电场感应膛口信息传输方法

陈 力,王发林,张晓炜,齐晓红

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

电场感应膛口信息传输方法

陈 力,王发林,张晓炜,齐晓红

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

针对磁场感应膛口信息传输方法中装定器发射功率大、膛口装定装置长、信号受引信金属风帽的影响大的问题，提出了电场感应膛口信息传输方法。该方法是以电场为信号传输媒介，达到在膛口位置由装定器向引信传输信号的目的。实验验证表明，电场感应膛口信息传输方法极大提高了装定系统和武器平台的结构兼容性、电气兼容性、引信的抗干扰能力。

引信；电场；膛口感应装定

0 引言

为了提高武器的快速反应能力，需要在弹药发射时通过感应传输信号的方式给引信装定目标诸元参数，膛口感应装定引信是感应装定武器领域的一个重要分支[1-2]。国外以瑞士AHEAD(35 mm)系统为代表的快速反应武器在20世纪90年代就已经装备部队，美国曾计划在2014年用单兵20理想班组装备部队。目前以ATK公司、通用动力武器与战术系统公司、奈科斯特公司、丹尼尔公司和莱茵金属公司为代表的军火商正在研发20 mm，25 mm可编程空炸弹药，大部分用于高速发射器[3]。这些武器都采用瑞士最先研发的磁场感应膛口装定引信。国内曾经在 20 mm，25 mm，35 mm，40 mm，57 mm，100 mm等多种口径武器平台上研发磁场感应膛口装定引信，但是目前只有个别产品装备部队，膛口信息传输成为限制膛口感应装定引信发展的瓶颈技术[4-5]。因此，本文提出了电场感应膛口信息传输方法。

1 电场感应膛口信息传输基本原理

膛口感应装定引信是在膛口位置进行信息传输的，由于工作环境恶劣，膛口装定装置和引信风帽都采用金属材料设计能提高膛口感应装定系统和武器系统的结构兼容性。如果引信风帽采用金属材料设计，引信电路相当于封装在密闭的金属壳体内部，而密闭的金属壳体对装定信号会产生屏蔽作用，因此，在密闭的金属壳体内部能够检测金属壳体外部的信号是进行信息传输的一个必要条件。电场感应膛口信息传输的一个预期目标就是膛口装定装置和引信风帽都采用金属材料设计，这就要求电场信号能够穿越金属壳体，下面来研究一下不同电荷产生的电场特性，为电场感应膛口信息传输提供理论依据。

1.1 静电荷和匀速运动电荷产生的电场

由两个导体A和B组成一个孤立的系统，给A和B之间施加电压，电荷会重新分布，当达到静电平衡时，虽然A和B上的总电荷数不变，但是A和B上都会带一定量的正或者负电荷，若B上带有一定量的电荷，在B导体的周围就会生成电场[6-7]。

如果把B看作一个点电荷，B周围的电场分布符合式(1)

(1)

如果在B的周围存在其它导体C，受导体B所发电场的影响，导体C上的自由电子会在电场力的作用下发生移动，若C是一个密闭的金属壳体，C表面的电荷在外部电场的作用下发生重新分布，根据静电场理论，当C表面的电荷达到静态平衡时，C内部电场处处为零。

根据以上分析可以得出两点结论：1)静电场的衰减与距离的二次方成反比；2)静电场达到静态平衡时，密闭的金属壳体内部电场处处为零。

匀速运动电荷和静电场不同，而且与之联系的还有磁场，这电场和磁场的分布都和电荷的运动速度有关，由于这种电磁场只随着运动电荷一同运动，在运动电荷的周围总保持一样的分布，所以也没有场的向外传播，也就是说，匀速运动电荷产生的电场符合式(1)，按距离的二次方衰减，而且会被金属壳体屏蔽。

1.2 加速电荷产生的电场

加速电荷的电场非常复杂，这里只对一种最简单最基本的情况加以讨论。假设在真空中一个点电荷q原来一直静止在原点O，从时刻t=0开始以加速度a沿x轴正方向作加速运动，在时刻t=τ时，速度达到v=aτ，此后即以此速度继续作匀速直线运动。为了简单起见假设v≪c(c是光速)，下面研究在任意时刻t(t≫τ)此电荷的电场。

