電磁驅動式引信過載試驗裝置中的電磁防護研究

王文豪，畢世華，向紅軍

（1.北京理工大學宇航學院，北京100081；2.軍械工程學院彈藥工程系，河北石家莊050003）

電磁驅動式引信過載試驗裝置中的電磁防護研究

王文豪1，畢世華1，向紅軍2

（1.北京理工大學宇航學院，北京100081；2.軍械工程學院彈藥工程系，河北石家莊050003）

利用電磁驅動技術可模擬引信發射過程中的高過載環境，但其工作過程中產生的磁場會對被試引信產生不利影響，因此需對被試引信采取電磁防護措施。介紹了電磁驅動式引信過載試驗裝置的組成和工作原理，設計了被試引信電磁屏蔽罩的結構；構建了電磁驅動式引信過載試驗裝置的仿真模型，對比分析了不含屏蔽罩、含鋁制屏蔽罩、鋁鋼復合屏蔽罩下引信區域的磁場強度。研究結果表明：在1 ms時刻，在不含屏蔽罩、含鋁制屏蔽罩、含鋁鋼復合屏蔽罩3種情況下，被試引信處的最大磁場分別為1.54 T、0.17 T、4.2×10-5T，鋁鋼復合材料防護罩對被試引信具有更好的防護效果。

兵器科學與技術；引信；電磁驅動；過載；電磁防護；脈沖磁場

0 引言

引信發射過程中受到的高過載環境是引信所遇到的惡劣環境之一，為考核引信在高過載環境下的可靠性和安全性，需要對引信組件的抗過載性能進行測試。目前用于引信過載性能測試的試驗裝置主要有立式落錘儀、氣體炮。立式落錘儀過載峰值持續時間短，與實際環境差異較大；氣體炮模擬過載峰值小、系統復雜，模擬大口徑彈丸引信的高過載比較困難［1-3］?；陔姶胖本€驅動技術的引信高過載試驗系統可以模擬不同口徑引信發射過程中受到的過載環境，具有可控性和通用性好的特點，是今后的研究方向之一［4-6］。但是由于電磁直線驅動式模擬試驗系統在工作過程中會產生脈沖磁場［7-9］，可能對引信產生影響，而目前針對電磁驅動式引信模擬系統的電磁屏蔽裝置還鮮有研究，因此要采取合適的電磁防護或加固裝置，以提高引信動態模擬過程中的安全性和可靠性。

1 電磁驅動系統工作原理

電磁直線驅動式引信高過載試驗裝置主要由儲能電容器、驅動線圈、試驗彈、觸發開關S等構成［10-12］（見圖1），其中試驗彈由被試引信和非導磁金屬材料制成的電樞構成，通過絕緣底座進行連接。

圖1　工作原理圖Fig.1 Diagram of system working princip1e

系統工作過程為：1）將被試引信和電樞連接在一起，置于驅動線圈構成的炮管內，然后利用充電裝置對脈沖儲能電容器C充電，使其兩端帶有很高的電壓；2）閉合觸發開關S，儲能電容器對驅動線圈放電，產生脈沖磁場，并在試驗彈電樞上感應出感應電流，帶有感應電流的電樞在磁場作用下會受到電磁力作用，從而將試驗彈發射出去，用以模擬引信在發射過程中受到的高過載環境。

2 引信電磁屏蔽機構

從電磁驅動式引信過載試驗裝置的工作原理可知，其工作過程中會產生脈沖磁場。因此需要采用合適的屏蔽罩對引信進行電磁防護，盡量使引信不受磁場的影響。

屏蔽罩一方面要能將引信完整的包覆，確保良好的屏蔽效果；另一方面要能夠拆卸，便于引信的安裝?；谶@些方面的考慮，設計的屏蔽罩應該是可拆卸的全封閉結構，如圖2所示為屏蔽罩整體結構分解圖。

圖2　屏蔽罩結構分解圖Fig.2 Fxp1oded view of ho1istic shie1ding cover

屏蔽罩由兩部分組成，分別為上屏蔽罩、下屏蔽罩，屏蔽罩內部還有一個引信托盤用以固定引信。上、下屏蔽罩由螺釘固定，連接在底座上，而固定引信的引信托盤用螺釘固定在下屏蔽罩上面。這種結構的屏蔽罩可以實現拆卸，實現屏蔽罩的全密封，達到較好的屏蔽效果。

