電磁軌道炮彈載過載記錄儀設計

鮑愛達，杜壯波，馬游春，張澤宇

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

傳統(tǒng)火炮是將火藥的化學能轉化為炮彈的動能，受火藥燃氣滯止聲速的限制，炮彈的初速難以超過2 000 m/s[1]。面對新式復合裝甲及高機動的空中目標，火炮已難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求。因此,世界各國開始大力發(fā)展電磁發(fā)射技術，電磁軌道炮便是以該技術為原理的一種新興武器[2-4]。

彈丸的發(fā)射內彈道數(shù)據(jù)對于判斷武器性能具有重要的作用。電磁軌道炮發(fā)射過程中，電樞處于大電流、強磁場、高過載等惡劣環(huán)境中，給內彈道數(shù)據(jù)測量造成了很大困難[5]。目前，電磁軌道炮內彈道測量的主要方法有磁探針法、共軛抑制線圈法、激光干涉法、加速度計法和高速攝影法等?；陔姶鸥袘淼拇盘结樂ê凸曹椧种凭€圈法雖使用簡便、可耐受惡劣測試環(huán)境，但受磁場分布的影響大、精度低。激光干涉法的優(yōu)點是速度分辨率高，但由于光衰減損耗問題只適用于測量電樞的啟動過程。高速攝影法直觀、準確，但測試設備難以安裝[6-8]。如能解決惡劣電磁環(huán)境對加速度計及其采集電路的影響，彈載的測試技術將是一種較好的測試方法。

因此，文中設計了一種彈載過載記錄儀，通過特制的防護結構對電磁軌道炮膛內的電磁場進行有效屏蔽，使其內部的電路測量系統(tǒng)正常工作。同時設計了FLASH+FRAM 的數(shù)據(jù)存儲形式，結合傳統(tǒng)火炮的動態(tài)測試技術實現(xiàn)電磁軌道炮過載數(shù)據(jù)的測量與讀取。

1 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽可分為主動屏蔽、半主動屏蔽和被動屏蔽[9]。彈載記錄儀主要依靠外殼金屬材料的被動屏蔽來保護內部的電路系統(tǒng)不受外界干擾。被動屏蔽通過導電材料的渦流消除和導磁材料的通量分流來屏蔽外界磁場。

1.1 渦流消除

變化的磁場會產生感應電場，電場則會在導體內部產生渦電流。而渦電流又會感應產生一個與外界施加的原磁場方向相反的磁場，兩者相互抵消達到屏蔽磁場的目的。

渦流消除原理本質上是導電材料的電流趨膚效應，所以一種材料的渦流消除屏蔽性能與其電流趨膚深度有密切關系。材料的電流趨膚深度的表達式為：

式中，δ為材料的電流趨膚深度，f為電磁場頻率，μ為材料的磁導率，σ為材料的電導率。

由式（1）可知，材料的電導率、磁導率是影響其屏蔽性能的關鍵參數(shù)。對于電磁炮膛內回路瞬間通斷時引起的高頻電磁輻射屏蔽效果較好。

1.2 通量分流

相對于記錄儀空腔內部空氣的磁阻R0而言，外殼導磁材料的磁阻RS要小得多。因此，外部磁場的絕大部分通過記錄儀的外殼進入記錄儀內部磁場的情況比較少。這便是導磁材料的通量分流原理，磁路等效模型如圖1 所示。

圖1 磁路等效模型

根據(jù)歐姆定律，磁路的表達式為：

式中，F(xiàn)m為磁動勢，Rm為磁阻。

由式（2）可知，材料的磁導率越高、殼體越厚，則磁阻就越小，屏蔽效果也越好。同時需要注意導磁材料具有磁飽和的特性，當外界磁場強度超過某個閾值時，材料的磁導率會顯著降低，磁屏蔽效果變差。因此，可考慮采用多層復合結構來增加磁屏蔽效果。

2 過載記錄儀結構設計

2.1 屏蔽殼體設計

記錄儀的殼體由多級屏蔽層構成，如圖2 所示。其第一級是磁導率較高的材料，以屏蔽外界磁場，采用磁導率較高的45#鋼材料；第二級是電導率較高的材料，以屏蔽外界電場，采用電導率較高的紫銅材料；第三級作為復合屏蔽層，屏蔽電路模塊外圍的電場、磁場，采用磁導率、電導率良好的坡莫合金材料；第四級采用磁導率較高的熟鐵材料。

圖2 記錄儀結構示意圖

記錄儀的電路系統(tǒng)放置在鋁制內腔體中，與記錄儀外殼主體分開，構成復合防護結構的同時也作為最后一級的電磁屏蔽層，增強了記錄儀的抗過載能力[10]。為了避免頂部接口縫隙處的電磁泄漏，選用具有彈性且電磁屏蔽性能良好的導電橡膠進行密封。各級材料的相關參數(shù)如表1 所示。

