基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電

王紅麗，馬旭輝，郭軍獻(xiàn)

（1．機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2．西安機(jī)電信息研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

電源是電子引信的核心部件，隨著引信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電源的要求越來(lái)越高，而彈藥技術(shù)的進(jìn)步，特別是彈速的提高，使得可利用的環(huán)境發(fā)生改變。為此，人們總是不斷地為引信尋找新型電源。

磁流體發(fā)電是利用高溫等離子氣體（或液態(tài)金屬）等導(dǎo)電流體與磁場(chǎng)的相互作用，把熱能直接轉(zhuǎn)化成為電能的新型發(fā)電方式，無(wú)須經(jīng)過(guò)變換為機(jī)械能的中間階段，不需要運(yùn)動(dòng)部件。它所用的工作氣體通常是煤、天然氣或石油等礦物燃料燃燒產(chǎn)生的高溫電離的導(dǎo)電氣體。自1959年美國(guó)磁流體發(fā)電原理實(shí)驗(yàn)成功后，許多國(guó)家（主要是美國(guó)和前蘇聯(lián)）都首先發(fā)展軍事用途的磁流體發(fā)電機(jī)，如激光電源、電磁炮電源。中國(guó)科學(xué)院電工研究所和原一機(jī)部上海汽鍋所研制的500 k W短時(shí)間磁流體發(fā)電機(jī)也都是設(shè)想用于武器電源的。由于武器本身的研制很不理想，對(duì)電源提不出進(jìn)一步要求，磁流體發(fā)電機(jī)的研制得不到發(fā)展。在上世紀(jì)70年代初磁流體發(fā)電的研究停頓了一段時(shí)間，由于能源危機(jī)，在70年代末各國(guó)把磁流體發(fā)電的研究轉(zhuǎn)向了民用［1］。另有一種軍事用途的磁流體發(fā)電機(jī)是爆炸磁流體發(fā)電機(jī)，能量轉(zhuǎn)換是在沖擊波氣體流大條件下發(fā)生的，它的研究已有40多年的歷史。在不同國(guó)家里這種爆炸磁流體發(fā)電機(jī)已有十多臺(tái)。在上世紀(jì)90年代南京理工大學(xué)開(kāi)展了利用固體火箭發(fā)電機(jī)作為等離子體射流源的磁流體發(fā)電的研究，設(shè)計(jì)并試驗(yàn)了小型磁流體發(fā)電裝置［2］。目前尚未有資料或報(bào)道提出利用氣動(dòng)熱產(chǎn)生的高溫等離子體來(lái)進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)或裝置。

隨著彈藥遠(yuǎn)程化，長(zhǎng)時(shí)間高速飛行環(huán)境會(huì)使引信電源面臨新問(wèn)題，例如渦輪發(fā)電機(jī)軸承無(wú)法承受；熱電池使電子電路處于高溫下，并且工作時(shí)間有限等。基于此，本文提出一種新的基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電技術(shù)。

1 磁流體發(fā)電的工作原理及特點(diǎn)

磁流體發(fā)電所依據(jù)的基本原理是等離子體的霍耳效應(yīng)，使爆炸或燃燒產(chǎn)生的等離子體高速通過(guò)具有強(qiáng)磁場(chǎng)的通道，等離子體切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)［3］。一般磁流體發(fā)電裝置由燃燒室、發(fā)電通道和磁體等部分組成。燃料在燃燒室中燃燒，產(chǎn)生出溫度很高（高于2 000℃）的等離子體，在燃燒室的末端裝有加速噴管，使高溫等離子體以約1 000 m／s的速度噴出，如果在垂直于氣流的方向上加有磁場(chǎng)，則氣體中的正負(fù)離子，在洛倫茲力的作用下，帶正電的離子移向正電極，而電子移向負(fù)電極，于是在兩極上就形成了很高的電勢(shì)差。當(dāng)與外電路接通時(shí)，負(fù)載上就有電流通過(guò)。磁流體發(fā)電原理如圖1所示。

