王维刚，吕庆敖，向红军，雷 彬，邢彦昌

(军械工程学院，河北 石家庄 050003)



轨道炮发射过程中弹药制导组件强磁环境控制技术

王维刚，吕庆敖，向红军，雷 彬，邢彦昌

(军械工程学院，河北 石家庄 050003)

电磁轨道炮弹药制导部分是其未来发展的关键技术之一。针对弹药制导组件无法承受过强磁场的问题，采用理论分析和数值仿真方法，对铜导体的电磁感应屏蔽、铁磁材料磁屏蔽以及活动制导组件的控制技术作了磁场分布有限元分析，研究了电磁轨道炮发射过程中弹药制导组件所处磁场环境的抑制方法。结果表明：采用合适隔离与屏蔽方法，制导组件所处环境的磁场可降低4个量级，达到36 μT。上述研究工作很大程度上降低了弹药组件环境磁场强度和研发难度，对电磁轨道炮制导弹药研究开发具有一定参考意义。

电磁轨道炮；制导弹药；制导组件；强磁环境；磁场屏蔽

电磁炮是一种利用脉冲功率电源提供的电能加速宏观弹丸的一种新概念动能武器，包括电磁轨道炮和电磁线圈炮两大类[1-3]。简单的电磁轨道炮由2根平行金属轨道、夹在两轨道间并与两轨道保持滑动电接触的金属电枢、电枢推动的弹丸、绝缘固定装置以及高脉冲功率电源和开关等构成，如图1所示。

在图1中，轨道、电枢、以及未显示的脉冲功率电源、高功率开关构成闭合回路；当开关闭合时，脉冲功率电源为回路充电，形成脉冲大电流和强磁场,通过电枢的电流和附近强磁场相互作用产生电磁力F，电磁力可推动电枢和弹丸加速运动。

传统化学发射药火炮由于受到燃气声速的限制很难把弹丸加速到2 km/s，而电磁轨道炮则可以把弹丸加速到超高速[4-5]。因此与传统火炮相比，电磁轨道炮具有初速高、响应快、特征信号弱等优势，可用于防空、反导、反装甲、超远程打击等领域，具有明显的军事应用价值。

在超远程、超高空火力打击方面，MCNAB等曾分析以51°±1°的仰角、2.5 km/s的速度发射60 kg重弹丸，射高可达120 km，射程可达400 km，因而电磁轨道炮可以用于岸防，保护领海专属经济区，也可用于舰船的超视距、超远程、超高空火力打击[1，6-8]。

经过多年的研究，美海军电磁轨道炮技术进展巨大。在2012年3月的工程化样炮发射试验中，弹丸质量10 kg，炮口速度2.5 km/s，炮口动能达到了32 MJ，如图2所示[9]。而且，该工程化样炮已经具备调节射角和反后坐力功能，目前的理论射高可达100 km，射程可达250 km，已经初步具备实战功能。同时，从图2可以看到，一体化弹丸还没有配备战斗部、引信及制导部件。

实际上，对于超远程、超高空打击的电磁轨道炮，弹道终点的弹药散布很大。精确打击的作战任务迫切需要在弹药上附加制导组件。然而目前制导组件对电磁轨道炮发射过程中的强磁场环境的适应性还少有研究[10]。笔者将探索电磁轨道炮发射过程制导组件所处强磁场环境的控制和分析。

1 强磁场屏蔽控制方法

实用的电磁轨道炮发射过程中，几兆安的电枢电流会产生几十特斯拉的强磁场。而轨道炮制导弹药的制导组件在如此强脉冲磁场中的可靠性和安全性问题还没有研究过。为此，笔者利用电磁轨道炮磁场分布特性，采用铜导体电磁屏蔽与铁磁材料的磁屏蔽双重措施，采用开口的屏蔽罩杯方式，探究电磁轨道炮制导组件所处环境的脉冲磁场衰减特性，为制导弹药的磁场环境适应性研究提供参考。磁场控制方法主要分以下几个步骤：

