磁通壓縮發生器研究進展綜述

蔡旭帆，雷 彬，呂慶敖，向紅軍，張 倩，苑希超，崔 亮

(陸軍工程大學石家莊校區, 石家莊 050000)

磁通壓縮發生器(Magnetic Flux Compression Generator,簡稱MFCG，在俄羅斯的眾多文獻中，更多的是稱為磁累積發生器，Magnetocumulative Generator，簡稱MCG，以下統稱MFCG)，是一種基于磁場凍結原理，將炸藥的化學能轉化為電磁能的一次性換能裝置。MFCG從上世紀50年代的俄羅斯和美國開始發展至今，演化出很多種類。但按照輸出特性，MFCG主要可以分為兩類[1]：一類是以產生強磁場為目的的MFCG，又稱為MC-1，第二類是以產生大電流為目的的MFCG，又稱為MC-2。按照結構的不同，有螺線管型、同軸型、圓盤型、平板型、球型等類型。由于螺線管型MFCG具有初始電感大，能帶動更高電抗的負載，在進行電流放大方面有更大的潛力，因此其應用與技術也更為成熟。如圖1所示，螺旋管型MFCG的結構從右到左依次是：儲能電容器、高壓放電開關、雷管、平面波發生器、管狀電樞、猛炸藥、螺線管線圈、負載等。本文重點針對螺線管型MFCG進行探討。

1 MFCG的理論和技術

磁通壓縮發生器的基本原理是磁場凍結原理：即通過運動的理想導體中的任意一個閉合回路內的磁通量是守恒的。這個結論同樣適用于快速運動的良導體。

螺線管型磁通壓縮發生器的組成如圖1所示：儲能電容器、高壓放電開關、螺線管線圈、負載、管狀電樞，構成一閉合回路，當高壓放電開關閉合時，電容器為回路充電形成LCR震蕩的種子電流和初始磁場。控制雷管點火時刻，使當LCR震蕩電流達到第一個周期的幅值時，雷管引爆炸藥推動電樞擴張、剛好能夠旁路電容器回路部分。這時，發生器內磁通量守恒，電樞的擴張使系統電感持續減小，電流被放大。電流隨時間變化的關系如圖2所示。螺線管型MFCG的等效電路圖如圖3所示。

圖1 螺線管型MFCG一般結構組成示意圖

圖2 MFCG中電流隨時間變化關系

圖3 螺線管型磁壓縮發生器等效電路圖

從等效電路圖，由法拉第電磁感應定律可得：

(1)

求解一階線性微分方程可得：

(2)

(3)

積分后得到：

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

(4)

即磁通鏈數守恒，于是有：

(5)

則理想狀態下電流增益G可以表示為：

(6)

式中:B為磁感應強度，N為螺線管線圈匝數，S為螺線管與電樞之間環形區域的橫截面積，l為螺線管長度，R為回路總電阻，L為回路總電感，I為流經負載的電流，t為時間。圖4為有電阻和無電阻情況下負載電流的變化曲線圖。

圖4 有電阻和無電阻情況下負載電流變化曲線

從式(2)可以看出，要想獲得大的輸出電流，在技術方面主要有5個途徑：1) 減小負載電感在總電路中的比重，即L(t)∶L(0)盡可能小，如前文所述，相同體積下，螺線管型MFCG相比其他類型的MFCG電感更大，因此一般選用螺線管繞組；2) 使電路總電阻與總電感的比值遠小于1，減小歐姆損耗的時間常數，使歐姆損耗盡可能小，即R(t)∶L(t)盡可能小，所以螺旋繞組和負載一般選用低電阻率的銅線，并使銅線的橫截面積盡可能大；3) 減小發生器的運行時間也是減小歐姆損耗項的重要途徑，從物理意義上講，減小發生器的運行時間就是減小了磁通量向電樞內部擴散的時間，減小了磁通損耗。因此多采用高爆速猛炸藥和低質量密度的鋁電樞來減小發生器的運行時間；4) 增加系統的可靠性，避免不必要的磁通損耗。電樞在擴張過程中如果出現軸向裂紋，會增大感應電流方向的電阻，增加磁通損耗。選用鋁作為電樞材料也是鑒于鋁的延展性很好，在擴張過程中不易破裂。而且電樞外徑與螺線管內徑之比一般不小于0.5；5) 線圈擊穿放電會使電磁能轉化為熱能，造成非常大的磁通損耗，向系統中充入SF6氣體等絕緣措施能有效增加系統可靠性。

