通風彎管道高空核電磁脈沖響應研究

李愛虎，蔡星會，仇瑜環，黎素芬

(1.火箭軍工程大學， 西安 710025； 2.中國人民解放軍91515部隊， 海南 三亞 572016)

大型地下工事，機庫等重點目標均存在通風管道，通風管道包括直管道和彎曲管道，高空核電磁脈沖可以通過管道進入工事、機庫內部，可能造成電子元器件失靈，邏輯電路翻轉，電子系統崩潰的嚴重后果。因此針對管道核電磁脈沖耦合響應研究十分必要，研究結果可為管道抗核電磁脈沖加固提供參考。

通風直管道的高空核電磁脈沖耦合響應已有相關研究，但由于建筑形態各異，通風系統中廣泛存在的管道網絡，支路連接，拐彎情況不可避免出現，彎曲管道的高空核電磁脈沖耦合響應研究未見相關文獻，故開展相關研究具有重要意義。

高空核電磁脈沖具有極高強度的能量，具有峰值場強高，頻譜范圍寬，前沿極陡峭的特點[1]，對電子元器件具有極大威脅，可以通過傳導耦合、輻射耦合的方式作用于天線、電力線、元件等物體，產生極高的場強、電壓、電流，破壞系統或設備[2]。廣大學者對高空核電磁脈沖進行了深入研究，謝彥召等[3]分析了核電磁脈沖波形標準及特性，張舉丘等[4]通過數學公式推導，結合計算機編程技術計算研究了高空核電磁脈沖對埋地油氣管道、架空油氣管道的耦合問題。王晨東等[5]基于BLT方程分析了埋地管道的電磁脈沖響應規律，劉青等[6]研究分析了埋地管道核電磁脈沖的響應不確定度量化。從上述文獻可知，核電磁脈沖及管道的研究比較豐富，但通風管道和油氣管道不同，尤其是彎曲管道，涉及到脈沖的反射疊加問題，且管道功能不同，設計參數也各異，可能隨工事、機庫各異呈現多樣化。通風直管道的核電磁脈沖響應已有研究，因此針對通風彎管道的響應分析很有必要。

1 高空核電磁脈沖

高空核電磁脈沖一般指距地面40 km以上的高空核爆炸產生的瞬發γ射線與周圍空氣介質相互作用產生的輻射瞬變電磁場，源區場強可達105V/m量級[7]。由于產生的電磁脈沖能量強度大，覆蓋范圍廣，爆心視界范圍內皆能受到攻擊，因此相比地面核爆與低空核爆更受關注。高空核爆炸發生后，地面可以測到3種波形，分別為早期E1波形，中期E2波形，晚期E3波形[8]，E2和E3部分主要威脅較長電力線和中低頻設備，E1部分蘊含能量占據整體能量的99%，對電子系統及設備干擾破壞最為明顯[1]，因此高空核電磁脈沖研究主要針對E1部分進行分析。國內外通常使用雙指數形式來模擬高空核電磁脈沖波形。其表達式為

E(t)=E0k(e-βt-eαt)

其中E0=50 kV/m，為場強最大值，k=1.30(IEC標準)，為修正系數，α=4.0×107/s，為脈沖前沿參數，β=6.0×108/s，為脈沖后沿參數。其時域波形如圖1所示。

圖1 高空核電磁脈沖時域波形

2 通風彎管道電磁環境研究

2.1 標準通風彎管道模型

通過控制單一變量的方法研究通風彎管道內電磁環境的影響因素。首先建立一個標準彎曲管道模型，在模型內部設置合理的測量點，高空核電磁脈沖從管道左側垂直入射進入管道內部，通過有限積分法對管道內部電磁場分布進行仿真計算，得到管道內部電磁場分布情況，研究其他變量的影響時，在標準彎曲管道模型基礎上保持單一變量，改變管道的彎曲位置和彎曲次數，設置相應的測量點，比較各個測量點的電場強度變化情況，分析彎曲管道內部影響電磁環境的主要因素。

設置標準模型為兩次直角彎曲，管道半徑為75 cm，管道厚度為1 cm，管道為金屬鐵材質，管道總長度約為7 700 cm，分為長管道3 000 cm，第1個拐彎471 cm(所有拐彎半徑為300 cm)，中間連接部分管道750 cm，第2個拐彎471cm，長管道3 000 cm。在標準模型入射端口，坐標為(-3 300，750，0)，彎曲管道前端，坐標為(-300，750，0)，彎曲管道中部連接處，坐標為(0，100，0)，第2個彎道后部，坐標為(400，-600，0)4個地方設置測量點，標準模型及測量點位置如圖2所示。

圖2 標準彎曲管道模型示意圖

仿真計算得到通風彎管道內部各測量點耦合場強，從圖3可以看出：隨著距離管道端口長度的增加，耦合響應得到的場強數值在減少，入射端口處初始場強為42 350 kV/m。259 ns有一個極高峰，峰值為72 449 kV/m，通過電磁波理論分析得出，這個極高峰是第一道入射波傳入管道后，在彎道內壁面反射的回波和入射波疊加造成的。此時場強極高，大大高于入射波場強。

