FCG延时控制系统的改进

康小平 于绍松 金兆鑫 田 川

(1.西安电子工程研究所 西安 710100;2.陕西庆华汽车安全系统有限公司 西安 710025)

0 引言

爆磁压缩发生器(Flux Compression Generator，简写FCG)是一种基于磁场冻结效应［1］，利用炸药爆炸压缩磁通，将炸药的部分化学能转化为电磁能的高能量、大功率装置。螺线型FCG具有较大的初始电感，能俘获更多的初始磁通，且结构紧凑，体积小，因而有着广泛的应用［2］。螺线型FCG工作过程是:种子电源的储能电容器对FCG回路放电，在定子线圈中建立初始磁通，当线圈中的电流达到最大值时，撬断开关闭合，FCG开始运行，压缩磁通，使回路中电流和能量得以放大。其原理图如图1所示。

图1 FCG工作原理图

FCG运行过程中，需要精确控制电容放电开关闭合与撬断开关闭合的时间间隔，即实现当回路电流首次达到最大值时，撬断开关闭合。在外方某研究机构设计的延时控制系统中，爆炸开关闭合后导通时间有限，不能满足大容量种子电源的使用要求。在本实验室原设计的延时控制系统中，爆炸开关耐压值较低，不能满足高电压种子电源的使用要求。本文在两种延时控制系统的理论和试验基础上，结合两者优点，设计了一种同轴式同步开关，提出了一种耐压值高、可控制延时时间且误差小的延时控制系统。理论和试验表明，该延时系统能满足FCG的技术要求。

1 通用延时控制技术

在FCG延时控制技术中，根据种子电源采用的电容不同，其放电电流首次达到峰值的时间也不同。在本实验室目前使用的种子电源条件下，要满足FCG的试验的技术要求，延时系统的耐压值要大于20kV，延时要求大于100μs，同时要求延时误差不大于±5%。

1.1 延时控制系统方案

在目前主要使用爆轰延时控制中，主要方案有电路控制微秒级雷管延时、黑火药延时、导爆管延时和导爆索延时［3］。调研表明:微秒级雷管抗电子干扰能力低而且昂贵;黑火药延时和导爆管延时精确度不能满足FCG延时要求。导爆索爆速高、能量大，可以直接引爆药柱，且不受杂散电流和雷电感应的影响，能够达到FCG的延时要求。所以目前FCG延时控制系统中主要采用导爆索延时控制。

1.2 外方设计的延时控制系统

外方某机构设计的FCG延时控制系统主要由分流器、爆炸开关、撬断开关、导爆索和雷管组成，其原理如图2所示。该系统工作过程是:雷管1引爆导爆索2，导爆索2传爆到分流器3，分流器3同时引爆导爆索4和导爆索7，导爆索4和导爆索7分别传爆到爆炸开关5和撬断开关8。导爆索4与导爆索7具有长度差，使得爆炸开关先闭合，撬断开关后闭合，通过控制长度差，实现当线圈中电流首次达到峰值时刻撬断开关闭合。其长度差由种子电源放电的1/4周期、爆炸开关闭合时间、撬断开关闭合时间及导爆索爆速确定。延时控制试验如图3所示。

试验表明:在该延时控制系统中，爆炸开关闭合后，开关的导通时间最大为35μs，该延时控制系统不能满足大容量种子电源的使用要求。同时该延时控制系统部件繁多，操作复杂。

1.3 实验室原设计的延时控制系统

本实验室原设计的延时控制系统主要由爆炸开关、撬断开关、导爆索和雷管组成，其原理如图4所示。

图4 延时控制系统原理图

该系统工作过程是:雷管1引爆导爆索2，导爆索爆炸驱动内管3膨胀，破坏绝缘膜4，并与外管5紧密接触，实现开关闭合，电容对定子线圈回路放电，当放电电流首次达到最大值时刻，导爆索从A点传爆到B点，引爆炸药，撬断开关闭合，实现延时控制。从A点到B点的导爆索长度由种子电源放电的1/4周期、爆炸开关闭合时间、撬断开关闭合时间及导爆索爆速确定。

试验表明:在该延时控制系统中爆炸开关闭合后，导通时间可通过A点到B点导爆索长度来控制，不受本身结构的限制;但该系统耐电压值较低，当种子电容放电电压大于7kV时，开关不稳定，甚至击穿，不能满足高电压种子电源的使用要求。

2 改进的延时控制系统

在FCG的应用中，种子电源的电压较高、容量较大，即要求延时系统具有较高的耐压性和较长的延时时间。在理论和实验的基础上，结合两种延时控制系统方案的优点，设计了一种同轴式同步开关，提出了一种延时控制方案。

2.1 理论分析

在本实验室目前使用的种子电源和FCG条件下，要求延时控制系统的耐压值不低于20kV，开关的导通时间不小于100μs。在1.2节介绍的系统中，爆炸开关绝缘结构材料采用尼龙和聚四氟乙烯薄膜，耐压性能高达30kV;在1.3节介绍的系统中，爆炸开关导通时间可以控制。结合两种方案的优点，设计了一种同轴式同步开关，并对延时控制系统进行了改进。

图6 延时控制系统结构原理图

改进延时控制系统原理结构如图6所示。其工作过程是:雷管1引爆导爆索3，导爆索3传爆到同步开关，爆炸驱动内管4膨胀，破坏绝缘套筒5，内管4与外约束铜管6接触，实现同步开关的闭合，电容开始放电，延时导爆索8继续传爆，延时导爆索8引爆平面波发生器、平面波发生器引爆传爆药，传爆药爆炸驱动撬断开关9闭合。通过控制同步开关闭合后导爆索的长度，实现当回路电流首次达到最大值时桥段开关闭合。同步开关闭合后导爆索的长度由种子电源放电的1/4周期、同轴式同步开关闭合时间、撬断开关闭合时间、导爆索爆速等确定。

