电磁发射条件下导弹磁场屏蔽研究*

刘瑜倩，冯 刚

（空军工程大学，西安 710051）

0 引言

1902 年，挪威奥斯陆大学的物理学家柏克兰教授成功地将0.5 g 的抛体加速到80 m/s，这是早期的电磁推进技术［1］。到了20 世纪60 年代，大规模集成电路出现，日趋复杂的电磁干扰问题对电磁兼容技术提出了更高的要求。20 世纪80 年代以后，美、德、英、法等国纷纷加入对电磁兼容技术的研究，并取得了一定的成果［2］。

作为一种新型发射方式，导弹的电磁发射技术以法拉第电磁感应定律为基础，通过产生电磁力，从而推动导弹的运动。相比于常规的发射方式，电磁发射的速度极高，可以达到7 MHz，而且具有很好的动能毁伤效，并且能够实现速度与方向的精准控制（0.5%），特别适于应对超高速目标。电磁发射技术用于导弹发射，可以进行地面防空、拦截弹道导弹、摧毁军事卫星等［3］。然而在发射过程中，导弹电磁发射面临的电磁场环境也更恶劣于常规的发射方式。导弹壳体上存在着机械接口以及缝隙，这些都使导弹不能成为一个良好的屏蔽体。通过这些地方，外部的电磁波可以进入导弹内部，干扰内部电子元器件的正常工作。此外，不论是具有特有特征的磁场还是外泄的磁场，这些都会成为敌方侦察的目标，从而遭受打击［4］。因此，对于电磁屏蔽技术的研究具有极其重要的意义。

杨玉东等人建立了电磁发射及电接触层接触电阻的模型，并推导出电-磁-热场耦合方程，分析了电磁发射过程中的烧蚀现象［5］。杨志勇等人提出了一种新型的轨道发射装置，将推力作为轨道距离和电流的函数，并通过仿真分析，验证了其优越性［6］。李伟波等人研究了导弹系统发射过程中有无屏蔽时，其电磁场强度和电枢速度不同［7］。廖桥生等人对轨道炮弹丸所处的强磁场环境进行分析和仿真，研究了当屏蔽材料不同、屏蔽体和电枢的相对位置不同时，其屏蔽效果的不同［8］。

现有关于电磁发射技术的研究主要集中在导轨、电枢等方面，很少涉及电磁屏蔽技术。部分学者分析了添加屏蔽体对于电磁场环境的影响，但是忽略了实际问题中屏蔽体上的孔缝不连续现象。为了避免磁场泄漏对于外部其他电子设备的干扰以及减小被敌方侦查的可能性，本文研究了导弹加装屏蔽体对于磁场环境的保护效用，并且在此基础上分析了不同形式的孔缝以及孔缝数量对于屏蔽效能的影响。通过Maxwell 仿真对比，较为准确地说明屏蔽效果的不同，对以后导弹屏蔽体结构设计具有一定的指导意义。

1 导弹发射筒内的强磁场环境仿真

1.1 导弹电磁线圈发射原理

一级一级的感应线圈串联起来，形成导弹电磁弹射器的主要部分。这些感应线圈由多个控制电路分别控制。当对导弹进行发射时，第1 级感应线圈的控制开关会首先闭合，此时电容器给第1 级线圈充电，在发射筒中产生磁场环境，通过洛伦兹力作用于电枢，从而使得电枢产生运动。当电枢运动到达第2 级感应线圈所在的位置时，第2 级线圈的控制开关发生闭合，第2 级线圈开始充电，弹体能够发生再次加速。在多级感应线圈的作用下，导弹弹体在飞离发射筒时获得足够的初速度［9］。

图1 导弹电磁弹射器结构示意图

导弹在发射过程中受到电磁力的作用，该力的大小与电枢所处位置的磁感应强度B（t）和电枢内的感应电流I（t）有关。假设该电磁弹射器由n 个驱动线圈组成，当第1 个驱动线圈触发时，其他线圈处于接通状态，并且被顺序触发。这样子，电枢就被均匀地分成m 片，其等效电路如图2 所示。

图2 多个驱动线圈的等效电路图

以电枢内的一个小电流元Itdl 为研究对象，该单元所受的电磁力大小为

电枢内的电流大小可以看成是由无数个环形回路组成，因此，电枢所受电磁力可以表示为

其中，L 为电枢内所有环形电路的加和。

1.2 导弹发射筒内磁场环境分析

1.2.1 建立导弹三维模型

利用电磁场仿真软件Maxwell，建立导弹的三维简易模型［5］。该模型由电枢、发射筒、驱动线圈组成。其中，电枢的外径为120 mm，内径为100 mm；发射筒的内外径分别为130 mm，140 mm。在发射筒中，导弹的运动与电枢一致，这里研究发射筒内的磁场环境，省略弹体结构。以单线圈为研究对象，其中电枢选择铝材料，发射筒和驱动线圈均为铜。对网格采用自适应划分的方法，在电枢处进行加密处理。线圈的脉冲电流峰值为1 MA。

图3 导弹三维简易模型

1.2.2 导弹发射筒内磁场环境仿真分析

求解所建立的模型，选择YZ 平面进行观察，分析其磁感应强度如何分布，所得到的云图如图4 所示。图中部浅蓝色的区域是电枢所在的磁感应强度区，大小在5.0 T 左右。向外依此为发射筒、线圈、外界环境。激励添加在右边截面，激励附近磁感应强度为红色，大小为22.0 T 左右。

