吉曉菲，孫發(fā)魚，白瑞青，楊振興

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

電磁炮作為一種新概念武器，利用電磁力做功發(fā)射，具有射程遠、速度快、殺傷力大、不受推進劑原料影響的優(yōu)點[1]。伴隨著電磁炮自身的研究，對電磁炮彈丸的動態(tài)參數(shù)測試提出了新的需求。遙測方法因其具有全彈道測試、實時性強的優(yōu)點，而受到青睞。

與傳統(tǒng)火炮系統(tǒng)不同，軌道炮電磁發(fā)射時放電電流高，在出炮口瞬間軌道炮回路磁通突變產(chǎn)生的瞬態(tài)強磁場[2]，是軌道炮電磁干擾產(chǎn)生的根源。給彈載遙測裝置造成了很大的干擾，特別是對射頻鏈路，甚至會造成無線通訊中斷。針對此問題，本文提出了電磁炮彈丸彈載遙測裝置在強電磁環(huán)境下的電磁防護方法。

關(guān)于電磁屏蔽，William J.Biter開展了磁場屏蔽理論研究，分析了多層屏蔽介質(zhì)的效果，側(cè)重于如何在高導磁材料達到飽和的時候，更好地提高屏蔽效能[3]。隨后Zielinski開展了關(guān)于電磁炮發(fā)射過程中發(fā)射包所處電磁場環(huán)境的研究，以及電子元器件處于強磁場環(huán)境下的工作可靠性，并研究了對膛內(nèi)磁場的屏蔽防護，得出在強磁場環(huán)境下(磁場強度大于0.1 T)時，渦輪發(fā)電機性能明顯發(fā)生改變的結(jié)論；也可將線圈安裝在膛內(nèi)絕緣位置處進行主動屏蔽，但結(jié)構(gòu)復雜[4]。Mirko Marracci設(shè)計了不同材料及不同結(jié)構(gòu)的屏蔽體，并在高脈沖功率裝置提供的軌道發(fā)射器上進行實驗，分析了不同材料和屏蔽體下的屏蔽效果[5]。Becherini在電磁軌道炮低頻強磁場環(huán)境下，利用有限元仿真分析軟件，研究了感應(yīng)渦流引起的磁通重定向和高磁導率材料引起的磁通分流的機理，并在靜磁模型中分析了結(jié)合高導電材料和高磁導材料的組合屏蔽在雙指數(shù)脈沖磁場下的屏蔽效能，并定義了屏蔽效能的計算方法[6]。

由于國內(nèi)外研究大多數(shù)都利用靜態(tài)軌道炮磁場模擬實際發(fā)射的磁場，沒有考慮到電流趨膚效應(yīng)的影響，并且對于屏蔽材料的設(shè)計，沒有考慮到導磁材料會產(chǎn)生磁飽和的特性。所以，本文提出了用瞬態(tài)電磁模擬實際磁場來進行電磁炮彈丸彈載遙測裝置在強電磁環(huán)境下通過導電材料、導磁材料進行雙層的結(jié)構(gòu)設(shè)計的電磁防護方法。

1 電磁軌道炮內(nèi)的強電磁場環(huán)境

1.1 電磁軌道炮與彈載遙測裝置模型建立

電磁軌道炮由電樞和軌道組成，參考軌道炮炮膛口徑、軌道及電樞長度，及彈載遙測裝置的形狀尺寸，利用FLUX軟件進行模型建立并確定了電磁發(fā)射裝置組件和屏蔽材料，并且由于相對滲透率相同，其他材料都可以在FLUX內(nèi)設(shè)置為真空?；灸Ｐ腿鐖D1所示。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 電磁軌道炮基本模型Fig.1 Basic model of electromagnetic rail gun

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Model mesh generation

1.2 電磁軌道炮內(nèi)強磁場環(huán)境分析

電磁炮以電能作為發(fā)射能源，它使用由多個電容性儲能模塊并聯(lián)組成的分布式脈沖功率電源，單個電容器放電模型可近似為雙指數(shù)脈沖分布模型[7]，電磁軌道炮的電流源可以采用雙指數(shù)脈沖電流曲線I=I0(e-at-e-bt)來作為軌道炮電源放電脈沖電流曲線，對考察面的磁場進行傅里葉變化，低頻強磁場主頻小于10 kHz，一般認為低于100 kHz的都屬于低頻磁場，圖3為雙指數(shù)脈沖電流時域特性圖，對其進行傅里葉變換，可得到雙指數(shù)脈沖電流幅頻特性曲線圖。由圖4可得電流幅頻特性主要頻率在5 kHz以下，可知電磁軌道炮膛內(nèi)磁場是能夠瞬態(tài)變化的低頻強磁場。

