电磁环境是存在于给定场所的所有电磁现象的总和(GB/T 4365定义),由空间、时间、频谱三个要素组成。与气候环境(通常由温度、湿度和大气压等要素组成)、生态环境(通常由水、大气和食物等要素组成)等类似,是我们生活世界中不可或缺的客观组成部分。
随着现代科学技术的发展,各种电子电气设备已广泛应用于人们的日常生活、国民经济的各部门及国防建设中。电子电气设备不仅数量和种类不断增加,而且向小型化、数字化、高速化及网络化的方向快速发展。各种设备,如无线电和广播电视台、通信发射机、移动通信终端、雷达设备和导航设备,以及在工业、科学、医疗中大量使用的有意电磁发射设备等,在它们正常工作期间,都在辐射电磁能量。它们都是有意地将电磁能量辐射到环境中。另外,还有许多设备,如日常工作和生活中常用的汽车点火系统和工业中的控制装置等也发射电磁能量,虽然这并不是它们正常工作的基本任务,但是这些有意源和非有意源所产生的电磁能量就构成了我们生存空间的电磁环境。当这些电磁能量足够强时,就会干扰很多电子电气设备和系统的正常工作。电磁环境中的电磁干扰频谱很宽,可以覆盖0Hz~400GHz频率范围,电磁环境受到的污染已和水与空气受到的污染一样,正在引起人们极大的关注。
在电磁环境中,电磁干扰造成的危害是各种各样的,可能从最简单的令人烦恼的现象直至严重的灾难。有人将电磁干扰的危害程度分为灾难性的、非常危险的、中等危险的、严重的和使人烦恼的五个等级。下面列举一些电磁干扰可能造成的危害。
(1)干扰电视机的收看、收音机的收听。
(2)数字系统与数据传输过程中数据的丢失。
(3)设备、分系统或系统的正常工作被破坏。
(4)医疗电子设备(如医疗监护仪、心电起搏器等)的工作失常。
(5)自动化微处理器控制系统(如汽车的刹车系统、安全气囊系统)的工作失控。
(6)民航导航系统的工作失常。
(7)起爆装置的意外引爆。
(8)工业过程控制功能的失效。
此外,长期受到电磁辐射还将影响人体健康。当高频辐射大于一定限值时,会使人产生失眠、嗜睡等植物神经功能紊乱,以及脱发、白细胞下降、视力模糊、晶状体混浊、心电图改变等症状。
下面我们介绍几个电磁兼容故障及电磁危害的实际案例。
1. “ 宇宙神 ” 导弹爆炸事件
1958年,美国在对“宇宙神”导弹试射时,导弹在起飞后数秒即发生爆炸,并造成发射台严重损坏。这是因为接地汇流条与连接面之间的连接件不够紧固而产生锈蚀,此锈蚀表面形成了非线性整流结(锈螺栓效应),从而使指令接收机收到虚假指令信号而引起爆炸。
2. “ 丘比特 ” 核导弹雷击事件
20世纪中期,美国在意大利部署了重量级的核导弹,第一代中程战略导弹SM-78“丘比特”导弹。弹头重1.5t,能够携带最大140万吨TNT当量的核弹。一枚携带核弹头的“丘比特”核导弹就能将方圆80km内的目标全部摧毁,爆炸点5km内便成了核爆的“死地”,几十年内寸草不生。尽管核导弹的威力巨大,但是那时的美国人对导弹的保存并不上心。美国在意大利部署的“丘比特”核导弹部队,其存放导弹的仓库甚至连避雷针都没有安装,据美国《战略之页》网站刊登的文章披露,在1961年半年的时间内该基地遭受了4次雷击,每次雷击都直接触发了核弹的电池,幸好没有引起爆炸。没有发生导弹爆炸事故是幸运的,但是不幸的是雷电还是导致了核导弹外壳破损,发生了轻微的核泄漏。直到第4次雷击事故发生后,美国人才装上了避雷针并进行了除去核污染的洗消作业。
3. “ 民兵I号 ” 导弹飞行故障
1962年,美国“民兵I号”导弹的遥测试验弹多次发射成功后,开始进行战斗弹状态的飞行试验,前两发导弹均遭遇失败。这两发导弹的故障现象相似,都是在I级发动机关机前炸毁的。炸毁时的高度一个为7.6km,另一个为21.8km。在炸毁前,两发导弹的制导计算机均受到脉冲干扰而失灵。经过分析,故障是由导弹飞行到一定高度时,在相互绝缘的弹头结构与弹体结构之间出现了静电放电,它产生的干扰脉冲破坏了计算机的正常工作而造成的。
