張 南,符超群,毛 俊,王秋生

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

感應(yīng)裝定屬于信息交聯(lián)系統(tǒng)中的一部分,在火炮系統(tǒng)中采用自動(dòng)供彈的方式,將裝定器安裝在供彈彈鏈的某一特定位置上,因不需要裝定器與引信之間進(jìn)行物理接觸,故可有效提高武器系統(tǒng)的射速、簡(jiǎn)化操作程序、減少反應(yīng)時(shí)間使其能夠精確打擊目標(biāo),使武器系統(tǒng)的靈活性得到充分發(fā)揮,而越來(lái)越受到重視。

但是隨著引信數(shù)據(jù)量增大,用于信息感應(yīng)裝定的窗口在裝定時(shí)間不變的情況下就顯得倉(cāng)促甚至不足以滿足現(xiàn)狀,而信息裝定的窗口大小取決于裝定線圈磁力線的垂直方向與引信的水平方向運(yùn)動(dòng)路徑的有效交集,另外彈在彈鏈運(yùn)動(dòng)中不能穿過(guò)現(xiàn)有圓形裝定線圈。針對(duì)這些問(wèn)題,通過(guò)分析感應(yīng)窗口內(nèi)的磁場(chǎng)均勻性、信號(hào)波形的幅度裕量、和空間的特征,采用調(diào)整復(fù)雜的發(fā)射線圈形狀及多匝、多組線圈組合發(fā)送信號(hào),增大線圈的接收空間獲取最大感應(yīng)信號(hào),從而改變了接收線圈上感應(yīng)信號(hào)電壓曲線的混合疊加形狀,極大改善了線圈的耦合效果,滿足了應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

感應(yīng)裝定系統(tǒng)由裝定控制器、發(fā)射與接收線圈、引信接收模塊3個(gè)部分組成,如圖1所示。裝定控制器中的驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)控制加載在彈鏈發(fā)射線圈上的電流,在發(fā)射線圈附近區(qū)域建立變化的磁場(chǎng),當(dāng)安裝接收線圈的引信經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí),由于電磁感應(yīng)在線圈上敏感到變化的磁場(chǎng)信息,并轉(zhuǎn)化為能量信號(hào),該信號(hào)通過(guò)接口送至引信上的控制器進(jìn)行接收并解碼,之后引信按解碼信息完成后續(xù)動(dòng)作。

在U型線圈的感應(yīng)裝定下如圖2(a)所示。首先線圈的結(jié)構(gòu)不能與信息交聯(lián)的運(yùn)動(dòng)彈道軌跡相干涉如圖2(b)所示。其次通過(guò)增大接收線圈的面積獲取接收線圈穿過(guò)U型發(fā)射線圈最大感應(yīng)信號(hào),處于裝定區(qū)域的引信中的信息接收模塊獲得長(zhǎng)距離的裝定能量如圖2(c)所示。建立與裝定器的信息通道,獲得裝定器傳送過(guò)來(lái)的裝定信息,并寫入非易失性存儲(chǔ)器,之后引信離開(kāi)裝定區(qū),信息接收模塊失電,恢復(fù)初始狀態(tài)完成了裝定過(guò)程,如圖2所示。

而在彈鏈感應(yīng)裝定中,每發(fā)修正彈丸的裝定時(shí)間極其有限,在每分鐘射速7發(fā)的情況下,系統(tǒng)允許每發(fā)彈丸的感應(yīng)裝定時(shí)間約為2 s,除去信息接收模塊工作時(shí)間,允許儲(chǔ)能電容進(jìn)行電量存儲(chǔ)的時(shí)間約為前段200 ms左右,后端800 ms左右。當(dāng)火炮的發(fā)射速度為7發(fā)/min,這表示每發(fā)彈藥引信的感應(yīng)裝定時(shí)間約為 1.5 s 左右。而彈道修正所要求的裝定的數(shù)據(jù)量為不大于4 KB(任務(wù)、氣象、星歷的數(shù)據(jù)量)。其中,除去能量感應(yīng)傳輸所需的約800 ms時(shí)間外,信息傳輸?shù)脑试S時(shí)間約為1 000 ms左右,即在1 000 ms時(shí)間內(nèi)進(jìn)行不大于4 KB數(shù)據(jù)的感應(yīng)傳輸和存儲(chǔ)。

圖2 U型線圈裝定示意圖及運(yùn)動(dòng)曲線

2 感應(yīng)耦合回路數(shù)學(xué)模型

按照近感應(yīng)場(chǎng)的理論,傳輸信道電路可簡(jiǎn)化成如圖3所示電路圖。其中,Vi為裝定器信號(hào)源電壓;R1為裝定器的等效電阻;L1為裝定器線圈電感量;C1為裝定器等效電容;M為線圈耦合系數(shù);R2為感應(yīng)線圈的等效電阻;L2為引信線圈電感量;C2為引信等效電容;ZL為負(fù)載阻抗。

