爆磁压缩发生器延时控制系统分析及实现*

史云雷，张 合，马少杰，顾 林，贺 海

(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)

电磁脉冲武器是未来战争的杀手锏，起着决定战场制电磁权的关键作用。电磁脉冲武器起源于核武器，但核武器杀伤力巨大，大力发展非核电磁脉冲武器有着重要的军事意义［1－4］。爆磁压缩电磁脉冲弹是目前研究较为深入的一种非核电磁脉冲武器，其作战平台包括飞机、装甲车辆、火炮等，一般作用范围为数十米至数千米［5］。爆磁压缩发生器(Magnetic Flux Compression Generator，MFCG)是爆磁压缩电磁脉冲弹的关键器件，精确的弹载延时起爆控制技术将决定MFCG的输出性能，是实现电磁脉冲弹作战效能的关键因素之一。

国防科技大学刘建平、钟巍等采用同轴型导爆索延时开关实现电流最大值与MFCG运行时间间隔15μs、延时误差≈10%［6－7］;西安电子工程研究所康小平等和陕西庆华汽车安全系统有限公司于绍松改进设计了一种同轴式同步开关，实现控制延时95μs，实际延时96μs［8］;北京理工大学苏建河分析了使用爆炸闭合开关和导爆索或电子延时器来进行起爆延时控制的可行性，但没有进行实验验证［9］。

1 延时控制系统分析

MFCG是一种基于磁场冻结效应，利用炸药爆炸压缩磁通，从而将炸药的部分化学能转化为电磁能的一种高能量、大功率的装置。爆磁压缩电磁脉冲弹一般采用螺线圈型MFCG，其工作过程如图1所示:初始能源系统(脉冲储能电容)充满电后，放电开关闭合，放电回路接通，在MFCG定子线圈中建立初始磁通，当电流达到最大值时，装置俘获的磁通最大，撬断开关闭合，MFCG开始运行，压缩磁通，使回路中电流和能量得以放大［10－11］。

图1 爆磁压缩发生器工作过程Fig.1 Working process of MFCG

从MFCG的工作过程可以看出，需要一个简单精确的延时控制系统通过控制放电开关和MFCG启动时间，以实现放电电流达到最大值时间与装置运行时间的匹配。目前对MFCG进行延时起爆控制，主要有以下几种方案:火药延时、导爆管延时、导爆索延时、电路控制延时等。火药延时和导爆管延时控制精度达不到要求，导爆索延时应用广泛，但装置结构较为复杂［6－8］。电路控制延时利用高精度延时电路控制爆轰驱动的放电开关和MFCG起爆装置先后工作以实现时序匹配，其结构简单，占用空间小，控制精度高，稳定性好。因此，决定选用该方案来实现MFCG工作时序控制。

1.1 最佳时序模型

为建立电路控制延时方案最佳起爆时序，首先分析初始能源系统(脉冲储能电容)瞬态放电过程，MFCG等效为一个电阻和电感串联形式，等效回路如图2所示。

图2 脉冲储能电容瞬态放电等效回路Fig.2 Equivalent circuit of pulse energy-store capacitor transient discharge

得到微分方程:

根据器件初始参数可计算得电容放电电流曲线，如图3中c线所示，放电至峰值时间为τC/4，τC为放电回路时间常数。

图3 最佳起爆时序Fig.3 Best initiation time sequence

图3为最佳起爆时序图(微秒级):a为延时电路上电信号，T0为上电时刻;b为放电开关初始起爆信号，T1为初始起爆时刻;c为脉冲储能电容放电电流信号，T2为电容放电起始时刻，T4为电流值达峰值时刻;d为MFCG起爆装置初始起爆信号，T3为其初始起爆时刻;e为MFCG撬断开关闭合信号，T4为其闭合时刻。放电开关收到初始起爆信号至开关闭合的时间tS=T2－T1;MFCG起爆装置收到初始起爆信号至撬断开关闭合的时间tM=T4－T3;电路最佳起爆延时τ=T3－T1;tS可通过实验测试得到;tM是MFCG起爆装置中雷管作用时间、传爆药作用时间、爆轰波在平面透镜中传播时间以及炸药驱动电枢膨胀至接触撬断开关等时间之和，可通过仿真或实验测试得到;时间常数τC在确定放电回路参数后可通过计算得到。所以最佳起爆延时可表示为:

1.2 时序误差散布分析

该时序控制系统导致误差散布的主要因素有:脉冲储能电容容值误差;放电开关起爆药作用时间误差;放电开关闭合机械动作误差;MFCG电参数(包括电感和电阻)误差;MFCG起爆装置作用时间误差;炸药驱动电枢膨胀时间误差等。实际延时τ可用相关参变量表示成式(3)所示的函数形式:

应用小偏差法求式(3)中任意一记为xi参变量的散布σxi引起的延时散布:

当变量散布比较大或者实际值无法测量时，测量值设为0，相应的误差增加，可以用修正小偏差法计算散布:

总延时散布为:

当στ≥τ，时序控制系统失败。στ决定放电电流I和峰值电流Imax的接近程度，引入参数:

参数ϑ值反映的是时序控制精度，也从侧面反映系统时序误差散布大小。给出算例参考:式(1)中，MFCG电参数为0.4Ω，47μH，6.5kV，63μF时，放电种子电流Imax约为5500A，大于5000A的脉宽为46μs。当延时散布στ为23μs时，ϑ=5000/5500=0.909。

2 爆轰驱动飞片型高功率放电开关

爆轰驱动飞片型高功率放电开关是采用电路控制延时方案中的关键器件，其主要性能参数包括闭合响应时间误差、导通时间长度、耐压值以及放电效率。闭合响应时间误差影响系统的时序控制精度;导通时间长度必须满足初级能源系统的充分放电;耐压值应高于脉冲储能电容两端最高电压，防止击穿。基于以上参数要求，设计了一种微秒级电雷管直接驱动飞片型高功率闭合放电开关，该开关结构简单，电流导通能力强，闭合响应时间可以精确到微秒，因而能够用作MFCG充电时的闭合开关，实现发生器的爆炸同步。

2.1 开关结构设计

爆轰驱动飞片型高功率放电开关结构如图4所示，主要由微秒级电雷管、剪切片、垫片、飞片、绝缘套筒、电极等组成。作用原理:电雷管上电后发火起爆，爆轰产物通过狭小空腔后驱动飞片，飞片切断剪切片后加速飞向两个电极，一段行程后飞片接触电极实现开关闭合。

图4 开关结构设计Fig.4 Structure design of switch

常规弹载条件下，为使开关体积尽量小且防止作用过程中壳体破裂影响其他器件，仅使用了微秒级电雷管(未使用炸药)驱动飞片，该方式作用可靠且精度高，带来的问题是开关响应时间较长，但只要误差散布较小，响应时间可通过延时电路进行补偿。电雷管和飞片间引入空腔的目的是使飞片加速过程变得平缓，飞片在飞行过程中可以保持较好的初始热力学状态和力学性质，避免飞片中产生层裂现象［12］。飞片采用硬铝材料，质轻便于加速且不易变形，上下飞片通过螺纹连接，中间夹着剪切片;剪切片设计为十字状，便于被剪切且不影响飞片动作。绝缘套筒内腔设有锥度，飞片接触电极同时与腔壁产生摩擦，使开关闭合后具有一定的自锁能力;电极选用紫铜材料且顶端设置为尖锥状，改善开关高速闭合时的接触抖动。

2.2 开关耐压能力分析

放电开关必须承受电容器所充的电压，确保导通前不击穿，因此对开关有一定的耐压要求。由于弹体内部空间限制，一般用于小型爆磁压缩电磁脉冲弹的储能电容额定电压不高于10kV。另外，储能电容是通过高压直流变换器DC－DC实现恒流充电，所以开关两电极间属于直流高压。利用数值仿真软件Comsol Multiphysics对开关充电后的电场分布进行模拟，所得结果如图5所示。

图5 放电开关电场分布云图Fig.5 Electric field distribution around switch electrodes

从图5中可以看出，由于电极形状不规则，开关内部电场分布不均匀，在电极棱角处电场较大，最大场强为6.06kV/mm，可能发生高压击穿的区域在电极中部台阶处。一般情况下，空气介质击穿电压可近似地用3kV/mm的击穿场强来估计［13］，绝缘套筒采用尼龙11材料，其绝缘强度为29.6kV/mm［14］，设计时为保证开关耐压强度，两电极间距和飞片距电极距离均大于5mm。

2.3 开关飞片厚度选取

由于电雷管点起爆且直径小于飞片直径，外加空腔的引入，将会导致爆轰产物流场产生一定的边侧稀疏效应，从而造成飞片偏离一维运动，发生弯曲变形，影响飞片碰击电极时的平面度［15－16］。为此，采用Autodyn软件，根据开关结构特征建立二维轴对称模型，进行电雷管起爆后爆轰产物经空腔驱动不同厚度飞片运动过程的二维数值模拟。微秒级电雷管总药量180mg，包含多种装药［17］，完全进行数值模拟比较困难，计算中将其等效为半径r=3mm，高度d=6mm，密度ρ=1.717g/cm3的COMP B聚黑药柱(威力大于电雷管)。利用多物质Euler求解器求解装药起爆后冲击波的形成及传播，利用Euler-Lagrange流固耦合分析方法分析爆轰产物作用下飞片的动力学响应。