4. “ 侦察兵 ” 运载火箭飞行故障
1964年,美国的“侦察兵”运载火箭发射后飞行正常,但在II级发动机点火后不久即炸毁。初步分析认为,由于指令自毁电路的级间连线与II级点火电路共用同一分离插头,点火电路及指令自毁电路由同一电池供电,而且共用负母线。当气压降低到一定值时,在级间分离插头的点火电路接点与自毁电路接点之间出现电弧放电,而且在热分离时,在插头护盖盖好之前,发动机火焰等离子体使电弧大为加速。这样形成的低电阻电离通道使II级自毁系统引爆。
5. “ 德尔它 ” 运载火箭事故
1964年,在美国肯尼迪角发射场,“德尔它”运载火箭的Ⅲ级X-248发动机发生意外的点火事故。在塔尔萨城对“德尔它”运载火箭进行测试时,也发生过一起Ⅲ级X-248发动机意外点火事故。分析结果表明,在美国肯尼迪角发射场的事故是由于操作罩在Ⅲ级轨道观测卫星上的聚乙烯罩衣的裙边时,造成静电荷的重新分布,结果漏电流经过发动机的一个零件到达点火电爆管的壳体而引起误爆;在塔尔萨城发生的事故是由一个技术员戴着皮手套偶然摩擦发动机喷管的塑料隔板,使发动机点火电爆管引线上的感应静电荷引起误爆。
6. “ 大力神ⅢC ” 运载火箭故障
1967年,美国“大力神ⅢC”运载火箭的C-10火箭在起飞95s后,飞行高度为26km时,制导计算机发生故障。C-14火箭起飞76s后,飞行高度为17km时,制导计算机也发生了故障。经过分析,故障原因是制导计算机中采用了液体循环冷却方案,冷却液体在外部带有钢丝编织网套的聚四氟乙烯软管内流动。此软管是用经阳极化处理的铝支架分段固定的,钢丝编织网套的不少处因支架阳极化氧化层破裂而接地,但有几处未接地,当冷却液体流动时,钢丝编织网套没有接地的部分与火箭地之间产生电压,当火箭飞行高度增加,气压下降到一定值时,此电压产生的火花放电使计算机发生了故障。
7. “ 土星V-阿波罗12 ” 运载火箭-载人飞船事件
1969年11月14日上午,“土星V-阿波罗12”运载火箭-载人飞船发射后飞行正常,起飞36.5s后,飞行高度为1920m时,火箭遭到雷击。起飞52s后,飞行高度为4300m时,火箭又遭到第二次雷击。这便是轰动一时的大型运载火箭-载人飞船在飞行中诱发雷击的事件。故障分析及试验研究的结果表明,此次事故是由火箭及其火箭发动机火焰所形成的导体(火箭与飞船共长100m,火焰折合导电长度约200m)在飞行中使云层至地面之间、云层至云层之间人为地诱发了雷电造成的。
8. “ 欧罗巴Ⅱ ” 运载火箭故障
“欧罗巴Ⅱ”运载火箭的第一发(代号F-11)于1971年11月5日发射。火箭起飞后105s,高度约27km时,制导计算机发生故障,姿态失控,约1min后,火箭炸毁。故障分析与模拟试验的结果表明,火箭在主动段飞行中产生了静电荷,这些电荷逐渐积累并储存于介质材料的表面。由于气动加热,介质材料温度升高,其电阻阻值相应减小。对于静电而言,介质材料便从绝缘体变为导体。这样,部分电荷便转移到相邻的未接地的金属体上。当飞行高度增加,气压下降到一定值时,即发生静电放电而引起计算机故障,从而导致飞行失败。
9.英国 “ 谢菲尔德号 ” 导弹驱逐舰被击沉事件
