電磁軌道炮膛內狀態(tài)測量系統(tǒng)研究

摘 要：為了提高電磁軌道炮的使用壽命和發(fā)射精度，文章通過研制膛內狀態(tài)測量裝置，利用磁探針和電壓傳感器對膛內發(fā)射過程進行測量，所得到的結論為研究電樞膛內加速過程、接觸狀態(tài)及轉捩時刻等具有很強的借鑒意義。

關鍵詞：軌道炮；磁探針；炮口電壓

1 概述

在電磁發(fā)射過程中，大電流通過導軌和電樞的接觸面時會產生大量熱量，使金屬電樞發(fā)熱至熔化甚至氣化，帶來的物質損失會導致接觸面喪失從而轉捩為電弧接觸，嚴重影響重復穩(wěn)定發(fā)射和炮膛的使用壽命。電磁軌道炮膛內狀態(tài)測量系統(tǒng)通過測量膛內電樞運動速度及炮口電壓等參數(shù)，考察膛內加速過程和電樞-軌道接觸情況。

2 系統(tǒng)組成及功能

膛內狀態(tài)測量裝置由磁探針、電壓傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊三部分構成。如圖1所示。將磁探針沿發(fā)射器軌道的軸線方向布置，可實現(xiàn)對電磁信號的檢測，得到電樞的運動狀態(tài)，而電磁軌道炮的炮口電壓在一定程度上可以反映出電樞與軌道間的接觸情況。

圖1 膛內狀態(tài)測量系統(tǒng)組成框圖

各部分功能分別描述如下：

（1）磁探針：放置于發(fā)射器預留位置，當電樞到達線圈所在位置時，線圈上感生的電壓信號通過屏蔽線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊；（2）電壓傳感器：放置于發(fā)射器炮口位置，與兩根內軌相連，當電樞出膛時，將發(fā)射器軌道上的高壓轉換為低壓并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集模塊；（3）數(shù)據(jù)采集模塊：具有上位機通信、觸發(fā)、數(shù)據(jù)采集等功能，當系統(tǒng)工作時，接收來自電壓傳感器和磁探針的電壓信號并對其進行A/D轉換，最終將數(shù)據(jù)上傳至上位機。

3 磁探針

磁探針又叫做磁場探測器，它是一個很小的導體環(huán)形圈，由于被測磁場變化，該線圈內的磁通會產生變化，從而產生感應電動勢，即該感應電壓與通過線圈的磁通變化率成正比。

磁探針根據(jù)法拉第電磁感應原理工作，磁場隨電樞運動而向前擴展，變化的磁場在磁探針中感應出變化信號[1-2]，因而磁探針信號的變化特征能夠反映出電樞的位置，這種性質可表達為：

磁探針由線圈和套管兩部分組成，探針長度可根據(jù)發(fā)射器進行調整，原則上盡可能接近發(fā)射器中心位置，探針插入發(fā)射器所預留的測量孔內，其底座部分通過連接器與發(fā)射器固聯(lián)，避免發(fā)射器沖擊振動對設備造成影響。

磁探針線圈信號線連接回路暴露在變化的磁場中，產生的感應電動勢造成誤差，會影響探針波形。為了解決這個問題，將漆包線互相交叉制作成雙絞線形式，連接過程中盡量減少信號線環(huán)路。磁探針線圈信號線以雙絞線的方式引入骨架內孔，并經由套管內的細孔與連接器的接線端子焊接，線圈骨架及套管采用絕緣性能良好的四氟材料。

4 電壓傳感器

炮口電壓是指軌道炮炮口處導軌之間的電壓，它可以清楚的反映出特定條件下電樞轉捩的開始時刻，其幅值的變化能夠反應出電樞與導軌之間從固體滑動接觸到等離子體電弧接觸的轉變過程[3-5]。炮口電壓測量裝置能夠對炮口的待測高電壓信號進行分壓，將其轉化為與膛內狀態(tài)測量裝置匹配的電壓信號。

