爆磁壓縮發(fā)生器延時控制系統(tǒng)分析及實現(xiàn)*

史云雷，張 合，馬少杰，顧 林，賀 海

(南京理工大學智能彈藥技術國防重點學科實驗室，江蘇南京210094)

電磁脈沖武器是未來戰(zhàn)爭的殺手锏，起著決定戰(zhàn)場制電磁權的關鍵作用。電磁脈沖武器起源于核武器，但核武器殺傷力巨大，大力發(fā)展非核電磁脈沖武器有著重要的軍事意義［1－4］。爆磁壓縮電磁脈沖彈是目前研究較為深入的一種非核電磁脈沖武器，其作戰(zhàn)平臺包括飛機、裝甲車輛、火炮等，一般作用范圍為數(shù)十米至數(shù)千米［5］。爆磁壓縮發(fā)生器(Magnetic Flux Compression Generator，MFCG)是爆磁壓縮電磁脈沖彈的關鍵器件，精確的彈載延時起爆控制技術將決定MFCG的輸出性能，是實現(xiàn)電磁脈沖彈作戰(zhàn)效能的關鍵因素之一。

國防科技大學劉建平、鐘巍等采用同軸型導爆索延時開關實現(xiàn)電流最大值與MFCG運行時間間隔15μs、延時誤差≈10%［6－7］;西安電子工程研究所康小平等和陜西慶華汽車安全系統(tǒng)有限公司于紹松改進設計了一種同軸式同步開關，實現(xiàn)控制延時95μs，實際延時96μs［8］;北京理工大學蘇建河分析了使用爆炸閉合開關和導爆索或電子延時器來進行起爆延時控制的可行性，但沒有進行實驗驗證［9］。

1 延時控制系統(tǒng)分析

MFCG是一種基于磁場凍結效應，利用炸藥爆炸壓縮磁通，從而將炸藥的部分化學能轉化為電磁能的一種高能量、大功率的裝置。爆磁壓縮電磁脈沖彈一般采用螺線圈型MFCG，其工作過程如圖1所示:初始能源系統(tǒng)(脈沖儲能電容)充滿電后，放電開關閉合，放電回路接通，在MFCG定子線圈中建立初始磁通，當電流達到最大值時，裝置俘獲的磁通最大，撬斷開關閉合，MFCG開始運行，壓縮磁通，使回路中電流和能量得以放大［10－11］。

圖1 爆磁壓縮發(fā)生器工作過程Fig.1 Working process of MFCG

從MFCG的工作過程可以看出，需要一個簡單精確的延時控制系統(tǒng)通過控制放電開關和MFCG啟動時間，以實現(xiàn)放電電流達到最大值時間與裝置運行時間的匹配。目前對MFCG進行延時起爆控制，主要有以下幾種方案:火藥延時、導爆管延時、導爆索延時、電路控制延時等。火藥延時和導爆管延時控制精度達不到要求，導爆索延時應用廣泛，但裝置結構較為復雜［6－8］。電路控制延時利用高精度延時電路控制爆轟驅動的放電開關和MFCG起爆裝置先后工作以實現(xiàn)時序匹配，其結構簡單，占用空間小，控制精度高，穩(wěn)定性好。因此，決定選用該方案來實現(xiàn)MFCG工作時序控制。

1.1 最佳時序模型

為建立電路控制延時方案最佳起爆時序，首先分析初始能源系統(tǒng)(脈沖儲能電容)瞬態(tài)放電過程，MFCG等效為一個電阻和電感串聯(lián)形式，等效回路如圖2所示。

圖2 脈沖儲能電容瞬態(tài)放電等效回路Fig.2 Equivalent circuit of pulse energy-store capacitor transient discharge

得到微分方程:

