鮑愛達(dá)，杜壯波，馬游春，張澤宇

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

傳統(tǒng)火炮是將火藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為炮彈的動能，受火藥燃?xì)鉁孤曀俚南拗疲趶椀某跛匐y以超過2 000 m/s[1]。面對新式復(fù)合裝甲及高機(jī)動的空中目標(biāo)，火炮已難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求。因此,世界各國開始大力發(fā)展電磁發(fā)射技術(shù)，電磁軌道炮便是以該技術(shù)為原理的一種新興武器[2-4]。

彈丸的發(fā)射內(nèi)彈道數(shù)據(jù)對于判斷武器性能具有重要的作用。電磁軌道炮發(fā)射過程中，電樞處于大電流、強(qiáng)磁場、高過載等惡劣環(huán)境中，給內(nèi)彈道數(shù)據(jù)測量造成了很大困難[5]。目前，電磁軌道炮內(nèi)彈道測量的主要方法有磁探針法、共軛抑制線圈法、激光干涉法、加速度計(jì)法和高速攝影法等?；陔姶鸥袘?yīng)原理的磁探針法和共軛抑制線圈法雖使用簡便、可耐受惡劣測試環(huán)境，但受磁場分布的影響大、精度低。激光干涉法的優(yōu)點(diǎn)是速度分辨率高，但由于光衰減損耗問題只適用于測量電樞的啟動過程。高速攝影法直觀、準(zhǔn)確，但測試設(shè)備難以安裝[6-8]。如能解決惡劣電磁環(huán)境對加速度計(jì)及其采集電路的影響，彈載的測試技術(shù)將是一種較好的測試方法。

因此，文中設(shè)計(jì)了一種彈載過載記錄儀，通過特制的防護(hù)結(jié)構(gòu)對電磁軌道炮膛內(nèi)的電磁場進(jìn)行有效屏蔽，使其內(nèi)部的電路測量系統(tǒng)正常工作。同時(shí)設(shè)計(jì)了FLASH+FRAM 的數(shù)據(jù)存儲形式，結(jié)合傳統(tǒng)火炮的動態(tài)測試技術(shù)實(shí)現(xiàn)電磁軌道炮過載數(shù)據(jù)的測量與讀取。

1 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽可分為主動屏蔽、半主動屏蔽和被動屏蔽[9]。彈載記錄儀主要依靠外殼金屬材料的被動屏蔽來保護(hù)內(nèi)部的電路系統(tǒng)不受外界干擾。被動屏蔽通過導(dǎo)電材料的渦流消除和導(dǎo)磁材料的通量分流來屏蔽外界磁場。

1.1 渦流消除

變化的磁場會產(chǎn)生感應(yīng)電場，電場則會在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生渦電流。而渦電流又會感應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)與外界施加的原磁場方向相反的磁場，兩者相互抵消達(dá)到屏蔽磁場的目的。

渦流消除原理本質(zhì)上是導(dǎo)電材料的電流趨膚效應(yīng)，所以一種材料的渦流消除屏蔽性能與其電流趨膚深度有密切關(guān)系。材料的電流趨膚深度的表達(dá)式為：

式中，δ為材料的電流趨膚深度，f為電磁場頻率，μ為材料的磁導(dǎo)率，σ為材料的電導(dǎo)率。

由式（1）可知，材料的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率是影響其屏蔽性能的關(guān)鍵參數(shù)。對于電磁炮膛內(nèi)回路瞬間通斷時(shí)引起的高頻電磁輻射屏蔽效果較好。

1.2 通量分流

相對于記錄儀空腔內(nèi)部空氣的磁阻R0而言，外殼導(dǎo)磁材料的磁阻RS要小得多。因此，外部磁場的絕大部分通過記錄儀的外殼進(jìn)入記錄儀內(nèi)部磁場的情況比較少。這便是導(dǎo)磁材料的通量分流原理，磁路等效模型如圖1 所示。

