電場感應(yīng)膛口信息傳輸方法

陳 力,王發(fā)林,張曉煒,齊曉紅

(機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065)

電場感應(yīng)膛口信息傳輸方法

陳 力,王發(fā)林,張曉煒,齊曉紅

(機電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065)

針對磁場感應(yīng)膛口信息傳輸方法中裝定器發(fā)射功率大、膛口裝定裝置長、信號受引信金屬風(fēng)帽的影響大的問題，提出了電場感應(yīng)膛口信息傳輸方法。該方法是以電場為信號傳輸媒介，達到在膛口位置由裝定器向引信傳輸信號的目的。實驗驗證表明，電場感應(yīng)膛口信息傳輸方法極大提高了裝定系統(tǒng)和武器平臺的結(jié)構(gòu)兼容性、電氣兼容性、引信的抗干擾能力。

引信；電場；膛口感應(yīng)裝定

0 引言

為了提高武器的快速反應(yīng)能力，需要在彈藥發(fā)射時通過感應(yīng)傳輸信號的方式給引信裝定目標(biāo)諸元參數(shù)，膛口感應(yīng)裝定引信是感應(yīng)裝定武器領(lǐng)域的一個重要分支[1-2]。國外以瑞士AHEAD(35 mm)系統(tǒng)為代表的快速反應(yīng)武器在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)裝備部隊，美國曾計劃在2014年用單兵20理想班組裝備部隊。目前以ATK公司、通用動力武器與戰(zhàn)術(shù)系統(tǒng)公司、奈科斯特公司、丹尼爾公司和萊茵金屬公司為代表的軍火商正在研發(fā)20 mm，25 mm可編程空炸彈藥，大部分用于高速發(fā)射器[3]。這些武器都采用瑞士最先研發(fā)的磁場感應(yīng)膛口裝定引信。國內(nèi)曾經(jīng)在 20 mm，25 mm，35 mm，40 mm，57 mm，100 mm等多種口徑武器平臺上研發(fā)磁場感應(yīng)膛口裝定引信，但是目前只有個別產(chǎn)品裝備部隊，膛口信息傳輸成為限制膛口感應(yīng)裝定引信發(fā)展的瓶頸技術(shù)[4-5]。因此，本文提出了電場感應(yīng)膛口信息傳輸方法。

1 電場感應(yīng)膛口信息傳輸基本原理

膛口感應(yīng)裝定引信是在膛口位置進行信息傳輸?shù)?，由于工作環(huán)境惡劣，膛口裝定裝置和引信風(fēng)帽都采用金屬材料設(shè)計能提高膛口感應(yīng)裝定系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)兼容性。如果引信風(fēng)帽采用金屬材料設(shè)計，引信電路相當(dāng)于封裝在密閉的金屬殼體內(nèi)部，而密閉的金屬殼體對裝定信號會產(chǎn)生屏蔽作用，因此，在密閉的金屬殼體內(nèi)部能夠檢測金屬殼體外部的信號是進行信息傳輸?shù)囊粋€必要條件。電場感應(yīng)膛口信息傳輸?shù)囊粋€預(yù)期目標(biāo)就是膛口裝定裝置和引信風(fēng)帽都采用金屬材料設(shè)計，這就要求電場信號能夠穿越金屬殼體，下面來研究一下不同電荷產(chǎn)生的電場特性，為電場感應(yīng)膛口信息傳輸提供理論依據(jù)。

1.1 靜電荷和勻速運動電荷產(chǎn)生的電場

由兩個導(dǎo)體A和B組成一個孤立的系統(tǒng)，給A和B之間施加電壓，電荷會重新分布，當(dāng)達到靜電平衡時，雖然A和B上的總電荷數(shù)不變，但是A和B上都會帶一定量的正或者負電荷，若B上帶有一定量的電荷，在B導(dǎo)體的周圍就會生成電場[6-7]。

如果把B看作一個點電荷，B周圍的電場分布符合式(1)

(1)

如果在B的周圍存在其它導(dǎo)體C，受導(dǎo)體B所發(fā)電場的影響，導(dǎo)體C上的自由電子會在電場力的作用下發(fā)生移動，若C是一個密閉的金屬殼體，C表面的電荷在外部電場的作用下發(fā)生重新分布，根據(jù)靜電場理論，當(dāng)C表面的電荷達到靜態(tài)平衡時，C內(nèi)部電場處處為零。

