磁通壓縮發生器在射流箍縮方面的運用分析

呂慶敖， 黃　旭， 雷　彬， 向紅軍， 孟學平

(軍械工程學院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

磁通壓縮發生器在射流箍縮方面的運用分析

呂慶敖， 黃旭， 雷彬， 向紅軍， 孟學平

(軍械工程學院彈藥工程系， 河北 石家莊 050003)

摘要：在對磁通壓縮發生器的基本原理和分類情況進行分析的基礎上，總結了近年來磁通壓縮發生器的發展現狀，歸納了磁通壓縮發生器的技術特征和發展趨勢。從新型軍事應用的背景出發，初步探討了磁通壓縮發生器技術在射流箍縮方面的運用前景，分析了運用環境與平臺技術銜接，討論了磁通壓縮發生器設計需考慮的主要技術問題。

關鍵詞：脈沖功率電源； 磁通壓縮發生器； 破甲彈； 成型裝藥射流； 箍縮

人們在電磁裝甲研究過程中發現:軸向強脈沖磁場可對金屬射流產生箍縮和穩定作用[1]。此現象吸引了專注于傳統藥型罩破甲技術的專家，由此出現了金屬射流的電磁增強或電磁穩控技術。

磁通壓縮發生器(Magnetic Flux Compression Generator, MFCG)是一種通過釋放化學能使導體運動做功并壓縮種子磁通、實現瞬間發電的脈沖功率發電裝置，在極端物理環境、軍事和科研領域具有獨特的運用。作為體積小、質量小的脈沖功率發電裝置，MFCG可以作為未來強磁場射流箍縮作用的彈載電源。由于MFCG具有“在緊湊的小型平臺產生足夠強的脈沖電磁場能量”及“爆轟系統與電磁系統相互兼容性”的優點，因此，基于MFCG產生的強磁場作用的金屬射流箍縮技術將會給未來反裝甲戰斗帶來顯著的變化。

1MFCG

1.1概述

MFCG于20世紀50年代由前蘇聯的Sakharov院士提出，基礎理論是基于阿耳芬于1942年發表的磁場凍結效應——在完全導電的流體內磁力線將被“凍結”在流體中，即通過運動的理想導電流體的任意一個閉合回路中的磁通量是守恒的[2]。簡單地說，MFCG就是利用各種手段壓縮磁通，將機械能快速轉化為電磁能的裝置。

MFCG按照結構不同可以分為3類[3]：1)一次性使用的爆炸式磁通壓縮發生器，相應的名稱為爆炸磁通壓縮發生器或爆磁壓縮發生器；2)旋轉式磁通壓縮發生器，相應的名稱為旋轉磁壓縮發生器、補償脈沖交流發電機等；3)活塞式磁通壓縮發生器，相應的名稱為脈沖直線發電機、直線通量壓縮器和磁通壓縮功率器等。其中，爆炸磁通壓縮發生器根據結構的不同，可分為同軸型磁通壓縮發生器、螺線圈型磁通壓縮發生器、平板型磁通壓縮發生器、環圈型磁通壓縮發生器、圓盤型磁通壓縮發生器等多種類型[4]。典型的爆炸式螺線圈型磁通壓縮發生器基本結構如圖1所示。

圖1　爆炸式螺線圈型磁通壓縮發生器基本結構

MFCG的理論基礎是基于電路模型的磁通守恒。MFCG通常包括初始磁通產生源、發生器本體和負載3個部分，可以看作電感和電阻的串聯回路，如圖2所示。在MFCG作用過程中，電感和電阻都是時刻變化的多變量函數，為求簡化，設總電感L(t)僅為時間函數，總電阻R為常量，回路電流為I(t)，根據基爾霍夫回路電壓定理可得：

(d/dt)[L(t)I(t)]+RI(t)=0。

(1)

若電阻R小到可以忽略的理想狀況，則方程(1)的解為

L(t)I(t)=L(0)I(0),

(2)

即任何時刻的總磁通都等于初始時刻的總磁通，這就是磁場凍結效應，即磁通守恒原理。MFCG就是根據上述原理，通過外部作用實現電感快速下降，使

圖2　磁通壓縮發生器等效電路

電流放大,繼而使總磁能0.5L(t)I2(t)也相應變大的裝置。

經過長時間的發展，MFCG在許多方面已經獲得了較高的性能，如：由于小體積內積累起來的磁場強度遠遠高于超導體提供的磁場強度，因此MFCG非常適合用來產生2 000 T以上的超強磁場；由于單次脈沖電源功率可以達到若干太瓦，因此其能提供數百兆焦的能量；把此類發生器發射至電離層的實驗[5]已經得以實現。

