0 引言
非穿越式炮口感应装定[1]用于完成地面实时信息向引信的单方向传递,为引信发挥最优作战效果提供基础信息支撑。当弹丸发射后飞经炮口时,由装定控制器控制炮口装置发射最新数据,由引信上的接收线圈接收,解调解码存储,以提供给引信或弹上其他部件备用。
目前采用非穿越炮口感应装定:具有如下一些特点:首先炮口装置体小量轻,安装需求空间小,对火炮改造小甚至无改造;其次适合无制退器火炮安装;最后炮口装置可与炮管分离安装以应用于转管炮。但是非穿越式感应装定由于发射与接收线圈间隔较远,发射的信号处于炮口电离噪声之中,导致引信难以拾取装定信号,另外非穿越线圈感应系统的接收信号会有1～2个信号倒向过程[1],导致数据接收窗口是分裂的。最后由于引信的线圈与装定线圈的高速运动,其上感应到的信号强度会有较大范围的变化。本文中针对这些问题,分析了感应窗口内的磁场不均匀性、信号波形具有包络不等幅度,即窗口内信号不均匀,通过角度调节参数对非穿越式炮口感应系统传输性能的变化及装定窗口的调整以增加均匀性变化规律,提出角度调节的非穿越式炮口感应装定方法。
1 感应装定建立与分析
线圈感应装定,虽然发射线圈旁置,但其发射线圈的耦合场仍覆盖炮口前端一小段距离,引信携带接收线圈穿越该感应场时[1],利用近场耦合必然可以感应到传输数据,这是感应装定可以完成的必备理论基础见图1(a)。
图1 非穿越线圈感应装定
Fig.1 Induction setting of Non-traversing
更进一步,发射线圈的尺寸和形状可依炮口的尺寸做调整,使用范围进一步扩大,这样发射线圈就可以不局限于所使用的火炮口径的要求,如图1(b)与图1(c)的发射线圈2和接收线圈3的安装。
引信线圈与装定线圈非穿越安装后的感应场分布如图2所示。图2中中间安置的是发射线圈,箭头线为引信线圈的模拟运动路径,引信接收线圈以运动方向为绕制轴向。
图2 非穿越感应场分布及相对运动关系图
Fig.2 Magnetic field distribution &Relative motion
图3(a)所示是一正圆发射线圈的磁场分布[2],当该线圈安装于火炮炮管侧壁后,炮管的存在会对发射线圈的磁场分布产生影响,对其进行有限元分析,得到安装于炮管前后的磁场分布的对比如图3(b)和图3(c)所示,由图3可见,由于炮管的存在,磁场在炮管内的区域几乎为0,但在出炮口一段区域后,发射线圈的磁场依然存在,且其分布特性与没有炮管同性质。
图3 非穿越感应装定磁场分析
Fig.3 Magnetic field distribution analysis
角度调节的非穿越式炮口感应装定方法理论基础:发射线圈轴线与火炮身管轴线形成前倾角φ。装定装置发射电磁感应安装在火炮身管两侧的位置上如图4(a)所示,且发射线圈轴线相对火炮身管轴线倾斜一定角度。发射线圈的这种设计导致引信携带接收线圈从炮管内穿出后,并不立即进入数据感应区域,而是在一定距离外才进入感应区域,感应区域的大小受控于发射线圈的安装情况、尺寸大小和形状样式见图4(b)。发射线圈调角的不同而造成不同照射面如图5所示。
10-引线,11-绝缘垫片,12-发射线圈
图4 发射线圈夹角φ及示意图
Fig.4 Transmitting coil φ &sketch map
图5 发射线圈调角的照射面的分布图
Fig.5 Distribution of angle &sketch map
该区域即是本项目非共穿越圈炮口感应装定角度调节系统的数据传输区域(窗口),从而引出项目的研究据此展开。如图6所示。
图6 非穿越感应装定数据传输窗口
Fig.6 Data window of induction setting
2 角度调节的感应电动势数学模型
根据电磁学理论,在发射线圈平面的任意一点的磁电势
式中: u0为真空磁导率;A矢量磁位且有用磁矩m表征其磁学特性。