圖1 磁流體發(fā)電原理圖Fig．1 Schematic diagram of MHD generation

一般的磁流體發(fā)電系統(tǒng)主要由燃燒室、發(fā)電通道和產(chǎn)生磁場(chǎng)的磁體組成。1）燃燒型等離子體發(fā)生器——燃燒室及其加速噴管，起作用是通過(guò)礦物燃料與氧氣或壓縮預(yù)熱空氣的燃燒產(chǎn)生高溫等離子體，經(jīng)過(guò)加速噴管達(dá)到磁流體發(fā)電所要求的溫度與速度；2）發(fā)電通道，其作用是在發(fā)電通道內(nèi)等離子體高速穿過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，將熱能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)電極輸出；3）磁體，由高性能的永磁體或超導(dǎo)磁體組成，其作用是為發(fā)電通道提供較高的磁感應(yīng)強(qiáng)度。其中發(fā)電通道是磁流體發(fā)電的專用部件，叫做磁流體發(fā)電機(jī)［1］。除以上三大部件，最好還有擴(kuò)壓器，其作用是連接在發(fā)電通道出口處，使發(fā)電通道的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓力。

磁流體發(fā)電并不是開(kāi)辟新能源，而是一種新的能源轉(zhuǎn)換方式。在磁流體發(fā)電系統(tǒng)中除導(dǎo)電流體外無(wú)運(yùn)動(dòng)零部件，其特點(diǎn)在于：熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，單機(jī)容量大；發(fā)電啟停動(dòng)作快；對(duì)環(huán)境污染較小等［4］。由于它發(fā)電啟停快，很適于滿足“尖端負(fù)荷”及軍事武器裝備方面特殊電源使用。它將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，從而大幅度提高發(fā)電效率。

2 基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電

2．1 基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電的工作原理

基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電的工作原理如圖2所示。彈丸在高速飛行過(guò)程中，彈丸頭部空氣受到壓縮而產(chǎn)生極大的熱量，彈丸飛行速度越快，氣流溫度就會(huì)越高［5］，當(dāng)空氣的溫度達(dá)到一定值以后，空氣中的成份就會(huì)發(fā)生電離形成等離子體，通過(guò)進(jìn)氣通道使高溫等離子體氣流的速度增加至需要的速度并將其引入發(fā)電通道，等離子體高速穿過(guò)與流動(dòng)速度方向相垂直的強(qiáng)磁場(chǎng)，在洛倫茲力的作用下，帶正電的離子移向正電極，而電子移向負(fù)電極，使兩極之間產(chǎn)生電勢(shì)差，將兩側(cè)電極與引信電路相接便可引出電流而獲得電功率，只要彈丸的速度足夠高，繼續(xù)產(chǎn)生等離子體，就可以持續(xù)不斷地為引信提供電能。

圖2 基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電機(jī)原理圖Fig．2 Schematic diagram of f uze MHD generator based on aer oheating

2．2 基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電的組成與特點(diǎn)

基于氣動(dòng)熱的引信用磁流體發(fā)電機(jī)與一般磁流體發(fā)電最大的不同在于產(chǎn)生等離子體的方式不同。一般磁流體發(fā)電產(chǎn)生等離子體的方法是通過(guò)化石燃料燃燒或者爆炸產(chǎn)生的；這個(gè)過(guò)程需在燃燒室，也就是等離子體發(fā)生器中實(shí)現(xiàn)。而基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電所用的等離子體是通過(guò)高速飛行的彈丸壓縮空氣產(chǎn)生極大的熱量將空氣電離產(chǎn)生的，不需要專門(mén)的發(fā)生裝置。基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電的基本組成由將頭部高溫氣體形成磁流體發(fā)電需要的等離子體的進(jìn)氣通道、實(shí)現(xiàn)磁流體發(fā)電的發(fā)電通道、將氣體排出引信體外又需不影響引信外流場(chǎng)的排氣通道組成，如圖2所示。發(fā)電通道內(nèi)由磁極、電極以及用于保護(hù)磁極電極的抗高溫絕熱材料組成。在彈丸表面產(chǎn)生的高溫高速氣體對(duì)系統(tǒng)原本是有害的，將其引入發(fā)電通道用來(lái)發(fā)電，一方面消除了彈丸過(guò)熱對(duì)其造成的不利影響；另一方面為引信提供了一種新型電源。磁流體發(fā)電沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，可解決傳統(tǒng)引信用物理電源在彈丸高速時(shí)存在的強(qiáng)度問(wèn)題。與化學(xué)電源相比，可以實(shí)現(xiàn)百分百無(wú)損檢測(cè)，而且不存在環(huán)境污染問(wèn)題。

