电磁炮热管理中导轨和电源的液冷研究进展

王章飞，栗保明

(南京理工大学 瞬态物理国家重点实验室，江苏 南京 210094)

电磁发射是一种利用电磁力驱动、能将物体加速到高超声速以上的新型发射技术，在火炮应用中按照不同的结构可细分为轨道炮、线圈炮和重接炮，目前研究多以轨道炮为主。与常规火炮相比，电磁轨道炮具有弹丸过载小、射程远、初速不受限制、存储使用安全、使用成本低等特点，工作原理为电源向两根导轨间的电枢输入电流，形成的磁场与电流相互作用产生洛伦兹力，从而推动电枢沿着导轨加速运动。在军事上可作为反装甲、远程压制武器或用来加速火箭、卫星、高速碰撞裂变等[1]。

在电磁轨道炮的发射过程中，由于电枢和发射轨道在高速滑动电接触，其瞬间电源峰值功率达吉瓦、电流兆安、储能规模兆焦量级，常规电源根本无法支撑。同时，电源提供的大电流高速经过导轨传输给电枢，这使得导轨上瞬间产生了大量的热量，容易造成电磁发射系统轨道的热应力损伤，如电枢熔化、电枢转捩和轨道刨削，继而造成发射精度低、连续发射困难。而造成电枢温度升高的主要原因是电流产生的焦耳热和电枢与轨道间的高速滑动所产生的摩擦热。A.N.Smith等[2]建立了电磁发射器的热管理模型；Harold Vanicek等[3]针对导轨做了相应温度场的模拟；陶孟仙等[4]讨论了焦耳热和摩擦热作用下的固体电枢热物性探究。由于电枢与轨道间的滑动电接触时间较短，摩擦热相较于焦耳热量级较小，因此通常在研究中会忽略这部分热量,如Motes D等[5]就在电磁轨道炮的热管理研究中明确指出焦耳热是电磁发射器中的主要热源。但在已有研究中，对于焦耳热和摩擦热的定量计算涉及较少。

脉冲电源是提供电磁轨道炮的电能元件，依靠脉冲电流产生洛伦兹力推动电枢、加速弹丸，按照储能方式可分为电容储能、电机惯性储能和电感储能。电机、电感型储能的能量密度均大于电容型脉冲电源，但电机型目前技术尚未成熟，工程实现难度大；电感型受限于半导体开关，难以承受大电压应力。而电容储能密度低(约在1～4 MJ/m3)，结构简单、技术成熟，近年来得益于金属化膜电容器的发展，美国通用原子公司设计的储能密度最高可达7 MJ/m3.在电容储能型脉冲电源中，大电流放电所带来的发热量会导致某些大功率元器件的热堆积、热损伤问题, 如：脉冲电感器、续流硅堆、晶闸管开关、脉冲电容器等。特别是晶闸管开关是由多组晶闸管封装而成，过电流或高热流密度所造成内部瞬间温升会导致其发生熔化。

以上这些因素都会限制电磁轨道炮的工程化应用，而通过电磁轨道炮的热管理研究能有效了解电枢和导轨间的滑动电接触磨损、一体化电枢导轨间的动力学响应、超高速刨削机理、紧凑小型化脉冲电源技术等，这利于指导电磁轨道炮的设计工作，如选用高热导率、电导率、熔点的电枢材料；优化电枢的构型、改善电枢的电流分布，降低大功率元件瞬间焦耳热堆积问题等，因此研究电磁轨道炮的发射热管理问题具有实际意义。

1 热管理机理研究

鉴于电磁轨道炮发射过程中脉冲电源能量达到兆焦级、峰值电流兆安级，若散热不及时会造成电磁轨道炮重频连发存在难度，故热管理考虑的首要问题就是如何快速冷却导轨和脉冲电源等产热元件。

换热基本公式：

Q=KFΔt,

(1)

Q=cmΔt,

(2)