1982年5月,英国和阿根廷之间的马岛战争到了白热化的阶段,双方在海上的争夺战打得不可开交。阿根廷人利用超级军旗战斗机的一枚飞鱼导弹,击沉了英国人的“谢菲尔德号”导弹驱逐舰。号称为英国人的骄傲的“谢菲尔德号”导弹驱逐舰,本身是具备很强的雷达搜索与防御能力的,为何对飞鱼导弹的袭击毫无招架之力呢?这里面当然与超级军旗战斗机和飞鱼导弹超强的超低空掠海飞行性能有关,更与英国人主观上的判断失误、“谢菲尔德号”的设计缺陷有关。事故发生的原因是英国“谢菲尔德号”导弹驱逐舰由于雷达与通信网络相互干扰,不能同时工作,当“谢菲尔德号”导弹驱逐舰与英国本土通信时,恰遇阿根廷飞鱼导弹来袭,导致了舰毁人亡的惨剧。
10.美国 “ 民兵I ” 导弹系统故障
美国“民兵I”导弹系统按美军标MIL-E-6051C进行测试时,出现了一些由于大的瞬态过程引起的系统问题。比较典型的问题是接至喷管控制装置的大的启动电流(约为1kA)产生了虚假状态显示。
11.美国 “ 土星I号 ” 故障
美国在对“土星I号”SA-5火箭进行发射前测试时,并未向火箭发出自毁指令,但自毁指令接收机却收到了自毁信号。这是由于对另外一个火箭发出的自毁信号与两个遥测通道的载频相混频,形成了与自毁指令接收机所需频率相同的信号。混频作用是由围绕火箭的金属框架与服务结构之间出现的“锈螺栓效应”造成的。
12.美国 “ 土星I号 ” S-I-3级的干扰
美国对“土星I号”S-I-3级进行自动发射程序测试时,在电缆网中出现了大的瞬态过程。此干扰电平使检测工作难以正常进行。经研究发现,此干扰是箭上发射机的射频能量经过解调及网络作用引起的。
13.雷击引起的浪涌电压
雷击引起的浪涌电压属于高能电磁能量,具有很大的破坏力。1976—1989年,我国南京、茂名、秦皇岛等地的油库和武汉石化厂均因遭受雷击而引爆原油罐,造成惨剧。1992年6月22日傍晚,雷电击中北京国家气象局,造成一定的破坏和损失。雷击有直接雷击和感应雷击两种,避雷针只能局部地防护直接雷击,对感应雷击则无能为力。对感应雷击需要采用电磁兼容防护措施。
14.医疗设备的失灵
1992年,医务工作者在将一名心脏病人送往医院的途中,救护车上的监视器始终对病人进行观察。不幸的是,当一名医务工作者打开无线通话机请求帮助时,该机器就会关闭,结果这位病人去世了。分析表明,因为救护车的车顶已由金属材料改为玻璃钢,使得监视器单元暴露在车顶无线通话机收发天线特别高的电磁场内,受到了极强的干扰。这证明,汽车屏蔽效能的降低与强辐射信号的结合对此设备干扰极大。
15.飞机导航系统的故障
美国航空无线电委员会(Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA)曾在一份文件中提到,由于没有采取对电磁干扰的防护措施,一名旅客在飞机上使用调频收音机时,导航系统的指示偏离10°以上,因此,1993年美国西北航空公司曾发表公告,限制乘客在飞机上使用移动电话、便携计算机、调频收音机等,以免干扰导航系统。随着民航飞机载机电子装备的抗电磁干扰能力的增强,以及携带登机移动电话、便携计算机等产品工作时对外发射的电磁干扰得到有效控制,现阶段各国民航对乘客在飞行中使用的便携式电子产品管制有所放宽,但在飞机飞行过程中,特别是起飞和降落期间依然禁止拨打移动电话,且要求整个飞行期间移动电话保持飞行模式或关机状态。
16.可变速感应电动泵抽油站的电磁干扰
为了处理不断增长的北海石油矿藏,苏格兰建立了两个6MW可变速感应电动泵抽油站,其中一个在Negherly,一个在Balbeggie。2001年10月16日这两个电动泵抽油站一投入运行,本地电站和电话局收到的投诉就如洪水般涌来。从区域来看,投诉集中在距离这两个电动泵抽油站的高空供电线(33kV)12英里(1英里=1.6093千米)以内的范围。距离供电线4英里的付费电话非常嘈杂,几乎不能使用。然而仅隔一条街道住户的电话却不受影响。其他征兆还有:电视帧同步丢失(屏幕滚动)、辉光放电电路振铃。尽管这两个电动泵抽油站的设计符合电力工业的G5/3谐波标准,但上述现象证实了这两个电动泵抽油站包含的更高次谐波,事实上可达100次(5kHz)。这个问题成为有些行业工作人员的一个共同头痛的问题。最终,该问题引起政府部门的注意,并决定做些EMC补救工作。尽管这样做极度困难,且电动泵抽油站停机的代价非常大,但最终还是完成了。
