強磁場對電磁發(fā)射彈藥引信的危害及防護

羅會彬，梅新華

（1.中國船舶重工集團有限公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003；2.中國船舶重工集團有限公司鵬力（南京）大氣海洋信息系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

電磁炮彈藥技術(shù)滯后的原因主要有4個方面：

1）以動能作為毀傷手段的彈藥，認為高速彈丸所產(chǎn)生的動能直接作用到目標上，所產(chǎn)生的破壞效果比化學反應的爆炸大得多[3-5]，無需過多研究動能毀傷以外的彈藥技術(shù)；

2）彈藥中火工品及主裝藥在強磁環(huán)境中的安定性及強磁防護問題；

3）彈藥中活動零部件的設計及防護問題；

4）彈藥中電路的強磁環(huán)境耐受性及防護問題。

在電磁炮彈藥技術(shù)工程化之前，上述4個問題中，后3個問題必須得到徹底解決。本文意在研究強磁場環(huán)境對彈藥引信的危害，以及探討引信對強磁環(huán)境的防護方法，涉及到引信中活動零部件的設計及防護、引信中電路的強磁環(huán)境耐受性及防護2個方面。

兩輛馬車，車廂均為黑色，這并不奇怪，奇怪的是，車廂的四壁，居然圍成橢圓形，讓人感到滑稽。這種形狀是何道理？難道說是為了大風天減少阻力，便于行走？雖說肩負重要使命，李陸峰的心中還是閃過這樣的念頭。

關(guān)于彈藥中電路的強磁環(huán)境耐受性及防護的研究，胡偉[6]等研究了基于軌道炮發(fā)射的強磁場對近炸引信電路產(chǎn)生干擾問題，建立了相應的磁場模型，理論分析了電磁屏蔽原理，對屏蔽效能進行了評估，針對不同的磁場頻率，開展了鐵磁材料、銅的屏蔽效果試驗驗證工作。研究結(jié)論是“有效屏蔽電磁發(fā)射彈藥發(fā)射過程中產(chǎn)生的膛內(nèi)強磁場是可行的”。另外，胡偉等的論文中指出“近炸引信在印制板水平或垂直方向時，均可適應最大1.47 T的振蕩磁場環(huán)境，滿足電磁發(fā)射彈藥近炸引信所處頭部處最大磁場強度0.5 T環(huán)境要求”。但論文中沒說明近炸引信是通電狀態(tài)還是非通電狀態(tài)。一般而言近炸引信應在出膛后相當遠的距離后才開始工作，應不存在在膛內(nèi)通電工作的問題。相對于通電狀態(tài)，非通電狀態(tài)的電路，其對強磁場環(huán)境的適應能力要強得多，具體情況下文分析。吉曉菲等[7]同樣基于軌道炮，研究了采用導磁導電材料構(gòu)成的雙屏蔽層屏蔽電磁炮彈藥遙測裝置的問題，仿真結(jié)果表明所提出的方法屏蔽效果達28.026 dB，顯然這是一個可觀的數(shù)據(jù)，但這一結(jié)果文中并沒給出試驗驗證結(jié)論。王文豪等[8]雖沒直接研究電磁炮的相關(guān)問題，但所用的電磁驅(qū)動式引信過載試驗裝置實質(zhì)上可看成是單級線圈炮。參考文獻[8]提出：采用鋁鋼復合材料制成的引信電磁屏蔽罩，效果非常理想；但其在結(jié)論中提到是屏蔽磁感應強度為1.54 T的試驗結(jié)果，且屏蔽結(jié)構(gòu)為鋁、鋼，厚度各為5 mm，相對于引信而言，這樣的重量和體積顯然難以接受，且1.54 T的場強相對較易屏蔽。當然，作為引信實驗裝置，該法仍有較強的實用性。

從有限的文獻分析，有關(guān)彈藥中電路的強磁環(huán)境耐受性及防護，現(xiàn)有研究大都集中理論仿真層面，在實施層面有進一步開展研究的必要，至于結(jié)論是否是基于軌道炮還是線圈炮而得到這一點并不重要，重要的是找到切實可行的強磁防護方法。

彈藥引信中安全保障機構(gòu)大都含在活動零部件，引信的安全保障機構(gòu)是彈藥安全性的重要保障，必須給予足夠的重視，基于此原因，姚寶珍等[9]提出了相應的方法，該方法是利用彈丸出炮口后的爬行力過載作為安保系統(tǒng)第2級保險解除的環(huán)境信息。第1級保險在膛內(nèi)啟動，在出炮口后延期解除，第2級為機電結(jié)構(gòu)，其所用電池由第1級保險解除后激活，因此第2級解保無活動部件，但第1級是否存在不得而知，如果存在，怎么處理，這也是本文研究的內(nèi)容之一。

