军用机械电子设备的电磁环境分析及其防护技术对策

摘 要：军用机械装备机电一体化的趋势，提高了其战场作业自动化、智能化程度，但同时机械电子设备易受到复杂战场环境下电磁波的干扰，从而影响其安全可靠性。笔者分析了战场环境条件下的电磁干扰源；论述了机械电子设备电磁防护的必要性；提出了机械电子设备电磁防护的相应技术对策。
军用机械电子设备；电磁干扰；防护技术；吸波材料
0 引言
随着科学和技术的迅猛发展，军用机械越来越紧密地和微电子技术结合在一起，正朝着机电一体化的方向发展。机电一体化大幅度提升了军用机械装备的作战效能、自动化和智能化程度，并使人的体能、感官功能和人脑功能得到延伸[1]。但是，在现代高科技战争中，战场的电磁环境日趋复杂，特别是新型电子对抗技术，其核心之一是释放宽频率和波长的强电磁波来破坏对方军事设施中电子设备的遥测、遥感和遥控等功能，使对方的军事设施处于失控状态，达到突袭的目的。因此，机电一体化程度的提高使军用机械也面临一些问题：1)其智能控制系统等微电子系统易受到外界电磁场的干扰，从而影响机械设备工作的稳定性和安全可靠性；2)电子设备本身的电磁辐射，会造成信息的泄漏引发安全问题。所以，如何对军用机械的电子设备实施有效的电磁防护，已成为新时期军用机械亟待解决的问题。
1 战场电磁环境及其对军用机械电子设备的危害
战场电磁环境将会直接影响军用机械电子设备的作战效能和安全可靠性。电磁波对军用机械电子系统的危害主要有：1)导致信号接收机等敏感设备性能的降低或失效；2)导致机电设备、电子线路、元器件的误操作；3)烧毁或击穿元器件；4)电引爆装置、易燃材料等意外触发或点燃[2,3]。按照电磁波的产生机理不同，一般将电磁环境分为人工电磁环境和自然电磁环境。
1．1 人工电磁环境及其危害
随着科学技术的发展，人工电磁环境的干扰源种类趋于多样化和复杂化。人工电磁环境主要有：高功率微波武器，核电磁脉冲辐射，无线电发射设备，火花与电弧放电等。这些人为的电磁环境将对军用机械电子设备运行的可靠性和稳定性产生重要影响。
a)高功率微波武器(HPM)：现代高科技战争条件下，各种杀伤性很强的武器，特别是软杀伤性的武器应运而生。HPM是以破坏对方电子部件为目的的定向能武器，其不同功率密度的HPM对不同电子系统的效应不同。例如：功率密度为0．01～ lmW／cm2的微波武器，对雷达和通讯设备产生强干扰，设备不能正常工作；功率密度为0．01～lW／cm2的微波武器，使通信、雷达、导航等系统的微波电子设备失效或者烧毁；功率密度为10～100W／cm2的微波武器，使机械设备壳体产生瞬态电磁场，并进人壳体内部电路，产生感应电压，出现功能紊乱，逻辑混乱，甚至永久失效；功率密度为100010 000W／cm2的微波武器，产生强场作用，引起非线性效应，产生微观力学效应或非常吸收，可在短时间内破坏目标[4]。如美国EA-6B"徘徊者"电子战飞机投放强电磁辐射弹，战斧巡航导弹携带高功率微波弹，以非核爆炸方式产生类似于高空核电磁脉冲的强电磁辐射，直接摧毁或损伤各种敏感电子部件，使对方雷达、计算机系统等机械电子装备和互联网络失去工作能力[5]。高功率微波武器目前尚在研制阶段，但是如果将来大量投入到战争中去会具有强大的杀伤力，所以在考虑战场复杂电磁环境的时候不能忽略它的未来效应。
b)核电磁脉冲辐射：核爆炸时会产生极强的电磁脉冲，其强度可达105V／m以上，分布范围极广，高空核爆影响半径可达数千公里。机械装备的电子设备作业在有核电磁脉冲辐射的环境下，其微电子设备对核电磁脉冲是十分敏感的。解放军理工大学全军电磁脉冲防护研究测试中心曾对包括计算机在内的一些典型的微电子设备进行了电磁脉冲模拟试验，结果表明：在很强的电磁脉冲辐射下，出现了测控系统的数据采集通道被烧毁，数控系统控制失灵等现象[4]。在实时作战过程中如果发生核爆炸，产生强度在105V／m以上的电磁脉冲干扰会使电子设备出现系统瘫痪，造成不可挽回的损失。
c)无线电发射设备：军事上的无线电导航、无线通信与广播、短波通信与广播、雷达通信与空间通信、中继通讯、远程导航仪等设备，均是靠发射很强的电磁波来实现作业的。对于相应的接收设备而言，这些大功率的电磁波是传送信息的载体，但对于其它各种敏感的电子设备来说却是严重的干扰源。早在10年前我国已经拥有使用移动通信发射机和基地台的用户8 154万[3]，大量的移动通讯发射机辐射出的电磁波是电磁环境主要污染源之一.
