电磁炮膛内电磁分布与抗干扰研究

周 维，朱建良，吴 涛

(南京理工大学 自动化学院，南京 210094)

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[1]。与常规火炮相比，电磁轨道炮的发射速度高，过程响应快[2]，脱离炮口时的动能大而且工作稳定。但是更高的性能也带来了更恶劣的膛内环境，除了更高的加速度外，还有脉冲电流在导轨与电枢上感应产生的脉冲强磁场，磁通突变感应产生的强电场，此外还有高温场和等离子辐射的影响[3]。

电磁屏蔽是指使用导电或者导磁材料制成各种结构形式，将电磁干扰源限制在一定的空间范围内，使干扰源产生的电磁场经过屏蔽体时受到很大衰减，从而抑制电磁干扰源对相关设备和空间的干扰[4]。对电磁干扰进行防护屏蔽主要包含三个方面，限制干扰源，切断传播路径和避开敏感设备[5]。轨道炮电磁屏蔽技术的研究非常困难，主要是因为磁场具有高强度和低频特性[6]，而且屏蔽研究大多停留在仿真分析，难以进行多次试验研究。

现有关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使用材料应当符合炮弹工艺，一般炮弹使用的材料为低合金超高强度钢。经试验，该材料可以屏蔽一般较弱的磁场，但对脉冲强磁场的屏蔽力度较低。本文利用Maxwell16.0软件进行仿真对比，研究了不同材料屏蔽效果的差异性，并利用脉冲磁场发生装置模拟发射环境进行试验，对比分析了不同材料屏蔽体对强磁场的屏蔽性能，旨在为今后导弹强磁场屏蔽体设计提供材料支撑。

1 电磁炮膛内磁场环境分析

1.1 建立电磁轨道炮三维模型

电磁轨道炮组成如图1所示，导轨间电枢连接两个导轨构成电流回路，回路中的电流I为瞬态脉冲强电流，可达MA量级，等效电路模型如图2所示。

利用仿真软件Maxwell16.0建立轨道炮的三维简易模型。铜质导电导轨长1000 mm，横截面长30 mm宽40 mm，导轨间距40 mm，放置U型铝制电枢，与铜导轨构成导电通道[7]。采用自适应网格剖分，在施加了电流源的导轨端以及电枢部分进行网格加密处理，可以在加快仿真运算速度的同时保证运算精度[8]。轨道炮的三维简易模型及网格剖分示意图如图3所示。

电磁轨道炮的发射响应快和高初始速度决定了它所使用的电源必须能够在几毫秒内提供几兆焦耳的电能，所以选用双指数脉冲电流作为仿真激励源[9]，表达式为：

I=1.449×106×(e-504t-e-4862t)

电流持续时间为5 ms，在0.5 ms时就可以达到1MA的峰值，波形如图4所示。

图1 电磁轨道炮 图2 电磁轨道炮等效电路

图3 网格剖分示意图 图4 双指数脉冲电流

1.2 电磁轨道炮膛内磁场的空间分布特性

电磁轨道炮的磁通密度情况如图5和图6所示，其中图6为电枢部位分布情况。受电流趋肤效应的影响,电流密度最高处对应区域的磁通密度也最高，电枢内表面磁通密度最大值为28.8 T，远远高于各点电枢前端各处。

图5 磁通密度分布 图6 电枢磁通密度分布

考察电枢前端的磁通密度分布。发射环境磁场方向主要垂直于发射面，设置一个平行于电枢的考察面，考察平面长50 mm宽30 mm，平面上均匀设置6个考察点，电枢前端的磁通密度分布情况如图7和图8所示。靠近电枢侧磁通密度最高，约为3.48 T，远离电枢侧最低，约为0.62 T，发射环境的磁通密度沿空间递衰减。

图7 考察面磁通密度分布 图8 考察点磁通密度值

2 磁场屏蔽

2.1 电磁屏蔽材料

屏蔽材料分为3种，分别是良导体材料、铁磁材料和复合材料[10]。导电材料屏蔽机理分为2种，涡流消除和磁通分流。

在Maxwell16.0软件的涡流求解器环境下模拟不同材料的磁屏蔽效果，电枢前端放置直径30 mm防护壳，内有直径26 mm空腔，分别设置常用防护壳材料不锈钢、钛和铁，经解算后磁通分布如图9～图11所示。

图9 不锈钢材料屏蔽结果 图10 钛材料屏蔽结果

仿真结果表明，铁可以完全屏蔽外界磁场，但是铁材料在防护壳中不宜大量使用，一般导弹使用的防护壳材料为低合金超高强度钢，该材料具有良好的综合性能以及足够的韧性。

对低合金超高强度钢的强磁屏蔽能力进行实验分析，利用脉冲磁场发生器模拟发射环境，脉冲磁场发生装置如图12所示，包含1个机柜、1个负载箱、1个电容机柜和1个螺线管。螺线管由N匝铜线圈构成，电容机柜充电完毕后进行放电，大电流快速流过N匝铜线圈，使得螺线管腔内产生脉冲强磁场。

