夏明，黃正祥，顧曉輝，祖旭東，王葉中，賈鑫

(1.南京理工大學 智能彈藥技術(shù)國防重點學科實驗室，江蘇 南京210094;2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽471023)

0 引言

磁爆加載技術(shù)是目前提升常規(guī)武器毀傷效能的新概念技術(shù)之一，其突破了傳統(tǒng)的爆炸驅(qū)動毀傷元的模式，利用爆轟到強磁場過程較高的能量轉(zhuǎn)化效率和易于控制的磁場聚焦方法，可形成多種形態(tài)的高效毀傷元，進而對目標進行打擊。該技術(shù)可使炸藥的能量利用率提高30%，進而大幅提高彈藥的毀傷能力。目前，國外未見磁爆加載技術(shù)的詳細報道，而國內(nèi)則是首次開展此研究。

磁爆加載的能源一般為磁爆壓縮發(fā)生器(FCG).它是一種可以把炸藥的化學能轉(zhuǎn)換成電磁能的脈沖能源裝置，已廣泛應(yīng)用于尖端軍事和科研領(lǐng)域［1-3］。而FCG 通常只能單次運行，在作用近區(qū)所產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)和電磁脈沖往往造成量測設(shè)備損壞，實驗成本較高［4-5］。因此，在磁爆加載技術(shù)研究的探索階段，利用脈沖強流發(fā)生裝置、量測裝置和負載裝置構(gòu)建磁爆加載實驗平臺，不僅可方便地調(diào)整脈沖能量，產(chǎn)生脈沖磁動力和電爆炸兩種關(guān)鍵效應(yīng)，較好地反映磁爆加載過程，而且可在確保儀器完好的情況下，獲得較為準確的量測結(jié)果，重復(fù)實驗成本低。因此，本文利用該平臺，對磁爆加載下薄壁金屬管的沖擊變形進行了研究，獲得了加載過程的放電波形，以及不同結(jié)構(gòu)和材料薄壁金屬管的沖擊變形，分析了強流放電特性和金屬管的沖擊變形特性，為進行FCG 直接加載下形成磁聚毀傷元的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

1 實驗設(shè)備

磁爆加載實驗平臺主要由脈沖強流發(fā)生裝置、量測裝置和負載裝置構(gòu)成。其中，脈沖強流發(fā)生裝置為磁爆加載電路提供能源，形成脈沖強電流;量測裝置對加載電路中各元件的電參數(shù)進行檢測，并記錄測試結(jié)果;負載裝置是磁爆加載的效應(yīng)載體，在脈沖強電流的驅(qū)動下，獲得強磁場并加載產(chǎn)生沖擊變形效果。

1.1 脈沖強流發(fā)生裝置

如圖1所示，脈沖強流發(fā)生裝置主要由脈沖電容器組、間隙開關(guān)和直流高壓發(fā)生器等組成。

1)脈沖電容器組:包括4 臺MMJ50-20 型電容器(額定電壓50 kV，電容20 μF)，能夠提供0.1 MJ的最大總能量，最大放電電流為單臺80 kA.

2)間隙開關(guān):為垂直式棒-棒間隙結(jié)構(gòu)，棒體為黃銅，棒端的電極為金屬鎢;外殼為環(huán)氧板材，起到了絕緣和密閉的效果。采用標準分壓器，對30～100 kV 間，每隔10 kV 一檔，對其擊穿電壓進行了標定，每檔的誤差小于5%.

3)直流高壓發(fā)生器:為分體式結(jié)構(gòu)，包括充電控制器和直流高壓塔(見圖1)兩部分。升壓范圍0～160 kV，充電電流小于5 mA，并集成了分壓器，可實時監(jiān)控電路電壓。

1.2 量測裝置

量測裝置主要由電橋、羅氏線圈、示波器和內(nèi)置分壓器等組成。

圖1 脈沖強流發(fā)生裝置Fig.1 Pulsed high-current generating device

1)電橋:TH2821A 型LCR 數(shù)字電橋，用于測量電路元件的電感、電阻和電容等靜態(tài)參數(shù)。測試頻率分為100 Hz、120 Hz、1 kHz 和10 kHz 四檔，電感的最高精度為0.01 μH，電阻為0.1 mΩ，電容為0.01 pF.

2)羅氏線圈:為無磁芯結(jié)構(gòu)，用于測量輸入負載的脈沖電流。在標準沖擊電流試驗裝置上，10～200 kA 的范圍內(nèi)，每隔10 kA 一檔，對其測量的峰值電流進行了標定，標度為48.8 kA/V，每檔的誤差小于5%.

3)示波器:型號為Tektronix-TDS2024，連接羅氏線圈，記錄脈沖電流輸出波形。

4)內(nèi)置分壓器:用于實時測量電容器充電電壓，其集成于直流高壓發(fā)生器的充電控制器內(nèi)，誤差小于0.1 kV.