3 引信電磁屏蔽效果分析

為了對比分析電磁屏蔽罩對磁場的屏蔽效果，利用Ansoft三維電磁仿真軟件的瞬態求解器對電磁驅動式引信過載試驗系統進行仿真分析。

3.1仿真模型建立

為簡化計算，假設試驗彈和驅動線圈中心重合，因此可將系統簡化為二維對稱結構，以z軸為對稱軸，在Oxz平面建立的仿真模型如圖3所示。

圖3中，驅動線圈的長度為110 mm，內半徑為53 mm，徑向厚度為30 mm，匝數為80匝，材料為銅；電樞的軸向長度為60 mm，徑向厚度為30 mm，內半徑為11 mm，材料為鋁；引信的口徑為φ70 mm，總長度為85 mm；引信固定座直徑φ80 mm，高30 mm；屏蔽罩厚度為10 mm.邊界條件選為氣球邊界。

為更真實的模擬試驗環境，驅動線圈的激勵源采用外電路供電，激勵源電路如圖4所示。儲能電容器的電容量為1200 μF，初始電壓為8000 V，回路等效電阻為0.052 Ω.外電路建立完畢以后，將其導入模型之中，實現外部電路和仿真模型中驅動線圈激勵源的映射。

圖3　仿真模型Fig.3 Simu1ation mode1s

圖4　激勵源電路Fig.4 Fxcitation source circuit

3.2無屏蔽罩時磁場分析

以圖3和圖4建立的仿真模型為例，分析在沒有屏蔽罩的情況下（即將圖3中的屏蔽罩材料設為空氣并隱藏），驅動線圈放電產生的脈沖磁場對引信的影響。由于脈沖磁場強度是不斷變化的，因此選取幾個時刻的電磁場進行分析。通過計算可知，在t=1 ms時，驅動線圈的放電電流達到峰值為11 kA.所以選取t=1 ms時刻，分析驅動線圈放電產生的脈沖磁場特性。對圖3所示的仿真模型進行計算后得到的磁場分布圖如圖5、圖6所示。

圖5　無屏蔽罩時驅動線圈磁場（t=1 ms）Fig.5 Magnetic fie1d of drive coi1 without shie1ding cover（t=1 ms）

圖6　無屏蔽罩時引信磁場（t=1 ms）Fig.6 Magnetic fie1d of fuze without shie1ding cover（t=1 ms）

從圖5中可以看出：整個計算場域的磁場分布呈現不規則變化，電樞和驅動線圈之間的區域磁場強度最高，從峰值磁場處向四周逐漸減弱，呈散射狀；離驅動線圈越遠的地方，磁場強度越弱，在距離較遠的地方，磁場幾乎不再產生影響。對照磁場強度分布圖左側的刻度表可以看出：引信在沒有屏蔽罩時，在1 ms時刻，驅動線圈放電產生的峰值磁場最強為9.9 T，而此時驅動線圈放電產生的脈沖磁場對引信確實產生了影響。從圖6中可以看出，引信在脈沖磁場作用下，其下邊沿處的峰值磁場可達1.54 T.這個磁場可能會對引信的可靠性、安全性產生影響，使其失效。

為進一步分析脈沖電流的變化對磁場產生的影響，選取電流值開始下降之后的時刻分析驅動線圈產生的磁場，其中1.5 ms時刻的磁場如圖7和圖8所示。驅動線圈產生的峰值磁場大約為7 T，引信區域的峰值磁場大約為0.83 T，隨著驅動線圈放電電流的減小，盡管峰值磁場也呈現減小的趨勢，但是磁場對引信的影響依然存在。

圖7　無屏蔽罩時驅動線圈磁場（t=1.5 ms）Fig.7 Magnetic fie1d of drive coi1 without shie1ding cover （t=1.5 ms）

圖8　無屏蔽罩時引信磁場（t=1.5 ms）Fig.8 Magnetic fie1d of fuze without shie1ding cover （t=1.5 ms）

圖9　有屏蔽罩時驅動線圈磁場（t=1 ms）Fig.9 Magnetic fie1d of drive coi1 with shie1ding cover （t=1 ms）

