三级重接炮点火控制系统

                   文章编号：1001—1609(2005)05—0330—03

《三级重接炮点火控制系统设计》：柏兴林， 廖敏夫， 赵 纯， 邹积岩 (大连理工大学电气工程与应用电子技术系，辽宁大连1 16024)
The Ignition Control System Design of A 3-stage Reconnection Gun BAI Xing—lin，LIAO Min—fu，ZHAO Chun，ZOU ji—yan (Department of Electrical and Electronics Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 1 1 6024，China)
摘要：重接型电磁发射作为电磁发射的一种重要形式．在很多领域内有着很好的发展前景 笔者介绍了重接型电磁发射的基本原理．论述了三级重接炮实验系统的基本构成．并分析了其中的点火系统的重要地位．在此基础上设计了一套适合三级重接炮的触发点火系统关键词：电磁发射：重接炮；真空触开关：点火控制系统
中图分类号：TM89 文献标识码：A
Abstract： The reconnection gun， as an important forill of electromagnetic launch， has a good development foreground in many fields．This article introduces the basic elements of the reconnection gun． discusses the basic structure of a 3stage reconnection gun， analyses the important position of the ignition control system ， and designs a triggered ignition system for the 3-stage reconnection gun．
Key words：EML；reconnection gun； TVS； ignition control system

一、引言
   目前的发射装置(如火炮、火箭等)大都属于化学发射器。随着科学技术的进步．它们已不能满足人类对于发射能力的更高要求(超高速．超高动能) 比如．在常规火炮中．炮弹的初速度受到各种固有因素的限制．即弹丸初速存在一个理论上的极限速度⋯ 在此情况下产生了新一代超高速电磁推进技术．也就是电磁发射技术。作为一门电工新技术．自从20世纪初．挪威奥斯际大学的物理教授克里斯坦．勃克兰提出电磁发射的概念．并因此获得了3项电磁炮专利 以来．世界各国的科学家对此做了大量的研究电磁发射实际上是一种特殊的电气传动方式．能将电磁能转化为动能，借助电磁力做功．推动发射体前进 。从结构和工作原理上．电磁发射可以分为：平行轨道式、同轴线圈式和重接式3类
    1、平行轨道式
    主要由两根平行的轨道和安放在其间的电枢组成．利用流经轨道的电流所产生的磁场对流经电枢的电流的作用力来加速发射体：同轴线圈式主要由同轴的固定线圈和带有线圈或磁性材料的发射体组成．利用固定线圈和弹丸线圈之间的电磁力来进行加速：重接式主要由带有问隙的线圈和垂直于其轴的位于间隙中的发射体组成．利用被发射体截断的磁力线在间隙中重接后所具有的拉直趋势来推动发射体前进．其本质上是发射体在变化的磁场中所产生的涡流和磁场之间相互的电磁力来加速发射体
在3类电磁发射方式中．轨道式和线圈式起步较早．研究相对较多．而重接式是南1986年美国桑迪亚国立试验室的考恩等人最早提出．并申请了美国专利 与前两种相比较．重接型电磁发射具有发射体与线圈无接触、无烧蚀和欧姆损失相对小．发射体稳定性好，发射效率高．成本相对低等优点．使重接型电磁发射在很多领域内必然有极其广泛而重要应用
    2、 重接型电磁发射的工作原理
    图l给出了一种简单的重接型电磁发射器的原理示意图：它主要由电源系统、开关以及上下两个矩
