彈鏈感應(yīng)裝定平板型線圈耦合結(jié)構(gòu)

李煒昕，張 合，李長生

（南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210094）

0 引言

小口徑速射火炮是重要的中低空防空武器裝備，“密集陣”、“守門員”、“海上衛(wèi)士”、“梅羅卡”等系統(tǒng)以每秒數(shù)千發(fā)的射速形成“彈幕”，與近程防空導(dǎo)彈遠(yuǎn)近結(jié)合，構(gòu)成攔截巡航導(dǎo)彈的最后屏障。近年，速射炮口徑有加大的趨勢(shì)，并且通過定時(shí)起爆形成“破片幕”提高命中概率。為此需要感應(yīng)裝定起爆時(shí)間。

目前，得到廣泛應(yīng)用的是炮口同軸式裝定，主要利用共軸耦合的方式進(jìn)行信息的傳輸，但是適用性具有一定的局限性［1］，限制了武器系統(tǒng)的改造。文獻(xiàn)［2］中闡述了基于彈鏈裝定的弧形裝定結(jié)構(gòu)，但該裝置僅適用于彈鏈中有較大的弧形空間。文獻(xiàn)［3］提出了非共軸線圈炮口感應(yīng)裝定，但是發(fā)射裝置與同軸式具有相同的局限性，不適用于多管旋轉(zhuǎn)式速射火炮。

針對(duì)復(fù)雜裝定環(huán)境和快速反應(yīng)作戰(zhàn)模式的小口徑彈鏈裝定系統(tǒng)，本文提出了一種可滿足絕大部分小口徑武器平臺(tái)需求的平板型感應(yīng)裝定耦合結(jié)構(gòu)。

1 傳統(tǒng)型耦合結(jié)構(gòu)

非接觸的感應(yīng)裝定系統(tǒng)由裝定器初級(jí)線圈與引信體上次級(jí)線圈之間的感應(yīng)耦合實(shí)現(xiàn)信息的傳輸，同時(shí)也可以將承載信息的電磁場(chǎng)能量加以利用，實(shí)現(xiàn)信息與能量的同步傳輸，有很高的可靠性，是世界各國主要采用的一種裝定方式。

小口徑速射火炮彈藥以彈鏈形式通過導(dǎo)向槽進(jìn)入膛內(nèi)，基于空間結(jié)構(gòu)和裝定條件的限制，在導(dǎo)向槽上安裝裝定器耦合結(jié)構(gòu)，保證能量與信息的快速裝定。對(duì)于裝定系統(tǒng)的初級(jí)回路，其發(fā)射裝置采用的磁芯形狀可以有多種形式，而目前廣泛應(yīng)用的同軸式結(jié)構(gòu)不完全適合小口徑火炮系統(tǒng)［2］。由文獻(xiàn)［4］可知，U型磁芯比E型磁芯具有更高的輸出功率體積比，因此需采用U型磁芯結(jié)構(gòu)，為提高感應(yīng)的效率保證磁力線束集中在感應(yīng)線圈周圍，初級(jí)線圈采用對(duì)稱反向繞制，U型磁芯與引信體的耦合結(jié)構(gòu)相對(duì)位置如圖1（a）所示。當(dāng)引信體次級(jí)線圈通過彈鏈裝定骨架時(shí)，與初級(jí)線圈發(fā)生耦合，從而完成能量和信息的傳輸。

2 平板型耦合結(jié)構(gòu)

平板型耦合方式是指初級(jí)發(fā)射線圈與次級(jí)線圈有效耦合區(qū)域?yàn)槠桨宀蹆?nèi)的一段線圈，線圈電流方向與彈藥傳輸方向在同一平面上，有效載體是非金屬平板。圖1（b）給出了初級(jí)線圈耦合作用原理示意圖，平板型耦合結(jié)構(gòu)未使用磁芯材料，初級(jí)線圈纏繞在非金屬骨架上，初級(jí)線圈的上下部分為感應(yīng)耦合有效作用區(qū)，對(duì)稱分布在引信體次級(jí)線圈外，纏繞方式對(duì)稱反向，其余未進(jìn)行耦合的導(dǎo)線纏繞在骨架周圍。

圖1 初次級(jí)線圈耦合結(jié)構(gòu)Fig.1 Coupling str ucture of t he pri mar y and secondary coil

