磁爆加載薄壁金屬管的沖擊變形實(shí)驗(yàn)研究

夏明，黃正祥，顧曉輝，祖旭東，王葉中，賈鑫

(1.南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210094;2.總參工程兵科研三所，河南 洛陽471023)

0 引言

磁爆加載技術(shù)是目前提升常規(guī)武器毀傷效能的新概念技術(shù)之一，其突破了傳統(tǒng)的爆炸驅(qū)動毀傷元的模式，利用爆轟到強(qiáng)磁場過程較高的能量轉(zhuǎn)化效率和易于控制的磁場聚焦方法，可形成多種形態(tài)的高效毀傷元，進(jìn)而對目標(biāo)進(jìn)行打擊。該技術(shù)可使炸藥的能量利用率提高30%，進(jìn)而大幅提高彈藥的毀傷能力。目前，國外未見磁爆加載技術(shù)的詳細(xì)報(bào)道，而國內(nèi)則是首次開展此研究。

磁爆加載的能源一般為磁爆壓縮發(fā)生器(FCG).它是一種可以把炸藥的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電磁能的脈沖能源裝置，已廣泛應(yīng)用于尖端軍事和科研領(lǐng)域［1-3］。而FCG 通常只能單次運(yùn)行，在作用近區(qū)所產(chǎn)生的爆炸效應(yīng)和電磁脈沖往往造成量測設(shè)備損壞，實(shí)驗(yàn)成本較高［4-5］。因此，在磁爆加載技術(shù)研究的探索階段，利用脈沖強(qiáng)流發(fā)生裝置、量測裝置和負(fù)載裝置構(gòu)建磁爆加載實(shí)驗(yàn)平臺，不僅可方便地調(diào)整脈沖能量，產(chǎn)生脈沖磁動力和電爆炸兩種關(guān)鍵效應(yīng)，較好地反映磁爆加載過程，而且可在確保儀器完好的情況下，獲得較為準(zhǔn)確的量測結(jié)果，重復(fù)實(shí)驗(yàn)成本低。因此，本文利用該平臺，對磁爆加載下薄壁金屬管的沖擊變形進(jìn)行了研究，獲得了加載過程的放電波形，以及不同結(jié)構(gòu)和材料薄壁金屬管的沖擊變形，分析了強(qiáng)流放電特性和金屬管的沖擊變形特性，為進(jìn)行FCG 直接加載下形成磁聚毀傷元的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

磁爆加載實(shí)驗(yàn)平臺主要由脈沖強(qiáng)流發(fā)生裝置、量測裝置和負(fù)載裝置構(gòu)成。其中，脈沖強(qiáng)流發(fā)生裝置為磁爆加載電路提供能源，形成脈沖強(qiáng)電流;量測裝置對加載電路中各元件的電參數(shù)進(jìn)行檢測，并記錄測試結(jié)果;負(fù)載裝置是磁爆加載的效應(yīng)載體，在脈沖強(qiáng)電流的驅(qū)動下，獲得強(qiáng)磁場并加載產(chǎn)生沖擊變形效果。

1.1 脈沖強(qiáng)流發(fā)生裝置

如圖1所示，脈沖強(qiáng)流發(fā)生裝置主要由脈沖電容器組、間隙開關(guān)和直流高壓發(fā)生器等組成。

1)脈沖電容器組:包括4 臺MMJ50-20 型電容器(額定電壓50 kV，電容20 μF)，能夠提供0.1 MJ的最大總能量，最大放電電流為單臺80 kA.

2)間隙開關(guān):為垂直式棒-棒間隙結(jié)構(gòu)，棒體為黃銅，棒端的電極為金屬鎢;外殼為環(huán)氧板材，起到了絕緣和密閉的效果。采用標(biāo)準(zhǔn)分壓器，對30～100 kV 間，每隔10 kV 一檔，對其擊穿電壓進(jìn)行了標(biāo)定，每檔的誤差小于5%.

