軌道炮發(fā)射過程中彈藥制導(dǎo)組件強(qiáng)磁環(huán)境控制技術(shù)

王維剛，呂慶敖，向紅軍，雷 彬，邢彥昌

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

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軌道炮發(fā)射過程中彈藥制導(dǎo)組件強(qiáng)磁環(huán)境控制技術(shù)

王維剛，呂慶敖，向紅軍，雷 彬，邢彥昌

(軍械工程學(xué)院，河北 石家莊 050003)

電磁軌道炮彈藥制導(dǎo)部分是其未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。針對彈藥制導(dǎo)組件無法承受過強(qiáng)磁場的問題，采用理論分析和數(shù)值仿真方法，對銅導(dǎo)體的電磁感應(yīng)屏蔽、鐵磁材料磁屏蔽以及活動制導(dǎo)組件的控制技術(shù)作了磁場分布有限元分析，研究了電磁軌道炮發(fā)射過程中彈藥制導(dǎo)組件所處磁場環(huán)境的抑制方法。結(jié)果表明：采用合適隔離與屏蔽方法，制導(dǎo)組件所處環(huán)境的磁場可降低4個量級，達(dá)到36 μT。上述研究工作很大程度上降低了彈藥組件環(huán)境磁場強(qiáng)度和研發(fā)難度，對電磁軌道炮制導(dǎo)彈藥研究開發(fā)具有一定參考意義。

電磁軌道炮；制導(dǎo)彈藥；制導(dǎo)組件；強(qiáng)磁環(huán)境；磁場屏蔽

電磁炮是一種利用脈沖功率電源提供的電能加速宏觀彈丸的一種新概念動能武器，包括電磁軌道炮和電磁線圈炮兩大類[1-3]。簡單的電磁軌道炮由2根平行金屬軌道、夾在兩軌道間并與兩軌道保持滑動電接觸的金屬電樞、電樞推動的彈丸、絕緣固定裝置以及高脈沖功率電源和開關(guān)等構(gòu)成，如圖1所示。

在圖1中，軌道、電樞、以及未顯示的脈沖功率電源、高功率開關(guān)構(gòu)成閉合回路；當(dāng)開關(guān)閉合時，脈沖功率電源為回路充電，形成脈沖大電流和強(qiáng)磁場,通過電樞的電流和附近強(qiáng)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F，電磁力可推動電樞和彈丸加速運動。

傳統(tǒng)化學(xué)發(fā)射藥火炮由于受到燃?xì)饴曀俚南拗坪茈y把彈丸加速到2 km/s，而電磁軌道炮則可以把彈丸加速到超高速[4-5]。因此與傳統(tǒng)火炮相比，電磁軌道炮具有初速高、響應(yīng)快、特征信號弱等優(yōu)勢，可用于防空、反導(dǎo)、反裝甲、超遠(yuǎn)程打擊等領(lǐng)域，具有明顯的軍事應(yīng)用價值。

在超遠(yuǎn)程、超高空火力打擊方面，MCNAB等曾分析以51°±1°的仰角、2.5 km/s的速度發(fā)射60 kg重彈丸，射高可達(dá)120 km，射程可達(dá)400 km，因而電磁軌道炮可以用于岸防，保護(hù)領(lǐng)海專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)，也可用于艦船的超視距、超遠(yuǎn)程、超高空火力打擊[1，6-8]。

經(jīng)過多年的研究，美海軍電磁軌道炮技術(shù)進(jìn)展巨大。在2012年3月的工程化樣炮發(fā)射試驗中，彈丸質(zhì)量10 kg，炮口速度2.5 km/s，炮口動能達(dá)到了32 MJ，如圖2所示[9]。而且，該工程化樣炮已經(jīng)具備調(diào)節(jié)射角和反后坐力功能，目前的理論射高可達(dá)100 km，射程可達(dá)250 km，已經(jīng)初步具備實戰(zhàn)功能。同時，從圖2可以看到，一體化彈丸還沒有配備戰(zhàn)斗部、引信及制導(dǎo)部件。