表1 殼體材料相關參數(shù)

通過這五級導電導磁材料的渦流消除和磁通分流，外界電磁場得到了明顯衰減，有效地保護了記錄儀內部的電路系統(tǒng)。

由多級材料制作而成的殼體，屏蔽效能夠達到30 dB，可以有效屏蔽電磁干擾，保證內部電路系統(tǒng)正常工作[11]。

2.2 殼體加工與灌封

由于殼體由多種金屬材料分層組合而成，對鑄造工藝要求較高。如果殼體不同材料的層與層之間有縫隙，在測試過程中會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，對最終測得的信號造成干擾。因此，殼體采用多層金屬快速復合工藝焊接成型。先將金屬材料的表面進行預處理，然后把多層預處理后的金屬材料疊在一起并放在壓頭之間，壓頭通電后，電流通過金屬材料產生熱量，將各級材料加熱到預設溫度，與此同時在壓頭之間施加壓力,各層金屬材料復合成為一體。該方法具有結合強度高、無氧化、各層材料之間無空隙、復合速度快、可靠性高等優(yōu)點。

灌封材料選擇聚氨酯，相比于其他灌封材料，如硅橡膠和環(huán)氧樹脂，聚氨酯的韌性、彈性和硬度適中，可以滿足系統(tǒng)的要求。但是聚氨酯流動性不太好，在其固化過程中會釋放二氧化碳，使固化后電路模塊的強度和硬度降低，影響系統(tǒng)的耐沖擊能力[12]。因此，需要利用真空灌封技術，把需要灌封的空間抽成真空以提高灌封質量。同時由于記錄儀內使用了很多貼片元器件，這些元器件表面積較大而厚度又很薄，在灌封時由于灌封材料的流動性以及氣體壓力等因素的影響，很難將這些器件的下表面灌實，因此在焊接前先給貼片元器件的底面粘上膠，防止在外部環(huán)境溫度變化時產生的局部應力集中，導致器件損壞。整體灌封前后的記錄儀如圖3 所示。

圖3 記錄儀灌封前后圖

3 記錄儀硬件電路設計

3.1 系統(tǒng)總體設計方案

記錄儀電路系統(tǒng)主要由傳感器、電源管理模塊、信號調理模塊、A/D 轉換模塊、FPGA 主控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等組成，原理框圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)總體框圖

記錄儀在工作時首先通過外部觸發(fā)控制信號給記錄儀各模塊上電。傳感器信號經過信號調理模塊后，由A/D轉換模塊轉換成數(shù)字信號發(fā)送給FPGA主控模塊，主控模塊將信號編幀處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)據(jù)存儲模塊由FLASH 和FRAM 組成雙備份。

3.2 電源抗過載設計

普通商用電池在高g值沖擊下出現(xiàn)電壓瞬間降低，這是由金屬帽的焊接和金屬帽的材料強度共同造成的。為了增加系統(tǒng)的可靠性，防止大過載時的瞬間斷電，可以給電池并聯(lián)一個較大容值的電容器，這樣電容器會對電池的瞬時斷電或電壓波動起到一定的補償作用。同時在電池和電容的正極各串聯(lián)了一個二極管以防止電流倒灌。電源模塊如圖5 所示，D1、D2 和D3 為二極管，VCC 和GND 為給測試系統(tǒng)供電的正極和負極。

圖5 電源模塊

所需電容的計算公式如式（3）所示。在采集存儲狀態(tài)下，全系統(tǒng)電路的正常工作電流不超過50 mA，選用100 mAh 的微型小容量電池，可確保全系統(tǒng)加電后正常工作兩個小時以上，電池初始電壓為8.4 V，截止工作電壓為5.5 V，電流最大為50 mA，工作時間為150 ms。

所以，設計中可選用0.1 F 的電容即可滿足設計要求。

3.3 數(shù)據(jù)雙備份設計

傳統(tǒng)武器的彈載記錄儀通常只需一個FLASH芯片即可完成數(shù)據(jù)的存儲功能。由于電磁軌道炮發(fā)射原理與傳統(tǒng)火炮不同，膛內環(huán)境復雜。目前，膛內環(huán)境對于彈載智能設備的影響研究還不充分，即使記錄儀外殼具有電磁防護功能，為了確保數(shù)據(jù)的有效獲取，記錄儀采取FLASH 和FRAM 的雙備份數(shù)據(jù)存儲機制。

FRAM 是一種依靠鐵電效應存儲數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。鐵電晶體在受到特定電場影響后，晶體中心的原子會移動到一個新的位置，在電場消失后中心原子會保持該位置不變，F(xiàn)RAM 就是依靠這種鐵電效應來存儲數(shù)據(jù)。鐵電效應是鐵電晶體固有的一種偏振極化特性,與電磁作用無關,所以FRAM 存儲器的內容不會受到磁場因素的影響,具有抗電磁脈沖的特性[13]。