3)直流高壓發(fā)生器:為分體式結(jié)構(gòu)，包括充電控制器和直流高壓塔(見圖1)兩部分。升壓范圍0～160 kV，充電電流小于5 mA，并集成了分壓器，可實(shí)時監(jiān)控電路電壓。

1.2 量測裝置

量測裝置主要由電橋、羅氏線圈、示波器和內(nèi)置分壓器等組成。

圖1 脈沖強(qiáng)流發(fā)生裝置Fig.1 Pulsed high-current generating device

1)電橋:TH2821A 型LCR 數(shù)字電橋，用于測量電路元件的電感、電阻和電容等靜態(tài)參數(shù)。測試頻率分為100 Hz、120 Hz、1 kHz 和10 kHz 四檔，電感的最高精度為0.01 μH，電阻為0.1 mΩ，電容為0.01 pF.

2)羅氏線圈:為無磁芯結(jié)構(gòu)，用于測量輸入負(fù)載的脈沖電流。在標(biāo)準(zhǔn)沖擊電流試驗(yàn)裝置上，10～200 kA 的范圍內(nèi)，每隔10 kA 一檔，對其測量的峰值電流進(jìn)行了標(biāo)定，標(biāo)度為48.8 kA/V，每檔的誤差小于5%.

3)示波器:型號為Tektronix-TDS2024，連接羅氏線圈，記錄脈沖電流輸出波形。

4)內(nèi)置分壓器:用于實(shí)時測量電容器充電電壓，其集成于直流高壓發(fā)生器的充電控制器內(nèi)，誤差小于0.1 kV.

1.3 負(fù)載裝置

負(fù)載裝置主要有強(qiáng)磁體和外繞線圈的金屬管。

1)強(qiáng)磁體:如圖2所示，用于在脈沖電流的驅(qū)動下產(chǎn)生軸向梯度的強(qiáng)磁場，從而控制內(nèi)置的金屬管變形。強(qiáng)磁體采用截面積16 mm2的多芯絕緣銅導(dǎo)線繞制，平均外徑約8 mm，中心孔內(nèi)徑40 mm，線圈部分長88 mm;為3 層線圈并聯(lián)的偏置結(jié)構(gòu)，各層線圈與磁體右側(cè)擋板的端面對齊，而各層對稱軸不重合，從內(nèi)向外依次為11、7 和4 匝。

2)外繞線圈的金屬管:如圖3所示，材質(zhì)分別為T2紫銅和工業(yè)純鋁，托架為尼龍，有圓管和截錐管兩種結(jié)構(gòu)，壁厚均為0.5 mm，截錐體的錐角為30°.圖4中所示，所有繞制完成的金屬管，按照材料分為兩組共10 個，每組圓筒結(jié)構(gòu)為3 個，截錐結(jié)構(gòu)2 個;繞組處于管體外側(cè)托架之間，繞組導(dǎo)線為0.75 mm2截面積，24 芯的絕緣銅導(dǎo)線，平均外徑約2.48 mm.

圖2 脈沖強(qiáng)磁體Fig.2 Pulsed high-field magnet

圖3 金屬管結(jié)構(gòu)Fig.3 Structures of the metal tubes

圖4 繞制完成的金屬管Fig.4 Finished metal tubes

2 實(shí)驗(yàn)方法

按圖5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)電路設(shè)置，實(shí)物連接見圖1、6 和7.利用直流高壓發(fā)生器對電容器組充電，當(dāng)電壓升至間隙開關(guān)的擊穿閾值時電路放電，進(jìn)而驅(qū)動強(qiáng)磁體加載內(nèi)置的外繞線圈金屬管，或直接對金屬管的繞組通流，使金屬管在磁動力和電爆炸的共同作用下發(fā)生沖擊變形;同時，利用羅氏線圈和示波器采集電流波形，存入計(jì)算機(jī)。

圖5 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)置Fig.5 Set of the experimental circuit

在不同的充電電壓條件下，共進(jìn)行了10 次外繞線圈金屬管磁爆加載的沖擊變形實(shí)驗(yàn)。銅和鋁圓管置于強(qiáng)磁體內(nèi)加載的情況分別實(shí)驗(yàn)了2 次和1 次，見圖6;銅和鋁圓管直接通流加載的情況分別實(shí)驗(yàn)了1 次和2 次，見圖7(a);所有截錐金屬管采用直接通流加載的方式實(shí)驗(yàn)了4 次，見圖7(b).

