磁通压缩发生器在射流箍缩方面的运用分析

吕庆敖， 黄　旭， 雷　彬， 向红军， 孟学平

(军械工程学院弹药工程系， 河北 石家庄 050003)

磁通压缩发生器在射流箍缩方面的运用分析

吕庆敖， 黄旭， 雷彬， 向红军， 孟学平

(军械工程学院弹药工程系， 河北 石家庄 050003)

摘要：在对磁通压缩发生器的基本原理和分类情况进行分析的基础上，总结了近年来磁通压缩发生器的发展现状，归纳了磁通压缩发生器的技术特征和发展趋势。从新型军事应用的背景出发，初步探讨了磁通压缩发生器技术在射流箍缩方面的运用前景，分析了运用环境与平台技术衔接，讨论了磁通压缩发生器设计需考虑的主要技术问题。

关键词：脉冲功率电源； 磁通压缩发生器； 破甲弹； 成型装药射流； 箍缩

人们在电磁装甲研究过程中发现:轴向强脉冲磁场可对金属射流产生箍缩和稳定作用[1]。此现象吸引了专注于传统药型罩破甲技术的专家，由此出现了金属射流的电磁增强或电磁稳控技术。

磁通压缩发生器(Magnetic Flux Compression Generator, MFCG)是一种通过释放化学能使导体运动做功并压缩种子磁通、实现瞬间发电的脉冲功率发电装置，在极端物理环境、军事和科研领域具有独特的运用。作为体积小、质量小的脉冲功率发电装置，MFCG可以作为未来强磁场射流箍缩作用的弹载电源。由于MFCG具有“在紧凑的小型平台产生足够强的脉冲电磁场能量”及“爆轰系统与电磁系统相互兼容性”的优点，因此，基于MFCG产生的强磁场作用的金属射流箍缩技术将会给未来反装甲战斗带来显著的变化。

1MFCG

1.1概述

MFCG于20世纪50年代由前苏联的Sakharov院士提出，基础理论是基于阿耳芬于1942年发表的磁场冻结效应——在完全导电的流体内磁力线将被“冻结”在流体中，即通过运动的理想导电流体的任意一个闭合回路中的磁通量是守恒的[2]。简单地说，MFCG就是利用各种手段压缩磁通，将机械能快速转化为电磁能的装置。

MFCG按照结构不同可以分为3类[3]：1)一次性使用的爆炸式磁通压缩发生器，相应的名称为爆炸磁通压缩发生器或爆磁压缩发生器；2)旋转式磁通压缩发生器，相应的名称为旋转磁压缩发生器、补偿脉冲交流发电机等；3)活塞式磁通压缩发生器，相应的名称为脉冲直线发电机、直线通量压缩器和磁通压缩功率器等。其中，爆炸磁通压缩发生器根据结构的不同，可分为同轴型磁通压缩发生器、螺线圈型磁通压缩发生器、平板型磁通压缩发生器、环圈型磁通压缩发生器、圆盘型磁通压缩发生器等多种类型[4]。典型的爆炸式螺线圈型磁通压缩发生器基本结构如图1所示。

图1　爆炸式螺线圈型磁通压缩发生器基本结构

MFCG的理论基础是基于电路模型的磁通守恒。MFCG通常包括初始磁通产生源、发生器本体和负载3个部分，可以看作电感和电阻的串联回路，如图2所示。在MFCG作用过程中，电感和电阻都是时刻变化的多变量函数，为求简化，设总电感L(t)仅为时间函数，总电阻R为常量，回路电流为I(t)，根据基尔霍夫回路电压定理可得：

(d/dt)[L(t)I(t)]+RI(t)=0。

(1)

若电阻R小到可以忽略的理想状况，则方程(1)的解为

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

(2)

