可控電磁引信的設(shè)計(jì)及其與坦克磁場相互作用的數(shù)值分析

黃 英

(裝甲兵工程學(xué)院基礎(chǔ)部，北京100072)

引信是地雷類反坦克武器發(fā)揮戰(zhàn)場威力的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的觸發(fā)式地雷引信功能單一，探測區(qū)域小，靈敏度較低，對目標(biāo)的探測識別能力易受外界氣候、環(huán)境的干擾。磁引信又稱磁感應(yīng)引信［1］，它利用坦克等大型鐵磁目標(biāo)的磁場特性，根據(jù)電磁感應(yīng)原理對正在接近的目標(biāo)磁場發(fā)生靈敏感應(yīng)，瞬時引爆地雷。因此，磁引信探測靈敏度高，不受云、霧、塵埃和戰(zhàn)場煙霧影響，在未來電磁戰(zhàn)中具有突出優(yōu)勢，已成為國內(nèi)外引信領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對象［2-4］。筆者基于對坦克磁場特征的分析［5-7］，根據(jù)戰(zhàn)場需要設(shè)計(jì)了一種可靈活調(diào)控靈敏度的磁引信，通過對該引信與坦克磁場相互作用的數(shù)值計(jì)算，提出了提高其探測靈敏度的優(yōu)化方案，為試驗(yàn)研制該類磁引信及“磁隱身”坦克提供參考。

1 基于磁性炸雷與坦克磁場相互作用原理的磁引信設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案

1.1 磁性炸雷對坦克發(fā)生作用的基本原理

由于地球自身是一個巨大的磁體，坦克等高磁導(dǎo)體類大型鋼鐵裝備在地磁場中會被磁化，從而形成具有特定標(biāo)志性的磁場，如圖1所示。坦克中心磁場為0 T，鄰近坦克區(qū)域的磁場很強(qiáng)，試驗(yàn)已表明位于坦克周圍幾米遠(yuǎn)的磁場仍然能被靈敏磁探測器探測到，如:圖1中A點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度具有較大的豎直分量BV。本文設(shè)計(jì)的新型磁引信核心系統(tǒng)——電感線圈，就是通過對該磁場豎直分量BV發(fā)生感應(yīng)，導(dǎo)致自身偏轉(zhuǎn)并引爆地雷。

圖1 坦克被地磁場磁化形成的標(biāo)志性磁場

1.2 初級磁引信地雷感應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，將地雷的外殼設(shè)計(jì)為無磁屏蔽作用且抗壓性能良好的竹筒或塑料筒。內(nèi)部磁引信探針為一枚長為L的靈敏小磁針，將固定此探針的中心金屬軸一端與直流電源的負(fù)極連接，該電源的正極與電雷管連接，電雷管的另一端與爆炸開關(guān)接點(diǎn)連接，炸藥分布在電雷管周圍(圖2虛線框)。將爆炸開關(guān)接點(diǎn)設(shè)置在該探針中心正上方的某點(diǎn)處并固定，要求開關(guān)接點(diǎn)與探針中心的固定距離比L/2略小，當(dāng)磁引信附近沒有坦克類高磁導(dǎo)體存在時，該引信探針的N極和S極在重力場中平衡并沿水平方向，此時探針不會偏轉(zhuǎn)，電路斷開，地雷不會自動爆炸，整個裝置安全。當(dāng)探針附近斜上方(或正上方)有坦克出現(xiàn)時，磁探針會在坦克磁場的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)(與外界磁場的方向一致)，如圖2所示，探針轉(zhuǎn)動時，S極將與其上方的爆炸開關(guān)接點(diǎn)碰觸，接通電路，引爆地雷。因此，該磁引信地雷的關(guān)鍵部件是能在外界磁場中靈敏偏轉(zhuǎn)的磁探針。

