磁爆加载薄壁金属管的冲击变形实验研究

夏明，黄正祥，顾晓辉，祖旭东，王叶中，贾鑫

(1.南京理工大学 智能弹药技术国防重点学科实验室，江苏 南京210094;2.总参工程兵科研三所，河南 洛阳471023)

0 引言

磁爆加载技术是目前提升常规武器毁伤效能的新概念技术之一，其突破了传统的爆炸驱动毁伤元的模式，利用爆轰到强磁场过程较高的能量转化效率和易于控制的磁场聚焦方法，可形成多种形态的高效毁伤元，进而对目标进行打击。该技术可使炸药的能量利用率提高30%，进而大幅提高弹药的毁伤能力。目前，国外未见磁爆加载技术的详细报道，而国内则是首次开展此研究。

磁爆加载的能源一般为磁爆压缩发生器(FCG).它是一种可以把炸药的化学能转换成电磁能的脉冲能源装置，已广泛应用于尖端军事和科研领域［1-3］。而FCG 通常只能单次运行，在作用近区所产生的爆炸效应和电磁脉冲往往造成量测设备损坏，实验成本较高［4-5］。因此，在磁爆加载技术研究的探索阶段，利用脉冲强流发生装置、量测装置和负载装置构建磁爆加载实验平台，不仅可方便地调整脉冲能量，产生脉冲磁动力和电爆炸两种关键效应，较好地反映磁爆加载过程，而且可在确保仪器完好的情况下，获得较为准确的量测结果，重复实验成本低。因此，本文利用该平台，对磁爆加载下薄壁金属管的冲击变形进行了研究，获得了加载过程的放电波形，以及不同结构和材料薄壁金属管的冲击变形，分析了强流放电特性和金属管的冲击变形特性，为进行FCG 直接加载下形成磁聚毁伤元的研究提供了基础数据和指导。

1 实验设备

磁爆加载实验平台主要由脉冲强流发生装置、量测装置和负载装置构成。其中，脉冲强流发生装置为磁爆加载电路提供能源，形成脉冲强电流;量测装置对加载电路中各元件的电参数进行检测，并记录测试结果;负载装置是磁爆加载的效应载体，在脉冲强电流的驱动下，获得强磁场并加载产生冲击变形效果。

1.1 脉冲强流发生装置

如图1所示，脉冲强流发生装置主要由脉冲电容器组、间隙开关和直流高压发生器等组成。

1)脉冲电容器组:包括4 台MMJ50-20 型电容器(额定电压50 kV，电容20 μF)，能够提供0.1 MJ的最大总能量，最大放电电流为单台80 kA.

2)间隙开关:为垂直式棒-棒间隙结构，棒体为黄铜，棒端的电极为金属钨;外壳为环氧板材，起到了绝缘和密闭的效果。采用标准分压器，对30～100 kV 间，每隔10 kV 一档，对其击穿电压进行了标定，每档的误差小于5%.

3)直流高压发生器:为分体式结构，包括充电控制器和直流高压塔(见图1)两部分。升压范围0～160 kV，充电电流小于5 mA，并集成了分压器，可实时监控电路电压。

1.2 量测装置

量测装置主要由电桥、罗氏线圈、示波器和内置分压器等组成。

图1 脉冲强流发生装置Fig.1 Pulsed high-current generating device

1)电桥:TH2821A 型LCR 数字电桥，用于测量电路元件的电感、电阻和电容等静态参数。测试频率分为100 Hz、120 Hz、1 kHz 和10 kHz 四档，电感的最高精度为0.01 μH，电阻为0.1 mΩ，电容为0.01 pF.

2)罗氏线圈:为无磁芯结构，用于测量输入负载的脉冲电流。在标准冲击电流试验装置上，10～200 kA 的范围内，每隔10 kA 一档，对其测量的峰值电流进行了标定，标度为48.8 kA/V，每档的误差小于5%.

3)示波器:型号为Tektronix-TDS2024，连接罗氏线圈，记录脉冲电流输出波形。

4)内置分压器:用于实时测量电容器充电电压，其集成于直流高压发生器的充电控制器内，误差小于0.1 kV.

1.3 负载装置

负载装置主要有强磁体和外绕线圈的金属管。

1)强磁体:如图2所示，用于在脉冲电流的驱动下产生轴向梯度的强磁场，从而控制内置的金属管变形。强磁体采用截面积16 mm2的多芯绝缘铜导线绕制，平均外径约8 mm，中心孔内径40 mm，线圈部分长88 mm;为3 层线圈并联的偏置结构，各层线圈与磁体右侧挡板的端面对齐，而各层对称轴不重合，从内向外依次为11、7 和4 匝。

2)外绕线圈的金属管:如图3所示，材质分别为T2紫铜和工业纯铝，托架为尼龙，有圆管和截锥管两种结构，壁厚均为0.5 mm，截锥体的锥角为30°.图4中所示，所有绕制完成的金属管，按照材料分为两组共10 个，每组圆筒结构为3 个，截锥结构2 个;绕组处于管体外侧托架之间，绕组导线为0.75 mm2截面积，24 芯的绝缘铜导线，平均外径约2.48 mm.