目前，F(xiàn)RAM 的容量相比于FLSAH 芯片是很小的，無法存儲大量數(shù)據(jù)。因此，用FRAM 存儲電樞發(fā)射時的瞬時過載數(shù)據(jù)，而用FLASH 芯片存儲記錄儀上電后的所有數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)的FRAM 選用美國Ramton 公司的FM25H20 芯片，該芯片容量為2 MB，其工作電壓為2.7～3.6 V，采用先進的130 nm CMOS工藝、8 引腳TDFN 封裝，具有256 kB×8 位存儲結構，總線讀寫速度高達40 MHz，無限次讀寫和低工作電流，并具有10 年數(shù)據(jù)保存能力。FM25H20 與FPGA之間通過SPI 接口協(xié)議進行通信。

4 數(shù)據(jù)存儲控制邏輯設計

記錄儀數(shù)據(jù)記錄的觸發(fā)方式包括斷線觸發(fā)和閾值觸發(fā)兩種模式，分別對應FLASH 和FRAM 兩種存儲器。

斷線觸發(fā)是過載記錄儀常用的一種觸發(fā)方式，由外部開關進行觸發(fā)[14]。記錄儀經斷線觸發(fā)后，進行全系統(tǒng)上電，初始化后FLASH 芯片便進入采集儲存狀態(tài)。

閾值觸發(fā)是一種保證FRAM 可以正確、有效存儲電樞發(fā)射瞬間的關鍵過載數(shù)據(jù)的觸發(fā)機制，F(xiàn)RAM 控制流程如圖6 所示。觸發(fā)前FRAM 數(shù)據(jù)儲存方式為循環(huán)儲存，即FRAM 數(shù)據(jù)存滿后，會重新開始寫入數(shù)據(jù)；當檢測到觸發(fā)信號后，更改為順序儲存方式，該方式在FRAM 中存入1 MB 的數(shù)據(jù)后結束存儲。系統(tǒng)初始化后，開始循環(huán)采集數(shù)據(jù)并經過FPGA內部一個4 kB 的FIFO 后存儲在FRAM 中，同時將采集到數(shù)據(jù)與閾值進行對比，如果采樣數(shù)據(jù)大于閾值并連續(xù)超過20 次，便認為滿足觸發(fā)條件，后續(xù)采樣數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM 開始順序儲存；FRAM 在此時寫入觸發(fā)標志位，并繼續(xù)記錄1 MB 的數(shù)據(jù)后停止，過載前后的數(shù)據(jù)將會同時保存下來，以便回收后對過載數(shù)據(jù)進行分析。

圖6 FRAM控制流程

5 試驗測試

5.1 記錄儀安裝

電磁軌道炮發(fā)射時的膛內磁場分布會受到速度趨膚效應的影響，電流會沿著導軌后端表面進行分布，電流的趨膚深度與電樞速度呈反比，在發(fā)射時，電流僅從電樞尾端與導軌接觸面上進入電樞。因此在磁場空間分布上電樞后端最強，電樞前端空間內的磁場與后端相比減弱許多，且隨著距離的增大磁場呈現(xiàn)迅速衰弱的趨勢。在給電磁軌道炮安裝智能部件時，應安裝在電樞前端且距離電樞前表面越遠越好，這樣便能降低發(fā)射時電磁干擾對智能部件中電路系統(tǒng)的干擾[15-16]。

在該試驗中記錄儀安裝于電樞的前端30 cm 處，記錄儀與電樞通過絕緣塑料制成的工裝連為一體，如圖7 所示。

圖7 記錄儀安裝示意圖

5.2 試驗結果

記錄儀在某研究所進行了電磁軌道炮的實彈試驗，測試結果如圖8 所示。記錄儀測得電樞在發(fā)射過程中的最大加速度為24 421g。

圖8 試驗結果

試驗表明，該記錄儀能夠有效屏蔽膛內電磁環(huán)境的干擾，并完成過載參數(shù)的測量和存儲。

6 結束語

文中設計了一種可以抗電磁軌道炮膛內強電磁環(huán)境的過載記錄儀，結合傳統(tǒng)的彈載動態(tài)測試技術，設計了多層金屬材料組成的防護結構，提出了FLASH+FRAM 的雙備份數(shù)據(jù)存儲結構。在試驗中成功獲得了電磁軌道炮發(fā)射過程中的過載試驗數(shù)據(jù)。電磁軌道炮彈載過載記錄儀的研究，對于改進武器性能以及軌道炮彈丸智能化有著重要意義和價值。