基于气动热的引信磁流体发电

王红丽，马旭辉，郭军献

（1．机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065；2．西安机电信息研究所，陕西 西安 710065）

0 引言

电源是电子引信的核心部件，随着引信技术的发展，对电源的要求越来越高，而弹药技术的进步，特别是弹速的提高，使得可利用的环境发生改变。为此，人们总是不断地为引信寻找新型电源。

磁流体发电是利用高温等离子气体（或液态金属）等导电流体与磁场的相互作用，把热能直接转化成为电能的新型发电方式，无须经过变换为机械能的中间阶段，不需要运动部件。它所用的工作气体通常是煤、天然气或石油等矿物燃料燃烧产生的高温电离的导电气体。自1959年美国磁流体发电原理实验成功后，许多国家（主要是美国和前苏联）都首先发展军事用途的磁流体发电机，如激光电源、电磁炮电源。中国科学院电工研究所和原一机部上海汽锅所研制的500 k W短时间磁流体发电机也都是设想用于武器电源的。由于武器本身的研制很不理想，对电源提不出进一步要求，磁流体发电机的研制得不到发展。在上世纪70年代初磁流体发电的研究停顿了一段时间，由于能源危机，在70年代末各国把磁流体发电的研究转向了民用［1］。另有一种军事用途的磁流体发电机是爆炸磁流体发电机，能量转换是在冲击波气体流大条件下发生的，它的研究已有40多年的历史。在不同国家里这种爆炸磁流体发电机已有十多台。在上世纪90年代南京理工大学开展了利用固体火箭发电机作为等离子体射流源的磁流体发电的研究，设计并试验了小型磁流体发电装置［2］。目前尚未有资料或报道提出利用气动热产生的高温等离子体来进行发电的技术或装置。

随着弹药远程化，长时间高速飞行环境会使引信电源面临新问题，例如涡轮发电机轴承无法承受；热电池使电子电路处于高温下，并且工作时间有限等。基于此，本文提出一种新的基于气动热的引信磁流体发电技术。

1 磁流体发电的工作原理及特点

磁流体发电所依据的基本原理是等离子体的霍耳效应，使爆炸或燃烧产生的等离子体高速通过具有强磁场的通道，等离子体切割磁力线产生电动势［3］。一般磁流体发电装置由燃烧室、发电通道和磁体等部分组成。燃料在燃烧室中燃烧，产生出温度很高（高于2 000℃）的等离子体，在燃烧室的末端装有加速喷管，使高温等离子体以约1 000 m／s的速度喷出，如果在垂直于气流的方向上加有磁场，则气体中的正负离子，在洛伦兹力的作用下，带正电的离子移向正电极，而电子移向负电极，于是在两极上就形成了很高的电势差。当与外电路接通时，负载上就有电流通过。磁流体发电原理如图1所示。

图1 磁流体发电原理图Fig．1 Schematic diagram of MHD generation

一般的磁流体发电系统主要由燃烧室、发电通道和产生磁场的磁体组成。1）燃烧型等离子体发生器——燃烧室及其加速喷管，起作用是通过矿物燃料与氧气或压缩预热空气的燃烧产生高温等离子体，经过加速喷管达到磁流体发电所要求的温度与速度；2）发电通道，其作用是在发电通道内等离子体高速穿过磁场感应出电动势，将热能转换为电能，并通过电极输出；3）磁体，由高性能的永磁体或超导磁体组成，其作用是为发电通道提供较高的磁感应强度。其中发电通道是磁流体发电的专用部件，叫做磁流体发电机［1］。除以上三大部件，最好还有扩压器，其作用是连接在发电通道出口处，使发电通道的动能转换成压力。

磁流体发电并不是开辟新能源，而是一种新的能源转换方式。在磁流体发电系统中除导电流体外无运动零部件，其特点在于：热效率高、结构紧凑、体积小，单机容量大；发电启停动作快；对环境污染较小等［4］。由于它发电启停快，很适于满足“尖端负荷”及军事武器装备方面特殊电源使用。它将热能直接转化成电能，从而大幅度提高发电效率。

2 基于气动热的引信磁流体发电

2．1 基于气动热的引信磁流体发电的工作原理

基于气动热的引信磁流体发电的工作原理如图2所示。弹丸在高速飞行过程中，弹丸头部空气受到压缩而产生极大的热量，弹丸飞行速度越快，气流温度就会越高［5］，当空气的温度达到一定值以后，空气中的成份就会发生电离形成等离子体，通过进气通道使高温等离子体气流的速度增加至需要的速度并将其引入发电通道，等离子体高速穿过与流动速度方向相垂直的强磁场，在洛伦兹力的作用下，带正电的离子移向正电极，而电子移向负电极，使两极之间产生电势差，将两侧电极与引信电路相接便可引出电流而获得电功率，只要弹丸的速度足够高，继续产生等离子体，就可以持续不断地为引信提供电能。