圖2 磁引信地雷的核心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.3 可控載流線圈磁引信的設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有小磁針的磁性不可靈活調(diào)控，因此對外界磁場的感應(yīng)靈敏度受限，新的設(shè)計(jì)思路是:采用細(xì)小靈敏的通電載流線圈代替小磁針作為磁探測裝置。如圖3所示，設(shè)載流圓線圈的半徑為r，面積為S，某時刻由控制電路(圖3中略，可用帶變阻器或電阻箱的普通直流電路提供)調(diào)整其通電電流為I，此時線圈磁矩［8］為 m=SIen= πr2Ien，m 沿 en方向，與小磁針的北極方向一致。采用小載流線圈代替小磁針對外界附加磁場發(fā)生感應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)是:線圈的匝數(shù)可控，其電流強(qiáng)度可通過滑線變阻器進(jìn)行調(diào)整。因此，該磁引信的靈敏度可以人為調(diào)控。

圖3 可控載流線圈磁矩的磁極與小磁針的磁極相同

2 可控磁引信在坦克磁場作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)的引爆磁力矩的計(jì)算

要考察可控載流線圈磁引信的工作效果，必須分析它在坦克磁場中受到的偏轉(zhuǎn)力矩。

2.1 磁載流線圈與坦克磁場相互作用的關(guān)鍵因素的分析

從戰(zhàn)場應(yīng)用角度考慮，需要考察地雷的磁引信對周圍各個方向上坦克磁場的感應(yīng)效果，圖4中給出了地理學(xué)的北方方位，以地雷磁引信處O點(diǎn)為圓心，設(shè)磁引信的探測半徑(地雷作用區(qū)域的半徑)為R，坦克有可能從任意方向向地雷靠近(圖4中畫出了4個方位向地雷開進(jìn)的坦克)。由于地磁場的北極位于地球的地理學(xué)南極附近，不同方位的坦克在地磁場中磁化后形成的附加磁場各不相同，先考察其中一種情形:設(shè)坦克位于地雷的正南方C點(diǎn)處，它在地磁場中磁化，形成如圖4中點(diǎn)虛線所描述的磁場(N極朝向地理學(xué)北方)，由于坦克位于地表，磁引信位于地下，可以判定該坦克磁場在磁引信O點(diǎn)處有豎直向下的分量。處于其他方位的坦克磁場可以同理進(jìn)行推測，雖然磁感應(yīng)線的情況有所不同(與坦克所處的地理方位有關(guān))，但是可以確定的是:不管坦克從哪個方位駛進(jìn)地雷探測區(qū)，坦克磁場在地雷磁引信位置O點(diǎn)處一定有豎直向下的分量。新型磁引信就是基于這一重要因素進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

圖4 地雷磁引信的探測半徑

2.2 載流線圈在坦克磁場中所受的轉(zhuǎn)動力矩的計(jì)算

如圖5所示，以線圈圓心O為原點(diǎn)建立O-xyz坐標(biāo)系，在均勻圓線圈的下部焊接長為l的金屬片G，在它的重力作用下，線圈平衡時處于xOy豎直平面內(nèi)，金屬片G朝下，用水平非金屬固定軸(沿x軸方向)將該載流線圈固定在支架(圖5略)上，限制該線圈只能繞x軸旋轉(zhuǎn)，將爆炸開關(guān)接點(diǎn)固定在z軸上的P點(diǎn)處，并確保P點(diǎn)與O點(diǎn)的距離比線圈半徑r長，比r+l略短，即只有金屬片G可以與P點(diǎn)碰接(線圈本身因線度不夠不能碰觸此開關(guān))，因此當(dāng)沒有坦克磁場的影響時，線圈本身在金屬片G的重力作用下與爆炸開關(guān)接點(diǎn)保持相當(dāng)?shù)木嚯x，裝置是安全的。

