電磁炮彈丸遙測(cè)裝置的電磁防護(hù)方法

吉曉菲，孫發(fā)魚(yú)，白瑞青，楊振興

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

電磁炮作為一種新概念武器，利用電磁力做功發(fā)射，具有射程遠(yuǎn)、速度快、殺傷力大、不受推進(jìn)劑原料影響的優(yōu)點(diǎn)[1]。伴隨著電磁炮自身的研究，對(duì)電磁炮彈丸的動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試提出了新的需求。遙測(cè)方法因其具有全彈道測(cè)試、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而受到青睞。

與傳統(tǒng)火炮系統(tǒng)不同，軌道炮電磁發(fā)射時(shí)放電電流高，在出炮口瞬間軌道炮回路磁通突變產(chǎn)生的瞬態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)[2]，是軌道炮電磁干擾產(chǎn)生的根源。給彈載遙測(cè)裝置造成了很大的干擾，特別是對(duì)射頻鏈路，甚至?xí)斐蔁o(wú)線通訊中斷。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了電磁炮彈丸彈載遙測(cè)裝置在強(qiáng)電磁環(huán)境下的電磁防護(hù)方法。

關(guān)于電磁屏蔽，William J.Biter開(kāi)展了磁場(chǎng)屏蔽理論研究，分析了多層屏蔽介質(zhì)的效果，側(cè)重于如何在高導(dǎo)磁材料達(dá)到飽和的時(shí)候，更好地提高屏蔽效能[3]。隨后Zielinski開(kāi)展了關(guān)于電磁炮發(fā)射過(guò)程中發(fā)射包所處電磁場(chǎng)環(huán)境的研究，以及電子元器件處于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下的工作可靠性，并研究了對(duì)膛內(nèi)磁場(chǎng)的屏蔽防護(hù)，得出在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下(磁場(chǎng)強(qiáng)度大于0.1 T)時(shí)，渦輪發(fā)電機(jī)性能明顯發(fā)生改變的結(jié)論；也可將線圈安裝在膛內(nèi)絕緣位置處進(jìn)行主動(dòng)屏蔽，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜[4]。Mirko Marracci設(shè)計(jì)了不同材料及不同結(jié)構(gòu)的屏蔽體，并在高脈沖功率裝置提供的軌道發(fā)射器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析了不同材料和屏蔽體下的屏蔽效果[5]。Becherini在電磁軌道炮低頻強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下，利用有限元仿真分析軟件，研究了感應(yīng)渦流引起的磁通重定向和高磁導(dǎo)率材料引起的磁通分流的機(jī)理，并在靜磁模型中分析了結(jié)合高導(dǎo)電材料和高磁導(dǎo)材料的組合屏蔽在雙指數(shù)脈沖磁場(chǎng)下的屏蔽效能，并定義了屏蔽效能的計(jì)算方法[6]。

由于國(guó)內(nèi)外研究大多數(shù)都利用靜態(tài)軌道炮磁場(chǎng)模擬實(shí)際發(fā)射的磁場(chǎng)，沒(méi)有考慮到電流趨膚效應(yīng)的影響，并且對(duì)于屏蔽材料的設(shè)計(jì)，沒(méi)有考慮到導(dǎo)磁材料會(huì)產(chǎn)生磁飽和的特性。所以，本文提出了用瞬態(tài)電磁模擬實(shí)際磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行電磁炮彈丸彈載遙測(cè)裝置在強(qiáng)電磁環(huán)境下通過(guò)導(dǎo)電材料、導(dǎo)磁材料進(jìn)行雙層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電磁防護(hù)方法。

1 電磁軌道炮內(nèi)的強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境

1.1 電磁軌道炮與彈載遙測(cè)裝置模型建立

電磁軌道炮由電樞和軌道組成，參考軌道炮炮膛口徑、軌道及電樞長(zhǎng)度，及彈載遙測(cè)裝置的形狀尺寸，利用FLUX軟件進(jìn)行模型建立并確定了電磁發(fā)射裝置組件和屏蔽材料，并且由于相對(duì)滲透率相同，其他材料都可以在FLUX內(nèi)設(shè)置為真空?；灸Ｐ腿鐖D1所示。網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 電磁軌道炮基本模型Fig.1 Basic model of electromagnetic rail gun

