張中前，朱 寧

(貴州航天電器股份有限公司,貴州貴陽(yáng)，550009)

1 引言

某空間在軌電磁炮發(fā)射微納衛(wèi)星項(xiàng)目為：將電磁線圈炮平臺(tái)發(fā)射后在軌運(yùn)行；需要時(shí)，使用電磁線圈炮對(duì)帶有制導(dǎo)功能的微納衛(wèi)星進(jìn)行發(fā)射，實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈、在軌衛(wèi)星的摧毀。發(fā)射時(shí)，處于電磁線圈炮有效載荷中的電子元器件在膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程將承受高的加速度，電磁炮內(nèi)的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)，出炮口瞬間磁通突變感應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)等。其中，電磁炮特有的脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)是電子元器件受到的最主要電磁干擾，脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的高磁通密度對(duì)智能彈藥的磁敏感探測(cè)元件及用于彈道修正控制的電機(jī)等部件具有較大危害，而其在出炮口瞬間感應(yīng)產(chǎn)生的強(qiáng)電場(chǎng)則對(duì)絕大多數(shù)電子元件都可能會(huì)產(chǎn)生致命的破壞。目前，只有美國(guó)進(jìn)行了使用電磁炮發(fā)射制導(dǎo)彈丸的試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)微納衛(wèi)星采用電磁炮發(fā)射項(xiàng)目為樣機(jī)研制階段，為跟進(jìn)美國(guó)NASA進(jìn)行研究。

電氣控制裝置為供配電產(chǎn)品，通常其所選主要元器件為電磁繼電器、固態(tài)繼電器及DC-DC模塊等，由于是空間在軌運(yùn)行，需要承受耐輻照指標(biāo)及電磁線圈炮的加速度過(guò)載，故選擇器件時(shí)，電磁繼電器承受不了線圈炮的加速過(guò)載，光電型的固態(tài)繼電器因空間輻照位移效應(yīng)，也避免選擇；故為滿足該環(huán)境要求，選擇使用變壓器耦合的固態(tài)繼電器作為供電控制繼電器，電源變換模塊選用具有抗輻照指標(biāo)的DC-DC模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換；這兩種器件均含有變壓器，對(duì)強(qiáng)磁場(chǎng)的干擾敏感。

綜上可見，產(chǎn)品最重要設(shè)計(jì)為抗低頻磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)。本文主要解決的問(wèn)題為：電氣控制裝置的低頻強(qiáng)磁場(chǎng)的屏蔽。

2 電氣控制裝置磁場(chǎng)環(huán)境分析

2.1 電磁線圈炮介紹

電磁線圈炮由固定線圈和彈丸線圈組成，是利用兩個(gè)同軸線圈間的互感梯度而引起電磁力的，如圖1所示。

圖1 電磁線圈炮原理圖

線圈相當(dāng)于炮管，通電后會(huì)形成運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)，并在彈丸線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，線圈炮就是利用磁場(chǎng)和感應(yīng)電流相互作用的電磁力加速?gòu)椡杈€圈而使得炮彈高速射出。

某空間電磁線圈炮采用圓柱形彈丸形式進(jìn)行發(fā)射，彈丸前端開口，安裝制導(dǎo)彈丸的光學(xué)探測(cè)器等，如圖2所示。

圖2 彈丸外形三維示意圖

2.2 電磁線圈炮磁場(chǎng)分析

電磁線圈炮線圈等效于螺線管，對(duì)電磁線圈炮炮管等效如圖3所示。

圖3 載流直螺線管等效示意圖

線圈長(zhǎng)度為L(zhǎng)，半徑為R，單位長(zhǎng)度上線圈匝數(shù)為n，通過(guò)的電流為I，則線圈炮內(nèi)軸線上任意一點(diǎn)P的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(1)

式中，R為圓形線圈半徑， 為真空磁導(dǎo)率，x為軸線上中心點(diǎn)到P點(diǎn)的距離。

螺線管線圈在密繞時(shí)，每匝線圈相當(dāng)于一個(gè)圓形電源，假設(shè)單位長(zhǎng)度上有n匝線圈，在螺線管上任意取長(zhǎng)度dl，則這段有線圈ndl匝，其電流強(qiáng)度為dI=nIdl，根據(jù)上式(1)，P點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度為：

(2)

