FCG延時控制系統(tǒng)的改進(jìn)

康小平 于紹松 金兆鑫 田 川

(1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.陜西慶華汽車安全系統(tǒng)有限公司 西安 710025)

0 引言

爆磁壓縮發(fā)生器(Flux Compression Generator，簡寫FCG)是一種基于磁場凍結(jié)效應(yīng)［1］，利用炸藥爆炸壓縮磁通，將炸藥的部分化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電磁能的高能量、大功率裝置。螺線型FCG具有較大的初始電感，能俘獲更多的初始磁通，且結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，因而有著廣泛的應(yīng)用［2］。螺線型FCG工作過程是:種子電源的儲能電容器對FCG回路放電，在定子線圈中建立初始磁通，當(dāng)線圈中的電流達(dá)到最大值時，撬斷開關(guān)閉合，F(xiàn)CG開始運行，壓縮磁通，使回路中電流和能量得以放大。其原理圖如圖1所示。

圖1 FCG工作原理圖

FCG運行過程中，需要精確控制電容放電開關(guān)閉合與撬斷開關(guān)閉合的時間間隔，即實現(xiàn)當(dāng)回路電流首次達(dá)到最大值時，撬斷開關(guān)閉合。在外方某研究機(jī)構(gòu)設(shè)計的延時控制系統(tǒng)中，爆炸開關(guān)閉合后導(dǎo)通時間有限，不能滿足大容量種子電源的使用要求。在本實驗室原設(shè)計的延時控制系統(tǒng)中，爆炸開關(guān)耐壓值較低，不能滿足高電壓種子電源的使用要求。本文在兩種延時控制系統(tǒng)的理論和試驗基礎(chǔ)上，結(jié)合兩者優(yōu)點，設(shè)計了一種同軸式同步開關(guān)，提出了一種耐壓值高、可控制延時時間且誤差小的延時控制系統(tǒng)。理論和試驗表明，該延時系統(tǒng)能滿足FCG的技術(shù)要求。

1 通用延時控制技術(shù)

在FCG延時控制技術(shù)中，根據(jù)種子電源采用的電容不同，其放電電流首次達(dá)到峰值的時間也不同。在本實驗室目前使用的種子電源條件下，要滿足FCG的試驗的技術(shù)要求，延時系統(tǒng)的耐壓值要大于20kV，延時要求大于100μs，同時要求延時誤差不大于±5%。

1.1 延時控制系統(tǒng)方案

在目前主要使用爆轟延時控制中，主要方案有電路控制微秒級雷管延時、黑火藥延時、導(dǎo)爆管延時和導(dǎo)爆索延時［3］。調(diào)研表明:微秒級雷管抗電子干擾能力低而且昂貴;黑火藥延時和導(dǎo)爆管延時精確度不能滿足FCG延時要求。導(dǎo)爆索爆速高、能量大，可以直接引爆藥柱，且不受雜散電流和雷電感應(yīng)的影響，能夠達(dá)到FCG的延時要求。所以目前FCG延時控制系統(tǒng)中主要采用導(dǎo)爆索延時控制。

1.2 外方設(shè)計的延時控制系統(tǒng)

外方某機(jī)構(gòu)設(shè)計的FCG延時控制系統(tǒng)主要由分流器、爆炸開關(guān)、撬斷開關(guān)、導(dǎo)爆索和雷管組成，其原理如圖2所示。該系統(tǒng)工作過程是:雷管1引爆導(dǎo)爆索2，導(dǎo)爆索2傳爆到分流器3，分流器3同時引爆導(dǎo)爆索4和導(dǎo)爆索7，導(dǎo)爆索4和導(dǎo)爆索7分別傳爆到爆炸開關(guān)5和撬斷開關(guān)8。導(dǎo)爆索4與導(dǎo)爆索7具有長度差，使得爆炸開關(guān)先閉合，撬斷開關(guān)后閉合，通過控制長度差，實現(xiàn)當(dāng)線圈中電流首次達(dá)到峰值時刻撬斷開關(guān)閉合。其長度差由種子電源放電的1/4周期、爆炸開關(guān)閉合時間、撬斷開關(guān)閉合時間及導(dǎo)爆索爆速確定。延時控制試驗如圖3所示。

試驗表明:在該延時控制系統(tǒng)中，爆炸開關(guān)閉合后，開關(guān)的導(dǎo)通時間最大為35μs，該延時控制系統(tǒng)不能滿足大容量種子電源的使用要求。同時該延時控制系統(tǒng)部件繁多，操作復(fù)雜。

1.3 實驗室原設(shè)計的延時控制系統(tǒng)

本實驗室原設(shè)計的延時控制系統(tǒng)主要由爆炸開關(guān)、撬斷開關(guān)、導(dǎo)爆索和雷管組成，其原理如圖4所示。

圖4 延時控制系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)工作過程是:雷管1引爆導(dǎo)爆索2，導(dǎo)爆索爆炸驅(qū)動內(nèi)管3膨脹，破壞絕緣膜4，并與外管5緊密接觸，實現(xiàn)開關(guān)閉合，電容對定子線圈回路放電，當(dāng)放電電流首次達(dá)到最大值時刻，導(dǎo)爆索從A點傳爆到B點，引爆炸藥，撬斷開關(guān)閉合，實現(xiàn)延時控制。從A點到B點的導(dǎo)爆索長度由種子電源放電的1/4周期、爆炸開關(guān)閉合時間、撬斷開關(guān)閉合時間及導(dǎo)爆索爆速確定。