图6为在爆轰产物作用下不同厚度飞片飞行距离约10mm时的弯曲变形状态。可以看出:随着飞片厚度的增加，飞片变形量明显变小;d=3mm时，飞片严重弯曲，平面度严重破坏，d≥5mm时，飞片变形量微小，能够满足开关闭合稳定性的要求。

图6 不同厚度下飞片弯曲变形Fig.6 Plate deformation with different thickness

2.4 开关闭合放电性能实验测试与分析

图7 开关高压放电性能测试线路图Fig.7 Circuit diagram of switch discharge performance test at high voltage

图8 开关实物图Fig.8 Detonation-driving-flyer discharge switch

为测试开关高压下闭合放电性能，采用如图7所示线路图进行测试(电容充电回路省去)，脉冲储能电容直流耐压6kV/60s，电容标称值47μF，MFCG采用多匝模拟线圈替代，双路同步触发电路为开关提供起爆信号同时也为示波器提供触发信号，采用罗氏线圈(R线圈，标定值135A/V)测量放电回路中的电流并显示在示波器上。

对8只开关进行了不同电压下闭合放电性能的测试，实验前后开关实物如图8所示。除去1只开关因示波器误触发未采集放电波形，1只开关因装配失误导致响应不正常，其余6只均进行了正常测试。

图9给出了6发开关高压下放电实验波形，图9中阶跃信号为开关电雷管起爆信号，周期性振荡衰减信号为电容放电波形。表1为相应的实验测试数据，表1中充电电压为电容初始放电电压，响应时间为开关收到起爆信号至开关闭合时间，电流峰值为放电电流最大值(即第一个波峰峰值)，导通时间表示开关闭合后稳定放电时间。开关上的损耗主要集中在闭合放电瞬间，引入电荷转移率k表征开关的放电效率:

图9 开关高压下闭合放电性能测试波形Fig.9 Waveform of switch test at high power

其中，Q'为首个1/4放电周期内开关转移电荷量，Q0为电容内初始储存电荷量，τ为放电周期，U为电容充电电压，C为电容量额定值。

表1 开关高压放电性能实验数据Tab.1 Experimental data of switch test

实验过程中，开关内部未发生高压击穿现象，满足5kV耐压要求;实验完成后，开关仅上下端面有一定隆起，开关外形保持完整，不影响系统其他部分;开关闭合瞬间放电电流波形稳定，未出现抖动现象;6发开关的闭合响应时间分布在66±5μs以内，平均值为66.7μs，标准差为2.7μs，满足MFCG时序控制精度的要求;编号1，4，6开关作用后，开关完全闭合，放电波形完整，编号2，3，5开关放电时间超过900μs，6发开关导通时间均满足系统要求;采用首个1/4放电周期内电荷转移率表征开关的放电效率，6发开关放电效率均稳定在90%左右，未出现明显偏差。该开关与同轴型导爆索开关相比［6－8］，响应精度和闭合稳定性均不逊色，且外形小巧，长度固定，无须改变导爆索长度，能够实现对MFCG的放电控制。

3 延时控制系统实验与分析

为考察MFCG延时控制系统的工作情况，进行初级能源系统、高精度延时电路、爆轰驱动飞片型高功率放电开关和小型MFCG的联调实验，实验在爆炸塔内进行。

开关控制电容(5kV，47μF)对静态MFCG和负载的放电波形如图10所示，首个1/4周期为24.8μs。通过式(2)计算最佳起爆延时τ，并装入高精度延时电路。

动态MFCG实验线路在图8上稍作改动:双路同步触发电路改为高精度延时电路，一路起爆放电开关，一路延时起爆MFCG;在MFCG后级加上感性负载，并用罗氏线圈测试通过负载上的电流。

动态MFCG实验放电电流波形如图11中通道1所示，A点时刻放电开关导通，电容器开始向MFCG及负载放电，电流波形稳定，B点时刻MFCG开始运行，电流瞬间放大，A，B时间间隔23μs，B点时刻与电流最大值时刻相差1.8μs，延时误差≈7.8%，满足MFCG延时起爆控制精度的要求。

图10 电容器静态放电波形Fig.10 Waveform of capacitor current at static state

图11 爆磁压缩实验电容器放电波形Fig.11 Waveform of capacitor current in the MFCG experiment

4 结论

爆磁压缩发生器的延时起爆控制是影响其输出性能的关键因素之一，电路控制延时方案可自由装定延时时间，精度高且无须改变导爆索长度，方便安装;文中对最佳起爆时序的分析，可分离出关键参数并对累计误差进行计算，预估时序控制精度;微秒级电雷管直接驱动飞片型高功率放电开关，外形小巧且结构简单，实验测试表明其性能满足对MFCG的放电控制，缺陷在于微秒级电雷管的价格较高，但近几年已有明显下降。总体而言，电路延时方案能够很好满足MFCG高精度延时起爆控制的要求。

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