式中：Q为需散热量；K为传热系数；F为换热面积；c为流体的比热容；m为流体的质量；Δt为两流体间或流体与换热面间的温度差值。

根据换热基本公式，从冷却的角度考虑，主要分两方面：流道结构和冷却介质。

1) 在流道结构上，通过研制结构更紧凑、换热面积更大的散热器可提高换热面积F，达到快速散热的目的。由于液冷板结构简单、效率高，可选流体种类多、冷却的热载荷范围宽，其内部所增加的凹槽流道就是考虑F值的增大，这对高热流密度电子设备的冷却能起到很好的效果，因此对液冷板流通道结构的优化设计以及液体管路的设计对发热元件温度均匀性的影响方面的研究是值得认真考虑的。

2) 从冷却介质角度来说，主要有风冷和水冷。由于水的比热容c值是4.2 kJ/kg·℃，远高于空气的比热容值1.0 kJ/kg·℃，从式(2)可知，在同等工况下采用水冷散热明显优于风冷。此外，随着电子元件集成技术的发展，常用的风冷技术已达极限,难以满足市场的要求。而液体具有良好的流动性和导热性，因此液体散热技术成为冷却系统散热的首选。如表1所示，液冷效果也明显优于常规的风冷散热。

表1 目前常见的散热方式对比

对于轨道的液体冷却方式，目前可细致分为外部喷射冷却和内部管道流体冷却两类。外部喷射冷却水的方式采用传统的蒸发散热原理，在导轨高温区喷射冷却液，继而利用外部环境对流换热方式达到降温的目的。Myers等[6]在电磁炮发展初期就提出这样的构想，虽然不会对发射器造成损伤，但是结构复杂、且早期电磁轨道炮量级不高；内部管道流体冷却，IAT的Fish S等[7]进行了相应仿真计算，研究发现此种方式能有效将温度控制在50 ℃以下。林灵淑等[8]通过Comsol Multiphysics软件提出了在轨道内部设置冷却管道的基本规律。林庆华等[9]对电磁轨道炮内膛进行自然冷却、强制空冷、高压蒸汽冷却和水冷却的对比模拟分析，发现采用高导热系数的冷却方式才能有效达到快速冷却的效果。单独从考虑提高材料的导热系数入手，可以考虑在冷却介质中添加一定量的纳米粒子制成纳米流体来强化传热。纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子而形成的纳米颗粒悬浮液。基于Maxwell理论,宣益民[10]研究表明，在液体中添加纳米粒子，由于纳米材料的小尺寸效应和布朗运动可以强化传热,有利于保持基液稳定悬浮不沉降。杨波等[11]以亲水性表面活性剂TNWDIS在去离子水中分散单壁、多壁碳纳米管，对比分析了水基纳米流体的热导率、粘度等热物性参数，研究表明：碳纳米管粒子的加入能明显强化基液导热性能，相较于单壁碳纳米管所引起的粘度变化，多壁碳纳米管更加适合强化流体换热。因此，将高导热系数的纳米流体作为冷却介质提供了新的液冷散热方向。

2 基于液冷和冷却流道的热管理技术

电子元件常见的热管理技术措施按照热通量 范围划定[12]，可得到如图1所示的分布，其中涵盖并耦合了热量传递的3种基本方式：导热、热对流和热辐射。可以看出液体冷却可细分为喷雾冲击、液体浸没冷却、微通道冷却器件，采用液体冷却是可以实现高热流密度、高热效率的散热要求，但同时元件的散热模块化设计将变得复杂。

2.1 喷雾冲击冷却

喷雾冲击冷却是喷雾冷却和液体喷射冲击的统称，前者是经喷嘴喷出雾化小液滴，在加热面形成一层液体薄膜，通过液膜流动带走热量，此种方式会最大限度地降低表面接触热阻，且液膜会包裹部分空气促进二次成核达到强化传热的效果；后者通过高压喷射出高速气流，在加热面形成局部强对流环境来加快热量传递。与喷射冲击相比，喷雾冷却能获得更高的热通量，雾化均匀性好、流动喷射速度可按需调节，因此在航空航天、生物医疗、食品工程、海水淡化等方面得到了广泛应用。