圖3 近感應(yīng)場(chǎng)的理論及簡(jiǎn)化圖

由基爾霍夫定律可得到[2-3],裝定器回路方程:

(1)

引信接收回路方程:

(2)

則裝定器回路的阻抗為

(3)

引信回路阻抗為

(4)

引信感應(yīng)線圈回路的阻抗耦合到裝定器回路的反射阻抗為

(5)

裝定器回路的阻抗耦合到引信感應(yīng)線圈回路的反射阻抗為

(6)

為了更好的研究初級(jí)線圈的發(fā)射功率,把圖3(a)所示電路圖等效為圖3(b)所示電路圖。

(7)

設(shè)裝定器發(fā)送功率P2,因?yàn)椴捎媒鼒?chǎng)感應(yīng)原理,假設(shè)感應(yīng)能量沒(méi)有向外輻射,所以引信接收回路的接收功率也為P2,則有

(8)

獲得更多的能量,我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)使裝定器回路工作在諧振頻率工作,即合理選擇參數(shù)使得X11+X′22= 0,則有:

(9)

若調(diào)整R′11使得R11=R′11,則引信回路在R11=R′11,時(shí),可以達(dá)到最大接收功率P2max。

(10)

設(shè)發(fā)送線圈為N1,N2繞組,N1為線圈組數(shù),N2為每匝數(shù),其電流為I1,I2,則根據(jù)疊加原理,接收線圈上的感生電動(dòng)勢(shì):

(11)

εi為接收線圈上的感生電動(dòng)勢(shì)。

3 U型線圈的構(gòu)造仿真

假設(shè)感應(yīng)能量沒(méi)有向外輻射,但是實(shí)際U型發(fā)射線圈是一種松散式感應(yīng)裝定,耦合系數(shù)為0.01,按照近感應(yīng)場(chǎng)的理論,傳輸信道電路可簡(jiǎn)化成如圖3所示電路圖。其中Vi為裝定器信號(hào)源電壓為24 V,R1為裝定器的電阻2.5 Ω,I1為裝定器線圈電流為10 A,電磁建立時(shí)間為5 ns。

根據(jù)式(10)和式(11)得到:

在實(shí)際裝定中,單組、單線圈或者發(fā)射線圈形狀的簡(jiǎn)單的空間裝定窗口很難滿足需要圖4(b)的曲線3或者4,單組線圈的裝定窗口如圖4(a)的-10 mm的位置1、+10 mm的位置2的對(duì)應(yīng)的單組線圈、裝定窗口的波形為圖4(b)中的1、2。裝定窗口由圖4單組線圈的最大接收功率波形1與3交會(huì)的裝定窗口為2 mm,如果以與單線圈相同的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)計(jì)算,通過(guò)降低最大接收功率來(lái)提高裝定窗口,則裝定窗口圖4的接收功率波形1與波形2交會(huì)約為9 mm。

圖4 發(fā)射線圈單組及合成U型線圈的波形圖

采用U型發(fā)射線圈,按照長(zhǎng)度在空間上等距分割為12個(gè)間隔10 mm的單組線圈,設(shè)每個(gè)單組線圈的物理結(jié)構(gòu)均相同,且每組含有相同匝數(shù)的線圈,如果多組線圈組合最大接收功率整個(gè)線圈的寬度為120 mm,通過(guò)降低最大接收功率來(lái)提高裝窗口,則裝定窗口寬度為130 mm,但是在電壓幅度方面接收信號(hào)的電壓幅值應(yīng)控在接收中值與可接收值的±20%以內(nèi),所以U型發(fā)射線圈滿足裝定窗口。

根據(jù)所計(jì)算的對(duì)象結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性的特點(diǎn),構(gòu)造計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 線圈感應(yīng)計(jì)算模型

其中:

1) 線圈座位于彈體頭部,用來(lái)固定接收線圈的骨架。

2) 發(fā)射線圈是用來(lái)產(chǎn)生變化磁場(chǎng)的,共10匝,輸入周期為0.2 ms的鋸齒波,其上升沿時(shí)間0.1 ms,峰頂寬度4×10-3ms,下降沿時(shí)間1×10-3ms, 0～0.4 ms內(nèi)的電流波形如圖6所示。

圖6 發(fā)射線圈0～0.4 ms內(nèi)電流波形

3) 利用U型線圈磁力線的Y軸垂直方向與引信的水平方向運(yùn)動(dòng)X軸路徑有效交集,其正視圖見(jiàn)圖5,接收線圈共165 N,電阻13 Ω,接100 Ω電阻負(fù)載形成回路,全模型 [0,0,0]磁場(chǎng)分布如圖7所示。全模型[0,0,±10 mm]磁場(chǎng)分布的磁場(chǎng)分布如圖8所示,全模型[0,0,-5 mm]磁的磁場(chǎng)分布如圖9所示。從磁場(chǎng)分布圖看出磁力線強(qiáng)度在邊界降低,但是降幅在-20%內(nèi)。