式中，l為P點(diǎn)距離dl處的距離。故P點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為對(duì)公式(2)的積分。根據(jù)圖3，對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的螺線管，可知：R=rsinβ，l=rctgβ，從而有：

dl=IRcsc2βdβ

R2+I2=R2csc2β

故

(3)

即：

(4)

當(dāng)L遠(yuǎn)大于R時(shí)，cosβ2→1，cosβ1→0，此時(shí)有：

B≈μ0nI

(5)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]，當(dāng)線圈長(zhǎng)度L遠(yuǎn)大于其半徑R時(shí)，可認(rèn)為線圈內(nèi)部電場(chǎng)在dl長(zhǎng)度內(nèi)為均勻磁場(chǎng)。彈丸直徑較線圈直徑小，因此可通過(guò)使用線圈內(nèi)中線的磁場(chǎng)近似產(chǎn)品內(nèi)部磁場(chǎng)。根據(jù)電氣控制裝置研制任務(wù)書輸入，電磁線圈炮膛內(nèi)磁場(chǎng)高達(dá)41T，經(jīng)過(guò)炮彈外層桶形屏蔽層后，如圖4所示，電氣控制裝置所承受磁場(chǎng)為200Gs，如圖5所示。該磁場(chǎng)足以使電磁繼電器失效，DC-DC模塊的變壓器性能降低甚至失效。故此，在對(duì)電氣控制裝置設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。

圖4 電氣控制裝置安裝示意

圖5 彈丸所在磁場(chǎng)環(huán)境分析

3 磁屏蔽機(jī)理分析

3.1 恒定磁場(chǎng)屏蔽原理

恒定磁場(chǎng)屏蔽是利用高導(dǎo)磁材料(如鐵、硅鋼片、坡莫合金等)構(gòu)成低磁阻通路，即屏蔽外殼與空氣介質(zhì)組成并聯(lián)磁路，從而減少屏蔽體內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到屏蔽的目的。如圖6所示。由于空氣或真空環(huán)境相對(duì)磁導(dǎo)率接近1，二屏蔽外殼相對(duì)磁導(dǎo)率大，故空氣或真空介質(zhì)的磁阻R0比屏蔽外殼磁阻Rm大，干擾磁場(chǎng)的磁通密度線大部分沿屏蔽殼體通過(guò)，屏蔽體外部磁通量少，達(dá)到屏蔽恒定磁場(chǎng)的目的。

圖6 靜磁屏蔽原理示意圖

3.2 交變磁場(chǎng)屏蔽原理

交變磁場(chǎng)屏蔽采用低電阻率導(dǎo)體，根據(jù)楞次定律，利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象在屏蔽體表面產(chǎn)生的渦流的反向磁場(chǎng)來(lái)達(dá)到屏蔽的目的，即利用了渦流反向磁場(chǎng)對(duì)原騷擾磁場(chǎng)的排斥作用，抑制或抵消屏蔽體外的磁場(chǎng)。渦流電流的大小直接影響屏蔽的效果。同時(shí)，對(duì)交變磁場(chǎng)，電磁波在進(jìn)入屏蔽體材料界面處發(fā)生發(fā)射，減少進(jìn)入產(chǎn)品內(nèi)部電磁波，達(dá)到屏蔽目的。

3.3 電氣控制裝置屏蔽機(jī)理分析

根據(jù)上述對(duì)屏蔽原理的分析，電氣控制裝置的屏蔽機(jī)理主要為：

a)磁路原理屏蔽；

b)吸收損耗

c)反射損耗；

磁路原理與低頻電路中電阻并聯(lián)分析相似，不再進(jìn)行分析。下面分別從吸收損耗、反射損耗兩個(gè)個(gè)方面分析電氣控制裝置的屏蔽原理。

3.3.1吸收損耗分析

a)低頻吸收損耗分析

參照參考文獻(xiàn)[7]，當(dāng)磁場(chǎng)變化頻率較低，其頻率不足以導(dǎo)致趨膚效應(yīng)，此時(shí)，渦流在金屬屏蔽薄殼上產(chǎn)生的單位質(zhì)量功耗為：

(6)

式中：

k為常數(shù)，對(duì)金屬板等于1，對(duì)電線等于2；P為單位質(zhì)量的功耗(W/kg)；Bp為磁場(chǎng)峰值(T)；d為金屬薄板的厚度或電線的直徑(m)；f為磁場(chǎng)改變的頻率；ρ為電阻率(Ωm)；D為材料密度(kg/m3)。