图2 基于气动热的引信磁流体发电机原理图Fig．2 Schematic diagram of f uze MHD generator based on aer oheating

2．2 基于气动热的引信磁流体发电的组成与特点

基于气动热的引信用磁流体发电机与一般磁流体发电最大的不同在于产生等离子体的方式不同。一般磁流体发电产生等离子体的方法是通过化石燃料燃烧或者爆炸产生的；这个过程需在燃烧室，也就是等离子体发生器中实现。而基于气动热的引信磁流体发电所用的等离子体是通过高速飞行的弹丸压缩空气产生极大的热量将空气电离产生的，不需要专门的发生装置。基于气动热的引信磁流体发电的基本组成由将头部高温气体形成磁流体发电需要的等离子体的进气通道、实现磁流体发电的发电通道、将气体排出引信体外又需不影响引信外流场的排气通道组成，如图2所示。发电通道内由磁极、电极以及用于保护磁极电极的抗高温绝热材料组成。在弹丸表面产生的高温高速气体对系统原本是有害的，将其引入发电通道用来发电，一方面消除了弹丸过热对其造成的不利影响；另一方面为引信提供了一种新型电源。磁流体发电没有运动部件，可解决传统引信用物理电源在弹丸高速时存在的强度问题。与化学电源相比，可以实现百分百无损检测，而且不存在环境污染问题。

3 可行性分析

为验证基于气动热的引信磁流体发电的可行性，设计了一种磁流体发电机。引信用磁流体发电机的布置和结构首先由它的工作原理所决定，其次还应能为引信提供所需能量，而且不能影响引信本身的结构及弹丸环境。依据引信用磁流体发电的工作原理，参照开环磁流体发电系统的结构以及俄罗斯和美国的脉冲磁流体发电机的结构［1］，结合引信用电源的应用条件和引信本身结构特点，并根据前期对发电通道流场仿真的结果，设计了一种基于气动热的引信磁流体发电机，结构及参数如图3所示。

图3 基于气动热的引信磁流体发电机Fig．3 Fuze MHD generator based on aero heating technology

利用FLUENT软件对图3结构进行弹速为3～7 Ma下的气动热仿真，得到各弹速下发电装置通道内气流的温度、速度分布。仿真结果表明：气流的温度与速度随着弹丸速度的增加而增加，且分布形式基本一致。在弹丸速度7 Ma时，发电装置气体沿轴向的中截面温度、速度分布图如图4、图5所示；距弹丸头部30 mm处气体沿径向的垂直截面温度、速度的分布图如图6、图7所示。

图4 7 Ma时发电机中截面的温度分布图Fig．4 Middle section temperat ure distributionof generator at the speed of 7 Ma

图5 7 Ma时发电机中截面的速度分布图Fig．5 Middle section velocity distribution of generator at the speed of 7 Ma

由图4和图5可以得出：在弹丸速度7 Ma时发电通道内气流的温度与速度分别达到了2 667 K和1 031 m／s以上，且基本恒定。根据磁流体发电条件，要求气体温度高于2 000℃、速度在1 000 m／s左右［1］，但由于基于气动热的引信磁流体发电采用弹丸头部高温空气，空气电离密度低，致使磁流体电导率低影响磁流体发电效率，要想实现磁流体发电，需要在图3结构中发电通道内采取喷涂等工艺，添加某些电离电位较低的物质，就可以实现磁流体发电。由仿真结果表明：发电通道内气体温度、速度分布基本均匀、稳定，满足磁流体发电条件及要求。考虑到目前引信零部件的常规材料无法满足如此高温使用要求，在设计时借鉴了燃煤磁流体发电机发电通道的结构及绝缘材料进行了隔热设计［1，6－8］。但此设计方法并未能完全解决电机在高温下工作时间较长的要求，因此基于气动热的引信用磁流体发电机在理论上是可行的，但对其在实际应用的问题需做进一步研究。

图6 7 Ma时发电机垂直截面的温度分布图Fig．6 Vertical section temperature distribution of generator at the speed of 7 Ma

图7 7 Ma时发电机垂直截面的速度分布图Fig．7 vertical section velocity distribution of generator at the speed of 7 Ma

4 结论

本文提出了一种基于气动热的引信磁流体发电方式，利用高速弹丸飞行时头部高温气体电离后产生的等离子体，进入发电通道切割磁力线进行发电，为引信电路提供能源。仿真结果表明，本文的设计方案满足磁流体发电体条件，具有一定的可行性，为引信环境能源提供一种新的途径。但对于基于气动热的引信磁流体发电研究尚在探索阶段，从实用化的角度出发，现有磁流体发电机的结构及材料问题都相对成熟，但引信零部件的常规材料抗高温等问题以及引信磁流体发电对于引信及弹丸本身的影响还有待进一步研究，因此，实际应用问题将是下一步研究方向。

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