電磁發(fā)射條件下導(dǎo)彈磁場(chǎng)屏蔽研究*

劉瑜倩，馮 剛

（空軍工程大學(xué)，西安 710051）

0 引言

1902 年，挪威奧斯陸大學(xué)的物理學(xué)家柏克蘭教授成功地將0.5 g 的拋體加速到80 m/s，這是早期的電磁推進(jìn)技術(shù)［1］。到了20 世紀(jì)60 年代，大規(guī)模集成電路出現(xiàn)，日趨復(fù)雜的電磁干擾問題對(duì)電磁兼容技術(shù)提出了更高的要求。20 世紀(jì)80 年代以后，美、德、英、法等國(guó)紛紛加入對(duì)電磁兼容技術(shù)的研究，并取得了一定的成果［2］。

作為一種新型發(fā)射方式，導(dǎo)彈的電磁發(fā)射技術(shù)以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，通過產(chǎn)生電磁力，從而推動(dòng)導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)。相比于常規(guī)的發(fā)射方式，電磁發(fā)射的速度極高，可以達(dá)到7 MHz，而且具有很好的動(dòng)能毀傷效，并且能夠?qū)崿F(xiàn)速度與方向的精準(zhǔn)控制（0.5%），特別適于應(yīng)對(duì)超高速目標(biāo)。電磁發(fā)射技術(shù)用于導(dǎo)彈發(fā)射，可以進(jìn)行地面防空、攔截彈道導(dǎo)彈、摧毀軍事衛(wèi)星等［3］。然而在發(fā)射過程中，導(dǎo)彈電磁發(fā)射面臨的電磁場(chǎng)環(huán)境也更惡劣于常規(guī)的發(fā)射方式。導(dǎo)彈殼體上存在著機(jī)械接口以及縫隙，這些都使導(dǎo)彈不能成為一個(gè)良好的屏蔽體。通過這些地方，外部的電磁波可以進(jìn)入導(dǎo)彈內(nèi)部，干擾內(nèi)部電子元器件的正常工作。此外，不論是具有特有特征的磁場(chǎng)還是外泄的磁場(chǎng)，這些都會(huì)成為敵方偵察的目標(biāo)，從而遭受打擊［4］。因此，對(duì)于電磁屏蔽技術(shù)的研究具有極其重要的意義。

楊玉東等人建立了電磁發(fā)射及電接觸層接觸電阻的模型，并推導(dǎo)出電-磁-熱場(chǎng)耦合方程，分析了電磁發(fā)射過程中的燒蝕現(xiàn)象［5］。楊志勇等人提出了一種新型的軌道發(fā)射裝置，將推力作為軌道距離和電流的函數(shù)，并通過仿真分析，驗(yàn)證了其優(yōu)越性［6］。李偉波等人研究了導(dǎo)彈系統(tǒng)發(fā)射過程中有無屏蔽時(shí)，其電磁場(chǎng)強(qiáng)度和電樞速度不同［7］。廖橋生等人對(duì)軌道炮彈丸所處的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行分析和仿真，研究了當(dāng)屏蔽材料不同、屏蔽體和電樞的相對(duì)位置不同時(shí)，其屏蔽效果的不同［8］。

現(xiàn)有關(guān)于電磁發(fā)射技術(shù)的研究主要集中在導(dǎo)軌、電樞等方面，很少涉及電磁屏蔽技術(shù)。部分學(xué)者分析了添加屏蔽體對(duì)于電磁場(chǎng)環(huán)境的影響，但是忽略了實(shí)際問題中屏蔽體上的孔縫不連續(xù)現(xiàn)象。為了避免磁場(chǎng)泄漏對(duì)于外部其他電子設(shè)備的干擾以及減小被敵方偵查的可能性，本文研究了導(dǎo)彈加裝屏蔽體對(duì)于磁場(chǎng)環(huán)境的保護(hù)效用，并且在此基礎(chǔ)上分析了不同形式的孔縫以及孔縫數(shù)量對(duì)于屏蔽效能的影響。通過Maxwell 仿真對(duì)比，較為準(zhǔn)確地說明屏蔽效果的不同，對(duì)以后導(dǎo)彈屏蔽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 導(dǎo)彈發(fā)射筒內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境仿真

1.1 導(dǎo)彈電磁線圈發(fā)射原理

一級(jí)一級(jí)的感應(yīng)線圈串聯(lián)起來，形成導(dǎo)彈電磁彈射器的主要部分。這些感應(yīng)線圈由多個(gè)控制電路分別控制。當(dāng)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行發(fā)射時(shí)，第1 級(jí)感應(yīng)線圈的控制開關(guān)會(huì)首先閉合，此時(shí)電容器給第1 級(jí)線圈充電，在發(fā)射筒中產(chǎn)生磁場(chǎng)環(huán)境，通過洛倫茲力作用于電樞，從而使得電樞產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電樞運(yùn)動(dòng)到達(dá)第2 級(jí)感應(yīng)線圈所在的位置時(shí)，第2 級(jí)線圈的控制開關(guān)發(fā)生閉合，第2 級(jí)線圈開始充電，彈體能夠發(fā)生再次加速。在多級(jí)感應(yīng)線圈的作用下，導(dǎo)彈彈體在飛離發(fā)射筒時(shí)獲得足夠的初速度［9］。