由式(7)可見，在外界磁場(chǎng)一定時(shí)，選用高磁導(dǎo)率的材料提高材料的磁通峰值Bp，增加屏蔽體金屬薄板厚度，可有效提高產(chǎn)品的低頻吸收損耗。

b)高頻吸收損耗分析

當(dāng)磁場(chǎng)變化頻率較高時(shí)，透射入金屬屏蔽材料內(nèi)的電磁波在屏蔽材料內(nèi)繼續(xù)傳播，電磁波在金屬屏蔽層上產(chǎn)生渦流，其場(chǎng)量振幅按指數(shù)規(guī)律損耗，即通常所說(shuō)趨膚效應(yīng)(具體參見參考文獻(xiàn)8)。其衰減規(guī)律如下：

E=E0e-αxe-jβx

(7)

該損耗反映了屏蔽材料對(duì)透射如的電磁能量的吸收，其吸收損耗為：

(8)

從以上式(7)及式(9)可見，為得到較好的屏蔽效果，對(duì)低頻電磁波的屏蔽，主要考慮選用高磁導(dǎo)率的材料進(jìn)行屏蔽；對(duì)高頻電磁波，由于磁導(dǎo)率 隨頻率增加而減少，可見選用相對(duì)電導(dǎo)率 大的金屬材料進(jìn)行高頻磁場(chǎng)的屏蔽。

3.3.2反射損耗分析

根據(jù)電磁波理論，當(dāng)電磁波從空氣或真空到屏蔽材料上時(shí)，阻抗發(fā)生變化從而產(chǎn)生反射，此時(shí)反射系數(shù)為：

(9)

根據(jù)反射系數(shù)，由此可推導(dǎo)電磁波的反射損耗R為：

(10)

上述式中，Zw為入射電磁波阻抗，Zs為屏蔽材料界面阻抗。

對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波，|Zw|=120π≈377Ω，故對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)波經(jīng)良導(dǎo)體的反射衰減為：

(11)

對(duì)近場(chǎng)電場(chǎng)波阻抗，|Zw|=1/2πfε0r，故對(duì)近場(chǎng)電場(chǎng)波經(jīng)良導(dǎo)體的發(fā)射衰減為：

(12)

對(duì)近場(chǎng)磁場(chǎng)波阻抗，|Zw|=2πfμ0r，故對(duì)近場(chǎng)電場(chǎng)波經(jīng)良導(dǎo)體的發(fā)射衰減為：

(13)

由上式(11)、式(12)及式(13)可見，為提高產(chǎn)品的反射損耗，對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)電磁波及近場(chǎng)電場(chǎng)波，選用相對(duì)電導(dǎo)率大、相對(duì)磁導(dǎo)率小的金屬材料進(jìn)行屏蔽，如銀、銅等；對(duì)近場(chǎng)磁場(chǎng)，使用相對(duì)電導(dǎo)率大，相對(duì)磁導(dǎo)率大的材料進(jìn)行屏蔽，可提高其損耗系數(shù)?？梢姷皖l磁場(chǎng)的屏蔽與靜磁場(chǎng)屏蔽方式相同。

3.4 電氣控制裝置屏蔽效能的評(píng)估

為了驗(yàn)證電氣控制裝置的屏蔽效果，對(duì)電氣控制裝置的磁場(chǎng)屏蔽定義為：在無(wú)屏蔽與存在屏蔽情況下，給定位置處的磁通密度絕對(duì)值之比，由分貝(dB)表示。因此定義屏蔽后考察點(diǎn)的磁場(chǎng)屏蔽效能SE定義為：

其中，BW0與BW分別為屏蔽前后考察點(diǎn)的磁通密度峰值。

5 電氣控制裝置屏蔽方案設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)產(chǎn)品的仿真結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即將產(chǎn)品的厚度設(shè)計(jì)為1mm，采用鋁合金2A12-T4進(jìn)行加工制造，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形如圖7所示。