小口徑彈藥以較快的速度通過裝定耦合裝置時(shí)，初級(jí)發(fā)射線圈與引信次級(jí)接收線圈通過電磁感應(yīng)原理發(fā)生耦合，將能量和信息同時(shí)傳向引信體，最終通過智能終端的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)精確定距起爆。該耦合方式占用空間小，作用方式簡單，能根據(jù)不同的武器平臺(tái)設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)，安裝靈活，可廣泛應(yīng)用于彈鏈裝定系統(tǒng)。

3 仿真驗(yàn)證

3.1 建立電磁感應(yīng)裝定分析模型

由上述兩種裝定原理可知，耦合模型相對(duì)復(fù)雜，故采用三維模型對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。U型裝定結(jié)構(gòu)基于變壓器磁路原理，初級(jí)線圈反向繞制在磁芯上，以使次級(jí)線圈耦合更多的磁通量；平板裝定架由非金屬材料制成，對(duì)裝定回路影響很小，可簡化為空氣處理。兩者均采用電磁－電路耦合分析方法［5］，模型初級(jí)線圈耦合獨(dú)立電壓源，次級(jí)線圈耦合電阻500Ω（次級(jí)電路等效負(fù)載），U型采用磁軛（平板簡化為空氣），周圍為空氣。假設(shè)激勵(lì)電壓50 V，激勵(lì)頻率1 MHz，初級(jí)線圈電感6μH，次級(jí)線圈電感40 μH，兩者的簡化Ansys仿真模型如圖2所示。

圖2 兩種初次級(jí)線圈簡化模型Fig.2 Two simplified model of the primary and secondary coil

根據(jù)上述假設(shè)條件，骨架和空氣采用SOLID97單元，A X、A Y、A Z采用CURR、EMF自由度，初次級(jí)線圈采用CIRCU124單元，分別對(duì)兩種模型進(jìn)行耦合仿真。計(jì)算得出磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖實(shí)部如圖3所示，可以看出兩種方式中磁場(chǎng)的強(qiáng)弱與初級(jí)線圈的距離有關(guān)，并受到周圍鐵磁環(huán)境的影響；磁通量密度矢量圖如圖4所示，U型結(jié)構(gòu)由于磁軛的高磁導(dǎo)率可以將磁場(chǎng)束縛在線圈周圍，針對(duì)小口徑彈藥磁軛兩臂間距的減少會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)磁場(chǎng)直接通過空氣在兩磁軛臂上相互傳遞，耦合效率低；而平板型結(jié)構(gòu)的上下段分別與次級(jí)線圈相互正常耦合；兩種耦合方式仿真輸出電壓分別是10.6 V和78.7 V。

圖3 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖（實(shí)部）Fig.3 Contour plots of magnetic flux density vector su m（real）

圖4 磁通量密度矢量圖Fig.4 Vector plots of magnetic flux density magnetic flux density

圖4 （c）是基于U型結(jié)構(gòu)，在次級(jí)線圈內(nèi)加入坡莫合金后的磁通量矢量圖，但是在高頻條件下，坡莫合金的磁導(dǎo)率會(huì)迅速降低接近于彈體材料鐵［5］，因此電壓依然不大。而低頻條件下，裝定速度和耦合電壓均滿足不了武器系統(tǒng)在戰(zhàn)場(chǎng)條件下的要求，且裝配也比較復(fù)雜。因此，本文主要對(duì)平板型裝定方式的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)影響因素進(jìn)行具體分析。

3.2 影響因素分析

3.2.1 激勵(lì)頻率對(duì)次級(jí)輸出的影響

不同的激勵(lì)頻率，會(huì)影響初級(jí)拓?fù)潆娐返母鲄?shù)值，耦合回路中磁場(chǎng)分布情況也會(huì)發(fā)生變化，從而影響次級(jí)回路接收端電壓的變化，影響引信裝定的穩(wěn)定性。分別使用不同的激勵(lì)頻率對(duì)平板耦合模型進(jìn)行分析，可以得到磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖如圖5所示（1 MHz的云圖如圖9（b））。

圖5 不同頻率下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖（實(shí)部）Fig.5 Contour plots of magnetic flux density vector su m at different frequencies（real）

不同激勵(lì)頻率下，次級(jí)輸出電壓如表1所示。由仿真結(jié)果可知，無磁芯條件下，在系統(tǒng)諧振頻率100 k Hz周圍，輸出電壓較高，而隨著頻率的增大或減?。ㄟh(yuǎn)離諧振頻率的程度）輸出電壓均減小。由于小口徑彈藥射速快，供彈過程中的有效裝定時(shí)間較短，因此，裝定信息的載波頻率越高越好。引信用無線能量和信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性（輸出電壓）和快速性（載波頻率），決定了本結(jié)構(gòu)激勵(lì)頻率的最佳使用點(diǎn)是1 MHz。