根據(jù)器件初始參數(shù)可計算得電容放電電流曲線，如圖3中c線所示，放電至峰值時間為τC/4，τC為放電回路時間常數(shù)。

圖3 最佳起爆時序Fig.3 Best initiation time sequence

圖3為最佳起爆時序圖(微秒級):a為延時電路上電信號，T0為上電時刻;b為放電開關初始起爆信號，T1為初始起爆時刻;c為脈沖儲能電容放電電流信號，T2為電容放電起始時刻，T4為電流值達峰值時刻;d為MFCG起爆裝置初始起爆信號，T3為其初始起爆時刻;e為MFCG撬斷開關閉合信號，T4為其閉合時刻。放電開關收到初始起爆信號至開關閉合的時間tS=T2－T1;MFCG起爆裝置收到初始起爆信號至撬斷開關閉合的時間tM=T4－T3;電路最佳起爆延時τ=T3－T1;tS可通過實驗測試得到;tM是MFCG起爆裝置中雷管作用時間、傳爆藥作用時間、爆轟波在平面透鏡中傳播時間以及炸藥驅動電樞膨脹至接觸撬斷開關等時間之和，可通過仿真或實驗測試得到;時間常數(shù)τC在確定放電回路參數(shù)后可通過計算得到。所以最佳起爆延時可表示為:

1.2 時序誤差散布分析

該時序控制系統(tǒng)導致誤差散布的主要因素有:脈沖儲能電容容值誤差;放電開關起爆藥作用時間誤差;放電開關閉合機械動作誤差;MFCG電參數(shù)(包括電感和電阻)誤差;MFCG起爆裝置作用時間誤差;炸藥驅動電樞膨脹時間誤差等。實際延時τ可用相關參變量表示成式(3)所示的函數(shù)形式:

應用小偏差法求式(3)中任意一記為xi參變量的散布σxi引起的延時散布:

當變量散布比較大或者實際值無法測量時，測量值設為0，相應的誤差增加，可以用修正小偏差法計算散布:

總延時散布為:

當στ≥τ，時序控制系統(tǒng)失敗。στ決定放電電流I和峰值電流Imax的接近程度，引入?yún)?shù):

參數(shù)?值反映的是時序控制精度，也從側面反映系統(tǒng)時序誤差散布大小。給出算例參考:式(1)中，MFCG電參數(shù)為0.4Ω，47μH，6.5kV，63μF時，放電種子電流Imax約為5500A，大于5000A的脈寬為46μs。當延時散布στ為23μs時，?=5000/5500=0.909。

2 爆轟驅動飛片型高功率放電開關

爆轟驅動飛片型高功率放電開關是采用電路控制延時方案中的關鍵器件，其主要性能參數(shù)包括閉合響應時間誤差、導通時間長度、耐壓值以及放電效率。閉合響應時間誤差影響系統(tǒng)的時序控制精度;導通時間長度必須滿足初級能源系統(tǒng)的充分放電;耐壓值應高于脈沖儲能電容兩端最高電壓，防止擊穿?；谝陨蠀?shù)要求，設計了一種微秒級電雷管直接驅動飛片型高功率閉合放電開關，該開關結構簡單，電流導通能力強，閉合響應時間可以精確到微秒，因而能夠用作MFCG充電時的閉合開關，實現(xiàn)發(fā)生器的爆炸同步。

2.1 開關結構設計

爆轟驅動飛片型高功率放電開關結構如圖4所示，主要由微秒級電雷管、剪切片、墊片、飛片、絕緣套筒、電極等組成。作用原理:電雷管上電后發(fā)火起爆，爆轟產(chǎn)物通過狹小空腔后驅動飛片，飛片切斷剪切片后加速飛向兩個電極，一段行程后飛片接觸電極實現(xiàn)開關閉合。

圖4 開關結構設計Fig.4 Structure design of switch

常規(guī)彈載條件下，為使開關體積盡量小且防止作用過程中殼體破裂影響其他器件，僅使用了微秒級電雷管(未使用炸藥)驅動飛片，該方式作用可靠且精度高，帶來的問題是開關響應時間較長，但只要誤差散布較小，響應時間可通過延時電路進行補償。電雷管和飛片間引入空腔的目的是使飛片加速過程變得平緩，飛片在飛行過程中可以保持較好的初始熱力學狀態(tài)和力學性質，避免飛片中產(chǎn)生層裂現(xiàn)象［12］。飛片采用硬鋁材料，質輕便于加速且不易變形，上下飛片通過螺紋連接，中間夾著剪切片;剪切片設計為十字狀，便于被剪切且不影響飛片動作。絕緣套筒內腔設有錐度，飛片接觸電極同時與腔壁產(chǎn)生摩擦，使開關閉合后具有一定的自鎖能力;電極選用紫銅材料且頂端設置為尖錐狀，改善開關高速閉合時的接觸抖動。

