王章飛，栗保明

(南京理工大學 瞬態(tài)物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094)

電磁發(fā)射是一種利用電磁力驅(qū)動、能將物體加速到高超聲速以上的新型發(fā)射技術，在火炮應用中按照不同的結(jié)構(gòu)可細分為軌道炮、線圈炮和重接炮，目前研究多以軌道炮為主。與常規(guī)火炮相比，電磁軌道炮具有彈丸過載小、射程遠、初速不受限制、存儲使用安全、使用成本低等特點，工作原理為電源向兩根導軌間的電樞輸入電流，形成的磁場與電流相互作用產(chǎn)生洛倫茲力，從而推動電樞沿著導軌加速運動。在軍事上可作為反裝甲、遠程壓制武器或用來加速火箭、衛(wèi)星、高速碰撞裂變等[1]。

在電磁軌道炮的發(fā)射過程中，由于電樞和發(fā)射軌道在高速滑動電接觸，其瞬間電源峰值功率達吉瓦、電流兆安、儲能規(guī)模兆焦量級，常規(guī)電源根本無法支撐。同時，電源提供的大電流高速經(jīng)過導軌傳輸給電樞，這使得導軌上瞬間產(chǎn)生了大量的熱量，容易造成電磁發(fā)射系統(tǒng)軌道的熱應力損傷，如電樞熔化、電樞轉(zhuǎn)捩和軌道刨削，繼而造成發(fā)射精度低、連續(xù)發(fā)射困難。而造成電樞溫度升高的主要原因是電流產(chǎn)生的焦耳熱和電樞與軌道間的高速滑動所產(chǎn)生的摩擦熱。A.N.Smith等[2]建立了電磁發(fā)射器的熱管理模型；Harold Vanicek等[3]針對導軌做了相應溫度場的模擬；陶孟仙等[4]討論了焦耳熱和摩擦熱作用下的固體電樞熱物性探究。由于電樞與軌道間的滑動電接觸時間較短，摩擦熱相較于焦耳熱量級較小，因此通常在研究中會忽略這部分熱量,如Motes D等[5]就在電磁軌道炮的熱管理研究中明確指出焦耳熱是電磁發(fā)射器中的主要熱源。但在已有研究中，對于焦耳熱和摩擦熱的定量計算涉及較少。

脈沖電源是提供電磁軌道炮的電能元件，依靠脈沖電流產(chǎn)生洛倫茲力推動電樞、加速彈丸，按照儲能方式可分為電容儲能、電機慣性儲能和電感儲能。電機、電感型儲能的能量密度均大于電容型脈沖電源，但電機型目前技術尚未成熟，工程實現(xiàn)難度大；電感型受限于半導體開關，難以承受大電壓應力。而電容儲能密度低(約在1～4 MJ/m3)，結(jié)構(gòu)簡單、技術成熟，近年來得益于金屬化膜電容器的發(fā)展，美國通用原子公司設計的儲能密度最高可達7 MJ/m3.在電容儲能型脈沖電源中，大電流放電所帶來的發(fā)熱量會導致某些大功率元器件的熱堆積、熱損傷問題, 如：脈沖電感器、續(xù)流硅堆、晶閘管開關、脈沖電容器等。特別是晶閘管開關是由多組晶閘管封裝而成，過電流或高熱流密度所造成內(nèi)部瞬間溫升會導致其發(fā)生熔化。

以上這些因素都會限制電磁軌道炮的工程化應用，而通過電磁軌道炮的熱管理研究能有效了解電樞和導軌間的滑動電接觸磨損、一體化電樞導軌間的動力學響應、超高速刨削機理、緊湊小型化脈沖電源技術等，這利于指導電磁軌道炮的設計工作，如選用高熱導率、電導率、熔點的電樞材料；優(yōu)化電樞的構(gòu)型、改善電樞的電流分布，降低大功率元件瞬間焦耳熱堆積問題等，因此研究電磁軌道炮的發(fā)射熱管理問題具有實際意義。