即任何时刻的总磁通都等于初始时刻的总磁通，这就是磁场冻结效应，即磁通守恒原理。MFCG就是根据上述原理，通过外部作用实现电感快速下降，使

图2　磁通压缩发生器等效电路

电流放大,继而使总磁能0.5L(t)I2(t)也相应变大的装置。

经过长时间的发展，MFCG在许多方面已经获得了较高的性能，如：由于小体积内积累起来的磁场强度远远高于超导体提供的磁场强度，因此MFCG非常适合用来产生2 000 T以上的超强磁场；由于单次脉冲电源功率可以达到若干太瓦，因此其能提供数百兆焦的能量；把此类发生器发射至电离层的实验[5]已经得以实现。

1.2研究现状

目前，适用于小型平台的磁通压缩发生器主要包括活塞式磁通压缩发生器和爆炸式磁通压缩发生器2种。

在活塞式磁通压缩发生器方面，Kapustjanenko等[6]首先提出了活塞式磁通压缩发生器带动轨道炮的系统概念。Mongeau[7]完成了搭载于坦克或装甲车辆上、20 MJ电能输出的活塞式磁通压缩发生器初步系统工程设计。Goldman等[8]首次完成了典型活塞式磁通压缩发生器试验。严萍等[9]设计了活塞式磁通压缩发生器装置实验样机，并进行了实验研究。在基础概念方面，吕庆敖等[10]开展了磁通压缩发生器的概念、特征、分类等系统性基础研究工作。李鹤等[11]借助仿真软件Ansoft对静态下活塞式磁通压缩发生器电枢进行了仿真研究。活塞式磁通压缩发生器在MFCG家族中出现得并不算太早，但由于其承接于传统火炮发射技术，直观地体现了磁通压缩发生器原理的特点，使它在一段时间内得以快速发展。

在爆炸式磁通压缩发生器方面，早在第二次世界大战期间，美国Los Alamos实验室就曾利用磁通压缩原理来测量炸药驱动套筒系统的内爆[12]。1951年，前苏联库尔恰托夫研究所的Sakharov首先提出了利用内爆装置压缩磁场[13]。美国的Los Alamos National Laboratory研制了2套实验装置：第1套是43 mm的Ranchero系统；第2套是大型的CN-III型系统。43 mm的Ranchero系统已经成功进行了多次实验，包括带电感性负载和驱动固体套筒内爆实验，1998年实验获得负载电流39 MA，能量4.8 MJ。CN-III型系统成功地进行了输入电流6.25 MA、输出电流150 MA、脉冲前沿小于10 μs的实验[14]。国内的研究单位早期实现了采用电爆炸网格作为同轴起爆器的轴线起爆式磁通压缩发生器试验(使炸药在电枢轴线同时爆炸)，在初级线圈输入电流为7.4 kA情况下，可在1.26 μH负载上得到99 kA脉冲峰值电流，其脉冲前沿为22 μs[15]。Sun等[16]介绍了一种多段螺线圈型发生器，其直径为120 mm,长度为600 mm,质量为10 kg，具有输出512 kA电流和47.2 kJ能量至360 nH感性负载的能力。陈冬群等[17]对级联型爆磁压缩发生器的电路计算进行了研究，提出了一种等效电路计算方法，对级联型爆磁压缩发生器的优化设计和应用研究具有较好的指导作用。从事实验天体物理学研究的Moser等[18]在一次粒子流冲击模拟实验中观察到了磁通量聚集效应，其中该效应在粒子流因冲击而堆叠时尤为显著。Nakamura等[19]研究了如何利用法拉第旋转效应测量装置精准测定磁通压缩发生器产生的超强磁场，并且尝试在实验中对测量装置进行校正。凌万春[20]讨论了爆磁压缩发生器作为激光器驱动能源结构的可能性，并设计了相应的应用方案。针对爆磁压缩发生器高精度延时起爆控制的要求，史云雷等[21]建立了基于电路控制延时方案的最佳起爆时序模型，分析其时序误差散布并设计了一种满足要求的爆轰驱动飞片型高功率放电开关。由于爆炸式磁通压缩发生器概念提出早、发展时间长、研究关注多，因此其成果也比较显著。