根據(jù)以上分析可以得出兩點結(jié)論：1)靜電場的衰減與距離的二次方成反比；2)靜電場達到靜態(tài)平衡時，密閉的金屬殼體內(nèi)部電場處處為零。

勻速運動電荷和靜電場不同，而且與之聯(lián)系的還有磁場，這電場和磁場的分布都和電荷的運動速度有關(guān)，由于這種電磁場只隨著運動電荷一同運動，在運動電荷的周圍總保持一樣的分布，所以也沒有場的向外傳播，也就是說，勻速運動電荷產(chǎn)生的電場符合式(1)，按距離的二次方衰減，而且會被金屬殼體屏蔽。

1.2 加速電荷產(chǎn)生的電場

加速電荷的電場非常復(fù)雜，這里只對一種最簡單最基本的情況加以討論。假設(shè)在真空中一個點電荷q原來一直靜止在原點O，從時刻t=0開始以加速度a沿x軸正方向作加速運動，在時刻t=τ時，速度達到v=aτ，此后即以此速度繼續(xù)作勻速直線運動。為了簡單起見假設(shè)v?c(c是光速)，下面研究在任意時刻t(t?τ)此電荷的電場。

如圖1所示，在t=0時，電荷從原點出發(fā)，在t=τ時，電荷到達p點。在這一段時間內(nèi)由于電荷的加速運動，它周圍的電場的前沿會發(fā)生擾動，這一擾動以光速c向外傳播。在時刻t，這一擾動的前沿到達以O(shè)為心，以r=ct為半徑的球面上。根據(jù)相對論關(guān)于光速最大的結(jié)論，此時刻不可能有任何變化的信息傳到此球面以外，因此球面以外的電場仍是電荷原來靜止在O點時的靜電場，它的電力線是沿著從O點引出的半徑方向的直線。

在t=τ時，電荷停止加速。由電荷加速引起的電場擾動的后沿在t時刻已向周圍傳播了c(c-τ)的距離。以p為心，以c(t-τ)為半徑作一球面，由于從t=τ開始，電荷作勻速運動，所以在這球面內(nèi)的電場應(yīng)該是作勻速直線運動的電荷的電場。根據(jù)假定，v?c，所以這球面內(nèi)的電場在任意時刻都近似動為靜電場，在時刻t，這一電場的電力線是從此時刻q所在點(Q點)引出的沿半徑方向的直線。

由圖1可明顯地看出，在上述兩靜電場之間，有一個由電荷的加速而引起的電場擾動所形成的過渡區(qū)。由于t?τ,c?v，所以ct?0.5vτ(O,P的距離。)因此，過渡區(qū)前、后沿的兩個球面幾乎是同心球面，而過渡區(qū)的厚度為cτ。隨著時間的推移，這一過渡區(qū)的半徑(ct)不斷擴大，電場的擾動也就不斷地由近及遠地傳播。這一傳播就是一種特殊形式的電磁波。

由高斯定律可知，在過渡區(qū)兩側(cè)的電力線總條數(shù)是相等的，而且即使通過過渡區(qū)，電力線也應(yīng)該是連續(xù)的。因此用電力線描繪整個電場時，應(yīng)該把過渡區(qū)兩側(cè)同一方向的電力線連起來。這樣在過渡區(qū)電力線就要發(fā)生扭折，如圖1所示。在，v?c的情況下，這段扭折可以當(dāng)直線段看待。

現(xiàn)在借助電力線圖來分析過渡區(qū)域內(nèi)的電場。如圖2，選用與x軸成θ角的那條電力線，此圖中由于O，P的距離比r=ct小得多，我們把O，P看作一點O，而OQ=0.5vτ+v(t-τ)vt。過渡區(qū)的電場E可以分成Er和Eθ兩個分量。由圖2可以得出式(2)，根據(jù)高斯定律，由于電通量只和垂直于高斯面的電場分量有關(guān)，所以電力線在過渡區(qū)連續(xù)意味著Er分量仍是庫侖定律給出的徑向電場，如式(3)所示，把式(3)代入式(2)可得式(4)。這一電場只在過渡區(qū)內(nèi)存在，所以它就是電荷加速運動時所產(chǎn)生的電場。應(yīng)該注意的是它隨著r的一次方成反比的減小。而靜電場以及勻速運動的電荷的電場則隨著r的二次方成反比的減小。

