电磁轨道炮发射过程中系统瞬态磁场辐射特性研究

张博，孟祥欣，王琨，韩涛

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

电磁轨道炮是利用电磁力加速弹丸，使弹丸达到超高速的新概念武器，具有初速高、毁伤能力强、可控性好的技术优点，在军事上有着广阔的应用前景。但是，电磁轨道炮发射过程存在兆安级大电流、千伏级高电压、2 km/s高初速，这将产生瞬变强磁场并对电磁轨道炮系统周围产生干扰。为了更好地进行电磁兼容设计，有必要对电磁轨道炮发射过程中发射系统周围的瞬态磁场分布特征开展研究。

目前大部分轨道炮发射时磁场、电场辐射分析和实验主要针对炮膛内部轨道周围进行，给出了轨道炮发射时炮膛内电磁场频率范围和分布，但缺少对发射系统整体影响的研究。在此基础上，笔者选取典型发射电流，对电磁轨道炮发射系统周围的瞬态磁场分布特征开展研究，采用系统仿真分析与有限试验测试相结合的方法，探索发射过程中瞬态电磁场的分布规律，为评估电磁轨道炮整体的电磁兼容性奠定基础[1-2]。

1 建模与仿真

1.1 电磁轨道炮原理

电磁轨道炮由两条平行联接着大电流的固定轨道和一个与轨道保持良好电接触、能够沿着轨道轴线方向滑动的电枢组成，如图1所示。当接通电源时，电流沿着一条轨道流经电枢，再由另一条轨道流回，从而构成闭合回路。当大电流流经两平行轨道时，在两轨道之间产生强磁场，这个磁场与流经电枢的电流相互作用，产生电磁力，推动电枢和置于电枢前面的弹丸沿着轨道加速运动，从而获得高速度。发射过程中，两轨道间存在巨大的电磁扩张力。

电磁轨道炮系统主要包括电源、轨道、电枢-弹丸等。其发射是利用强脉冲电流产生的洛伦兹力在几毫秒内将弹丸加速到超高速。

1.2 电磁发射过程信号建模

通入轨道中的理想电流波形为梯形。通过电流波形可以看出，电流中含有明显的趋势项，趋势项的存在反映了整个加速过程的特点，因此电磁轨道炮发射时的数据是非平稳。由此可见，电磁轨道炮发射过程中的数据具有非平稳、多阶段的特点[3]。

根据炮管的长度，建立典型电磁轨道炮发射的脉冲电流波形数据作为激励源，如图2所示。

在0—0.5 ms为上升阶段，在0.5—1.0 ms为平顶阶段，在1.0—2.0 ms为下降阶段，在2.0—2.5 ms为拉弧阶段。

依据磁场常规测试频率，在100 kHz以下对该信号进行傅里叶变换，其频域归一化结果如图3所示，信号能量主要在10 kHz以下，因此重点评估0.01 ～10 kHz内磁场辐射发射强度。

1.3 电磁轨道炮系统建模

目前，军用分系统的磁场辐射发射要求与测试主要依据GJB 151B—2013中RE101(0.025～100 kHz磁场辐射频谱发射)进行，为了评估电磁轨道炮发射时对周围的影响，参照RE101进行仿真和试验规划[4]。

基于电磁轨道炮工作原理，在CST软件内建立发射系统模型，包括电磁炮轨道、电枢(位于初始位置)、线缆等。虽然电磁轨道炮发射过程中轨道的电流分布随着电枢运动发生变化，但是汇流排、线缆中电流不受速度屈服效应影响，仅电流强度发生变化[5-6]。忽略电磁轨道炮发射过程中轨道和电枢之间高速运动造成的轨道烧蚀等非线性作用。同时，由于电磁轨道炮发射系统的尺寸远小于电磁场的波长，因此可以忽略位移电流，将轨道炮作为准静态系统进行研究[7]。

选取连接轨道的汇流排、供电线缆等周围，按照RE101的测试距离设置仿真探头监测磁场情况，如图4所示，其中，探头1平行于电磁炮轴线距离汇流排表面7 cm；探头2与探头1位于同样高度，距离汇流排表面17 cm；探头3平行于线缆轴线，位于线缆中部距离线缆表面7 cm。

1.4 电磁轨道炮系统建模仿真分析

利用建立的信号模型和系统模型，针对磁通密度开展仿真分析，结果如图5所示。

由图5可知：仿真计算的磁通密度按照从大到小依次为探头3、1、2，最大145 dBpT，最小133 dBpT；3个探头的磁通密度变化规律一致与图3的趋势相同。典型磁通密度曲线如下：0.1 kHz及以下，磁通密度相对稳定；0.1～1 kHz，磁通密度逐渐下降了约21 dB，可见电磁炮发射时主要磁通密度集中在1 kHz以下。

由探头1和探头2仿真数据可知，随着距离增大10 cm，磁通密度下降了12 dB；由探头1和探头3仿真数据可知，相同距离处的磁通密度相差不大，线缆对外辐射的磁通密度略大于汇流排的辐射。

