趙云峰,李炳彥,張 南,智小軍

(中國兵器集團(tuán)引信研究院系統(tǒng)總體部, 西安 710065)

0 引言

非穿越式炮口感應(yīng)裝定[1]用于完成地面實時信息向引信的單方向傳遞,為引信發(fā)揮最優(yōu)作戰(zhàn)效果提供基礎(chǔ)信息支撐。當(dāng)彈丸發(fā)射后飛經(jīng)炮口時,由裝定控制器控制炮口裝置發(fā)射最新數(shù)據(jù),由引信上的接收線圈接收,解調(diào)解碼存儲,以提供給引信或彈上其他部件備用。

目前采用非穿越炮口感應(yīng)裝定:具有如下一些特點:首先炮口裝置體小量輕,安裝需求空間小,對火炮改造小甚至無改造;其次適合無制退器火炮安裝;最后炮口裝置可與炮管分離安裝以應(yīng)用于轉(zhuǎn)管炮。但是非穿越式感應(yīng)裝定由于發(fā)射與接收線圈間隔較遠(yuǎn),發(fā)射的信號處于炮口電離噪聲之中,導(dǎo)致引信難以拾取裝定信號,另外非穿越線圈感應(yīng)系統(tǒng)的接收信號會有1～2個信號倒向過程[1],導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收窗口是分裂的。最后由于引信的線圈與裝定線圈的高速運動,其上感應(yīng)到的信號強度會有較大范圍的變化。本文中針對這些問題,分析了感應(yīng)窗口內(nèi)的磁場不均勻性、信號波形具有包絡(luò)不等幅度,即窗口內(nèi)信號不均勻,通過角度調(diào)節(jié)參數(shù)對非穿越式炮口感應(yīng)系統(tǒng)傳輸性能的變化及裝定窗口的調(diào)整以增加均勻性變化規(guī)律,提出角度調(diào)節(jié)的非穿越式炮口感應(yīng)裝定方法。

1 感應(yīng)裝定建立與分析

線圈感應(yīng)裝定,雖然發(fā)射線圈旁置,但其發(fā)射線圈的耦合場仍覆蓋炮口前端一小段距離,引信攜帶接收線圈穿越該感應(yīng)場時[1],利用近場耦合必然可以感應(yīng)到傳輸數(shù)據(jù),這是感應(yīng)裝定可以完成的必備理論基礎(chǔ)見圖1(a)。

圖1 非穿越線圈感應(yīng)裝定

更進(jìn)一步,發(fā)射線圈的尺寸和形狀可依炮口的尺寸做調(diào)整,使用范圍進(jìn)一步擴大,這樣發(fā)射線圈就可以不局限于所使用的火炮口徑的要求,如圖1(b)與圖1(c)的發(fā)射線圈2和接收線圈3的安裝。

引信線圈與裝定線圈非穿越安裝后的感應(yīng)場分布如圖2所示。圖2中中間安置的是發(fā)射線圈,箭頭線為引信線圈的模擬運動路徑,引信接收線圈以運動方向為繞制軸向。

圖2 非穿越感應(yīng)場分布及相對運動關(guān)系圖

圖3(a)所示是一正圓發(fā)射線圈的磁場分布[2],當(dāng)該線圈安裝于火炮炮管側(cè)壁后,炮管的存在會對發(fā)射線圈的磁場分布產(chǎn)生影響,對其進(jìn)行有限元分析,得到安裝于炮管前后的磁場分布的對比如圖3(b)和圖3(c)所示,由圖3可見,由于炮管的存在,磁場在炮管內(nèi)的區(qū)域幾乎為0,但在出炮口一段區(qū)域后,發(fā)射線圈的磁場依然存在,且其分布特性與沒有炮管同性質(zhì)。

圖3 非穿越感應(yīng)裝定磁場分析

角度調(diào)節(jié)的非穿越式炮口感應(yīng)裝定方法理論基礎(chǔ):發(fā)射線圈軸線與火炮身管軸線形成前傾角φ。裝定裝置發(fā)射電磁感應(yīng)安裝在火炮身管兩側(cè)的位置上如圖4(a)所示,且發(fā)射線圈軸線相對火炮身管軸線傾斜一定角度。發(fā)射線圈的這種設(shè)計導(dǎo)致引信攜帶接收線圈從炮管內(nèi)穿出后,并不立即進(jìn)入數(shù)據(jù)感應(yīng)區(qū)域,而是在一定距離外才進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域,感應(yīng)區(qū)域的大小受控于發(fā)射線圈的安裝情況、尺寸大小和形狀樣式見圖4(b)。發(fā)射線圈調(diào)角的不同而造成不同照射面如圖5所示。

