呂慶敖， 黃　旭， 雷　彬， 向紅軍， 孟學(xué)平

(軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

磁通壓縮發(fā)生器在射流箍縮方面的運(yùn)用分析

呂慶敖， 黃旭， 雷彬， 向紅軍， 孟學(xué)平

(軍械工程學(xué)院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

摘要：在對磁通壓縮發(fā)生器的基本原理和分類情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)了近年來磁通壓縮發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀，歸納了磁通壓縮發(fā)生器的技術(shù)特征和發(fā)展趨勢。從新型軍事應(yīng)用的背景出發(fā)，初步探討了磁通壓縮發(fā)生器技術(shù)在射流箍縮方面的運(yùn)用前景，分析了運(yùn)用環(huán)境與平臺技術(shù)銜接，討論了磁通壓縮發(fā)生器設(shè)計需考慮的主要技術(shù)問題。

關(guān)鍵詞：脈沖功率電源； 磁通壓縮發(fā)生器； 破甲彈； 成型裝藥射流； 箍縮

人們在電磁裝甲研究過程中發(fā)現(xiàn):軸向強(qiáng)脈沖磁場可對金屬射流產(chǎn)生箍縮和穩(wěn)定作用[1]。此現(xiàn)象吸引了專注于傳統(tǒng)藥型罩破甲技術(shù)的專家，由此出現(xiàn)了金屬射流的電磁增強(qiáng)或電磁穩(wěn)控技術(shù)。

磁通壓縮發(fā)生器(Magnetic Flux Compression Generator, MFCG)是一種通過釋放化學(xué)能使導(dǎo)體運(yùn)動做功并壓縮種子磁通、實(shí)現(xiàn)瞬間發(fā)電的脈沖功率發(fā)電裝置，在極端物理環(huán)境、軍事和科研領(lǐng)域具有獨(dú)特的運(yùn)用。作為體積小、質(zhì)量小的脈沖功率發(fā)電裝置，MFCG可以作為未來強(qiáng)磁場射流箍縮作用的彈載電源。由于MFCG具有“在緊湊的小型平臺產(chǎn)生足夠強(qiáng)的脈沖電磁場能量”及“爆轟系統(tǒng)與電磁系統(tǒng)相互兼容性”的優(yōu)點(diǎn)，因此，基于MFCG產(chǎn)生的強(qiáng)磁場作用的金屬射流箍縮技術(shù)將會給未來反裝甲戰(zhàn)斗帶來顯著的變化。

1MFCG

1.1概述

MFCG于20世紀(jì)50年代由前蘇聯(lián)的Sakharov院士提出，基礎(chǔ)理論是基于阿耳芬于1942年發(fā)表的磁場凍結(jié)效應(yīng)——在完全導(dǎo)電的流體內(nèi)磁力線將被“凍結(jié)”在流體中，即通過運(yùn)動的理想導(dǎo)電流體的任意一個閉合回路中的磁通量是守恒的[2]。簡單地說，MFCG就是利用各種手段壓縮磁通，將機(jī)械能快速轉(zhuǎn)化為電磁能的裝置。

MFCG按照結(jié)構(gòu)不同可以分為3類[3]：1)一次性使用的爆炸式磁通壓縮發(fā)生器，相應(yīng)的名稱為爆炸磁通壓縮發(fā)生器或爆磁壓縮發(fā)生器；2)旋轉(zhuǎn)式磁通壓縮發(fā)生器，相應(yīng)的名稱為旋轉(zhuǎn)磁壓縮發(fā)生器、補(bǔ)償脈沖交流發(fā)電機(jī)等；3)活塞式磁通壓縮發(fā)生器，相應(yīng)的名稱為脈沖直線發(fā)電機(jī)、直線通量壓縮器和磁通壓縮功率器等。其中，爆炸磁通壓縮發(fā)生器根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，可分為同軸型磁通壓縮發(fā)生器、螺線圈型磁通壓縮發(fā)生器、平板型磁通壓縮發(fā)生器、環(huán)圈型磁通壓縮發(fā)生器、圓盤型磁通壓縮發(fā)生器等多種類型[4]。典型的爆炸式螺線圈型磁通壓縮發(fā)生器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　爆炸式螺線圈型磁通壓縮發(fā)生器基本結(jié)構(gòu)