外壳材料对于电磁轨道炮磁场屏蔽的机理主要有两种：涡流消除和磁通量分流。涡流消除的本质是电流趋肤效应，电磁炮发射时磁场变化在外壳感应产生电场，而感应电场能够在材料内部形成涡电流，涡电流产生的感应磁场方向与原磁场方向相反，两者互相抵消，从而达到磁场屏蔽的目的[7]。磁通量分流是利用外壳材料的磁导率比内部绝缘材料的磁导率大，使得其磁阻远小于导体周围绝缘磁介质的磁阻，从而磁场绝大部分磁通量从外壳材料通过，形成磁通分流，而进入外部的磁通量较少，从而实现磁场屏蔽。由屏蔽机理可知，外部屏蔽材料的厚度越大、磁导率越高，对应的磁场屏蔽效能越大。系统中汇流排的外壳材料的壁厚大于线缆的屏蔽层，使得绝大部分内部磁场通量通过外壳材料分流，因此辐射到外部的磁通量较少[8]。

2 试验验证

2.1 试验系统设计

目前对设备/分系统的磁场辐射发射影响评估，主要依据GJB 151B—2013中RE101(0.025～100 kHz磁场辐射频谱发射)的要求和测试方法。该方法使用环天线和接收机进行测试，在0.025～100 kHz范围内，接收机6 dB带宽为10 Hz，每个频点驻留时间为150 ms；在1～10 kHz范围内，接收机6 dB带宽为100 Hz，每个频点驻留时间为20 ms；在10～100 kHz范围内，接收机6 dB带宽为1 kHz，每个频点驻留时间为20 ms。而电磁轨道炮发射过程不超过3 ms，远小于每个频点的驻留时间，因此，该方法无法测得瞬态磁场辐射频谱的有效数据[9-10]。

为了利用RE101的限值评估电磁轨道炮发射系统的电磁兼容性，参考RE101的测试配置，使用频谱仪和环天线组成测试系统，同时为防止磁场过强对频谱仪产生损伤，在线缆与频谱仪中间增加一个衰减器，并依据RE101的频率划分，在每个频率范围内对应使用一套频谱仪和环形天线，以便于同时测量不同频段的辐射，测试系统如图6所示。

依据仿真模型，选取相应的测试位置，将环天线平行于电磁炮轴线放置，测试布局如图7所示。

由于RE101测试时每个频点的驻留时间过长，远大于电磁轨道炮发射时间，因此，需要将每个频段的扫描时间缩短到1 ms以内，以适应电磁轨道炮发射时间。测试时频谱分析仪按照表1中列出的分辨率带宽和扫描时间进行设置。纵坐标单位与天线系数测试时一致，使用峰值检测和最大值保持功能，进行连续多次扫描。

表1 测试参数

2.2 试验过程

测试流程如图8所示。测试前，依据GJB 8815—2015在0.01～10 kHz内，在7 cm距离和17 cm距离上，分别对环天线的天线系数进行校准。依据天线校准距离确定测试位置，将环天线分别放置于图7中磁场探头1、2、3的位置，并使其平行于电磁轨道炮轴线。连接环天线、衰减器与频谱仪组成测试系统，依据表1，针对不同测试频率范围在相应的频谱分析仪上设置参数。

为避免环境背景等影响，电磁轨道炮通电达到稳定工作状态后，在发射前先测试电磁轨道炮周围环境的磁场电平，记录为U0，确保周围环境对测试系统的影响可控。发射过程测量的磁场电平记录为U1，若U1-U0>6 dB，则可判定U1为有效数据。利用环天线的天线系数、衰减器校准系数和U1，计算磁通密度。

2.3 试验结果分析

采用图2中的典型脉冲电流进行发射，通过3次电磁发射，分别测试了位置1、2、3辐射的磁通密度，试验结果如图9所示。通过比较可知，3个位置的磁通密度均在GJB 151B—2013中RE101的陆军限值以下。汇流排与线缆的磁场辐射相近，频率越低，线缆的磁场辐射越大；磁通密度从位置1到位置3衰减了约12 dB。

3 仿真结果与测试结果对比

将各个位置的仿真结果与测试结果相比较，如图10～12所示。测试结果与仿真结果的变化趋势基本一致，主要辐射集中在1 kHz以下，说明仿真模型基本能够反映发射过程中系统对外部辐射的瞬态磁场变化规律。

通过对比发现，仿真结果基本高于测试值，引起偏差的因素较多，主要包括：仿真模型与实际系统中金属材料的磁导率差异；测试方法引入的测量误差；瞬态强磁场产生的涡流效应，也会对磁场有一定影响等。目前对这些影响因素难以定量化分析，有待于进一步研究。

4 结束语

电磁轨道炮的瞬态磁场辐射发射是研究电磁兼容性的重要内容之一，笔者通过建立电磁轨道炮电磁特性分析模型，对电磁轨道炮瞬态磁场进行了数值模拟，研究了电磁轨道炮发射过程中发射系统的磁场辐射规律。基于RE101要求，设计了相应的磁场频域测试方法，获取了电磁发射过程中发射系统沿轨道方向多个点位的磁通密度，实验曲线与计算曲线基本吻合，验证了仿真计算模型的有效性，可为电磁轨道炮系统的电磁兼容性设计提供参考，有助于电磁轨道炮合理布局，后续根据项目进展开展更多位置的测试研究。