(2)

(3)

(4)

1.3 電場感應(yīng)膛口信息傳輸?shù)睦碚撘罁?jù)

在1.1，1.2兩節(jié)中分別闡述了靜電荷、勻速運動電荷、加速電荷的電場，其中有兩個結(jié)論可以支撐電場感應(yīng)膛口信息傳輸理論：1)相對論的一個推論——光速最大原理，電磁場的傳播速度和光速相等，因此加速電荷的電場過渡區(qū)前沿沒有什么信息可以超越，當(dāng)加速電荷的電場遇到金屬殼體時，金屬殼體上的帶電粒子來不及反應(yīng)，加速電荷的電場已經(jīng)穿越了金屬殼體，導(dǎo)致加速電荷的電場可以穿越金屬殼體這一自然現(xiàn)象。2)加速電荷的電場如式(3)、式(4)所示，其中橫向電場Eθ隨著r的一次方成反比的減小，衰減速度慢。

以上兩個結(jié)論就是電場感應(yīng)膛口信息傳輸?shù)睦碚撘罁?jù)。根據(jù)第一個結(jié)論，可以利用加速電荷的電場把信息傳入密閉金屬殼體內(nèi)部，因此電場感應(yīng)膛口裝定引信可以采用密閉的金屬殼體作為風(fēng)帽，提高引信的結(jié)構(gòu)兼容性，提高引信的抗干擾能力。根據(jù)第二個結(jié)論， 加速電荷的電場隨著r的一次方成反比的減小，而線圈產(chǎn)生的磁場宏觀上隨著r近似成二次方的減小，因此電場感應(yīng)膛口裝定引信信號窗口要比現(xiàn)有的磁場感應(yīng)膛口裝定引信的信號窗口長。

2 電場感應(yīng)膛口信息傳輸方法的電場理論模型和應(yīng)用實例

2.1 電場感應(yīng)膛口信息傳輸?shù)碾妶瞿Ｐ?/p>

電場感應(yīng)膛口信息傳輸系統(tǒng)包括裝定器、膛口裝定裝置、引信接收電路(如圖3所示)。

裝定器驅(qū)動膛口裝定裝置工作，產(chǎn)生加速電荷，彈丸穿過加速電荷的電場時，引信上的電場傳感器接收到電場信號，通過檢測電場信號就可以接收到裝定器發(fā)出的信息，下面來分析圖3中圓環(huán)狀的膛口裝定裝置產(chǎn)生的電場。圖2給出的是一種最簡單、最基本的加速點電荷的電場，圓環(huán)狀膛口裝定裝置上的電荷可以看作無數(shù)個點電荷，當(dāng)這無數(shù)個點電荷在裝定器的驅(qū)動下做加速運動時，每個點電荷都會產(chǎn)生如圖2形式的電場，現(xiàn)在只考慮每個點電荷的總電場E，每個點電荷的電場用E1，E2，E3，…，En表示，在膛口裝定裝置的附近任意一點A，各點電荷產(chǎn)生的電場如圖4所示，A點的總電場就是各個點電荷電場的疊加，如式(5)所示。膛口裝定裝置上有無數(shù)個點電荷，加速的方向不會完全一致，但是，如第1.2節(jié)所述，每個加速電荷的電場是按球面不斷向外擴展的，因此膛口裝定裝置上加速電荷的電場在A點處各個分量呈半個橢球形，電場是矢量，所以電場傳感器在A點的任意方向都能夠檢測到膛口裝定裝置發(fā)出的電場，這一結(jié)果非常有利于工程應(yīng)用，在原理樣機的測試中也證明了這一結(jié)論。

(5)

裝定器發(fā)射一個電場信號，引信能夠檢測到該電場信號，裝定器發(fā)射兩種不同特征的電場信號分別代表“0”和“1”，引信就能辨別出“0”和“1”，根據(jù)數(shù)字信號傳輸理論，裝定器和引信之間可以進行數(shù)字信號傳輸。