圖10　有屏蔽罩時引信磁場（t=1 ms）Fig.10 Magnetic fie1d of fuze with shie1ding cover（t=1 ms）

3.3鋁制屏蔽罩防護效果分析

為了消除或減小磁場對引信產生的干擾，必須為引信添加相應的電磁屏蔽罩。利用圖3所示的帶屏蔽罩的仿真模型進行仿真計算，并將屏蔽罩材料設為鋁，得到t為1 ms、1.5 ms時刻驅動線圈放電產生的磁場和引信區域磁場強度，如圖9～圖 12所示。

從圖9可以看出，當引信安裝了鋁制防護罩以后，在1 ms時刻，驅動線圈放電產生的最強磁場位于電樞和驅動線圈之間區域，峰值磁場為9.3 T，從圖10可以看出，引信處的峰值磁場為0.17 T.仿真表明，通過鋁制防護罩，引信區域的磁場得到了明顯的減弱，從而證明了通過防護罩的電磁屏蔽效果。

從圖11可以看出，在1.5 ms時刻，驅動線圈放電產生的最強磁場約為7.5 T.仿真結果表明，隨著驅動線圈放電電流的減小，其產生的磁場也相應發生了衰減，而此時試驗彈的位移為44 mm.從引信區域的磁場特性可以看出，其峰值磁場約為0.37 T，其磁場的強度反而增強了。分析其原因，主要是因為隨著試驗彈速度的增大，驅動線圈放電產生的磁場對保護罩的作用減弱。根據楞次定律，鋁制保護罩中磁場的減弱，會產生感應電流，該感應電流產生的磁場會加強磁場的強度，從而使得引信區域的磁場有一定程度的增強。但是，從總體上，引信的保護罩起到了一定的電磁防護作用。

3.4鋁鋼復合屏蔽罩防護效果分析

為了進一步提高引信的電磁屏蔽效果，將10 mm厚的鋁制材料制成引信電磁防護罩改為5 mm厚的鋁制防護罩和5 mm厚的鋼制防護罩，其中內防護罩為鋼質材料制成，外側防護罩為鋁制材料制成。為驗證復合材料制成的防護罩對引信的電磁屏蔽效果，利用圖3所示的仿真模型進行了數值仿真，仿真后得到驅動線圈的磁場和引信區域的磁場強度，分別如圖13～圖16所示。

從圖13可以看出，在采用復合材料制成的引信防護罩之后，對驅動線圈產生的磁場基本沒有影響，在t=1 ms時，驅動線圈的峰值磁場強度大約為9.3 T.但是對于引信區域來說，其磁場發生了非常顯著的變化，從圖14可以看出，在1 ms時，引信磁場最強的部位依然為其右下側的邊緣處，峰值磁場大約為4.2×10-5T，比采用單一鋁制材料制成的防護罩，減少了大約99.98%.由此可見，采用復合材料制成的引信電磁屏蔽罩，效果非常理想。

圖11　有屏蔽罩時驅動線圈磁場（t=1.5 ms）Fig.11 Magnetic fie1d of drive coi1 with shie1ding cover（t=1.5 ms）

圖12　有屏蔽罩時引信磁場（t=1.5 ms）Fig.12 Magnetic fie1d of fuze with shie1ding cover （t=1.5 ms）

圖13　復合屏蔽罩時驅動線圈磁場（t=1 ms）Fig.13 Magnetic fie1d of drive coi1 with composite shie1ding cover（t=1 ms）

圖14　復合屏蔽罩時引信磁場（t=1 ms）Fig.14 Magnetic fie1d of fuze with composite shie1ding cover（t=1 ms）

圖15　復合屏蔽罩時驅動線圈磁場（t=1.5 ms）Fig.15 Magnetic fie1d of drive coi1 with composite shie1ding cover（t=1.5 ms）

在采用復合材料屏蔽罩之后，在t=1.5 ms時，驅動線圈放電產生的峰值磁場強度大約為7.2 T，而引信區域的磁場主要集中在其右下方的邊緣處，峰值磁場大約為3.4×10-4T.同樣是由于防護罩產生的感應電流激發了磁場，使得引信處的磁場有一定的增強，但是對引信的影響不大。