圖1 磁路等效模型

根據(jù)歐姆定律，磁路的表達(dá)式為：

式中，F(xiàn)m為磁動勢，Rm為磁阻。

由式（2）可知，材料的磁導(dǎo)率越高、殼體越厚，則磁阻就越小，屏蔽效果也越好。同時(shí)需要注意導(dǎo)磁材料具有磁飽和的特性，當(dāng)外界磁場強(qiáng)度超過某個(gè)閾值時(shí)，材料的磁導(dǎo)率會顯著降低，磁屏蔽效果變差。因此，可考慮采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)來增加磁屏蔽效果。

2 過載記錄儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 屏蔽殼體設(shè)計(jì)

記錄儀的殼體由多級屏蔽層構(gòu)成，如圖2 所示。其第一級是磁導(dǎo)率較高的材料，以屏蔽外界磁場，采用磁導(dǎo)率較高的45#鋼材料；第二級是電導(dǎo)率較高的材料，以屏蔽外界電場，采用電導(dǎo)率較高的紫銅材料；第三級作為復(fù)合屏蔽層，屏蔽電路模塊外圍的電場、磁場，采用磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率良好的坡莫合金材料；第四級采用磁導(dǎo)率較高的熟鐵材料。

圖2 記錄儀結(jié)構(gòu)示意圖

記錄儀的電路系統(tǒng)放置在鋁制內(nèi)腔體中，與記錄儀外殼主體分開，構(gòu)成復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)的同時(shí)也作為最后一級的電磁屏蔽層，增強(qiáng)了記錄儀的抗過載能力[10]。為了避免頂部接口縫隙處的電磁泄漏，選用具有彈性且電磁屏蔽性能良好的導(dǎo)電橡膠進(jìn)行密封。各級材料的相關(guān)參數(shù)如表1 所示。

表1 殼體材料相關(guān)參數(shù)

通過這五級導(dǎo)電導(dǎo)磁材料的渦流消除和磁通分流，外界電磁場得到了明顯衰減，有效地保護(hù)了記錄儀內(nèi)部的電路系統(tǒng)。

由多級材料制作而成的殼體，屏蔽效能夠達(dá)到30 dB，可以有效屏蔽電磁干擾，保證內(nèi)部電路系統(tǒng)正常工作[11]。

2.2 殼體加工與灌封

由于殼體由多種金屬材料分層組合而成，對鑄造工藝要求較高。如果殼體不同材料的層與層之間有縫隙，在測試過程中會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，對最終測得的信號造成干擾。因此，殼體采用多層金屬快速復(fù)合工藝焊接成型。先將金屬材料的表面進(jìn)行預(yù)處理，然后把多層預(yù)處理后的金屬材料疊在一起并放在壓頭之間，壓頭通電后，電流通過金屬材料產(chǎn)生熱量，將各級材料加熱到預(yù)設(shè)溫度，與此同時(shí)在壓頭之間施加壓力,各層金屬材料復(fù)合成為一體。該方法具有結(jié)合強(qiáng)度高、無氧化、各層材料之間無空隙、復(fù)合速度快、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

灌封材料選擇聚氨酯，相比于其他灌封材料，如硅橡膠和環(huán)氧樹脂，聚氨酯的韌性、彈性和硬度適中，可以滿足系統(tǒng)的要求。但是聚氨酯流動性不太好，在其固化過程中會釋放二氧化碳，使固化后電路模塊的強(qiáng)度和硬度降低，影響系統(tǒng)的耐沖擊能力[12]。因此，需要利用真空灌封技術(shù)，把需要灌封的空間抽成真空以提高灌封質(zhì)量。同時(shí)由于記錄儀內(nèi)使用了很多貼片元器件，這些元器件表面積較大而厚度又很薄，在灌封時(shí)由于灌封材料的流動性以及氣體壓力等因素的影響，很難將這些器件的下表面灌實(shí)，因此在焊接前先給貼片元器件的底面粘上膠，防止在外部環(huán)境溫度變化時(shí)產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致器件損壞。整體灌封前后的記錄儀如圖3 所示。