電壓傳感器按照測量原理分為電阻分壓器、電容分壓器、電磁式電壓互感器、電容式電壓互感器和霍爾電壓傳感器等[6]。本測量系統(tǒng)對電壓傳感器的要求為精度高、可靠性高、體積小、易安裝。綜合考慮各因素，選擇電阻分壓器作為電壓傳感器。如圖5所示，電阻分壓器主要由高壓臂電阻R1和低壓臂電阻R2兩部分組成，其中，U1端連接發(fā)射器軌道，U2端連接數(shù)據(jù)采集模塊。

圖5 理想的電阻分壓器原理圖

理想狀況下低壓臂輸出電壓U2為：

5 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊結構圖如圖6所示，磁探針及電壓傳感器的輸出信號通過AD轉換信號調理電路的處理后進入AD轉換芯片，信號調理電路實現(xiàn)阻抗匹配及信號的雜散高頻信號的濾波，信號的放大以及幅值的限幅。16位高精度高速AD轉換器可實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的實時轉換，通過大容量FIFO對采樣數(shù)據(jù)進行緩存，數(shù)字信號控制器對信號進行分析處理，通過算法計算出電樞運行速度并輸出炮口電壓曲線。RS485接口電路實現(xiàn)與總控分系統(tǒng)的通信。電源管理電路實現(xiàn)對各個部分的供電。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結構框圖

6 測量結果

利用膛內狀態(tài)測量裝置對長度為1.5m、電樞質量為6g的串聯(lián)增強型發(fā)射器進行測量，試驗中充電電壓為2200V，對強電和弱電之間的聯(lián)系，采用光電隔離方式將試驗設備和測控設備隔開，防止陰極電位浮動帶來的地電位抬高對弱電測控系統(tǒng)產生干擾，確保弱電控制系統(tǒng)的可靠工作及人員安全。

磁探針測得的結果如圖7所示。

電樞經過三個探針時，軌道電流產生的磁場在線圈內部分別產生曲線的峰值點，經過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分析處理，得到三組速度值分別為1658m/s和1662m/s，可以看出電樞在膛內依然處于加速階段。

炮口電壓曲線如圖8所示。

在放電時刻的起始位置，炮口電壓存在一個反向峰值。這是由于串聯(lián)增強發(fā)射器外軌所包圍的面積從放電的起始時刻開始就產生了磁場，該磁場交鏈于電樞與內軌構成的開放環(huán)。當放電電流突然增大時，在該環(huán)中產生感應電動勢，來反抗原來交鏈線圈磁通的增加，故表現(xiàn)為炮口電壓信號的反向峰值。

在負向波形過后，炮口電壓波形平緩且幅值較低，說明電樞在膛內加速時，電樞與軌道間保持了比較穩(wěn)定的接觸狀態(tài)，沒有明顯的轉捩過程。當電樞出膛時，由于炮口電弧的生成，電壓突變，因此，可以從炮口電壓波形中判讀彈樞出炮口的時刻。

7 結束語

文章研制了用于電磁軌道炮的膛內狀態(tài)測量裝置，利用磁探針和電壓傳感器對膛內發(fā)射過程進行測量，研究結果表明：利用磁探針可以有效捕捉電樞在膛內的加速過程，而膛口電壓則能夠對電樞與軌道的接觸狀態(tài)、轉捩時刻、出膛時刻等進行判斷。

參考文獻

[1]Montgomery Smith L， Dennis R. Keefer. Railgun armature plasma current density from deconvolved B-dot probe signals[J].IEEE Trans on Plasma Science，1989，17（3）：501-506.

[2]Vanderburg A M， Stefani F. Measuring the Armature Position in a Railgun Using Embedded Permanent Magnets[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2011，39（1）：466-70.

[3]Parker J V. Experimental observation of the rail resistance contribution to muzzle voltage [in railguns][J].IEEE Transactions on Magnetics，1999，35（1）：437-41.

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[6]王瑩，肖峰.電炮原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1995：420-422.