3.2.2 彈體材料和架體材料對(duì)次級(jí)輸出的影響

戰(zhàn)場(chǎng)條件下，裝定環(huán)境復(fù)雜（強(qiáng)振動(dòng)、鐵磁干擾等），裝定器骨架和引信彈體一般選用強(qiáng)度較大的材料制成。而這些材料對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布有一定的影響，從而影響次級(jí)輸出回路。根據(jù)圖2（b）簡化模型，假設(shè)鋁的電阻率為2×10－7Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為1，鐵的電阻率為2×10－7Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率為4 000，建立如圖6模型。分別改變彈體材料和骨架材料并進(jìn)行仿真計(jì)算，磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖如圖7所示。

圖6 考慮材料的分析模型Fig.6 Analysis model of different matetials

圖7 不同材料下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖（實(shí)部和虛部）Fig.7 Contour plots of magnetic flux density vector sum with different materials（real and imaginary）

表2 不同彈體材料和骨架材料下次級(jí)線圈的輸出電壓Tab.2 The output voltages of secondary coil with different materials of bullet and frame

根據(jù)表2仿真數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)彈體材料和架體材料均為非金屬時(shí)，可以忽略為空氣進(jìn)行計(jì)算（由于前后兩模型不同，劃分網(wǎng)格略有差別，因此忽略為空氣的輸出電壓有些偏差），兩者計(jì)算結(jié)果幾乎一致，可知材料鋁和非金屬材料對(duì)輸出電壓影響較?。昏F架體影響磁場(chǎng)的分布，次級(jí)線圈磁感應(yīng)強(qiáng)度和輸出電壓均略低于非金屬材料；強(qiáng)磁導(dǎo)率材料的引信體對(duì)次級(jí)線圈磁通量變化率有較強(qiáng)影響，輸出電壓相對(duì)較高，但由于耦合距離較近，電壓會(huì)隨著材料磁導(dǎo)率的增加而達(dá)到飽和。

3.2.3 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)仿真分析

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，信息的裝定條件比較苛刻，高速傳輸和強(qiáng)振動(dòng)都會(huì)對(duì)信息的裝定造成影響：彈鏈傳輸過程中，會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的不確定方向的振動(dòng)，隨著彈鏈的擺動(dòng)，次級(jí)線圈耦合環(huán)境也發(fā)生改變，在不同位置的磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁通量變化率等均有所變化，次級(jí)接收電壓也會(huì)有差異。

實(shí)際裝定過程中，彈藥由導(dǎo)引槽接近裝定骨架，然后又遠(yuǎn)離裝定骨架進(jìn)入炮膛。此過程是完全對(duì)稱的，本文仿真計(jì)算彈藥進(jìn)入裝定裝置和彈藥處于裝定裝置中間位置兩階段。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型與中間位置相距20 mm如圖8（a），中間位置如圖3右圖，磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖變化如圖10所示。

供彈過程中，在彈藥的縱向上會(huì)產(chǎn)生幅度較小的振動(dòng)，初次級(jí)線圈縱向尺寸較小，應(yīng)予以考慮。準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型中間位置如圖2右圖，與中間位置相距3 mm的模型如圖8（b），磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖分別為圖9（b）和圖10。

圖8 準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型Fig.8 Analysis model about quasi-dynamic

圖9 彈藥傳輸中的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖Fig.9 Contour plots of magnetic flux density vector su m in the bullet-transmission

表3為次級(jí)線圈在不同的位置接收到的輸出電壓，橫向距離是送彈過程中與中心位置的相對(duì)距離，縱向距離是垂直于橫向距離方向與中心位置的距離。

圖10 縱向振動(dòng)時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖Fig.10 Contour plots of magnetic flux density vector su m in the condition of libration

表3 不同位置處次級(jí)線圈的輸出電壓Tab.3 The output voltages of secondary coil in different place

從表3所得數(shù)據(jù)可以看出，在彈體進(jìn)入裝定骨架過程中，輸出電壓先增大后減小，并相對(duì)于中間位置對(duì)稱分布；而對(duì)于橫向振動(dòng)，有導(dǎo)向槽的限制，幅度不大，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)看出對(duì)輸出電壓影響較小。因此，實(shí)際應(yīng)用中為了傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性，需要根據(jù)彈速設(shè)計(jì)線圈槽合適的長度和寬度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上仿真分析，本文設(shè)計(jì)了基于平板型耦合的裝定系統(tǒng)，原理樣機(jī)如圖11所示，主要由初級(jí)線圈骨架（非金屬）、引信彈體（鐵）、裝定器初次級(jí)電路、引信次級(jí)電路等構(gòu)成，通過改變各個(gè)參數(shù)模擬準(zhǔn)動(dòng)態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

