平面螺旋線圈電磁發(fā)射裝置測(cè)速試驗(yàn)研究

郭春龍，雷 彬，李治源，羅又天

（軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，河北 石家莊 050003）

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)條件下，由于高新技術(shù)的發(fā)展，反裝甲武器及其他形式的攻擊趨于高效和復(fù)雜化，無(wú)論從種類、射距和空間范圍都對(duì)裝甲形成了全方位、立體的攻擊。隨著智能化反坦克彈藥的不斷發(fā)展，裝甲車輛在戰(zhàn)場(chǎng)上受到的威脅日趨嚴(yán)重，因此裝甲防護(hù)在現(xiàn)代武器系統(tǒng)中的作用日趨重要［1－3］。線圈感應(yīng)式平板攔截器是目前實(shí)現(xiàn)超高速主動(dòng)防護(hù)的有效方式之一。作為線圈感應(yīng)式平板攔截器的動(dòng)力機(jī)構(gòu)的平面螺旋線圈電磁發(fā)射裝置，在試驗(yàn)研究過(guò)程中，無(wú)論是分析發(fā)射裝置的發(fā)射效率，還是分析運(yùn)動(dòng)防護(hù)板的速度歷程，首先要解決的問(wèn)題就是對(duì)防護(hù)板速度的測(cè)量［4－5］。防護(hù)板速度的測(cè)量方法主要有兩種：第一種是采用高速攝像機(jī)拍攝整個(gè)發(fā)射過(guò)程，然后逐幀慢放，確定各個(gè)時(shí)刻的位置，進(jìn)而得到運(yùn)動(dòng)防護(hù)板的實(shí)時(shí)速度歷程；第二種方法是將多點(diǎn)光柵測(cè)速裝置安裝在防護(hù)板運(yùn)動(dòng)路徑上，利用光柵信號(hào)確定不同時(shí)刻防護(hù)板所在位置，進(jìn)而得到防護(hù)板的速度歷程。第一種測(cè)速方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)板運(yùn)動(dòng)速度的連續(xù)測(cè)量，但高速攝像機(jī)造價(jià)高昂；第二種測(cè)量方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)板速度的多點(diǎn)采集，但極易受到電磁干擾，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。鑒于以上測(cè)量方法存在的不足，筆者提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度較高、造價(jià)低的速度測(cè)量裝置——多層錫箔靶測(cè)速系統(tǒng)。

1 測(cè)速系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 測(cè)速系統(tǒng)組成

如圖1所示，測(cè)速系統(tǒng)主要由示波器、直流電源、緩沖隔離板以及由防護(hù)板與運(yùn)動(dòng)探針組成的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和由絕緣隔離板與錫箔片組成的測(cè)速靶等部分組成。

1.2 測(cè)速系統(tǒng)工作原理

以四層錫箔片測(cè)速靶為例說(shuō)明測(cè)速系統(tǒng)的工作原理。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)，電容器開(kāi)始放電，左側(cè)示波器CH1通道采集Rogowski線圈中的感應(yīng)電流波形，并認(rèn)為電容器開(kāi)始放電時(shí)刻為t＝0時(shí)刻；t＝t1時(shí)刻，運(yùn)動(dòng)防護(hù)板所受到的電磁力大于其靜摩擦力并開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)探針與錫箔片A 接觸，右側(cè)示波器通道CH1采集到帶有上升沿的電壓信號(hào)，而時(shí)間t1正是防護(hù)板的響應(yīng)時(shí)間，此后運(yùn)動(dòng)防護(hù)板在電磁力作用下繼續(xù)向指定方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)探針相繼刺穿錫箔片B、錫箔片C、錫箔片D，相鄰兩個(gè)錫箔片的觸發(fā)延時(shí)即是防護(hù)板在錫箔片間隔距離上的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，相鄰錫箔片的距離與運(yùn)動(dòng)時(shí)間的比值就是防護(hù)板在這一距離間隔的平均速度，將多個(gè)平均速度點(diǎn)進(jìn)行擬合，即近似認(rèn)為這一擬合曲線為防護(hù)板加速過(guò)程中的速度歷程曲線。

2 試驗(yàn)平臺(tái)集成

試驗(yàn)平臺(tái)主要由平面螺旋線圈電磁發(fā)射裝置、脈沖功率源、控制系統(tǒng)和測(cè)速系統(tǒng)等幾部分組成，試驗(yàn)裝置外觀如圖2所示。

2.1 電磁發(fā)射裝置

平面螺旋線圈電磁發(fā)射裝置由平面螺旋線圈、線圈加固外殼、防護(hù)板、底座和接線柱等組成。因新型電磁防護(hù)系統(tǒng)采用扁平結(jié)構(gòu)，因此在本試驗(yàn)中平面線圈繞制成跑道形平面螺旋結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有采用傳統(tǒng)的圓形平面螺旋結(jié)構(gòu)，線圈加固外殼材料為45＃鋼。線圈及加固外殼實(shí)物如圖3所示，線圈參數(shù)如表1所示。線圈繞制結(jié)構(gòu)為跑道形，線圈材料為紫銅。防護(hù)板采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，靠近線圈一側(cè)材料為鋁，厚度為4mm，起防護(hù)功能的另一側(cè)材料為鎢合金鋼，厚度為2.5mm，防護(hù)板總厚度為6mm，防護(hù)板總質(zhì)量為0.86kg。

表1 線圈結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

2.2 脈沖功率源

電磁發(fā)射裝置由單個(gè)功率源模塊提供能量。功率源模塊由電容器組、續(xù)流二極管和可控開(kāi)關(guān)等組成。電磁發(fā)射裝置各部分電路等效參數(shù)如表2所示，驅(qū)動(dòng)方式為單極性驅(qū)動(dòng)。

