FCG延時控制系統的改進

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有限公司 西安 710025)

0 引言

爆磁壓縮發生器(Flux Compression Generator，簡寫FCG)是一種基于磁場凍結效應［1］，利用炸藥爆炸壓縮磁通，將炸藥的部分化學能轉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，且結構緊湊，體積小，因而有著廣泛的應用［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，當線圈中的電流達到最大值時，撬斷開關閉合，FCG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閉合與撬斷開關閉合的時間間隔，即實現當回路電流首次達到最大值時，撬斷開關閉合。在外方某研究機構設計的延時控制系統中，爆炸開關閉合后導通時間有限，不能滿足大容量種子電源的使用要求。在本實驗室原設計的延時控制系統中，爆炸開關耐壓值較低，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的理論和試驗基礎上，結合兩者優點，設計了一種同軸式同步開關，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。理論和試驗表明，該延時系統能滿足FCG的技術要求。

1 通用延時控制技術

在FCG延時控制技術中，根據種子電源采用的電容不同，其放電電流首次達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的試驗的技術要求，延時系統的耐壓值要大于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、導爆管延時和導爆索延時［3］。調研表明:微秒級雷管抗電子干擾能力低而且昂貴;黑火藥延時和導爆管延時精確度不能滿足FCG延時要求。導爆索爆速高、能量大，可以直接引爆藥柱，且不受雜散電流和雷電感應的影響，能夠達到FCG的延時要求。所以目前FCG延時控制系統中主要采用導爆索延時控制。

1.2 外方設計的延時控制系統

外方某機構設計的FCG延時控制系統主要由分流器、爆炸開關、撬斷開關、導爆索和雷管組成，其原理如圖2所示。該系統工作過程是:雷管1引爆導爆索2，導爆索2傳爆到分流器3，分流器3同時引爆導爆索4和導爆索7，導爆索4和導爆索7分別傳爆到爆炸開關5和撬斷開關8。導爆索4與導爆索7具有長度差，使得爆炸開關先閉合，撬斷開關后閉合，通過控制長度差，實現當線圈中電流首次達到峰值時刻撬斷開關閉合。其長度差由種子電源放電的1/4周期、爆炸開關閉合時間、撬斷開關閉合時間及導爆索爆速確定。延時控制試驗如圖3所示。

試驗表明:在該延時控制系統中，爆炸開關閉合后，開關的導通時間最大為35μs，該延時控制系統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部件繁多，操作復雜。

1.3 實驗室原設計的延時控制系統

本實驗室原設計的延時控制系統主要由爆炸開關、撬斷開關、導爆索和雷管組成，其原理如圖4所示。

圖4 延時控制系統原理圖

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

試驗表明:在該延時控制系統中爆炸開關閉合后，導通時間可通過A點到B點導爆索長度來控制，不受本身結構的限制;但該系統耐電壓值較低，當種子電容放電電壓大于7kV時，開關不穩定，甚至擊穿，不能滿足高電壓種子電源的使用要求。

2 改進的延時控制系統

在FCG的應用中，種子電源的電壓較高、容量較大，即要求延時系統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上，結合兩種延時控制系統方案的優點，設計了一種同軸式同步開關，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，要求延時控制系統的耐壓值不低于20kV，開關的導通時間不小于100μs。在1.2節介紹的系統中，爆炸開關絕緣結構材料采用尼龍和聚四氟乙烯薄膜，耐壓性能高達30kV;在1.3節介紹的系統中，爆炸開關導通時間可以控制。結合兩種方案的優點，設計了一種同軸式同步開關，并對延時控制系統進行了改進。

圖6 延時控制系統結構原理圖

改進延時控制系統原理結構如圖6所示。其工作過程是:雷管1引爆導爆索3，導爆索3傳爆到同步開關，爆炸驅動內管4膨脹，破壞絕緣套筒5，內管4與外約束銅管6接觸，實現同步開關的閉合，電容開始放電，延時導爆索8繼續傳爆，延時導爆索8引爆平面波發生器、平面波發生器引爆傳爆藥，傳爆藥爆炸驅動撬斷開關9閉合。通過控制同步開關閉合后導爆索的長度，實現當回路電流首次達到最大值時橋段開關閉合。同步開關閉合后導爆索的長度由種子電源放電的1/4周期、同軸式同步開關閉合時間、撬斷開關閉合時間、導爆索爆速等確定。