随着电子电气设备、计算机、雷达,以及通信、控制和射频电子技术的迅速发展,武器装备的使用电磁环境愈来愈复杂。武器平台、系统、分系统和装备所处的电磁环境包含了数目众多的自然干扰源和人工干扰源。
自然干扰源包括银河系噪声、大气噪声、太阳噪声、沉积静电放电、雷电效应和媒质静电击穿效应。
人工干扰源包含了友方和敌方辐射源,其中包括有意和无意辐射源,以及如摩托噪声及互调产物的乱真发射。
有意辐射源包括但不限于分系统/设备的类型有通信、导航、气象、雷达、武器和电子战。
无意辐射源包括那些为了完成自己使命而使用、变换或产生非预期电磁能量的分系统和设备。所以,任何电子、电气、机电或光电设备都可能是无意辐射源。无意辐射源包含计算机及其外围设备、电视、照相机、微波炉、无线电设备、雷达接收机、供电电源(特别是开关电源)、频率转换器、发电机、摩托车和电子手动工具。
根据干扰对武器装备的影响特性,电磁环境中的这些干扰可分为雷电、静电、太阳及宇宙噪声、电磁干扰(Electro-Magnetic Interference,EMI)、核电磁脉冲(Nuclear Electromagnetic Pulse,NEMP)、电子对抗(Electronic Countermeasures,ECM)、电磁易损性(Electromagnetic Vulnerability,EMV)、电磁辐射危害等。
对于飞机、舰艇、导弹、通信系统、卫星、核武器等武器装备,不管是系统、分系统、设备、元器件,还是材料、工艺的设计、安装布局、工程管理和使用中的电磁兼容问题,都已经成为影响其功能的突出障碍。
实际情况表明,环境电磁干扰现象已造成导弹早爆、哑弹和偏离目标,通信电台通信距离缩短和噪声增大,导航误差,雷达虚警,应答机自激泄露密码,计算机误码,高度表及燃油量表误指示,炸弹投放失控,火工品误引爆,燃油引燃等。在使用时,系统或装备内部由电源切换、技术状态变换、继电器或步进电磁元件动作时所引起的瞬态干扰,也会对其制导计算机、稳定控制电子电路等敏感电路产生干扰而使之不能正常工作,甚至带来灾难性后果。因此,在国际上,对舰载、机载、星载及地面武器装备、弹药及其系统和平台对抗环境电磁干扰都有严格要求。
1.电磁环境对装备及其系统效能的影响
电磁干扰影响装备的效能,主要包括如下。
(1)系统效能降低或失效,造成不能完成预定的任务。
(2)引起部件失效,降低装备可靠性。
(3)影响装备或元器件的工作寿命。
(4)影响装备的费效比。
(5)影响武器装备和人员的生存性和安全性。
(6)延误生产和使用。
具体影响分析如下。
1)对精度的影响
由于对电磁环境预计不当或EMC设计不当,系统内设备产生附加的电磁干扰和外部电磁干扰产生的电磁发射,因此系统内的关键设备、电路对电磁发射敏感,系统精度降低。例如,导航精度下降、雷达显示偏离、通信信噪比下降、灵敏度降低、制导控制失灵等。
2)对安全性的影响
现代武器装备经常暴露在高强度电磁能量的使用环境中,通信、导航、飞控及电子战应用大规模集成电路及其低工作电平的数字电子设备,具有极大的潜在危险。电磁干扰电平超过预定的敏感阈值或规定的安全系数,或者空间隔离、时间分隔、频率分隔措施不当,会造成对武器系统敏感电路的破坏,引起错误的显示或响应,电引爆装置误爆或哑弹,燃料引燃,以及对工作人员的过量辐射伤害或使其产生错误的反应。这一切均导致出现安全性问题。