如图1所示，在t=0时，电荷从原点出发，在t=τ时，电荷到达p点。在这一段时间内由于电荷的加速运动，它周围的电场的前沿会发生扰动，这一扰动以光速c向外传播。在时刻t，这一扰动的前沿到达以O为心，以r=ct为半径的球面上。根据相对论关于光速最大的结论，此时刻不可能有任何变化的信息传到此球面以外，因此球面以外的电场仍是电荷原来静止在O点时的静电场，它的电力线是沿着从O点引出的半径方向的直线。

在t=τ时，电荷停止加速。由电荷加速引起的电场扰动的后沿在t时刻已向周围传播了c(c-τ)的距离。以p为心，以c(t-τ)为半径作一球面，由于从t=τ开始，电荷作匀速运动，所以在这球面内的电场应该是作匀速直线运动的电荷的电场。根据假定，v≪c，所以这球面内的电场在任意时刻都近似动为静电场，在时刻t，这一电场的电力线是从此时刻q所在点(Q点)引出的沿半径方向的直线。

由图1可明显地看出，在上述两静电场之间，有一个由电荷的加速而引起的电场扰动所形成的过渡区。由于t≫τ,c≫v，所以ct≫0.5vτ(O,P的距离。)因此，过渡区前、后沿的两个球面几乎是同心球面，而过渡区的厚度为cτ。随着时间的推移，这一过渡区的半径(ct)不断扩大，电场的扰动也就不断地由近及远地传播。这一传播就是一种特殊形式的电磁波。

由高斯定律可知，在过渡区两侧的电力线总条数是相等的，而且即使通过过渡区，电力线也应该是连续的。因此用电力线描绘整个电场时，应该把过渡区两侧同一方向的电力线连起来。这样在过渡区电力线就要发生扭折，如图1所示。在，v≪c的情况下，这段扭折可以当直线段看待。

现在借助电力线图来分析过渡区域内的电场。如图2，选用与x轴成θ角的那条电力线，此图中由于O，P的距离比r=ct小得多，我们把O，P看作一点O，而OQ=0.5vτ+v(t-τ)vt。过渡区的电场E可以分成Er和Eθ两个分量。由图2可以得出式(2)，根据高斯定律，由于电通量只和垂直于高斯面的电场分量有关，所以电力线在过渡区连续意味着Er分量仍是库仑定律给出的径向电场，如式(3)所示，把式(3)代入式(2)可得式(4)。这一电场只在过渡区内存在，所以它就是电荷加速运动时所产生的电场。应该注意的是它随着r的一次方成反比的减小。而静电场以及匀速运动的电荷的电场则随着r的二次方成反比的减小。

(2)

(3)

(4)

1.3 电场感应膛口信息传输的理论依据

在1.1，1.2两节中分别阐述了静电荷、匀速运动电荷、加速电荷的电场，其中有两个结论可以支撑电场感应膛口信息传输理论：1)相对论的一个推论——光速最大原理，电磁场的传播速度和光速相等，因此加速电荷的电场过渡区前沿没有什么信息可以超越，当加速电荷的电场遇到金属壳体时，金属壳体上的带电粒子来不及反应，加速电荷的电场已经穿越了金属壳体，导致加速电荷的电场可以穿越金属壳体这一自然现象。2)加速电荷的电场如式(3)、式(4)所示，其中横向电场Eθ随着r的一次方成反比的减小，衰减速度慢。

以上两个结论就是电场感应膛口信息传输的理论依据。根据第一个结论，可以利用加速电荷的电场把信息传入密闭金属壳体内部，因此电场感应膛口装定引信可以采用密闭的金属壳体作为风帽，提高引信的结构兼容性，提高引信的抗干扰能力。根据第二个结论， 加速电荷的电场随着r的一次方成反比的减小，而线圈产生的磁场宏观上随着r近似成二次方的减小，因此电场感应膛口装定引信信号窗口要比现有的磁场感应膛口装定引信的信号窗口长。

