平面螺旋线圈电磁发射装置测速试验研究

郭春龙，雷 彬，李治源，罗又天

（军械工程学院 弹药工程系，河北 石家庄 050003）

在现代战争条件下，由于高新技术的发展，反装甲武器及其他形式的攻击趋于高效和复杂化，无论从种类、射距和空间范围都对装甲形成了全方位、立体的攻击。随着智能化反坦克弹药的不断发展，装甲车辆在战场上受到的威胁日趋严重，因此装甲防护在现代武器系统中的作用日趋重要［1－3］。线圈感应式平板拦截器是目前实现超高速主动防护的有效方式之一。作为线圈感应式平板拦截器的动力机构的平面螺旋线圈电磁发射装置，在试验研究过程中，无论是分析发射装置的发射效率，还是分析运动防护板的速度历程，首先要解决的问题就是对防护板速度的测量［4－5］。防护板速度的测量方法主要有两种：第一种是采用高速摄像机拍摄整个发射过程，然后逐帧慢放，确定各个时刻的位置，进而得到运动防护板的实时速度历程；第二种方法是将多点光栅测速装置安装在防护板运动路径上，利用光栅信号确定不同时刻防护板所在位置，进而得到防护板的速度历程。第一种测速方法可实现对防护板运动速度的连续测量，但高速摄像机造价高昂；第二种测量方法可实现对防护板速度的多点采集，但极易受到电磁干扰，影响试验数据的准确性。鉴于以上测量方法存在的不足，笔者提出了一种结构简单、精度较高、造价低的速度测量装置——多层锡箔靶测速系统。

1 测速系统组成及工作原理

1.1 测速系统组成

如图1所示，测速系统主要由示波器、直流电源、缓冲隔离板以及由防护板与运动探针组成的运动机构和由绝缘隔离板与锡箔片组成的测速靶等部分组成。

1.2 测速系统工作原理

以四层锡箔片测速靶为例说明测速系统的工作原理。试验开始时，闭合开关，电容器开始放电，左侧示波器CH1通道采集Rogowski线圈中的感应电流波形，并认为电容器开始放电时刻为t＝0时刻；t＝t1时刻，运动防护板所受到的电磁力大于其静摩擦力并开始运动，运动探针与锡箔片A 接触，右侧示波器通道CH1采集到带有上升沿的电压信号，而时间t1正是防护板的响应时间，此后运动防护板在电磁力作用下继续向指定方向运动，运动探针相继刺穿锡箔片B、锡箔片C、锡箔片D，相邻两个锡箔片的触发延时即是防护板在锡箔片间隔距离上的运动时间，相邻锡箔片的距离与运动时间的比值就是防护板在这一距离间隔的平均速度，将多个平均速度点进行拟合，即近似认为这一拟合曲线为防护板加速过程中的速度历程曲线。

2 试验平台集成

试验平台主要由平面螺旋线圈电磁发射装置、脉冲功率源、控制系统和测速系统等几部分组成，试验装置外观如图2所示。

2.1 电磁发射装置

平面螺旋线圈电磁发射装置由平面螺旋线圈、线圈加固外壳、防护板、底座和接线柱等组成。因新型电磁防护系统采用扁平结构，因此在本试验中平面线圈绕制成跑道形平面螺旋结构，而没有采用传统的圆形平面螺旋结构，线圈加固外壳材料为45＃钢。线圈及加固外壳实物如图3所示，线圈参数如表1所示。线圈绕制结构为跑道形，线圈材料为紫铜。防护板采用复合结构，靠近线圈一侧材料为铝，厚度为4mm，起防护功能的另一侧材料为钨合金钢，厚度为2.5mm，防护板总厚度为6mm，防护板总质量为0.86kg。

表1 线圈结构及材料参数

2.2 脉冲功率源

电磁发射装置由单个功率源模块提供能量。功率源模块由电容器组、续流二极管和可控开关等组成。电磁发射装置各部分电路等效参数如表2所示，驱动方式为单极性驱动。

表2 电磁发射装置主要参数

2.3 测速系统

测速系统按以下原则进行设计：

1）在锡箔层数确定前进行了仿真分析，结合在以往试验中积累的经验，确定加速距离为2～4cm，加速时间小于1ms，以确定锡箔片的层数和锡箔片之间的距离。

2）在锡箔片组装前，对锡箔片的厚度进行了测量，使各层锡箔片的厚度偏差小于0.1%，对各层锡箔片之间的隔离绝缘板也进行了类似的处理，测速靶参数如表3所示，测速靶结构装配图如图4所示。

表3 测速靶参数

从锡箔片上所采集的信号由采样频率为100 MHz的示波器采集，时间的离散化会引起锡箔片之间速度估计的误差。在测速系统中，半周期的采样时间误差累计到一个采样周期后Δτ＝10ns。由于锡箔片之间的距离也具有一定的不确定性，所以采用一定的机械装置对绝缘隔离板进行固定，以使得锡箔片之间距离的误差控制Δl＝0.1mm 以内。锡箔片之间的平均速度v按下式进行计算：