3)对设计准则的影响
系统设计准则需要考虑最坏的电磁环境下的性能和结构设计。系统的设备选用、布局和安装,系统或设备工作状态选择,材料和工艺的设计等,都要考虑电磁兼容设计因素,因此会改变某些设计准则。复杂系统必须考虑各种电气和机械接口、界面,以及各类信息传输、结构、布局、技术状态控制、系统配置等。在考虑电磁兼容要求时,要权衡与其他分系统的功能特性是否相容,权衡整个系统的协调性。
在电路或功能设计中,往往追求高灵敏度、高速率、大功率的充分利用,而在考虑电磁兼容时,应考虑在保证必要功能实现的情况下的网络钝化、功能钝化、遁化(回避)处理、降额设计等,在确保性能的前提下降低电磁危害。
4)对可靠性的影响
电磁干扰可能使电子元器件永久性失效,敏感设备功能下降或产生故障。电磁干扰使设备失效率增加,系统完成规定功能的概率降低,缩短平均无故障间隔时间(Mean Time Between Failure,MTBF),增加维修时间和费用。在可靠性预计分析时要考虑电磁干扰引起的故障。
5)对质量保证的影响
要确认工程项目采用的所有EMC设计文件资料是适用的,要验证工程项目满足规范的要求或合同文件,EMC设计文件的剪裁和更改需要符合规定的程序,要实施零部件合格产品控制大纲,要进行卖方控制、资料控制,实施预防措施,落实纠正措施,各阶段要进行EMC评审并通过阶段性EMC测试。
6)电磁兼容与电磁环境效应
系统和设备的功能必须考虑最坏的电磁环境,尤其是要考虑实战中可能面临的高功率射频电磁场及战场敌我交互的复杂电磁环境,要权衡改善装备对外发射的电磁能量及降低系统中敏感设备的敏感度。要考虑降低装备对人员和环境的电磁效应。
7)电磁兼容费效比的权衡
要权衡不同研制阶段的EMC设计和EMI抑制措施与费用关系。在产品设计的早期解决电磁干扰的技术措施所采取的途径多,且花费较少的成本;到产品生产后期再采取解决电磁干扰的技术措施,将受到各种情况的制约。并且,同样的技术措施,在产品生产后期采用时,将大大增加成本费用,使费效比增大,生产进程拖长,对项目的整体成本控制带来不利影响。
2.电磁干扰(EMI)及其影响
电磁干扰是指电磁能量中断、阻碍、降级或限制了电子电气设备的有效性能,包括有意产生电磁干扰,如一些类型的电子战;也有无意产生电磁干扰,如乱真发射或响应及互调产物等。
与电磁干扰有关的“敏感度”是指当电磁干扰存在时,设备完成其功能而不出现降级的能力。电磁干扰能够以空间辐射和传导发射的形式耦合。
必须控制单个设备和分系统的电磁干扰特性(发射和敏感度),以便高度可靠地确保这些设备和分系统能够在特定的安装条件下完成其设计功能,而没有与其他设备、分系统或外部的电磁环境相互作用产生的电磁影响。
由于一个系统中各设备的工作模式和频率不同,因此其电磁环境是复杂和多变的。同时,所安装的新设备或升级设备的配置也是持续变化的。更有可能的是,为一个武器平台研制的设备可能用于另一个武器平台。MIL-STD-461《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》是电磁干扰控制和试验需求的标准,形成了对分系统和设备进行电磁干扰特性评估的公共基础,我国的GJB 151标准是参考MIL-STD-461标准制定的。满足此类电磁干扰检测标准将为设备提供一个很高的可信度,表示相应设备能够适应在综合电磁环境中工作,并且将成本降至最低和将问题排查难度降到最低程度。
3.核爆炸电磁脉冲(NEMP)及其影响