喷雾冷却方式有诸多优点，但其对雾化喷嘴形状、喷射角度、喷射流量大小、喷射冷却液等有更高的要求，若不进行合理设计容易造成喷嘴堵塞、若使用低温冷却工质会造成冰堵等现象。Liang Gang-tao等[13]通过对喷嘴的全锥型、空心、扁平3种不同形状展开论证，最终得出了将液滴分布在整个撞击圆中的全锥型更适合多数的喷雾冷却。张李军等[14]设计了一种集成微型旋流雾化喷嘴的喷雾冷却板，通过性能试验系统得出了影响雾化冷却板换热性能的决定因素是喷雾高度和体积流量，当喷雾高度逐渐增加时，冷却板换热性能明显下降，当体积流量逐渐增加时，冷却板强化换热效果显著。近年来，随着技术的发展、需求的提高，逐渐涌现出一些新型喷雾冷却形式、新型冷却工质，如脉冲式喷雾冷却、多喷嘴阵列喷雾冷却、真空闪蒸喷雾冷却、间歇式喷雾冷却、R134a相变喷雾冷却、以添加剂(醇类、可溶性盐、纳米颗粒、表面活性剂)的水基喷雾冷却等，旨在提升喷雾冷却的换热性能，获得更高的热流密度φq.

2.2 液体浸没冷却

液体浸没式冷却是采用绝缘冷却液直接浸没在发热面，冷却液在吸收热量后沸腾气化，气体上升遇到冷凝表面液化回流。浸没式冷却系统一般由蒸发段、冷凝段、循环管路系统组成，可以看到系统组成中不存在风扇及大型空调制冷设备，故大大降低了设备冷却能耗，节省了机房空间。而其工作原理主要是涉及相变的沸腾换热，对应大空间沸腾曲线中的核态沸腾段，换热与气泡的生成和运动密切相关、存在一定过热度。

浸没式冷却换热效率高、结构紧凑，适用于高热流密度、绿色节能要求高的场所，如大型数据中心、超级计算机等。同时它对系统密封性要求也较高，因此换热结构设计、绝缘冷却液的选用、充液量等都是决定浸没式相变冷却系统效能的关键。例如，阿里巴巴集团所建造的阿里云“麒麟”数据中心服务器用绝缘冷却液替代传统的风冷，可将能源使用效率PUE降低到理论极限值1.0，其技术关键在于结构密封性和绝缘冷却液的选用。而官方报道中未提及冷却液具体成分，只简述为此材料完全绝缘、无腐蚀性，可有效工作20年。在相关学者的实验研究中，常选用碳氟化物(FC-72、FC-87、PF-5060)或者氢氟化物(HFE-7000、HFE-7100、HFE-7300)等，如Warrier P等[15]通过CAMD、FOM方法筛选出C6H11F13更适合作为浸没式冷却液成分；Murshed S M S等[16]将高导热系数的纳米流体引入到水基冷却液中，为浸没式液体冷却提供新的思路。

2.3 微通道冷却器件

微通道冷却器件(微通道换热器)是指当量直径在10～1 000 细微流道组成的换热器，由于通道尺寸往往较小、拥有更大的比表面积，液体在微通道内能迅速发展成核态沸腾从而强化散热。它最早由Tucherman和Pease于1981年首次提出，按照所需的外形尺寸规格可分为微型和大尺度微通道换热器，目前的热流密度能达到700 W/cm2以上，在微电子工业、航空航天、太阳能电池、家用空调中发挥着重要作用。