1 熱管理機理研究

鑒于電磁軌道炮發(fā)射過程中脈沖電源能量達到兆焦級、峰值電流兆安級，若散熱不及時會造成電磁軌道炮重頻連發(fā)存在難度，故熱管理考慮的首要問題就是如何快速冷卻導軌和脈沖電源等產(chǎn)熱元件。

換熱基本公式：

Q=KFΔt,

(1)

Q=cmΔt,

(2)

式中：Q為需散熱量；K為傳熱系數(shù)；F為換熱面積；c為流體的比熱容；m為流體的質(zhì)量；Δt為兩流體間或流體與換熱面間的溫度差值。

根據(jù)換熱基本公式，從冷卻的角度考慮，主要分兩方面：流道結(jié)構(gòu)和冷卻介質(zhì)。

1) 在流道結(jié)構(gòu)上，通過研制結(jié)構(gòu)更緊湊、換熱面積更大的散熱器可提高換熱面積F，達到快速散熱的目的。由于液冷板結(jié)構(gòu)簡單、效率高，可選流體種類多、冷卻的熱載荷范圍寬，其內(nèi)部所增加的凹槽流道就是考慮F值的增大，這對高熱流密度電子設備的冷卻能起到很好的效果，因此對液冷板流通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計以及液體管路的設計對發(fā)熱元件溫度均勻性的影響方面的研究是值得認真考慮的。

2) 從冷卻介質(zhì)角度來說，主要有風冷和水冷。由于水的比熱容c值是4.2 kJ/kg·℃，遠高于空氣的比熱容值1.0 kJ/kg·℃，從式(2)可知，在同等工況下采用水冷散熱明顯優(yōu)于風冷。此外，隨著電子元件集成技術的發(fā)展，常用的風冷技術已達極限,難以滿足市場的要求。而液體具有良好的流動性和導熱性，因此液體散熱技術成為冷卻系統(tǒng)散熱的首選。如表1所示，液冷效果也明顯優(yōu)于常規(guī)的風冷散熱。

表1 目前常見的散熱方式對比

對于軌道的液體冷卻方式，目前可細致分為外部噴射冷卻和內(nèi)部管道流體冷卻兩類。外部噴射冷卻水的方式采用傳統(tǒng)的蒸發(fā)散熱原理，在導軌高溫區(qū)噴射冷卻液，繼而利用外部環(huán)境對流換熱方式達到降溫的目的。Myers等[6]在電磁炮發(fā)展初期就提出這樣的構(gòu)想，雖然不會對發(fā)射器造成損傷，但是結(jié)構(gòu)復雜、且早期電磁軌道炮量級不高；內(nèi)部管道流體冷卻，IAT的Fish S等[7]進行了相應仿真計算，研究發(fā)現(xiàn)此種方式能有效將溫度控制在50 ℃以下。林靈淑等[8]通過Comsol Multiphysics軟件提出了在軌道內(nèi)部設置冷卻管道的基本規(guī)律。林慶華等[9]對電磁軌道炮內(nèi)膛進行自然冷卻、強制空冷、高壓蒸汽冷卻和水冷卻的對比模擬分析，發(fā)現(xiàn)采用高導熱系數(shù)的冷卻方式才能有效達到快速冷卻的效果。單獨從考慮提高材料的導熱系數(shù)入手，可以考慮在冷卻介質(zhì)中添加一定量的納米粒子制成納米流體來強化傳熱。納米流體是指以一定的方式和比例在液體中添加納米級金屬或金屬氧化物粒子而形成的納米顆粒懸浮液?；贛axwell理論,宣益民[10]研究表明，在液體中添加納米粒子，由于納米材料的小尺寸效應和布朗運動可以強化傳熱,有利于保持基液穩(wěn)定懸浮不沉降。楊波等[11]以親水性表面活性劑TNWDIS在去離子水中分散單壁、多壁碳納米管，對比分析了水基納米流體的熱導率、粘度等熱物性參數(shù)，研究表明：碳納米管粒子的加入能明顯強化基液導熱性能，相較于單壁碳納米管所引起的粘度變化，多壁碳納米管更加適合強化流體換熱。因此，將高導熱系數(shù)的納米流體作為冷卻介質(zhì)提供了新的液冷散熱方向。

