電磁發射條件下導彈磁場屏蔽研究*

劉瑜倩，馮 剛

（空軍工程大學，西安 710051）

0 引言

1902 年，挪威奧斯陸大學的物理學家柏克蘭教授成功地將0.5 g 的拋體加速到80 m/s，這是早期的電磁推進技術［1］。到了20 世紀60 年代，大規模集成電路出現，日趨復雜的電磁干擾問題對電磁兼容技術提出了更高的要求。20 世紀80 年代以后，美、德、英、法等國紛紛加入對電磁兼容技術的研究，并取得了一定的成果［2］。

作為一種新型發射方式，導彈的電磁發射技術以法拉第電磁感應定律為基礎，通過產生電磁力，從而推動導彈的運動。相比于常規的發射方式，電磁發射的速度極高，可以達到7 MHz，而且具有很好的動能毀傷效，并且能夠實現速度與方向的精準控制（0.5%），特別適于應對超高速目標。電磁發射技術用于導彈發射，可以進行地面防空、攔截彈道導彈、摧毀軍事衛星等［3］。然而在發射過程中，導彈電磁發射面臨的電磁場環境也更惡劣于常規的發射方式。導彈殼體上存在著機械接口以及縫隙，這些都使導彈不能成為一個良好的屏蔽體。通過這些地方，外部的電磁波可以進入導彈內部，干擾內部電子元器件的正常工作。此外，不論是具有特有特征的磁場還是外泄的磁場，這些都會成為敵方偵察的目標，從而遭受打擊［4］。因此，對于電磁屏蔽技術的研究具有極其重要的意義。

楊玉東等人建立了電磁發射及電接觸層接觸電阻的模型，并推導出電-磁-熱場耦合方程，分析了電磁發射過程中的燒蝕現象［5］。楊志勇等人提出了一種新型的軌道發射裝置，將推力作為軌道距離和電流的函數，并通過仿真分析，驗證了其優越性［6］。李偉波等人研究了導彈系統發射過程中有無屏蔽時，其電磁場強度和電樞速度不同［7］。廖橋生等人對軌道炮彈丸所處的強磁場環境進行分析和仿真，研究了當屏蔽材料不同、屏蔽體和電樞的相對位置不同時，其屏蔽效果的不同［8］。

現有關于電磁發射技術的研究主要集中在導軌、電樞等方面，很少涉及電磁屏蔽技術。部分學者分析了添加屏蔽體對于電磁場環境的影響，但是忽略了實際問題中屏蔽體上的孔縫不連續現象。為了避免磁場泄漏對于外部其他電子設備的干擾以及減小被敵方偵查的可能性，本文研究了導彈加裝屏蔽體對于磁場環境的保護效用，并且在此基礎上分析了不同形式的孔縫以及孔縫數量對于屏蔽效能的影響。通過Maxwell 仿真對比，較為準確地說明屏蔽效果的不同，對以后導彈屏蔽體結構設計具有一定的指導意義。

1 導彈發射筒內的強磁場環境仿真

1.1 導彈電磁線圈發射原理

一級一級的感應線圈串聯起來，形成導彈電磁彈射器的主要部分。這些感應線圈由多個控制電路分別控制。當對導彈進行發射時，第1 級感應線圈的控制開關會首先閉合，此時電容器給第1 級線圈充電，在發射筒中產生磁場環境，通過洛倫茲力作用于電樞，從而使得電樞產生運動。當電樞運動到達第2 級感應線圈所在的位置時，第2 級線圈的控制開關發生閉合，第2 級線圈開始充電，彈體能夠發生再次加速。在多級感應線圈的作用下，導彈彈體在飛離發射筒時獲得足夠的初速度［9］。

圖1 導彈電磁彈射器結構示意圖

導彈在發射過程中受到電磁力的作用，該力的大小與電樞所處位置的磁感應強度B（t）和電樞內的感應電流I（t）有關。假設該電磁彈射器由n 個驅動線圈組成，當第1 個驅動線圈觸發時，其他線圈處于接通狀態，并且被順序觸發。這樣子，電樞就被均勻地分成m 片，其等效電路如圖2 所示。

圖2 多個驅動線圈的等效電路圖

以電樞內的一個小電流元Itdl 為研究對象，該單元所受的電磁力大小為

電樞內的電流大小可以看成是由無數個環形回路組成，因此，電樞所受電磁力可以表示為

其中，L 為電樞內所有環形電路的加和。

1.2 導彈發射筒內磁場環境分析

1.2.1 建立導彈三維模型

利用電磁場仿真軟件Maxwell，建立導彈的三維簡易模型［5］。該模型由電樞、發射筒、驅動線圈組成。其中，電樞的外徑為120 mm，內徑為100 mm；發射筒的內外徑分別為130 mm，140 mm。在發射筒中，導彈的運動與電樞一致，這里研究發射筒內的磁場環境，省略彈體結構。以單線圈為研究對象，其中電樞選擇鋁材料，發射筒和驅動線圈均為銅。對網格采用自適應劃分的方法，在電樞處進行加密處理。線圈的脈沖電流峰值為1 MA。

圖3 導彈三維簡易模型

1.2.2 導彈發射筒內磁場環境仿真分析

求解所建立的模型，選擇YZ 平面進行觀察，分析其磁感應強度如何分布，所得到的云圖如圖4 所示。圖中部淺藍色的區域是電樞所在的磁感應強度區，大小在5.0 T 左右。向外依此為發射筒、線圈、外界環境。激勵添加在右邊截面，激勵附近磁感應強度為紅色，大小為22.0 T 左右。