d)火花放电与电弧放电：在机械电子设备工作过程中，其部分元器件会产生火花放电，导致电子设备的运行故障。例如汽车、机械、摩托车等机动车辆的点火装置，它们是很强的宽带干扰源，在10～100MHz频率范围内具有很大的干扰场强，并且机械车辆中发动机风扇、刮雨器的电动机等电器设备都会辐射电磁波。
电弧放电与静电放电所产生的电磁辐射特性非常相似。20世纪六七十年代，在人们没有充分认识到这些电磁波污染源对电子设备的破坏作用，并且也没有对机械电子设备进行足够有效的防护，因此电弧放电所引起的军用机械上装有的电引爆自毁系统引爆故障的例子屡见不鲜[6]。
1．2 自然电磁环境及其危害
自然电磁环境是指非人为因素产生的电磁波所形成的电磁环境，其中静电放电、雷电和宇宙噪声是三种最重要的电磁干扰。
a)静电放电：飞机、车辆、用电设备以及人体都会积累电荷成为带电体。静电干扰最为危险的是可能引起火灾，导致易燃易爆物引爆。机械设备中普遍存在静电现象，大多数半导体器件都很容易受静电放电而损坏。塔尔萨城对德尔它火箭进行测试时，因技术员戴的皮手套偶然与发动机喷管的塑料隔板发生摩擦，使发动机点火电爆管引线上感应了静电荷而引起测试故障；
b)雷电放电：雷电放电是一组脉冲群，其冲击电流大、持续时间短和雷电流变化梯度大的特点具有巨大的破坏力。雷电的危害可以分为直击雷、感应雷和浪涌。雷电放电对军用机械电子设备产生严重损伤：一方面由于机械电子设备内部结构高度集成化，造成设备耐过电压、过电流能力下降；另一方面由于信号来源路径增多，系统更容易遭受雷电波的破坏，其中以感应雷对电子设备的破坏性最大。1961年秋，一系列的雷电使部署在意大利的美国丘比特导弹武器系统多次遭到严重的损坏[6]；
c)宇宙噪声：宇宙噪声主要来源于太阳辐射。由太阳飞出的带电粒子的辐射，能引起全球的磁场变化，它对全球都产生影响。1981年5月南京紫金山天文台观察到两次奇异的双带太阳耀斑，曾导致全球无线电通讯中断2小时[3]。
2 军用机械电子设备电磁防护技术对策
现代战争条件下，为使军用机械电子系统免受电磁波干扰，对其进行电磁防护显得尤为重要。目前防止电磁波干扰采用的主要方法是使用电磁波屏蔽材料和电磁波吸收材料技术。
2．1 电磁屏蔽技术
屏蔽是用导电体或导磁体的封闭面将其内外两侧空间进行的电磁性隔离。因此，从其一侧空间向另一侧空间传输的电磁能量，由于实施了屏蔽而被抑制到极微量[7]。屏蔽体的屏蔽效果由该屏蔽体对电磁场强度削弱的程度决定，通常用屏蔽效能来度量：
SE = 201gA + 201gR + 201gB
其中：A—— 吸收损耗；
R—— 反射损耗；
B—— 多次反射损耗。
在一定的电磁波频率和材料厚度时，材料导电率增加，反射损耗和吸收损耗都增加，总的电磁波能量衰减增加；材料磁导率增加，一方面使得吸收损耗增加，另一方面却又使得反射损耗减小，二者迭加总的效果是先减小后增大。
2．2 电磁吸波材料技术
电磁波吸收是以降低电磁波的反射能量，即可将入射的电磁波转换成热能从而将电磁波吸收掉。电磁屏蔽材料按应用形式可分为涂覆型涂料和结构型复合材料，其中涂料以其工艺简便、成本低廉而备受青睐，被广泛应用于各类电子产品、装置和系统的电磁辐射防护。世界各个军事强国已竞相开展电磁波防护技术的研究，其中电磁波屏蔽、吸收涂料使用的较多。据统计，在美国使用电磁屏蔽涂料方法占各种屏蔽方法的80％以上。电磁屏蔽涂料是由填料(吸收剂)、胶粘剂和溶剂等组成。
2．2．1 吸收剂的选择