10-引線,11-絕緣墊片,12-發(fā)射線圈

圖5 發(fā)射線圈調(diào)角的照射面的分布圖

該區(qū)域即是本項目非共穿越圈炮口感應(yīng)裝定角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域(窗口),從而引出項目的研究據(jù)此展開。如圖6所示。

圖6 非穿越感應(yīng)裝定數(shù)據(jù)傳輸窗口

2 角度調(diào)節(jié)的感應(yīng)電動勢數(shù)學(xué)模型

根據(jù)電磁學(xué)理論,在發(fā)射線圈平面的任意一點的磁電勢

式中:u0為真空磁導(dǎo)率;A矢量磁位且有用磁矩m表征其磁學(xué)特性。

M產(chǎn)生的感應(yīng)強度β

β=▽×A

(2)

穿過接收線圈的磁通量φ1

斯托克斯定理

有

令:

式(6)可以簡化:

引入第一類與第二類橢圓積分

(10)

且有

得到有N圈接收線圈的磁通量:

當(dāng)接收線圈離開發(fā)射線圈的時候,通過線圈的磁通量變化,由于電磁率感應(yīng)定律

利用

得到:

z為彈丸到線圈靶的距離,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢e,磁矩m的接收線圈在偏離靶心b處平行于靶的中心軸線以速度v穿過非穿越半徑為a的N匝虛擬發(fā)射線圈,式(16)線圈靶的區(qū)截信號與彈丸至線圈靶距離間的關(guān)系。

公式推導(dǎo):當(dāng)z=a/2時e0有極大值

即:在發(fā)射線圈半徑等于接收線圈距離發(fā)射線圈中心的位置,即所產(chǎn)生的裝定窗口最大。

將長度量做歸一化處理,如果發(fā)射線圈與接收線圈的基本條件已經(jīng)確定,那只要確定其角度:

其中;z為發(fā)射線圈離接收線圈圓心距離;a為發(fā)射線圈的直徑。

3 仿真計算與曲線擬合

完成了理論仿真:在炮管側(cè)壁安裝線圈的磁場分布如圖7所示,左側(cè)為雙線圈171°時的磁場分布,右側(cè)為雙線圈151°時的磁場分布。

圖7 炮口側(cè)面安裝線圈的磁場分布

炮口發(fā)射線圈采用多組線圈排布于炮口周圍,加載同相信號的方法,同時由于接收信號峰值點位置受發(fā)射線圈與火炮軸線夾角的控制,所以可以通過調(diào)整組發(fā)射線圈中的每一個線圈的傾角及角度調(diào)節(jié),從而改變接收線圈上感應(yīng)信號電壓曲線的混合疊加形狀,從而在提高數(shù)據(jù)傳輸窗口中信號強度的同時,改善數(shù)據(jù)傳輸窗口的平坦特性,曲線擬合如圖8所示:說明可以通過調(diào)整組發(fā)射線圈中的每一個線圈的傾角,從而改變接收線圈上感應(yīng)信號電壓曲線的混合疊加形狀,從而在提高數(shù)據(jù)傳輸窗口中信號強度的同時,改善數(shù)據(jù)傳輸窗口的平坦特性及非穿越電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸窗口。

圖8 雙線圈不同傾角數(shù)據(jù)傳輸窗口疊加

4 理論及試驗驗證

在發(fā)送線圈尺寸為80 mm×20 mm×20 mm,接收線圈為Φ60 mm條件下,通過理論計算對接收線圈在炮管附近側(cè)面安裝的發(fā)送線圈場中的接收信號強度特性進(jìn)行精確分析,取151°時并且雙線圈進(jìn)行測試,所得到的裝定窗口采用實測法來確定數(shù)據(jù)傳輸窗口的形狀,然后據(jù)此開展研究工作:e0m=400a=80 mm。

分析表1的數(shù)據(jù),可以得到以下結(jié)論:發(fā)射線圈的角度調(diào)節(jié)對接收線圈的能量有關(guān):

表1 調(diào)角不同幅

圖9 實測數(shù)據(jù)傳輸窗口信號包絡(luò)

1) 本文中調(diào)節(jié)角度參數(shù)會引起裝定系統(tǒng)傳輸性能的變化及裝定窗口的偏移,隨著調(diào)節(jié)線圈角度變大,裝定系統(tǒng)傳輸性能的下降明顯,裝定窗口減小但是均勻性增大。

2) 對于發(fā)射線圈及接收線圈傳輸相同的系統(tǒng),在發(fā)射線圈調(diào)節(jié)的角度半徑a/2時等于接收線圈距離發(fā)射線圈中心的距離z時,即所產(chǎn)生的裝定窗口最大。