圖7 全模型[0,0,0]磁場(chǎng)分布

圖8 全模型[0,0,±10 mm]磁場(chǎng)分布的磁場(chǎng)分布

圖9 全模型[0,0,-5 mm]磁的磁場(chǎng)分布

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在U型線圈發(fā)送線圈外廓尺寸為120 mm×80 mm×60 mm,內(nèi)腔尺寸為80 mm寬,70 mm高,裝定線圈采用Φ0.5 mm聚酯亞胺漆包圓銅線繞制情況下。裝定器和信息接收模塊進(jìn)行信息交聯(lián)試驗(yàn)。通過(guò)裝定器發(fā)送4 KB的數(shù)據(jù)給信息接收模塊,利用示波器測(cè)試裝定信號(hào)波形(見(jiàn)圖10),信息傳輸時(shí)間大約為1 s,信息傳輸空間約為1.5 s。

圖10 U型線圈空間感應(yīng)的充電電壓示意圖

圖10的波形是在不同的感應(yīng)位置下接收線圈感應(yīng)到的電壓信號(hào)。在感應(yīng)距離在U型線圈發(fā)送線圈不同的空間位置,接收電壓幅值均大于15 V,接收電壓幅值隨著感應(yīng)距離的增加逐漸減小。當(dāng)感應(yīng)距離為最大負(fù)偏差時(shí),接收線圈上感應(yīng)到的電壓信號(hào)幅值幾乎不變,在系統(tǒng)要求的感應(yīng)距離下,接收線圈上能夠感應(yīng)到足夠大的電壓信號(hào)來(lái)給引信接收器電路供電。另外,接收電壓的幅值大于3 V,解調(diào)電路就能實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的解調(diào),通過(guò)測(cè)量接收電壓幅值的大小來(lái)判斷信息是否能有效傳輸,實(shí)驗(yàn)證明了U型發(fā)射線圈設(shè)計(jì)合理性。

在運(yùn)動(dòng)方向上裝定的窗口范圍±10 mm,運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置為X軸,裝訂感應(yīng)的充電電壓見(jiàn)圖11。

U型發(fā)射線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)能夠有效地穿過(guò)接收線圈所圍成的曲面;從圖11中可以看出,等距分割單組線圈產(chǎn)生的虛線充電電壓,合成U 型發(fā)射線圈藍(lán)色實(shí)線充電電壓。從左到右合成的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化平緩,并且到接收線圈電壓一直大于15 V,這說(shuō)明 U 型發(fā)射線圈結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)要求的感應(yīng)距離下仍能產(chǎn)生較強(qiáng)的磁場(chǎng),并且接收線圈能夠有效地利用磁場(chǎng)能量。

在運(yùn)動(dòng)軌跡左右方向上的裝定范圍達(dá)到±10 mm,運(yùn)動(dòng)軌跡左右方向設(shè)置為Y軸,裝訂感應(yīng)的充電電壓見(jiàn)圖12。

在高度方向上裝定的窗口范圍達(dá)到±5 mm,高度方向上運(yùn)動(dòng)設(shè)置為在Z軸,裝訂感應(yīng)的充電電壓見(jiàn)圖13。

圖11 U型線圈X軸裝定感應(yīng)的充電電壓

圖12 U型線圈Y軸裝定感應(yīng)的充電電壓

圖13 U型線圈Z軸裝定感應(yīng)的充電電壓

調(diào)整裝定發(fā)送器的尺寸后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)際裝定窗口范圍的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果(增加發(fā)射電壓10%)為:裝定電壓門限設(shè)置為14 V,根據(jù)設(shè)計(jì)線圈的實(shí)測(cè)感應(yīng)電壓值可以推算出裝定范圍可以滿足[±10 mm,±10 mm,±5 mm]的要求。

5 結(jié)論

1) U型的發(fā)射線圈滿足彈鏈上引信的特殊運(yùn)動(dòng)軌跡。

2) U型的發(fā)射線圈,極大地改善了線圈的耦合效果,增大感應(yīng)裝定[±10 mm,±10 mm,±5 mm]空間和時(shí)間2個(gè)維度。

3) U型線圈形成的有限感應(yīng)裝定空間最大幅度變化在±20%、達(dá)到均勻一致性,感應(yīng)裝定時(shí)間余量滿足±20%變化。

4) 數(shù)據(jù)量在1 s內(nèi)達(dá)到4 kB字節(jié)。

5) U型的裝定電壓門限設(shè)置為14 V,發(fā)射線圈產(chǎn)生的更大的裝定窗口。