吸收剂是决定吸波涂料吸波性能的主体，直接制约着吸波材料的研制水平与工程应用效果。吸收剂主要有铁氧体吸收剂、金属及氧化物超细粉体、导电炭黑吸收剂、羰基铁吸收剂、导电高分子吸收剂、视黄基席夫碱盐、多晶铁纤维吸收剂、稀土元素吸收剂和手征媒质吸收剂等[8]，其中研究比较成熟的吸收剂有超微铁氧体吸收剂、金属及氧化物超细粉体、导电炭黑和羰基铁吸收剂等。
a)超微铁氧体吸收剂：铁氧体吸收剂价格低廉、吸收能力好，与其他磁性材料相比，它具有较好的频率特性，相对磁导率较大，相对介电常数较小，即使在低频、厚度薄的情况下仍有很好的吸收性能，在拓宽频带方面也有较大的发展空间[9]。针对铁氧体表面密度大的缺点，将铁氧体微波吸收剂纳米化和将纳米铁氧体与导电聚合物复合而成纳米复合物微波吸收剂，将是很有前途的新型屏蔽材料[10]。国内铁氧体吸收材料的水平在8～18GHz频率范围内，全频段吸收率为10dB，面密度约为5kg／m2，厚度约2mm[11]。
b)超细镍粉吸收剂：超细镍粉具有较高的磁导率实部μ'，和虚部μ"，并可通过不同粒度的配比在一定范围内调整磁导率的实部与虚部，其磁性转变温度较高，因此在较大的温度范围内吸波性能稳定，且几乎没有时效变坏的可能性[12]。采用这种金属粉可降低材料的比重，常用其作为填料加入基料。金属粉在基料中的分散程度，对涂料的屏蔽和吸收性能有很大的影响，分散越均匀，越有利于形成导电通路，提高涂料的表面电导率和屏蔽性能[13]。
c)导电炭黑吸收剂：导电炭黑吸收剂是目前较为常用的微波吸收剂之一[14]，与金属类和有机类吸波材料相比，它具有质量轻、抗氧化、化学稳定性好，并易于和树脂类胶粘剂混合等特点。
d)羰基铁吸收剂：羰基铁吸收剂具有温度稳定性好、吸收频带宽和可设计性强等优点。羰基铁粉活性大，粒度细，为不规则球状，与纳米粒子复合后产生高矫顽力，可使各种损耗增加，从而增加了涂层对电磁波的吸收能力。黄冬珍等人对三种羰基铁粉体和涂层的吸波性能进行了实验，研究表明：单一羰基铁粉作为屏蔽材料的屏蔽效果较差，两层复合结构的涂层改善了单一结构的涂层的吸波性能，多层多质结构的涂层大大改善了单层涂层的吸波性能，同种材料的组合顺序不同也会影响材料的吸波性能[12]。
e)空心微珠涂层：空心微珠是一种无机粉体，与金属粉相比，密度较小，单位面积的质量也较小[12]。要使空心微珠实现较好的屏蔽效能，可对其进行表面改性处理，镀覆不同μ、ε的导电导磁金属，使其具有良好的导电导磁性能。掺加有微珠的涂料涂覆到飞行器表面，可以吸收雷达波和红外辐射；涂覆到电子部件表面，可以抗电磁波和射频干扰。
f)纳米吸波涂层：纳米吸波材料对电磁波特别是高频电磁波具有优良的吸波性能，且其对电磁波的透射率和吸收率比微米粉体要大得多，且具备宽频带、兼容性好、质量小和厚度薄等特点。纳米氧化钛、氧化铬、氧化铁和氧化锌等具有半导体性质的粒子，加入到树脂中形成涂层，有很好的静电屏蔽性能。
2．2．2 胶粘剂的选择
胶粘剂是吸波涂料中的成膜物质，它决定着材料的主要力学性能和耐环境性能，同时也对涂层的吸波性能产生重要影响，所以研制与选择高性能胶粘剂已成为吸波涂料技术的难点之一。
3 结束语
为适应高技术条件下的现代化战争要求，军用机械装备正向机电一体化方向发展。同时，复杂的作战电磁环境，要求军用机械电子设备必须具有良好的抗电磁干扰能力，以确保其安全可靠性和稳定性，因此军用机械电子设备的电磁防护技术将日趋重要和迫切，特别是各种电磁屏蔽和吸波材料技术等将得到越来越广泛的应用。
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