圖3 測量點仿真計算結果曲線

管道橫截面上場強分布不均勻，仿真計算出口處橫截面上的耦合場強，通過計算結果分析橫截面上場強分布的規律，并找出最大場強值。在半徑為75 cm的橫截面上，豎直向下的直徑標號為1，每30°順時針旋轉步進一次，每30°步進時所處直徑間隔15 cm設置測量點，測量點分布位置如圖4所示，仿真計算結果如表1所示。

圖4 橫截面處測量點分布位置示意圖

由表1可以看出：管道出口處橫截面耦合場強最大值在1號直徑最下面的測量點出現，即橫截面中軸線最下面的點，場強值為165 613 V/m，是入射場強最大值50 000 V/m的3倍多。分析1號直徑測量點，最大值為最下面的測量點，次大值為最上面的測量點，且由最大值降序排列時，測量點下面，上面對稱位置交替排列，越靠近中點耦合場強數值越小，在中點達到最小值，且最小值為81 871 V/m，仍舊遠大于入射最大場強50 000 V/m，但和橫截面最大值相比小了一半以上。

表1 測量點最高耦合場強

按照同樣的方法在距出口18 m處研究橫截面場強耦合規律，可以得到，在管道內部，橫截面上場強大小比較接近，最大耦合場強為4 975 V/m，中心處耦合場強為4 047 V/m，和橫截面最大值相比減少了18.7%。

管道出口處橫截面上的耦合場強規律和管道內部耦合規律具有較大差別，總的來說，中心處耦合場強最弱，管道截面下部比上部對稱位置處耦合場強要大，且最大場強耦合處接近管道底端。

2.2 通風管道彎曲位置影響

在標準通風彎管道模型基礎上，改變通風管道彎曲位置，在距離管道入射端口10 m、30 m、50 m處彎曲管道，同時在距離管道入射端口5 m、25 m、45 m處對場強進行仿真計算，使得每個計算點距離彎曲位置5 m，同時針對每種工況對管道入口處，管道出口處進行計算仿真，針對仿真數據進行分析得到通風彎管道彎曲位置對電磁脈沖耦合響應的影響。圖5～圖7為彎曲位置示意圖。

圖5 彎曲位置示意圖(距端口10 m處)

圖6 彎曲位置示意圖(距端口30 m處)

圖7 彎曲位置示意圖(距端口50 m處)

針對以上3種工況進行仿真計算，比較分析3種工況下，管道入口處，彎曲位置前5 m處，管道出口處的耦合場強。耦合場強如圖8～圖10所示。

圖8 入射口、彎曲前5 m處及出口處耦合場強(10 m處彎曲)曲線

圖10 入射口、彎曲前5 m處及出口處耦合場強(50 m處彎曲)曲線

由以上3種不同彎曲位置的耦合場強計算結果分析，管道入射端口處初始耦合場強分別為42 349 V/m、42 351 V/m、42 351 V/m，3個數值基本一致。分析入射端口出現的極高峰，管道彎曲位置距離入射端口越近，第1個反射回波和入射波疊加的極高峰出現時間越短，峰值越高。10 m、30 m、50 m 處彎曲情況第1個反射回波峰值依次為83 972 V/m、72 449 V/m、66 986 V/m，由于波的疊加，使得極高峰峰值場強超過入射波。峰值場強隨著彎曲位置距離入射端口長度增加而減少，這也符合隨著管道長度增加能量衰減的規律。

分析彎曲管道出口處的耦合場強，此時極高峰出現是因為電磁脈沖傳播到管道出口處，管道出口處涉及到2種介質的阻抗匹配問題。此時阻抗匹配失衡，管道出口處出現的極高峰可能是反射回波和入射波疊加造成在。分析管道出口處峰值場強，分別為76 468 V/m、82 104 V/m、94 196 V/m，3個數值以此增加，管道出口處峰值場強極高，并隨著管道彎曲位置距離入射端口長度增加而增加。在管道出口處應著重考慮電磁脈沖的相關防護問題。

2.3 通風管道彎曲次數影響

在標準通風彎管道模型基礎上，改變通風管道中間彎曲長度，使上下兩節長管道之間落差為18 m，以保證高度適應多次彎曲，設置彎曲次數為2次、4次、6次，對距離管道出口前12 m、15 m、17 m，進行仿真計算，保證計算點距彎曲管道入口處距離一致，空間相對位置一致，管道總長一致，通過數值仿真分析管道彎曲次數對管道內部耦合場強的影響。圖11～圖13為不同彎曲次數示意圖。