圖2 模型網(wǎng)格劃分Fig.2 Model mesh generation

1.2 電磁軌道炮內(nèi)強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境分析

電磁炮以電能作為發(fā)射能源，它使用由多個(gè)電容性儲(chǔ)能模塊并聯(lián)組成的分布式脈沖功率電源，單個(gè)電容器放電模型可近似為雙指數(shù)脈沖分布模型[7]，電磁軌道炮的電流源可以采用雙指數(shù)脈沖電流曲線I=I0(e-at-e-bt)來(lái)作為軌道炮電源放電脈沖電流曲線，對(duì)考察面的磁場(chǎng)進(jìn)行傅里葉變化，低頻強(qiáng)磁場(chǎng)主頻小于10 kHz，一般認(rèn)為低于100 kHz的都屬于低頻磁場(chǎng)，圖3為雙指數(shù)脈沖電流時(shí)域特性圖，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，可得到雙指數(shù)脈沖電流幅頻特性曲線圖。由圖4可得電流幅頻特性主要頻率在5 kHz以下，可知電磁軌道炮膛內(nèi)磁場(chǎng)是能夠瞬態(tài)變化的低頻強(qiáng)磁場(chǎng)。

圖3 雙指數(shù)脈沖電流時(shí)域特性Fig.3 Time domain characteristics of double exponential pulse current

圖4 雙指數(shù)脈沖電流幅頻特性Fig.4 Amplitude-frequency characteristics of double-exponential pulse current

利用電磁軌道炮模型，以電樞與彈丸尾部的連接點(diǎn)作為電樞的起點(diǎn)，以彈丸的頭部作為電樞的終點(diǎn)，長(zhǎng)度為1 000 mm，設(shè)置時(shí)間為0.002 s。獲得目標(biāo)曲線如圖5，圖6所示。電流輸入曲線如圖7所示。

圖5 電樞長(zhǎng)度為50 mm下的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線Fig.5 Magnetic induction intensity curve under armature length 50 mm

圖6 目標(biāo)曲線對(duì)比Fig.6 Comparison with target curve

圖7 電流輸入曲線Fig.7 Current input curve

經(jīng)過(guò)圖5曲線分析，越靠近彈頭，遠(yuǎn)離電樞，磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。經(jīng)過(guò)估算，若將遙測(cè)裝置放于200～300 mm位置時(shí)，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.767 6 T；置于300～400 mm處，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.988 T；置于400～500 mm處，平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.619 T。所以，初步將彈載遙測(cè)裝置放置于距離電樞400 mm處，彈丸中間位置，以方便進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。

考察面M位于彈載遙測(cè)裝置外側(cè)，軸向間距與徑向間距均為1 mm的位置?？疾禳c(diǎn)有5個(gè)，每個(gè)間隔20 mm。由于論文只是需要反應(yīng)出考察面上的磁場(chǎng)應(yīng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)，雖說(shuō)可以任意位置設(shè)置考察點(diǎn)，但是磁場(chǎng)分布在垂直于導(dǎo)軌和電樞所在平面，軸線上的點(diǎn)屬于典型點(diǎn)，可以代表整個(gè)磁場(chǎng)分布，并且位置清晰明了，所以選取path(考察面中心軸)上五個(gè)點(diǎn)作為考察點(diǎn)。選取考察面上A，B，C，D，E五個(gè)點(diǎn)作為未屏蔽時(shí)的原始磁通密度考察點(diǎn)，根據(jù)FLUX軟件電磁仿真得到五個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)A，B，C，D，E對(duì)應(yīng)峰值時(shí)刻的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 未屏蔽時(shí)五個(gè)考察點(diǎn)的峰值磁通密度模值Tab.1 Peak value of magnetic flux density at five observation points when not screened