1.3技术特征和发展趋势

总的来说，MFCG的研究主要有以下技术特征和发展趋势：

1) 由于MFCG是电磁相关学科的基础理论——磁场冻结效应——的直接应用，因此在许多类似天体物理学的基础物理研究中，经常能够运用到MFCG的原理，即部分前沿学科也在对其进行间接的研究。

2) MFCG的原理简单明了，其设计制作有较成熟的理论，体积小、质量小、功率密度大，现阶段已经能在比较广泛的领域进行运用，但具体的应用需要结合实际进行专门的设计，并对细节进行诸多优化。

3) 国际上已经对磁通压缩进行了长时间的研究，目前主要沿2个不同的方向进行：(1)发展基于磁通压缩原理的脉冲功率电源；(2)产生超强磁场的装置。方向(1)的目标是应用于一次性的体积小、质量小的脉冲功率设备，可用作微波弹高电压源或电磁炮强电流源；方向(2)的目标是为物理学基础研究提供超强磁场环境。

4) 国内成果多见于爆炸磁通压缩发生器，现阶段主要集中于针对专门应用的特定发生器结构设计和计算模型、编码的研究。

2MFCG在射流箍缩方面的运用分析

2.1MFCG弹载运用环境分析

射流箍缩技术是一种利用强磁场对金属射流的约束机理，对传统破甲弹爆轰产生的金属射流进行人为的磁场干涉，从而维持射流稳定、增强破甲效能的新技术。射流箍缩基本原理如图3所示，炸药在压垮药型罩后形成射流，利用线圈磁场箍缩通过线圈的射流，使射流保持稳定，从而达到提高穿深的效果。

图3　射流箍缩基本原理

射流箍缩技术要求磁场在对金属射流作用的过程中具有瞬时成形及高能量密度的特点，而MFCG因其具有短时间、强脉冲的优点，使之在作为箍缩的能量来源上具有不可比拟的优势。特别是爆炸式磁通压缩发生器，其与破甲弹相同，均为装填炸药的一次性使用产品，有利于进行技术衔接。目前，虽然爆炸式磁通压缩发生器技术已经基本成熟，具有实用性特点，但是其在与金属射流箍缩技术结合运用方面还存在以下不可忽视的问题：

1) 爆炸式磁通压缩发生器在传统弹药上的位置结构设计。传统弹药特殊的回转体结构对其内部的器件构造提出了严格要求，设计的爆炸式磁通压缩发生器必须具有相应的结构特点。而要将MFCG作为一种传统弹药增强技术的一部分，虽说概念上有很大差异，但维持其应用本体的基本形态以适应现役装备应当是基本要求，所以爆炸式磁通压缩发生器的加入必然要考虑配合弹丸的质心位置、口径尺寸等参数。

2) 爆炸式磁通压缩发生器与破甲弹起爆的触发时序控制。爆炸式磁通压缩发生器作用时间极短，其峰值电流出现的时间在微秒量级，成型装药形成射流的时间与此相差不多。要在射流形成后保证强磁场产生并能对其进行作用，特别是能恰好在上升到峰值时作用，爆炸式磁通压缩发生器与破甲弹起爆的触发时序控制将会对上述目标产生关键性影响。

3) 爆炸式磁通压缩发生器装药爆炸对破甲射流形成的影响。与射流的形成无论是使用同一装药，还是使用单独的装药，都可以预测到在传统弹药狭小的空间内，爆炸式磁通压缩发生器作用时装药爆轰形成的膨胀波和稀疏波会使弹内环境发生剧烈变化。这些变化是否会对后续射流的稳定形成产生影响，产生的影响又该如何消除，必然是要重点关注的问题。

4) 爆炸式磁通压缩发生器自身部件结构强度校核。将金属射流箍缩技术应用到火炮弹药时，其发射时整体结构承受的高过载是不可回避的问题。磁通压缩发生器内包含有电气器件，其整个结构的抗过载能力理应加以考虑。