圖7 電氣控制裝置三維示意圖

圖中，開口處為連接器安裝孔。根據(jù)電氣控制裝置所處環(huán)境為低頻強(qiáng)磁場(chǎng)，其內(nèi)部元器件主要對(duì)磁場(chǎng)敏感，故在對(duì)電氣控制裝置屏蔽處理時(shí)，主要考慮對(duì)低頻磁場(chǎng)的屏蔽。根據(jù)上一節(jié)對(duì)低頻磁場(chǎng)的屏蔽機(jī)理分析可見，對(duì)低頻磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽，需要選擇導(dǎo)磁率高的材料作為屏蔽材料，導(dǎo)磁率較高材料比如鎳、鐵氧體、低碳鋼、硅鋼等，這些材料密度大，為此，結(jié)合產(chǎn)品的常用工藝及裝配方便，采用鍍鎳及其使用高磁導(dǎo)率的合金材料兩種方案對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)：

a)鍍鎳

由于鎳為磁的良導(dǎo)體，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品鋁合金外殼進(jìn)行鍍鎳，鎳層厚度20μm，考擦鍍鎳后產(chǎn)品的磁屏蔽效果。

b)使用高導(dǎo)磁率的合金箔材進(jìn)行屏蔽

選擇CO-Netic AA型導(dǎo)磁箔片作為屏蔽材料，該箔片磁導(dǎo)率大，磁飽和能力達(dá)8000高斯，具有良好的導(dǎo)磁能力。且制成0.1mm的箔片后，易于彎折成形，且通過(guò)熱處理，無(wú)需進(jìn)行二次熱處理，簡(jiǎn)便易用。產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 CO-Netic AA材料參數(shù)表

將箔材按照殼體形狀成形后，使用環(huán)氧膠等固定到產(chǎn)品殼體上，對(duì)接縫處有一定的間隙，可采用低碳鋼片壓制后通過(guò)螺釘固定到殼體上；為了避免單層屏蔽帶來(lái)泄露較大問(wèn)題，可采用雙層屏蔽的方式進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽。這種屏蔽方式易于安裝，且在產(chǎn)品總裝時(shí)，通過(guò)使用磁屏蔽箔材CO-neticAA對(duì)電連接器出口處進(jìn)行屏蔽處理，可進(jìn)一步減小連接器出口處磁場(chǎng)進(jìn)入產(chǎn)品殼體內(nèi)部的可能。

產(chǎn)品使用CO-Netic AA材料屏蔽后，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 將導(dǎo)磁材料與產(chǎn)品殼體粘接后三維示意

5 電氣控制裝置磁場(chǎng)屏蔽仿真

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品的磁屏蔽使用MAXWELL軟件進(jìn)行了仿真，仿真時(shí)主要對(duì)低頻(小于10kHZ)磁場(chǎng)的屏蔽進(jìn)行分析，具體情況如下。

5.1 仿真邊界設(shè)置

仿真時(shí)，為模擬電磁線圈中經(jīng)過(guò)外殼屏蔽后的200高斯的磁場(chǎng)強(qiáng)度，采用在直流線圈中通過(guò)電流的形式，模擬電氣控制裝置外部磁場(chǎng)。邊界條件設(shè)定如圖9，外框?yàn)檎麄€(gè)分析域。根據(jù)Co-Netic材料的特性，其磁飽和強(qiáng)度8000高斯，經(jīng)過(guò)曲線擬合后，Co-Netic材料BH曲線如圖10所示。

圖9 邊界條件設(shè)定

圖10 磁屏蔽材料BH曲線

5.1 仿真結(jié)果查看

采用截面的方式查看產(chǎn)品內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)情況，截面選取如圖9，選擇產(chǎn)品中間垂直截面。

圖11 截面選擇

a)鍍鎳產(chǎn)品仿真分析

圖12 鍍鎳產(chǎn)品磁場(chǎng)分布圖

經(jīng)過(guò)仿真，鍍鎳產(chǎn)品截面場(chǎng)強(qiáng)分布如圖12，鎳相對(duì)磁導(dǎo)率600，中間方框?yàn)楫a(chǎn)品內(nèi)部，從開口處往內(nèi)部依次取3個(gè)點(diǎn)A、B、C，可以得出這三個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度經(jīng)屏蔽后分別為0.013T，0.011T，0.01T，由此可見，經(jīng)鍍鎳屏蔽后，產(chǎn)品磁場(chǎng)強(qiáng)度有所降低，其屏蔽效能最大約為6dB，可見，鍍鎳屏蔽由于鎳的相對(duì)導(dǎo)磁率較低，且鍍鎳層厚度較薄，導(dǎo)致屏蔽效果不佳。

b)采用磁屏蔽材仿真分析(出口處不屏蔽)