實際上，對于超遠(yuǎn)程、超高空打擊的電磁軌道炮，彈道終點的彈藥散布很大。精確打擊的作戰(zhàn)任務(wù)迫切需要在彈藥上附加制導(dǎo)組件。然而目前制導(dǎo)組件對電磁軌道炮發(fā)射過程中的強(qiáng)磁場環(huán)境的適應(yīng)性還少有研究[10]。筆者將探索電磁軌道炮發(fā)射過程制導(dǎo)組件所處強(qiáng)磁場環(huán)境的控制和分析。

1 強(qiáng)磁場屏蔽控制方法

實用的電磁軌道炮發(fā)射過程中，幾兆安的電樞電流會產(chǎn)生幾十特斯拉的強(qiáng)磁場。而軌道炮制導(dǎo)彈藥的制導(dǎo)組件在如此強(qiáng)脈沖磁場中的可靠性和安全性問題還沒有研究過。為此，筆者利用電磁軌道炮磁場分布特性，采用銅導(dǎo)體電磁屏蔽與鐵磁材料的磁屏蔽雙重措施，采用開口的屏蔽罩杯方式，探究電磁軌道炮制導(dǎo)組件所處環(huán)境的脈沖磁場衰減特性，為制導(dǎo)彈藥的磁場環(huán)境適應(yīng)性研究提供參考。磁場控制方法主要分以下幾個步驟：

1)根據(jù)電磁軌道炮磁場分布特征，盡可能使制導(dǎo)組件所處空間遠(yuǎn)離電樞，把制導(dǎo)組件所處空間控制在遠(yuǎn)離電樞頭部的軸線上300 mm以外。

2)在電磁軌道炮發(fā)射過程中，把制導(dǎo)組件屏蔽在金屬罩杯中，罩杯采用開口或絕緣封蓋結(jié)構(gòu)。在電磁軌道炮發(fā)射過程中，制導(dǎo)組件處在金屬罩杯內(nèi)底部；而當(dāng)電磁軌道炮發(fā)射完畢，炮彈處于自由飛行階段時，彈簧可把制導(dǎo)組件彈離罩杯底部，固定在罩杯開口部。絕緣封蓋可以透過光電信號，方便制導(dǎo)組件探測或接收外界光電控制信息。

3)屏蔽罩杯包含2層，外層為銅。對于電磁軌道炮所用電流為脈寬10 ms梯形波，取傅里葉一級近似，可得50 Hz半周期正弦波。對于50 Hz正弦波，室溫下銅導(dǎo)體內(nèi)的趨膚深度為9.42 mm。如果銅罩杯厚度為10 mm，則可屏蔽60%的強(qiáng)磁場。當(dāng)然，對于脈寬更短的電流脈沖，趨膚深度更小，屏蔽效果當(dāng)然會更好。

4)屏蔽罩杯內(nèi)層為鐵磁材料。由于鐵磁材料的磁導(dǎo)率較高[11]，可以有效屏蔽磁場。鐵罩杯厚度可確定為5 mm。

5)屏蔽罩杯內(nèi)材料為無磁材料或絕緣材料。

2 仿真模型與數(shù)值仿真結(jié)果

2.1 仿真模型

根據(jù)上述磁場控制方法分析，建立了三維仿真模型，并用Maxwell 13.0對磁場分布進(jìn)行了數(shù)值仿真。

電磁軌道炮三維模型如圖3所示，銅軌道長度為2 500 mm，軌道截面為300 mm×80 mm，兩軌道沿z方向并列，兩軌道間用2根2 500 mm×200 mm×50 mm 絕緣層間隔，形成200 mm×200 mm方膛。U形鋁電樞長300 mm，沿z方向發(fā)射。采用屏蔽罩結(jié)構(gòu)為開口杯狀，外層為銅，外徑為80 mm，厚度為10 mm，長度為300 mm。屏蔽杯底部距離U形電樞前端300 mm。緊貼銅罩杯內(nèi)層為鐵罩杯，鐵罩杯厚度為5 mm，長度為250 mm，開口方向與發(fā)射方向一致。杯內(nèi)空間形成長徑比為5:1的圓柱形空間。O-xyz坐標(biāo)原點取炮口對稱中心位置。除了銅軌道、鋁電樞、外層銅罩杯、內(nèi)層鐵罩杯，該模型其他空間設(shè)為空氣，所取外圍空氣域尺寸為1 200 mm×1 440 mm×3 000 mm。

