电磁驱动式引信过载试验装置中的电磁防护研究

王文豪，毕世华，向红军

（1.北京理工大学宇航学院，北京100081；2.军械工程学院弹药工程系，河北石家庄050003）

电磁驱动式引信过载试验装置中的电磁防护研究

王文豪1，毕世华1，向红军2

（1.北京理工大学宇航学院，北京100081；2.军械工程学院弹药工程系，河北石家庄050003）

利用电磁驱动技术可模拟引信发射过程中的高过载环境，但其工作过程中产生的磁场会对被试引信产生不利影响，因此需对被试引信采取电磁防护措施。介绍了电磁驱动式引信过载试验装置的组成和工作原理，设计了被试引信电磁屏蔽罩的结构；构建了电磁驱动式引信过载试验装置的仿真模型，对比分析了不含屏蔽罩、含铝制屏蔽罩、铝钢复合屏蔽罩下引信区域的磁场强度。研究结果表明：在1 ms时刻，在不含屏蔽罩、含铝制屏蔽罩、含铝钢复合屏蔽罩3种情况下，被试引信处的最大磁场分别为1.54 T、0.17 T、4.2×10-5T，铝钢复合材料防护罩对被试引信具有更好的防护效果。

兵器科学与技术；引信；电磁驱动；过载；电磁防护；脉冲磁场

0 引言

引信发射过程中受到的高过载环境是引信所遇到的恶劣环境之一，为考核引信在高过载环境下的可靠性和安全性，需要对引信组件的抗过载性能进行测试。目前用于引信过载性能测试的试验装置主要有立式落锤仪、气体炮。立式落锤仪过载峰值持续时间短，与实际环境差异较大；气体炮模拟过载峰值小、系统复杂，模拟大口径弹丸引信的高过载比较困难［1-3］。基于电磁直线驱动技术的引信高过载试验系统可以模拟不同口径引信发射过程中受到的过载环境，具有可控性和通用性好的特点，是今后的研究方向之一［4-6］。但是由于电磁直线驱动式模拟试验系统在工作过程中会产生脉冲磁场［7-9］，可能对引信产生影响，而目前针对电磁驱动式引信模拟系统的电磁屏蔽装置还鲜有研究，因此要采取合适的电磁防护或加固装置，以提高引信动态模拟过程中的安全性和可靠性。

1 电磁驱动系统工作原理

电磁直线驱动式引信高过载试验装置主要由储能电容器、驱动线圈、试验弹、触发开关S等构成［10-12］（见图1），其中试验弹由被试引信和非导磁金属材料制成的电枢构成，通过绝缘底座进行连接。

图1　工作原理图Fig.1 Diagram of system working princip1e

系统工作过程为：1）将被试引信和电枢连接在一起，置于驱动线圈构成的炮管内，然后利用充电装置对脉冲储能电容器C充电，使其两端带有很高的电压；2）闭合触发开关S，储能电容器对驱动线圈放电，产生脉冲磁场，并在试验弹电枢上感应出感应电流，带有感应电流的电枢在磁场作用下会受到电磁力作用，从而将试验弹发射出去，用以模拟引信在发射过程中受到的高过载环境。

2 引信电磁屏蔽机构

从电磁驱动式引信过载试验装置的工作原理可知，其工作过程中会产生脉冲磁场。因此需要采用合适的屏蔽罩对引信进行电磁防护，尽量使引信不受磁场的影响。

屏蔽罩一方面要能将引信完整的包覆，确保良好的屏蔽效果；另一方面要能够拆卸，便于引信的安装。基于这些方面的考虑，设计的屏蔽罩应该是可拆卸的全封闭结构，如图2所示为屏蔽罩整体结构分解图。

图2　屏蔽罩结构分解图Fig.2 Fxp1oded view of ho1istic shie1ding cover

屏蔽罩由两部分组成，分别为上屏蔽罩、下屏蔽罩，屏蔽罩内部还有一个引信托盘用以固定引信。上、下屏蔽罩由螺钉固定，连接在底座上，而固定引信的引信托盘用螺钉固定在下屏蔽罩上面。这种结构的屏蔽罩可以实现拆卸，实现屏蔽罩的全密封，达到较好的屏蔽效果。