MFCG的理論基礎(chǔ)是基于電路模型的磁通守恒。MFCG通常包括初始磁通產(chǎn)生源、發(fā)生器本體和負(fù)載3個部分，可以看作電感和電阻的串聯(lián)回路，如圖2所示。在MFCG作用過程中，電感和電阻都是時刻變化的多變量函數(shù)，為求簡化，設(shè)總電感L(t)僅為時間函數(shù)，總電阻R為常量，回路電流為I(t)，根據(jù)基爾霍夫回路電壓定理可得：

(d/dt)[L(t)I(t)]+RI(t)=0。

(1)

若電阻R小到可以忽略的理想狀況，則方程(1)的解為

L(t)I(t)=L(0)I(0),

(2)

即任何時刻的總磁通都等于初始時刻的總磁通，這就是磁場凍結(jié)效應(yīng)，即磁通守恒原理。MFCG就是根據(jù)上述原理，通過外部作用實(shí)現(xiàn)電感快速下降，使

圖2　磁通壓縮發(fā)生器等效電路

電流放大,繼而使總磁能0.5L(t)I2(t)也相應(yīng)變大的裝置。

經(jīng)過長時間的發(fā)展，MFCG在許多方面已經(jīng)獲得了較高的性能，如：由于小體積內(nèi)積累起來的磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于超導(dǎo)體提供的磁場強(qiáng)度，因此MFCG非常適合用來產(chǎn)生2 000 T以上的超強(qiáng)磁場；由于單次脈沖電源功率可以達(dá)到若干太瓦，因此其能提供數(shù)百兆焦的能量；把此類發(fā)生器發(fā)射至電離層的實(shí)驗(yàn)[5]已經(jīng)得以實(shí)現(xiàn)。

1.2研究現(xiàn)狀

目前，適用于小型平臺的磁通壓縮發(fā)生器主要包括活塞式磁通壓縮發(fā)生器和爆炸式磁通壓縮發(fā)生器2種。

在活塞式磁通壓縮發(fā)生器方面，Kapustjanenko等[6]首先提出了活塞式磁通壓縮發(fā)生器帶動軌道炮的系統(tǒng)概念。Mongeau[7]完成了搭載于坦克或裝甲車輛上、20 MJ電能輸出的活塞式磁通壓縮發(fā)生器初步系統(tǒng)工程設(shè)計。Goldman等[8]首次完成了典型活塞式磁通壓縮發(fā)生器試驗(yàn)。嚴(yán)萍等[9]設(shè)計了活塞式磁通壓縮發(fā)生器裝置實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在基礎(chǔ)概念方面，呂慶敖等[10]開展了磁通壓縮發(fā)生器的概念、特征、分類等系統(tǒng)性基礎(chǔ)研究工作。李鶴等[11]借助仿真軟件Ansoft對靜態(tài)下活塞式磁通壓縮發(fā)生器電樞進(jìn)行了仿真研究。活塞式磁通壓縮發(fā)生器在MFCG家族中出現(xiàn)得并不算太早，但由于其承接于傳統(tǒng)火炮發(fā)射技術(shù)，直觀地體現(xiàn)了磁通壓縮發(fā)生器原理的特點(diǎn)，使它在一段時間內(nèi)得以快速發(fā)展。