2.2 仿真結(jié)果及分析

建立模型以后，在軌道炮的兩軌道尾端通以振蕩頻率為50 Hz、幅值為6 MA的正弦波電流，取4 ms時刻的磁場分布。

圖4是僅用銅罩杯后的模型仿真效果，所示的是y≤0空間內(nèi)的磁場強(qiáng)度分布，是圖3模型的一半。

從圖4可以看出，銅軌道和鋁電樞內(nèi)部空間磁場較弱，銅軌道與鋁電樞外表面磁場最強(qiáng)。尤其U形電樞拱形部內(nèi)側(cè)，磁場強(qiáng)度最高達(dá)到30.54 T。30 T強(qiáng)磁場對應(yīng)的磁壓強(qiáng)達(dá)到360 MPa，這是實用化軌道炮所需要的壓強(qiáng)數(shù)值。U形電樞前部磁場逐步降低，銅罩杯所處位置(300 mm外)的磁場均值為0.306 T，磁場沿軸線方向降低了2個量級。

從圖4還可以看出，銅罩杯存在對磁場有排斥作用，銅罩杯外杯底附近的磁場比臨近位置磁場明顯變小。銅罩杯對磁場的屏蔽作用較弱。銅罩杯內(nèi)部杯底區(qū)域的磁場范圍在0.055 4～0.158 T；而遠(yuǎn)離杯底的區(qū)域最小磁場達(dá)0.019 3 T。銅罩杯對磁場屏蔽達(dá)1個量級。

圖5是僅用鐵罩杯后的模型仿真效果。

從圖5可以看出，銅軌道和鋁電樞內(nèi)部空間磁場較弱，銅軌道與鋁電樞外表面磁場最強(qiáng)。尤其U形電樞拱形部內(nèi)側(cè)，磁場強(qiáng)度達(dá)到13.88～41.70 T。U形電樞前部磁場逐步降低，鐵罩杯所處位置(300 mm外)的磁場達(dá)到了0.512～1.540 T，磁場沿軸線方向降低了1～2個量級。

從圖5還可以看出，鐵罩杯的存在對磁場有強(qiáng)烈的吸引和屏蔽雙重作用。一方面，鐵罩杯的存在使附近磁場由0.170～0.512 T上升到了0.512～1.540 T，與圖4對比，圖5中的鐵罩杯還改變了軌道-電樞間的磁場分布，U形電樞拱形部內(nèi)側(cè)的磁場得到有效增強(qiáng);另一方面，鐵罩杯內(nèi)部杯底附近的磁場降低至2.10～6.30 mT,鐵罩杯內(nèi)部大部分空間磁場達(dá)0.699～2.10 mT。鐵罩杯對磁場屏蔽效果明顯，達(dá)2個量級。

圖6是采用銅鐵雙層罩杯后的模型仿真效果，所示的是y≤ 0空間內(nèi)的磁場強(qiáng)度分布，是圖3模型的一半。

從圖6可以看出，銅軌道和鋁電樞內(nèi)部空間磁場較弱，銅軌道與鋁電樞外表面磁場最強(qiáng)。尤其U形電樞拱形部內(nèi)側(cè)，磁場強(qiáng)度達(dá)到9.80～30.59 T。U形電樞前部磁場逐步降低，銅鐵雙層屏蔽罩杯所處位置(300 mm外)的磁場達(dá)到了0.322～1.006 T，磁場沿軸線方向降低了1～2個量級。

圖7所示的是y=0對稱面上的磁場強(qiáng)度分布的局部放大圖。

對比圖6和圖7可以看出，U形電樞內(nèi)最弱磁場為10.59 mT；U形電樞拱形部內(nèi)側(cè)的磁場最強(qiáng)，達(dá)到30.59 T；屏蔽罩杯所處空間磁場強(qiáng)度為0.322～1.006 T。而銅鐵雙層屏蔽罩內(nèi)底部大部分區(qū)域為111.6～348.3 μT；屏蔽罩杯內(nèi)局部的磁場最小可達(dá)35.75 μT；當(dāng)然，罩杯開口處磁場強(qiáng)度變化劇烈，從10.59 mT至322 mT。銅鐵雙層罩杯對磁場屏蔽效果好，罩杯開口處磁場為0.103～0.322 T，而罩杯內(nèi)大部分空間磁場為0.111～0.348 mT，雙層罩杯對磁場屏蔽達(dá)3個量級。