圖5 磁引信線圈在坦克磁場中的偏轉(zhuǎn)引爆原理圖

當(dāng)坦克開進(jìn)磁引信線圈的探測區(qū)時，由于線圈線度很小，某一時刻坦克在該線圈處的附加磁場可以看成勻強(qiáng)磁場，圖5中用線圈中心O點(diǎn)處的磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量B表示，它在O點(diǎn)處必存在豎直向下的分量BV，其水平分量BH的方位由坦克與線圈的水平相對位置決定，即BH與初始時線圈平面(xOy平面)的夾角φ是任意的，設(shè)磁場B與y軸負(fù)方向的夾角為θ，線圈電流I為逆時針方向，因此其磁矩m的方向en沿z軸正方向。將線圈在坦克磁場B中受到的力矩分別用BH和BV進(jìn)行求解，根據(jù)磁力矩公式［8］MH=m ×BH=SIen×BH，得到 MH沿 y軸正方向，即MH只能使得線圈繞y軸旋轉(zhuǎn)。由于前文已限制該線圈只能繞x軸旋轉(zhuǎn)，因此MH對線圈的偏轉(zhuǎn)作用無效，不予考慮。所以，實(shí)際上只有MV對線圈的偏轉(zhuǎn)有貢獻(xiàn)，為描述簡便，略去其腳標(biāo)并記為M，于是M=MV=m ×BV=SIen×BV，M 沿 x軸正方向，它使得線圈能夠繞x軸旋轉(zhuǎn)(圖5中從右側(cè)看為逆時針方向)。當(dāng)外界磁場BV足夠大時，該力矩M使得線圈能夠克服金屬片G的重力矩發(fā)生偏轉(zhuǎn)，當(dāng)線圈平面繞x軸轉(zhuǎn)動到水平位置時，G與P點(diǎn)瞬時接通并引爆地雷，因此力矩M在磁引信的作用原理中十分關(guān)鍵。對M的計(jì)算還可根據(jù)磁場中的安培力法則，圖5中線圈下半部分受到的安培力F為垂直紙面向里，與之相應(yīng)，線圈上半部分受到的安培力F'垂直紙面向外，這一對力偶形成的合力矩即為

根據(jù)實(shí)際戰(zhàn)場需要，要求線圈能對進(jìn)入炸雷攻擊最佳區(qū)域的坦克作出快速反應(yīng)，因此，該磁力矩M應(yīng)該大于(至少略大于)載流線圈在轉(zhuǎn)動過程中受到的最大重力矩與摩擦阻力矩之和，使得線圈能夠迅速帶動金屬片G接通引爆電路，瞬時炸毀坦克。由于線圈的轉(zhuǎn)動阻力矩(包括重力矩與摩擦力矩)由引信本身的線度、質(zhì)量、材料性能等因素決定，因此要調(diào)控引信的探測靈敏度，須預(yù)先對具體線圈的阻力矩進(jìn)行測算。

3 對計(jì)算結(jié)果的數(shù)值分析與討論

從式(1)可得到如下結(jié)論:1)當(dāng)坦克與線圈的相對位置固定(θ確定)時，若線圈半徑r確定，偏轉(zhuǎn)力矩M與通電電流I成正比，因此可以通過控制I的大小來調(diào)整磁引信的靈敏度;2)設(shè)θ確定，若I的大小受實(shí)際電源、導(dǎo)線電阻等條件限制而不可調(diào)控時，M與S成正比，因此，設(shè)計(jì)時可以適當(dāng)增大r或匝數(shù)N來提高磁引信的探測靈敏度;3)當(dāng)r、N、I都確定時，M與θ成余弦函數(shù)關(guān)系，如圖6所示。