圖1 導(dǎo)彈電磁彈射器結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)彈在發(fā)射過程中受到電磁力的作用，該力的大小與電樞所處位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度B（t）和電樞內(nèi)的感應(yīng)電流I（t）有關(guān)。假設(shè)該電磁彈射器由n 個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈組成，當(dāng)?shù)? 個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈觸發(fā)時(shí)，其他線圈處于接通狀態(tài)，并且被順序觸發(fā)。這樣子，電樞就被均勻地分成m 片，其等效電路如圖2 所示。

圖2 多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈的等效電路圖

以電樞內(nèi)的一個(gè)小電流元Itdl 為研究對(duì)象，該單元所受的電磁力大小為

電樞內(nèi)的電流大小可以看成是由無數(shù)個(gè)環(huán)形回路組成，因此，電樞所受電磁力可以表示為

其中，L 為電樞內(nèi)所有環(huán)形電路的加和。

1.2 導(dǎo)彈發(fā)射筒內(nèi)磁場(chǎng)環(huán)境分析

1.2.1 建立導(dǎo)彈三維模型

利用電磁場(chǎng)仿真軟件Maxwell，建立導(dǎo)彈的三維簡(jiǎn)易模型［5］。該模型由電樞、發(fā)射筒、驅(qū)動(dòng)線圈組成。其中，電樞的外徑為120 mm，內(nèi)徑為100 mm；發(fā)射筒的內(nèi)外徑分別為130 mm，140 mm。在發(fā)射筒中，導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)與電樞一致，這里研究發(fā)射筒內(nèi)的磁場(chǎng)環(huán)境，省略彈體結(jié)構(gòu)。以單線圈為研究對(duì)象，其中電樞選擇鋁材料，發(fā)射筒和驅(qū)動(dòng)線圈均為銅。對(duì)網(wǎng)格采用自適應(yīng)劃分的方法，在電樞處進(jìn)行加密處理。線圈的脈沖電流峰值為1 MA。

圖3 導(dǎo)彈三維簡(jiǎn)易模型

1.2.2 導(dǎo)彈發(fā)射筒內(nèi)磁場(chǎng)環(huán)境仿真分析

求解所建立的模型，選擇YZ 平面進(jìn)行觀察，分析其磁感應(yīng)強(qiáng)度如何分布，所得到的云圖如圖4 所示。圖中部淺藍(lán)色的區(qū)域是電樞所在的磁感應(yīng)強(qiáng)度區(qū)，大小在5.0 T 左右。向外依此為發(fā)射筒、線圈、外界環(huán)境。激勵(lì)添加在右邊截面，激勵(lì)附近磁感應(yīng)強(qiáng)度為紅色，大小為22.0 T 左右。

圖4 模型YZ 平面磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

選擇模型右半部分進(jìn)行分析，取Y 軸右半軸向上平移至線圈軸線所在高度的一條直線l1。如圖5所示是該直線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線。由圖可知，模型中心部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度在4.8 T 左右，至線圈處由于激勵(lì)的存在，激增到22.25 T 又迅速減到0.5 T。直到線圈中軸線時(shí)，此處磁感應(yīng)強(qiáng)度近乎為0。離開線圈后，磁感應(yīng)強(qiáng)度又以小幅度地上升到4.5 T，后面緩慢減小。在距中心200 mm 的位置，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小為0。

圖5 直線l1 上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

2 發(fā)射筒電磁屏蔽分析

導(dǎo)彈在電磁發(fā)射過程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的磁場(chǎng)環(huán)境，給周圍的電子設(shè)備帶來一定的破壞。抑制電磁干擾最常用的一種手段是進(jìn)行電磁屏蔽。通過利用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥善帘误w，可以有效地限制磁場(chǎng)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)屏蔽目的［6］。

2.1 建立導(dǎo)彈三維屏蔽模型

圖6 導(dǎo)彈三維屏蔽模型

導(dǎo)彈三維屏蔽模型由電樞、發(fā)射筒、驅(qū)動(dòng)線圈和屏蔽體組成。屏蔽體材料選擇銅導(dǎo)體，線圈的脈沖電流峰值為1 MA，電樞處劃分網(wǎng)格加密。