图2 脉冲强磁体Fig.2 Pulsed high-field magnet

图3 金属管结构Fig.3 Structures of the metal tubes

图4 绕制完成的金属管Fig.4 Finished metal tubes

2 实验方法

按图5进行实验电路设置，实物连接见图1、6 和7.利用直流高压发生器对电容器组充电，当电压升至间隙开关的击穿阈值时电路放电，进而驱动强磁体加载内置的外绕线圈金属管，或直接对金属管的绕组通流，使金属管在磁动力和电爆炸的共同作用下发生冲击变形;同时，利用罗氏线圈和示波器采集电流波形，存入计算机。

图5 实验电路设置Fig.5 Set of the experimental circuit

在不同的充电电压条件下，共进行了10 次外绕线圈金属管磁爆加载的冲击变形实验。铜和铝圆管置于强磁体内加载的情况分别实验了2 次和1 次，见图6;铜和铝圆管直接通流加载的情况分别实验了1 次和2 次，见图7(a);所有截锥金属管采用直接通流加载的方式实验了4 次，见图7(b).

图6 强磁体加载时的设置Fig.6 Set of the high-field magnet loading

3 实验结果与分析

实验测量了各元件的电参数，记录了每次间隙开关的击穿电压，见表1，采集了放电电流波形，并对冲击变形后各金属管的几何构型进行了量测和分析，见表2.

3.1 强流放电特性分析

由图5中的实验电路设置可以发现，该电路过程为伴随脉冲磁动力加载和电爆炸现象的RLC 放电过程。磁动力分布及其第一峰值的时间进程直接影响薄壁金属管的最终变形［6］，且金属管的冲击变形过程和电爆炸发生均处于头半周期范围内，因此放电特性的分析重点针对头半周期范围。

图7 直接通流加载时的设置Fig.7 Set of directly loading

表1 实测参数Tab.1 Measured parameters

设电容器组、间隙开关为理想元件，U、R、L、C、I分别为电容器组充电电压、电路总电阻、电感、电容和放电电流，则放电电流I 可表示为

表2 金属管加载结果Tab.2 Load results of the metal tubes

加载过程电阻、电感参数的变化将影响电流波形，特别是导体电阻在强流加载并引发电爆炸时，变化更为剧烈。因此，按照Tucker 等提出的描述金属电阻率随电流比作用量变化的计算模型［7］，重点考虑了电阻变化对电流波形的影响。

设电流密度为j，则比作用量J 为

设JS和JM分别为熔化态和液态的比作用量阈值，ρS和ρM分别为相应状态的电阻率，ρ0为常温电阻率，则在磁爆加载下，电阻率ρ［8］为

由表1中对应的击穿电压值及其他电路实测参数，按照(1)式～(3)式，考虑加载过程电阻、电感参数的变化，共获得了9 组理论波形，选取了其中4 组典型结果与实测波形进行对比，见图8.

图8 实测放电电流波形与理论计算结果比较Fig.8 Comparison of the measured current waveform with the theoretical calculations

通过波形对比可以发现:

1)放电电流波形在初始段受到明显的高频干扰，主要是由于间隙开关导通时产生的电磁脉冲耦合进入量测系统所致，但随着加载过程的进行，真实电流信号逐渐明显，特别是在电流的第一峰值位置基本无干扰，第一峰值可被准确读取。

2)实测波形与考虑电阻、电感参数变化计算获得的理论波形吻合较好，仅在初始段由于实测电流波形的失真，无法匹配;但通过对初始段实测波形的走势分析可见，理论波形基本处于受扰动波形的平均值中心线上，因此，若滤除高频干扰，理论波形与实测数据应基本一致，符合RLC 电路放电规律。

3.2 金属管的冲击变形特性分析

两种材料和结构的薄壁金属管在不同的加载方式作用下，表现出不同的冲击变形特性，图9显示了10 次加载实验获得的最终金属管构型，其上的标号与表1和2 中的编号对应。

由加载后金属管构型可以发现:

1)见图9中标号7、8、9 和10 的金属管构型，铝的熔点比铜低，在磁爆强流加载过程中会被气化，且在磁动力加载下延展性较差，出现了结构碎裂，无法形成稳定的熔融态磁聚毁伤元，因此不适宜作为磁爆加载的毁伤元材料。

