电磁轨道炮弹载过载记录仪设计

鲍爱达，杜壮波，马游春，张泽宇

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原 030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

传统火炮是将火药的化学能转化为炮弹的动能，受火药燃气滞止声速的限制，炮弹的初速难以超过2 000 m/s[1]。面对新式复合装甲及高机动的空中目标，火炮已难以满足现代战争的要求。因此,世界各国开始大力发展电磁发射技术，电磁轨道炮便是以该技术为原理的一种新兴武器[2-4]。

弹丸的发射内弹道数据对于判断武器性能具有重要的作用。电磁轨道炮发射过程中，电枢处于大电流、强磁场、高过载等恶劣环境中，给内弹道数据测量造成了很大困难[5]。目前，电磁轨道炮内弹道测量的主要方法有磁探针法、共轭抑制线圈法、激光干涉法、加速度计法和高速摄影法等。基于电磁感应原理的磁探针法和共轭抑制线圈法虽使用简便、可耐受恶劣测试环境，但受磁场分布的影响大、精度低。激光干涉法的优点是速度分辨率高，但由于光衰减损耗问题只适用于测量电枢的启动过程。高速摄影法直观、准确，但测试设备难以安装[6-8]。如能解决恶劣电磁环境对加速度计及其采集电路的影响，弹载的测试技术将是一种较好的测试方法。

因此，文中设计了一种弹载过载记录仪，通过特制的防护结构对电磁轨道炮膛内的电磁场进行有效屏蔽，使其内部的电路测量系统正常工作。同时设计了FLASH+FRAM 的数据存储形式，结合传统火炮的动态测试技术实现电磁轨道炮过载数据的测量与读取。

1 电磁屏蔽原理

电磁屏蔽可分为主动屏蔽、半主动屏蔽和被动屏蔽[9]。弹载记录仪主要依靠外壳金属材料的被动屏蔽来保护内部的电路系统不受外界干扰。被动屏蔽通过导电材料的涡流消除和导磁材料的通量分流来屏蔽外界磁场。

1.1 涡流消除

变化的磁场会产生感应电场，电场则会在导体内部产生涡电流。而涡电流又会感应产生一个与外界施加的原磁场方向相反的磁场，两者相互抵消达到屏蔽磁场的目的。

涡流消除原理本质上是导电材料的电流趋肤效应，所以一种材料的涡流消除屏蔽性能与其电流趋肤深度有密切关系。材料的电流趋肤深度的表达式为：

式中，δ为材料的电流趋肤深度，f为电磁场频率，μ为材料的磁导率，σ为材料的电导率。

由式（1）可知，材料的电导率、磁导率是影响其屏蔽性能的关键参数。对于电磁炮膛内回路瞬间通断时引起的高频电磁辐射屏蔽效果较好。

1.2 通量分流

相对于记录仪空腔内部空气的磁阻R0而言，外壳导磁材料的磁阻RS要小得多。因此，外部磁场的绝大部分通过记录仪的外壳进入记录仪内部磁场的情况比较少。这便是导磁材料的通量分流原理，磁路等效模型如图1 所示。

图1 磁路等效模型

根据欧姆定律，磁路的表达式为：

式中，Fm为磁动势，Rm为磁阻。

由式（2）可知，材料的磁导率越高、壳体越厚，则磁阻就越小，屏蔽效果也越好。同时需要注意导磁材料具有磁饱和的特性，当外界磁场强度超过某个阈值时，材料的磁导率会显著降低，磁屏蔽效果变差。因此，可考虑采用多层复合结构来增加磁屏蔽效果。

2 过载记录仪结构设计

2.1 屏蔽壳体设计

记录仪的壳体由多级屏蔽层构成，如图2 所示。其第一级是磁导率较高的材料，以屏蔽外界磁场，采用磁导率较高的45#钢材料；第二级是电导率较高的材料，以屏蔽外界电场，采用电导率较高的紫铜材料；第三级作为复合屏蔽层，屏蔽电路模块外围的电场、磁场，采用磁导率、电导率良好的坡莫合金材料；第四级采用磁导率较高的熟铁材料。