2 电场感应膛口信息传输方法的电场理论模型和应用实例

2.1 电场感应膛口信息传输的电场模型

电场感应膛口信息传输系统包括装定器、膛口装定装置、引信接收电路(如图3所示)。

装定器驱动膛口装定装置工作，产生加速电荷，弹丸穿过加速电荷的电场时，引信上的电场传感器接收到电场信号，通过检测电场信号就可以接收到装定器发出的信息，下面来分析图3中圆环状的膛口装定装置产生的电场。图2给出的是一种最简单、最基本的加速点电荷的电场，圆环状膛口装定装置上的电荷可以看作无数个点电荷，当这无数个点电荷在装定器的驱动下做加速运动时，每个点电荷都会产生如图2形式的电场，现在只考虑每个点电荷的总电场E，每个点电荷的电场用E1，E2，E3，…，En表示，在膛口装定装置的附近任意一点A，各点电荷产生的电场如图4所示，A点的总电场就是各个点电荷电场的叠加，如式(5)所示。膛口装定装置上有无数个点电荷，加速的方向不会完全一致，但是，如第1.2节所述，每个加速电荷的电场是按球面不断向外扩展的，因此膛口装定装置上加速电荷的电场在A点处各个分量呈半个椭球形，电场是矢量，所以电场传感器在A点的任意方向都能够检测到膛口装定装置发出的电场，这一结果非常有利于工程应用，在原理样机的测试中也证明了这一结论。

(5)

装定器发射一个电场信号，引信能够检测到该电场信号，装定器发射两种不同特征的电场信号分别代表“0”和“1”，引信就能辨别出“0”和“1”，根据数字信号传输理论，装定器和引信之间可以进行数字信号传输。

2.2 电场感应膛口信息传输系统原理样机设计

电场感应膛口信息传输系统原理样机包括：装定器、膛口装定装置、引信电路三部分，工作流程如图5所示。下面以某型发射器(该发射器所用弹药称为某型弹)为例来设计电场感应膛口信息传输原理样机。若采用计转数引信，某型弹的转数计数到3 000转左右就能满足要求，某型弹的膛口速度在400m/s左右，膛口装定装置的长度为8cm。二进制码的传输速率设计为380kHz时，理论上，一帧数据包含24位二进制码，在信号窗口内引信能够接收到两帧完整的数据就可以完成装定过程，根据上述理论，信号窗口大于5.1cm就能够完成装定过程。

图6是一套电场感应膛口信息传输系统原理样机，装定器和膛口装定装置通过导线联接，装定器驱动装定装置发射电场信号，当引信处于膛口装定装置发出的电场范围内时，引信上的传感器感应到电场信号，并通过引信电路还原装定参数，控制引信在适当时机起爆。

3 实验验证

3.1 电场感应膛口信息传输系统原理样机测试

如图7所示，包括传感器在内的引信电路密封在铝合金引信风帽内，从引信电路上引出电源线和测试线，当装定器发射信号时，引信可以正确接收装定信息。如图8所示，剥线钳作为膛口装定装置时，引信同样可以正确接收到装定信息，该结果表明膛口装定装置的结构完全不受形状的限制，极大提高了膛口装定装置和武器平台的结构兼容性。

图7所示的膛口装定装置和引信电路测试结果如下。

装定器功耗为：电压12V，电流0.3A。引信采用单片机设计解码电路，引信可以用现有的引信物理电源供电，膛口装定装置的长度为8cm。模拟引信中轴和膛口装定装置的中轴重合，在上述条件下沿轴向移动模拟引信，能正确接收装定信息的轴向距离定义为信号窗口(能正确接收信息的位置是模拟引信完全在膛口装定装置内部，或者在离开膛口装定装置两端几公分的距离)，测得信号窗口大于20cm。

图9是原理样机发射控制和接收信号波形，CH1表示装定器的发射控制信号波形，CH2表示引信传感器信号经过模拟电路处理后的输出波形，CH1和CH2的波形除了幅度不同之外，其他信号特征完全一致，该结果表明装定器和引信之间完全可以完成数字信号传输[4]。