2.2 開關耐壓能力分析

放電開關必須承受電容器所充的電壓，確保導通前不擊穿，因此對開關有一定的耐壓要求。由于彈體內部空間限制，一般用于小型爆磁壓縮電磁脈沖彈的儲能電容額定電壓不高于10kV。另外，儲能電容是通過高壓直流變換器DC－DC實現(xiàn)恒流充電，所以開關兩電極間屬于直流高壓。利用數(shù)值仿真軟件Comsol Multiphysics對開關充電后的電場分布進行模擬，所得結果如圖5所示。

圖5 放電開關電場分布云圖Fig.5 Electric field distribution around switch electrodes

從圖5中可以看出，由于電極形狀不規(guī)則，開關內部電場分布不均勻，在電極棱角處電場較大，最大場強為6.06kV/mm，可能發(fā)生高壓擊穿的區(qū)域在電極中部臺階處。一般情況下，空氣介質擊穿電壓可近似地用3kV/mm的擊穿場強來估計［13］，絕緣套筒采用尼龍11材料，其絕緣強度為29.6kV/mm［14］，設計時為保證開關耐壓強度，兩電極間距和飛片距電極距離均大于5mm。

2.3 開關飛片厚度選取

由于電雷管點起爆且直徑小于飛片直徑，外加空腔的引入，將會導致爆轟產(chǎn)物流場產(chǎn)生一定的邊側稀疏效應，從而造成飛片偏離一維運動，發(fā)生彎曲變形，影響飛片碰擊電極時的平面度［15－16］。為此，采用Autodyn軟件，根據(jù)開關結構特征建立二維軸對稱模型，進行電雷管起爆后爆轟產(chǎn)物經(jīng)空腔驅動不同厚度飛片運動過程的二維數(shù)值模擬。微秒級電雷管總藥量180mg，包含多種裝藥［17］，完全進行數(shù)值模擬比較困難，計算中將其等效為半徑r=3mm，高度d=6mm，密度ρ=1.717g/cm3的COMP B聚黑藥柱(威力大于電雷管)。利用多物質Euler求解器求解裝藥起爆后沖擊波的形成及傳播，利用Euler-Lagrange流固耦合分析方法分析爆轟產(chǎn)物作用下飛片的動力學響應。

圖6為在爆轟產(chǎn)物作用下不同厚度飛片飛行距離約10mm時的彎曲變形狀態(tài)?？梢钥闯?隨著飛片厚度的增加，飛片變形量明顯變小;d=3mm時，飛片嚴重彎曲，平面度嚴重破壞，d≥5mm時，飛片變形量微小，能夠滿足開關閉合穩(wěn)定性的要求。

圖6 不同厚度下飛片彎曲變形Fig.6 Plate deformation with different thickness

2.4 開關閉合放電性能實驗測試與分析

圖7 開關高壓放電性能測試線路圖Fig.7 Circuit diagram of switch discharge performance test at high voltage

圖8 開關實物圖Fig.8 Detonation-driving-flyer discharge switch

為測試開關高壓下閉合放電性能，采用如圖7所示線路圖進行測試(電容充電回路省去)，脈沖儲能電容直流耐壓6kV/60s，電容標稱值47μF，MFCG采用多匝模擬線圈替代，雙路同步觸發(fā)電路為開關提供起爆信號同時也為示波器提供觸發(fā)信號，采用羅氏線圈(R線圈，標定值135A/V)測量放電回路中的電流并顯示在示波器上。

對8只開關進行了不同電壓下閉合放電性能的測試，實驗前后開關實物如圖8所示。除去1只開關因示波器誤觸發(fā)未采集放電波形，1只開關因裝配失誤導致響應不正常，其余6只均進行了正常測試。