形的同轴线圈组合而成 发射体沿着上下两个线圈中间的小间隙．垂直于线圈轴向方向向前运行．发射体在间隙中将上下两个线圈的磁力线完全截断．并在发射体运动过程中．发射体后沿发射磁力线重接．从而推动发射体向前运行具体推进过程为：当发射体前沿达到线圈前沿时．外接脉冲电容向线圈充电：线圈电流达到最大值．同时发射体的后沿与线圈的后沿重合时．将外接的脉冲电源断开．此时的电能以磁能方式储存在上
作者简介：柏兴林(1982一)，男，硕士研究生，从事脉冲功率技术研究。
    v 发射体
     重接型电磁发射装置结构，J 蒽下两个线圈的磁场中．两线圈产生的同向磁力线被板状弹丸完全“截断”：当发射体飞行到尾部与线圈左侧拉开一个缝隙时．被发射体截断的磁力线在拉开的缝隙中重接．重接使原来弯曲的磁力线有被拉直的趋势．推动发射体前进 这样原来储存在上下2个线圈中的磁能转变为发射体的动能 本质上．由于变化的磁场在发射体中产生涡流．涡流又与变化的磁场相互作用产生电磁力加速发射体 发射体的推进过程可以看出．脉冲电源技术和开关技术是其中两个至关重要的技术． 关系到整个电磁发射装置的性能 由于电磁发射需要的能量相当高．要求其电源必须是大功率的脉冲电源．工作电流高达几万安培．而工作时间却非常短．只有微秒量级、这就对开关提出了极高的要求 要求开关不仅要能够承受很大的电流．还要有较强的熄弧能力．较长的使用寿命．可频繁操作．具有很小的导通时延和较低的时间分散性(抖动)等等技术要求。显然．普通的电力开关难以满足3 三级重接型电磁发射系统实验模型由于单级重接电磁发射的推动力有限．对发射体的加速效果并不能达到让人满意的效果．实际中可能需要多级装置串联共同构成加速器来完成发射体的加速过程 图2给出了多级重接型电磁发射系统实验装置中其中一级的系统构成框图 这里只对各部分结构做简要的介绍 脉冲电源系统作为系统的能量提供模块．主要为发射线圈提供高电压．大电流的脉冲能量 线圈发射装置用于将电磁能转化为动能．对发射体做功．推动发射体前进 触发点火系统主要实现在适当的时间及时地接通脉冲电源．使脉冲电源系统的能量传递给线圈 电流检测．速度测量等模块都是辅助系统．用于记录发射过程中线圈的电流数据．发射体的速度等．其中发射体位置检测部分用于多级电磁推进中．利用发射体的运行位置给出触发点火系统的点火信号 从这个过程中不难看出．多级重接型电磁发射系统对点火触发系统的性能要求很高．除了电磁发射系统本身要求的开关系统必须具备承受高电压．大电流的能力外．还必须具备准确的时间可控性 该系统选取真空触发开关 TVS)来作为开断器件．并为之设计了一套相应的触发控制系统
    4 触发点火系统设计
    通过前面的分析． 了解到触发点火系统在整个重接型电磁发射中的地位和作用至关重要 这里采
用真空触发开关作为脉冲电源的控制器件．【大1为真空触发开关具有结构紧凑、介质恢复快、操作无噪声、可靠性高以及环境适应力强等优点，在高功率脉冲技术方面应用广泛 在需要快速接通电路及精确控制接通时间的场合． 通过辅助触发材料的选择．TVS可达到数十纳秒级的导通时间 与正在发展的电力电子器件相比．TVS的结构简单、成本低是其最大特点。但要使TVS运行特性良好．抖动小，放电迅速．除了良好的开关结构设计外．触发脉冲的上升陡度、峰值电压以及触发脉冲注入能量都是很重要的因素 研究表明．随着触发脉冲上升陡度增加．开关延时及其分散性相应的减小：增加触发脉冲的能量将缩短开关的导通时延 ：开关丁作稳定可靠也依赖于电压幅值高．上升时间短的高压触发脉    
    （一）下面简要介绍电磁发射触发点火系统的结构组成
    它主要包含3个部分：触发控制、基本触发和主触发点火同路。
    4．1 基本触发回路
    TVS基本触发回路见冈3．该回路采用了高电压小电流触发结合低压大电流续流的复合方式 按
功能分．该触发电路包含两个部分：高压触发部分和能量续流部分 第1部分的主要功能是南脉冲变压
器T 产生一个负高压脉冲，首先将触发问隙击穿．若此时高压回路提供的能量足够的大．那么触发间
隙在一定时间内处于高导状态 第2部分的主要功能是在问隙被击穿后．电容c1通过触发间隙放电．