彈載遙測(cè)裝置面上考察點(diǎn)處于A，B，C，D和E五個(gè)位置時(shí)，考察點(diǎn)的峰值磁通密度模值分布圖變化曲線如圖8。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，考察面峰值平均磁通密度為0.619 556 T，峰值時(shí)間為0.001 4 s。圖9為考察面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖，分布云圖可證明越靠近電樞，屏蔽罩上的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大。圖10為在峰值時(shí)間t=0.002 s時(shí)，考察面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，可以看出越靠近彈內(nèi)的中間位置，磁場(chǎng)強(qiáng)度越小。

圖8 考察點(diǎn)的峰值磁通密度模值Fig.8 Peak value of magnetic flux density at investigation point

圖9 考察面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖Fig.9 Cloud distribution of magnetic flux density distribution

圖10 在t=0.002 s時(shí)，考察面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布Fig.10 Distribution of magnetic flux density on t=0.002 s surface

2 電磁軌道炮脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)防護(hù)方法

電磁屏蔽分為主動(dòng)屏蔽與被動(dòng)屏蔽，主動(dòng)屏蔽是指防止干擾源產(chǎn)生的有害電磁向外擴(kuò)散；被動(dòng)屏蔽是指防止外部強(qiáng)電磁對(duì)敏感元件造成傷害。對(duì)于電磁炮彈丸遙測(cè)裝置，利用加入線圈來(lái)進(jìn)行主動(dòng)屏蔽有諸多限制，我們這里只考慮被動(dòng)屏蔽。被動(dòng)屏蔽分為導(dǎo)電材料屏蔽，導(dǎo)磁材料屏蔽，組合材料屏蔽，這是利用材料自身特性與屏蔽體形狀及其對(duì)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)的響應(yīng)行為來(lái)對(duì)脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)進(jìn)行電磁防護(hù)[8]。

2.1 電磁屏蔽方法

2.1.1 導(dǎo)電材料屏蔽方法

靜電屏蔽是利用完全封閉，良好接地的金屬導(dǎo)體，利用良性導(dǎo)體(導(dǎo)電率較高)的屏蔽外殼使屏蔽外殼表面的電荷重新分布，直到內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為0[9]。靜電場(chǎng)屏蔽的本質(zhì)在于“渦流消除”，軌道炮磁場(chǎng)B的變化會(huì)在膛內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電場(chǎng)E，從而感應(yīng)電場(chǎng)E在導(dǎo)電材料里面形成感應(yīng)渦流J，渦電流會(huì)產(chǎn)生反向電磁場(chǎng)，從而抵消原先的電磁場(chǎng)，使得內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為0，對(duì)敏感電子元器件進(jìn)行保護(hù)[10]。

2.1.2 導(dǎo)磁材料屏蔽方法

導(dǎo)磁材料屏蔽本質(zhì)在于“磁通分流”，“磁通分流”是通過(guò)材料的高導(dǎo)磁率和感應(yīng)渦流引起的流量的重定向。根據(jù)磁路并聯(lián)理論[11]，高磁導(dǎo)率屏蔽體內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于外部磁感應(yīng)強(qiáng)度，同時(shí)外部的磁力線幾乎與鐵磁材料表面垂直，此時(shí)低頻電磁場(chǎng)能量會(huì)聚集在導(dǎo)磁材料屏蔽體內(nèi)，通過(guò)磁通分流的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件的保護(hù)。