2.2 同軸式開關的設計

在理論與試驗的基礎上，結合兩種通用延時系統中爆炸開關的優點，設計了同軸式同步開關，其結構設計如圖7(a)所示，同步開關的內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，實際結構圖如圖7(b)所示。

2.2.1 絕緣套管厚度的計算

在改進的延時系統中，內管與外約束銅管之間的耐壓性能是其耐壓性能的關鍵。對開關閉合前的電場分布進行模擬，得到電場分布云圖，分析可知:在開關的同軸部分，電場相對均勻且場強值比邊緣部分較大［3］。所以保證同軸式同步開關的內外銅管同軸中間部分不被高電壓擊穿，延時系統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］，同軸式同步開關中的絕緣套管的壁厚為1mm，其擊穿電壓理論值應該大于100kV，能滿足目前種子電源對延時系統耐壓值的要求。

2.2.2 內管厚度的計算

在同軸式同步開關中，內管壁厚是保證開關閉合的關鍵。壁厚過大，導爆索爆炸產生能量不能驅動內管膨脹與外管接觸。應用有限元軟件Autodyn對同軸式同步開關閉合過程中內管的應力應變過程進行了仿真。管內炸藥采用TNT模型材料，內管采用copper模型材料。仿真表明:內管壁厚取2mm時，裝藥爆炸使得內管發生較大塑性變形，且不發生爆裂。在同軸式同步開關中采用內管壁厚為2mm。

2.3 導爆索延時分析

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

2.4 導爆索長度差計算方法

在改進的延時控制系統中，對導爆索長度的控制是保證延時精確的關鍵。從延時控制系統工作原理分析，影響延時時間的因素有:同步開關的閉合時間、撬斷開關閉合時間、傳爆藥和導爆索爆速等。導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為同步開關的閉合時間;h1為平面波發生器長度;D1為平面波發生器爆速;h2為平面波發生器到撬斷開關間傳爆藥的長度;D2為傳爆藥爆速;ΔR為電樞管外徑與撬斷開關的距離;V為電樞管膨脹爆速;ˉV為導爆索爆速。

3 測量試驗

為了驗證改進同軸式同步開關的性能，檢驗延時控制系統是否能滿足FCG的試驗技術要求，進行了導爆索爆速測量、同步開關性能驗證、電容放電1/4周期測量和FCG起爆等一系列試驗。

3.1 導爆索爆速測量試驗

剪切長度為500mm的導爆索，并在距離兩端100mm處分別標記長度差為100mm的兩個點，并分別將兩個探針固定在標記點。在導爆索一端接雷管并引爆，雷管將引爆導爆索。導爆索傳爆點經過標記點時將探針導通，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，計算可得到導爆索爆速為7160m/s。

3.2 同步開關閉合性能試驗

將同步開關裝配好后，連接并引爆雷管。將同步開關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，同步開關爆炸后如圖8(b)所示。通過測量系統記錄探針導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導通28.06μs后開關導通，41.9μs后，探針2導通。同理論計算值分析比較可得到，開關閉合時間為4.13μs;而且開關閉合后，能持續保持導通狀態。該開關能滿足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FCG試驗

應用改進的延時控制系統進行了FCG起爆試驗。爆炸實驗前對進行了種子電源對FCG靜態放電的試驗，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生器傳爆時間、傳爆藥傳爆時間及撬斷開關閉合時間，計算可知需要延時導爆索的長度為690mm。

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

4 結論

本文設計了一種同軸式同步開關，對延時控制系統進行了改進，增強了延時系統的絕緣性、提高了延時控制精度、同時減小了延時系統的體積和質量。從試驗結果分析，改進的延時控制系統能滿足FCG延時控制的技術要求。

［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.脈沖功率技術基礎［M］.北京:清華大學出版社，2010:17－19.

［3］劉建平，孟志鵬，曹勝光，李達.爆磁壓縮發生器延時控制系統的分析與改進［J］.國防科技大學學報，2007，29(1):39 －43.

［4］長春汽車材料研究所.機械工程材料［M］.第四版.北京:機械工業出版社，1991.