1.3 負載裝置

負載裝置主要有強磁體和外繞線圈的金屬管。

1)強磁體:如圖2所示，用于在脈沖電流的驅(qū)動下產(chǎn)生軸向梯度的強磁場，從而控制內(nèi)置的金屬管變形。強磁體采用截面積16 mm2的多芯絕緣銅導(dǎo)線繞制，平均外徑約8 mm，中心孔內(nèi)徑40 mm，線圈部分長88 mm;為3 層線圈并聯(lián)的偏置結(jié)構(gòu)，各層線圈與磁體右側(cè)擋板的端面對齊，而各層對稱軸不重合，從內(nèi)向外依次為11、7 和4 匝。

2)外繞線圈的金屬管:如圖3所示，材質(zhì)分別為T2紫銅和工業(yè)純鋁，托架為尼龍，有圓管和截錐管兩種結(jié)構(gòu)，壁厚均為0.5 mm，截錐體的錐角為30°.圖4中所示，所有繞制完成的金屬管，按照材料分為兩組共10 個，每組圓筒結(jié)構(gòu)為3 個，截錐結(jié)構(gòu)2 個;繞組處于管體外側(cè)托架之間，繞組導(dǎo)線為0.75 mm2截面積，24 芯的絕緣銅導(dǎo)線，平均外徑約2.48 mm.

圖2 脈沖強磁體Fig.2 Pulsed high-field magnet

圖3 金屬管結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of the metal tubes

圖4 繞制完成的金屬管Fig.4 Finished metal tubes

2 實驗方法

按圖5進行實驗電路設(shè)置，實物連接見圖1、6 和7.利用直流高壓發(fā)生器對電容器組充電，當電壓升至間隙開關(guān)的擊穿閾值時電路放電，進而驅(qū)動強磁體加載內(nèi)置的外繞線圈金屬管，或直接對金屬管的繞組通流，使金屬管在磁動力和電爆炸的共同作用下發(fā)生沖擊變形;同時，利用羅氏線圈和示波器采集電流波形，存入計算機。

圖5 實驗電路設(shè)置Fig.5 Set of the experimental circuit

在不同的充電電壓條件下，共進行了10 次外繞線圈金屬管磁爆加載的沖擊變形實驗。銅和鋁圓管置于強磁體內(nèi)加載的情況分別實驗了2 次和1 次，見圖6;銅和鋁圓管直接通流加載的情況分別實驗了1 次和2 次，見圖7(a);所有截錐金屬管采用直接通流加載的方式實驗了4 次，見圖7(b).

圖6 強磁體加載時的設(shè)置Fig.6 Set of the high-field magnet loading

3 實驗結(jié)果與分析

實驗測量了各元件的電參數(shù)，記錄了每次間隙開關(guān)的擊穿電壓，見表1，采集了放電電流波形，并對沖擊變形后各金屬管的幾何構(gòu)型進行了量測和分析，見表2.

3.1 強流放電特性分析

由圖5中的實驗電路設(shè)置可以發(fā)現(xiàn)，該電路過程為伴隨脈沖磁動力加載和電爆炸現(xiàn)象的RLC 放電過程。磁動力分布及其第一峰值的時間進程直接影響薄壁金屬管的最終變形［6］，且金屬管的沖擊變形過程和電爆炸發(fā)生均處于頭半周期范圍內(nèi)，因此放電特性的分析重點針對頭半周期范圍。

圖7 直接通流加載時的設(shè)置Fig.7 Set of directly loading

表1 實測參數(shù)Tab.1 Measured parameters

設(shè)電容器組、間隙開關(guān)為理想元件，U、R、L、C、I分別為電容器組充電電壓、電路總電阻、電感、電容和放電電流，則放電電流I 可表示為

表2 金屬管加載結(jié)果Tab.2 Load results of the metal tubes

加載過程電阻、電感參數(shù)的變化將影響電流波形，特別是導(dǎo)體電阻在強流加載并引發(fā)電爆炸時，變化更為劇烈。因此，按照Tucker 等提出的描述金屬電阻率隨電流比作用量變化的計算模型［7］，重點考慮了電阻變化對電流波形的影響。

設(shè)電流密度為j，則比作用量J 為

設(shè)JS和JM分別為熔化態(tài)和液態(tài)的比作用量閾值，ρS和ρM分別為相應(yīng)狀態(tài)的電阻率，ρ0為常溫電阻率，則在磁爆加載下，電阻率ρ［8］為

由表1中對應(yīng)的擊穿電壓值及其他電路實測參數(shù)，按照(1)式～(3)式，考慮加載過程電阻、電感參數(shù)的變化，共獲得了9 組理論波形，選取了其中4 組典型結(jié)果與實測波形進行對比，見圖8.