2.2 電場感應(yīng)膛口信息傳輸系統(tǒng)原理樣機設(shè)計

電場感應(yīng)膛口信息傳輸系統(tǒng)原理樣機包括：裝定器、膛口裝定裝置、引信電路三部分，工作流程如圖5所示。下面以某型發(fā)射器(該發(fā)射器所用彈藥稱為某型彈)為例來設(shè)計電場感應(yīng)膛口信息傳輸原理樣機。若采用計轉(zhuǎn)數(shù)引信，某型彈的轉(zhuǎn)數(shù)計數(shù)到3 000轉(zhuǎn)左右就能滿足要求，某型彈的膛口速度在400m/s左右，膛口裝定裝置的長度為8cm。二進制碼的傳輸速率設(shè)計為380kHz時，理論上，一幀數(shù)據(jù)包含24位二進制碼，在信號窗口內(nèi)引信能夠接收到兩幀完整的數(shù)據(jù)就可以完成裝定過程，根據(jù)上述理論，信號窗口大于5.1cm就能夠完成裝定過程。

圖6是一套電場感應(yīng)膛口信息傳輸系統(tǒng)原理樣機，裝定器和膛口裝定裝置通過導(dǎo)線聯(lián)接，裝定器驅(qū)動裝定裝置發(fā)射電場信號，當(dāng)引信處于膛口裝定裝置發(fā)出的電場范圍內(nèi)時，引信上的傳感器感應(yīng)到電場信號，并通過引信電路還原裝定參數(shù)，控制引信在適當(dāng)時機起爆。

3 實驗驗證

3.1 電場感應(yīng)膛口信息傳輸系統(tǒng)原理樣機測試

如圖7所示，包括傳感器在內(nèi)的引信電路密封在鋁合金引信風(fēng)帽內(nèi)，從引信電路上引出電源線和測試線，當(dāng)裝定器發(fā)射信號時，引信可以正確接收裝定信息。如圖8所示，剝線鉗作為膛口裝定裝置時，引信同樣可以正確接收到裝定信息，該結(jié)果表明膛口裝定裝置的結(jié)構(gòu)完全不受形狀的限制，極大提高了膛口裝定裝置和武器平臺的結(jié)構(gòu)兼容性。

圖7所示的膛口裝定裝置和引信電路測試結(jié)果如下。

裝定器功耗為：電壓12V，電流0.3A。引信采用單片機設(shè)計解碼電路，引信可以用現(xiàn)有的引信物理電源供電，膛口裝定裝置的長度為8cm。模擬引信中軸和膛口裝定裝置的中軸重合，在上述條件下沿軸向移動模擬引信，能正確接收裝定信息的軸向距離定義為信號窗口(能正確接收信息的位置是模擬引信完全在膛口裝定裝置內(nèi)部，或者在離開膛口裝定裝置兩端幾公分的距離)，測得信號窗口大于20cm。

圖9是原理樣機發(fā)射控制和接收信號波形，CH1表示裝定器的發(fā)射控制信號波形，CH2表示引信傳感器信號經(jīng)過模擬電路處理后的輸出波形，CH1和CH2的波形除了幅度不同之外，其他信號特征完全一致，該結(jié)果表明裝定器和引信之間完全可以完成數(shù)字信號傳輸[4]。

表1列出了磁場感應(yīng)膛口裝定引信和電場感應(yīng)膛口裝定引信原理樣機的主要參數(shù)。在膛口裝定裝置尺寸相同的情況下，電場感應(yīng)膛口裝定引信的信號窗延長到5倍；裝定器峰值電流從1A降低到0.3A；電場感應(yīng)膛口裝定引信的風(fēng)帽可以采用金屬材料設(shè)計；由于電場感應(yīng)膛口裝定引信的信號窗口很長，可以降低碼的傳輸速率，適合采用單片機設(shè)計解碼電路。

表1 磁場感應(yīng)和電場感應(yīng)膛口裝定引信參數(shù)

3.2 電場感應(yīng)膛口裝定引信的抗干擾問題

彈藥發(fā)射后的瞬間，膛口會產(chǎn)生高溫、高壓，造成空氣電離，理論上空氣電離后正負離子等量，整體呈電中性，不會影響電場傳輸信號。電場感應(yīng)膛口裝定引信利用了加速電荷的電場才能夠向密閉金屬風(fēng)帽內(nèi)傳輸信號，即使膛口存在帶電離子，在不滿足加速度要求的條件下也不會影響密閉金屬風(fēng)帽內(nèi)的電場。