2 MFCG的發展進程

第一次磁通量壓縮實驗是洛斯阿拉莫斯實驗室于1944年初進行的，是洛斯阿拉莫斯原子彈項目的一部分。俄羅斯的Andrey D.Sacharov在1952年提出將炸藥的能量轉化為磁場能量，隨后俄羅斯聯邦核中心(VNIIEF)采納了他的建議，并進行了MC-1的早期實驗；同年，美國的M.Fowler用磁控管的極片產生的初始磁場，運行了第一臺平板型發生器；他們二人被公認為磁通壓縮之父。之后俄羅斯投入大量人員持續進行研究，美國在這方面的投入相對較少。英國、法國、歐洲原子和中國在20世紀60年代開始了MFCG的研究，此后，日本、波蘭、德國、羅馬尼亞以及烏克蘭、瑞典、韓國和南非的研究小組都加入了Megagauss Club[3]。關于MFCG的大量原始工作是在20世紀60年代和70年代進行的，其中許多工作都在國際IEEE脈沖功率會議和Megagauss會議上進行了報道。

進入21世紀，世界各國對MFCG的研究熱情依舊高昂。國內對MFCG的研究大致以2010年為界可分為兩個階段。

2010年之前，國內中國工程物理研究院、國防科技大學、北京應用物理與計算數學研究所、北京理工大學、哈爾濱工業大學、軍械工程學院等單位，對磁壓縮發生器的進展做出了巨大的貢獻。中國工程物理研究院研制出一系列小型MFCG，如8-4b、F-5、8-5-Ⅱ、8-5-Ⅲ、F-6A、8-6型等型號的MFCG,這些型號的MFCG質量都小于10 kg，輸出電流在30～100 kA，輸出電壓在40～77 kV，使得小型MFCG具備了很高的輸出能力。EMG-125型MFCG更是實現了在25 μH負載上輸出大于3 MA的大電流，使我國MA量級的螺線管型MFCG技術更為成熟[4-7]。

國防科技大學以提升MFCG的輸出性能為目標進行了一系列數值模擬和實驗研究，發展了MFCG的實驗技術，其中將蓄電池、高壓逆變器及儲能電容器作為MFCG初始能源的研究使得MFCG能夠脫離電網的限制進行野外應用[8-11]；北京應用物理與計算數學研究所對各種類型的MFCG進行了數值仿真，對影響MFCG輸出性能的電感、電阻、磁壓等關鍵參數進行了計算，使得仿真結果能夠更好地反映實驗結果[12-14]。北京理工大學主要對MFCG的磁通損失進行了仿真分析，建立了磁通損耗模型來預測MFCG的運行結果[15-16]；哈爾濱工業大學[17]主要對射頻MFCG的原理及各方面性能進行了持續研究，建立了射頻MFCG的輻射模型，對提高裝置輻射性能的因素進行了研究；軍械工程學院對MFCG的物理原理進行了深入分析，提出了減小螺旋繞組的長度不能放大電流，減小螺旋繞組的截面積是減小系統電感并放大電流的物理本質，對活塞式MFCG的關鍵技術及應用進行了研究，指出了影響活塞式MFCG性能的關鍵因素，并對其作為電磁軌道炮電源的優勢做了詳盡的分析[18-20]。

