史云雷，張 合，馬少杰，顧 林，賀 海

(南京理工大學(xué)智能彈藥技術(shù)國防重點學(xué)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(quán)的關(guān)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(guān)鍵器件，精確的彈載延時起爆控制技術(shù)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(guān)鍵因素之一。

國防科技大學(xué)劉建平、鐘巍等采用同軸型導(dǎo)爆索延時開關(guān)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(shè)計了一種同軸式同步開關(guān)，實現(xiàn)控制延時95μs，實際延時96μs［8］;北京理工大學(xué)蘇建河分析了使用爆炸閉合開關(guān)和導(dǎo)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(jié)效應(yīng)，利用炸藥爆炸壓縮磁通，從而將炸藥的部分化學(xué)能轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(guān)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(dǎo)爆管延時、導(dǎo)爆索延時、電路控制延時等?；鹚幯訒r和導(dǎo)爆管延時控制精度達不到要求，導(dǎo)爆索延時應(yīng)用廣泛，但裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜［6－8］。電路控制延時利用高精度延時電路控制爆轟驅(qū)動的放電開關(guān)和MFCG起爆裝置先后工作以實現(xiàn)時序匹配，其結(jié)構(gòu)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(guān)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(guān)閉合信號，T4為其閉合時刻。放電開關(guān)收到初始起爆信號至開關(guān)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(guān)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(qū)動電樞膨脹至接觸撬斷開關(guān)等時間之和，可通過仿真或?qū)嶒灉y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(dǎo)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(guān)起爆藥作用時間誤差;放電開關(guān)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(qū)動電樞膨脹時間誤差等。實際延時τ可用相關(guān)參變量表示成式(3)所示的函數(shù)形式:

應(yīng)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(shè)為0，相應(yīng)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(cè)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(qū)動飛片型高功率放電開關(guān)

爆轟驅(qū)動飛片型高功率放電開關(guān)是采用電路控制延時方案中的關(guān)鍵器件，其主要性能參數(shù)包括閉合響應(yīng)時間誤差、導(dǎo)通時間長度、耐壓值以及放電效率。閉合響應(yīng)時間誤差影響系統(tǒng)的時序控制精度;導(dǎo)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(yīng)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(shè)計了一種微秒級電雷管直接驅(qū)動飛片型高功率閉合放電開關(guān)，該開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，電流導(dǎo)通能力強，閉合響應(yīng)時間可以精確到微秒，因而能夠用作MFCG充電時的閉合開關(guān)，實現(xiàn)發(fā)生器的爆炸同步。

2.1 開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計

爆轟驅(qū)動飛片型高功率放電開關(guān)結(jié)構(gòu)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(qū)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(guān)閉合。

圖4 開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.4 Structure design of switch

常規(guī)彈載條件下，為使開關(guān)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(qū)動飛片，該方式作用可靠且精度高，帶來的問題是開關(guān)響應(yīng)時間較長，但只要誤差散布較小，響應(yīng)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(xué)狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)，避免飛片中產(chǎn)生層裂現(xiàn)象［12］。飛片采用硬鋁材料，質(zhì)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(shè)計為十字狀，便于被剪切且不影響飛片動作。絕緣套筒內(nèi)腔設(shè)有錐度，飛片接觸電極同時與腔壁產(chǎn)生摩擦，使開關(guān)閉合后具有一定的自鎖能力;電極選用紫銅材料且頂端設(shè)置為尖錐狀，改善開關(guān)高速閉合時的接觸抖動。

2.2 開關(guān)耐壓能力分析

放電開關(guān)必須承受電容器所充的電壓，確保導(dǎo)通前不擊穿，因此對開關(guān)有一定的耐壓要求。由于彈體內(nèi)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(guān)兩電極間屬于直流高壓。利用數(shù)值仿真軟件Comsol Multiphysics對開關(guān)充電后的電場分布進行模擬，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 放電開關(guān)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(guān)內(nèi)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(zhì)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(shè)計時為保證開關(guān)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(guān)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(dǎo)致爆轟產(chǎn)物流場產(chǎn)生一定的邊側(cè)稀疏效應(yīng)，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(guān)結(jié)構(gòu)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(qū)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(zhì)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(xué)響應(yīng)。

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(guān)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(guān)閉合放電性能實驗測試與分析

圖7 開關(guān)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(guān)實物圖Fig.8 Detonation-driving-flyer discharge switch

為測試開關(guān)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(guān)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(guān)進行了不同電壓下閉合放電性能的測試，實驗前后開關(guān)實物如圖8所示。除去1只開關(guān)因示波器誤觸發(fā)未采集放電波形，1只開關(guān)因裝配失誤導(dǎo)致響應(yīng)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(guān)高壓下放電實驗波形，圖9中階躍信號為開關(guān)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(yīng)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(yīng)時間為開關(guān)收到起爆信號至開關(guān)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(dǎo)通時間表示開關(guān)閉合后穩(wěn)定放電時間。開關(guān)上的損耗主要集中在閉合放電瞬間，引入電荷轉(zhuǎn)移率k表征開關(guān)的放電效率:

圖9 開關(guān)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(nèi)開關(guān)轉(zhuǎn)移電荷量，Q0為電容內(nèi)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(guān)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(guān)內(nèi)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(guān)僅上下端面有一定隆起，開關(guān)外形保持完整，不影響系統(tǒng)其他部分;開關(guān)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(guān)的閉合響應(yīng)時間分布在66±5μs以內(nèi)，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(guān)作用后，開關(guān)完全閉合，放電波形完整，編號2，3，5開關(guān)放電時間超過900μs，6發(fā)開關(guān)導(dǎo)通時間均滿足系統(tǒng)要求;采用首個1/4放電周期內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移率表征開關(guān)的放電效率，6發(fā)開關(guān)放電效率均穩(wěn)定在90%左右，未出現(xiàn)明顯偏差。該開關(guān)與同軸型導(dǎo)爆索開關(guān)相比［6－8］，響應(yīng)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(dǎo)爆索長度，能夠?qū)崿F(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(qū)動飛片型高功率放電開關(guān)和小型MFCG的聯(lián)調(diào)實驗，實驗在爆炸塔內(nèi)進行。

開關(guān)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(guān)，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(guān)導(dǎo)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(jié)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(guān)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(dǎo)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(guān)鍵參數(shù)并對累計誤差進行計算，預(yù)估時序控制精度;微秒級電雷管直接驅(qū)動飛片型高功率放電開關(guān)，外形小巧且結(jié)構(gòu)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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