1)根据电磁轨道炮磁场分布特征，尽可能使制导组件所处空间远离电枢，把制导组件所处空间控制在远离电枢头部的轴线上300 mm以外。

2)在电磁轨道炮发射过程中，把制导组件屏蔽在金属罩杯中，罩杯采用开口或绝缘封盖结构。在电磁轨道炮发射过程中，制导组件处在金属罩杯内底部；而当电磁轨道炮发射完毕，炮弹处于自由飞行阶段时，弹簧可把制导组件弹离罩杯底部，固定在罩杯开口部。绝缘封盖可以透过光电信号，方便制导组件探测或接收外界光电控制信息。

3)屏蔽罩杯包含2层，外层为铜。对于电磁轨道炮所用电流为脉宽10 ms梯形波，取傅里叶一级近似，可得50 Hz半周期正弦波。对于50 Hz正弦波，室温下铜导体内的趋肤深度为9.42 mm。如果铜罩杯厚度为10 mm，则可屏蔽60%的强磁场。当然，对于脉宽更短的电流脉冲，趋肤深度更小，屏蔽效果当然会更好。

4)屏蔽罩杯内层为铁磁材料。由于铁磁材料的磁导率较高[11]，可以有效屏蔽磁场。铁罩杯厚度可确定为5 mm。

5)屏蔽罩杯内材料为无磁材料或绝缘材料。

2 仿真模型与数值仿真结果

2.1 仿真模型

根据上述磁场控制方法分析，建立了三维仿真模型，并用Maxwell 13.0对磁场分布进行了数值仿真。

电磁轨道炮三维模型如图3所示，铜轨道长度为2 500 mm，轨道截面为300 mm×80 mm，两轨道沿z方向并列，两轨道间用2根2 500 mm×200 mm×50 mm 绝缘层间隔，形成200 mm×200 mm方膛。U形铝电枢长300 mm，沿z方向发射。采用屏蔽罩结构为开口杯状，外层为铜，外径为80 mm，厚度为10 mm，长度为300 mm。屏蔽杯底部距离U形电枢前端300 mm。紧贴铜罩杯内层为铁罩杯，铁罩杯厚度为5 mm，长度为250 mm，开口方向与发射方向一致。杯内空间形成长径比为5:1的圆柱形空间。O-xyz坐标原点取炮口对称中心位置。除了铜轨道、铝电枢、外层铜罩杯、内层铁罩杯，该模型其他空间设为空气，所取外围空气域尺寸为1 200 mm×1 440 mm×3 000 mm。

2.2 仿真结果及分析

建立模型以后，在轨道炮的两轨道尾端通以振荡频率为50 Hz、幅值为6 MA的正弦波电流，取4 ms时刻的磁场分布。

图4是仅用铜罩杯后的模型仿真效果，所示的是y≤0空间内的磁场强度分布，是图3模型的一半。

从图4可以看出，铜轨道和铝电枢内部空间磁场较弱，铜轨道与铝电枢外表面磁场最强。尤其U形电枢拱形部内侧，磁场强度最高达到30.54 T。30 T强磁场对应的磁压强达到360 MPa，这是实用化轨道炮所需要的压强数值。U形电枢前部磁场逐步降低，铜罩杯所处位置(300 mm外)的磁场均值为0.306 T，磁场沿轴线方向降低了2个量级。

从图4还可以看出，铜罩杯存在对磁场有排斥作用，铜罩杯外杯底附近的磁场比临近位置磁场明显变小。铜罩杯对磁场的屏蔽作用较弱。铜罩杯内部杯底区域的磁场范围在0.055 4～0.158 T；而远离杯底的区域最小磁场达0.019 3 T。铜罩杯对磁场屏蔽达1个量级。

图5是仅用铁罩杯后的模型仿真效果。

从图5可以看出，铜轨道和铝电枢内部空间磁场较弱，铜轨道与铝电枢外表面磁场最强。尤其U形电枢拱形部内侧，磁场强度达到13.88～41.70 T。U形电枢前部磁场逐步降低，铁罩杯所处位置(300 mm外)的磁场达到了0.512～1.540 T，磁场沿轴线方向降低了1～2个量级。