在爆炸式磁通壓縮發(fā)生器方面，早在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國Los Alamos實(shí)驗(yàn)室就曾利用磁通壓縮原理來測量炸藥驅(qū)動套筒系統(tǒng)的內(nèi)爆[12]。1951年，前蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的Sakharov首先提出了利用內(nèi)爆裝置壓縮磁場[13]。美國的Los Alamos National Laboratory研制了2套實(shí)驗(yàn)裝置：第1套是43 mm的Ranchero系統(tǒng)；第2套是大型的CN-III型系統(tǒng)。43 mm的Ranchero系統(tǒng)已經(jīng)成功進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，包括帶電感性負(fù)載和驅(qū)動固體套筒內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)，1998年實(shí)驗(yàn)獲得負(fù)載電流39 MA，能量4.8 MJ。CN-III型系統(tǒng)成功地進(jìn)行了輸入電流6.25 MA、輸出電流150 MA、脈沖前沿小于10 μs的實(shí)驗(yàn)[14]。國內(nèi)的研究單位早期實(shí)現(xiàn)了采用電爆炸網(wǎng)格作為同軸起爆器的軸線起爆式磁通壓縮發(fā)生器試驗(yàn)(使炸藥在電樞軸線同時爆炸)，在初級線圈輸入電流為7.4 kA情況下，可在1.26 μH負(fù)載上得到99 kA脈沖峰值電流，其脈沖前沿為22 μs[15]。Sun等[16]介紹了一種多段螺線圈型發(fā)生器，其直徑為120 mm,長度為600 mm,質(zhì)量為10 kg，具有輸出512 kA電流和47.2 kJ能量至360 nH感性負(fù)載的能力。陳冬群等[17]對級聯(lián)型爆磁壓縮發(fā)生器的電路計算進(jìn)行了研究，提出了一種等效電路計算方法，對級聯(lián)型爆磁壓縮發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計和應(yīng)用研究具有較好的指導(dǎo)作用。從事實(shí)驗(yàn)天體物理學(xué)研究的Moser等[18]在一次粒子流沖擊模擬實(shí)驗(yàn)中觀察到了磁通量聚集效應(yīng)，其中該效應(yīng)在粒子流因沖擊而堆疊時尤為顯著。Nakamura等[19]研究了如何利用法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng)測量裝置精準(zhǔn)測定磁通壓縮發(fā)生器產(chǎn)生的超強(qiáng)磁場，并且嘗試在實(shí)驗(yàn)中對測量裝置進(jìn)行校正。凌萬春[20]討論了爆磁壓縮發(fā)生器作為激光器驅(qū)動能源結(jié)構(gòu)的可能性，并設(shè)計了相應(yīng)的應(yīng)用方案。針對爆磁壓縮發(fā)生器高精度延時起爆控制的要求，史云雷等[21]建立了基于電路控制延時方案的最佳起爆時序模型，分析其時序誤差散布并設(shè)計了一種滿足要求的爆轟驅(qū)動飛片型高功率放電開關(guān)。由于爆炸式磁通壓縮發(fā)生器概念提出早、發(fā)展時間長、研究關(guān)注多，因此其成果也比較顯著。

1.3技術(shù)特征和發(fā)展趨勢

總的來說，MFCG的研究主要有以下技術(shù)特征和發(fā)展趨勢：

1) 由于MFCG是電磁相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論——磁場凍結(jié)效應(yīng)——的直接應(yīng)用，因此在許多類似天體物理學(xué)的基礎(chǔ)物理研究中，經(jīng)常能夠運(yùn)用到MFCG的原理，即部分前沿學(xué)科也在對其進(jìn)行間接的研究。

2) MFCG的原理簡單明了，其設(shè)計制作有較成熟的理論，體積小、質(zhì)量小、功率密度大，現(xiàn)階段已經(jīng)能在比較廣泛的領(lǐng)域進(jìn)行運(yùn)用，但具體的應(yīng)用需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行專門的設(shè)計，并對細(xì)節(jié)進(jìn)行諸多優(yōu)化。

3) 國際上已經(jīng)對磁通壓縮進(jìn)行了長時間的研究，目前主要沿2個不同的方向進(jìn)行：(1)發(fā)展基于磁通壓縮原理的脈沖功率電源；(2)產(chǎn)生超強(qiáng)磁場的裝置。方向(1)的目標(biāo)是應(yīng)用于一次性的體積小、質(zhì)量小的脈沖功率設(shè)備，可用作微波彈高電壓源或電磁炮強(qiáng)電流源；方向(2)的目標(biāo)是為物理學(xué)基礎(chǔ)研究提供超強(qiáng)磁場環(huán)境。

4) 國內(nèi)成果多見于爆炸磁通壓縮發(fā)生器，現(xiàn)階段主要集中于針對專門應(yīng)用的特定發(fā)生器結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算模型、編碼的研究。

2MFCG在射流箍縮方面的運(yùn)用分析

2.1MFCG彈載運(yùn)用環(huán)境分析

射流箍縮技術(shù)是一種利用強(qiáng)磁場對金屬射流的約束機(jī)理，對傳統(tǒng)破甲彈爆轟產(chǎn)生的金屬射流進(jìn)行人為的磁場干涉，從而維持射流穩(wěn)定、增強(qiáng)破甲效能的新技術(shù)。射流箍縮基本原理如圖3所示，炸藥在壓垮藥型罩后形成射流，利用線圈磁場箍縮通過線圈的射流，使射流保持穩(wěn)定，從而達(dá)到提高穿深的效果。

圖3　射流箍縮基本原理

射流箍縮技術(shù)要求磁場在對金屬射流作用的過程中具有瞬時成形及高能量密度的特點(diǎn)，而MFCG因其具有短時間、強(qiáng)脈沖的優(yōu)點(diǎn)，使之在作為箍縮的能量來源上具有不可比擬的優(yōu)勢。特別是爆炸式磁通壓縮發(fā)生器，其與破甲彈相同，均為裝填炸藥的一次性使用產(chǎn)品，有利于進(jìn)行技術(shù)銜接。目前，雖然爆炸式磁通壓縮發(fā)生器技術(shù)已經(jīng)基本成熟，具有實(shí)用性特點(diǎn)，但是其在與金屬射流箍縮技術(shù)結(jié)合運(yùn)用方面還存在以下不可忽視的問題：

