電磁炮膛內電磁分布與抗干擾研究

周 維，朱建良，吳 濤

(南京理工大學 自動化學院，南京 210094)

作為一種新型發射方式，導彈的電磁發射技術以法拉第電磁感應定律為基礎，通過產生電磁力，從而推動導彈的運動[1]。與常規火炮相比，電磁軌道炮的發射速度高，過程響應快[2]，脫離炮口時的動能大而且工作穩定。但是更高的性能也帶來了更惡劣的膛內環境，除了更高的加速度外，還有脈沖電流在導軌與電樞上感應產生的脈沖強磁場，磁通突變感應產生的強電場，此外還有高溫場和等離子輻射的影響[3]。

電磁屏蔽是指使用導電或者導磁材料制成各種結構形式，將電磁干擾源限制在一定的空間范圍內，使干擾源產生的電磁場經過屏蔽體時受到很大衰減，從而抑制電磁干擾源對相關設備和空間的干擾[4]。對電磁干擾進行防護屏蔽主要包含三個方面，限制干擾源，切斷傳播路徑和避開敏感設備[5]。軌道炮電磁屏蔽技術的研究非常困難，主要是因為磁場具有高強度和低頻特性[6]，而且屏蔽研究大多停留在仿真分析，難以進行多次試驗研究。

現有關電磁發射技術的研究主要集中在導軌、電樞等方面，很少涉及電磁屏蔽技術。部分學者分析了添加屏蔽體對于電磁場環境的影響，但是忽略了實際問題中屏蔽體使用材料應當符合炮彈工藝，一般炮彈使用的材料為低合金超高強度鋼。經試驗，該材料可以屏蔽一般較弱的磁場，但對脈沖強磁場的屏蔽力度較低。本文利用Maxwell16.0軟件進行仿真對比，研究了不同材料屏蔽效果的差異性，并利用脈沖磁場發生裝置模擬發射環境進行試驗，對比分析了不同材料屏蔽體對強磁場的屏蔽性能，旨在為今后導彈強磁場屏蔽體設計提供材料支撐。

1 電磁炮膛內磁場環境分析

1.1 建立電磁軌道炮三維模型

電磁軌道炮組成如圖1所示，導軌間電樞連接兩個導軌構成電流回路，回路中的電流I為瞬態脈沖強電流，可達MA量級，等效電路模型如圖2所示。

利用仿真軟件Maxwell16.0建立軌道炮的三維簡易模型。銅質導電導軌長1000 mm，橫截面長30 mm寬40 mm，導軌間距40 mm，放置U型鋁制電樞，與銅導軌構成導電通道[7]。采用自適應網格剖分，在施加了電流源的導軌端以及電樞部分進行網格加密處理，可以在加快仿真運算速度的同時保證運算精度[8]。軌道炮的三維簡易模型及網格剖分示意圖如圖3所示。

電磁軌道炮的發射響應快和高初始速度決定了它所使用的電源必須能夠在幾毫秒內提供幾兆焦耳的電能，所以選用雙指數脈沖電流作為仿真激勵源[9]，表達式為：

I=1.449×106×(e-504t-e-4862t)

電流持續時間為5 ms，在0.5 ms時就可以達到1MA的峰值，波形如圖4所示。

圖1 電磁軌道炮 圖2 電磁軌道炮等效電路

圖3 網格剖分示意圖 圖4 雙指數脈沖電流

1.2 電磁軌道炮膛內磁場的空間分布特性

電磁軌道炮的磁通密度情況如圖5和圖6所示，其中圖6為電樞部位分布情況。受電流趨膚效應的影響,電流密度最高處對應區域的磁通密度也最高，電樞內表面磁通密度最大值為28.8 T，遠遠高于各點電樞前端各處。

圖5 磁通密度分布 圖6 電樞磁通密度分布

考察電樞前端的磁通密度分布。發射環境磁場方向主要垂直于發射面，設置一個平行于電樞的考察面，考察平面長50 mm寬30 mm，平面上均勻設置6個考察點，電樞前端的磁通密度分布情況如圖7和圖8所示。靠近電樞側磁通密度最高，約為3.48 T，遠離電樞側最低，約為0.62 T，發射環境的磁通密度沿空間遞衰減。

圖7 考察面磁通密度分布 圖8 考察點磁通密度值

2 磁場屏蔽

2.1 電磁屏蔽材料

屏蔽材料分為3種，分別是良導體材料、鐵磁材料和復合材料[10]。導電材料屏蔽機理分為2種，渦流消除和磁通分流。

在Maxwell16.0軟件的渦流求解器環境下模擬不同材料的磁屏蔽效果，電樞前端放置直徑30 mm防護殼，內有直徑26 mm空腔，分別設置常用防護殼材料不銹鋼、鈦和鐵，經解算后磁通分布如圖9～圖11所示。

圖9 不銹鋼材料屏蔽結果 圖10 鈦材料屏蔽結果

仿真結果表明，鐵可以完全屏蔽外界磁場，但是鐵材料在防護殼中不宜大量使用，一般導彈使用的防護殼材料為低合金超高強度鋼，該材料具有良好的綜合性能以及足夠的韌性。

對低合金超高強度鋼的強磁屏蔽能力進行實驗分析，利用脈沖磁場發生器模擬發射環境，脈沖磁場發生裝置如圖12所示，包含1個機柜、1個負載箱、1個電容機柜和1個螺線管。螺線管由N匝銅線圈構成，電容機柜充電完畢后進行放電，大電流快速流過N匝銅線圈，使得螺線管腔內產生脈沖強磁場。