2)比较图9中标号2 和6 的金属管的构型，采用直接加载方式获得的金属管变形均为中心对称分布，且变形大小与外绕线圈的磁场强度分布一致。图10(35.8 kA 加载下)为圆管体外绕线圈的典型磁场分布曲线，管体中部磁场强度最大，两端最小。因此，金属管变形结果主要是由脉冲磁动力和电爆炸压力控制，而焦耳热使管体升温，强度减小，更易于变形。

图9 加载后各金属管构型Fig.9 Structure of the loaded metal tubes

图10 金属管外侧壁的典型磁场分布Fig.10 Typical magnetic field distribution on the outer surface of the metal tube

3)见图9中标号1、3 和7 的金属管构型，在外加轴向梯度磁场的作用下，管体呈现明显的轴向梯度形变，这与变形结果一致。图11(35.8 kA 加载下)为强磁体的内侧壁典型磁场分布曲线，线圈层数较多的一端磁场强度较大，而另一端相对较小。因此，通过外加磁场可有效控制金属管变形结果。

图11 强磁体内侧壁的典型磁场分布Fig.11 Typical magnetic field distribution on the inner surface of the high-field magnet

4)见图9中标号4 和5 的金属管构型，加载前截锥口部直径较大，但在磁动力作用下，使其口部紧缩，结构拉长，并产生了翻转效果，这与圆管的变形结果明显不同，在压力作用下，截锥结构使材料自然向中心汇聚并翻转变形，而圆管要实现类似变形，则需要磁动力的控制，如图9所示，标号1 和3 的圆管需要外加梯度磁场控制才能形成与之类似的变形趋势。因此，在利用外磁场，控制加载区域、增强磁动力幅值和作用时间的条件下，截锥结构更易于形成磁聚毁伤元。

4 结论

1)以脉冲电容器组为能源时，考虑电阻、电感参数变化的RLC 电路过程能较好地反映其强流放电特性;采用罗氏线圈量测脉冲电流波形是可行的，而开关击穿时产生的高频干扰不影响电流峰值获取和放电规律的分析。

2)相同结构薄壁金属管的冲击变形主要受到加载方式的影响，外加磁动力及电爆炸压力分布决定了加载构型的变形结果，而加载过程产生的焦耳热使材料显著升温，更易于变形，但高温将导致材料气化，无法形成熔融态毁伤元。

3)磁聚毁伤元不宜采用低熔点或低延展性材料，相比铝材，紫铜更优;若在利用外加磁场，控制作用区域、增强磁动力幅值和作用时间的条件下，截锥比圆管结构更易于形成毁伤元。

References)

［1］ Kristiansen M，Worsey P，Freeman B，et al.Explosive-driven pulsed power generation for directed-energy munitions，AFRL-SR-AR-TR-04-0108［R］.USA:Air Force Research Laboratory，2004.

［2］ 孙承纬.电磁加载下的高能量密度物理问题研究［J］.高能量密度物理，2007，3(1):41 -46.SUN Cheng-wei.Research of HEDP with magnetic load［J］.High Energy Density Physics，2007，3(1):41-46.(in Chinese)

［3］ Fowler C M，Altgilbers L L.Magnetic flux compression generators:a tutorial and survey［J］.Electro - magnetic Phenomena，2003，3(11):306 -357.

［4］ Altgilbers L L.Recent advances in explosive pulsed power［J］.Electromagnetic Phenomena，2003，4 (12):497 -516.

［5］ Cavazos T C，Gale D G，Roth C E，et al.Flux compression generator development at the Air Force Research Laboratory［C］//The 15th International Pulsed Power Conference.Monterey:IEEE，2005:453 -456.

［6］ 夏明，黄正祥，顾晓辉，等.磁爆加载初始阶段薄壁金属管的冲击变形研究［J］.振动与冲击，2012，31(14):7 -10.XIA Ming，HUANG Zheng-xiang，GU Xiao-hui，et al.Shock produced deformation of a thin-walled metal tube subjected to magnetic load caused by FCG in initial stage［J］.Journal of Vibration and Shock，2012，31(14):7 -10.(in Chinese)

［7］ Tucker T J，Toth R P.A computer code for the prediction of the behavior of electrical circuits containing exploding wire elements，SAND-75-0041［R］.Albuquerque:Sandia Laboratories，1975.

［8］ Appelgren P.Experiments with and modeling of explosively driven magnetic flux compression generators［D］.Sweden:School of Electrical Engineering Space and Plasma Physics Royal Institute of Technology Stockholm，2008.