2 基于液冷和冷卻流道的熱管理技術

電子元件常見的熱管理技術措施按照熱通量 范圍劃定[12]，可得到如圖1所示的分布，其中涵蓋并耦合了熱量傳遞的3種基本方式：導熱、熱對流和熱輻射?？梢钥闯鲆后w冷卻可細分為噴霧沖擊、液體浸沒冷卻、微通道冷卻器件，采用液體冷卻是可以實現(xiàn)高熱流密度、高熱效率的散熱要求，但同時元件的散熱模塊化設計將變得復雜。

2.1 噴霧沖擊冷卻

噴霧沖擊冷卻是噴霧冷卻和液體噴射沖擊的統(tǒng)稱，前者是經(jīng)噴嘴噴出霧化小液滴，在加熱面形成一層液體薄膜，通過液膜流動帶走熱量，此種方式會最大限度地降低表面接觸熱阻，且液膜會包裹部分空氣促進二次成核達到強化傳熱的效果；后者通過高壓噴射出高速氣流，在加熱面形成局部強對流環(huán)境來加快熱量傳遞。與噴射沖擊相比，噴霧冷卻能獲得更高的熱通量，霧化均勻性好、流動噴射速度可按需調(diào)節(jié)，因此在航空航天、生物醫(yī)療、食品工程、海水淡化等方面得到了廣泛應用。

噴霧冷卻方式有諸多優(yōu)點，但其對霧化噴嘴形狀、噴射角度、噴射流量大小、噴射冷卻液等有更高的要求，若不進行合理設計容易造成噴嘴堵塞、若使用低溫冷卻工質(zhì)會造成冰堵等現(xiàn)象。Liang Gang-tao等[13]通過對噴嘴的全錐型、空心、扁平3種不同形狀展開論證，最終得出了將液滴分布在整個撞擊圓中的全錐型更適合多數(shù)的噴霧冷卻。張李軍等[14]設計了一種集成微型旋流霧化噴嘴的噴霧冷卻板，通過性能試驗系統(tǒng)得出了影響霧化冷卻板換熱性能的決定因素是噴霧高度和體積流量，當噴霧高度逐漸增加時，冷卻板換熱性能明顯下降，當體積流量逐漸增加時，冷卻板強化換熱效果顯著。近年來，隨著技術的發(fā)展、需求的提高，逐漸涌現(xiàn)出一些新型噴霧冷卻形式、新型冷卻工質(zhì)，如脈沖式噴霧冷卻、多噴嘴陣列噴霧冷卻、真空閃蒸噴霧冷卻、間歇式噴霧冷卻、R134a相變噴霧冷卻、以添加劑(醇類、可溶性鹽、納米顆粒、表面活性劑)的水基噴霧冷卻等，旨在提升噴霧冷卻的換熱性能，獲得更高的熱流密度φq.

2.2 液體浸沒冷卻

液體浸沒式冷卻是采用絕緣冷卻液直接浸沒在發(fā)熱面，冷卻液在吸收熱量后沸騰氣化，氣體上升遇到冷凝表面液化回流。浸沒式冷卻系統(tǒng)一般由蒸發(fā)段、冷凝段、循環(huán)管路系統(tǒng)組成，可以看到系統(tǒng)組成中不存在風扇及大型空調(diào)制冷設備，故大大降低了設備冷卻能耗，節(jié)省了機房空間。而其工作原理主要是涉及相變的沸騰換熱，對應大空間沸騰曲線中的核態(tài)沸騰段，換熱與氣泡的生成和運動密切相關、存在一定過熱度。