2.1.3 組合屏蔽方法

單獨(dú)使用導(dǎo)電或者導(dǎo)磁材料可能有以下兩種缺陷：1)軌道炮膛內(nèi)過(guò)高的磁通密度會(huì)使導(dǎo)磁材料飽和，而使得實(shí)際的屏蔽效果變差(例如對(duì)于鐵磁屏蔽體有一個(gè)性質(zhì)，當(dāng)外加磁場(chǎng)為一定強(qiáng)度時(shí)，鐵磁材料有一個(gè)最大磁導(dǎo)率，這個(gè)磁導(dǎo)率是最高的。但是當(dāng)外界磁場(chǎng)超過(guò)某一個(gè)強(qiáng)度時(shí)，鐵磁屏蔽體的磁導(dǎo)率會(huì)變低，導(dǎo)致磁飽和，并且其磁導(dǎo)率越高，則越容易飽和[7])；2)導(dǎo)電材料對(duì)于低頻段的強(qiáng)磁場(chǎng)屏蔽效果較弱[7-8]。

經(jīng)過(guò)上述分析，彈載遙測(cè)裝置采用銅與鐵磁材料相結(jié)合的雙層組合屏蔽防護(hù)方法，既可以防止高磁通密度造成的磁飽和，又可以使得導(dǎo)磁材料的磁通分流機(jī)理得到有效應(yīng)用。

2.2 雙層組合電磁屏蔽體設(shè)計(jì)

由于電磁炮彈丸屬于小口徑炮彈，彈載遙測(cè)裝置是個(gè)類似圓柱體的設(shè)備。綜合考慮電磁軌道炮的口徑和彈載遙測(cè)裝置尺寸，將屏蔽體設(shè)計(jì)成前后閉合的圓筒型結(jié)構(gòu)，彈載遙測(cè)裝置尺寸為Φ 56×100 mm，圓筒尺寸Φ 80×118 mm，與遙測(cè)裝置每條邊間隔1 mm，考察面M位于屏蔽體正中間，軸向間距與徑向間距均為1 mm，考察點(diǎn)有5個(gè)，每個(gè)間隔20 mm，具體幾何結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 屏蔽體具體結(jié)構(gòu)尺寸Fig.11 Specific size of shield

3 仿真驗(yàn)證

3.1 雙層屏蔽體內(nèi)部不同厚度處屏蔽效能對(duì)比

使用Cu-1J22，進(jìn)行雙層仿真，當(dāng)屏蔽罩外側(cè)材料是銅，內(nèi)側(cè)材料是1J22時(shí)，利用FLUX仿真軟件進(jìn)行Cu-1J22的雙層屏蔽仿真，得到不同材料厚度下的不同屏蔽效能，具體如表2所示。

表2 在Cu-1J22材料屏蔽下，材料不同厚度時(shí)的五個(gè)考察點(diǎn)屏蔽效能Tab.2 Shielding effectiveness of five inspection points at different thickness of materials under shielding of Cu-1J22 materials

當(dāng)外側(cè)銅厚度為3 mm，內(nèi)側(cè)1J22厚度為5 mm時(shí)，考察面上平均屏蔽效能最大,圖12顯示為考察面上的磁通密度分布，經(jīng)過(guò)屏蔽層屏蔽后，考察面中間位置有著明顯的凹陷，表明銅與鐵磁材料雙重作用后屏蔽的效果。圖13為路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布。

圖12 考察面上的磁通密度分布圖Fig.12 Distribution of magnetic flux density on the surface

圖13 Cu-1J22屏蔽下路徑上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線Fig.13 Distribution of magnetic induction intensity on path under Cu-1J22 shielding

表3 在Cu-1J22材料屏蔽下的五個(gè)考察點(diǎn)屏蔽效能Tab.3 Shielding effectiveness of five inspection points under shielding of Cu-1J22 materials

經(jīng)表3所得，五個(gè)考察點(diǎn)的平均峰值磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.173 052 T，平均峰值時(shí)間為0.011 2 s，平均屏蔽效能為11.059 634 73 dB。當(dāng)銅屏蔽層厚度為3 mm，鐵磁材料屏蔽層厚度為5 mm時(shí)，雙層屏蔽效果優(yōu)于單層銅與單層鐵磁材料屏蔽，考察點(diǎn)E點(diǎn)屏蔽效果好，D點(diǎn)屏蔽效能較低。若遙測(cè)裝置有傳感器等敏感元器件，可將其放在A處或者E處，更好地進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽。

