爆炸式電磁感應脈沖發(fā)生器

賁 馳,何 勇,潘緒超,何 源,凌 琦

(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)

爆炸式電磁感應脈沖發(fā)生器

賁 馳,何 勇,潘緒超,何 源,凌 琦

(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)

為了探索脈沖發(fā)生器新的技術方法，在傳統(tǒng)脈沖發(fā)生器的基礎上，提出了一種依靠爆炸驅(qū)動的電磁感應脈沖發(fā)生器。介紹了發(fā)生器的工作過程，對發(fā)生器中炸藥的爆炸和沖擊過程進行了計算和數(shù)值模擬，建立了帶有初始電壓和初始靜磁場的發(fā)生器的工作電路模型，得出了感應電壓的計算方法。設計了一種通過永磁體提供初始靜磁場的脈沖發(fā)生器，并分別對裝有兩種不同炸藥的發(fā)生器進行了實驗。實驗表明：爆速較高的炸藥驅(qū)動發(fā)生器可產(chǎn)生峰值更高的電壓脈沖。實驗結果偏低于計算結果，原因是理論計算中簡化了磁芯磁場和沖擊波速度。

爆炸力學；相變反應；電磁感應；脈沖發(fā)生器

電子信息技術在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占據(jù)很高的地位，電子壓制是火力壓制的前提[1]。電磁脈沖戰(zhàn)斗部武器是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的主導武器，它可以產(chǎn)生強烈破壞性電磁輻射場并通過天線輻射出去，瞬間破壞或摧毀敵方重要的電子設備系統(tǒng)。傳統(tǒng)的電磁脈沖戰(zhàn)斗部較多以爆炸磁通量壓縮發(fā)生器為核心部件[2-4]，其原理為電樞管導體在炸藥爆炸的驅(qū)動下，快速壓縮定子繞組圍成空腔內(nèi)的磁通量，在小體積內(nèi)聚集成超強磁場。傳統(tǒng)的電磁脈沖戰(zhàn)斗部一般配備體積大且結構復雜的的初級能源系統(tǒng)，戰(zhàn)斗部的空間利用率較低，不利于引戰(zhàn)配合，且爆炸磁通量壓縮發(fā)生器的能量轉(zhuǎn)換效率低，有很多不足有待改進。S.I.Shkuratov等[5-6]、E.F.Talantsev等[7]、伍俊英等[8]曾對鐵磁電磁脈沖發(fā)生器進行研究，由于鐵磁電磁脈沖發(fā)生器僅使用永磁體的剩磁作為其初始磁場，因此不能直接輸出高幅值的電壓脈沖。

線圈內(nèi)部磁通量的變化使線圈產(chǎn)生感應電壓，感應電壓的幅值取決于磁通量的變化速率。當帶磁芯的螺線管線圈內(nèi)部磁場穩(wěn)定時，其磁通量隨磁芯的磁導率而變化，快速改變磁芯材料的磁導率可使發(fā)生器產(chǎn)生高幅值的脈沖電信號?；诂F(xiàn)有脈沖發(fā)生器和上述原理，本文中，對一種爆炸驅(qū)動電磁感應脈沖發(fā)生器進行研究，對發(fā)生器的爆炸沖擊過程和工作電路進行分析與計算，最后通過實驗對研究結果進行驗證。

圖1 發(fā)生器原理圖Fig.1 Schematic of generator

1 發(fā)生器工作過程

圖1為爆炸式電磁感應脈沖發(fā)生器的原理圖，它主要包括磁芯、初始能源、螺線管以及觸發(fā)裝置等部件。

發(fā)生器的工作原理為：使用高壓電容器和充磁永磁體單獨或共同作為發(fā)生器的初始能源，為螺線管內(nèi)部提供初始磁場。利用高磁導率、低矯頑力的軟磁材料金屬鐵作為螺線管的磁芯，在初始能源提供的外磁場中磁芯盡可能被磁化，使發(fā)生器獲得較高的初始磁通量。采用高能炸藥作為發(fā)生器的觸發(fā)裝置，在初始磁通量為最大值時引爆炸藥，產(chǎn)生的沖擊波由交界面?zhèn)魅氪判局?，通過沖擊波對磁芯的壓縮做功，使磁芯的溫度與壓力快速升高，當軟磁材料的溫度高于其居里溫度時發(fā)生相變反應，磁性由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判訹9]，磁導率由高降低，從而使螺線管磁通量降低，產(chǎn)生感應電壓。