表1列出了磁场感应膛口装定引信和电场感应膛口装定引信原理样机的主要参数。在膛口装定装置尺寸相同的情况下，电场感应膛口装定引信的信号窗延长到5倍；装定器峰值电流从1A降低到0.3A；电场感应膛口装定引信的风帽可以采用金属材料设计；由于电场感应膛口装定引信的信号窗口很长，可以降低码的传输速率，适合采用单片机设计解码电路。

表1 磁场感应和电场感应膛口装定引信参数

3.2 电场感应膛口装定引信的抗干扰问题

弹药发射后的瞬间，膛口会产生高温、高压，造成空气电离，理论上空气电离后正负离子等量，整体呈电中性，不会影响电场传输信号。电场感应膛口装定引信利用了加速电荷的电场才能够向密闭金属风帽内传输信号，即使膛口存在带电离子，在不满足加速度要求的条件下也不会影响密闭金属风帽内的电场。

为了验证电场感应膛口装定引信的抗干扰能力，在59式坦克炮实弹射击时进行了测试，发射炮弹时，由于炮口环境恶劣，不便于测试，为此专门设计了测试方案：炮管为金属导体，电场感应膛口装定装置在炮管根部和炮管电联接，此时，炮口和膛口装定装置之间的电阻为零，膛口装定装置和引信的配合关系如图7所示，测试时模拟引信在膛口装定装置中间，装定器的发射端和炮口连接，开启装定器，引信上可以接收到装定器发出的信号，引信上传感器的原始输出信号如图10所示，由于该测试是搭载其他项目试验，在火炮发射时关闭装定器，只测试背景噪声，测试结果如图11所示。

图10结果显示，引信接收到的装定信号信噪比很高，对该信号完全可以进行解码，达到还原数据的目的。图11显示，在发射瞬间有一个脉冲信号，时间大约在2～4 ms，在该脉冲信号之后的200 ms内没有检测到噪声信号，该脉冲信号是火炮发射时电点火带来的噪声。通过图11可以得出这样的结论：在火炮发射时测试系统正常，在点火信号完成后的200 ms内基本没有背景噪声，炮弹的内弹道时间在5 ms左右，延长示波器的采集时间，重新采集一次发射过程，示波器显示，除了一个窄触发脉冲信号外，之后的噪声水平和图11相当。

外场测试数据证明：1)引信可以接收装定器发出的有效信号；2)火炮发射时空气电离对电场感应膛口装定引信不会带来背景噪声。

4 结论

[1]王秋生，潘宗仁，孙艳.新一代感应装定技术——软件感应装定[J].兵工学报，2008,29(1):110-115.

[2]王秋生，毛俊，孙艳，等.非共轴线圈炮口感应装定[J].探测与控制学报.2009，31(6)：1-4.

[3]王少然.外军步兵精确打击弹药技术发展[J].轻兵器，2013(23):9-11.

[4]王利，赖百坛.小口径火炮炮口快速装定技术研究[J].火炮发射与控制学报，2000(2):1-5.

[5]王志兴，冯波，张晓，等.一种适应高速动态无线感应装定编码[J].弹箭与制导学报.2005,25(1):63-65.

[6]郭硕鸿. 电动力学[M].北京：高等教育出版社，1997.

[7]张三慧，藏庚媛，华基美.电磁学[M].北京：清华大学出版社，1991.

Information Transferring Method of Electric Induction Setting

CHEN Li, WANG Falin, ZHANG Xiaowei, QI Xiaohong

(Science and Technology on Electromechanical Dynamic Control Laboratory,Xi’an 710065,China)

Aiming at the problem of high power consumption of the setter and the long setting device on muzzle and the hard interference caused by metallic cap of fuze,a method of information transfer based on electric induction on muzzle was proposed. The electric field was the medium between the setter and fuze, and the signal could be transferred from the setter to the fuze.Experimental verification showed this method had better compatibility of structure and better compatibility of electric, and stronger ability on antiinterference than the magnetic induction fuze on muzzle.

fuze; electric field; muzzle inductive setting

�信传感器接收到装定器发出的信号 Fig.10 The signal

by fuze sensor from setting device

2017-01-21

陈力(1970—)，男，山东日照人，硕士，高级工程师，研究方向：感应装定信号传输技术。E-mail: chenli0621@sina.com。

TJ43

A

1008-1194(2017)03-0036-05