3 引信电磁屏蔽效果分析

为了对比分析电磁屏蔽罩对磁场的屏蔽效果，利用Ansoft三维电磁仿真软件的瞬态求解器对电磁驱动式引信过载试验系统进行仿真分析。

3.1仿真模型建立

为简化计算，假设试验弹和驱动线圈中心重合，因此可将系统简化为二维对称结构，以z轴为对称轴，在Oxz平面建立的仿真模型如图3所示。

图3中，驱动线圈的长度为110 mm，内半径为53 mm，径向厚度为30 mm，匝数为80匝，材料为铜；电枢的轴向长度为60 mm，径向厚度为30 mm，内半径为11 mm，材料为铝；引信的口径为φ70 mm，总长度为85 mm；引信固定座直径φ80 mm，高30 mm；屏蔽罩厚度为10 mm.边界条件选为气球边界。

为更真实的模拟试验环境，驱动线圈的激励源采用外电路供电，激励源电路如图4所示。储能电容器的电容量为1200 μF，初始电压为8000 V，回路等效电阻为0.052 Ω.外电路建立完毕以后，将其导入模型之中，实现外部电路和仿真模型中驱动线圈激励源的映射。

图3　仿真模型Fig.3 Simu1ation mode1s

图4　激励源电路Fig.4 Fxcitation source circuit

3.2无屏蔽罩时磁场分析

以图3和图4建立的仿真模型为例，分析在没有屏蔽罩的情况下（即将图3中的屏蔽罩材料设为空气并隐藏），驱动线圈放电产生的脉冲磁场对引信的影响。由于脉冲磁场强度是不断变化的，因此选取几个时刻的电磁场进行分析。通过计算可知，在t=1 ms时，驱动线圈的放电电流达到峰值为11 kA.所以选取t=1 ms时刻，分析驱动线圈放电产生的脉冲磁场特性。对图3所示的仿真模型进行计算后得到的磁场分布图如图5、图6所示。

图5　无屏蔽罩时驱动线圈磁场（t=1 ms）Fig.5 Magnetic fie1d of drive coi1 without shie1ding cover（t=1 ms）

图6　无屏蔽罩时引信磁场（t=1 ms）Fig.6 Magnetic fie1d of fuze without shie1ding cover（t=1 ms）

从图5中可以看出：整个计算场域的磁场分布呈现不规则变化，电枢和驱动线圈之间的区域磁场强度最高，从峰值磁场处向四周逐渐减弱，呈散射状；离驱动线圈越远的地方，磁场强度越弱，在距离较远的地方，磁场几乎不再产生影响。对照磁场强度分布图左侧的刻度表可以看出：引信在没有屏蔽罩时，在1 ms时刻，驱动线圈放电产生的峰值磁场最强为9.9 T，而此时驱动线圈放电产生的脉冲磁场对引信确实产生了影响。从图6中可以看出，引信在脉冲磁场作用下，其下边沿处的峰值磁场可达1.54 T.这个磁场可能会对引信的可靠性、安全性产生影响，使其失效。

为进一步分析脉冲电流的变化对磁场产生的影响，选取电流值开始下降之后的时刻分析驱动线圈产生的磁场，其中1.5 ms时刻的磁场如图7和图8所示。驱动线圈产生的峰值磁场大约为7 T，引信区域的峰值磁场大约为0.83 T，随着驱动线圈放电电流的减小，尽管峰值磁场也呈现减小的趋势，但是磁场对引信的影响依然存在。

图7　无屏蔽罩时驱动线圈磁场（t=1.5 ms）Fig.7 Magnetic fie1d of drive coi1 without shie1ding cover （t=1.5 ms）

图8　无屏蔽罩时引信磁场（t=1.5 ms）Fig.8 Magnetic fie1d of fuze without shie1ding cover （t=1.5 ms）

图9　有屏蔽罩时驱动线圈磁场（t=1 ms）Fig.9 Magnetic fie1d of drive coi1 with shie1ding cover （t=1 ms）