圖3 記錄儀灌封前后圖

3 記錄儀硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

記錄儀電路系統(tǒng)主要由傳感器、電源管理模塊、信號調(diào)理模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、FPGA 主控模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等組成，原理框圖如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)總體框圖

記錄儀在工作時(shí)首先通過外部觸發(fā)控制信號給記錄儀各模塊上電。傳感器信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊后，由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送給FPGA主控模塊，主控模塊將信號編幀處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)存儲模塊。數(shù)據(jù)存儲模塊由FLASH 和FRAM 組成雙備份。

3.2 電源抗過載設(shè)計(jì)

普通商用電池在高g值沖擊下出現(xiàn)電壓瞬間降低，這是由金屬帽的焊接和金屬帽的材料強(qiáng)度共同造成的。為了增加系統(tǒng)的可靠性，防止大過載時(shí)的瞬間斷電，可以給電池并聯(lián)一個(gè)較大容值的電容器，這樣電容器會對電池的瞬時(shí)斷電或電壓波動起到一定的補(bǔ)償作用。同時(shí)在電池和電容的正極各串聯(lián)了一個(gè)二極管以防止電流倒灌。電源模塊如圖5 所示，D1、D2 和D3 為二極管，VCC 和GND 為給測試系統(tǒng)供電的正極和負(fù)極。

圖5 電源模塊

所需電容的計(jì)算公式如式（3）所示。在采集存儲狀態(tài)下，全系統(tǒng)電路的正常工作電流不超過50 mA，選用100 mAh 的微型小容量電池，可確保全系統(tǒng)加電后正常工作兩個(gè)小時(shí)以上，電池初始電壓為8.4 V，截止工作電壓為5.5 V，電流最大為50 mA，工作時(shí)間為150 ms。

所以，設(shè)計(jì)中可選用0.1 F 的電容即可滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 數(shù)據(jù)雙備份設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)武器的彈載記錄儀通常只需一個(gè)FLASH芯片即可完成數(shù)據(jù)的存儲功能。由于電磁軌道炮發(fā)射原理與傳統(tǒng)火炮不同，膛內(nèi)環(huán)境復(fù)雜。目前，膛內(nèi)環(huán)境對于彈載智能設(shè)備的影響研究還不充分，即使記錄儀外殼具有電磁防護(hù)功能，為了確保數(shù)據(jù)的有效獲取，記錄儀采取FLASH 和FRAM 的雙備份數(shù)據(jù)存儲機(jī)制。

FRAM 是一種依靠鐵電效應(yīng)存儲數(shù)據(jù)的非易失性存儲器。鐵電晶體在受到特定電場影響后，晶體中心的原子會移動到一個(gè)新的位置，在電場消失后中心原子會保持該位置不變，F(xiàn)RAM 就是依靠這種鐵電效應(yīng)來存儲數(shù)據(jù)。鐵電效應(yīng)是鐵電晶體固有的一種偏振極化特性,與電磁作用無關(guān),所以FRAM 存儲器的內(nèi)容不會受到磁場因素的影響,具有抗電磁脈沖的特性[13]。

目前，F(xiàn)RAM 的容量相比于FLSAH 芯片是很小的，無法存儲大量數(shù)據(jù)。因此，用FRAM 存儲電樞發(fā)射時(shí)的瞬時(shí)過載數(shù)據(jù)，而用FLASH 芯片存儲記錄儀上電后的所有數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)的FRAM 選用美國Ramton 公司的FM25H20 芯片，該芯片容量為2 MB，其工作電壓為2.7～3.6 V，采用先進(jìn)的130 nm CMOS工藝、8 引腳TDFN 封裝，具有256 kB×8 位存儲結(jié)構(gòu)，總線讀寫速度高達(dá)40 MHz，無限次讀寫和低工作電流，并具有10 年數(shù)據(jù)保存能力。FM25H20 與FPGA之間通過SPI 接口協(xié)議進(jìn)行通信。

4 數(shù)據(jù)存儲控制邏輯設(shè)計(jì)