圖3 雙指數(shù)脈沖電流時域特性Fig.3 Time domain characteristics of double exponential pulse current

圖4 雙指數(shù)脈沖電流幅頻特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristics of double-exponential pulse current

利用電磁軌道炮模型，以電樞與彈丸尾部的連接點作為電樞的起點，以彈丸的頭部作為電樞的終點，長度為1 000 mm，設(shè)置時間為0.002 s。獲得目標曲線如圖5，圖6所示。電流輸入曲線如圖7所示。

圖5 電樞長度為50 mm下的磁感應(yīng)強度曲線Fig.5 Magnetic induction intensity curve under armature length 50 mm

圖6 目標曲線對比Fig.6 Comparison with target curve

圖7 電流輸入曲線Fig.7 Current input curve

經(jīng)過圖5曲線分析，越靠近彈頭，遠離電樞，磁感應(yīng)強度越小。經(jīng)過估算，若將遙測裝置放于200～300 mm位置時，平均磁感應(yīng)強度為1.767 6 T；置于300～400 mm處，平均磁感應(yīng)強度為0.988 T；置于400～500 mm處，平均磁感應(yīng)強度為0.619 T。所以，初步將彈載遙測裝置放置于距離電樞400 mm處，彈丸中間位置，以方便進行后續(xù)計算。

考察面M位于彈載遙測裝置外側(cè)，軸向間距與徑向間距均為1 mm的位置。考察點有5個，每個間隔20 mm。由于論文只是需要反應(yīng)出考察面上的磁場應(yīng)強度變化趨勢，雖說可以任意位置設(shè)置考察點，但是磁場分布在垂直于導軌和電樞所在平面，軸線上的點屬于典型點，可以代表整個磁場分布，并且位置清晰明了，所以選取path(考察面中心軸)上五個點作為考察點。選取考察面上A，B，C，D，E五個點作為未屏蔽時的原始磁通密度考察點，根據(jù)FLUX軟件電磁仿真得到五個關(guān)鍵點A，B，C，D，E對應(yīng)峰值時刻的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 未屏蔽時五個考察點的峰值磁通密度模值Tab.1 Peak value of magnetic flux density at five observation points when not screened

彈載遙測裝置面上考察點處于A，B，C，D和E五個位置時，考察點的峰值磁通密度模值分布圖變化曲線如圖8。

經(jīng)過計算，考察面峰值平均磁通密度為0.619 556 T，峰值時間為0.001 4 s。圖9為考察面的磁感應(yīng)強度分布云圖，分布云圖可證明越靠近電樞，屏蔽罩上的磁感應(yīng)強度越大。圖10為在峰值時間t=0.002 s時，考察面上的磁感應(yīng)強度分布，可以看出越靠近彈內(nèi)的中間位置，磁場強度越小。

圖8 考察點的峰值磁通密度模值Fig.8 Peak value of magnetic flux density at investigation point

圖9 考察面的磁感應(yīng)強度分布云圖Fig.9 Cloud distribution of magnetic flux density distribution

圖10 在t=0.002 s時，考察面上的磁感應(yīng)強度分布Fig.10 Distribution of magnetic flux density on t=0.002 s surface

2 電磁軌道炮脈沖強磁場防護方法

電磁屏蔽分為主動屏蔽與被動屏蔽，主動屏蔽是指防止干擾源產(chǎn)生的有害電磁向外擴散；被動屏蔽是指防止外部強電磁對敏感元件造成傷害。對于電磁炮彈丸遙測裝置，利用加入線圈來進行主動屏蔽有諸多限制，我們這里只考慮被動屏蔽。被動屏蔽分為導電材料屏蔽，導磁材料屏蔽，組合材料屏蔽，這是利用材料自身特性與屏蔽體形狀及其對脈沖強磁場的響應(yīng)行為來對脈沖強磁場進行電磁防護[8]。