圖11 彎曲2次管道模型示意圖

圖12 彎曲4次管道模型示意圖

圖13 彎曲6次管道模型示意圖

針對3種管道模型，分別進行仿真計算分析，結果如圖14～圖16所示。

圖14 彎曲2次耦合場強仿真曲線

圖15 彎曲4次耦合場強仿真曲線

圖16 彎曲6次耦合場強仿真曲線

3種管道彎曲次數工況下，在距出口12 m處耦合場強最大值分別為4 716 V/m、4 630 V/m、5 835 V/m，在距出口 15 m 處耦合場強最大值分別為4 374 V/m、4 308 V/m、4 430 V/m，在距出口17 m處耦合場強最大值分別為4 540 V/m、4 376 V/m、4 689 V/m，由以上數據可以分析得出，管道彎曲次數從2～4次，管道內部相同點耦合場強降低，但是從彎曲次數4～6次，耦合場強卻增加，彎曲2次情況增加最為明顯。增加管道彎曲次數可能增強管道內部最強耦合場強，也可能降低管道內部最強耦合場強。

值得注意的是，管道出口前管道內部耦合場強大體出現振蕩趨勢，這可能和管道出口與空氣相接出現阻抗匹配失衡導致的回波與入射波疊加有關，分析管道彎曲次數和距管道出口處相同長度點的第1次極值耦合場強，在距出口15 m處第一次極值耦合場強分別為4 070 V/m、3 971 V/m、3 030 V/m，在距出口17 m處第1次極值耦合場強分別為4 540 V/m、4 120 V/m、3 200 V/m。以上2個點第1次出現極值的場強大小和彎曲次數有關，場強隨著彎曲次數增加而降低，距出口17 m處彎曲4次相比彎曲2次降低了2.4%，彎曲6次相比彎曲4次降低了23.7%，距出口15 m處分別降低了9.3%、22.3%，故可以斷定，增加彎曲次數可以降低管道內部初始耦合場強，但必須考慮管道出口阻抗匹配失衡造成的回波疊加。在現實情況中，彎曲次數和回波疊加須協調分析處理。

2.4 標準彎曲管道耦合場強數據分析

針對標準彎管道，仿真計算管道內部各個點耦合場強數值，通過數據分析得出電磁脈沖在管道內部傳播的規律。

將表2數據繪制成圖，橫坐標為距管道入射口距離，縱坐標為耦合場強，由于入射處端口場強極大，故舍去入射處端口場強，將其余數據繪制成圖，直觀了解耦合場強隨時間變化規律，如圖17所示。

表2 標準彎管道第1部分橫管道耦合場強數據

圖17 第1部分橫管道耦合場強隨距入口處距離變化曲線

由圖17可以看出：耦合場強大體隨著入射距離增加而減少，在入射端口處減小的較為迅速，隨著入射距離增加，減小的速度減緩。

將表3數據繪制成圖，橫坐標為距上管道中軸線垂直距離，縱坐標為耦合場強，如圖18所示。

表3 標準彎管道第2部分豎直管道耦合場強數據

圖18 中間豎直管道耦合場強隨距上管道距離變化曲線

由圖18可以看出：豎直管道耦合場強大體隨著距上管道距離增加而減少，減少幅度較小，局部有異常波動，數值上升，這種情況可能和豎直管道出口處和橫管道相連接，電磁脈沖在管道內部反射回波和入射波疊加有關。

將表4數據繪制成圖，橫坐標為距中間豎直管道中軸線距離，縱坐標為耦合場強，如圖19所示。

表4 標準彎管道第3部分橫管道耦合場強數據

圖19 第3部分橫管道耦合場強隨距豎直管道距離變化曲線

由圖19可以看出：第3部分橫管道耦合場強在剛開始波動下降，但下降幅度極小，緊接著有較大幅度上升，然后產生振蕩，場強上下波動，在管道末端，場強較快下降又急劇上升，管道末端和空氣相連接，涉及阻抗匹配問題，較為復雜，反射回波和入射波疊加造成管道內部耦合場強振蕩及出口處場強異常急劇上升。

針對管道末端和空氣相連接的的出口處場強急劇上升的現象，可以在管道入口處增加金屬網，或者增加金屬蜂窩波導結構[9]，金屬網和波導結構會吸收反射一定量電磁波，降低管道內部電磁脈沖能量，或者使管道接地[10]，都能夠有效減少管道內部耦合場強，進而減少管道出口處場強；在阻抗匹配方面，可以在端口處使用復合材料過渡，使電磁脈沖振蕩疊加減少，進而降低管道出口處場強。

3 結論

高空核電磁脈沖在彎曲管道傳播時，管道入口處由于反射波疊加造成耦合場強急劇升高，管道內部耦合場強隨管道長度增加而減少，管道出口處由于阻抗匹配失衡導致反射波疊加，場強急劇升高。管道彎曲位置距管道入口處越近，管道出口處耦合場強越小。管道彎曲次數越多，初始耦合場強極值越小，但是最高耦合場強和管道彎曲次數沒有明顯關系。