基于角度調(diào)節(jié)參數(shù)的感應(yīng)裝定方法

趙云峰,李炳彥,張 南,智小軍

(中國(guó)兵器集團(tuán)引信研究院系統(tǒng)總體部, 西安 710065)

0 引言

非穿越式炮口感應(yīng)裝定[1]用于完成地面實(shí)時(shí)信息向引信的單方向傳遞,為引信發(fā)揮最優(yōu)作戰(zhàn)效果提供基礎(chǔ)信息支撐。當(dāng)彈丸發(fā)射后飛經(jīng)炮口時(shí),由裝定控制器控制炮口裝置發(fā)射最新數(shù)據(jù),由引信上的接收線圈接收,解調(diào)解碼存儲(chǔ),以提供給引信或彈上其他部件備用。

目前采用非穿越炮口感應(yīng)裝定:具有如下一些特點(diǎn):首先炮口裝置體小量輕,安裝需求空間小,對(duì)火炮改造小甚至無(wú)改造;其次適合無(wú)制退器火炮安裝;最后炮口裝置可與炮管分離安裝以應(yīng)用于轉(zhuǎn)管炮。但是非穿越式感應(yīng)裝定由于發(fā)射與接收線圈間隔較遠(yuǎn),發(fā)射的信號(hào)處于炮口電離噪聲之中,導(dǎo)致引信難以拾取裝定信號(hào),另外非穿越線圈感應(yīng)系統(tǒng)的接收信號(hào)會(huì)有1～2個(gè)信號(hào)倒向過(guò)程[1],導(dǎo)致數(shù)據(jù)接收窗口是分裂的。最后由于引信的線圈與裝定線圈的高速運(yùn)動(dòng),其上感應(yīng)到的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有較大范圍的變化。本文中針對(duì)這些問(wèn)題,分析了感應(yīng)窗口內(nèi)的磁場(chǎng)不均勻性、信號(hào)波形具有包絡(luò)不等幅度,即窗口內(nèi)信號(hào)不均勻,通過(guò)角度調(diào)節(jié)參數(shù)對(duì)非穿越式炮口感應(yīng)系統(tǒng)傳輸性能的變化及裝定窗口的調(diào)整以增加均勻性變化規(guī)律,提出角度調(diào)節(jié)的非穿越式炮口感應(yīng)裝定方法。

1 感應(yīng)裝定建立與分析

線圈感應(yīng)裝定,雖然發(fā)射線圈旁置,但其發(fā)射線圈的耦合場(chǎng)仍覆蓋炮口前端一小段距離,引信攜帶接收線圈穿越該感應(yīng)場(chǎng)時(shí)[1],利用近場(chǎng)耦合必然可以感應(yīng)到傳輸數(shù)據(jù),這是感應(yīng)裝定可以完成的必備理論基礎(chǔ)見(jiàn)圖1(a)。

圖1 非穿越線圈感應(yīng)裝定

更進(jìn)一步,發(fā)射線圈的尺寸和形狀可依炮口的尺寸做調(diào)整,使用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大,這樣發(fā)射線圈就可以不局限于所使用的火炮口徑的要求,如圖1(b)與圖1(c)的發(fā)射線圈2和接收線圈3的安裝。

引信線圈與裝定線圈非穿越安裝后的感應(yīng)場(chǎng)分布如圖2所示。圖2中中間安置的是發(fā)射線圈,箭頭線為引信線圈的模擬運(yùn)動(dòng)路徑,引信接收線圈以運(yùn)動(dòng)方向?yàn)槔@制軸向。

圖2 非穿越感應(yīng)場(chǎng)分布及相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖

圖3(a)所示是一正圓發(fā)射線圈的磁場(chǎng)分布[2],當(dāng)該線圈安裝于火炮炮管側(cè)壁后,炮管的存在會(huì)對(duì)發(fā)射線圈的磁場(chǎng)分布產(chǎn)生影響,對(duì)其進(jìn)行有限元分析,得到安裝于炮管前后的磁場(chǎng)分布的對(duì)比如圖3(b)和圖3(c)所示,由圖3可見(jiàn),由于炮管的存在,磁場(chǎng)在炮管內(nèi)的區(qū)域幾乎為0,但在出炮口一段區(qū)域后,發(fā)射線圈的磁場(chǎng)依然存在,且其分布特性與沒(méi)有炮管同性質(zhì)。

圖3 非穿越感應(yīng)裝定磁場(chǎng)分析

角度調(diào)節(jié)的非穿越式炮口感應(yīng)裝定方法理論基礎(chǔ):發(fā)射線圈軸線與火炮身管軸線形成前傾角φ。裝定裝置發(fā)射電磁感應(yīng)安裝在火炮身管兩側(cè)的位置上如圖4(a)所示,且發(fā)射線圈軸線相對(duì)火炮身管軸線傾斜一定角度。發(fā)射線圈的這種設(shè)計(jì)導(dǎo)致引信攜帶接收線圈從炮管內(nèi)穿出后,并不立即進(jìn)入數(shù)據(jù)感應(yīng)區(qū)域,而是在一定距離外才進(jìn)入感應(yīng)區(qū)域,感應(yīng)區(qū)域的大小受控于發(fā)射線圈的安裝情況、尺寸大小和形狀樣式見(jiàn)圖4(b)。發(fā)射線圈調(diào)角的不同而造成不同照射面如圖5所示。