2.1 電磁屏蔽方法

2.1.1 導電材料屏蔽方法

靜電屏蔽是利用完全封閉，良好接地的金屬導體，利用良性導體(導電率較高)的屏蔽外殼使屏蔽外殼表面的電荷重新分布，直到內(nèi)部場強為0[9]。靜電場屏蔽的本質(zhì)在于“渦流消除”，軌道炮磁場B的變化會在膛內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電場E，從而感應(yīng)電場E在導電材料里面形成感應(yīng)渦流J，渦電流會產(chǎn)生反向電磁場，從而抵消原先的電磁場，使得內(nèi)部場強為0，對敏感電子元器件進行保護[10]。

2.1.2 導磁材料屏蔽方法

導磁材料屏蔽本質(zhì)在于“磁通分流”，“磁通分流”是通過材料的高導磁率和感應(yīng)渦流引起的流量的重定向。根據(jù)磁路并聯(lián)理論[11]，高磁導率屏蔽體內(nèi)部磁感應(yīng)強度遠大于外部磁感應(yīng)強度，同時外部的磁力線幾乎與鐵磁材料表面垂直，此時低頻電磁場能量會聚集在導磁材料屏蔽體內(nèi)，通過磁通分流的方法實現(xiàn)對元器件的保護。

2.1.3 組合屏蔽方法

單獨使用導電或者導磁材料可能有以下兩種缺陷：1)軌道炮膛內(nèi)過高的磁通密度會使導磁材料飽和，而使得實際的屏蔽效果變差(例如對于鐵磁屏蔽體有一個性質(zhì)，當外加磁場為一定強度時，鐵磁材料有一個最大磁導率，這個磁導率是最高的。但是當外界磁場超過某一個強度時，鐵磁屏蔽體的磁導率會變低，導致磁飽和，并且其磁導率越高，則越容易飽和[7])；2)導電材料對于低頻段的強磁場屏蔽效果較弱[7-8]。

經(jīng)過上述分析，彈載遙測裝置采用銅與鐵磁材料相結(jié)合的雙層組合屏蔽防護方法，既可以防止高磁通密度造成的磁飽和，又可以使得導磁材料的磁通分流機理得到有效應(yīng)用。

2.2 雙層組合電磁屏蔽體設(shè)計

由于電磁炮彈丸屬于小口徑炮彈，彈載遙測裝置是個類似圓柱體的設(shè)備。綜合考慮電磁軌道炮的口徑和彈載遙測裝置尺寸，將屏蔽體設(shè)計成前后閉合的圓筒型結(jié)構(gòu)，彈載遙測裝置尺寸為Φ 56×100 mm，圓筒尺寸Φ 80×118 mm，與遙測裝置每條邊間隔1 mm，考察面M位于屏蔽體正中間，軸向間距與徑向間距均為1 mm，考察點有5個，每個間隔20 mm，具體幾何結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 屏蔽體具體結(jié)構(gòu)尺寸Fig.11 Specific size of shield

3 仿真驗證

3.1 雙層屏蔽體內(nèi)部不同厚度處屏蔽效能對比

使用Cu-1J22，進行雙層仿真，當屏蔽罩外側(cè)材料是銅，內(nèi)側(cè)材料是1J22時，利用FLUX仿真軟件進行Cu-1J22的雙層屏蔽仿真，得到不同材料厚度下的不同屏蔽效能，具體如表2所示。

表2 在Cu-1J22材料屏蔽下，材料不同厚度時的五個考察點屏蔽效能Tab.2 Shielding effectiveness of five inspection points at different thickness of materials under shielding of Cu-1J22 materials

當外側(cè)銅厚度為3 mm，內(nèi)側(cè)1J22厚度為5 mm時，考察面上平均屏蔽效能最大,圖12顯示為考察面上的磁通密度分布，經(jīng)過屏蔽層屏蔽后，考察面中間位置有著明顯的凹陷，表明銅與鐵磁材料雙重作用后屏蔽的效果。圖13為路徑上的磁感應(yīng)強度分布。

圖12 考察面上的磁通密度分布圖Fig.12 Distribution of magnetic flux density on the surface

圖13 Cu-1J22屏蔽下路徑上的磁感應(yīng)強度分布曲線Fig.13 Distribution of magnetic induction intensity on path under Cu-1J22 shielding