从图5还可以看出，铁罩杯的存在对磁场有强烈的吸引和屏蔽双重作用。一方面，铁罩杯的存在使附近磁场由0.170～0.512 T上升到了0.512～1.540 T，与图4对比，图5中的铁罩杯还改变了轨道-电枢间的磁场分布，U形电枢拱形部内侧的磁场得到有效增强;另一方面，铁罩杯内部杯底附近的磁场降低至2.10～6.30 mT,铁罩杯内部大部分空间磁场达0.699～2.10 mT。铁罩杯对磁场屏蔽效果明显，达2个量级。

图6是采用铜铁双层罩杯后的模型仿真效果，所示的是y≤ 0空间内的磁场强度分布，是图3模型的一半。

从图6可以看出，铜轨道和铝电枢内部空间磁场较弱，铜轨道与铝电枢外表面磁场最强。尤其U形电枢拱形部内侧，磁场强度达到9.80～30.59 T。U形电枢前部磁场逐步降低，铜铁双层屏蔽罩杯所处位置(300 mm外)的磁场达到了0.322～1.006 T，磁场沿轴线方向降低了1～2个量级。

图7所示的是y=0对称面上的磁场强度分布的局部放大图。

对比图6和图7可以看出，U形电枢内最弱磁场为10.59 mT；U形电枢拱形部内侧的磁场最强，达到30.59 T；屏蔽罩杯所处空间磁场强度为0.322～1.006 T。而铜铁双层屏蔽罩内底部大部分区域为111.6～348.3 μT；屏蔽罩杯内局部的磁场最小可达35.75 μT；当然，罩杯开口处磁场强度变化剧烈，从10.59 mT至322 mT。铜铁双层罩杯对磁场屏蔽效果好，罩杯开口处磁场为0.103～0.322 T，而罩杯内大部分空间磁场为0.111～0.348 mT，双层罩杯对磁场屏蔽达3个量级。

罩杯内层铁磁材料的磁场强度突变，从杯底外侧的大于3.14 T过渡到杯底内侧的0.103～0.322 T。而铜罩杯对铁罩杯的屏蔽作用也很明显：铁罩杯杯底(由于铜材屏蔽)磁场强度较弱，而铁罩杯开口处(没有屏蔽)磁场强度较强。

2.3 结果讨论

针对制导弹药的制导组件对电磁轨道炮发射过程中强磁场环境适应性要求，笔者设计了一种可用于电磁轨道炮弹药制导组件的开口屏蔽罩杯。在发射过程，制导组件处于罩杯内的底部；在发射过程结束后，制导组件被弹簧弹至罩杯开口部。经过建立模型和数值仿真分析，在轨道炮发射过程中，单独采用铜罩杯，罩杯内部磁场仍然较强；单独采用铁罩杯，铁罩杯对电枢近的磁场有影响；采用铜铁双层结构的屏蔽罩杯，对轨道炮电枢附近磁场影响较弱，罩杯内磁场环境从0.103～0.322 T环境降低至35.75～111.6 μT环境，平均降低约4个量级。

参考现有民用电网10 A的铜导线，根据毕奥-萨伐尔定律[12]，B=μ0I·2πr，导线轴线外10 mm处的磁感应强度为200 μT，这种日常电气化生产、生活所接触到的磁场强度值已经远远高于轨道炮屏蔽罩杯底部的磁场强度35.75～111.6 μT了。所以说，采用双层屏蔽罩杯的结构设计，可以满足电磁轨道炮弹药制导组件的强磁场环境适应性的要求。

3 结束语

通过利用Ansoft Maxwell有限元仿真软件，对3种情况下的磁场屏蔽方式进行了仿真分析，仿真结果表明，采用适当隔离，并利用铁与铜2种材料组成的双重双层结构罩杯屏蔽磁场的方法，达到了较好的屏蔽效果，使制导组件所处环境的磁场可降低4个量级，达到36 μT。上述研究工作很大程度上降低了弹药组件环境磁场强度和研发难度，对电磁轨道炮制导弹药研究开发有一定参考意义。

References)

[1]MARSHALL R A，WANG Ying.Railguns:their science and technology[M].Beijing:China Machine Press, 2004.