圖6 力矩M隨θ呈余弦函數(shù)規(guī)律變化

圖6中，取r=1 cm，I=0.1 A，坦克在其周圍區(qū)域產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.01 T，當(dāng)坦克由遠(yuǎn)雷區(qū)向炸雷處開進(jìn)并逐步靠近磁引信埋藏點(diǎn)時，根據(jù)坦克磁場的分布狀態(tài)(見圖1)，可知在這一過程中θ逐漸由π/2變化到0，從圖6可以看出:當(dāng)θ=π/2時(坦克離炸雷無窮遠(yuǎn))，M=0，此時線圈不發(fā)生偏轉(zhuǎn)，炸雷不會爆炸;隨著θ的減小，M反而逐漸增大，其值隨θ的變化遵循余弦函數(shù)規(guī)律;當(dāng)θ=0時(這時坦克車體的駕駛倉處于炸雷的正上方 )，M達(dá)到最大值，約為3.14×10-7N·m，從戰(zhàn)技指標(biāo)上分析，此時的M應(yīng)該大于(至少略大于)載流線圈的轉(zhuǎn)動阻力矩，使得此型號的炸雷線圈正好能帶動金屬片G與爆炸開關(guān)接點(diǎn)碰觸，達(dá)到最佳引爆效果(對坦克車體實(shí)施精確打擊且毀傷效力最大)。如果在上述整個過程中，線圈受到的偏轉(zhuǎn)磁力矩的最大值Mmax仍然比線圈自身的阻力矩小，則該線圈不能帶動金屬片G接通爆炸開關(guān)，地雷不會被引爆。因此根據(jù)戰(zhàn)場需求，對于任意材料、線度、質(zhì)量的引信線圈，都可通過預(yù)先測試其偏轉(zhuǎn)阻力矩的大小來調(diào)節(jié)線圈的電流及尺寸，使其靈敏度達(dá)標(biāo)。此外，還可以通過預(yù)設(shè)電流值來對特定型號的坦克進(jìn)行精確探測與爆破。

圖7模擬出該偏轉(zhuǎn)力矩M在三維空間中的分布狀況，可以看出:它對y軸呈中心軸對稱分布，在y軸處(θ=0時)，M=Mmax，在同一水平面(如水平面xOz)內(nèi)，M在各個方向上大小相等(M與φ無關(guān))，這與式(1)中BV與φ無關(guān)是一致的。因此當(dāng)坦克從不同水平方位(φ取不同值)向地雷埋點(diǎn)駛近時，只要坦克磁場在地雷磁線圈處的豎直分量BV相同，M就相同，空間表現(xiàn)為各向同性(見圖7)。

圖7 力矩M在三維空間中的分布狀況

值得一提的是，雖然坦克磁場在空間中的分布為各向異性(見圖1)，但是坦克本身可看作具有良好軸對稱性的磁導(dǎo)體，因此它在地表上同一點(diǎn)(比如炸雷上方的炸點(diǎn))處的磁化狀態(tài)基本相同。因?yàn)樵擖c(diǎn)處地磁場的大小和方向已經(jīng)由地理經(jīng)緯度確定，所以坦克在該點(diǎn)不管朝向哪個方位，它被磁化后形成的磁場B的大小和方向都基本相同。因此當(dāng)同一輛坦克從不同徑向朝地雷駛來(見圖4)，在地雷相對坦克的深度(埋深)相同(即θ一定)的情況下，磁線圈對坦克磁場的探測作用也相同。因此可得出如下結(jié)論:利用本文所述探測機(jī)理設(shè)計(jì)的磁引信炸雷對各個方位鐵磁裝備的探測、攻擊性能基本一致。

［1］ 徐德華.基于單片機(jī)的磁引信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制導(dǎo)與引信，2004，25(4):19-21.

［2］ 崔平，齊杏林.從外軍引信裝備研制情況看引信技術(shù)發(fā)展趨勢［J］.制導(dǎo)與引信，2005，26(4):66-68.

［3］ 孫忠勝，郭軍獻(xiàn)，郝益民，等.采用磁電發(fā)電動機(jī)的手榴彈電子觸發(fā)引信［J］.探測與控制學(xué)報(bào)，2010，32(2):1-4.

［4］ 黃英，李華，戚英華.磁隱身坦克的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能檢測［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，24(5):86-90.

［5］ 黃英，李華，戚英華.同軸均勻消磁線圈對坦克磁場影響效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，23(4):90-94.

［6］ 黃英，費(fèi)保俊，李華.一種坦克內(nèi)部磁場的計(jì)算模型［J］.中國素質(zhì)教育研究，2009(2):86-88.

［7］ 黃英.單個L型用電器在坦克內(nèi)部激發(fā)的電磁場的數(shù)值計(jì)算［C］∥劉尚合，盧興華.首屆電磁環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會論文集:電磁環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)技術(shù)研究.石家莊:河北科學(xué)技術(shù)出版社，2009:1-5.

［8］ 康穎.大學(xué)物理(新版):下冊［M］.北京:科學(xué)出版社，2010:37.