圖4 模型YZ 平面磁感應強度云圖

選擇模型右半部分進行分析，取Y 軸右半軸向上平移至線圈軸線所在高度的一條直線l1。如圖5所示是該直線上的磁感應強度分布曲線。由圖可知，模型中心部分的磁感應強度在4.8 T 左右，至線圈處由于激勵的存在，激增到22.25 T 又迅速減到0.5 T。直到線圈中軸線時，此處磁感應強度近乎為0。離開線圈后，磁感應強度又以小幅度地上升到4.5 T，后面緩慢減小。在距中心200 mm 的位置，磁感應強度減小為0。

圖5 直線l1 上磁感應強度分布圖

2 發射筒電磁屏蔽分析

導彈在電磁發射過程中，會產生強的磁場環境，給周圍的電子設備帶來一定的破壞。抑制電磁干擾最常用的一種手段是進行電磁屏蔽。通過利用導電或導磁材料制成屏蔽體，可以有效地限制磁場環境，從而實現屏蔽目的［6］。

2.1 建立導彈三維屏蔽模型

圖6 導彈三維屏蔽模型

導彈三維屏蔽模型由電樞、發射筒、驅動線圈和屏蔽體組成。屏蔽體材料選擇銅導體，線圈的脈沖電流峰值為1 MA，電樞處劃分網格加密。

2.2 導彈屏蔽模型內磁場環境分析

運行導彈三維屏蔽模型進行求解計算，可以得出其YZ 平面磁感應強度分布云圖如圖7 所示。云圖顏色走向與未加屏蔽體時類似，數值細節處有一定的差異。選擇Y 軸右半軸向上平移至線圈軸線所在高度的一條直線l2，該直線上強感應強度變化如圖8 所示。將直線l2與未加屏蔽體時所取直線l1進行對比分析。

圖7 屏蔽模型YZ 平面磁感應強度云圖

圖8 直線l2 上磁感應強度分布圖

由圖可以看出，該屏蔽模型中心部分磁感應強度與未加屏蔽體時十分相近，均在4.5 T 左右。到達線圈處時，磁感應強度激增，但增加幅度較小于未加屏蔽體模型，大小為19.5 T。離開線圈時，磁感應強度增加至7.4 T，大于未加屏蔽體模型。而在距中心155 mm 的地方，磁感應強度減小為0，這遠遠小于未加屏蔽體模型的200 mm。即添加屏蔽體后，磁場向外輻射減小。

3 孔縫對發射筒電磁屏蔽的影響

3.1 建立導彈三維屏蔽孔縫模型

對于電磁干擾最基本的一種防護手段是電磁屏蔽，一般有電場屏蔽和磁場屏蔽兩種分類。在屏蔽設計中，能否實現屏蔽效能，其關鍵往往是在于對屏蔽體結構的設計。而在實際工程應用中，由于存在線纜孔、通風孔、開關、儀表等，使得屏蔽體失去了其完整性，屏蔽效能有一定的降低［7］。現選擇圓形、正方形和矩形孔洞進行研究，其面積完全相同，孔洞個數均為8 個，彼此間隙相同。同時，選擇孔數為4 的圓形孔屏蔽體，和8 個圓形孔的屏蔽體進行對比，比較其屏蔽性能。

圖9 導彈三維屏蔽孔縫模型

3.2 導彈屏蔽孔縫模型磁場分析

運行導彈三維屏蔽孔縫模型，選擇其YZ 平面的磁感應強度進行分析，云圖如下頁圖10 所示。現以Y 軸右半軸向上平移至線圈軸線所在高度的一條直線l3為研究對象，具體分析其磁感應強度的變化。

由圖可以知道，具有相同面積的不同形狀孔縫，其磁場擴散的程度不同。當距中心180 mm 位置時，添加圓形孔縫屏蔽體的磁場，其磁感應強度首先減小到0。而正方形和矩形孔縫的位置分別為185 mm，190 mm。該位置和未添加屏蔽體磁場的200 mm 相比均有一定的縮減，即有效地抑制了磁場擴散，具有電磁場屏蔽效用。將4 個圓孔和8 個圓孔的屏蔽體其磁場強度進行比較，發現4 孔屏蔽體的磁場在距中心175 mm 時減小到0，快于8 孔圓形孔的180 mm。因此，孔洞的數目越少，其屏蔽效能越好。

4 結論

本文對電磁發射條件下，導彈周圍磁場環境進行了仿真分析，并與添加屏蔽體后的磁場環境進行對比，說明了屏蔽體對于磁場擴散的抑制作用。此外，由于實際工程中屏蔽體的不完整性，文中選用相同面積的圓形、正方形和矩形3 種形狀的孔縫進行研究。經過Maxwell 仿真研究可以發現，具有不同形狀孔縫的屏蔽體有著不同的屏蔽效能，其大小排列為：長方形>正方形>圓形。此外，比較8 圓形孔和4 圓形孔屏蔽體的磁場情況，發現孔洞數目越少，屏蔽效果越好。因此，在實際對導彈屏蔽體結構進行設計時，應該盡量減少孔洞的數目，使用時應選擇圓形的孔洞，避免選擇長方形縫隙。這對導彈電磁發射過程中屏蔽體的結構設計問題，具有一定的指導意義。

圖10 屏蔽孔縫模型YZ 平面磁感應強度云圖

圖11 直線l3 上磁感應強度分布圖