图2 记录仪结构示意图

记录仪的电路系统放置在铝制内腔体中，与记录仪外壳主体分开，构成复合防护结构的同时也作为最后一级的电磁屏蔽层，增强了记录仪的抗过载能力[10]。为了避免顶部接口缝隙处的电磁泄漏，选用具有弹性且电磁屏蔽性能良好的导电橡胶进行密封。各级材料的相关参数如表1 所示。

表1 壳体材料相关参数

通过这五级导电导磁材料的涡流消除和磁通分流，外界电磁场得到了明显衰减，有效地保护了记录仪内部的电路系统。

由多级材料制作而成的壳体，屏蔽效能够达到30 dB，可以有效屏蔽电磁干扰，保证内部电路系统正常工作[11]。

2.2 壳体加工与灌封

由于壳体由多种金属材料分层组合而成，对铸造工艺要求较高。如果壳体不同材料的层与层之间有缝隙，在测试过程中会出现谐振现象，对最终测得的信号造成干扰。因此，壳体采用多层金属快速复合工艺焊接成型。先将金属材料的表面进行预处理，然后把多层预处理后的金属材料叠在一起并放在压头之间，压头通电后，电流通过金属材料产生热量，将各级材料加热到预设温度，与此同时在压头之间施加压力,各层金属材料复合成为一体。该方法具有结合强度高、无氧化、各层材料之间无空隙、复合速度快、可靠性高等优点。

灌封材料选择聚氨酯，相比于其他灌封材料，如硅橡胶和环氧树脂，聚氨酯的韧性、弹性和硬度适中，可以满足系统的要求。但是聚氨酯流动性不太好，在其固化过程中会释放二氧化碳，使固化后电路模块的强度和硬度降低，影响系统的耐冲击能力[12]。因此，需要利用真空灌封技术，把需要灌封的空间抽成真空以提高灌封质量。同时由于记录仪内使用了很多贴片元器件，这些元器件表面积较大而厚度又很薄，在灌封时由于灌封材料的流动性以及气体压力等因素的影响，很难将这些器件的下表面灌实，因此在焊接前先给贴片元器件的底面粘上胶，防止在外部环境温度变化时产生的局部应力集中，导致器件损坏。整体灌封前后的记录仪如图3 所示。

图3 记录仪灌封前后图

3 记录仪硬件电路设计

3.1 系统总体设计方案

记录仪电路系统主要由传感器、电源管理模块、信号调理模块、A/D 转换模块、FPGA 主控模块、数据存储模块等组成，原理框图如图4 所示。

图4 系统总体框图

记录仪在工作时首先通过外部触发控制信号给记录仪各模块上电。传感器信号经过信号调理模块后，由A/D转换模块转换成数字信号发送给FPGA主控模块，主控模块将信号编帧处理后发送给数据存储模块。数据存储模块由FLASH 和FRAM 组成双备份。

3.2 电源抗过载设计

普通商用电池在高g值冲击下出现电压瞬间降低，这是由金属帽的焊接和金属帽的材料强度共同造成的。为了增加系统的可靠性，防止大过载时的瞬间断电，可以给电池并联一个较大容值的电容器，这样电容器会对电池的瞬时断电或电压波动起到一定的补偿作用。同时在电池和电容的正极各串联了一个二极管以防止电流倒灌。电源模块如图5 所示，D1、D2 和D3 为二极管，VCC 和GND 为给测试系统供电的正极和负极。

图5 电源模块

所需电容的计算公式如式（3）所示。在采集存储状态下，全系统电路的正常工作电流不超过50 mA，选用100 mAh 的微型小容量电池，可确保全系统加电后正常工作两个小时以上，电池初始电压为8.4 V，截止工作电压为5.5 V，电流最大为50 mA，工作时间为150 ms。

所以，设计中可选用0.1 F 的电容即可满足设计要求。

3.3 数据双备份设计

传统武器的弹载记录仪通常只需一个FLASH芯片即可完成数据的存储功能。由于电磁轨道炮发射原理与传统火炮不同，膛内环境复杂。目前，膛内环境对于弹载智能设备的影响研究还不充分，即使记录仪外壳具有电磁防护功能，为了确保数据的有效获取，记录仪采取FLASH 和FRAM 的双备份数据存储机制。