1 危害分析

1.1 對活動零部件的危害

強磁場對活動零部件的危害主要是使其誤動作，包括應該動作時不能動作，不應該動作時卻動作2種情況。慣性作為常用的解保環(huán)境力，在電磁發(fā)射彈藥引信中也有應用[9]，若采用機械式慣性保險裝置，則上述2種危害將同時存在：

1）正常情況下慣性保險裝置感知發(fā)射過載而解保，但由于磁場作用，使得在慣性保險件產(chǎn)生的電磁力阻止了慣性保險件運動，導致解保失效，或因慣性保險件相關(guān)的結(jié)構(gòu)因電磁力而變形，使慣性保險件運動受阻而導致解保失效；

2）由于磁場作用，使得慣性保險件受電磁力的作用而提前運動，使得解保時序發(fā)生錯誤。同樣的機理，強磁場對彈藥引信安全系統(tǒng)中常用的隔爆機構(gòu)也會產(chǎn)生上述2種危害。

1.2 對電路的危害

強磁場對彈藥引信電路的危害有如下 2個方面：

1）電路結(jié)構(gòu)損壞（傷），金屬結(jié)構(gòu)件可能因強磁場的作用產(chǎn)生形變?nèi)灾翐p壞，圖1是電路模盒損壞前后情況對比。在傳統(tǒng)的印制電路板布線時常采用大面積敷銅結(jié)構(gòu)來減小干擾，這一措施在強磁場環(huán)境下引信電路卻存在危害風險，因強磁場作用可能導致大面積敷銅結(jié)構(gòu)剝落。

圖1 電路模盒損壞前Fig.1 State of circuit board before test

2）電路功能喪失，電路功能喪失包括電路工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)。

①電路工作狀態(tài)時的危害，試驗表明通用的電路在數(shù)十mT級磁感應強度靜磁場下可正常工作，百mT級時電路功能喪失，但這種喪失是可恢復的。即磁感應強度減小到數(shù)十mT級時，電路又恢復正常工作，進一步試驗表明，電路在工作狀態(tài)，可耐受約2 T磁感應強度的環(huán)境，盡管其功能已完全喪失，但磁場撤除后，電路功能性能既可恢復正常。

②電路非工作狀態(tài)時的危害，從已有的試驗數(shù)據(jù)分析，電路在非工作狀態(tài)時可承受5 T磁感應強度的強磁場環(huán)境。

上述①、②情況下，電路在何種強度的磁場環(huán)境條件下會永久性損傷，目前還沒有試驗數(shù)據(jù)支撐。

圖2 電路模盒損壞后Fig.2 State of circuit board after test

2 防護方法

2.1 強磁場分布仿真

本文的研究是基于線圈炮而展開的，仿真工作的主要內(nèi)容有：線圈炮的磁場分布，常用的屏蔽效果分析。

假設彈藥電樞上需要的最大磁感應強度為15 T，則線圈炮產(chǎn)生的最大磁感應強度應約為16 T靜磁場，線圈炮的磁場分布如圖3所示。

圖3 線圈炮的磁場分布Fig.3 Magnetic field distribution in coilgun

從圖3中可看出，炮管內(nèi)的磁感應強度沿炮管軸向衰減較快，離炮管中心（具體是線圈中心）一定距離時磁感應強度已由約15 T下降到約5 T。因此彈藥引信強磁場的防護方法之一是將引信布置在盡可能遠離電磁炮通電線圈的位置。

2.2 磁場屏蔽效果仿真

采用屏蔽減小磁感應強度是常用的方法，分主動屏蔽和被動屏蔽 2種，主動屏蔽需要較強的電能，在彈藥上難以實現(xiàn)，因此本論文只研究被動屏蔽。針對被動屏蔽問題，文獻[5]進行了較全面的研究，其分別采用導電、導磁材料設計了單層、多層組合屏蔽體。仿真研究了離彈底不同距離處的強磁場屏蔽效果，得出：在離電樞較近時，導電材料與導磁材料的屏蔽效能較低；屏蔽體距離電樞越遠時，導電材料的屏蔽效能不變；導磁材料的屏蔽效能逐漸提高，距離電樞 100 mm時屏蔽效能達到34 dB。但該文沒給出磁感應強度的絕對大小。事實上，磁感應強度越大，采用銅、硅鋼等材料屏蔽的效能越差，反之屏蔽的效能越好，但在工程應用上，將高磁感應強度大幅度降低更有意義。

采用導磁材料硅鋼和導電材料銅組成多層屏蔽，并將其設計成圓柱形屏蔽盒結(jié)構(gòu)進行仿真，圖3是屏蔽盒擬放置處（也是將來引信布置處）的磁感應強度分布情況。