當(dāng)1J22材料作為外側(cè)材料，Cu作為內(nèi)側(cè)材料時(shí)，考察點(diǎn)的峰值磁通密度模值如表4所示。

當(dāng)內(nèi)側(cè)材料銅厚度為1 mm，外側(cè)材料1J22厚度為7 mm時(shí)，考察面上平均屏蔽效能最大,但是峰值屏蔽效能才達(dá)到9.265 443 438 T，遠(yuǎn)小于Cu-1J22組合的情況，可見(jiàn)，導(dǎo)磁材料處于外側(cè)，導(dǎo)電材料置于內(nèi)側(cè)的屏蔽情況并不理想。

表4 在1J22-Cu材料屏蔽下材料不同厚度時(shí)的考察點(diǎn)屏蔽效能Tab.4 Shielding effectiveness of shielding materials at different thickness of 1J22-Cu materials

3.2 雙層屏蔽體內(nèi)部不同位置處的屏蔽效能對(duì)比

上文仿真的屏蔽體放置于離電樞400 mm的位置，由于彈丸尺寸及遙測(cè)裝置的限制，現(xiàn)將屏蔽體放置于離電樞450 mm的位置，在450 mm處未屏蔽時(shí)5個(gè)考察點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度分別為0.587 01 T，0.540 88 T，0.499 89 T，0.463 56 T，0.431 29 T，利用外層銅屏蔽內(nèi)層鐵磁材料進(jìn)行仿真，得出結(jié)論如表5所示。

表5 在Cu-1J22材料屏蔽下材料不同厚度時(shí)的考察點(diǎn)屏蔽效能Tab.5 Shielding effectiveness of shielding materials under different thickness of Cu-1J22 materials

通過(guò)上表分析，在屏蔽罩放置在離電樞450 mm時(shí)，銅屏蔽層厚度在3 mm，鐵磁材料厚度在5 mm時(shí)，平均屏蔽效能最好，數(shù)值達(dá)到12.420 7 dB。將敏感元件置于考察點(diǎn)A點(diǎn)，可以最大力度的保護(hù)敏感元器件。

若將屏蔽體模型放置于離電樞800 mm的位置，利用外側(cè)Cu厚度3 mm，內(nèi)側(cè)1J22厚度5 mm，進(jìn)行考察點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真。仿真結(jié)果如表6所示?？芍淖兤帘螌雍穸龋约捌帘握治恢每墒蛊帘涡Ч?，離電樞越遠(yuǎn)，屏蔽效果越好。但是由于彈丸尺寸限制，屏蔽罩厚度及位置改變有限，所以在有限范圍內(nèi)，使屏蔽罩盡量增厚，位置盡量遠(yuǎn)離電樞，會(huì)得到更好的防護(hù)。通過(guò)上述分析，當(dāng)未屏蔽時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度低于0.2 T時(shí)，利用雙層屏蔽罩，屏蔽效能可達(dá)28.026 dB，相比較之前有很大提升。

表6 在Cu-1J22材料固定厚度屏蔽下的考察點(diǎn)屏蔽效能Tab.6 Shielding effectiveness of Cu-1J22 material with fixed thickness shielding

4 結(jié)論

本文提出了一種電磁炮彈丸遙測(cè)裝置在強(qiáng)電磁環(huán)境干擾下的電磁防護(hù)方法。該方法采用雙層圓柱體作為屏蔽體，將導(dǎo)電材料銅放置于屏蔽體外側(cè)，導(dǎo)磁材料1J22放置于屏蔽體內(nèi)側(cè)，彈載遙測(cè)裝置放置在距離電樞800 mm的位置，當(dāng)銅屏蔽體厚度為3 mm，1J22屏蔽體厚度為5 mm。仿真結(jié)果表明，采用該方法，屏蔽效能達(dá)到28.026 dB，能夠保證彈載遙測(cè)裝置在低頻強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中正常工作。