記錄儀數(shù)據(jù)記錄的觸發(fā)方式包括斷線觸發(fā)和閾值觸發(fā)兩種模式，分別對應(yīng)FLASH 和FRAM 兩種存儲器。

斷線觸發(fā)是過載記錄儀常用的一種觸發(fā)方式，由外部開關(guān)進(jìn)行觸發(fā)[14]。記錄儀經(jīng)斷線觸發(fā)后，進(jìn)行全系統(tǒng)上電，初始化后FLASH 芯片便進(jìn)入采集儲存狀態(tài)。

閾值觸發(fā)是一種保證FRAM 可以正確、有效存儲電樞發(fā)射瞬間的關(guān)鍵過載數(shù)據(jù)的觸發(fā)機(jī)制，F(xiàn)RAM 控制流程如圖6 所示。觸發(fā)前FRAM 數(shù)據(jù)儲存方式為循環(huán)儲存，即FRAM 數(shù)據(jù)存滿后，會重新開始寫入數(shù)據(jù)；當(dāng)檢測到觸發(fā)信號后，更改為順序儲存方式，該方式在FRAM 中存入1 MB 的數(shù)據(jù)后結(jié)束存儲。系統(tǒng)初始化后，開始循環(huán)采集數(shù)據(jù)并經(jīng)過FPGA內(nèi)部一個(gè)4 kB 的FIFO 后存儲在FRAM 中，同時(shí)將采集到數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行對比，如果采樣數(shù)據(jù)大于閾值并連續(xù)超過20 次，便認(rèn)為滿足觸發(fā)條件，后續(xù)采樣數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)，F(xiàn)RAM 開始順序儲存；FRAM 在此時(shí)寫入觸發(fā)標(biāo)志位，并繼續(xù)記錄1 MB 的數(shù)據(jù)后停止，過載前后的數(shù)據(jù)將會同時(shí)保存下來，以便回收后對過載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖6 FRAM控制流程

5 試驗(yàn)測試

5.1 記錄儀安裝

電磁軌道炮發(fā)射時(shí)的膛內(nèi)磁場分布會受到速度趨膚效應(yīng)的影響，電流會沿著導(dǎo)軌后端表面進(jìn)行分布，電流的趨膚深度與電樞速度呈反比，在發(fā)射時(shí)，電流僅從電樞尾端與導(dǎo)軌接觸面上進(jìn)入電樞。因此在磁場空間分布上電樞后端最強(qiáng)，電樞前端空間內(nèi)的磁場與后端相比減弱許多，且隨著距離的增大磁場呈現(xiàn)迅速衰弱的趨勢。在給電磁軌道炮安裝智能部件時(shí)，應(yīng)安裝在電樞前端且距離電樞前表面越遠(yuǎn)越好，這樣便能降低發(fā)射時(shí)電磁干擾對智能部件中電路系統(tǒng)的干擾[15-16]。

在該試驗(yàn)中記錄儀安裝于電樞的前端30 cm 處，記錄儀與電樞通過絕緣塑料制成的工裝連為一體，如圖7 所示。

圖7 記錄儀安裝示意圖

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

記錄儀在某研究所進(jìn)行了電磁軌道炮的實(shí)彈試驗(yàn)，測試結(jié)果如圖8 所示。記錄儀測得電樞在發(fā)射過程中的最大加速度為24 421g。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)表明，該記錄儀能夠有效屏蔽膛內(nèi)電磁環(huán)境的干擾，并完成過載參數(shù)的測量和存儲。

6 結(jié)束語

文中設(shè)計(jì)了一種可以抗電磁軌道炮膛內(nèi)強(qiáng)電磁環(huán)境的過載記錄儀，結(jié)合傳統(tǒng)的彈載動態(tài)測試技術(shù)，設(shè)計(jì)了多層金屬材料組成的防護(hù)結(jié)構(gòu)，提出了FLASH+FRAM 的雙備份數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)。在試驗(yàn)中成功獲得了電磁軌道炮發(fā)射過程中的過載試驗(yàn)數(shù)據(jù)。電磁軌道炮彈載過載記錄儀的研究，對于改進(jìn)武器性能以及軌道炮彈丸智能化有著重要意義和價(jià)值。