為了驗證電場感應(yīng)膛口裝定引信的抗干擾能力，在59式坦克炮實彈射擊時進行了測試，發(fā)射炮彈時，由于炮口環(huán)境惡劣，不便于測試，為此專門設(shè)計了測試方案：炮管為金屬導(dǎo)體，電場感應(yīng)膛口裝定裝置在炮管根部和炮管電聯(lián)接，此時，炮口和膛口裝定裝置之間的電阻為零，膛口裝定裝置和引信的配合關(guān)系如圖7所示，測試時模擬引信在膛口裝定裝置中間，裝定器的發(fā)射端和炮口連接，開啟裝定器，引信上可以接收到裝定器發(fā)出的信號，引信上傳感器的原始輸出信號如圖10所示，由于該測試是搭載其他項目試驗，在火炮發(fā)射時關(guān)閉裝定器，只測試背景噪聲，測試結(jié)果如圖11所示。

圖10結(jié)果顯示，引信接收到的裝定信號信噪比很高，對該信號完全可以進行解碼，達到還原數(shù)據(jù)的目的。圖11顯示，在發(fā)射瞬間有一個脈沖信號，時間大約在2～4 ms，在該脈沖信號之后的200 ms內(nèi)沒有檢測到噪聲信號，該脈沖信號是火炮發(fā)射時電點火帶來的噪聲。通過圖11可以得出這樣的結(jié)論：在火炮發(fā)射時測試系統(tǒng)正常，在點火信號完成后的200 ms內(nèi)基本沒有背景噪聲，炮彈的內(nèi)彈道時間在5 ms左右，延長示波器的采集時間，重新采集一次發(fā)射過程，示波器顯示，除了一個窄觸發(fā)脈沖信號外，之后的噪聲水平和圖11相當(dāng)。

外場測試數(shù)據(jù)證明：1)引信可以接收裝定器發(fā)出的有效信號；2)火炮發(fā)射時空氣電離對電場感應(yīng)膛口裝定引信不會帶來背景噪聲。

4 結(jié)論

[1]王秋生，潘宗仁，孫艷.新一代感應(yīng)裝定技術(shù)——軟件感應(yīng)裝定[J].兵工學(xué)報，2008,29(1):110-115.

[2]王秋生，毛俊，孫艷，等.非共軸線圈炮口感應(yīng)裝定[J].探測與控制學(xué)報.2009，31(6)：1-4.

[3]王少然.外軍步兵精確打擊彈藥技術(shù)發(fā)展[J].輕兵器，2013(23):9-11.

[4]王利，賴百壇.小口徑火炮炮口快速裝定技術(shù)研究[J].火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2000(2):1-5.

[5]王志興，馮波，張曉，等.一種適應(yīng)高速動態(tài)無線感應(yīng)裝定編碼[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報.2005,25(1):63-65.

[6]郭碩鴻. 電動力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1997.

[7]張三慧，藏庚媛，華基美.電磁學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991.

Information Transferring Method of Electric Induction Setting

CHEN Li, WANG Falin, ZHANG Xiaowei, QI Xiaohong

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory,Xi’an 710065,China)

Aiming at the problem of high power consumption of the setter and the long setting device on muzzle and the hard interference caused by metallic cap of fuze,a method of information transfer based on electric induction on muzzle was proposed. The electric field was the medium between the setter and fuze, and the signal could be transferred from the setter to the fuze.Experimental verification showed this method had better compatibility of structure and better compatibility of electric, and stronger ability on antiinterference than the magnetic induction fuze on muzzle.

fuze; electric field; muzzle inductive setting

?信傳感器接收到裝定器發(fā)出的信號 Fig.10 The signal

by fuze sensor from setting device

2017-01-21

陳力(1970—)，男，山東日照人，碩士，高級工程師，研究方向：感應(yīng)裝定信號傳輸技術(shù)。E-mail: chenli0621@sina.com。

TJ43

A

1008-1194(2017)03-0036-05