圖8 實測放電電流波形與理論計算結(jié)果比較Fig.8 Comparison of the measured current waveform with the theoretical calculations

通過波形對比可以發(fā)現(xiàn):

1)放電電流波形在初始段受到明顯的高頻干擾，主要是由于間隙開關(guān)導(dǎo)通時產(chǎn)生的電磁脈沖耦合進入量測系統(tǒng)所致，但隨著加載過程的進行，真實電流信號逐漸明顯，特別是在電流的第一峰值位置基本無干擾，第一峰值可被準確讀取。

2)實測波形與考慮電阻、電感參數(shù)變化計算獲得的理論波形吻合較好，僅在初始段由于實測電流波形的失真，無法匹配;但通過對初始段實測波形的走勢分析可見，理論波形基本處于受擾動波形的平均值中心線上，因此，若濾除高頻干擾，理論波形與實測數(shù)據(jù)應(yīng)基本一致，符合RLC 電路放電規(guī)律。

3.2 金屬管的沖擊變形特性分析

兩種材料和結(jié)構(gòu)的薄壁金屬管在不同的加載方式作用下，表現(xiàn)出不同的沖擊變形特性，圖9顯示了10 次加載實驗獲得的最終金屬管構(gòu)型，其上的標號與表1和2 中的編號對應(yīng)。

由加載后金屬管構(gòu)型可以發(fā)現(xiàn):

1)見圖9中標號7、8、9 和10 的金屬管構(gòu)型，鋁的熔點比銅低，在磁爆強流加載過程中會被氣化，且在磁動力加載下延展性較差，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)碎裂，無法形成穩(wěn)定的熔融態(tài)磁聚毀傷元，因此不適宜作為磁爆加載的毀傷元材料。

2)比較圖9中標號2 和6 的金屬管的構(gòu)型，采用直接加載方式獲得的金屬管變形均為中心對稱分布，且變形大小與外繞線圈的磁場強度分布一致。圖10(35.8 kA 加載下)為圓管體外繞線圈的典型磁場分布曲線，管體中部磁場強度最大，兩端最小。因此，金屬管變形結(jié)果主要是由脈沖磁動力和電爆炸壓力控制，而焦耳熱使管體升溫，強度減小，更易于變形。

圖9 加載后各金屬管構(gòu)型Fig.9 Structure of the loaded metal tubes

圖10 金屬管外側(cè)壁的典型磁場分布Fig.10 Typical magnetic field distribution on the outer surface of the metal tube

3)見圖9中標號1、3 和7 的金屬管構(gòu)型，在外加軸向梯度磁場的作用下，管體呈現(xiàn)明顯的軸向梯度形變，這與變形結(jié)果一致。圖11(35.8 kA 加載下)為強磁體的內(nèi)側(cè)壁典型磁場分布曲線，線圈層數(shù)較多的一端磁場強度較大，而另一端相對較小。因此，通過外加磁場可有效控制金屬管變形結(jié)果。

圖11 強磁體內(nèi)側(cè)壁的典型磁場分布Fig.11 Typical magnetic field distribution on the inner surface of the high-field magnet

4)見圖9中標號4 和5 的金屬管構(gòu)型，加載前截錐口部直徑較大，但在磁動力作用下，使其口部緊縮，結(jié)構(gòu)拉長，并產(chǎn)生了翻轉(zhuǎn)效果，這與圓管的變形結(jié)果明顯不同，在壓力作用下，截錐結(jié)構(gòu)使材料自然向中心匯聚并翻轉(zhuǎn)變形，而圓管要實現(xiàn)類似變形，則需要磁動力的控制，如圖9所示，標號1 和3 的圓管需要外加梯度磁場控制才能形成與之類似的變形趨勢。因此，在利用外磁場，控制加載區(qū)域、增強磁動力幅值和作用時間的條件下，截錐結(jié)構(gòu)更易于形成磁聚毀傷元。

4 結(jié)論

1)以脈沖電容器組為能源時，考慮電阻、電感參數(shù)變化的RLC 電路過程能較好地反映其強流放電特性;采用羅氏線圈量測脈沖電流波形是可行的，而開關(guān)擊穿時產(chǎn)生的高頻干擾不影響電流峰值獲取和放電規(guī)律的分析。

2)相同結(jié)構(gòu)薄壁金屬管的沖擊變形主要受到加載方式的影響，外加磁動力及電爆炸壓力分布決定了加載構(gòu)型的變形結(jié)果，而加載過程產(chǎn)生的焦耳熱使材料顯著升溫，更易于變形，但高溫將導(dǎo)致材料氣化，無法形成熔融態(tài)毀傷元。

3)磁聚毀傷元不宜采用低熔點或低延展性材料，相比鋁材，紫銅更優(yōu);若在利用外加磁場，控制作用區(qū)域、增強磁動力幅值和作用時間的條件下，截錐比圓管結(jié)構(gòu)更易于形成毀傷元。

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