微通道换热器结构尺寸小，使用单相流体流经时会造成局部温升过高，严重会造成电子器件故障等问题。虽然采用大流速能解决温度均匀性问题，但流速提升后沿程阻力、局部阻力会成平方倍增长，不能从源头上解决问题。若采用气液相变则可以解决温度梯度过高造成的温升，但这将面临更加复杂的流道结构设计。马友光等[17]揭示了微通道气液两相流中气泡生成、长大、聚并规律，指出了微尺度下气液传质效率比常规尺度明显提高2～3个量级；张灿等[18]等梳理了有无气液相变对微通道换热器的影响，发现相变换热能够促进微通道换热。近年来，新型冷却工质也逐渐应用到微通道换热器中，Sivakumar A等[19]通过对水基CuO、Al2O3纳米流体、基液在蛇形微通道换热器中的实验研究，发现纳米流体的对流换热系数与基液相比明显提高、CuO纳米流体比Al2O3换热系数更高。

3 导轨、脉冲电源的液体冷却技术

3.1 导轨、脉冲电源液冷工质的选用

对上述液冷的3种方法分析，可以看出：单纯依靠工质进行无相变液体冷却，在热流密度上会存在较大的量级差。而利用低沸点、高热导率的相变冷却液可实现对电磁轨道炮等高热流密度场合的散热需求，比如选用冰浆或纳米流体。冰浆是一种由大量小尺寸的冰晶颗粒和水组成的固液两相溶液,具有冰表面积大、流动性好、相变潜热值高(冰熔化潜热约为335 kJ/kg)，是一种良好的冷却介质。制冰的制取方式大体上可分为6种，即机械型壁面刮削制冰、过冷水法、直接接触喷射法、降膜法、流化床法以及真空制冰法，其优缺点如表2所示。

表2 冰浆制取方式的比较

续表2

液态冰浆的相变冷却关键就在于降低过冷度、促进冰晶成核和保证其良好的泵送流动性。根据相变材料的结晶动力学规律，冰晶成核分为诱发、晶体生成和晶体再生阶段。从结晶过程角度而言，液体结晶过程需要有过冷度的存在，这可以让晶体和液体存在自由能差驱动结晶过程，使自由能的降低大于界面能的增加，满足物质从高能态向低能态的转变。参考固态相变的热力学原理，终态(新相)与始态(母相)间的自由能越大，相变驱动力越大，发生相变可能性越大。其次，保证冰浆具有良好的流动性、高潜热值，这对含冰率的大小有严格要求。而有一定含冰率的冰浆能够起到减阻剂作用，降低制冷设备的能耗，当水溶液中冰晶的含量低时冰浆可认为是牛顿流体；冰晶含量较高时，冰浆则表现出非牛顿流体特性。Ayel V等[20]通过理论模型计算认为，含冰率在6%～15%时冰浆由牛顿流体转向非牛顿流体。由于水在结晶过程是一种亚稳态，一旦出现扰动就会破坏原有的平衡而迅速结冰，这也是目前困扰市场上冰浆制备的难题。近年来，在中国制冷展上烟台冰轮集团首次展出了其自主研发制造的氨制冷过冷水法制冰系统，能保证泵送冰浆在循环过程中不发生冰堵。此外，纳米流体一直是提高导热系数、强化传热的热点，而纳米粒子的加入能够降低过冷度，成为异质在溶液中成核降低表面自由能，如章学来等[21]通过真空法来制备水基Cu、Al2O3、MWCNT、TiO2纳米流体冰浆，在保证冰浆流动性下将过冷度大幅降低。

3.2 导轨、脉冲电源、电缆的一体化液冷系统

在电磁轨道炮的热管理中，导轨和脉冲电源的散热可基于液冷和冷却流道进行一体化设计，共用同一套液冷系统，这样能有效降低设备成本、便于运行维护管理。在冷却介质的选用中，若采用传统的冷却介质进行试验时，在高电压、强电流作用下可能会因冷却液自身电导率较高、杂质的存在造成击穿事故，故目前工程应用中常采用纯水作为冷却液，从相变传热角度可以利用纯水或乙二醇制备的冰浆作为循环冷却液，设计的液冷系统如图2所示。