浸沒式冷卻換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，適用于高熱流密度、綠色節(jié)能要求高的場所，如大型數(shù)據(jù)中心、超級計算機等。同時它對系統(tǒng)密封性要求也較高，因此換熱結(jié)構(gòu)設計、絕緣冷卻液的選用、充液量等都是決定浸沒式相變冷卻系統(tǒng)效能的關鍵。例如，阿里巴巴集團所建造的阿里云“麒麟”數(shù)據(jù)中心服務器用絕緣冷卻液替代傳統(tǒng)的風冷，可將能源使用效率PUE降低到理論極限值1.0，其技術關鍵在于結(jié)構(gòu)密封性和絕緣冷卻液的選用。而官方報道中未提及冷卻液具體成分，只簡述為此材料完全絕緣、無腐蝕性，可有效工作20年。在相關學者的實驗研究中，常選用碳氟化物(FC-72、FC-87、PF-5060)或者氫氟化物(HFE-7000、HFE-7100、HFE-7300)等，如Warrier P等[15]通過CAMD、FOM方法篩選出C6H11F13更適合作為浸沒式冷卻液成分；Murshed S M S等[16]將高導熱系數(shù)的納米流體引入到水基冷卻液中，為浸沒式液體冷卻提供新的思路。

2.3 微通道冷卻器件

微通道冷卻器件(微通道換熱器)是指當量直徑在10～1 000 細微流道組成的換熱器，由于通道尺寸往往較小、擁有更大的比表面積，液體在微通道內(nèi)能迅速發(fā)展成核態(tài)沸騰從而強化散熱。它最早由Tucherman和Pease于1981年首次提出，按照所需的外形尺寸規(guī)格可分為微型和大尺度微通道換熱器，目前的熱流密度能達到700 W/cm2以上，在微電子工業(yè)、航空航天、太陽能電池、家用空調(diào)中發(fā)揮著重要作用。

微通道換熱器結(jié)構(gòu)尺寸小，使用單相流體流經(jīng)時會造成局部溫升過高，嚴重會造成電子器件故障等問題。雖然采用大流速能解決溫度均勻性問題，但流速提升后沿程阻力、局部阻力會成平方倍增長，不能從源頭上解決問題。若采用氣液相變則可以解決溫度梯度過高造成的溫升，但這將面臨更加復雜的流道結(jié)構(gòu)設計。馬友光等[17]揭示了微通道氣液兩相流中氣泡生成、長大、聚并規(guī)律，指出了微尺度下氣液傳質(zhì)效率比常規(guī)尺度明顯提高2～3個量級；張燦等[18]等梳理了有無氣液相變對微通道換熱器的影響，發(fā)現(xiàn)相變換熱能夠促進微通道換熱。近年來，新型冷卻工質(zhì)也逐漸應用到微通道換熱器中，Sivakumar A等[19]通過對水基CuO、Al2O3納米流體、基液在蛇形微通道換熱器中的實驗研究，發(fā)現(xiàn)納米流體的對流換熱系數(shù)與基液相比明顯提高、CuO納米流體比Al2O3換熱系數(shù)更高。

3 導軌、脈沖電源的液體冷卻技術

3.1 導軌、脈沖電源液冷工質(zhì)的選用

對上述液冷的3種方法分析，可以看出：單純依靠工質(zhì)進行無相變液體冷卻，在熱流密度上會存在較大的量級差。而利用低沸點、高熱導率的相變冷卻液可實現(xiàn)對電磁軌道炮等高熱流密度場合的散熱需求，比如選用冰漿或納米流體。冰漿是一種由大量小尺寸的冰晶顆粒和水組成的固液兩相溶液,具有冰表面積大、流動性好、相變潛熱值高(冰熔化潛熱約為335 kJ/kg)，是一種良好的冷卻介質(zhì)。制冰的制取方式大體上可分為6種，即機械型壁面刮削制冰、過冷水法、直接接觸噴射法、降膜法、流化床法以及真空制冰法，其優(yōu)缺點如表2所示。