2 爆炸沖擊過程

爆炸沖擊過程是爆炸式電磁感應脈沖發(fā)生器工作過程中最重要的部分，炸藥爆炸傳入磁芯的沖擊波參數(shù)直接決定發(fā)生器性能。炸藥爆炸產(chǎn)生的高壓高溫場隨沖擊波從炸藥與磁芯接觸面位置(x=0)傳入磁芯中，沖擊波沿磁芯軸向傳播，從另一端面(x=lm)傳出。

2.1 沖擊波參數(shù)的計算

磁芯的相變速度和程度主要決定于炸藥爆炸傳入磁芯內(nèi)部的沖擊波參數(shù)，假設爆轟波陣面上的參數(shù)即為CJ參數(shù)，不考慮爆轟波陣面后面跟進的稀疏波，對一維平面沖擊波的正入射過程進行分析。爆轟波陣面上的質(zhì)點速度uH與壓力pH為：

(1)

(2)

式中：γ為多方指數(shù)，D為炸藥爆速，ρ0為裝藥密度。

由于炸藥的沖擊阻抗(ρ0D)小于磁芯的沖擊阻抗(ρmDm)，因此爆轟波到達接觸界面后在爆轟產(chǎn)物中反射沖擊波，界面處的壓力大于炸藥爆轟波陣面壓力。根據(jù)界面連續(xù)條件，界面兩側的壓力和質(zhì)點速度連續(xù)，即磁芯中傳入的沖擊波壓力與炸藥中反射沖擊波壓力大小相等且方向相反，反射波后產(chǎn)物所獲得的附加速度方向與爆轟波后質(zhì)點速度方向相反[10]。因此有：

(3)

式中：ur為附加質(zhì)點速度，um為磁芯質(zhì)點速度，pm為磁芯壓力，vH、vm分別為反射沖擊波前后爆轟產(chǎn)物比容。

將式(2)和反射沖擊波Hugoniot方程代入式(3)中，整理得：

(4)

磁芯內(nèi)的沖擊波速度Dm與該點的質(zhì)點速度um為線性關系[11]，且um與pm滿足動量守恒定律：

Dm=c0+λum

(5)

pm=ρmDmum

(6)

式中：c0與λ為與材料性質(zhì)有關的實驗常數(shù)(鐵介質(zhì),c0=3.78 km/s，λ=1.652)，ρm為磁芯密度。

表1為根據(jù)TNT與8701炸藥的參數(shù)、聯(lián)立方程(2)～(6)解出的磁芯中傳入的沖擊波參數(shù)um、Dm與pm。

表1 炸藥與沖擊波參數(shù)Table 1 Parameters of explosive and shock wave

2.2 磁芯沖擊過程的數(shù)值模擬

為了驗證沖擊波初始參數(shù)計算結果的準確性，研究沖擊波在磁芯內(nèi)的傳播過程，通過AUTODYN有限元軟件歐拉網(wǎng)格法對兩種炸藥的爆炸驅(qū)動進行數(shù)值模擬。圖2為二維軸向建模結構圖，磁芯材料為純鐵，密度為6.2 g/cm3，殼體材料為尼龍，永磁體材料為釹鐵硼，線圈材料為銅，炸藥分別采用TNT和8701，參數(shù)見表1，起爆方式為點起爆。為了監(jiān)測磁芯內(nèi)沖擊波的傳播過程，在磁芯軸線附近依次添加監(jiān)測點1～6，在磁芯與炸藥接觸界面附近依次添加監(jiān)測點7～10。