图4 模型YZ 平面磁感应强度云图

选择模型右半部分进行分析，取Y 轴右半轴向上平移至线圈轴线所在高度的一条直线l1。如图5所示是该直线上的磁感应强度分布曲线。由图可知，模型中心部分的磁感应强度在4.8 T 左右，至线圈处由于激励的存在，激增到22.25 T 又迅速减到0.5 T。直到线圈中轴线时，此处磁感应强度近乎为0。离开线圈后，磁感应强度又以小幅度地上升到4.5 T，后面缓慢减小。在距中心200 mm 的位置，磁感应强度减小为0。

图5 直线l1 上磁感应强度分布图

2 发射筒电磁屏蔽分析

导弹在电磁发射过程中，会产生强的磁场环境，给周围的电子设备带来一定的破坏。抑制电磁干扰最常用的一种手段是进行电磁屏蔽。通过利用导电或导磁材料制成屏蔽体，可以有效地限制磁场环境，从而实现屏蔽目的［6］。

2.1 建立导弹三维屏蔽模型

图6 导弹三维屏蔽模型

导弹三维屏蔽模型由电枢、发射筒、驱动线圈和屏蔽体组成。屏蔽体材料选择铜导体，线圈的脉冲电流峰值为1 MA，电枢处划分网格加密。

2.2 导弹屏蔽模型内磁场环境分析

运行导弹三维屏蔽模型进行求解计算，可以得出其YZ 平面磁感应强度分布云图如图7 所示。云图颜色走向与未加屏蔽体时类似，数值细节处有一定的差异。选择Y 轴右半轴向上平移至线圈轴线所在高度的一条直线l2，该直线上强感应强度变化如图8 所示。将直线l2与未加屏蔽体时所取直线l1进行对比分析。

图7 屏蔽模型YZ 平面磁感应强度云图

图8 直线l2 上磁感应强度分布图

由图可以看出，该屏蔽模型中心部分磁感应强度与未加屏蔽体时十分相近，均在4.5 T 左右。到达线圈处时，磁感应强度激增，但增加幅度较小于未加屏蔽体模型，大小为19.5 T。离开线圈时，磁感应强度增加至7.4 T，大于未加屏蔽体模型。而在距中心155 mm 的地方，磁感应强度减小为0，这远远小于未加屏蔽体模型的200 mm。即添加屏蔽体后，磁场向外辐射减小。

3 孔缝对发射筒电磁屏蔽的影响

3.1 建立导弹三维屏蔽孔缝模型

对于电磁干扰最基本的一种防护手段是电磁屏蔽，一般有电场屏蔽和磁场屏蔽两种分类。在屏蔽设计中，能否实现屏蔽效能，其关键往往是在于对屏蔽体结构的设计。而在实际工程应用中，由于存在线缆孔、通风孔、开关、仪表等，使得屏蔽体失去了其完整性，屏蔽效能有一定的降低［7］。现选择圆形、正方形和矩形孔洞进行研究，其面积完全相同，孔洞个数均为8 个，彼此间隙相同。同时，选择孔数为4 的圆形孔屏蔽体，和8 个圆形孔的屏蔽体进行对比，比较其屏蔽性能。

图9 导弹三维屏蔽孔缝模型

3.2 导弹屏蔽孔缝模型磁场分析

运行导弹三维屏蔽孔缝模型，选择其YZ 平面的磁感应强度进行分析，云图如下页图10 所示。现以Y 轴右半轴向上平移至线圈轴线所在高度的一条直线l3为研究对象，具体分析其磁感应强度的变化。

由图可以知道，具有相同面积的不同形状孔缝，其磁场扩散的程度不同。当距中心180 mm 位置时，添加圆形孔缝屏蔽体的磁场，其磁感应强度首先减小到0。而正方形和矩形孔缝的位置分别为185 mm，190 mm。该位置和未添加屏蔽体磁场的200 mm 相比均有一定的缩减，即有效地抑制了磁场扩散，具有电磁场屏蔽效用。将4 个圆孔和8 个圆孔的屏蔽体其磁场强度进行比较，发现4 孔屏蔽体的磁场在距中心175 mm 时减小到0，快于8 孔圆形孔的180 mm。因此，孔洞的数目越少，其屏蔽效能越好。

4 结论

本文对电磁发射条件下，导弹周围磁场环境进行了仿真分析，并与添加屏蔽体后的磁场环境进行对比，说明了屏蔽体对于磁场扩散的抑制作用。此外，由于实际工程中屏蔽体的不完整性，文中选用相同面积的圆形、正方形和矩形3 种形状的孔缝进行研究。经过Maxwell 仿真研究可以发现，具有不同形状孔缝的屏蔽体有着不同的屏蔽效能，其大小排列为：长方形>正方形>圆形。此外，比较8 圆形孔和4 圆形孔屏蔽体的磁场情况，发现孔洞数目越少，屏蔽效果越好。因此，在实际对导弹屏蔽体结构进行设计时，应该尽量减少孔洞的数目，使用时应选择圆形的孔洞，避免选择长方形缝隙。这对导弹电磁发射过程中屏蔽体的结构设计问题，具有一定的指导意义。

图10 屏蔽孔缝模型YZ 平面磁感应强度云图

图11 直线l3 上磁感应强度分布图