智能火工品用磁后坐發(fā)電裝置結構優(yōu)化研究

逯 喬 , 李黎明 ,尹國福

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智能火工品用磁后坐發(fā)電裝置結構優(yōu)化研究

逯 喬 , 李黎明 ,尹國福

（陜西應用物理化學研究所 應用物理化學國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

針對智能微小型火工品對物理電源的需求，提出了磁后坐發(fā)電物理電源的結構優(yōu)化設計。通過霍普金森桿撞擊實驗，對發(fā)電裝置進行多組高過載實驗對比研究，得出采用軸向充磁同極相對的永磁體和分布槽繞組結構的線圈會在一定程度上增加發(fā)電裝置的發(fā)電效率。試驗表明優(yōu)化后的磁后坐發(fā)電裝置在20 000g的加速度情況下可以穩(wěn)定地起爆電點火頭。

微小型火工品；物理電源；磁后坐發(fā)電裝置；高過載

現(xiàn)代戰(zhàn)場的復雜性對武器系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，因此火工品也向著智能化、小型化的方向發(fā)展[1]。目前火工品主要的供電方式是使用彈載電池，隨著火工品的不斷發(fā)展，也衍生出除彈載電池之外的多種供電方式。

物理電源因具有可無損檢測、可重復使用、耐長儲、良好的高低溫、高安全等特性而倍受重視[1]。磁后坐發(fā)電裝置作為一種重要的物理電源在火工品應用領域發(fā)揮著重要作用。磁后坐發(fā)電裝置是一種脈沖式電源，裝置在后座力的作用下，永磁體相對于線圈做軸向直線運動，使穿越線圈里的磁通量發(fā)生了變化，從而在線圈里產生了感應電動勢和感應電流。但是由于磁后坐發(fā)電裝置采用脈沖方式發(fā)電，其產生的能量較小。韓國防務發(fā)展局設計的磁后坐發(fā)電裝置[2]為圓筒形結構，其直徑為17.7mm，高度為4.1mm，重量為6.0g。在磁芯以30 000g的加速度運動且沒有磁損耗的條件下，在0.56ms內可以給電容為100F的電容器充電產生4.6V電壓。本文對傳統(tǒng)的磁后坐發(fā)電裝置進行結構優(yōu)化探索，目的是使其與儲能電路集成之后，可以為微小型的火工品提供激發(fā)能量。

1 磁后坐物理電源供能系統(tǒng)

1.1 磁后坐物理電源供能系統(tǒng)設計

磁后坐發(fā)電裝置在高過載下產生電能用于激發(fā)微小型火工品?；鸸て酚么藕笞锢黼娫垂┠芟到y(tǒng)的邏輯關系見圖1[3]。

圖1 磁后坐發(fā)電裝置供能設計

在系統(tǒng)中，磁后坐發(fā)電裝置首先在后坐力的作用下產生脈沖電壓，脈沖電壓通過整流裝置后儲存在電容器中。電容器中的電能經過穩(wěn)壓模塊后可以為發(fā)火電路供電，并在打開安保的情況下為微小型火工品提供起爆能量。整個電路由微控制器進行控制，配合振蕩器提供的時鐘脈沖，可以使微小型火工品在發(fā)射后經過一定的延遲時間起爆。

1.2 磁后坐發(fā)電裝置發(fā)電原理

磁后坐發(fā)電裝置是整個供電系統(tǒng)的重點。磁后坐發(fā)電裝置在工作的過程中，由于永磁鐵周圍的磁場分布是非均勻的，線圈和磁鐵之間又存在著相對運動，由法拉第電磁感應定律的分析可以得出，在此電源產生能量的過程中，產生的電動勢既有感生電動勢又有動生電動勢。本研究中任何一匝線圈中所產生的感應電動勢的表達式為：

對于匝數(shù)為的線圈，此過程中產生的總感應電動勢即為各單匝線圈感應電動勢之和，表達式為：

2 實驗過程及結果分析

2.1 實驗裝置

發(fā)電能量較低的劣勢一直以來制約著磁后坐發(fā)電的發(fā)展，實驗將針對磁后坐發(fā)電裝置中的永磁體部分和線圈部分進行新式的結構設計，目的是改善其發(fā)電性能。優(yōu)化后的磁后坐發(fā)電裝置與火工品集成后可以提高火工品的可靠性。

霍普金森桿(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)實驗裝置是材料動力學中最基本的一種實驗裝置，主要測量材料的動態(tài)應力應變關系，被國內外廣泛地應用于材料的動態(tài)力學性能研究[4]。本實驗中利用霍普金森桿的輸入桿直接撞擊磁后坐發(fā)電裝置，其目的是大致模擬彈藥的發(fā)射過程，直線發(fā)電裝置在高過載加速度的環(huán)境下永磁體與線圈之間會進行高速相對位移并產能，將產生的波形記錄下來可用于對比研究。設定霍普金森桿子彈的最高加速度為20 000g，通過計算可以得到子彈最終撞擊輸入桿的速度為35.4 m/s。

圖2 霍普金森桿實驗裝置示意圖

2.2 永磁體結構對比實驗

永磁體充磁方向一般分為兩種，分別為徑向充磁和軸向充磁，這一屬性在永磁體生產過程中就已決定。除了充磁方向，永磁體的拓撲方式也是影響直線發(fā)電裝置輸出的重要因素。對于軸向充磁的永磁體來說，根據(jù)其拓撲方式的不同還可以分為：單個長度永磁體、兩個短永磁體異極相對和兩個短永磁體同極相對。根據(jù)充磁方向和拓撲結構的不同，共設計了4種永磁體結構進行對比，如圖3所示。

圖3 4種待實驗永磁體示意圖

在不改變其他參數(shù)的情況下，進行霍普金森桿撞擊實驗，將直線發(fā)電裝置的輸出電纜接入示波表進行空載電壓的采集，記錄數(shù)據(jù)進行對比分析。

根據(jù)永磁體充磁方向和拓撲結構的不同，一共進行了4組實驗。測得每種方式的電壓波形如圖4所示。