圖2 建模結構圖Fig.2 Schematic of modeling

表2～3分別列出了炸藥為TNT與8701時，磁芯相變過程中各監(jiān)測點的質(zhì)點速度與壓力所達到的最大值um與pm、起爆后各監(jiān)測點參數(shù)達到最大值所用時間，以及結合式(5)計算得到的沖擊波速度Dm?？梢?，監(jiān)測點1的沖擊波參數(shù)um、pm與Dm與傳入磁芯界面沖擊波參數(shù)理論計算結果(見表1)基本吻合，證明理論計算結果可信。對比表中數(shù)據(jù)可以看出，沖擊波的傳播過程存在衰減與疊加，表現(xiàn)為：炸藥起爆后軸線方向傳播的爆轟波先傳入磁芯形成第1道沖擊波，其他方向的爆轟波傳播至外側殼體界面時發(fā)生反射，反射沖擊波與爆轟波的疊加作用增加了波的壓力與速度，與炸藥接觸的磁芯端面上半徑越大處反射沖擊波與爆轟波的疊加越強烈，因此監(jiān)測點7～10的參數(shù)逐漸增加。當?shù)?道沖擊波傳播至監(jiān)測點2～4時與上述疊加波匯合，因此經(jīng)過監(jiān)測點2～4的最大沖擊波壓力與波速存在駐點，隨后該疊加波在監(jiān)測點4～6逐漸衰減。綜上可知，中心點起爆炸藥傳入磁芯內(nèi)的沖擊波的傳播是復雜多變的過程，為了簡化計算，假定磁芯中的沖擊波為軸向勻速傳播的平面波。

表2 炸藥為TNT時磁芯內(nèi)部沖擊波參數(shù)Table 2 Parameters of shock wave in magnetic core with TNT

表3 炸藥為8701時磁芯內(nèi)部沖擊波參數(shù)Table 3 Parameters of shock wave in magnetic core with 8701

3 發(fā)生器工作電路

爆炸式電磁感應脈沖發(fā)生器的工作電路如圖3所示，包括初始回路與負載回路。初始回路中，C為高壓儲能電容，R0為初始回路總電阻，L為螺線管電感。閉合初始回路開關K1，帶有初始電壓uC的高壓電容C激勵螺線管線圈產(chǎn)生初始電流I0，可得初始回路中各電量關系：

uC=R0i0+uL

(7)

圖3 發(fā)生器工作電路圖Fig.3 Working circuit of generator

電感、電容中，uL=Ldi0/dt，i0=-CduC/dt，式(7)可整理為關于i0的二階常系數(shù)線性齊次微分方程：

(8)

當電路中i0達到最大值i0m時，由電流產(chǎn)生的線圈內(nèi)部磁場強度He達到最大值Hem。蔡旭紅等[12]通過畢奧-薩伐爾定律，計算得出有限長通電螺線管內(nèi)部磁場分布比較均勻，僅在端面與螺線管壁處存在衰減。因此，可將螺線管內(nèi)部磁場大小作為恒值計算，且數(shù)值參考軸線中點處的磁場強度，方向為沿軸線方向。由單層螺線管軸線上磁場的計算公式[13]，得：

(9)

式中：l為螺線管長度；r為螺線管半徑；n為線圈匝數(shù)。若螺線管線圈外部設置永磁體提供靜態(tài)初始磁場，假設所提供的靜態(tài)磁場為關于軸向位置x的一維磁場Hf(x)，則線圈內(nèi)部總初始磁場為：

H0(x)=Hf(x)+Hem

(10)

若磁芯面積為S，則磁芯內(nèi)部初始磁通量為：

Φ0(x)=B0(x)S=μrH0(x)S

(11)

斷開初始回路開關K1，同時閉合負載回路開關K2，啟動電雷管引爆炸藥，在與炸藥接觸的磁芯中激發(fā)沖擊波，沖擊波在磁芯內(nèi)部傳播的過程中對磁芯壓縮做功，引起磁芯溫度與壓力的升高。磁芯在沖擊波傳播時產(chǎn)生的高溫、高壓環(huán)境下，從與炸藥接觸一端向另一端發(fā)生高速相變反應，沖擊波陣面后的磁芯部分由鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，磁芯截面x處的磁感應強度從初始B0(x)下降了ΔB(x)，磁通量也隨之下降，若磁芯長度lm與螺線管長度l相等，則纏繞在磁芯x處的線圈中產(chǎn)生的感應電壓為：

(12)

若磁芯外纏繞了n匝線圈，則產(chǎn)生的總感應電壓為：

(13)