圖11 原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.11 The experiential equip ment of the samplen

本文選定的最優(yōu)化參數(shù)為：輸入電壓12.5 V，輸入電流0.1 A，激勵(lì)頻率1 MHz，初次級(jí)線圈匝數(shù)比為1∶9，次級(jí)線圈直徑20 mm，裝定骨架30 mm×70 mm，裝定骨架與引信體的間隙由于彈藥供彈槽尺寸的限制，初次級(jí)線圈間隙約5 mm。通過理論分析可知，次級(jí)引信電路耦合得到的電壓值和次級(jí)電容的充電速度，受到敏感因素（耦合距離、彈體及骨架材料等）的影響，并且隨著敏感因素的改變而急劇變化。由靜態(tài)實(shí)驗(yàn)得到次級(jí)電路儲(chǔ)能電容（10 μF）充電速度和充電電壓值如圖12（a），次級(jí)電路信息解調(diào)信號(hào)如圖12（b）。

由圖12（a）可以看出，次級(jí)電容經(jīng)過約15 ms后電壓幅值達(dá)到5 V，可保證次級(jí)電路正常工作（次級(jí)解調(diào)電路工作輸入電壓5 V），25 ms后電壓幅值可達(dá)到8 V，次級(jí)電路穩(wěn)定工作；并且根據(jù)彈鏈傳輸速度可以通過改變信息占空比時(shí)間和激勵(lì)頻率達(dá)到設(shè)計(jì)要求；圖12（b）表示接收的信號(hào)電壓均穩(wěn)定，次級(jí)信息解調(diào)工作正常，信息完整；因此，采用平板型耦合系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)能量和信息的同步傳輸。

圖12 次級(jí)電路接收能量與信息波形圖Fig.12 Output wave of secondar y coil

5 結(jié)論

本文提出了彈鏈感應(yīng)裝定的平板型線圈耦合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的次級(jí)線圈仍環(huán)繞在引信外壁，初級(jí)線圈繞在非金屬平板骨架上，安裝在彈鏈上下，與彈鏈運(yùn)動(dòng)方向平行，有效耦合作用區(qū)為平面。仿真表明，平板型結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)型、U型結(jié)構(gòu)更適合于能量與信息的傳輸。實(shí)驗(yàn)表明：采用平板型耦合系統(tǒng)能夠有效地實(shí)現(xiàn)能量和信息的同步傳輸。該結(jié)構(gòu)在小口徑武器系統(tǒng)平臺(tái)彈鏈裝定系統(tǒng)上具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值，下一階段將圍繞中遠(yuǎn)距離的無線能量與信息傳輸展開研究。

［1］李長生，張合.基于非鐵磁性金屬管的無線能量與信息同步傳輸技術(shù) ［J］.儀 器 儀 表 學(xué) 報(bào)，2011，32（5）：1 165-1 170.LI Changsheng，ZHANG He.Wireless power and inf ormation synchronous trans mission technology based on non-ferromagnetic metal tube［J］.Chinese Journal of Scientific Instr u ment，2011，32（5）：1 165-1 170.

［2］馬少杰，張合，李長生，等.火箭彈引信電磁感應(yīng)裝定仿真分析［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2009，30（2）：68-72.MA Shaojie，ZHANG He，LI Changsheng，et al.Interference si mulation analysis of electromagnetic induction set-ting of rocket f［J］.Jour nal of Detection ＆ Control，2009，30（2）：68-72.

［3］王秋生，毛俊，孫艷，等.非共軸線圈炮口感應(yīng)裝定［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2009，31（6）：1-4.WANG Qiusheng，MAO Jun，SUN Yan，et al.Muzzle inductive setting with non-coaxial coil［J］.Journal of Detection ＆ Control，2009，31（6）：1-4.

［4］Takehiro Imura，Hiroyuki Okabe，Yoichi Hori.Basic experi mental study on helical antennas of wireless power transfer f or electric vehicles by using magnetic resonant couplings［C］／／ Vehicle Power and Propulsion Conference，USA：Dear bor n，MI，2009：936-940.

［5］閆照文.ANSYS10.0工程電磁分析技術(shù)與實(shí)例詳解［M］.北京：中國水利出版社，2006.