1) 爆炸式磁通壓縮發(fā)生器在傳統(tǒng)彈藥上的位置結(jié)構(gòu)設(shè)計。傳統(tǒng)彈藥特殊的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)對其內(nèi)部的器件構(gòu)造提出了嚴(yán)格要求，設(shè)計的爆炸式磁通壓縮發(fā)生器必須具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。而要將MFCG作為一種傳統(tǒng)彈藥增強(qiáng)技術(shù)的一部分，雖說概念上有很大差異，但維持其應(yīng)用本體的基本形態(tài)以適應(yīng)現(xiàn)役裝備應(yīng)當(dāng)是基本要求，所以爆炸式磁通壓縮發(fā)生器的加入必然要考慮配合彈丸的質(zhì)心位置、口徑尺寸等參數(shù)。

2) 爆炸式磁通壓縮發(fā)生器與破甲彈起爆的觸發(fā)時序控制。爆炸式磁通壓縮發(fā)生器作用時間極短，其峰值電流出現(xiàn)的時間在微秒量級，成型裝藥形成射流的時間與此相差不多。要在射流形成后保證強(qiáng)磁場產(chǎn)生并能對其進(jìn)行作用，特別是能恰好在上升到峰值時作用，爆炸式磁通壓縮發(fā)生器與破甲彈起爆的觸發(fā)時序控制將會對上述目標(biāo)產(chǎn)生關(guān)鍵性影響。

3) 爆炸式磁通壓縮發(fā)生器裝藥爆炸對破甲射流形成的影響。與射流的形成無論是使用同一裝藥，還是使用單獨(dú)的裝藥，都可以預(yù)測到在傳統(tǒng)彈藥狹小的空間內(nèi)，爆炸式磁通壓縮發(fā)生器作用時裝藥爆轟形成的膨脹波和稀疏波會使彈內(nèi)環(huán)境發(fā)生劇烈變化。這些變化是否會對后續(xù)射流的穩(wěn)定形成產(chǎn)生影響，產(chǎn)生的影響又該如何消除，必然是要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

4) 爆炸式磁通壓縮發(fā)生器自身部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。將金屬射流箍縮技術(shù)應(yīng)用到火炮彈藥時，其發(fā)射時整體結(jié)構(gòu)承受的高過載是不可回避的問題。磁通壓縮發(fā)生器內(nèi)包含有電氣器件，其整個結(jié)構(gòu)的抗過載能力理應(yīng)加以考慮。

若能解除上述問題的制約，基于磁通壓縮發(fā)生器的強(qiáng)磁場金屬射流箍縮技術(shù)將帶來反裝甲武器系統(tǒng)的全面革新。

2.2MFCG設(shè)計的主要技術(shù)問題

MFCG的設(shè)計涵蓋了爆轟理論、磁擴(kuò)散理論、磁流體理論、脈沖功率技術(shù)等多方面的知識，不同類型、不同作用的MFCG對設(shè)計的要求也不盡相同。經(jīng)過多年的探索，在MFCG設(shè)計中也形成了一些公認(rèn)的經(jīng)驗(yàn)[5]：設(shè)計多采用效率更高的內(nèi)爆式設(shè)計；螺線圈型能有更大的初始電感；內(nèi)爆型螺線圈發(fā)生器線圈與套筒直徑的最佳比值大都在2左右。然而,除了這些經(jīng)驗(yàn)，在MFCG設(shè)計中，大到用于產(chǎn)生瞬間超強(qiáng)磁場的裝置，小到提供初始能源的小型部件，均需考慮以下主要技術(shù)問題。

2.2.1考慮磁擴(kuò)散的計算模型

MFCG驅(qū)動導(dǎo)體電樞使磁場壓縮變形的過程，一般采用磁流體動力學(xué)方程進(jìn)行描述，該方法難以采用解析方法進(jìn)行求解，一般多采用數(shù)值計算方法求解?，F(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展已經(jīng)滿足針對MFCG的具體設(shè)計進(jìn)行計算的需求，然而考慮到因磁場向?qū)w內(nèi)擴(kuò)散而導(dǎo)致的磁通損失，優(yōu)良的計算模型更有助于提高計算精度和速度?，F(xiàn)已出現(xiàn)了實(shí)用的0、2、3維模型，各大實(shí)驗(yàn)室、研究機(jī)構(gòu)也推出了通用或針對具體型號的計算編碼，如SCAT95通用電路分析編碼、CAGEN螺線圈型發(fā)生器商用計算編碼等[3]。