由式(13)可知，發(fā)生器的感應電壓大小與磁芯面積、磁芯內(nèi)部沖擊波速度成正比，與磁芯長度成反比，且當磁芯磁感應強度的變化量變大或線圈匝數(shù)增加時，感應電壓增大。由此可知，爆速較高的炸藥可使發(fā)生器產(chǎn)生幅值更高的感應電壓。

負載回路中螺線管線圈產(chǎn)生的感應電壓相當于電路中附加一個電壓源，在負載等效回路表示為ε。由于發(fā)生器工作過程中螺線管磁芯材料發(fā)生變化，因此螺線管電感L為隨時間的函數(shù)L(t)，當L很大時，忽略負載回路中其他形式的電感。RL為負載電阻，當RL很大時，忽略螺線管電阻、電纜電阻以及其他電阻損耗。負載回路中電流i(t)與電動勢ε(t)有以下關系：

(14)

方程滿足初始條件：

i(0)=0

(15)

推導得到i(t)的表達式為：

(16)

4 實 驗

4.1 實驗設計

圖4為發(fā)生器的實驗照片，共進行兩組實驗。為了降低電路的復雜程度、減少計算過程，實驗中發(fā)生器采用釹鐵硼永磁體作為唯一初始能源，利用兩塊N35釹鐵硼永磁體在同一端面同軸吸附磁芯為其提供初始磁場。所用釹鐵硼的剩磁為1.17～1.21 T，矯頑力為876～899 kA/m，最大磁積能為263～279 kJ/m3，直徑為25 mm，單塊厚度為5 mm，沿軸線方向均勻充磁。磁芯由直徑150 μm的鐵粉顆粒壓制成型，直徑25 mm，長25 mm，壓制密度6.2 g/cm3，常溫下相對磁導率μr可達103數(shù)量級，居里溫度約為770 ℃。螺線管由直徑1.2 mm的漆包線纏繞而成，共17圈。兩組實驗分別使用TNT和8701高能炸藥，其他條件相同。圖5為發(fā)生器及實驗裝置結構示意圖，用高壓探頭測量發(fā)生器兩端電壓脈沖曲線，通過數(shù)字示波器進行記錄。

圖4 實驗照片F(xiàn)ig.4 Photograph of experiment

圖5 發(fā)生器及實驗裝置結構示意圖Fig.5 Schematic of generator and experiment system

4.2 磁場分析

通過Maxwell-3D軟件計算圓柱永磁體相鄰介質(zhì)中的磁感應強度，永磁體采用兩塊直徑25 mm、厚5 mm的N35釹鐵硼同軸吸附，與其同軸接觸的介質(zhì)直徑25 mm、長25 mm。磁芯在相變前為鐵介質(zhì)，高溫相變后磁芯失去磁性，可等效為不導磁的空氣介質(zhì)，假設磁芯相變足夠完全，則鐵介質(zhì)與空氣介質(zhì)內(nèi)磁感應強度的差，可看作磁芯相變前后磁感應強度變化量ΔB。

圖6 釹鐵硼軸線上的磁感應強度曲線Fig.6 Magnetic flux density curveson the axis of Nd2Fe14B

圖7 鐵塊截面的磁感應強度曲線Fig.7 Magnetic flux density curveson the surface of iron

圖6為與釹鐵硼相鄰介質(zhì)內(nèi)軸線上與接觸表面不同距離的磁感應強度分布曲線的數(shù)值模擬結果，相鄰介質(zhì)分別為空氣、鐵，F(xiàn)e-Air為兩種磁感應強度的差值曲線。為方便計算，對差值曲線做x變換，得出以磁芯與炸藥接觸面作為坐標原點、以磁芯與永磁體接觸面處為磁芯長度lm的一元函數(shù)ΔB(x)。圖7為與釹鐵硼同軸吸附的圓柱鐵塊在距離二者接觸面0和25 mm處截面上到軸線不同距離處的磁感應強度分布曲線的數(shù)值模擬結果。由圖7可知，本實驗條件下鐵塊截面內(nèi)的磁感應強度比較均勻，只在半徑最大處存在較大變化，為簡化計算，將磁芯截面上的磁感應強度均看作相應位置軸線上的磁感應強度B(x)。