长远来看，将高导热系数的纳米材料引入到电磁轨道炮散热研究中是可行的，如杜传通等[22]将石墨烯涂层用于电枢起到抗电弧烧蚀，提高射速。而设想采用纳米流体制成冰浆作为冷却介质，则需要解决绝缘和液体冷却介质在循环过程中的稳定性、导电性抑制等问题。同时，在电磁轨道炮身管设计中应将冷却流道纳入，如电枢与两根导轨仅单侧接触，会产生摩擦热、焦耳热，这可视为液冷系统的热端，而考虑将电枢不滑动电接触的异侧作为冷端，从而进行冷却流道、传热单元设计是可行的。此外，在液冷方案的设计中针对电磁轨道炮特殊的身管结构，也可以考虑在导轨外部作复杂的液冷系统、但在冷冻水进入导轨前转换为气态或喷雾冷却形式。

脉冲电源的热管理技术措施相对成熟，如毕延芳等[23]对超导电力应用的低温冷却系统的详细介绍，选出了几种适用于HTS电力系统的商用制冷产品。而目前电磁轨道炮中的晶闸管液冷方案可以不沿用传统的独立制冷系统，采用与导轨的液冷系统耦合，流态冰浆通过低温泵在分支管道内输送。鉴于热管理机理的实验研究，结合使用如图3所示的螺旋流道设计的铜基散热板。

此外，在电磁轨道炮整个系统中电源、炮尾会用到数百根直径Φ25 mm以上电缆，而在兆安级的大电流作用下，根据焦耳定律：

Q=I2Rt,

(3)

式中：Q为需散热量或产热量；I为电流；R为元器件的电阻；t为接触工作时间。即使铜的电阻较小但产生的焦耳热量级也较大，若不能快速将热量导出，严重时会造成电缆熔化、电缆爆裂等安全事故。涉及的能量传输电缆通常有充电电缆和放电电缆两种：充电电缆用于充电装置向脉冲电容器传输电能；放电电缆用于脉冲电源向电磁轨道炮传输电能。

武器系统实用化要求电磁轨道炮系统能以较高的频率连续发射。在大型电磁轨道炮的重频连发工况下，放电电缆需要采用有效的冷却方案；在重频连发工况下为实现充电装置小型化并满足系统快速充电的需求，充电电缆同样也需要考虑冷却方案。例如：放电电缆的冷却方案在文献[24]中提到了一种内外导体水冷式同轴电缆，它能够实现连续快速脉冲大电流放电条件下的冷却要求；而如图4所示，在文献[25]中给出了一种液态冷却充电电缆，通过在保护层内按照一定间隔设置空腔来填充低密度聚乙烯/石蜡复合相变材料，在电缆中心处设置冷却水管(含进、出水管)并且在回水管出口处安装有热电偶实时监测电缆温度，从而控制冷却水管内冷却液的流量，满足不同工况下的主动冷却散热需求。近年来，随着新能源电动汽车的发展，充电桩出现的高温故障容易造成单个充电场站车多桩少、24 h连轴转的情况，而特斯拉设计制造的超级充电桩采用了液冷式电缆，据悉其所采用的是丙二醇液体冷却介质，可有效维持充电温度在23.5 ℃，能承受高电流、缩短充电时长。因此，针对电磁轨道炮所用的数百根电缆的散热问题考虑进行液冷化设计，并且可以与流态冰浆的一体化液冷系统进行耦合。

4 结束语

针对电磁轨道炮中的导轨和脉冲电源产生的焦耳热、摩擦热展开分析，从热管理机理角度给出了不同冷却介质和扩大换热面积的流道设计思路，建议导轨、脉冲电源、液冷电缆采用以纯水或乙二醇流态冰浆为相变冷却介质的一体化液冷系统，未来可考虑将高导热系数的纳米流体引入电磁炮液冷散热研究中，但需要解决高电流、高电压环境下流体介质的循环稳定性及电导率控制等问题。综合来看，电磁轨道炮的热管理研究目前未成体系化，采用的方法也多是借助仿真软件进行冷却过程的数值模拟，同时在电磁轨道炮热管理设计中若能知晓导轨、晶闸管产热的量级也是重要的技术指标。因此，电磁轨道炮的热管理还存在诸多问题值得研究。