图11 铁材料屏蔽结果 图12 脉冲磁场发生器

将霍尔元件置于低合金超高强度钢制成的防护壳中进行强磁屏蔽测试，选取0.1 T与2.5 T磁场，屏蔽后的磁场环境如图13～图16所示。

图13 0.1 T磁场波形 图14 0.1 T峰值磁场波形

图15 2.5 T磁场波形 图16 0.1 T峰值磁场波形

选取0.1 T，0.5 T，1 T，1.5 T，2 T，2.5 T磁场值进行屏蔽试验，记录10 ms峰值磁场值与屏蔽后的峰值磁场值，并计算屏蔽率(见表1)所示。

表1 材料屏蔽数据

低合金超高强度钢对磁场具有一定的屏蔽效用，在100 mT磁场下屏蔽率达到76.6%，随着磁场的增大，屏蔽效果减小，对2.5 T磁场屏蔽率只有8.29%。一块强磁铁的磁场强度在60 mT左右，说明该材料可以屏蔽绝大部分普通磁场，但是对于电磁轨道炮发射环境的2.5 T的强磁场屏蔽性能不达标。

2.2 镀镍工艺

通过电解或化学方法在铝上沉积镍层的过程被称为镀镍。镀镍分为电镀镍和化学镀镍[13]。利用Maxwell16.0软件进行仿真分析，在铝材质炮弹的表面加一层0.01 mm的镍薄膜，解算结果如图17所示。

图17 铝表面镀镍后的磁场分布的仿真结果

设置考察面穿插在电枢前端平面与炮弹内平面，镀镍之后，电枢与空气交界处的磁场环境对比鲜明，炮弹内腔的磁场得到了有效屏蔽。

2.3 强磁冲击试验

2.3.1试验设备

数字三轴罗盘是一款高集成的姿态测量产品(见图18)，片上集成三轴磁阻传感器及两轴倾角传感器，磁阻传感器电路图如图19所示，设计成单轴HMC1021和双轴HMC1022，提供三轴方向上的磁传感。对该罗盘的磁阻传感器进行强磁冲击测试，该传感器将磁场转换成差分输出电压，对磁场较敏感，能传感强度低至3 nT的磁场，故选作强磁冲击测试器件。

图18 数字三轴罗盘 图19 磁阻传感器电路图

由于环境、磁偏角、测量器件等影响，磁罗盘测量出来的磁场一般为偏离中心的椭圆，需要通过标定还原中心圆，根据椭圆拟合算法求出罗盘补偿参数，包括平移量和伸缩量。可视化界面如图20所示。

图20 三轴罗盘可视化界面

三轴罗盘磁场采样值与标定后的磁场的数据如图21所示。蓝色点为原始的采样点(Raw Compass Data，RCD)，红色点为标定后的磁场数据点(Conditioned Compass Data，CCD)，经过椭圆拟合运算，通过平移和伸缩，将地磁场采样数据还原为中心圆。

图21 平面标定罗盘数据RCD(蓝)和CCD(红)

2.3.2冲击后设备情况

将标定后的罗盘置于镀镍防护壳内，对其施加不小于10 ms的2.5 T脉冲强磁场，利用霍尔元件实时测量脉冲磁场强度，获得的罗盘磁场采样值如图22所示。强磁冲击后，罗盘仍能较为准确地测量出敏感的地磁场，内部存储的椭圆拟合补偿参数偏移量与伸缩量在强磁冲击后保存完好，能对磁场进行正常补偿。

图22 受冲击后罗盘数据CCD

为进一步验证存储的数据在强磁冲击后是否丢失，如RAM中的数据，编写修改波特率程序对罗盘功能进行拓展，罗盘默认比特率为19 200，由串口发送命令行，指令集如表2所示。

表2 切换波特率指令集

新波特率由Flash写入RAM，重新上电后再由RAM读入Flash，修改波特率命令行如图23所示。串口发送修改命令，重新上电前罗盘波特率仍为19 200，串口以200 Hz的频率向外输出数据。

图23 串口发送与输出修改波特率命令

掉电后将罗盘置于镀镍防护壳内，对其施加不小于10 ms的2.5 T脉冲强磁场，重新上电查看其波特率保存情况，串口参数波特率调整到9600，可以输出数据，发送命令行查询当前波特率，如图24所示。收到当前波特率为9600，存储在RAM里的波特率在强磁冲击后保存完好，罗盘可以正常运行。

图24 串口发送与输出查询波特率命令

3 结论

一般炮弹使用的低合金超高强度钢材料可以对普通磁场环境进行有效屏蔽，但是轨道炮发射时产生的瞬态强磁场达到2.5 T，该材料对此屏蔽性能较差。利用镀镍工艺在防护层表壳镀一层0.01 mm的镍，经多次试验证明，镀镍操作可以进行有效强磁场屏蔽。