試驗表明:在該延時控制系統(tǒng)中爆炸開關(guān)閉合后，導(dǎo)通時間可通過A點到B點導(dǎo)爆索長度來控制，不受本身結(jié)構(gòu)的限制;但該系統(tǒng)耐電壓值較低，當(dāng)種子電容放電電壓大于7kV時，開關(guān)不穩(wěn)定，甚至擊穿，不能滿足高電壓種子電源的使用要求。

2 改進(jìn)的延時控制系統(tǒng)

在FCG的應(yīng)用中，種子電源的電壓較高、容量較大，即要求延時系統(tǒng)具有較高的耐壓性和較長的延時時間。在理論和實驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩種延時控制系統(tǒng)方案的優(yōu)點，設(shè)計了一種同軸式同步開關(guān)，提出了一種延時控制方案。

2.1 理論分析

在本實驗室目前使用的種子電源和FCG條件下，要求延時控制系統(tǒng)的耐壓值不低于20kV，開關(guān)的導(dǎo)通時間不小于100μs。在1.2節(jié)介紹的系統(tǒng)中，爆炸開關(guān)絕緣結(jié)構(gòu)材料采用尼龍和聚四氟乙烯薄膜，耐壓性能高達(dá)30kV;在1.3節(jié)介紹的系統(tǒng)中，爆炸開關(guān)導(dǎo)通時間可以控制。結(jié)合兩種方案的優(yōu)點，設(shè)計了一種同軸式同步開關(guān)，并對延時控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。

圖6 延時控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

改進(jìn)延時控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖6所示。其工作過程是:雷管1引爆導(dǎo)爆索3，導(dǎo)爆索3傳爆到同步開關(guān)，爆炸驅(qū)動內(nèi)管4膨脹，破壞絕緣套筒5，內(nèi)管4與外約束銅管6接觸，實現(xiàn)同步開關(guān)的閉合，電容開始放電，延時導(dǎo)爆索8繼續(xù)傳爆，延時導(dǎo)爆索8引爆平面波發(fā)生器、平面波發(fā)生器引爆傳爆藥，傳爆藥爆炸驅(qū)動撬斷開關(guān)9閉合。通過控制同步開關(guān)閉合后導(dǎo)爆索的長度，實現(xiàn)當(dāng)回路電流首次達(dá)到最大值時橋段開關(guān)閉合。同步開關(guān)閉合后導(dǎo)爆索的長度由種子電源放電的1/4周期、同軸式同步開關(guān)閉合時間、撬斷開關(guān)閉合時間、導(dǎo)爆索爆速等確定。

2.2 同軸式開關(guān)的設(shè)計

在理論與試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合兩種通用延時系統(tǒng)中爆炸開關(guān)的優(yōu)點，設(shè)計了同軸式同步開關(guān)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖7(a)所示，同步開關(guān)的內(nèi)筒采用塑性較好的紫銅材料，外筒采用硬度較大的黃銅材料，絕緣部分采用尼龍材料，實際結(jié)構(gòu)圖如圖7(b)所示。

2.2.1 絕緣套管厚度的計算

在改進(jìn)的延時系統(tǒng)中，內(nèi)管與外約束銅管之間的耐壓性能是其耐壓性能的關(guān)鍵。對開關(guān)閉合前的電場分布進(jìn)行模擬，得到電場分布云圖，分析可知:在開關(guān)的同軸部分，電場相對均勻且場強(qiáng)值比邊緣部分較大［3］。所以保證同軸式同步開關(guān)的內(nèi)外銅管同軸中間部分不被高電壓擊穿，延時系統(tǒng)的耐壓性就能滿足要求。

絕緣套管采用尼龍材料，其擊穿電壓值大于1MV/cm［4］，同軸式同步開關(guān)中的絕緣套管的壁厚為1mm，其擊穿電壓理論值應(yīng)該大于100kV，能滿足目前種子電源對延時系統(tǒng)耐壓值的要求。

2.2.2 內(nèi)管厚度的計算

在同軸式同步開關(guān)中，內(nèi)管壁厚是保證開關(guān)閉合的關(guān)鍵。壁厚過大，導(dǎo)爆索爆炸產(chǎn)生能量不能驅(qū)動內(nèi)管膨脹與外管接觸。應(yīng)用有限元軟件Autodyn對同軸式同步開關(guān)閉合過程中內(nèi)管的應(yīng)力應(yīng)變過程進(jìn)行了仿真。管內(nèi)炸藥采用TNT模型材料，內(nèi)管采用copper模型材料。仿真表明:內(nèi)管壁厚取2mm時，裝藥爆炸使得內(nèi)管發(fā)生較大塑性變形，且不發(fā)生爆裂。在同軸式同步開關(guān)中采用內(nèi)管壁厚為2mm。