1.2研究現狀

目前，適用于小型平臺的磁通壓縮發生器主要包括活塞式磁通壓縮發生器和爆炸式磁通壓縮發生器2種。

在活塞式磁通壓縮發生器方面，Kapustjanenko等[6]首先提出了活塞式磁通壓縮發生器帶動軌道炮的系統概念。Mongeau[7]完成了搭載于坦克或裝甲車輛上、20 MJ電能輸出的活塞式磁通壓縮發生器初步系統工程設計。Goldman等[8]首次完成了典型活塞式磁通壓縮發生器試驗。嚴萍等[9]設計了活塞式磁通壓縮發生器裝置實驗樣機，并進行了實驗研究。在基礎概念方面，呂慶敖等[10]開展了磁通壓縮發生器的概念、特征、分類等系統性基礎研究工作。李鶴等[11]借助仿真軟件Ansoft對靜態下活塞式磁通壓縮發生器電樞進行了仿真研究?；钊酱磐▔嚎s發生器在MFCG家族中出現得并不算太早，但由于其承接于傳統火炮發射技術，直觀地體現了磁通壓縮發生器原理的特點，使它在一段時間內得以快速發展。

在爆炸式磁通壓縮發生器方面，早在第二次世界大戰期間，美國Los Alamos實驗室就曾利用磁通壓縮原理來測量炸藥驅動套筒系統的內爆[12]。1951年，前蘇聯庫爾恰托夫研究所的Sakharov首先提出了利用內爆裝置壓縮磁場[13]。美國的Los Alamos National Laboratory研制了2套實驗裝置：第1套是43 mm的Ranchero系統；第2套是大型的CN-III型系統。43 mm的Ranchero系統已經成功進行了多次實驗，包括帶電感性負載和驅動固體套筒內爆實驗，1998年實驗獲得負載電流39 MA，能量4.8 MJ。CN-III型系統成功地進行了輸入電流6.25 MA、輸出電流150 MA、脈沖前沿小于10 μs的實驗[14]。國內的研究單位早期實現了采用電爆炸網格作為同軸起爆器的軸線起爆式磁通壓縮發生器試驗(使炸藥在電樞軸線同時爆炸)，在初級線圈輸入電流為7.4 kA情況下，可在1.26 μH負載上得到99 kA脈沖峰值電流，其脈沖前沿為22 μs[15]。Sun等[16]介紹了一種多段螺線圈型發生器，其直徑為120 mm,長度為600 mm,質量為10 kg，具有輸出512 kA電流和47.2 kJ能量至360 nH感性負載的能力。陳冬群等[17]對級聯型爆磁壓縮發生器的電路計算進行了研究，提出了一種等效電路計算方法，對級聯型爆磁壓縮發生器的優化設計和應用研究具有較好的指導作用。從事實驗天體物理學研究的Moser等[18]在一次粒子流沖擊模擬實驗中觀察到了磁通量聚集效應，其中該效應在粒子流因沖擊而堆疊時尤為顯著。Nakamura等[19]研究了如何利用法拉第旋轉效應測量裝置精準測定磁通壓縮發生器產生的超強磁場，并且嘗試在實驗中對測量裝置進行校正。凌萬春[20]討論了爆磁壓縮發生器作為激光器驅動能源結構的可能性，并設計了相應的應用方案。針對爆磁壓縮發生器高精度延時起爆控制的要求，史云雷等[21]建立了基于電路控制延時方案的最佳起爆時序模型，分析其時序誤差散布并設計了一種滿足要求的爆轟驅動飛片型高功率放電開關。由于爆炸式磁通壓縮發生器概念提出早、發展時間長、研究關注多，因此其成果也比較顯著。

1.3技術特征和發展趨勢

總的來說，MFCG的研究主要有以下技術特征和發展趨勢：

1) 由于MFCG是電磁相關學科的基礎理論——磁場凍結效應——的直接應用，因此在許多類似天體物理學的基礎物理研究中，經常能夠運用到MFCG的原理，即部分前沿學科也在對其進行間接的研究。