2.2 導(dǎo)彈屏蔽模型內(nèi)磁場(chǎng)環(huán)境分析

運(yùn)行導(dǎo)彈三維屏蔽模型進(jìn)行求解計(jì)算，可以得出其YZ 平面磁感應(yīng)強(qiáng)度分布云圖如圖7 所示。云圖顏色走向與未加屏蔽體時(shí)類似，數(shù)值細(xì)節(jié)處有一定的差異。選擇Y 軸右半軸向上平移至線圈軸線所在高度的一條直線l2，該直線上強(qiáng)感應(yīng)強(qiáng)度變化如圖8 所示。將直線l2與未加屏蔽體時(shí)所取直線l1進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7 屏蔽模型YZ 平面磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖8 直線l2 上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

由圖可以看出，該屏蔽模型中心部分磁感應(yīng)強(qiáng)度與未加屏蔽體時(shí)十分相近，均在4.5 T 左右。到達(dá)線圈處時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度激增，但增加幅度較小于未加屏蔽體模型，大小為19.5 T。離開線圈時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度增加至7.4 T，大于未加屏蔽體模型。而在距中心155 mm 的地方，磁感應(yīng)強(qiáng)度減小為0，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未加屏蔽體模型的200 mm。即添加屏蔽體后，磁場(chǎng)向外輻射減小。

3 孔縫對(duì)發(fā)射筒電磁屏蔽的影響

3.1 建立導(dǎo)彈三維屏蔽孔縫模型

對(duì)于電磁干擾最基本的一種防護(hù)手段是電磁屏蔽，一般有電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽兩種分類。在屏蔽設(shè)計(jì)中，能否實(shí)現(xiàn)屏蔽效能，其關(guān)鍵往往是在于對(duì)屏蔽體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，由于存在線纜孔、通風(fēng)孔、開關(guān)、儀表等，使得屏蔽體失去了其完整性，屏蔽效能有一定的降低［7］?，F(xiàn)選擇圓形、正方形和矩形孔洞進(jìn)行研究，其面積完全相同，孔洞個(gè)數(shù)均為8 個(gè)，彼此間隙相同。同時(shí)，選擇孔數(shù)為4 的圓形孔屏蔽體，和8 個(gè)圓形孔的屏蔽體進(jìn)行對(duì)比，比較其屏蔽性能。

圖9 導(dǎo)彈三維屏蔽孔縫模型

3.2 導(dǎo)彈屏蔽孔縫模型磁場(chǎng)分析

運(yùn)行導(dǎo)彈三維屏蔽孔縫模型，選擇其YZ 平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行分析，云圖如下頁(yè)圖10 所示?，F(xiàn)以Y 軸右半軸向上平移至線圈軸線所在高度的一條直線l3為研究對(duì)象，具體分析其磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化。

由圖可以知道，具有相同面積的不同形狀孔縫，其磁場(chǎng)擴(kuò)散的程度不同。當(dāng)距中心180 mm 位置時(shí)，添加圓形孔縫屏蔽體的磁場(chǎng)，其磁感應(yīng)強(qiáng)度首先減小到0。而正方形和矩形孔縫的位置分別為185 mm，190 mm。該位置和未添加屏蔽體磁場(chǎng)的200 mm 相比均有一定的縮減，即有效地抑制了磁場(chǎng)擴(kuò)散，具有電磁場(chǎng)屏蔽效用。將4 個(gè)圓孔和8 個(gè)圓孔的屏蔽體其磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)4 孔屏蔽體的磁場(chǎng)在距中心175 mm 時(shí)減小到0，快于8 孔圓形孔的180 mm。因此，孔洞的數(shù)目越少，其屏蔽效能越好。

4 結(jié)論

本文對(duì)電磁發(fā)射條件下，導(dǎo)彈周圍磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行了仿真分析，并與添加屏蔽體后的磁場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行對(duì)比，說明了屏蔽體對(duì)于磁場(chǎng)擴(kuò)散的抑制作用。此外，由于實(shí)際工程中屏蔽體的不完整性，文中選用相同面積的圓形、正方形和矩形3 種形狀的孔縫進(jìn)行研究。經(jīng)過Maxwell 仿真研究可以發(fā)現(xiàn)，具有不同形狀孔縫的屏蔽體有著不同的屏蔽效能，其大小排列為：長(zhǎng)方形>正方形>圓形。此外，比較8 圓形孔和4 圓形孔屏蔽體的磁場(chǎng)情況，發(fā)現(xiàn)孔洞數(shù)目越少，屏蔽效果越好。因此，在實(shí)際對(duì)導(dǎo)彈屏蔽體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量減少孔洞的數(shù)目，使用時(shí)應(yīng)選擇圓形的孔洞，避免選擇長(zhǎng)方形縫隙。這對(duì)導(dǎo)彈電磁發(fā)射過程中屏蔽體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，具有一定的指導(dǎo)意義。

圖10 屏蔽孔縫模型YZ 平面磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

圖11 直線l3 上磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