3 可行性分析

為驗(yàn)證基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電的可行性，設(shè)計(jì)了一種磁流體發(fā)電機(jī)。引信用磁流體發(fā)電機(jī)的布置和結(jié)構(gòu)首先由它的工作原理所決定，其次還應(yīng)能為引信提供所需能量，而且不能影響引信本身的結(jié)構(gòu)及彈丸環(huán)境。依據(jù)引信用磁流體發(fā)電的工作原理，參照開(kāi)環(huán)磁流體發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及俄羅斯和美國(guó)的脈沖磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)［1］，結(jié)合引信用電源的應(yīng)用條件和引信本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并根據(jù)前期對(duì)發(fā)電通道流場(chǎng)仿真的結(jié)果，設(shè)計(jì)了一種基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖3所示。

圖3 基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電機(jī)Fig．3 Fuze MHD generator based on aero heating technology

利用FLUENT軟件對(duì)圖3結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈速為3～7 Ma下的氣動(dòng)熱仿真，得到各彈速下發(fā)電裝置通道內(nèi)氣流的溫度、速度分布。仿真結(jié)果表明：氣流的溫度與速度隨著彈丸速度的增加而增加，且分布形式基本一致。在彈丸速度7 Ma時(shí)，發(fā)電裝置氣體沿軸向的中截面溫度、速度分布圖如圖4、圖5所示；距彈丸頭部30 mm處氣體沿徑向的垂直截面溫度、速度的分布圖如圖6、圖7所示。

圖4 7 Ma時(shí)發(fā)電機(jī)中截面的溫度分布圖Fig．4 Middle section temperat ure distributionof generator at the speed of 7 Ma

圖5 7 Ma時(shí)發(fā)電機(jī)中截面的速度分布圖Fig．5 Middle section velocity distribution of generator at the speed of 7 Ma

由圖4和圖5可以得出：在彈丸速度7 Ma時(shí)發(fā)電通道內(nèi)氣流的溫度與速度分別達(dá)到了2 667 K和1 031 m／s以上，且基本恒定。根據(jù)磁流體發(fā)電條件，要求氣體溫度高于2 000℃、速度在1 000 m／s左右［1］，但由于基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電采用彈丸頭部高溫空氣，空氣電離密度低，致使磁流體電導(dǎo)率低影響磁流體發(fā)電效率，要想實(shí)現(xiàn)磁流體發(fā)電，需要在圖3結(jié)構(gòu)中發(fā)電通道內(nèi)采取噴涂等工藝，添加某些電離電位較低的物質(zhì)，就可以實(shí)現(xiàn)磁流體發(fā)電。由仿真結(jié)果表明：發(fā)電通道內(nèi)氣體溫度、速度分布基本均勻、穩(wěn)定，滿足磁流體發(fā)電條件及要求。考慮到目前引信零部件的常規(guī)材料無(wú)法滿足如此高溫使用要求，在設(shè)計(jì)時(shí)借鑒了燃煤磁流體發(fā)電機(jī)發(fā)電通道的結(jié)構(gòu)及絕緣材料進(jìn)行了隔熱設(shè)計(jì)［1，6－8］。但此設(shè)計(jì)方法并未能完全解決電機(jī)在高溫下工作時(shí)間較長(zhǎng)的要求，因此基于氣動(dòng)熱的引信用磁流體發(fā)電機(jī)在理論上是可行的，但對(duì)其在實(shí)際應(yīng)用的問(wèn)題需做進(jìn)一步研究。

圖6 7 Ma時(shí)發(fā)電機(jī)垂直截面的溫度分布圖Fig．6 Vertical section temperature distribution of generator at the speed of 7 Ma

圖7 7 Ma時(shí)發(fā)電機(jī)垂直截面的速度分布圖Fig．7 vertical section velocity distribution of generator at the speed of 7 Ma

4 結(jié)論

本文提出了一種基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電方式，利用高速?gòu)椡栾w行時(shí)頭部高溫氣體電離后產(chǎn)生的等離子體，進(jìn)入發(fā)電通道切割磁力線進(jìn)行發(fā)電，為引信電路提供能源。仿真結(jié)果表明，本文的設(shè)計(jì)方案滿足磁流體發(fā)電體條件，具有一定的可行性，為引信環(huán)境能源提供一種新的途徑。但對(duì)于基于氣動(dòng)熱的引信磁流體發(fā)電研究尚在探索階段，從實(shí)用化的角度出發(fā)，現(xiàn)有磁流體發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)及材料問(wèn)題都相對(duì)成熟，但引信零部件的常規(guī)材料抗高溫等問(wèn)題以及引信磁流體發(fā)電對(duì)于引信及彈丸本身的影響還有待進(jìn)一步研究，因此，實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題將是下一步研究方向。

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