由此可見，采用鋼和鋁制成的復合屏蔽罩，可以得到更好的屏蔽效果。

圖16　復合屏蔽罩時引信磁場（t=1.5 ms）Fig.16 Magnetic fie1d of fuze with composite shie1ding cover（t=1.5 ms）

4 試驗驗證

為了驗證不同防護材料的電磁屏蔽效果，加工了鋁制和鋼質材料的電磁屏蔽罩，如圖17所示。

圖17　屏蔽罩Fig.17 Shie1ding cover

在屏蔽罩內利用環探頭測量磁場信號，環探頭通過非金屬固定裝置使其與屏蔽罩內側同軸放置，并通過50 Ω的同軸電纜連接示波器。然后將整個屏蔽罩和試驗彈連接后，放置在電磁驅動器中。將試驗彈固定不動，電源向驅動線圈放電。

通過環探頭和示波器測得探頭的輸出電壓波形，即磁場的時間變化率，如圖18所示。對探頭輸出感應電動勢作積分處理之后，得到在鋁制防護罩、鋁鋼復合防護罩下的時域磁感應強度，不同屏蔽罩下測得的峰值磁感應強度如表1所示。

圖18　環探頭輸出電壓Fig.18 Output vo1tage of 1oop probe

表1　峰值磁感應強度測試結果Tab.1 Fxperimenta1 resu1ts of the peak va1ue of magnetic fie1d

從表1可以看出，實際試驗中，采用復合材料屏蔽罩后，其峰值磁場比采用單一的鋁制屏蔽罩磁感應強度減少2個數量級以上。

5 結論

仿真分析了電磁驅動式引信過載實驗裝置中引信處的磁場環境，設計了兩種屏蔽罩結構，并進行了屏蔽效果分析，得出如下結論：

1）電磁驅動式引信過載試驗裝置產生的脈沖磁場對被試引信產生了影響，在沒有對被試引信采用電磁加固措施時，引信處的最大磁場強度可達1.54 T（1 ms時）。

2）對比分析鋁制和鋼鋁復合材料屏蔽罩，復合材料的屏蔽罩具有更好的防護效果，相對鋁制防護罩，被試引信處的磁場強度可降低99.98%（1 ms時）。

（References）

［2］齊杏林，楊清熙，文健，等.基于氣體炮的引信動態模擬方法綜述［J］.探測與控制學報，2011，33（4）：1-6. QI Xing-1in，YANG Qing-xi，WFN Jian，et a1.Summary of fuze dynamic simu1ation based on gas gun［J］.Journa1 of Detection& Contro1，2011，33（4）：1-6.（in Chinese）

［2］錢海鷹，高汝明，王虹旋.引信液體儲備電池雙環境力模擬裝置仿真研究［J］.強度與環境，2013，40（1）：58-63. QIAN Hai-ying，GAO Ru-ming，WANG Hong-xuan.Study onsimu1ation of doub1e environmenta1 forces of 1iquid reserve battery for fuses［J］.Structure&Fnvironment Fngineering，2013，40（1）：58-63.（in Chinese）

［3］楊清熙，齊杏林，趙志寧，等.撞擊減速法模擬引信后坐加速度的影響因素［J］.彈箭與制導學報，2012，32（3）：111-117. YANG Qing-xi，QI Xing-1in，ZHAO Zhi-ning，et a1.The inf1uencing factors of recoi1 acce1eration of fuze simu1ated by impact and dece1eration method［J］.Journa1 of Projecti1es，Rockets，Missi1es and Guidance，2012，32（3）：111-117.（in Chinese）

［4］詹超，向紅軍，雷彬.基于電磁驅動的引信動態模擬研究［J］.裝甲兵工程學院學報，2015，29（2）：56-64. ZHAN Chao，XIANG Hong-jun，LFI Bin.Reasearch on fuze dynamic simu1ation based on e1ectromagnetic coi1 1auncher［J］.Journa1 of Academy of Armored Force Fngineering，2015，29（2）：56-64. （in Chinese）

［5］詹超，雷彬，向紅軍，等.引信發射后坐環境模擬方法及應用綜述［J］.軍械工程學院學報，2015，27（5）：28-31. ZHAN Chao，LFI Bin，XIANG Hong-jun，et a1.Fuze recoi1 dynamic simu1ation methods and app1ication［J］.Journa1 of Ordnance Fngineering Co11ege，2015，27（5）：28-31.（in Chinese）

［6］Fair H D.Advances in e1ectromagnetic 1aunch science and techno1ogy and its app1ications［J］.IFFF Transactions on Magnetics，2009，45（1）：225-230.

