電磁軌道炮發(fā)射過(guò)程中系統(tǒng)瞬態(tài)磁場(chǎng)輻射特性研究

張博，孟祥欣，王琨，韓濤

(西北機(jī)電工程研究所，陜西 咸陽(yáng) 712099)

電磁軌道炮是利用電磁力加速?gòu)椡?，使彈丸達(dá)到超高速的新概念武器，具有初速高、毀傷能力強(qiáng)、可控性好的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，在軍事上有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，電磁軌道炮發(fā)射過(guò)程存在兆安級(jí)大電流、千伏級(jí)高電壓、2 km/s高初速，這將產(chǎn)生瞬變強(qiáng)磁場(chǎng)并對(duì)電磁軌道炮系統(tǒng)周圍產(chǎn)生干擾。為了更好地進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)，有必要對(duì)電磁軌道炮發(fā)射過(guò)程中發(fā)射系統(tǒng)周圍的瞬態(tài)磁場(chǎng)分布特征開(kāi)展研究。

目前大部分軌道炮發(fā)射時(shí)磁場(chǎng)、電場(chǎng)輻射分析和實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)炮膛內(nèi)部軌道周圍進(jìn)行，給出了軌道炮發(fā)射時(shí)炮膛內(nèi)電磁場(chǎng)頻率范圍和分布，但缺少對(duì)發(fā)射系統(tǒng)整體影響的研究。在此基礎(chǔ)上，筆者選取典型發(fā)射電流，對(duì)電磁軌道炮發(fā)射系統(tǒng)周圍的瞬態(tài)磁場(chǎng)分布特征開(kāi)展研究，采用系統(tǒng)仿真分析與有限試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合的方法，探索發(fā)射過(guò)程中瞬態(tài)電磁場(chǎng)的分布規(guī)律，為評(píng)估電磁軌道炮整體的電磁兼容性奠定基礎(chǔ)[1-2]。

1 建模與仿真

1.1 電磁軌道炮原理

電磁軌道炮由兩條平行聯(lián)接著大電流的固定軌道和一個(gè)與軌道保持良好電接觸、能夠沿著軌道軸線方向滑動(dòng)的電樞組成，如圖1所示。當(dāng)接通電源時(shí)，電流沿著一條軌道流經(jīng)電樞，再由另一條軌道流回，從而構(gòu)成閉合回路。當(dāng)大電流流經(jīng)兩平行軌道時(shí)，在兩軌道之間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)與流經(jīng)電樞的電流相互作用，產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)電樞和置于電樞前面的彈丸沿著軌道加速運(yùn)動(dòng)，從而獲得高速度。發(fā)射過(guò)程中，兩軌道間存在巨大的電磁擴(kuò)張力。

電磁軌道炮系統(tǒng)主要包括電源、軌道、電樞-彈丸等。其發(fā)射是利用強(qiáng)脈沖電流產(chǎn)生的洛倫茲力在幾毫秒內(nèi)將彈丸加速到超高速。

1.2 電磁發(fā)射過(guò)程信號(hào)建模

通入軌道中的理想電流波形為梯形。通過(guò)電流波形可以看出，電流中含有明顯的趨勢(shì)項(xiàng)，趨勢(shì)項(xiàng)的存在反映了整個(gè)加速過(guò)程的特點(diǎn)，因此電磁軌道炮發(fā)射時(shí)的數(shù)據(jù)是非平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，電磁軌道炮發(fā)射過(guò)程中的數(shù)據(jù)具有非平穩(wěn)、多階段的特點(diǎn)[3]。

根據(jù)炮管的長(zhǎng)度，建立典型電磁軌道炮發(fā)射的脈沖電流波形數(shù)據(jù)作為激勵(lì)源，如圖2所示。

在0—0.5 ms為上升階段，在0.5—1.0 ms為平頂階段，在1.0—2.0 ms為下降階段，在2.0—2.5 ms為拉弧階段。

依據(jù)磁場(chǎng)常規(guī)測(cè)試頻率，在100 kHz以下對(duì)該信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，其頻域歸一化結(jié)果如圖3所示，信號(hào)能量主要在10 kHz以下，因此重點(diǎn)評(píng)估0.01 ～10 kHz內(nèi)磁場(chǎng)輻射發(fā)射強(qiáng)度。

1.3 電磁軌道炮系統(tǒng)建模

目前，軍用分系統(tǒng)的磁場(chǎng)輻射發(fā)射要求與測(cè)試主要依據(jù)GJB 151B—2013中RE101(0.025～100 kHz磁場(chǎng)輻射頻譜發(fā)射)進(jìn)行，為了評(píng)估電磁軌道炮發(fā)射時(shí)對(duì)周圍的影響，參照RE101進(jìn)行仿真和試驗(yàn)規(guī)劃[4]。