采用磁屏蔽材料Co-Netic AA材料屏蔽后，產(chǎn)品連接器安裝開口處的磁場(chǎng)分布如圖13、圖14所示，從連接器開口處往電氣控制裝置殼體內(nèi)部依次取3各點(diǎn)A、B、C，可以得出這三個(gè)點(diǎn)屏蔽后的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.001T，0.0004T，0.0002T，可見產(chǎn)品磁場(chǎng)強(qiáng)度最少降低20倍以上，最大達(dá)到100倍。即A點(diǎn)的磁場(chǎng)屏蔽效能為26dB，B點(diǎn)處磁場(chǎng)屏蔽效能達(dá)34dB，C點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度屏蔽達(dá)40dB?？梢?，開口處磁場(chǎng)泄露較大，屏蔽效果略差。

c)電氣控制裝置連接器出口屏蔽后仿真分析

為了減小連接器開口磁泄露對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部元器件的影響，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)裝配時(shí)，使用CO-Netic AA磁屏蔽材料將電纜及連接器開口處進(jìn)行屏蔽處理，在仿真時(shí)，將連屏蔽箔材將開口處屏蔽后進(jìn)行仿真，仿真后產(chǎn)品磁場(chǎng)分布如圖15、圖16所示。從連接器開口處往電氣控制裝置殼體內(nèi)部依次取3各點(diǎn)A、B、C，可以得出這三個(gè)點(diǎn)屏蔽后的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為0.00008T，0.00001T，0.00001T，可見產(chǎn)品磁場(chǎng)強(qiáng)度最少降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。即A點(diǎn)的磁場(chǎng)屏蔽效能為48dB，B點(diǎn)及C點(diǎn)處磁場(chǎng)屏蔽效能達(dá)46dB?？梢?，開口處磁場(chǎng)屏蔽后，產(chǎn)品內(nèi)部磁場(chǎng)大大減小。

圖13 采用磁屏蔽材料屏蔽后仿真分析

圖14 磁屏蔽開口內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布(外部場(chǎng)強(qiáng)設(shè)定為0.02T)

圖15 磁屏蔽封口磁場(chǎng)分布圖

圖16 磁屏蔽封口內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布

5.3 仿真結(jié)果說(shuō)明

經(jīng)過(guò)仿真，產(chǎn)品經(jīng)鍍鎳、采用CO-Netic AA材料屏蔽后仿真結(jié)果如表2所示。

表2 產(chǎn)品仿真屏蔽結(jié)果

從上表可見，電氣控制裝置周圍磁場(chǎng)為0.02T，通過(guò)鍍鎳屏蔽方式，磁場(chǎng)降低至0.013T～0.01T，磁場(chǎng)屏蔽后稍有降低；通過(guò)使用CO-Netic AA材料屏蔽后，連接器出口不進(jìn)行屏蔽，磁場(chǎng)降低至0.001T～0.0002T；使用CO-Netic材料屏蔽連接器出口后，磁場(chǎng)降低至0.00008T～0.00001T；可見，使用CO-Netic材料屏蔽具有良好的效果。

6 結(jié)論

電磁線圈炮發(fā)射制導(dǎo)彈丸是當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究的電磁炮熱點(diǎn)之一。針對(duì)制導(dǎo)組件中電氣控制裝置中元器件不能承受過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)的問(wèn)題，采用MAXWELL軟件對(duì)鍍鎳及CO-Netic材料屏蔽后的屏蔽效果進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：

鍍鎳層對(duì)產(chǎn)品磁場(chǎng)的降低效果不大，采用CO-Netic材料屏蔽能夠有效降低產(chǎn)品內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)連接器出口進(jìn)行加強(qiáng)屏蔽后，產(chǎn)品內(nèi)部連接器出口處磁場(chǎng)降低至800μT左右，該磁場(chǎng)強(qiáng)度與日常電磁環(huán)境相差不大；連接器開孔處屏蔽效果達(dá)48dB，內(nèi)部屏蔽效果達(dá)68dB。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，將磁敏感元器件遠(yuǎn)離連接器安裝孔，通過(guò)對(duì)電氣控制裝置進(jìn)行雙層屏蔽的方式，達(dá)到進(jìn)一步降低電氣控制裝置內(nèi)部磁場(chǎng)的目的。滿足產(chǎn)品工作需要。同時(shí)，該研究對(duì)其他電磁炮發(fā)射制導(dǎo)彈丸的制導(dǎo)組件具有參考意義。