圖6 強(qiáng)磁體加載時的設(shè)置Fig.6 Set of the high-field magnet loading

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測量了各元件的電參數(shù)，記錄了每次間隙開關(guān)的擊穿電壓，見表1，采集了放電電流波形，并對沖擊變形后各金屬管的幾何構(gòu)型進(jìn)行了量測和分析，見表2.

3.1 強(qiáng)流放電特性分析

由圖5中的實(shí)驗(yàn)電路設(shè)置可以發(fā)現(xiàn)，該電路過程為伴隨脈沖磁動力加載和電爆炸現(xiàn)象的RLC 放電過程。磁動力分布及其第一峰值的時間進(jìn)程直接影響薄壁金屬管的最終變形［6］，且金屬管的沖擊變形過程和電爆炸發(fā)生均處于頭半周期范圍內(nèi)，因此放電特性的分析重點(diǎn)針對頭半周期范圍。

圖7 直接通流加載時的設(shè)置Fig.7 Set of directly loading

表1 實(shí)測參數(shù)Tab.1 Measured parameters

設(shè)電容器組、間隙開關(guān)為理想元件，U、R、L、C、I分別為電容器組充電電壓、電路總電阻、電感、電容和放電電流，則放電電流I 可表示為

表2 金屬管加載結(jié)果Tab.2 Load results of the metal tubes

加載過程電阻、電感參數(shù)的變化將影響電流波形，特別是導(dǎo)體電阻在強(qiáng)流加載并引發(fā)電爆炸時，變化更為劇烈。因此，按照Tucker 等提出的描述金屬電阻率隨電流比作用量變化的計(jì)算模型［7］，重點(diǎn)考慮了電阻變化對電流波形的影響。

設(shè)電流密度為j，則比作用量J 為

設(shè)JS和JM分別為熔化態(tài)和液態(tài)的比作用量閾值，ρS和ρM分別為相應(yīng)狀態(tài)的電阻率，ρ0為常溫電阻率，則在磁爆加載下，電阻率ρ［8］為

由表1中對應(yīng)的擊穿電壓值及其他電路實(shí)測參數(shù)，按照(1)式～(3)式，考慮加載過程電阻、電感參數(shù)的變化，共獲得了9 組理論波形，選取了其中4 組典型結(jié)果與實(shí)測波形進(jìn)行對比，見圖8.

圖8 實(shí)測放電電流波形與理論計(jì)算結(jié)果比較Fig.8 Comparison of the measured current waveform with the theoretical calculations

通過波形對比可以發(fā)現(xiàn):

1)放電電流波形在初始段受到明顯的高頻干擾，主要是由于間隙開關(guān)導(dǎo)通時產(chǎn)生的電磁脈沖耦合進(jìn)入量測系統(tǒng)所致，但隨著加載過程的進(jìn)行，真實(shí)電流信號逐漸明顯，特別是在電流的第一峰值位置基本無干擾，第一峰值可被準(zhǔn)確讀取。

2)實(shí)測波形與考慮電阻、電感參數(shù)變化計(jì)算獲得的理論波形吻合較好，僅在初始段由于實(shí)測電流波形的失真，無法匹配;但通過對初始段實(shí)測波形的走勢分析可見，理論波形基本處于受擾動波形的平均值中心線上，因此，若濾除高頻干擾，理論波形與實(shí)測數(shù)據(jù)應(yīng)基本一致，符合RLC 電路放電規(guī)律。

3.2 金屬管的沖擊變形特性分析

兩種材料和結(jié)構(gòu)的薄壁金屬管在不同的加載方式作用下，表現(xiàn)出不同的沖擊變形特性，圖9顯示了10 次加載實(shí)驗(yàn)獲得的最終金屬管構(gòu)型，其上的標(biāo)號與表1和2 中的編號對應(yīng)。

由加載后金屬管構(gòu)型可以發(fā)現(xiàn):