表2 冰漿制取方式的比較

續(xù)表2

液態(tài)冰漿的相變冷卻關鍵就在于降低過冷度、促進冰晶成核和保證其良好的泵送流動性。根據(jù)相變材料的結(jié)晶動力學規(guī)律，冰晶成核分為誘發(fā)、晶體生成和晶體再生階段。從結(jié)晶過程角度而言，液體結(jié)晶過程需要有過冷度的存在，這可以讓晶體和液體存在自由能差驅(qū)動結(jié)晶過程，使自由能的降低大于界面能的增加，滿足物質(zhì)從高能態(tài)向低能態(tài)的轉(zhuǎn)變。參考固態(tài)相變的熱力學原理，終態(tài)(新相)與始態(tài)(母相)間的自由能越大，相變驅(qū)動力越大，發(fā)生相變可能性越大。其次，保證冰漿具有良好的流動性、高潛熱值，這對含冰率的大小有嚴格要求。而有一定含冰率的冰漿能夠起到減阻劑作用，降低制冷設備的能耗，當水溶液中冰晶的含量低時冰漿可認為是牛頓流體；冰晶含量較高時，冰漿則表現(xiàn)出非牛頓流體特性。Ayel V等[20]通過理論模型計算認為，含冰率在6%～15%時冰漿由牛頓流體轉(zhuǎn)向非牛頓流體。由于水在結(jié)晶過程是一種亞穩(wěn)態(tài)，一旦出現(xiàn)擾動就會破壞原有的平衡而迅速結(jié)冰，這也是目前困擾市場上冰漿制備的難題。近年來，在中國制冷展上煙臺冰輪集團首次展出了其自主研發(fā)制造的氨制冷過冷水法制冰系統(tǒng)，能保證泵送冰漿在循環(huán)過程中不發(fā)生冰堵。此外，納米流體一直是提高導熱系數(shù)、強化傳熱的熱點，而納米粒子的加入能夠降低過冷度，成為異質(zhì)在溶液中成核降低表面自由能，如章學來等[21]通過真空法來制備水基Cu、Al2O3、MWCNT、TiO2納米流體冰漿，在保證冰漿流動性下將過冷度大幅降低。

3.2 導軌、脈沖電源、電纜的一體化液冷系統(tǒng)

在電磁軌道炮的熱管理中，導軌和脈沖電源的散熱可基于液冷和冷卻流道進行一體化設計，共用同一套液冷系統(tǒng)，這樣能有效降低設備成本、便于運行維護管理。在冷卻介質(zhì)的選用中，若采用傳統(tǒng)的冷卻介質(zhì)進行試驗時，在高電壓、強電流作用下可能會因冷卻液自身電導率較高、雜質(zhì)的存在造成擊穿事故，故目前工程應用中常采用純水作為冷卻液，從相變傳熱角度可以利用純水或乙二醇制備的冰漿作為循環(huán)冷卻液，設計的液冷系統(tǒng)如圖2所示。

長遠來看，將高導熱系數(shù)的納米材料引入到電磁軌道炮散熱研究中是可行的，如杜傳通等[22]將石墨烯涂層用于電樞起到抗電弧燒蝕，提高射速。而設想采用納米流體制成冰漿作為冷卻介質(zhì)，則需要解決絕緣和液體冷卻介質(zhì)在循環(huán)過程中的穩(wěn)定性、導電性抑制等問題。同時，在電磁軌道炮身管設計中應將冷卻流道納入，如電樞與兩根導軌僅單側(cè)接觸，會產(chǎn)生摩擦熱、焦耳熱，這可視為液冷系統(tǒng)的熱端，而考慮將電樞不滑動電接觸的異側(cè)作為冷端，從而進行冷卻流道、傳熱單元設計是可行的。此外，在液冷方案的設計中針對電磁軌道炮特殊的身管結(jié)構(gòu)，也可以考慮在導軌外部作復雜的液冷系統(tǒng)、但在冷凍水進入導軌前轉(zhuǎn)換為氣態(tài)或噴霧冷卻形式。