M产生的感应强度β
β=▽×A
(2)
穿过接收线圈的磁通量φ1
斯托克斯定理
有
令:
式(6)可以简化:
引入第一类与第二类椭圆积分
(10)
且有
得到有N圈接收线圈的磁通量:
当接收线圈离开发射线圈的时候,通过线圈的磁通量变化,由于电磁率感应定律
利用
得到:
z为弹丸到线圈靶的距离,线圈中产生的感应电动势e,磁矩m的接收线圈在偏离靶心b处平行于靶的中心轴线以速度v穿过非穿越半径为a的N匝虚拟发射线圈,式(16)线圈靶的区截信号与弹丸至线圈靶距离间的关系。
公式推导:当z=a/2时e0有极大值
即:在发射线圈半径等于接收线圈距离发射线圈中心的位置,即所产生的装定窗口最大。
将长度量做归一化处理,如果发射线圈与接收线圈的基本条件已经确定,那只要确定其角度:
其中;z为发射线圈离接收线圈圆心距离; a为发射线圈的直径。
3 仿真计算与曲线拟合
完成了理论仿真:在炮管侧壁安装线圈的磁场分布如图7所示,左侧为双线圈171°时的磁场分布,右侧为双线圈151°时的磁场分布。
图7 炮口侧面安装线圈的磁场分布
Fig.7 Magnetic field distribution of muzzle
炮口发射线圈采用多组线圈排布于炮口周围,加载同相信号的方法,同时由于接收信号峰值点位置受发射线圈与火炮轴线夹角的控制,所以可以通过调整组发射线圈中的每一个线圈的倾角及角度调节,从而改变接收线圈上感应信号电压曲线的混合叠加形状,从而在提高数据传输窗口中信号强度的同时,改善数据传输窗口的平坦特性,曲线拟合如图8所示:说明可以通过调整组发射线圈中的每一个线圈的倾角,从而改变接收线圈上感应信号电压曲线的混合叠加形状,从而在提高数据传输窗口中信号强度的同时,改善数据传输窗口的平坦特性及非穿越电磁感应数据传输窗口。
图8 双线圈不同倾角数据传输窗口叠加
Fig.8 Different angles of induction setting
4 理论及试验验证
在发送线圈尺寸为80 mm×20 mm×20 mm,接收线圈为Φ60 mm条件下,通过理论计算对接收线圈在炮管附近侧面安装的发送线圈场中的接收信号强度特性进行精确分析,取151°时并且双线圈进行测试,所得到的装定窗口采用实测法来确定数据传输窗口的形状,然后据此开展研究工作:e0m=400a=80 mm。
分析表1的数据,可以得到以下结论:发射线圈的角度调节对接收线圈的能量有关:
表1 调角不同幅
φ141151161171λη00.4400.3400.1250.0200.1250.6200.7200.2750.1000.2500.8750.9500.6000.5500.3751.0001.0700.8750.7500.5000.9251.1000.9950.9400.6250.8751.0001.0000.9500.7500.8130.8900.9000.9250.8750.7500.8100.8150.8501.0000.5750.6900.6850.7501.1250.5000.5700.6000.7001.2500.3750.4700.5000.5131.3750.2400.3800.3800.4001.5000.1500.3000.2500.300
图9 实测数据传输窗口信号包络
Fig.9 Singnal envelope of data window
1) 本文中调节角度参数会引起装定系统传输性能的变化及装定窗口的偏移,随着调节线圈角度变大,装定系统传输性能的下降明显,装定窗口减小但是均匀性增大。
2) 对于发射线圈及接收线圈传输相同的系统,在发射线圈调节的角度半径a/2时等于接收线圈距离发射线圈中心的距离z时,即所产生的装定窗口最大。
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