2) MFCG的原理簡單明了，其設計制作有較成熟的理論，體積小、質量小、功率密度大，現階段已經能在比較廣泛的領域進行運用，但具體的應用需要結合實際進行專門的設計，并對細節進行諸多優化。

3) 國際上已經對磁通壓縮進行了長時間的研究，目前主要沿2個不同的方向進行：(1)發展基于磁通壓縮原理的脈沖功率電源；(2)產生超強磁場的裝置。方向(1)的目標是應用于一次性的體積小、質量小的脈沖功率設備，可用作微波彈高電壓源或電磁炮強電流源；方向(2)的目標是為物理學基礎研究提供超強磁場環境。

4) 國內成果多見于爆炸磁通壓縮發生器，現階段主要集中于針對專門應用的特定發生器結構設計和計算模型、編碼的研究。

2MFCG在射流箍縮方面的運用分析

2.1MFCG彈載運用環境分析

射流箍縮技術是一種利用強磁場對金屬射流的約束機理，對傳統破甲彈爆轟產生的金屬射流進行人為的磁場干涉，從而維持射流穩定、增強破甲效能的新技術。射流箍縮基本原理如圖3所示，炸藥在壓垮藥型罩后形成射流，利用線圈磁場箍縮通過線圈的射流，使射流保持穩定，從而達到提高穿深的效果。

圖3　射流箍縮基本原理

射流箍縮技術要求磁場在對金屬射流作用的過程中具有瞬時成形及高能量密度的特點，而MFCG因其具有短時間、強脈沖的優點，使之在作為箍縮的能量來源上具有不可比擬的優勢。特別是爆炸式磁通壓縮發生器，其與破甲彈相同，均為裝填炸藥的一次性使用產品，有利于進行技術銜接。目前，雖然爆炸式磁通壓縮發生器技術已經基本成熟，具有實用性特點，但是其在與金屬射流箍縮技術結合運用方面還存在以下不可忽視的問題：

1) 爆炸式磁通壓縮發生器在傳統彈藥上的位置結構設計。傳統彈藥特殊的回轉體結構對其內部的器件構造提出了嚴格要求，設計的爆炸式磁通壓縮發生器必須具有相應的結構特點。而要將MFCG作為一種傳統彈藥增強技術的一部分，雖說概念上有很大差異，但維持其應用本體的基本形態以適應現役裝備應當是基本要求，所以爆炸式磁通壓縮發生器的加入必然要考慮配合彈丸的質心位置、口徑尺寸等參數。

2) 爆炸式磁通壓縮發生器與破甲彈起爆的觸發時序控制。爆炸式磁通壓縮發生器作用時間極短，其峰值電流出現的時間在微秒量級，成型裝藥形成射流的時間與此相差不多。要在射流形成后保證強磁場產生并能對其進行作用，特別是能恰好在上升到峰值時作用，爆炸式磁通壓縮發生器與破甲彈起爆的觸發時序控制將會對上述目標產生關鍵性影響。

3) 爆炸式磁通壓縮發生器裝藥爆炸對破甲射流形成的影響。與射流的形成無論是使用同一裝藥，還是使用單獨的裝藥，都可以預測到在傳統彈藥狹小的空間內，爆炸式磁通壓縮發生器作用時裝藥爆轟形成的膨脹波和稀疏波會使彈內環境發生劇烈變化。這些變化是否會對后續射流的穩定形成產生影響，產生的影響又該如何消除，必然是要重點關注的問題。

4) 爆炸式磁通壓縮發生器自身部件結構強度校核。將金屬射流箍縮技術應用到火炮彈藥時，其發射時整體結構承受的高過載是不可回避的問題。磁通壓縮發生器內包含有電氣器件，其整個結構的抗過載能力理應加以考慮。

若能解除上述問題的制約，基于磁通壓縮發生器的強磁場金屬射流箍縮技術將帶來反裝甲武器系統的全面革新。

2.2MFCG設計的主要技術問題

MFCG的設計涵蓋了爆轟理論、磁擴散理論、磁流體理論、脈沖功率技術等多方面的知識，不同類型、不同作用的MFCG對設計的要求也不盡相同。經過多年的探索，在MFCG設計中也形成了一些公認的經驗[5]：設計多采用效率更高的內爆式設計；螺線圈型能有更大的初始電感；內爆型螺線圈發生器線圈與套筒直徑的最佳比值大都在2左右。然而,除了這些經驗，在MFCG設計中，大到用于產生瞬間超強磁場的裝置，小到提供初始能源的小型部件，均需考慮以下主要技術問題。