圖9給出了6發(fā)開關高壓下放電實驗波形，圖9中階躍信號為開關電雷管起爆信號，周期性振蕩衰減信號為電容放電波形。表1為相應的實驗測試數(shù)據(jù)，表1中充電電壓為電容初始放電電壓，響應時間為開關收到起爆信號至開關閉合時間，電流峰值為放電電流最大值(即第一個波峰峰值)，導通時間表示開關閉合后穩(wěn)定放電時間。開關上的損耗主要集中在閉合放電瞬間，引入電荷轉移率k表征開關的放電效率:

圖9 開關高壓下閉合放電性能測試波形Fig.9 Waveform of switch test at high power

其中，Q'為首個1/4放電周期內開關轉移電荷量，Q0為電容內初始儲存電荷量，τ為放電周期，U為電容充電電壓，C為電容量額定值。

表1 開關高壓放電性能實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of switch test

實驗過程中，開關內部未發(fā)生高壓擊穿現(xiàn)象，滿足5kV耐壓要求;實驗完成后，開關僅上下端面有一定隆起，開關外形保持完整，不影響系統(tǒng)其他部分;開關閉合瞬間放電電流波形穩(wěn)定，未出現(xiàn)抖動現(xiàn)象;6發(fā)開關的閉合響應時間分布在66±5μs以內，平均值為66.7μs，標準差為2.7μs，滿足MFCG時序控制精度的要求;編號1，4，6開關作用后，開關完全閉合，放電波形完整，編號2，3，5開關放電時間超過900μs，6發(fā)開關導通時間均滿足系統(tǒng)要求;采用首個1/4放電周期內電荷轉移率表征開關的放電效率，6發(fā)開關放電效率均穩(wěn)定在90%左右，未出現(xiàn)明顯偏差。該開關與同軸型導爆索開關相比［6－8］，響應精度和閉合穩(wěn)定性均不遜色，且外形小巧，長度固定，無須改變導爆索長度，能夠實現(xiàn)對MFCG的放電控制。

3 延時控制系統(tǒng)實驗與分析

為考察MFCG延時控制系統(tǒng)的工作情況，進行初級能源系統(tǒng)、高精度延時電路、爆轟驅動飛片型高功率放電開關和小型MFCG的聯(lián)調實驗，實驗在爆炸塔內進行。

開關控制電容(5kV，47μF)對靜態(tài)MFCG和負載的放電波形如圖10所示，首個1/4周期為24.8μs。通過式(2)計算最佳起爆延時τ，并裝入高精度延時電路。

動態(tài)MFCG實驗線路在圖8上稍作改動:雙路同步觸發(fā)電路改為高精度延時電路，一路起爆放電開關，一路延時起爆MFCG;在MFCG后級加上感性負載，并用羅氏線圈測試通過負載上的電流。

動態(tài)MFCG實驗放電電流波形如圖11中通道1所示，A點時刻放電開關導通，電容器開始向MFCG及負載放電，電流波形穩(wěn)定，B點時刻MFCG開始運行，電流瞬間放大，A，B時間間隔23μs，B點時刻與電流最大值時刻相差1.8μs，延時誤差≈7.8%，滿足MFCG延時起爆控制精度的要求。

圖10 電容器靜態(tài)放電波形Fig.10 Waveform of capacitor current at static state

圖11 爆磁壓縮實驗電容器放電波形Fig.11 Waveform of capacitor current in the MFCG experiment

4 結論

爆磁壓縮發(fā)生器的延時起爆控制是影響其輸出性能的關鍵因素之一，電路控制延時方案可自由裝定延時時間，精度高且無須改變導爆索長度，方便安裝;文中對最佳起爆時序的分析，可分離出關鍵參數(shù)并對累計誤差進行計算，預估時序控制精度;微秒級電雷管直接驅動飛片型高功率放電開關，外形小巧且結構簡單，實驗測試表明其性能滿足對MFCG的放電控制，缺陷在于微秒級電雷管的價格較高，但近幾年已有明顯下降?？傮w而言，電路延時方案能夠很好滿足MFCG高精度延時起爆控制的要求。

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