［7］楊玉東，薛文.電磁發射裝置電-磁-熱-場分布的分析與仿真［J］.火力與指揮控制，2015，40（6）：145-151. YANG Yu-dong，XUF Wen.Ana1ysis and simu1ation of e1ectric fie1d and magnetic fie1d and therma1 fie1d distribution for e1ectromagnetic 1aunch［J］.Fire Contro1 and Command Contro1，2015，40（6）：145-151.（in Chinese）

［8］劉書蒙，雷彬，李治源，等.線圈驅動器驅動線圈的設計及試驗研究［J］.國外電子測量技術，2011，30（8）：54-57. LIU Shu-meng，LFI Bin，LI Zhi-yuan，et a1.Design and test of drive coi1 of coi1 driver［J］.Foreign F1ectronic Measurement Techno1ogy，2011，30（8）：54-57.（in Chinese）

［9］趙科義，李治源，程樹康，等.同步感應線圈炮內磁場及渦流場分析［J］.高電壓技術，2008，34（3）：492-495. ZHAO Ke-yi，LI Zhi-yuan，CHFNG Shu-kang，et a1.Finite e1ement ana1ysis of magnetic fie1d and eddy fie1d in synchronous induction coi1-gun［J］.High Vo1tage Fngineering，2008，34（3）：492-495.（in Chinese）

［10］何娜，王擎宇，芮萬智.電磁發射用直線感應電機位置檢測系統［J］.電機與控制學報，2015，19（11）：10-16. HF Na，WANG Qing-yu，RUI Wan-zhi.Position measurement system for 1inear induction motor app1ied in e1ectromagnetic emission system［J］.F1ectric Machines and Contro1，2015，19（11）：10-16.（in Chinese）

［11］Cao Y J，Liu W B，Li R F，et a1.Study of discharge position in mu1ti-Stage synchronous inductive coi1gun［J］.IFFF Transactions on Magnetics，2009，45（1）：18-521.

［12］Zhang T，Guo W.Fxperimenta1 resu1ts from a 4-stage synchronous induction coi1gun［J］.Transactions on P1asma Science，2013，41（5）：1084-1088.

Electromagnetic Shielding of Overload Experiment Device for Fuze Based on Electromagnetic Driving Technology

WANG Wen-Hao1，BI Shi-hua1，XIANG Hong-jun2
（1.Schoo1 of Aerospace Fngineering，Beijing Institute of Techno1ogy，Beijing 100081，China；2.Department of Ammunition Fngineering，Ordnance Fngineering Co11ege，Shijiazhuang 050003，Hebei，China）

The e1ectromagnetic driving techno1ogy can be used to simu1ate the high over1oad environment in the process of fuze 1aunching，but it may stimu1ate magnetic fie1d，which has negative effects on the test fuze.Thus，it is necessary to take the e1ectromagnetic shie1ding measures for test fuze.The structure and working princip1e of the over1oad experiment device for fuze based on e1ectromagnetic driving is introduced，and then the e1ectromagnetic shie1ding cover for test fuze is designed.A simu1ation mode1 is estab1ished for fuze over1oad experiment device based on e1ectromagnetic driving，and then the intensity of magnetic fie1d in fuze is ana1yzed at three occasions：without shie1ding cover，shie1ding cover made by a-1uminum，shie1ding cover made by a1uminum and stee1.The resu1ts show that the maximum magnetic fie1d in fuze is 1.54 T，0.17 T and 4.2×10-5T at the occasions mentioned above，respective1y，which means that the shie1ding cover made by a1uminum and stee1 has better shie1ding performance.

ordnance science and techno1ogy；fuze；e1ectromagnetic driving；over1oad；e1ectromagnetic shie1ding；pu1sed magnetic fie1d

TM303

A

1000-1093（2016）05-0909-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.05.019

2016-02-15

國家自然科學基金項目（51477181）

王文豪（1981—），男，博士研究生。F-mai1：86532401@163.com；畢世華（1964—），男，教授，博士生導師。F-mai1：bishihua@bit.edu.cn