2.3 導(dǎo)爆索延時分析

導(dǎo)爆索以黑索金(RDX)為藥芯，以塑料包纏而成，外徑為5.5mm，爆炸威力較大。試驗表明導(dǎo)爆索的爆炸能量足以使薄壁紫銅膨脹。導(dǎo)爆索爆速大于7000m/s，導(dǎo)爆索剪切誤差能控制在毫米范圍內(nèi)，即其引起的傳爆時間誤差能控制在0.2μs以內(nèi)。

2.4 導(dǎo)爆索長度差計算方法

在改進(jìn)的延時控制系統(tǒng)中，對導(dǎo)爆索長度的控制是保證延時精確的關(guān)鍵。從延時控制系統(tǒng)工作原理分析，影響延時時間的因素有:同步開關(guān)的閉合時間、撬斷開關(guān)閉合時間、傳爆藥和導(dǎo)爆索爆速等。導(dǎo)爆索長度計算公式為:

式中:t為電容器對裝置放電的1/4周期;t1為同步開關(guān)的閉合時間;h1為平面波發(fā)生器長度;D1為平面波發(fā)生器爆速;h2為平面波發(fā)生器到撬斷開關(guān)間傳爆藥的長度;D2為傳爆藥爆速;ΔR為電樞管外徑與撬斷開關(guān)的距離;V為電樞管膨脹爆速;ˉV為導(dǎo)爆索爆速。

3 測量試驗

為了驗證改進(jìn)同軸式同步開關(guān)的性能，檢驗延時控制系統(tǒng)是否能滿足FCG的試驗技術(shù)要求，進(jìn)行了導(dǎo)爆索爆速測量、同步開關(guān)性能驗證、電容放電1/4周期測量和FCG起爆等一系列試驗。

3.1 導(dǎo)爆索爆速測量試驗

剪切長度為500mm的導(dǎo)爆索，并在距離兩端100mm處分別標(biāo)記長度差為100mm的兩個點，并分別將兩個探針固定在標(biāo)記點。在導(dǎo)爆索一端接雷管并引爆，雷管將引爆導(dǎo)爆索。導(dǎo)爆索傳爆點經(jīng)過標(biāo)記點時將探針導(dǎo)通，會形成一個斷通信號。通過測量兩個斷通信號的時間差，可得到導(dǎo)爆索的爆速ˉV。測量到斷通信號如圖8(a)所示，時間差為41.9μs，計算可得到導(dǎo)爆索爆速為7160m/s。

3.2 同步開關(guān)閉合性能試驗

將同步開關(guān)裝配好后，連接并引爆雷管。將同步開關(guān)的高壓輸入端和輸出端分別與種子電源的正極和FCG連接，種子電源為20kV、1μF。引爆雷管后，同步開關(guān)爆炸后如圖8(b)所示。通過測量系統(tǒng)記錄探針導(dǎo)通信號和種子電源的放電波形，如圖8(c)所示。分析可知，探針1導(dǎo)通28.06μs后開關(guān)導(dǎo)通，41.9μs后，探針2導(dǎo)通。同理論計算值分析比較可得到，開關(guān)閉合時間為4.13μs;而且開關(guān)閉合后，能持續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)。該開關(guān)能滿足20kV耐壓值的要求，同時能滿足大電容器放電時間的要求。

3.3 起爆F(xiàn)CG試驗

應(yīng)用改進(jìn)的延時控制系統(tǒng)進(jìn)行了FCG起爆試驗。爆炸實驗前對進(jìn)行了種子電源對FCG靜態(tài)放電的試驗，放電電容為7kV、10μF。測量到放電波形如圖9(a)所示，放電的首個1/4周期為95μs。由前期試驗及計算得到平面波發(fā)生器傳爆時間、傳爆藥傳爆時間及撬斷開關(guān)閉合時間，計算可知需要延時導(dǎo)爆索的長度為690mm。

圖9(b)為改進(jìn)延時控制系統(tǒng)起爆F(xiàn)CG時測量的電流波形。從圖形分析可知，同軸式同步開關(guān)閉合到撬斷開關(guān)閉合的時間間隔為96μs，延時誤差為1.1%。能滿足FCG爆炸試驗技術(shù)要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種同軸式同步開關(guān)，對延時控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，增強(qiáng)了延時系統(tǒng)的絕緣性、提高了延時控制精度、同時減小了延時系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。從試驗結(jié)果分析，改進(jìn)的延時控制系統(tǒng)能滿足FCG延時控制的技術(shù)要求。

［1］劉勇波，樊祥，孟凡科.爆磁壓縮電磁脈沖彈淺析［J］.航天電子對抗，2002，5:14 －17.

［2］韓旻，皺曉兵，張貴新.脈沖功率技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010:17－19.

［3］劉建平，孟志鵬，曹勝光，李達(dá).爆磁壓縮發(fā)生器延時控制系統(tǒng)的分析與改進(jìn)［J］.國防科技大學(xué)學(xué)報，2007，29(1):39 －43.

［4］長春汽車材料研究所.機(jī)械工程材料［M］.第四版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1991.