結合計算得到的沖擊波速度Dm、差值曲線變換得到的ΔB(x)以及式(13)，計算得出TNT炸藥驅(qū)動下發(fā)生器的感應電壓為142.4 V，8701炸藥驅(qū)動下發(fā)生器的感應電壓為155.7 V。

4.3 實驗結果

圖8 實驗測得的電壓波形Fig.8 Voltage curves of generator

圖8為驅(qū)動炸藥分別為TNT與8701時得到的兩組電壓曲線。實驗通過探頭直接連接發(fā)生器兩端的方法測量其電壓變化，由于測試電路中的負載電阻RL遠大于其他元件的阻抗，因此示波器測得電壓信號即可視為發(fā)生器產(chǎn)生的電壓脈沖。由圖8可以看出，采用爆速相對較低的TNT作為發(fā)生器磁芯相變的驅(qū)動炸藥時，電壓脈沖的峰值約116 V；采用爆速相對較高的8701作為發(fā)生器磁芯相變的驅(qū)動炸藥時，電壓脈沖的峰值約132 V。實驗所得數(shù)據(jù)偏小于理論計算結果，原因較復雜，其中將磁芯內(nèi)沖擊波的傳播速度看做恒值、將磁芯磁感應強度變化量簡化為一維函數(shù)以及未考慮除負載電阻外電路中的其他阻抗為主要原因。由于8701炸藥爆炸后傳入磁芯的沖擊波速度和壓力更大，因此，裝有8701炸藥的發(fā)生器產(chǎn)生的電壓脈沖幅值高于裝有TNT炸藥的發(fā)生器，實驗結論驗證了本文理論研究的正確性。

5 結 論

對爆炸式電磁感應脈沖發(fā)生器的工作機理進行了研究，對發(fā)生器工作中炸藥的爆炸沖擊過程進行了理論計算與Autodyn模擬，得到了TNT與8701炸藥爆炸后傳入磁芯的沖擊波初始速度與壓力，以及磁芯內(nèi)部沖擊波參數(shù)的變化。建立了具有初始電壓和初始靜磁場裝置的發(fā)生器的工作電路模型，得出了發(fā)生器工作前后電量與磁量的轉(zhuǎn)換關系。通過對不同炸藥驅(qū)動發(fā)生器的實驗研究，證明了爆速較高的炸藥驅(qū)動發(fā)生器可產(chǎn)生更高的脈沖電壓峰值。作為一種新結構的脈沖發(fā)生器，爆炸式電磁感應脈沖發(fā)生器具有體積小、成本低且結構靈活等特點，在電磁脈沖戰(zhàn)斗部領域中有非常大的發(fā)展空間。

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(責任編輯 丁 峰)

Explosion-driven electromagnetic induction pulse generator

Ben Chi, He Yong, Pan Xuchao, He Yuan, Ling Qi

(MinisterialKeyLaboratoryofZNDY,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,Jiangsu,China)

In this work, based on the traditional pulse generators, we present an electromagnetic induction generator driven by explosion as a new technology of electromagnetic pulse generator. Having described the working process of the generator, we simulated and calculated the shock process of the explosion. Furthermore, we established the model for the working circuit of the generator with initial voltage and static magnetic, obtaining the calculation method of the induced voltage. An experimental generator with initial static magnetic provided by permanent magnet was designed, and the generators respectively fitted with two different explosives were tested. The experimental results show that the generator driven by higher detonation velocity of explosive can produce higher peak and shorter rise time voltage pulse, which are found to be a little lower than the calculation results due to the simplification in theoretical calculation of the magnetic field of the core and the velocity of shock wave.

mechanics of explosion; phase transformation; electromagnetic induction; pulse generator

10.11883/1001-1455(2016)01-0043-07

2014-07-01； < class="emphasis_bold">修回日期：2014-11-10

2014-11-10

國家自然科學基金項目(11502118);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目(KYLX_0401)

賁 馳(1990— )，男，博士研究生;

何 勇,yhe1964@mail.njust.edu.cn。

O382.3 <國標學科代碼：1303520 class="emphasis_bold"> 國標學科代碼：1303520 文獻標志碼：A國標學科代碼：1303520

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