核爆炸电磁脉冲是指核爆炸的非电离电磁辐射。核爆炸产生的电场和磁场能够感应进入电子电气系统或相关界面,从而产生损毁性的电流和电压;能够产生大范围覆盖在大气之上的核爆炸,其产生的电磁脉冲被称为高空核爆炸电磁脉冲(High altitude nuclear electromagnetic pulse,HEMP)。
在核冲突中,许多军事系统有可能暴露于核爆炸电磁脉冲中。在最主要的爆炸时间内,核爆炸合成电磁场的特点是高幅度、短持续时间、短上升时间的脉冲。根据爆炸的高度,划分了两种类型的核爆炸电磁脉冲:一种类型是在大气层之外,其核爆炸的位置位于大气层上层,并且能够覆盖很大的地理区域;另一种是在大气层之中,其核爆炸的位置位于低空,其电磁脉冲影响面积相对较小,但对覆盖范围内的武器装备的影响强度大幅度增强。
无论哪种情况,都将对许多电子电气设备的性能产生有害影响。美军标MIL-STD-2169描述了所预测的核爆炸电磁脉冲的波形。在GJB 151B和GJB 1389B《系统电磁环境效应要求》中也提供了核爆炸电磁脉冲波形规范及检测要求。在这些标准中没有阐述由系统、分系统或设备(如电磁炸弹或电磁枪)所产生的不同级别的电磁环境。
4.电子对抗(ECM)
电子对抗是敌对双方利用电子电气设备或器材所进行的电磁斗争,是现代化战争中的一种重要手段。电子对抗是为削弱、破坏敌方电子设备的使用效能,保护己方电子设备正常发挥效能而采取的各种措施和行动的统称。
电子对抗的内容分为电子进攻和电子防御。通常把电子对抗侦查、电子干扰及反辐射摧毁等电子对抗行动称为电子进攻,而把反侦查、反干扰、反摧毁等行动称为电子防御。
电子对抗装备是各种电磁斗争设备、器材的总称。电子对抗装备分类:按作战方式可分为电子侦察装备、电子干扰装备、电子防御装备和电子摧毁装备;按使用的装载平台可分为地面、机载、舰载、弹上和星载等电子对抗装备;按使用方式可分为固定式、移动式和投掷式电子对抗装备;按技术手段可分为雷达对抗装备、通信对抗装备和光电对抗装备等。
电子对抗技术:敌对双方进行电子斗争所使用的电子技术设备、器材,以及使用这些设备器材的方法和手段,统称为电子对抗技术。
电子对抗的重要性:取得军事优势的重要手段和保证;武器系统、军事目标生存和发展的必不可少的自卫武器。
在现代军事中,电子对抗可获取军事情报;破坏敌方作战指挥;保卫重要目标;保护自己电子设备正常工作。
5.电磁易损性(EMV)
电磁易损性是指装备的一种电磁特性,指装备未能经受战场电磁环境效应导致其性能降级而不能完成特定任务的程度。假如一个装备由于长期或短暂地暴露在战场电磁环境中,其性能降低到满意的级别之下,就说这个装备易受攻击。装备在其整个寿命周期内,可能会遇到许多不同级别的电磁环境。许多危害现象不经常出现,但是,假如装备遇到的战场电磁环境与在实验室测试观察到的敏感度特征类似,它就可能出现性能降级,而不能在所面临的战场环境中完成特定的任务。
设备的电磁易损性分析通常需要确定实验室观察到的敏感度对实际操作性能的影响。对一个设备电磁易损性的分析结果能够为硬件改进、额外分析或试验的可能需要提供指南。
6.电磁辐射的危害
假如不进行控制,电磁辐射将对操作人员、燃油和军械产生严重的危害。下面将讨论电磁辐射的危害(RADHAZ)。
1)电磁辐射对人员的危害
电磁辐射对人员的危害(HERP)是指当操作人员遭受足够强度的电磁场照射时,辐射会对其身体加热而产生潜在危害。
科学家致力于电磁辐射与生物体之间的相互作用的研究,迄今为止已有30多年了。他们将辐射电磁能量在生物体中的吸收、随之而来的生物物理和生物化学过程的直接相互作用定义为原始作用,将由原始作用引起的生物机体的结构和功能的变化定义为生物效应。在原始作用的部位产生的瞬间,生物效应可以引起进一步急性和慢性的间接变化。