表2 電磁發(fā)射裝置主要參數(shù)

2.3 測(cè)速系統(tǒng)

測(cè)速系統(tǒng)按以下原則進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）在錫箔層數(shù)確定前進(jìn)行了仿真分析，結(jié)合在以往試驗(yàn)中積累的經(jīng)驗(yàn)，確定加速距離為2～4cm，加速時(shí)間小于1ms，以確定錫箔片的層數(shù)和錫箔片之間的距離。

2）在錫箔片組裝前，對(duì)錫箔片的厚度進(jìn)行了測(cè)量，使各層錫箔片的厚度偏差小于0.1%，對(duì)各層錫箔片之間的隔離絕緣板也進(jìn)行了類似的處理，測(cè)速靶參數(shù)如表3所示，測(cè)速靶結(jié)構(gòu)裝配圖如圖4所示。

表3 測(cè)速靶參數(shù)

從錫箔片上所采集的信號(hào)由采樣頻率為100 MHz的示波器采集，時(shí)間的離散化會(huì)引起錫箔片之間速度估計(jì)的誤差。在測(cè)速系統(tǒng)中，半周期的采樣時(shí)間誤差累計(jì)到一個(gè)采樣周期后Δτ＝10ns。由于錫箔片之間的距離也具有一定的不確定性，所以采用一定的機(jī)械裝置對(duì)絕緣隔離板進(jìn)行固定，以使得錫箔片之間距離的誤差控制Δl＝0.1mm 以內(nèi)。錫箔片之間的平均速度v按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：l為錫箔片之間的距離；τ為表示運(yùn)動(dòng)探針通過(guò)相鄰錫箔片的時(shí)間。由文獻(xiàn)可知，速度誤差Δv可表示為

如果彈丸的運(yùn)動(dòng)速度為50m／s，相鄰錫箔片之間的距離為4mm，持續(xù)時(shí)間為τ＝20μs，速度的相對(duì)誤差Δv／v＝2.55%。這一誤差可以認(rèn)為是由測(cè)速系統(tǒng)自身引起的誤差。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的測(cè)速裝置的可行性和穩(wěn)定性，進(jìn)行了防護(hù)板發(fā)射可行性試驗(yàn)和穩(wěn)定性試驗(yàn)。

3.1 可行性試驗(yàn)

試驗(yàn)中Rogowski線圈采集的感應(yīng)電流信號(hào)如圖5所示（1V 相當(dāng)于200kA），錫箔片上采集的響應(yīng)電壓信號(hào)如圖6所示。

通過(guò)對(duì)各層錫箔片上的響應(yīng)電壓信號(hào)進(jìn)行采集，就可以獲得如圖6所示的各層錫箔的響應(yīng)時(shí)間tA、tB、tC、tD，用錫箔片之間的距離l除以各相鄰層錫箔層的響應(yīng)時(shí)間差tAB，tBC，tCD，即可獲得刺穿相鄰錫箔片A、B、C、D之間的平均速度。4層錫箔片時(shí)，速度歷程曲線如圖7所示。如圖5所示，放電的前半個(gè)上升沿周期約為0.435ms，峰值電流為25kA，如圖7最大速度為52.8m／s。

可見(jiàn)，采用多層錫箔靶對(duì)防護(hù)板運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行測(cè)量是可行的，只要設(shè)置的錫箔層數(shù)越多，錫箔層之間距離越近，所能得到的速度歷程曲線就越接近真實(shí)防護(hù)板加速過(guò)程中速度的變化曲線。

3.2 穩(wěn)定性試驗(yàn)

共進(jìn)行了10 次試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)測(cè)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性，試驗(yàn)所采集的每?jī)善a箔片之間的平均速度和由其計(jì)算擬合的總的平均速度曲線如圖8所示。從圖8可以看到，距運(yùn)動(dòng)探針近的相鄰錫箔片的平均速度離散程度要低于遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)探針的相鄰錫箔片，這一現(xiàn)象是由各相鄰錫箔片的累積誤差產(chǎn)生的。

以錫箔片B和C 之間的速度為例對(duì)測(cè)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。錫箔片B 和C 的平均速度為51.68 m／s，均方差σBC＝2.361 m／s，最小速度為50.1m／s，最大速度為52.8m／s，BC均方差和平均速度的百分比為4.57%。同理，AB 之間的均方差與平均速度的百分比為3.17%，CD 之間的均方差與平均速度的百分比為5.11%。誤差小于8%，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的測(cè)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)防護(hù)板速度的實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過(guò)4層錫箔測(cè)速靶對(duì)某功率源和結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下發(fā)射過(guò)程中防護(hù)板的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行了測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用多層錫箔靶對(duì)防護(hù)板的速度進(jìn)行測(cè)量是可行的，并且其誤差滿足設(shè)計(jì)要求。

改測(cè)試方法的缺陷是：

1）錫箔片層數(shù)在只有4層的情況下，無(wú)法對(duì)整個(gè)加速過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確描述，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)要求，適當(dāng)增加錫箔片的層數(shù)，采集更多的速度點(diǎn)，但增加過(guò)多的錫箔層會(huì)給測(cè)試結(jié)果帶來(lái)更大的誤差，這一誤差是由相鄰錫箔層的測(cè)量誤差的累計(jì)引起的。

2）從誤差分析可以看出，由多層錫箔靶測(cè)速系統(tǒng)自身引起的測(cè)量誤差為2.55%，與高速攝像測(cè)速系統(tǒng)和光柵測(cè)速系統(tǒng)相比，誤差較大，且其在總誤差中所占比重較大，但作為一種簡(jiǎn)易的測(cè)速系統(tǒng)，在對(duì)精度要求不是很高的試驗(yàn)中，還是具有一定的應(yīng)用價(jià)值的。

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