表3 在Cu-1J22材料屏蔽下的五個考察點屏蔽效能Tab.3 Shielding effectiveness of five inspection points under shielding of Cu-1J22 materials

經(jīng)表3所得，五個考察點的平均峰值磁感應(yīng)強度為0.173 052 T，平均峰值時間為0.011 2 s，平均屏蔽效能為11.059 634 73 dB。當銅屏蔽層厚度為3 mm，鐵磁材料屏蔽層厚度為5 mm時，雙層屏蔽效果優(yōu)于單層銅與單層鐵磁材料屏蔽，考察點E點屏蔽效果好，D點屏蔽效能較低。若遙測裝置有傳感器等敏感元器件，可將其放在A處或者E處，更好地進行磁場屏蔽。

當1J22材料作為外側(cè)材料，Cu作為內(nèi)側(cè)材料時，考察點的峰值磁通密度模值如表4所示。

當內(nèi)側(cè)材料銅厚度為1 mm，外側(cè)材料1J22厚度為7 mm時，考察面上平均屏蔽效能最大,但是峰值屏蔽效能才達到9.265 443 438 T，遠小于Cu-1J22組合的情況，可見，導磁材料處于外側(cè)，導電材料置于內(nèi)側(cè)的屏蔽情況并不理想。

表4 在1J22-Cu材料屏蔽下材料不同厚度時的考察點屏蔽效能Tab.4 Shielding effectiveness of shielding materials at different thickness of 1J22-Cu materials

3.2 雙層屏蔽體內(nèi)部不同位置處的屏蔽效能對比

上文仿真的屏蔽體放置于離電樞400 mm的位置，由于彈丸尺寸及遙測裝置的限制，現(xiàn)將屏蔽體放置于離電樞450 mm的位置，在450 mm處未屏蔽時5個考察點磁感應(yīng)強度分別為0.587 01 T，0.540 88 T，0.499 89 T，0.463 56 T，0.431 29 T，利用外層銅屏蔽內(nèi)層鐵磁材料進行仿真，得出結(jié)論如表5所示。

表5 在Cu-1J22材料屏蔽下材料不同厚度時的考察點屏蔽效能Tab.5 Shielding effectiveness of shielding materials under different thickness of Cu-1J22 materials

通過上表分析，在屏蔽罩放置在離電樞450 mm時，銅屏蔽層厚度在3 mm，鐵磁材料厚度在5 mm時，平均屏蔽效能最好，數(shù)值達到12.420 7 dB。將敏感元件置于考察點A點，可以最大力度的保護敏感元器件。

若將屏蔽體模型放置于離電樞800 mm的位置，利用外側(cè)Cu厚度3 mm，內(nèi)側(cè)1J22厚度5 mm，進行考察點的磁感應(yīng)強度仿真。仿真結(jié)果如表6所示。可知改變屏蔽層厚度，以及屏蔽罩位置可使屏蔽效果更好，離電樞越遠，屏蔽效果越好。但是由于彈丸尺寸限制，屏蔽罩厚度及位置改變有限，所以在有限范圍內(nèi)，使屏蔽罩盡量增厚，位置盡量遠離電樞，會得到更好的防護。通過上述分析，當未屏蔽時磁感應(yīng)強度低于0.2 T時，利用雙層屏蔽罩，屏蔽效能可達28.026 dB，相比較之前有很大提升。

表6 在Cu-1J22材料固定厚度屏蔽下的考察點屏蔽效能Tab.6 Shielding effectiveness of Cu-1J22 material with fixed thickness shielding

4 結(jié)論

本文提出了一種電磁炮彈丸遙測裝置在強電磁環(huán)境干擾下的電磁防護方法。該方法采用雙層圓柱體作為屏蔽體，將導電材料銅放置于屏蔽體外側(cè)，導磁材料1J22放置于屏蔽體內(nèi)側(cè)，彈載遙測裝置放置在距離電樞800 mm的位置，當銅屏蔽體厚度為3 mm，1J22屏蔽體厚度為5 mm。仿真結(jié)果表明，采用該方法，屏蔽效能達到28.026 dB，能夠保證彈載遙測裝置在低頻強磁場環(huán)境中正常工作。