由圖 4可知，引信布置處的磁感應強度約在3.02～5.36 T之間。

通過研究表明，屏蔽盒采用“硅鋼-銅-硅鋼”3層結(jié)構(gòu)有較好的屏蔽效果，仿真結(jié)果見圖4。

圖4 引信布置處磁場分布Fig.4 Magnetic field distribution around location of fuze

由圖 5可看出屏蔽盒內(nèi)磁感應強度在 0.85～4.90 T之間。對比圖3與圖4可知，相同位置最大磁感應強度由5.36 T下降到了4.90 T，最小磁感應強度由3.02 T下降到了0.85 T。可見屏蔽有減小磁感應強度的作用，因此，彈藥引信防護強磁場的方法之二是屏蔽。

圖5 屏蔽盒內(nèi)磁場分布Fig.5 Magnetic field distribution inside shielding box

分析上述數(shù)據(jù)還可發(fā)現(xiàn)，采用文中提出的屏蔽方法，存在磁感應強度最大值處下降幅度小、最小值處下降幅度大的現(xiàn)象。分析原因是：結(jié)構(gòu)的屏蔽能力取決于導磁材料的磁飽和強度，磁感應強度超過導磁材料的磁飽和強度越多，結(jié)構(gòu)的磁屏蔽效果越差。

2.3 磁場屏蔽效果驗證

雖然仿真表明采用“硅鋼-銅-硅鋼”3層結(jié)構(gòu)有較好的屏蔽效果，但由于硅鋼的工藝性較差，具體工程實施困難。因此，在實驗室進行屏蔽效果驗證試驗時，采用了一種工藝性較好的柔性導磁材料制造屏蔽結(jié)構(gòu)。

屏蔽效果驗證裝置為由柔性導磁材料制成的雙層屏蔽盒，試驗時線圈炮產(chǎn)生5 T的磁感應強度，以模擬引信所在位置的磁場環(huán)境。試驗結(jié)果：雙層屏蔽盒內(nèi)的最大磁感應強度為2.15 T，基本滿足電路在膛內(nèi)加電而不會永久損壞的要求。

2.4 小結(jié)

總體而言，電磁發(fā)射彈藥引信的強磁場防護方法有位置布局與柔性導磁材料屏蔽2種，一般情況是上述2種方法的組合。之所以特別強調(diào)柔性導磁材料屏蔽，是因為考慮了方法實施的可行性，如上述采用導磁硅鋼材料設計屏蔽結(jié)構(gòu)，但由于硅鋼材料工藝性差而不可實施。理論上還許多可用于磁屏蔽的材料，如鐵氧體[10]、鉑鏌合金等。鐵氧體材料的磁飽和值比硅鋼材料高，理論上鐵氧體材料比硅鋼材料有更好的屏蔽效果，但同樣存在工藝性差的問題，且受到?jīng)_擊時鐵氧體材料還容易破損。鉑鏌合金也有較好的導磁特性，但這種材料在經(jīng)受高過載后其導磁特性會發(fā)生變化。而電磁發(fā)射時高過載也是彈藥必須經(jīng)歷的發(fā)射環(huán)境，故強磁屏蔽在理論上的可行方法，結(jié)合實際應用環(huán)境，卻不具有可實施性。

具體到引信中活動零部件對強磁場的防護，建議主要采用位置布局的防護方法，最徹底的方法是引信的零部件，無論是固定件還是活動件，均采用非金屬材料制造。

關(guān)于引信中電路對強磁場的防護，除采用位置布局與柔性導磁材料屏蔽組合防護方法外，還建議禁止在電路印制板上采用大面積敷銅結(jié)構(gòu)，不得已時可采用網(wǎng)格敷鋼結(jié)構(gòu)。另外，還應在分析彈藥工作時序的基礎(chǔ)上，決定電路是否必要在膛內(nèi)加電（此處僅僅是電路接通電源，而不是電路工作），如近炸引信的電路就完全沒必要在膛內(nèi)加電，特別強調(diào)防護的必要性，避免產(chǎn)生額外的工作。

3 結(jié)束語

本文分析了強磁場環(huán)境對電磁發(fā)射彈藥引信的危害，通過仿真和實驗室試驗，驗證了所提出防護方法的有效性、實用性。采用位置布局與柔性導磁材料屏蔽法，可為引信中的活動零部件、電路提供有效防護。需說明的是，本論文尚未摸清電路耐受磁場強度的極值，防護方法是基于已有的試驗結(jié)果而提出。因此，本文涉及的內(nèi)容還有進一步深入研究的必要。