1)見圖9中標(biāo)號7、8、9 和10 的金屬管構(gòu)型，鋁的熔點(diǎn)比銅低，在磁爆強(qiáng)流加載過程中會被氣化，且在磁動力加載下延展性較差，出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)碎裂，無法形成穩(wěn)定的熔融態(tài)磁聚毀傷元，因此不適宜作為磁爆加載的毀傷元材料。

2)比較圖9中標(biāo)號2 和6 的金屬管的構(gòu)型，采用直接加載方式獲得的金屬管變形均為中心對稱分布，且變形大小與外繞線圈的磁場強(qiáng)度分布一致。圖10(35.8 kA 加載下)為圓管體外繞線圈的典型磁場分布曲線，管體中部磁場強(qiáng)度最大，兩端最小。因此，金屬管變形結(jié)果主要是由脈沖磁動力和電爆炸壓力控制，而焦耳熱使管體升溫，強(qiáng)度減小，更易于變形。

圖9 加載后各金屬管構(gòu)型Fig.9 Structure of the loaded metal tubes

圖10 金屬管外側(cè)壁的典型磁場分布Fig.10 Typical magnetic field distribution on the outer surface of the metal tube

3)見圖9中標(biāo)號1、3 和7 的金屬管構(gòu)型，在外加軸向梯度磁場的作用下，管體呈現(xiàn)明顯的軸向梯度形變，這與變形結(jié)果一致。圖11(35.8 kA 加載下)為強(qiáng)磁體的內(nèi)側(cè)壁典型磁場分布曲線，線圈層數(shù)較多的一端磁場強(qiáng)度較大，而另一端相對較小。因此，通過外加磁場可有效控制金屬管變形結(jié)果。

圖11 強(qiáng)磁體內(nèi)側(cè)壁的典型磁場分布Fig.11 Typical magnetic field distribution on the inner surface of the high-field magnet

4)見圖9中標(biāo)號4 和5 的金屬管構(gòu)型，加載前截錐口部直徑較大，但在磁動力作用下，使其口部緊縮，結(jié)構(gòu)拉長，并產(chǎn)生了翻轉(zhuǎn)效果，這與圓管的變形結(jié)果明顯不同，在壓力作用下，截錐結(jié)構(gòu)使材料自然向中心匯聚并翻轉(zhuǎn)變形，而圓管要實(shí)現(xiàn)類似變形，則需要磁動力的控制，如圖9所示，標(biāo)號1 和3 的圓管需要外加梯度磁場控制才能形成與之類似的變形趨勢。因此，在利用外磁場，控制加載區(qū)域、增強(qiáng)磁動力幅值和作用時間的條件下，截錐結(jié)構(gòu)更易于形成磁聚毀傷元。

4 結(jié)論

1)以脈沖電容器組為能源時，考慮電阻、電感參數(shù)變化的RLC 電路過程能較好地反映其強(qiáng)流放電特性;采用羅氏線圈量測脈沖電流波形是可行的，而開關(guān)擊穿時產(chǎn)生的高頻干擾不影響電流峰值獲取和放電規(guī)律的分析。

2)相同結(jié)構(gòu)薄壁金屬管的沖擊變形主要受到加載方式的影響，外加磁動力及電爆炸壓力分布決定了加載構(gòu)型的變形結(jié)果，而加載過程產(chǎn)生的焦耳熱使材料顯著升溫，更易于變形，但高溫將導(dǎo)致材料氣化，無法形成熔融態(tài)毀傷元。

3)磁聚毀傷元不宜采用低熔點(diǎn)或低延展性材料，相比鋁材，紫銅更優(yōu);若在利用外加磁場，控制作用區(qū)域、增強(qiáng)磁動力幅值和作用時間的條件下，截錐比圓管結(jié)構(gòu)更易于形成毀傷元。

References)

［1］ Kristiansen M，Worsey P，F(xiàn)reeman 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］ 孫承緯.電磁加載下的高能量密度物理問題研究［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，黃正祥，顧曉輝，等.磁爆加載初始階段薄壁金屬管的沖擊變形研究［J］.振動與沖擊，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.