[2]FAIR H D. Progress in electromagnetic launch science and technology and its applications[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(1): 93-98.

[3]LYU Qing’ao, LI Zhiyuan, LEI Bin, et al. Primary structural design and optimal armature simulation for a practical electromagnetic launcher[J]. IEEE Transactions Plasma Science, 2013, 41(5): 1403-1409.

[4]王莹，马富学. 新概念武器原理[M]. 北京: 兵器工业出版社，1997. WANG Ying, MA Fuxue. The theory of new concept weapon[M]. Beijing:The Publishing House of Ordnance Industry,1997. (in Chinese)

[5]王莹，肖锋. 电炮原理[M]. 北京: 国防工业出版社，1995. WANG Ying, XIAO Feng. The theory of electric gun[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1995. (in Chinese)

[6]MCNAB I R, FISH S,STEFANI F. Parameters for an electromagnetic naval railgun [J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2001,37(1): 223-228.

[7]FAIR H D. Advances in electromagnetic launch science and technology and its application[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): 225 - 230.

[8]WALLS W A,WELDON W F,PRATAP S B.Application of electromagnetic guns to future naval platforms[J].IEEE Transactions on Magnetics,1998,35 (1):262 - 267．

[9]乔志明,雷彬,吕庆敖,等.电磁轨道炮关键技术与发展趋势分析[J].火炮发射与控制学报,2016,37(2):91- 95. QIAO Zhiming,LEI Bin,LYU Qing’ao,et al.Analysis of the key technologies and development tendency of electromagnetic railguns[J].Journal of Gun Launch & Control,2016,37(2):91-95.(in Chinese)

[10]邢彦昌，吕庆敖，李治源,等. 电磁轨道炮熔化限制条件下速度极限分析[J]. 火炮发射与控制学报, 2014, 35(3): 11-15. XING Yanchang, LYU Qing’ao, LI Zhiyuan, et al. Analysis of muzzle velocity under melting restriction for electromagnetic launcher[J]. Journal of Gun Launch & Control, 2014, 35(3): 11-15. (in Chinese)

[11]FENG Deng,HE Junjia,CHEN Lixue,et a1. Simulation on arc surfaced C-shaped armatures for round-like bore railguns[J]. IEEE Transactions of Magnetics, 2013, 41(5): 1467-1474.

[12]赵凯华，陈熙谋. 电磁学[M]. 北京：高等教育出版社，1985. ZHAO Kaihua, CHEN Ximou. Electromagnetics[M].Beijing: Higher Education Press, 1985.(in Chinese)

Control Technology of Strong Magnetic Environment for Guidance Package of Guided Ammunitions During Railguns Launching

WANG Weigang, LYU Qing’ao, XIANG Hongjun, LEI Bin, XING Yanchang

(Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, Hebei, China)

The guided ammunition of electromagnetic railguns is one of the key technologies for future development. Aiming at the problem that the guided ammunition can not bear a too strong magnetic field, two methods were adopted, namely theory analysis and numerical simulation. The magnetic field distributions of copper shield, ferromagnetic shield, and flexible guided ammunition were analyzed with finite element simulation. A study was made of the methods of how to attenuate the magnetic field around the guided ammunition during launching. The results show that the opened shield chamber can reduce the inside magnetic intensity to four degrees of magnitude, reaching a magnitude of 36 μT. All this work has attenuated the magnetic field and reduced the degree of research difficulty of the guided ammunition to a great extent, which has a great significance to the engineering development of railgun ammunitions.

electromagnetic railguns; guided ammunitions; guidance package; strong magnetic environment; magnetic shield

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.04.015

2016-01-19

王维刚(1982—)，男，硕士研究生，主要从事电磁发射技术研究。E-mail：298024880@qq.com

TM919

A

1673-6524(2016)04-0068-05