给出失效判据，这需要结合天线的作战环境综合分析。如何解决这一复杂问题，有待进一步研究。参考文献
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