图10　有屏蔽罩时引信磁场（t=1 ms）Fig.10 Magnetic fie1d of fuze with shie1ding cover（t=1 ms）

3.3铝制屏蔽罩防护效果分析

为了消除或减小磁场对引信产生的干扰，必须为引信添加相应的电磁屏蔽罩。利用图3所示的带屏蔽罩的仿真模型进行仿真计算，并将屏蔽罩材料设为铝，得到t为1 ms、1.5 ms时刻驱动线圈放电产生的磁场和引信区域磁场强度，如图9～图 12所示。

从图9可以看出，当引信安装了铝制防护罩以后，在1 ms时刻，驱动线圈放电产生的最强磁场位于电枢和驱动线圈之间区域，峰值磁场为9.3 T，从图10可以看出，引信处的峰值磁场为0.17 T.仿真表明，通过铝制防护罩，引信区域的磁场得到了明显的减弱，从而证明了通过防护罩的电磁屏蔽效果。

从图11可以看出，在1.5 ms时刻，驱动线圈放电产生的最强磁场约为7.5 T.仿真结果表明，随着驱动线圈放电电流的减小，其产生的磁场也相应发生了衰减，而此时试验弹的位移为44 mm.从引信区域的磁场特性可以看出，其峰值磁场约为0.37 T，其磁场的强度反而增强了。分析其原因，主要是因为随着试验弹速度的增大，驱动线圈放电产生的磁场对保护罩的作用减弱。根据楞次定律，铝制保护罩中磁场的减弱，会产生感应电流，该感应电流产生的磁场会加强磁场的强度，从而使得引信区域的磁场有一定程度的增强。但是，从总体上，引信的保护罩起到了一定的电磁防护作用。

3.4铝钢复合屏蔽罩防护效果分析

为了进一步提高引信的电磁屏蔽效果，将10 mm厚的铝制材料制成引信电磁防护罩改为5 mm厚的铝制防护罩和5 mm厚的钢制防护罩，其中内防护罩为钢质材料制成，外侧防护罩为铝制材料制成。为验证复合材料制成的防护罩对引信的电磁屏蔽效果，利用图3所示的仿真模型进行了数值仿真，仿真后得到驱动线圈的磁场和引信区域的磁场强度，分别如图13～图16所示。

从图13可以看出，在采用复合材料制成的引信防护罩之后，对驱动线圈产生的磁场基本没有影响，在t=1 ms时，驱动线圈的峰值磁场强度大约为9.3 T.但是对于引信区域来说，其磁场发生了非常显著的变化，从图14可以看出，在1 ms时，引信磁场最强的部位依然为其右下侧的边缘处，峰值磁场大约为4.2×10-5T，比采用单一铝制材料制成的防护罩，减少了大约99.98%.由此可见，采用复合材料制成的引信电磁屏蔽罩，效果非常理想。

图11　有屏蔽罩时驱动线圈磁场（t=1.5 ms）Fig.11 Magnetic fie1d of drive coi1 with shie1ding cover（t=1.5 ms）

图12　有屏蔽罩时引信磁场（t=1.5 ms）Fig.12 Magnetic fie1d of fuze with shie1ding cover （t=1.5 ms）

图13　复合屏蔽罩时驱动线圈磁场（t=1 ms）Fig.13 Magnetic fie1d of drive coi1 with composite shie1ding cover（t=1 ms）

图14　复合屏蔽罩时引信磁场（t=1 ms）Fig.14 Magnetic fie1d of fuze with composite shie1ding cover（t=1 ms）

图15　复合屏蔽罩时驱动线圈磁场（t=1.5 ms）Fig.15 Magnetic fie1d of drive coi1 with composite shie1ding cover（t=1.5 ms）

在采用复合材料屏蔽罩之后，在t=1.5 ms时，驱动线圈放电产生的峰值磁场强度大约为7.2 T，而引信区域的磁场主要集中在其右下方的边缘处，峰值磁场大约为3.4×10-4T.同样是由于防护罩产生的感应电流激发了磁场，使得引信处的磁场有一定的增强，但是对引信的影响不大。