2.2.2脈沖成形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

MFCG產(chǎn)生的能量普遍儲存在約10 nH量級的電感中，但是裝置中的電流可能高達(dá)上百兆安。為了將這些能量傳輸?shù)桨l(fā)生器負(fù)載(一般情況下其電感均會大于發(fā)生器電感)，裝置輸出端要使用脈沖銳化或匹配裝置將發(fā)生器的能量耦合到負(fù)載上。因此，設(shè)計包含有高速開關(guān)、脈沖變壓器、火花間隙開關(guān)、脈沖銳化電感器等部件的脈沖成形網(wǎng)絡(luò)，整形發(fā)生器輸出電脈沖以優(yōu)化負(fù)載性能，就成為了MFCG設(shè)計很重要的一環(huán)。

2.2.3負(fù)載匹配設(shè)計

經(jīng)過長時間的發(fā)展，MFCG已經(jīng)在各個方面開辟了應(yīng)用領(lǐng)域，導(dǎo)致發(fā)生器的負(fù)載性質(zhì)變化范圍很大。無論是電感性的、電容性的還是電阻性的負(fù)載，為了使整個裝置良好匹配、有效運(yùn)行，將負(fù)載特性考慮在內(nèi)的匹配設(shè)計必不可少。納入各種負(fù)載特性重新研究的解析表達(dá)式和計算機(jī)模擬模型，能夠計算模擬各種實(shí)驗(yàn)裝置中變化的過程。

2.2.4消除放電擊穿損失的設(shè)計

MFCG在運(yùn)行過程中，激變的磁場在發(fā)生器內(nèi)部引發(fā)強(qiáng)大的電場，特別是用于產(chǎn)生強(qiáng)磁場的裝置。相比之下，產(chǎn)生強(qiáng)電流的發(fā)生器具有的電場相對較低。如果磁場平行于導(dǎo)體表面，由E=vnB可知：電場強(qiáng)度E僅與導(dǎo)體速度法向分量vn有關(guān)，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B=100 T，vn=1 km/s時，計算可得E=100 kV/m。另外，發(fā)生器中套筒與載流體可能存在夾角，極易產(chǎn)生內(nèi)部放電擊穿，導(dǎo)致壓縮磁場的能力下降并造成損失。因此，在MFCG設(shè)計中必須考慮內(nèi)部電壓擊穿問題，并根據(jù)具體的發(fā)生器結(jié)構(gòu)類型及前期的估算，運(yùn)用諸如采用環(huán)氧樹脂等固體電介質(zhì)絕緣、充填氟利昂等絕緣氣體的方法，調(diào)整發(fā)生器設(shè)計。

3結(jié)論

MFCG從二戰(zhàn)結(jié)束后發(fā)展至今，已經(jīng)成為了一種較成熟的高能量密度脈沖功率源，能在多樣的空間條件下作為電源使用，在特種實(shí)驗(yàn)研究、軍工科技等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

基于把MFCG運(yùn)用到金屬射流箍縮技術(shù)方面的嘗試，筆者分析了使用平臺和爆磁壓縮發(fā)生器本身的設(shè)計原則和基本問題，為下一步針對射流箍縮技術(shù)的發(fā)生器設(shè)計研究奠定了基礎(chǔ)，將有效促進(jìn)射流箍縮技術(shù)的發(fā)展。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Analysis on the Application of Magnetic Flux Compression Generatorin the Jet Pinch

Lü Qing-ao, HUANG Xu, LEI Bin, XIANG Hong-jun, MENG Xue-ping

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract：Based on analyzing fundamental and classification of Magnetic Flux Compression Generator (MFCG), the latest researches on MFCG and its developmental direction are summarized. Prospective of application on MFCG in the shaped-charge jet pinch is studied according to new military demands, connection between applied environment and platform technology is analyzed, and the main technical pro-blems of MFCG design at present are discussed.

Key words:pulse power supply; Magnetic Flux Compression Generator (MFCG); High-Explosive Anti-Tank (HEAT); shaped-charge jet; pinch

文章編號：1672-1497(2016)01-0058-05

收稿日期：2015-11-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51307182)

作者簡介：呂慶敖(1968-)，男，副教授，博士。

中圖分類號：TM91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.012