经过大量科学实验发现,高功率密度一般大于-10mW/cm 2 ,此时以明显的热效应为主。长时间接触高功率密度的辐射,可以造成机体损伤甚至死亡;短时间接触高功率密度的辐射,可以引起眼睛的损伤,易发生白内障。在低于-1mW/cm 2 的低功率密度下,热效应不起主要作用。长时间接触低功率密度的辐射,动物的神经系统、造血系统、细胞免疫功能都会受到损害。另外,电磁辐射对遗传、生育等也会产生影响。
由于雷达和电子战系统的发射机通过天线输出功率很高,它们对人体的伤害是非常大的。由于修理、维护和测试设备操作人员的任务所需,更接近辐射单元,并且经受需要快速修复设备的压力,所以他们被过量辐射的危险系数更高。GJB 1389B和GJB 5313《电磁辐射暴露限值和测量方法》中定义了操作人员暴露于电磁环境中的安全防护电平。
2)电磁辐射对燃油的危害
电磁辐射对燃油的危害(FERF)是潜在的,当如燃油这样易挥发的可燃物受到足够强度的电磁场照射时,就会被点燃。要点燃燃油挥发物,除了大功率的电磁场照射,必须还有易燃的油气混合物。电磁辐射可以在金属物体上产生感应电流,电磁场的能量密度和作为接收天线导体的导电性能决定了电流的大小和在两个导体缝隙之间瞬间放电的大小。
系统的许多部分、加油车或静电接地导体等都能够起到接收天线的作用。导体相对于射频场波长的长度和电磁波的入射方向等主要因素决定了这些感应电流。预测和控制这些主要因素是可行的。危害的标准必须基于这样的假设:理想接收天线能够在不经意之间产生点火所需的放电缝隙。
将实际射频功率密度与已有的安全标准进行比较,就能够预测是否存在燃油危害及其范围。GJB 1389B提出了控制电磁辐射对燃油危害的要求。
3)电磁辐射对军械的危害
关于电磁辐射对军械的危害(FERO)的问题,最早由英国人在1932年提出。美国早在20世纪50年代也已发现电磁辐射对军械危害的问题。美国海军特别重视FERO问题。为了提高舰船的战斗力,舰船上无线电电子设备成倍增加,但甲板的空间、面积有限,不可能像在陆地上那样用拉开距离的方法来隔离。此外,海军使用的无线电、雷达等的频带很宽,功率很大,加上舰船上层建筑及金属构件的不规则反射,使通信和雷达天线的近场分布复杂,电磁环境恶劣。于是,舰船上的武器就可能在强电磁场环境中储备、运输、安装和使用,因此,在舰船特殊的条件下,电磁辐射对军械的危害则需要特别关注。
当军械包含电子引线装置时,它就可能受到电磁环境的负面影响,也就存在电磁辐射对军械的危害。军械包含武器、火箭和炸弹等武器,引线装置自身、炸药、燃烧弹、易燃物、爆炸螺栓、电引爆弹药筒、破坏性设备、喷气式助推火箭等。现代发射机能够产生高功率密度的电磁环境,足以对军械构成危害。这些电磁环境的电平能够提前以非预期的方式引爆这些军械。
由爆炸分系统引线或电容耦合到附近辐射场的能量,从而产生足够高的射频功率,其场强幅度可以点燃军械;或者来自外部电磁环境的能量耦合进入电子引信装置而导致其失效。可能的恶果包括对安全的威胁和性能降级等。必须对每个电子引信装置进行分类,无论是无意点火危害安全的,还是能够引起性能降级的问题。
GJB 1389B提出了避免电磁辐射对军械危害的要求。GJB 7504—2012《电磁辐射对军械危害试验方法》给出了检测方法,美军标MIL-STD-1576提供了在太空运载火箭中军械设备的使用和测试指南。
7.雷电效应
雷电效应(Lightning)是指在大气层中两片云之间或云与大气之间产生的电子放电现象。与雷电过程有关的电磁辐射在空中产生电场和磁场,它们能够耦合进入电子电气设备而感应出有害的电流和电压。
可将雷电效应分为两类:直接的物理效应和间接的电磁感应;两者可以出现在一个相同的部件中。