由此可见，采用钢和铝制成的复合屏蔽罩，可以得到更好的屏蔽效果。

图16　复合屏蔽罩时引信磁场（t=1.5 ms）Fig.16 Magnetic fie1d of fuze with composite shie1ding cover（t=1.5 ms）

4 试验验证

为了验证不同防护材料的电磁屏蔽效果，加工了铝制和钢质材料的电磁屏蔽罩，如图17所示。

图17　屏蔽罩Fig.17 Shie1ding cover

在屏蔽罩内利用环探头测量磁场信号，环探头通过非金属固定装置使其与屏蔽罩内侧同轴放置，并通过50 Ω的同轴电缆连接示波器。然后将整个屏蔽罩和试验弹连接后，放置在电磁驱动器中。将试验弹固定不动，电源向驱动线圈放电。

通过环探头和示波器测得探头的输出电压波形，即磁场的时间变化率，如图18所示。对探头输出感应电动势作积分处理之后，得到在铝制防护罩、铝钢复合防护罩下的时域磁感应强度，不同屏蔽罩下测得的峰值磁感应强度如表1所示。

图18　环探头输出电压Fig.18 Output vo1tage of 1oop probe

表1　峰值磁感应强度测试结果Tab.1 Fxperimenta1 resu1ts of the peak va1ue of magnetic fie1d

从表1可以看出，实际试验中，采用复合材料屏蔽罩后，其峰值磁场比采用单一的铝制屏蔽罩磁感应强度减少2个数量级以上。

5 结论

仿真分析了电磁驱动式引信过载实验装置中引信处的磁场环境，设计了两种屏蔽罩结构，并进行了屏蔽效果分析，得出如下结论：

1）电磁驱动式引信过载试验装置产生的脉冲磁场对被试引信产生了影响，在没有对被试引信采用电磁加固措施时，引信处的最大磁场强度可达1.54 T（1 ms时）。

2）对比分析铝制和钢铝复合材料屏蔽罩，复合材料的屏蔽罩具有更好的防护效果，相对铝制防护罩，被试引信处的磁场强度可降低99.98%（1 ms时）。

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Electromagnetic Shielding of Overload Experiment Device for Fuze Based on Electromagnetic Driving Technology

WANG Wen-Hao1，BI Shi-hua1，XIANG Hong-jun2
（1.Schoo1 of Aerospace Fngineering，Beijing Institute of Techno1ogy，Beijing 100081，China；2.Department of Ammunition Fngineering，Ordnance Fngineering Co11ege，Shijiazhuang 050003，Hebei，China）

The e1ectromagnetic driving techno1ogy can be used to simu1ate the high over1oad environment in the process of fuze 1aunching，but it may stimu1ate magnetic fie1d，which has negative effects on the test fuze.Thus，it is necessary to take the e1ectromagnetic shie1ding measures for test fuze.The structure and working princip1e of the over1oad experiment device for fuze based on e1ectromagnetic driving is introduced，and then the e1ectromagnetic shie1ding cover for test fuze is designed.A simu1ation mode1 is estab1ished for fuze over1oad experiment device based on e1ectromagnetic driving，and then the intensity of magnetic fie1d in fuze is ana1yzed at three occasions：without shie1ding cover，shie1ding cover made by a-1uminum，shie1ding cover made by a1uminum and stee1.The resu1ts show that the maximum magnetic fie1d in fuze is 1.54 T，0.17 T and 4.2×10-5T at the occasions mentioned above，respective1y，which means that the shie1ding cover made by a1uminum and stee1 has better shie1ding performance.

ordnance science and techno1ogy；fuze；e1ectromagnetic driving；over1oad；e1ectromagnetic shie1ding；pu1sed magnetic fie1d

TM303

A

1000-1093（2016）05-0909-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.05.019

2016-02-15

国家自然科学基金项目（51477181）

王文豪（1981—），男，博士研究生。F-mai1：86532401@163.com；毕世华（1964—），男，教授，博士生导师。F-mai1：bishihua@bit.edu.cn