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(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

逯 喬 , 李黎明 ,尹國福

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)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(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)生了感應(yīng)電動勢和感應(yīng)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(chǎn)生的能量較小。韓國防務(wù)發(fā)展局設(shè)計的磁后坐發(fā)電裝置[2]為圓筒形結(jié)構(gòu)，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(nèi)可以給電容為100F的電容器充電產(chǎn)生4.6V電壓。本文對傳統(tǒng)的磁后坐發(fā)電裝置進行結(jié)構(gòu)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(shè)計

磁后坐發(fā)電裝置在高過載下產(chǎn)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(guān)系見圖1[3]。

圖1 磁后坐發(fā)電裝置供能設(shè)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(chǎn)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(jīng)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(jīng)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(yīng)定律的分析可以得出，在此電源產(chǎn)生能量的過程中，產(chǎn)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(chǎn)生的感應(yīng)電動勢的表達式為：

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

2 實驗過程及結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)中最基本的一種實驗裝置，主要測量材料的動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，被國內(nèi)外廣泛地應(yīng)用于材料的動態(tài)力學(xué)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(chǎn)能，將產(chǎn)生的波形記錄下來可用于對比研究。設(shè)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(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的不同，共設(shè)計了4種永磁體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。