基于電磁軌道炮工作原理，在CST軟件內(nèi)建立發(fā)射系統(tǒng)模型，包括電磁炮軌道、電樞(位于初始位置)、線纜等。雖然電磁軌道炮發(fā)射過(guò)程中軌道的電流分布隨著電樞運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，但是匯流排、線纜中電流不受速度屈服效應(yīng)影響，僅電流強(qiáng)度發(fā)生變化[5-6]。忽略電磁軌道炮發(fā)射過(guò)程中軌道和電樞之間高速運(yùn)動(dòng)造成的軌道燒蝕等非線性作用。同時(shí)，由于電磁軌道炮發(fā)射系統(tǒng)的尺寸遠(yuǎn)小于電磁場(chǎng)的波長(zhǎng)，因此可以忽略位移電流，將軌道炮作為準(zhǔn)靜態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究[7]。

選取連接軌道的匯流排、供電線纜等周圍，按照RE101的測(cè)試距離設(shè)置仿真探頭監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)情況，如圖4所示，其中，探頭1平行于電磁炮軸線距離匯流排表面7 cm；探頭2與探頭1位于同樣高度，距離匯流排表面17 cm；探頭3平行于線纜軸線，位于線纜中部距離線纜表面7 cm。

1.4 電磁軌道炮系統(tǒng)建模仿真分析

利用建立的信號(hào)模型和系統(tǒng)模型，針對(duì)磁通密度開(kāi)展仿真分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：仿真計(jì)算的磁通密度按照從大到小依次為探頭3、1、2，最大145 dBpT，最小133 dBpT；3個(gè)探頭的磁通密度變化規(guī)律一致與圖3的趨勢(shì)相同。典型磁通密度曲線如下：0.1 kHz及以下，磁通密度相對(duì)穩(wěn)定；0.1～1 kHz，磁通密度逐漸下降了約21 dB，可見(jiàn)電磁炮發(fā)射時(shí)主要磁通密度集中在1 kHz以下。

由探頭1和探頭2仿真數(shù)據(jù)可知，隨著距離增大10 cm，磁通密度下降了12 dB；由探頭1和探頭3仿真數(shù)據(jù)可知，相同距離處的磁通密度相差不大，線纜對(duì)外輻射的磁通密度略大于匯流排的輻射。

外殼材料對(duì)于電磁軌道炮磁場(chǎng)屏蔽的機(jī)理主要有兩種：渦流消除和磁通量分流。渦流消除的本質(zhì)是電流趨膚效應(yīng)，電磁炮發(fā)射時(shí)磁場(chǎng)變化在外殼感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng)，而感應(yīng)電場(chǎng)能夠在材料內(nèi)部形成渦電流，渦電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)方向與原磁場(chǎng)方向相反，兩者互相抵消，從而達(dá)到磁場(chǎng)屏蔽的目的[7]。磁通量分流是利用外殼材料的磁導(dǎo)率比內(nèi)部絕緣材料的磁導(dǎo)率大，使得其磁阻遠(yuǎn)小于導(dǎo)體周圍絕緣磁介質(zhì)的磁阻，從而磁場(chǎng)絕大部分磁通量從外殼材料通過(guò)，形成磁通分流，而進(jìn)入外部的磁通量較少，從而實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)屏蔽。由屏蔽機(jī)理可知，外部屏蔽材料的厚度越大、磁導(dǎo)率越高，對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)屏蔽效能越大。系統(tǒng)中匯流排的外殼材料的壁厚大于線纜的屏蔽層，使得絕大部分內(nèi)部磁場(chǎng)通量通過(guò)外殼材料分流，因此輻射到外部的磁通量較少[8]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前對(duì)設(shè)備/分系統(tǒng)的磁場(chǎng)輻射發(fā)射影響評(píng)估，主要依據(jù)GJB 151B—2013中RE101(0.025～100 kHz磁場(chǎng)輻射頻譜發(fā)射)的要求和測(cè)試方法。該方法使用環(huán)天線和接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試，在0.025～100 kHz范圍內(nèi)，接收機(jī)6 dB帶寬為10 Hz，每個(gè)頻點(diǎn)駐留時(shí)間為150 ms；在1～10 kHz范圍內(nèi)，接收機(jī)6 dB帶寬為100 Hz，每個(gè)頻點(diǎn)駐留時(shí)間為20 ms；在10～100 kHz范圍內(nèi)，接收機(jī)6 dB帶寬為1 kHz，每個(gè)頻點(diǎn)駐留時(shí)間為20 ms。而電磁軌道炮發(fā)射過(guò)程不超過(guò)3 ms，遠(yuǎn)小于每個(gè)頻點(diǎn)的駐留時(shí)間，因此，該方法無(wú)法測(cè)得瞬態(tài)磁場(chǎng)輻射頻譜的有效數(shù)據(jù)[9-10]。