2.2.1考慮磁擴散的計算模型

MFCG驅動導體電樞使磁場壓縮變形的過程，一般采用磁流體動力學方程進行描述，該方法難以采用解析方法進行求解，一般多采用數值計算方法求解。現代計算機技術的快速發展已經滿足針對MFCG的具體設計進行計算的需求，然而考慮到因磁場向導體內擴散而導致的磁通損失，優良的計算模型更有助于提高計算精度和速度?，F已出現了實用的0、2、3維模型，各大實驗室、研究機構也推出了通用或針對具體型號的計算編碼，如SCAT95通用電路分析編碼、CAGEN螺線圈型發生器商用計算編碼等[3]。

2.2.2脈沖成形網絡設計

MFCG產生的能量普遍儲存在約10 nH量級的電感中，但是裝置中的電流可能高達上百兆安。為了將這些能量傳輸到發生器負載(一般情況下其電感均會大于發生器電感)，裝置輸出端要使用脈沖銳化或匹配裝置將發生器的能量耦合到負載上。因此，設計包含有高速開關、脈沖變壓器、火花間隙開關、脈沖銳化電感器等部件的脈沖成形網絡，整形發生器輸出電脈沖以優化負載性能，就成為了MFCG設計很重要的一環。

2.2.3負載匹配設計

經過長時間的發展，MFCG已經在各個方面開辟了應用領域，導致發生器的負載性質變化范圍很大。無論是電感性的、電容性的還是電阻性的負載，為了使整個裝置良好匹配、有效運行，將負載特性考慮在內的匹配設計必不可少。納入各種負載特性重新研究的解析表達式和計算機模擬模型，能夠計算模擬各種實驗裝置中變化的過程。

2.2.4消除放電擊穿損失的設計

MFCG在運行過程中，激變的磁場在發生器內部引發強大的電場，特別是用于產生強磁場的裝置。相比之下，產生強電流的發生器具有的電場相對較低。如果磁場平行于導體表面，由E=vnB可知：電場強度E僅與導體速度法向分量vn有關，當磁感應強度B=100 T，vn=1 km/s時，計算可得E=100 kV/m。另外，發生器中套筒與載流體可能存在夾角，極易產生內部放電擊穿，導致壓縮磁場的能力下降并造成損失。因此，在MFCG設計中必須考慮內部電壓擊穿問題，并根據具體的發生器結構類型及前期的估算，運用諸如采用環氧樹脂等固體電介質絕緣、充填氟利昂等絕緣氣體的方法，調整發生器設計。

3結論

MFCG從二戰結束后發展至今，已經成為了一種較成熟的高能量密度脈沖功率源，能在多樣的空間條件下作為電源使用，在特種實驗研究、軍工科技等方面具有廣闊的應用前景。

基于把MFCG運用到金屬射流箍縮技術方面的嘗試，筆者分析了使用平臺和爆磁壓縮發生器本身的設計原則和基本問題，為下一步針對射流箍縮技術的發生器設計研究奠定了基礎，將有效促進射流箍縮技術的發展。

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(責任編輯: 尚彩娟)

Analysis on the Application of Magnetic Flux Compression Generatorin the Jet Pinch

Lü Qing-ao, HUANG Xu, LEI Bin, XIANG Hong-jun, MENG Xue-ping

(Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China)

Abstract：Based on analyzing fundamental and classification of Magnetic Flux Compression Generator (MFCG), the latest researches on MFCG and its developmental direction are summarized. Prospective of application on MFCG in the shaped-charge jet pinch is studied according to new military demands, connection between applied environment and platform technology is analyzed, and the main technical pro-blems of MFCG design at present are discussed.

Key words:pulse power supply; Magnetic Flux Compression Generator (MFCG); High-Explosive Anti-Tank (HEAT); shaped-charge jet; pinch

文章編號：1672-1497(2016)01-0058-05

收稿日期：2015-11-06

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51307182)

作者簡介：呂慶敖(1968-)，男，副教授，博士。

中圖分類號：TM91

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.012