圖11 鐵材料屏蔽結果 圖12 脈沖磁場發生器

將霍爾元件置于低合金超高強度鋼制成的防護殼中進行強磁屏蔽測試，選取0.1 T與2.5 T磁場，屏蔽后的磁場環境如圖13～圖16所示。

圖13 0.1 T磁場波形 圖14 0.1 T峰值磁場波形

圖15 2.5 T磁場波形 圖16 0.1 T峰值磁場波形

選取0.1 T，0.5 T，1 T，1.5 T，2 T，2.5 T磁場值進行屏蔽試驗，記錄10 ms峰值磁場值與屏蔽后的峰值磁場值，并計算屏蔽率(見表1)所示。

表1 材料屏蔽數據

低合金超高強度鋼對磁場具有一定的屏蔽效用，在100 mT磁場下屏蔽率達到76.6%，隨著磁場的增大，屏蔽效果減小，對2.5 T磁場屏蔽率只有8.29%。一塊強磁鐵的磁場強度在60 mT左右，說明該材料可以屏蔽絕大部分普通磁場，但是對于電磁軌道炮發射環境的2.5 T的強磁場屏蔽性能不達標。

2.2 鍍鎳工藝

通過電解或化學方法在鋁上沉積鎳層的過程被稱為鍍鎳。鍍鎳分為電鍍鎳和化學鍍鎳[13]。利用Maxwell16.0軟件進行仿真分析，在鋁材質炮彈的表面加一層0.01 mm的鎳薄膜，解算結果如圖17所示。

圖17 鋁表面鍍鎳后的磁場分布的仿真結果

設置考察面穿插在電樞前端平面與炮彈內平面，鍍鎳之后，電樞與空氣交界處的磁場環境對比鮮明，炮彈內腔的磁場得到了有效屏蔽。

2.3 強磁沖擊試驗

2.3.1試驗設備

數字三軸羅盤是一款高集成的姿態測量產品(見圖18)，片上集成三軸磁阻傳感器及兩軸傾角傳感器，磁阻傳感器電路圖如圖19所示，設計成單軸HMC1021和雙軸HMC1022，提供三軸方向上的磁傳感。對該羅盤的磁阻傳感器進行強磁沖擊測試，該傳感器將磁場轉換成差分輸出電壓，對磁場較敏感，能傳感強度低至3 nT的磁場，故選作強磁沖擊測試器件。

圖18 數字三軸羅盤 圖19 磁阻傳感器電路圖

由于環境、磁偏角、測量器件等影響，磁羅盤測量出來的磁場一般為偏離中心的橢圓，需要通過標定還原中心圓，根據橢圓擬合算法求出羅盤補償參數，包括平移量和伸縮量。可視化界面如圖20所示。

圖20 三軸羅盤可視化界面

三軸羅盤磁場采樣值與標定后的磁場的數據如圖21所示。藍色點為原始的采樣點(Raw Compass Data，RCD)，紅色點為標定后的磁場數據點(Conditioned Compass Data，CCD)，經過橢圓擬合運算，通過平移和伸縮，將地磁場采樣數據還原為中心圓。

圖21 平面標定羅盤數據RCD(藍)和CCD(紅)

2.3.2沖擊后設備情況

將標定后的羅盤置于鍍鎳防護殼內，對其施加不小于10 ms的2.5 T脈沖強磁場，利用霍爾元件實時測量脈沖磁場強度，獲得的羅盤磁場采樣值如圖22所示。強磁沖擊后，羅盤仍能較為準確地測量出敏感的地磁場，內部存儲的橢圓擬合補償參數偏移量與伸縮量在強磁沖擊后保存完好，能對磁場進行正常補償。

圖22 受沖擊后羅盤數據CCD

為進一步驗證存儲的數據在強磁沖擊后是否丟失，如RAM中的數據，編寫修改波特率程序對羅盤功能進行拓展，羅盤默認比特率為19 200，由串口發送命令行，指令集如表2所示。

表2 切換波特率指令集

新波特率由Flash寫入RAM，重新上電后再由RAM讀入Flash，修改波特率命令行如圖23所示。串口發送修改命令，重新上電前羅盤波特率仍為19 200，串口以200 Hz的頻率向外輸出數據。

圖23 串口發送與輸出修改波特率命令

掉電后將羅盤置于鍍鎳防護殼內，對其施加不小于10 ms的2.5 T脈沖強磁場，重新上電查看其波特率保存情況，串口參數波特率調整到9600，可以輸出數據，發送命令行查詢當前波特率，如圖24所示。收到當前波特率為9600，存儲在RAM里的波特率在強磁沖擊后保存完好，羅盤可以正常運行。

圖24 串口發送與輸出查詢波特率命令

3 結論

一般炮彈使用的低合金超高強度鋼材料可以對普通磁場環境進行有效屏蔽，但是軌道炮發射時產生的瞬態強磁場達到2.5 T，該材料對此屏蔽性能較差。利用鍍鎳工藝在防護層表殼鍍一層0.01 mm的鎳，經多次試驗證明，鍍鎳操作可以進行有效強磁場屏蔽。