為了利用RE101的限值評(píng)估電磁軌道炮發(fā)射系統(tǒng)的電磁兼容性，參考RE101的測(cè)試配置，使用頻譜儀和環(huán)天線組成測(cè)試系統(tǒng)，同時(shí)為防止磁場(chǎng)過(guò)強(qiáng)對(duì)頻譜儀產(chǎn)生損傷，在線纜與頻譜儀中間增加一個(gè)衰減器，并依據(jù)RE101的頻率劃分，在每個(gè)頻率范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)使用一套頻譜儀和環(huán)形天線，以便于同時(shí)測(cè)量不同頻段的輻射，測(cè)試系統(tǒng)如圖6所示。

依據(jù)仿真模型，選取相應(yīng)的測(cè)試位置，將環(huán)天線平行于電磁炮軸線放置，測(cè)試布局如圖7所示。

由于RE101測(cè)試時(shí)每個(gè)頻點(diǎn)的駐留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，遠(yuǎn)大于電磁軌道炮發(fā)射時(shí)間，因此，需要將每個(gè)頻段的掃描時(shí)間縮短到1 ms以內(nèi)，以適應(yīng)電磁軌道炮發(fā)射時(shí)間。測(cè)試時(shí)頻譜分析儀按照表1中列出的分辨率帶寬和掃描時(shí)間進(jìn)行設(shè)置?？v坐標(biāo)單位與天線系數(shù)測(cè)試時(shí)一致，使用峰值檢測(cè)和最大值保持功能，進(jìn)行連續(xù)多次掃描。

表1 測(cè)試參數(shù)

2.2 試驗(yàn)過(guò)程

測(cè)試流程如圖8所示。測(cè)試前，依據(jù)GJB 8815—2015在0.01～10 kHz內(nèi)，在7 cm距離和17 cm距離上，分別對(duì)環(huán)天線的天線系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。依據(jù)天線校準(zhǔn)距離確定測(cè)試位置，將環(huán)天線分別放置于圖7中磁場(chǎng)探頭1、2、3的位置，并使其平行于電磁軌道炮軸線。連接環(huán)天線、衰減器與頻譜儀組成測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)表1，針對(duì)不同測(cè)試頻率范圍在相應(yīng)的頻譜分析儀上設(shè)置參數(shù)。

為避免環(huán)境背景等影響，電磁軌道炮通電達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)后，在發(fā)射前先測(cè)試電磁軌道炮周圍環(huán)境的磁場(chǎng)電平，記錄為U0，確保周圍環(huán)境對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的影響可控。發(fā)射過(guò)程測(cè)量的磁場(chǎng)電平記錄為U1，若U1-U0>6 dB，則可判定U1為有效數(shù)據(jù)。利用環(huán)天線的天線系數(shù)、衰減器校準(zhǔn)系數(shù)和U1，計(jì)算磁通密度。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

采用圖2中的典型脈沖電流進(jìn)行發(fā)射，通過(guò)3次電磁發(fā)射，分別測(cè)試了位置1、2、3輻射的磁通密度，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。通過(guò)比較可知，3個(gè)位置的磁通密度均在GJB 151B—2013中RE101的陸軍限值以下。匯流排與線纜的磁場(chǎng)輻射相近，頻率越低，線纜的磁場(chǎng)輻射越大；磁通密度從位置1到位置3衰減了約12 dB。

3 仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

將各個(gè)位置的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相比較，如圖10～12所示。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)基本一致，主要輻射集中在1 kHz以下，說(shuō)明仿真模型基本能夠反映發(fā)射過(guò)程中系統(tǒng)對(duì)外部輻射的瞬態(tài)磁場(chǎng)變化規(guī)律。

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，仿真結(jié)果基本高于測(cè)試值，引起偏差的因素較多，主要包括：仿真模型與實(shí)際系統(tǒng)中金屬材料的磁導(dǎo)率差異；測(cè)試方法引入的測(cè)量誤差；瞬態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流效應(yīng)，也會(huì)對(duì)磁場(chǎng)有一定影響等。目前對(duì)這些影響因素難以定量化分析，有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

電磁軌道炮的瞬態(tài)磁場(chǎng)輻射發(fā)射是研究電磁兼容性的重要內(nèi)容之一，筆者通過(guò)建立電磁軌道炮電磁特性分析模型，對(duì)電磁軌道炮瞬態(tài)磁場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了電磁軌道炮發(fā)射過(guò)程中發(fā)射系統(tǒng)的磁場(chǎng)輻射規(guī)律。基于RE101要求，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的磁場(chǎng)頻域測(cè)試方法，獲取了電磁發(fā)射過(guò)程中發(fā)射系統(tǒng)沿軌道方向多個(gè)點(diǎn)位的磁通密度，實(shí)驗(yàn)曲線與計(jì)算曲線基本吻合，驗(yàn)證了仿真計(jì)算模型的有效性，可為電磁軌道炮系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)提供參考，有助于電磁軌道炮合理布局，后續(xù)根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)展開(kāi)展更多位置的測(cè)試研究。