MFCG

MFCG(Magnetic Flux Compression Generator)是一種已初步用於軍事並逐步拓展套用領域的脈衝功率電源。正在研究的新概念武器主要有定向能( 強雷射、高功率電磁脈衝、粒子束) 武器和電發射動能武器兩大類等。除了使用有毒氣體的化學雷射武器之外, 上述新概念武器都需要脈衝功率電源(Pulsed Power Supply,PPS) 激勵或驅動。而MFCG就是PPS的一種。

基本介紹

• 中文名：磁通壓縮發電機
• 外文名：Magnetic Flux Com􀀁pression Generator,MFCG
• 類別：脈衝功率電源
• 用途：軍用、民間科技研發

一、MFCG概念和物理原理概述

MFCG按照結構不同可以分為三類。第一類為一次性使用的爆炸式磁通壓縮發電機, 英文名稱為Magnetic Flux Compression Generator (MFCG) 或Flux Compression Generator (FCG) ,相應的漢語名稱為磁通壓縮發電機或磁壓縮發生器。第二類為旋轉式磁通壓縮發電機, 名稱為旋轉磁壓縮發生器(Magnetic Flux Generator)、補償脈衝交流發電機(Compensatory Pulse Alternator或Compulsator,縮寫為CPA) 等。第三類為活塞式磁通壓縮發電機,名稱有脈衝直線發電機(Pulsed Linear Generator)、直線通量壓縮器(Linear Flux Compressor)、磁通壓縮功率器(Flux Compression Power Unit)。上述三種脈衝發電機都稱為MFCG, 原因是其工作過程遵循同樣的物理原理􀀁 總磁通(或磁通匝鏈數)守恆原理。

一個可變電感L ( t ) 和可變電阻R ( t ) 串聯為迴路,迴路電流為I ( t ), 則有基爾霍夫迴路電壓方程( d/dt ) [ L ( t ) I ( t ) ] + R ( t ) I ( t ) = 0。當迴路電阻R ( t ) 小到可以忽略時, 上述方程的解為L( t ) I( t ) = L (0) I (0) , 即任何時刻的總磁通都等於初始時刻的總磁通, 這就是總磁通(或磁通匝鏈數)守恆原理。磁通壓縮發電機就是根據總磁通守恆原理, 在外力作用下實現電感減少、電流放大、總磁能0.5L ( t )( t ) 也相應變大等功能的裝置或設備。MFCG 是伴隨電感減少過程的電流放大器,也是磁能放大器,因此有人提議,磁能累積器(Magnetic Energy Accumula􀀁tor)最能說明MFCG的物理本質。MFCG在小體積內積累起來的磁場強度遠遠高於超導體提供的磁場強度, 強磁場的世界紀錄就是由爆炸式磁通壓縮發生器產生的。

MFCG概念也可以空間電磁場模型表述: 在外力作用下, 如果導體快速壓縮磁場所占的空間, 由於導體的瞬間抗磁性, 則空間磁力線密度(即磁感應強度)變大, 磁能也相應增加。

從上述兩種模型可很快歸納出MFCG的基本特徵: 在阻性負載較小及快壓縮過程(相應的脈寬毫秒級或更窄)時, 磁場能量隨磁場所占空間體積的減少而增大。

二、MFCG的技術特徵

MFCG 的技術特徵為能量高、功率大、結構簡單、技術複雜、體積小、重量輕, 適合軍事使用。

發電功率高、能量大􀀂 三類典型的MFCG分別採用炸藥驅動、柴油機帶動旋轉儲能飛輪驅動、活塞式直線驅動, 典型脈寬為毫秒和亞毫秒級,功率在GW(1GW=1000KW)級以上。典型的電樞速度如下: 炸藥驅動金屬電樞形變速度約2km/s,坦克發動機帶動的儲能飛輪輪緣線速度可超過500m/s,而直線式活塞推進速度一般為200~ 600m/s。炸藥的儲能密度約為5MJ/kg,柴油的儲能密度約為43MJ/kg (不計所需氧氣質量)。MFCG採用普通線圈繞組的近於零負載的正反饋電流勵磁, 脈衝電流可達 A以上, 磁感應強度可達10T以上, 超過了超導體提供的磁感應強度數值。基於電樞速度快、磁感應強度大等特點,MFCG的發電功率高、能量大。