脈沖電源的熱管理技術措施相對成熟，如畢延芳等[23]對超導電力應用的低溫冷卻系統(tǒng)的詳細介紹，選出了幾種適用于HTS電力系統(tǒng)的商用制冷產(chǎn)品。而目前電磁軌道炮中的晶閘管液冷方案可以不沿用傳統(tǒng)的獨立制冷系統(tǒng)，采用與導軌的液冷系統(tǒng)耦合，流態(tài)冰漿通過低溫泵在分支管道內(nèi)輸送。鑒于熱管理機理的實驗研究，結(jié)合使用如圖3所示的螺旋流道設計的銅基散熱板。

此外，在電磁軌道炮整個系統(tǒng)中電源、炮尾會用到數(shù)百根直徑Φ25 mm以上電纜，而在兆安級的大電流作用下，根據(jù)焦耳定律：

Q=I2Rt,

(3)

式中：Q為需散熱量或產(chǎn)熱量；I為電流；R為元器件的電阻；t為接觸工作時間。即使銅的電阻較小但產(chǎn)生的焦耳熱量級也較大，若不能快速將熱量導出，嚴重時會造成電纜熔化、電纜爆裂等安全事故。涉及的能量傳輸電纜通常有充電電纜和放電電纜兩種：充電電纜用于充電裝置向脈沖電容器傳輸電能；放電電纜用于脈沖電源向電磁軌道炮傳輸電能。

武器系統(tǒng)實用化要求電磁軌道炮系統(tǒng)能以較高的頻率連續(xù)發(fā)射。在大型電磁軌道炮的重頻連發(fā)工況下，放電電纜需要采用有效的冷卻方案；在重頻連發(fā)工況下為實現(xiàn)充電裝置小型化并滿足系統(tǒng)快速充電的需求，充電電纜同樣也需要考慮冷卻方案。例如：放電電纜的冷卻方案在文獻[24]中提到了一種內(nèi)外導體水冷式同軸電纜，它能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)快速脈沖大電流放電條件下的冷卻要求；而如圖4所示，在文獻[25]中給出了一種液態(tài)冷卻充電電纜，通過在保護層內(nèi)按照一定間隔設置空腔來填充低密度聚乙烯/石蠟復合相變材料，在電纜中心處設置冷卻水管(含進、出水管)并且在回水管出口處安裝有熱電偶實時監(jiān)測電纜溫度，從而控制冷卻水管內(nèi)冷卻液的流量，滿足不同工況下的主動冷卻散熱需求。近年來，隨著新能源電動汽車的發(fā)展，充電樁出現(xiàn)的高溫故障容易造成單個充電場站車多樁少、24 h連軸轉(zhuǎn)的情況，而特斯拉設計制造的超級充電樁采用了液冷式電纜，據(jù)悉其所采用的是丙二醇液體冷卻介質(zhì)，可有效維持充電溫度在23.5 ℃，能承受高電流、縮短充電時長。因此，針對電磁軌道炮所用的數(shù)百根電纜的散熱問題考慮進行液冷化設計，并且可以與流態(tài)冰漿的一體化液冷系統(tǒng)進行耦合。

4 結(jié)束語

針對電磁軌道炮中的導軌和脈沖電源產(chǎn)生的焦耳熱、摩擦熱展開分析，從熱管理機理角度給出了不同冷卻介質(zhì)和擴大換熱面積的流道設計思路，建議導軌、脈沖電源、液冷電纜采用以純水或乙二醇流態(tài)冰漿為相變冷卻介質(zhì)的一體化液冷系統(tǒng)，未來可考慮將高導熱系數(shù)的納米流體引入電磁炮液冷散熱研究中，但需要解決高電流、高電壓環(huán)境下流體介質(zhì)的循環(huán)穩(wěn)定性及電導率控制等問題。綜合來看，電磁軌道炮的熱管理研究目前未成體系化，采用的方法也多是借助仿真軟件進行冷卻過程的數(shù)值模擬，同時在電磁軌道炮熱管理設計中若能知曉導軌、晶閘管產(chǎn)熱的量級也是重要的技術指標。因此，電磁軌道炮的熱管理還存在諸多問題值得研究。