式中：l为锡箔片之间的距离；τ为表示运动探针通过相邻锡箔片的时间。由文献可知，速度误差Δv可表示为

如果弹丸的运动速度为50m／s，相邻锡箔片之间的距离为4mm，持续时间为τ＝20μs，速度的相对误差Δv／v＝2.55%。这一误差可以认为是由测速系统自身引起的误差。

3 试验结果分析

为了检验所设计的测速装置的可行性和稳定性，进行了防护板发射可行性试验和稳定性试验。

3.1 可行性试验

试验中Rogowski线圈采集的感应电流信号如图5所示（1V 相当于200kA），锡箔片上采集的响应电压信号如图6所示。

通过对各层锡箔片上的响应电压信号进行采集，就可以获得如图6所示的各层锡箔的响应时间tA、tB、tC、tD，用锡箔片之间的距离l除以各相邻层锡箔层的响应时间差tAB，tBC，tCD，即可获得刺穿相邻锡箔片A、B、C、D之间的平均速度。4层锡箔片时，速度历程曲线如图7所示。如图5所示，放电的前半个上升沿周期约为0.435ms，峰值电流为25kA，如图7最大速度为52.8m／s。

可见，采用多层锡箔靶对防护板运动速度进行测量是可行的，只要设置的锡箔层数越多，锡箔层之间距离越近，所能得到的速度历程曲线就越接近真实防护板加速过程中速度的变化曲线。

3.2 稳定性试验

共进行了10 次试验来检验测速系统的稳定性，试验所采集的每两片锡箔片之间的平均速度和由其计算拟合的总的平均速度曲线如图8所示。从图8可以看到，距运动探针近的相邻锡箔片的平均速度离散程度要低于远离运动探针的相邻锡箔片，这一现象是由各相邻锡箔片的累积误差产生的。

以锡箔片B和C 之间的速度为例对测速系统的稳定性进行分析。锡箔片B 和C 的平均速度为51.68 m／s，均方差σBC＝2.361 m／s，最小速度为50.1m／s，最大速度为52.8m／s，BC均方差和平均速度的百分比为4.57%。同理，AB 之间的均方差与平均速度的百分比为3.17%，CD 之间的均方差与平均速度的百分比为5.11%。误差小于8%，满足设计要求。

4 结论

笔者设计了一种结构简单的测速系统，实现了对防护板速度的实时测量，并通过4层锡箔测速靶对某功率源和结构参数条件下发射过程中防护板的运动速度进行了测量。试验结果表明，采用多层锡箔靶对防护板的速度进行测量是可行的，并且其误差满足设计要求。

改测试方法的缺陷是：

1）锡箔片层数在只有4层的情况下，无法对整个加速过程进行准确描述，应根据试验要求，适当增加锡箔片的层数，采集更多的速度点，但增加过多的锡箔层会给测试结果带来更大的误差，这一误差是由相邻锡箔层的测量误差的累计引起的。

2）从误差分析可以看出，由多层锡箔靶测速系统自身引起的测量误差为2.55%，与高速摄像测速系统和光栅测速系统相比，误差较大，且其在总误差中所占比重较大，但作为一种简易的测速系统，在对精度要求不是很高的试验中，还是具有一定的应用价值的。

（References）

［1］FAIR H D.Advances in electromagnetic launch science and technology and its applications［C］∥14th Symposium on Electromagnetic Launch Technology.Victoria，BC：SELT，2008.

［2］古刚，向阳，张建革.国际电磁发射技术研究现状［J］.舰船科学技术，2007，29（1）：156－158.GU Gang，XIANG Yang，ZHANG Jiange.The overview of the international electromagnetic launch technology research［J］.Ship Science and Technology，2007，29（1）：156－158.（in Chinese）

［3］邓启斌，夏智勋，王成学，等.电磁发射拦截系统拦截效应仿真［J］.弹道学报，2008，20（3）：49－58.DENG Qibin，XIA Zhixun，WANG Chengxue，et al.Simulation of intercepting efficiency of the electromagnetic launching interception system［J］.Journal of Ballistics，2008，20（3）：49－58.（in Chinese）

［4］金涌，杨春霞，李海元，等.电磁发射中初速测量的初步分析［J］.工程与试验，2010，50（3）：9－12.JIN Yong，YANG Chunxia，LI Haiyuan，et al.Preliminary analysis on muzzle velocity measurement in electromagnetic launch［J］.Engineering and Test，2010，50（3）：9－12.（in Chinese）

［5］王成学，曹延杰，王慧锦，等.电磁发射拦截系统驱动线圈结构分析［J］.微特电机，2008，（10）：8－18.WANG Chengxue，CAO Yanjie，WANG Huijin，et al.Structure analysis of drive coil in the electromagnetic launching interception system［J］.Small ＆Special Electrical Machines，2008，（10）：8－18.（in Chinese）