罩杯內(nèi)層鐵磁材料的磁場強(qiáng)度突變，從杯底外側(cè)的大于3.14 T過渡到杯底內(nèi)側(cè)的0.103～0.322 T。而銅罩杯對鐵罩杯的屏蔽作用也很明顯：鐵罩杯杯底(由于銅材屏蔽)磁場強(qiáng)度較弱，而鐵罩杯開口處(沒有屏蔽)磁場強(qiáng)度較強(qiáng)。

2.3 結(jié)果討論

針對制導(dǎo)彈藥的制導(dǎo)組件對電磁軌道炮發(fā)射過程中強(qiáng)磁場環(huán)境適應(yīng)性要求，筆者設(shè)計了一種可用于電磁軌道炮彈藥制導(dǎo)組件的開口屏蔽罩杯。在發(fā)射過程，制導(dǎo)組件處于罩杯內(nèi)的底部；在發(fā)射過程結(jié)束后，制導(dǎo)組件被彈簧彈至罩杯開口部。經(jīng)過建立模型和數(shù)值仿真分析，在軌道炮發(fā)射過程中，單獨采用銅罩杯，罩杯內(nèi)部磁場仍然較強(qiáng)；單獨采用鐵罩杯，鐵罩杯對電樞近的磁場有影響；采用銅鐵雙層結(jié)構(gòu)的屏蔽罩杯，對軌道炮電樞附近磁場影響較弱，罩杯內(nèi)磁場環(huán)境從0.103～0.322 T環(huán)境降低至35.75～111.6 μT環(huán)境，平均降低約4個量級。

參考現(xiàn)有民用電網(wǎng)10 A的銅導(dǎo)線，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律[12]，B=μ0I·2πr，導(dǎo)線軸線外10 mm處的磁感應(yīng)強(qiáng)度為200 μT，這種日常電氣化生產(chǎn)、生活所接觸到的磁場強(qiáng)度值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軌道炮屏蔽罩杯底部的磁場強(qiáng)度35.75～111.6 μT了。所以說，采用雙層屏蔽罩杯的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以滿足電磁軌道炮彈藥制導(dǎo)組件的強(qiáng)磁場環(huán)境適應(yīng)性的要求。

3 結(jié)束語

通過利用Ansoft Maxwell有限元仿真軟件，對3種情況下的磁場屏蔽方式進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明，采用適當(dāng)隔離，并利用鐵與銅2種材料組成的雙重雙層結(jié)構(gòu)罩杯屏蔽磁場的方法，達(dá)到了較好的屏蔽效果，使制導(dǎo)組件所處環(huán)境的磁場可降低4個量級，達(dá)到36 μT。上述研究工作很大程度上降低了彈藥組件環(huán)境磁場強(qiáng)度和研發(fā)難度，對電磁軌道炮制導(dǎo)彈藥研究開發(fā)有一定參考意義。

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Control Technology of Strong Magnetic Environment for Guidance Package of Guided Ammunitions During Railguns Launching

WANG Weigang, LYU Qing’ao, XIANG Hongjun, LEI Bin, XING Yanchang

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, Hebei, China)

The guided ammunition of electromagnetic railguns is one of the key technologies for future development. Aiming at the problem that the guided ammunition can not bear a too strong magnetic field, two methods were adopted, namely theory analysis and numerical simulation. The magnetic field distributions of copper shield, ferromagnetic shield, and flexible guided ammunition were analyzed with finite element simulation. A study was made of the methods of how to attenuate the magnetic field around the guided ammunition during launching. The results show that the opened shield chamber can reduce the inside magnetic intensity to four degrees of magnitude, reaching a magnitude of 36 μT. All this work has attenuated the magnetic field and reduced the degree of research difficulty of the guided ammunition to a great extent, which has a great significance to the engineering development of railgun ammunitions.

electromagnetic railguns; guided ammunitions; guidance package; strong magnetic environment; magnetic shield

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.015

2016-01-19

王維剛(1982—)，男，碩士研究生，主要從事電磁發(fā)射技術(shù)研究。E-mail：298024880@qq.com

TM919

A

1673-6524(2016)04-0068-05