10-引線,11-絕緣墊片,12-發(fā)射線圈

圖5 發(fā)射線圈調(diào)角的照射面的分布圖

該區(qū)域即是本項(xiàng)目非共穿越圈炮口感應(yīng)裝定角度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域(窗口),從而引出項(xiàng)目的研究據(jù)此展開(kāi)。如圖6所示。

圖6 非穿越感應(yīng)裝定數(shù)據(jù)傳輸窗口

2 角度調(diào)節(jié)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)數(shù)學(xué)模型

根據(jù)電磁學(xué)理論,在發(fā)射線圈平面的任意一點(diǎn)的磁電勢(shì)

式中:u0為真空磁導(dǎo)率;A矢量磁位且有用磁矩m表征其磁學(xué)特性。

M產(chǎn)生的感應(yīng)強(qiáng)度β

β=▽×A

(2)

穿過(guò)接收線圈的磁通量φ1

斯托克斯定理

有

令:

式(6)可以簡(jiǎn)化:

引入第一類與第二類橢圓積分

(10)

且有

得到有N圈接收線圈的磁通量:

當(dāng)接收線圈離開(kāi)發(fā)射線圈的時(shí)候,通過(guò)線圈的磁通量變化,由于電磁率感應(yīng)定律

利用

得到:

z為彈丸到線圈靶的距離,線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e,磁矩m的接收線圈在偏離靶心b處平行于靶的中心軸線以速度v穿過(guò)非穿越半徑為a的N匝虛擬發(fā)射線圈,式(16)線圈靶的區(qū)截信號(hào)與彈丸至線圈靶距離間的關(guān)系。

公式推導(dǎo):當(dāng)z=a/2時(shí)e0有極大值

即:在發(fā)射線圈半徑等于接收線圈距離發(fā)射線圈中心的位置,即所產(chǎn)生的裝定窗口最大。

將長(zhǎng)度量做歸一化處理,如果發(fā)射線圈與接收線圈的基本條件已經(jīng)確定,那只要確定其角度:

其中;z為發(fā)射線圈離接收線圈圓心距離;a為發(fā)射線圈的直徑。

3 仿真計(jì)算與曲線擬合

完成了理論仿真:在炮管側(cè)壁安裝線圈的磁場(chǎng)分布如圖7所示,左側(cè)為雙線圈171°時(shí)的磁場(chǎng)分布,右側(cè)為雙線圈151°時(shí)的磁場(chǎng)分布。

圖7 炮口側(cè)面安裝線圈的磁場(chǎng)分布

炮口發(fā)射線圈采用多組線圈排布于炮口周圍,加載同相信號(hào)的方法,同時(shí)由于接收信號(hào)峰值點(diǎn)位置受發(fā)射線圈與火炮軸線夾角的控制,所以可以通過(guò)調(diào)整組發(fā)射線圈中的每一個(gè)線圈的傾角及角度調(diào)節(jié),從而改變接收線圈上感應(yīng)信號(hào)電壓曲線的混合疊加形狀,從而在提高數(shù)據(jù)傳輸窗口中信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí),改善數(shù)據(jù)傳輸窗口的平坦特性,曲線擬合如圖8所示:說(shuō)明可以通過(guò)調(diào)整組發(fā)射線圈中的每一個(gè)線圈的傾角,從而改變接收線圈上感應(yīng)信號(hào)電壓曲線的混合疊加形狀,從而在提高數(shù)據(jù)傳輸窗口中信號(hào)強(qiáng)度的同時(shí),改善數(shù)據(jù)傳輸窗口的平坦特性及非穿越電磁感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸窗口。

圖8 雙線圈不同傾角數(shù)據(jù)傳輸窗口疊加

4 理論及試驗(yàn)驗(yàn)證

在發(fā)送線圈尺寸為80 mm×20 mm×20 mm,接收線圈為Φ60 mm條件下,通過(guò)理論計(jì)算對(duì)接收線圈在炮管附近側(cè)面安裝的發(fā)送線圈場(chǎng)中的接收信號(hào)強(qiáng)度特性進(jìn)行精確分析,取151°時(shí)并且雙線圈進(jìn)行測(cè)試,所得到的裝定窗口采用實(shí)測(cè)法來(lái)確定數(shù)據(jù)傳輸窗口的形狀,然后據(jù)此開(kāi)展研究工作:e0m=400a=80 mm。

分析表1的數(shù)據(jù),可以得到以下結(jié)論:發(fā)射線圈的角度調(diào)節(jié)對(duì)接收線圈的能量有關(guān):

表1 調(diào)角不同幅

圖9 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸窗口信號(hào)包絡(luò)

1) 本文中調(diào)節(jié)角度參數(shù)會(huì)引起裝定系統(tǒng)傳輸性能的變化及裝定窗口的偏移,隨著調(diào)節(jié)線圈角度變大,裝定系統(tǒng)傳輸性能的下降明顯,裝定窗口減小但是均勻性增大。

2) 對(duì)于發(fā)射線圈及接收線圈傳輸相同的系統(tǒng),在發(fā)射線圈調(diào)節(jié)的角度半徑a/2時(shí)等于接收線圈距離發(fā)射線圈中心的距離z時(shí),即所產(chǎn)生的裝定窗口最大。