適合軍事套用􀀂 MFCG具有隱蔽性好, 準備性好、回響快, 機動性好, 符合作戰模式要求, 經濟節約的特點, 因而適合軍事套用。

隱蔽性好。MFCG處於待髮狀態時, 無明顯的特徵信號( 如紅外、電磁波信號) 輻射,在戰場上易於偽裝和隱蔽, 提高了武器裝備的生存能力和對敵人打擊的突發性, 形成對敵威懾力。

準備性好、回響快。MFCG帶動負載時, 可隨時處於待髮狀態, 無須提前準備, 也無須啟動預電、預熱等部件。

機動性好。MFCG體積小、重量輕, 可機動部署並脫離民用電網獨立工作。對於現有實驗室以電容器組為主體的脈衝功率電源, 電容器儲能密度約為1kJ/ kg, 若儲電能50MJ, 重量則為50 噸, 坦克不能承載。而爆炸式MFCG 要發電50MJ, 系統重量不足1 噸; 可重複使用的MFCG 要發電50MJ, 系統重量也不足10 噸, 因此坦克或裝甲車輛都能承載。

符合作戰模式要求。一次性爆炸式MFCG可裝配飛彈、航空炸彈或炮彈進行飽和攻擊; 可重複使用的MFCG 支持的電炮, 具有高射速和持續打擊的作戰能力。

經濟節約。現代戰爭越來越重視經濟成本。一次性爆炸式MFCG使用炸藥、銅材、蓄電池、電容器等普通器材; 可重複使用的MFCG 則採用柴油, 燃燒熱高, 且無須專門開發推進劑。

三、典型MFCG與軍事套用

MFCG可分為爆炸式、旋轉式、活塞式三類,下面分別介紹其結構和軍事套用情況。

1.爆炸式MFCG

圖1 爆炸式MFCG

圖1為螺旋繞組爆炸式MFCG結構示意圖

裝配完好的MFCG(左側) 和工作過程中的MFCG(右側)

爆炸式MFCG可以有許多種不同結構,但最常用的是同軸式螺旋繞組結構。圖1所示的是一種經典的單端起爆同軸式螺旋繞組MFCG結構。螺旋繞組內同軸放置一個高電導率、高延展性的圓筒形銅電樞, 電樞兩端絕緣固定, 電樞內盛炸藥。當已經充電的電容器組為繞組充電並形成種子電流後, 由雷管從電樞一端引爆炸藥柱, 爆轟波速度約為8km/s, 炸藥爆炸推動電樞擴張的速度約為2km/s,這樣就形成了約 的錐角。在炸藥逐步的爆炸過程中, 電樞連續接觸繞組使繞組長度逐步變短, 在負載上測出逐步放大的電流。

圖2 美國MK84高功率微波彈彈頭結構示意圖

圖2為美國MK84高功率微波彈彈頭結構示意圖

1.功率源,2.介質護套,3.脈衝成形網路,4.微波輻射天線,5.介電錐頭,6.蓄電池,7.儲能電容器,8.第一級MFCG,9.第二級MFCG,10.虛陰極振盪器

這種螺旋式MFCG出現於20世紀50年代。美國桑迪亞實驗室和法國馬特拉公司都採用這種典型的MFCG兩級串聯用於微波彈的驅動電源。在圖2中所示的微波彈彈頭結構中, 1和6為蓄電池,它為電容器組7供電;7又為8MFCG提供種子電流, 同時8發電的電流又是9MFCG的種子電流;9為虛陰極振盪器10供電;10把電壓和電流的能量轉換為微波能,並由微波天線4輻射出去。據說, 美國在第一次海灣戰爭中就已試用這種MFCG 驅動的微波彈。

2.旋轉式MFCG

圖3 補償脈衝交流發電機(CPA) 結構示意圖

旋轉式MFCG的動力是高速旋轉的動能飛輪。旋轉飛輪的高功率脈衝發電可採用多種形式, 有單級發電機(HPG)、磁通壓縮發電機等, 但HPG輸出電壓較低, 套用範圍受限。旋轉式MFCG的主要類型稱為補償脈衝交流發電機(CPA) , 主要結構如圖3所示,包括NS磁極、轉子線圈BB'、固定線圈AA'。轉子線圈BB'在NS磁極形成的固定磁場中轉動產生種子電流, 固定線圈AA'與轉子線圈BB'串聯。兩線圈重合時有最大電感, 兩線圈反向重合有最小電感。當兩線圈從最大電感位置轉動到最小電感位置時,因磁通壓縮而發電。這種依靠減少電感獲取放大電流和能量的裝置自然屬於磁通壓縮發電機。