2010年之后，國內對MFCG的研究方向有所轉變，進入了第二階段。中國工程物理研究院對柱面內爆型MFCG進行了大量研究，研制成功了單級MC-1裝置，建立了一整套MC-1實驗技術，能夠穩定產生超過700T的軸向磁場，并進行了一維[21]數值模擬和高速攝影技術[22]的研究，同時對MC-1的小型化和輸出穩定性[23]進行了研究。國防科技大學建立了MFCG的快速計算模型[24]和模擬[25]裝置，對MFCG進行設計指導和預測性能，還對MFCG的阻抗匹配電路進行了設計，擴大了可匹配負載的范圍。南京理工大學對MFCG的種子電流源小型化進行了深入探索，對使用鐵電體[26]、鐵磁體[27]提供初始磁通進行了大量的研究，還針對MFCG時序控制系統的電子化、小型化設計了爆轟驅動飛片型高功率放電開關，并建立了基于電路控制的延時系統[28]。軍械工程學院對將MFCG作為射流箍縮的脈沖功率源[29]進行了探索和實驗研究。哈爾濱工業大學對提高射頻MFCG在電磁脈沖輻射[30]方面的效率進行了持續的研究，并提出一種緊湊型一體化輻射天線的方案，使射頻MFCG有了新的發展方向。

國外近期對MFCG的研究工作以俄羅斯的工作較多。其中以俄羅斯聯邦核中心、全俄物理實驗室和俄羅斯科學院高溫聯合研究所為代表的機構進行了對圓盤形MFCG產生ns級大電流[31]以及MC-1[32-33]產生強磁場的數值仿真研究。美國的勞倫斯里夫莫國家實驗室和洛斯阿拉莫斯實驗室合作建立了一套MFCG的實驗平臺，對MFCG進行全功能實驗測試，并通過仿真計算來預測MFCG的性能。

3 MFCG的難題及發展趨勢

MFCG目前存在的難題主要有：

1) 能量轉化效率過低：在MFCG運行過程中，由于系統存在電阻，會有磁通量滲透進入電樞和定子中無法壓縮，造成磁通量損失；炸藥起爆后造成電樞變形、升溫以及高速運動與螺旋繞組碰撞造成炸藥化學能的損失；發生器運行后期，巨大的電流使螺旋繞組溫度急劇升高，造成導線電阻增大，大量的電能轉變為焦耳熱損失；由爆轟原理可知，圓柱形炸藥兩端部分區域的爆轟產物不對電樞做功，為能量損失。這些能量損失大多只能改善卻無法避免，最終使得炸藥化學能轉化為電磁能的效率一般不足20%。雖然多數情況下對能量轉化效率沒有明確的要求，只是對輸出參數提出了具體的要求，但更高的能量轉化效率意味著只需要更少的炸藥就可以達到要求。

2) 磁通的非線性擴散：MFCG運行過程中的磁通擴散主要有由于焦耳熱引起的歐姆損耗和非歐姆損耗；非歐姆損耗主要包括由于趨膚效應導致的滲透進導體內部的磁通損耗以及接觸磁通損耗。非歐姆損耗一般為非線性損耗，難以量化，對于準確預測MFCG的性能影響較大。

MFCG的發展趨勢：

1) 可靠的仿真模型能夠通過改變參數對現有的MFCG進行較為準確的模擬，也能夠對新設計的MFCG進行性能預測，極大地減小了研發設計MGCF的成本和時間。由于目前還沒有一個有效的模型能夠對所有的MFCG進行可靠預測，因此，建立合適的數值模型及有限元模型，對MFCG的阻抗、損耗及性能進行仿真研究還會長期進行下去；

2) MFCG的小型化研究，MFCG作為一次性脈沖功率源，其強大的功率輸出能力，在電磁炮、電磁脈沖彈等軍事應用上的潛力非常巨大，而集成到炮和彈上意味著MFCG的體積及質量會受到很大的限制。因此脫離地面、輕便的要求也越來越高，針對軍事應用的小型和微型MFCG的研究將會是今后的一個重要方向。

4 結論

本文分析了MFCG的結構組成、工作過程和工作原理，介紹了國內各研究機構對MFCG的發展所做的貢獻，并分析總結出能量轉化效率過低和磁通的非線性擴散是MFCG目前存在的難題，仿真研究和小型化發展是MFCG今后的發展趨勢。