FRAM 是一种依靠铁电效应存储数据的非易失性存储器。铁电晶体在受到特定电场影响后，晶体中心的原子会移动到一个新的位置，在电场消失后中心原子会保持该位置不变，FRAM 就是依靠这种铁电效应来存储数据。铁电效应是铁电晶体固有的一种偏振极化特性,与电磁作用无关,所以FRAM 存储器的内容不会受到磁场因素的影响,具有抗电磁脉冲的特性[13]。

目前，FRAM 的容量相比于FLSAH 芯片是很小的，无法存储大量数据。因此，用FRAM 存储电枢发射时的瞬时过载数据，而用FLASH 芯片存储记录仪上电后的所有数据。测试系统的FRAM 选用美国Ramton 公司的FM25H20 芯片，该芯片容量为2 MB，其工作电压为2.7～3.6 V，采用先进的130 nm CMOS工艺、8 引脚TDFN 封装，具有256 kB×8 位存储结构，总线读写速度高达40 MHz，无限次读写和低工作电流，并具有10 年数据保存能力。FM25H20 与FPGA之间通过SPI 接口协议进行通信。

4 数据存储控制逻辑设计

记录仪数据记录的触发方式包括断线触发和阈值触发两种模式，分别对应FLASH 和FRAM 两种存储器。

断线触发是过载记录仪常用的一种触发方式，由外部开关进行触发[14]。记录仪经断线触发后，进行全系统上电，初始化后FLASH 芯片便进入采集储存状态。

阈值触发是一种保证FRAM 可以正确、有效存储电枢发射瞬间的关键过载数据的触发机制，FRAM 控制流程如图6 所示。触发前FRAM 数据储存方式为循环储存，即FRAM 数据存满后，会重新开始写入数据；当检测到触发信号后，更改为顺序储存方式，该方式在FRAM 中存入1 MB 的数据后结束存储。系统初始化后，开始循环采集数据并经过FPGA内部一个4 kB 的FIFO 后存储在FRAM 中，同时将采集到数据与阈值进行对比，如果采样数据大于阈值并连续超过20 次，便认为满足触发条件，后续采样数据均为有效数据，FRAM 开始顺序储存；FRAM 在此时写入触发标志位，并继续记录1 MB 的数据后停止，过载前后的数据将会同时保存下来，以便回收后对过载数据进行分析。

图6 FRAM控制流程

5 试验测试

5.1 记录仪安装

电磁轨道炮发射时的膛内磁场分布会受到速度趋肤效应的影响，电流会沿着导轨后端表面进行分布，电流的趋肤深度与电枢速度呈反比，在发射时，电流仅从电枢尾端与导轨接触面上进入电枢。因此在磁场空间分布上电枢后端最强，电枢前端空间内的磁场与后端相比减弱许多，且随着距离的增大磁场呈现迅速衰弱的趋势。在给电磁轨道炮安装智能部件时，应安装在电枢前端且距离电枢前表面越远越好，这样便能降低发射时电磁干扰对智能部件中电路系统的干扰[15-16]。

在该试验中记录仪安装于电枢的前端30 cm 处，记录仪与电枢通过绝缘塑料制成的工装连为一体，如图7 所示。

图7 记录仪安装示意图

5.2 试验结果

记录仪在某研究所进行了电磁轨道炮的实弹试验，测试结果如图8 所示。记录仪测得电枢在发射过程中的最大加速度为24 421g。

图8 试验结果

试验表明，该记录仪能够有效屏蔽膛内电磁环境的干扰，并完成过载参数的测量和存储。

6 结束语

文中设计了一种可以抗电磁轨道炮膛内强电磁环境的过载记录仪，结合传统的弹载动态测试技术，设计了多层金属材料组成的防护结构，提出了FLASH+FRAM 的双备份数据存储结构。在试验中成功获得了电磁轨道炮发射过程中的过载试验数据。电磁轨道炮弹载过载记录仪的研究，对于改进武器性能以及轨道炮弹丸智能化有着重要意义和价值。