形成高密度的等离子体．进而导致主间隙的导通 两个部分之间由硅堆提供续流放电的通道． 同时起到将高压发生部分和低压续流部分隔离的作用 交流电压通过变压器T，调整到适当的电压后，经D，分别对电容C．和C，进行充电 当外信号触发可控硅SCR的时候．C。对行输出高压脉冲变压器放电．负高压电平引导触发间隙导通．续流电容C，经过触发间隙，硅堆形成回路对间隙进行续流，从而完成主间隙的导通 这种触发方式可靠性高．可以保证系统稳定可靠的触发．但是这种触发方式得到的触发脉冲陡度不够高．用它直接触发TVS的导。
控制球隙点火
    图3 基本触发回路
    通时延较长．系统的分散性也很大．并且主间隙的熄弧情况与触发电流有关．触发电流一般都在数百s，这种情况下可能会出现主间隙在持续的触发脉冲电流下再次触发[8J 笔者测得脉冲的峰值为17 kV的时候，上升时间27 s。用这样的脉冲直接触发TVS时．从发出触发控制信号到脉冲电源系统对线
圈发射装置放电的系统整体时延在6O s以上，最长可超过100 Ixs，分散性达几十 s。在三级重接型
电磁发射系统中．要求点火时间必须非常准确(尤其是后两级)．这样的时延和分散性不能满足电磁发射系统的要求．需要进行改进
    4．2 触发控制回路
    触发控制电路除了需要保证动作可靠．触发性能较高之外．由于触发信号产生所需的供电电源通
过触发信号与高压触发电路相连．高压触发电路通过间隙开关所处的高压大电流系统相连．因此．防止高压串人低压控制系统非常必要．以保证设备和人生安全。为此．采用了光纤隔离的方法来实现．图4给出了触发控制回路的原理图
    SCR 锢4 触发控制回路
    系统采用发光二极管和光接收管作为开关量．通过光纤将触发信号产生的设备和触发信号控制的设备隔离起来。外设备提供触发脉冲使D，发送光线，光接收管接收到光信号后变为导通状态．通过两个三极管将信号放大．并可靠触发可控硅SCR SCR导通后．图3中的C。就可以对T。放电，产生高压脉冲。其中D 可以防止电压反串烧坏弱电器件 电源最好使用12 V蓄电池单独供电．保证控制回路的安全性。4-3 主触发点火回路在4．1中已经提到了基本触发回路不能满足三级重接型电磁发射系统的要求．为此．在原来的基本触发回路基础上引入控制球隙来引导TVS的触发．经过实验证明．这样改进后系统整体性能得到了很大的提升，
    图5 主触发点火回路
    图5给出了触发点火系统的电路原理图图中TvS的主电极位于脉冲电源系统和发射线圈之间．用于分隔高压脉冲电源．并控制整个主放电回路的开断 整个回路通过高压变压器T对高压脉冲电容器C 充电， 当控制球隙触发导通的时候．C 通过控制球隙放电产生高压触发脉冲．从而触发TVS导通。TVS导通后．脉冲电源系统对发射线圈放电，线圈发射器通过能量转换来推动发射体前进．达到加速发射体的目的 控制球隙的点火信号由基本触发回路提供由于脉冲电容C 的电压可调，从而可以通过调
整控制球隙距离来控制TVS触发脉冲幅值的大小．也可通过增加脉冲电容C 的值来调整触发所需要
的能量．因此．该触发点火回路是可控制的 实验过程中选择C 等于32 000 pF，控制球隙使用空气球
隙．最后获得的触发脉冲在十几千伏的时候．其陡度小于1O ns 利用该触发脉冲使电磁发射系统的整体时延(从触发控制信号发出到脉冲电源系统对线圈发射器放电)可以降低到15 s以内，点火系统的控
制精度小于1 s，大大低于前而的基本触发电路。在发射体速度不是很高的情况下．这样的时延和分散性已经可以满足三级重接型电磁发射系统的要求
     结语
    在重接型电磁发射系统中．脉冲电源技术至关重要．对触发点火系统的要求也很高 文中给出了重接型电磁发射装置的原理和三级重接型电磁发射实验模型的组成框图．并设计了一套触发点火系统 经过实验．该触发点火系统可靠性高．工作稳定．并且控制精度较好．可以很好地满足目前的重接型电磁发射装置 通过调节图5中的电容量和控制间隙可以控制输出触发脉冲的幅值和能量．从而得到合适
的触发脉冲．所以该点火系统也可用于其他相关的脉冲功率技术场合
参考文献：
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【31 李小鹏，李立毅，程树康．等．重接式电磁发射技术的现状及应用前景【J]．微电机，2002，32(4)：39—41．
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