若能解除上述问题的制约，基于磁通压缩发生器的强磁场金属射流箍缩技术将带来反装甲武器系统的全面革新。

2.2MFCG设计的主要技术问题

MFCG的设计涵盖了爆轰理论、磁扩散理论、磁流体理论、脉冲功率技术等多方面的知识，不同类型、不同作用的MFCG对设计的要求也不尽相同。经过多年的探索，在MFCG设计中也形成了一些公认的经验[5]：设计多采用效率更高的内爆式设计；螺线圈型能有更大的初始电感；内爆型螺线圈发生器线圈与套筒直径的最佳比值大都在2左右。然而,除了这些经验，在MFCG设计中，大到用于产生瞬间超强磁场的装置，小到提供初始能源的小型部件，均需考虑以下主要技术问题。

2.2.1考虑磁扩散的计算模型

MFCG驱动导体电枢使磁场压缩变形的过程，一般采用磁流体动力学方程进行描述，该方法难以采用解析方法进行求解，一般多采用数值计算方法求解。现代计算机技术的快速发展已经满足针对MFCG的具体设计进行计算的需求，然而考虑到因磁场向导体内扩散而导致的磁通损失，优良的计算模型更有助于提高计算精度和速度。现已出现了实用的0、2、3维模型，各大实验室、研究机构也推出了通用或针对具体型号的计算编码，如SCAT95通用电路分析编码、CAGEN螺线圈型发生器商用计算编码等[3]。

2.2.2脉冲成形网络设计

MFCG产生的能量普遍储存在约10 nH量级的电感中，但是装置中的电流可能高达上百兆安。为了将这些能量传输到发生器负载(一般情况下其电感均会大于发生器电感)，装置输出端要使用脉冲锐化或匹配装置将发生器的能量耦合到负载上。因此，设计包含有高速开关、脉冲变压器、火花间隙开关、脉冲锐化电感器等部件的脉冲成形网络，整形发生器输出电脉冲以优化负载性能，就成为了MFCG设计很重要的一环。

2.2.3负载匹配设计

经过长时间的发展，MFCG已经在各个方面开辟了应用领域，导致发生器的负载性质变化范围很大。无论是电感性的、电容性的还是电阻性的负载，为了使整个装置良好匹配、有效运行，将负载特性考虑在内的匹配设计必不可少。纳入各种负载特性重新研究的解析表达式和计算机模拟模型，能够计算模拟各种实验装置中变化的过程。

2.2.4消除放电击穿损失的设计

MFCG在运行过程中，激变的磁场在发生器内部引发强大的电场，特别是用于产生强磁场的装置。相比之下，产生强电流的发生器具有的电场相对较低。如果磁场平行于导体表面，由E=vnB可知：电场强度E仅与导体速度法向分量vn有关，当磁感应强度B=100 T，vn=1 km/s时，计算可得E=100 kV/m。另外，发生器中套筒与载流体可能存在夹角，极易产生内部放电击穿，导致压缩磁场的能力下降并造成损失。因此，在MFCG设计中必须考虑内部电压击穿问题，并根据具体的发生器结构类型及前期的估算，运用诸如采用环氧树脂等固体电介质绝缘、充填氟利昂等绝缘气体的方法，调整发生器设计。

3结论

MFCG从二战结束后发展至今，已经成为了一种较成熟的高能量密度脉冲功率源，能在多样的空间条件下作为电源使用，在特种实验研究、军工科技等方面具有广阔的应用前景。

基于把MFCG运用到金属射流箍缩技术方面的尝试，笔者分析了使用平台和爆磁压缩发生器本身的设计原则和基本问题，为下一步针对射流箍缩技术的发生器设计研究奠定了基础，将有效促进射流箍缩技术的发展。

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(责任编辑: 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

文章编号：1672-1497(2016)01-0058-05

收稿日期：2015-11-06

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51307182)

作者简介：吕庆敖(1968-)，男，副教授，博士。

中图分类号：TM91

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2016.01.012