雷电引导的直接攻击,雷电的直接效应能够对系统结构和设备造成直接的物理损坏。这些雷电能够造成的后果包括断裂、弯曲、燃烧、汽化、硬件爆炸、强压冲击波和强电流产生的磁力。
电路耦合了与雷电瞬态电磁场相关的感应电流,雷电的间接效应是指系统中设备感应到的电流和电压。
GJB 1389B包含雷电脉冲特性和附加的指南。例如,对一副天线的雷电冲击能够对天线造成物理损坏,并且给与天线连接的发射机和接收机传入有害电压。由电缆或导线感应的电流和电压可以对装备产生严重的电子冲击。
8.沉积静电放电
沉积静电放电(P-Static)是由于空气、雾气、在空气中运动飞行器中的设备结构和元器件中空气粒子的运动,而产生静电电荷的积累,在其周围产生电场,因此随机媒质被击穿产生电子噪声。当运动中的系统遇到灰尘、雨、雪和冰时,就会积累静电电荷。
这种积累的静电电荷能够产生很高的电压,会对设备造成干扰,并且对操作人员造成有害的电子冲击。在飞行中这种现象可能会影响机组人员,当飞机着地后可能会影响地勤人员。由于电子电气设备配置密集、新型通信系统占用更宽的频带和复合材料的广泛应用,沉积静电放电应该受到特殊的关注。
9.静电导致媒质击穿效应
电场使媒质材料中的束缚电荷产生微小位移,从而引起极化现象。如果电场很强,那么它将把电子完全拉离分子,引起分子结构中的永久性错位,将出现自由电荷,媒质材料将变成导体,还可能产生很大的电流。这种现象被称为媒质击穿。媒质材料所能承受(尚未被击穿)的最大电场强度,被称为这种材料的介质强度。
当两个物体之间静电场的场强超过媒质的介质强度时,就会出现媒质击穿现象。这种静电导致媒质击穿效应(ESD)是一种涉及静电荷局部转移、两个物体之间近区电磁场的耦合、接收电子的物体感应电流,以及带电物体和放电的电弧辐射电磁场等一系列的复杂过程。
在某些情况下,所有这些现象都可能损坏电气电子设备而发生故障,如集成电路、分立的半导体器件、厚膜电阻、混合电路和压电晶体管等都是这样的敏感器件。空气被击穿现象能够产生间歇式的故障、短暂的干扰和永久性的故障。当设备在工作时,通常会丢失信息或出现暂时性的干扰,就可能出现了间歇式的故障。在一些数字设备中出现媒质击穿现象后,如果没有明显的硬件损伤,那么对其重新排序并重新输入数据后,会自动恢复适当的功能。
通过人体或物体、静电场或高压瞬间放电,能够使电子零件产生过高的电压,从而导致灾难性的媒质击穿故障。像雷电能够对操作人员造成伤害一样,媒质击穿也能够对燃油和军械产生危险环境条件。
在油箱中燃油的晃动和流动都可能产生静电,而由此打火将导致燃油发生危险。在系统(如冷却液体或空气)中任何液体或气体的流动,能够同样摩擦积累电荷,而产生灾难性的后果。
媒质击穿的无意点火对军械是一种潜在的威胁。人们最关心通过军械引信装置上的电荷放电,因为这是用于炸药点火的装置。
在维修中,接触设备的工作人员和各种材料能够产生静电荷,特别是在非导体表面。这种静电荷对于操作人员及燃油安全构成了威胁,并且可能损伤电子设备。
GJB 1389B和美军标MIL-HDBK-263阐述了相关需求和指南。美标ANSI/ESD-S20.20为减轻媒质击穿现象造成的危害而建立了媒质击穿控制机制。GJB 5309.14-2004则规定了火工品静电放电试验方法。
综上所述,电磁干扰有可能使装备和系统的工作性能偏离预期的指标或使工作性能出现不希望的偏差,即工作性能发生了“降级”,甚至可能使装备和系统失灵,或者导致寿命缩短,或者使装备和系统的性能发生不允许的永久性下降,严重时还可能摧毁装备和系统,而且将影响人体健康。因此,如何提高现代装备和系统在复杂的电磁环境中的生存能力,以确保装备和系统达到初始的设计目的,保证在共同的电磁环境中的各种装备相互兼容,就显得非常必要了。