CPA於1978年由美國德克薩斯大學機電中心發明, 作為電磁發射技術的主要電源方案之一, 在世界範圍內進展迅速, 現已開發出多種形式。雖然這種旋轉飛輪的儲能密度較高, 但是高速轉動飛輪的巨大角動量卻降低了其機動性, 所以旋轉儲能的脈衝發電機適合安裝在艦艇等平台上。

圖4 美軍用於電炮電源的一種脈衝發電機

圖4是最新開發的準備用於艦艇上作為電炮電源的一種脈衝發電機, 在軍事上的優勢之一是較高的放電重複率(對應於電炮的射速,如每分鐘5發) 。

3.活塞式MFCG

旋轉式MFCG的飛輪雖然儲存了足夠的動能,但如此大角動量的陀螺效應卻導致機動性不佳。為此,1993年烏克蘭專家提出適合機動戰車搭載的活塞式螺旋繞組MFCG概念, 其後引起了包括美國和中國在內各國專家的重視, 開展了工程設計、驗證試驗等。

圖5 活塞式螺旋繞組MFCG結構示意圖

圖5為活塞式螺旋繞組MFCG結構示意圖

1. 點火引線, 2. 燃料加注孔, 3. 電刷, 4. 活塞, 5. 中心導桿,6. 輸出端, 7. 空氣室, 8. 初級線圈, 9. 次級線圈, 10. 螺旋線圈,11. 複合材料, 12. 排氣, 13. 卡鎖, 14. 卡銷, 15. 充氣塞

圖5為美國卡曼電磁公司設計的活塞式螺旋繞組MFCG, 主要由機械、機電、輸出三大部分構成。機械部分包括燃燒室、發電室、減速室等, 燃燒室含柴油􀀁空氣注入孔、點火器、卡鎖、卡銷結構等;發電室即活塞加速和發電的通道; 減速室含排氣孔和密閉氣體室。發電部分主要由螺旋繞組、種子電流源、開關、電樞、電刷、中心導桿等組成, 輸出部分主要有變壓器結構的初級線圈和次級線圈, 初級線圈即發電的負載、次級線圈即電炮負載的電源。活塞式MFCG工作過程為: 在燃料燃燒形成的推力作用下, 活塞組件軸向運動。組件上的電樞和電刷可以連續短路螺旋繞組, 使繞組電感減少、電流放大。當活塞離開發電段時發電過程結束, 排氣閥門打開、活塞組件在慣性作用下壓縮減速室內的空氣並最終被壓縮空氣反彈回燃燒室, 準備啟動下一個發電過程。很明顯, 活塞式MFCG結構最緊湊、能夠裝載於M1A1坦克, 機動性好; 而且在帶動負載前無須預先啟動旋轉部件和預熱部件, 準備性好。

圖6 裝載微波武器“主動拒止系統”的軍車

圖6為裝載微波武器“主動拒止系統”的軍車

活塞式螺旋繞組MFCG用於電磁發射時, 可以帶動射速不低於傳統火炮的電炮。另一方面, 美國在驅趕暴徒時使用的機載微波武器“主動拒止系統”(圖6) 就暴露了採用軍車發動機發電帶動微波武器的不足, 而活塞式螺旋繞組MFCG則可解決上述問題。當然, 活塞式螺旋繞組MFCG也可潛在套用於電能泵浦的固態雷射和自由電子雷射等可重複使用的新概念武器的脈衝功率電源。它與旋轉式MFCG相比, 體積更小、機動性更好。

四、總結

總之, 無論是一次性的爆炸式、還是可重複使用的旋轉式和活塞式, 磁通壓縮發電機(MFCG)是一種技術集成度高、體積小、重量輕、準備性好、回響及時的脈衝功率電源。與實驗室使用的電容器組脈衝電源系統相比, 突出優點是獨立性和輕便性, 適用於新概念武器。