2.2 同轴式开关的设计

在理论与试验的基础上，结合两种通用延时系统中爆炸开关的优点，设计了同轴式同步开关，其结构设计如图7(a)所示，同步开关的内筒采用塑性较好的紫铜材料，外筒采用硬度较大的黄铜材料，绝缘部分采用尼龙材料，实际结构图如图7(b)所示。

2.2.1 绝缘套管厚度的计算

在改进的延时系统中，内管与外约束铜管之间的耐压性能是其耐压性能的关键。对开关闭合前的电场分布进行模拟，得到电场分布云图，分析可知:在开关的同轴部分，电场相对均匀且场强值比边缘部分较大［3］。所以保证同轴式同步开关的内外铜管同轴中间部分不被高电压击穿，延时系统的耐压性就能满足要求。

绝缘套管采用尼龙材料，其击穿电压值大于1MV/cm［4］，同轴式同步开关中的绝缘套管的壁厚为1mm，其击穿电压理论值应该大于100kV，能满足目前种子电源对延时系统耐压值的要求。

2.2.2 内管厚度的计算

在同轴式同步开关中，内管壁厚是保证开关闭合的关键。壁厚过大，导爆索爆炸产生能量不能驱动内管膨胀与外管接触。应用有限元软件Autodyn对同轴式同步开关闭合过程中内管的应力应变过程进行了仿真。管内炸药采用TNT模型材料，内管采用copper模型材料。仿真表明:内管壁厚取2mm时，装药爆炸使得内管发生较大塑性变形，且不发生爆裂。在同轴式同步开关中采用内管壁厚为2mm。

2.3 导爆索延时分析

导爆索以黑索金(RDX)为药芯，以塑料包缠而成，外径为5.5mm，爆炸威力较大。试验表明导爆索的爆炸能量足以使薄壁紫铜膨胀。导爆索爆速大于7000m/s，导爆索剪切误差能控制在毫米范围内，即其引起的传爆时间误差能控制在0.2μs以内。

2.4 导爆索长度差计算方法

在改进的延时控制系统中，对导爆索长度的控制是保证延时精确的关键。从延时控制系统工作原理分析，影响延时时间的因素有:同步开关的闭合时间、撬断开关闭合时间、传爆药和导爆索爆速等。导爆索长度计算公式为:

式中:t为电容器对装置放电的1/4周期;t1为同步开关的闭合时间;h1为平面波发生器长度;D1为平面波发生器爆速;h2为平面波发生器到撬断开关间传爆药的长度;D2为传爆药爆速;ΔR为电枢管外径与撬断开关的距离;V为电枢管膨胀爆速;¯V为导爆索爆速。

3 测量试验

为了验证改进同轴式同步开关的性能，检验延时控制系统是否能满足FCG的试验技术要求，进行了导爆索爆速测量、同步开关性能验证、电容放电1/4周期测量和FCG起爆等一系列试验。

3.1 导爆索爆速测量试验

剪切长度为500mm的导爆索，并在距离两端100mm处分别标记长度差为100mm的两个点，并分别将两个探针固定在标记点。在导爆索一端接雷管并引爆，雷管将引爆导爆索。导爆索传爆点经过标记点时将探针导通，会形成一个断通信号。通过测量两个断通信号的时间差，可得到导爆索的爆速¯V。测量到断通信号如图8(a)所示，时间差为41.9μs，计算可得到导爆索爆速为7160m/s。

3.2 同步开关闭合性能试验

将同步开关装配好后，连接并引爆雷管。将同步开关的高压输入端和输出端分别与种子电源的正极和FCG连接，种子电源为20kV、1μF。引爆雷管后，同步开关爆炸后如图8(b)所示。通过测量系统记录探针导通信号和种子电源的放电波形，如图8(c)所示。分析可知，探针1导通28.06μs后开关导通，41.9μs后，探针2导通。同理论计算值分析比较可得到，开关闭合时间为4.13μs;而且开关闭合后，能持续保持导通状态。该开关能满足20kV耐压值的要求，同时能满足大电容器放电时间的要求。

3.3 起爆FCG试验

应用改进的延时控制系统进行了FCG起爆试验。爆炸实验前对进行了种子电源对FCG静态放电的试验，放电电容为7kV、10μF。测量到放电波形如图9(a)所示，放电的首个1/4周期为95μs。由前期试验及计算得到平面波发生器传爆时间、传爆药传爆时间及撬断开关闭合时间，计算可知需要延时导爆索的长度为690mm。

图9(b)为改进延时控制系统起爆FCG时测量的电流波形。从图形分析可知，同轴式同步开关闭合到撬断开关闭合的时间间隔为96μs，延时误差为1.1%。能满足FCG爆炸试验技术要求。

4 结论

本文设计了一种同轴式同步开关，对延时控制系统进行了改进，增强了延时系统的绝缘性、提高了延时控制精度、同时减小了延时系统的体积和质量。从试验结果分析，改进的延时控制系统能满足FCG延时控制的技术要求。

［1］刘勇波，樊祥，孟凡科.爆磁压缩电磁脉冲弹浅析［J］.航天电子对抗，2002，5:14 －17.

［2］韩旻，皱晓兵，张贵新.脉冲功率技术基础［M］.北京:清华大学出版社，2010:17－19.

［3］刘建平，孟志鹏，曹胜光，李达.爆磁压缩发生器延时控制系统的分析与改进［J］.国防科技大学学报，2007，29(1):39 －43.

［4］长春汽车材料研究所.机械工程材料［M］.第四版.北京:机械工业出版社，1991.