電磁發射實驗教學的特點與安全防護對策淺析

趙科義?李治源?向紅軍?張倩?雷彬?呂慶敖

摘要：在闡明開展電磁發射實驗教學重要性的基礎上，對其特點進行了梳理與分析，從加強實驗安全教育、嚴守操作流程、實現高低壓隔離等六個方面探討了確保電磁發射實驗教學順利實施的安全防護對策。

關鍵詞：電磁發射實驗教學；特點；安全防護對策

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）36-0180-02

目前電磁發射已成為兵器發射領域中的一個重要研究方向。隨著人們對電磁發射技術認知程度的不斷提高，一些高等院校和科研院所對其所做的研究工作不斷深化。[1-4]研究過程中開展了大量的實驗研究工作，取得的一些研究成果已經逐步融入高等院校的教學工作中，特別是已明顯融入到以電磁發射技術為研究方向的研究生教學工作中。因為這些研究生在攻讀學位期間離不開電磁發射實驗研究，所以對其開展電磁發射實驗教學必不可少。

電磁發射實驗教學不同于電工電子、電機學等其他電氣課程的實驗教學。之所以不同，是因為電磁發射實驗教學是借助脈沖功率電源對電磁發射器放電，利用脈沖大電流來驅動電磁發射器工作的。不僅實驗系統復雜，而且實驗中還涉及高電壓和大電流，從而使其具有自身的特殊性。為此，本文對電磁發射實驗教學的特點進行了梳理，并結合電磁發射實驗教學工作的開展，探討了實驗教學過程中的安全防護問題。

一、電磁發射實驗教學的特點

1.復雜性

電磁發射實驗教學的特點之一首先在于其復雜性。之所以說其復雜，主要有以下三個方面的影響因素：一是電磁發射實驗教學系統的復雜性；二是電磁發射實驗教學準備的復雜性；三是電磁發射實驗教學操作實施的復雜性。

盡管電磁發射實驗原理簡單，但是實驗系統卻非常復雜，主要由發射器本體實驗裝置、脈沖功率電源及高壓充電系統、控制系統、測量系統、安全防護系統等構成，組成框圖如圖1所示。目前，電磁發射實驗用脈沖功率電源通常是由脈沖電容器搭建而成的，其中涉及高壓充電系統、開關及觸發控制系統。高壓充電系統主要用于向脈沖功率電源充電，使其具備實驗所需的初始儲能；開關與觸發控制系統主要用于控制充電完畢的脈沖功率電源向電磁發射器（負載）放電。測量系統主要用于對脈沖電流、放電電壓以及彈丸速度等實驗量的測量。安全防護系統主要用于確保實驗過程中實驗人員和儀器設備的安全。

電磁發射實驗教學準備的復雜性主要體現在以下兩個方面：有針對性的準備好電磁發射實驗教學所需的實驗設施和儀器設備是不容易的。實驗教學的目的不同，實驗過程中的測試量會不同，所需測試方法和手段也會有所差異。教學實驗開展之前，將整個電磁發射實驗教學系統調試準備好，使其處于完好、可用狀態，通常需要花費較長的時間。不僅如此，而且在每次發射實驗之前，還需對整個實驗系統的電氣連接情況進行認真、仔細檢查，所以相鄰兩次發射實驗之間的時間間隔也較長。

電磁發射實驗教學操作實施的復雜性在于單個實驗人員是無法獨立完成實驗操作任務的。在電磁發射教學實驗操作實施過程中，通常需要實驗指揮員、實驗控制員、實驗測量員和實驗安全員等多個不同角色。實驗指揮員要密切關注整個實驗過程，并按預先制定的實驗流程，及時下達實驗指揮口令，切實履行實驗指揮的職責；實驗控制員要依據實驗指揮員下達的實驗口令，完成脈沖功率電源的充放電控制（即發射實驗控制）和安全泄放控制的任務；實驗測量員要全面負責實驗量的測量，包括實驗前的測量準備、實驗后的測量數據記錄和存儲等；實驗安全員要對整個實驗過程進行監督，發現異常狀況和事故苗頭，要及時報告并排除故障。這些實驗人員需各司其職、密切協調、相互配合才能確保電磁發射教學實驗工作的順利實施。

2.危險性

電磁發射實驗教學因需用脈沖功率電源向電磁發射器放電，以脈沖大電流驅動電磁發射器完成發射功能，所以實驗教學實施過程中不可避免地會出現高電壓、大電流所帶來的不安全因素。實驗中的高電壓、大電流不僅會對實驗系統造成一定的破壞，而且也會對實驗教學人員的人身安全構成威脅。圖2為電磁發射實驗教學過程中因脈沖大電流流過電感器時由脈沖電動力的作用而導致電感器爆炸后的實物照片。爆炸產生的碎片若打在儀器設備和實驗人員上，則可能會直接損壞儀器設備和殺傷實驗人員。此外，電磁發射實驗教學中的電氣安全問題也是不容忽視的，實驗人員絕對不能靠近帶有高電壓的實驗設備，避免遭受電擊。

3.不確定性

盡管每次電磁發射實驗教學開展之前均對整個實驗系統進行調試和電氣檢查，并已確認其處于良好狀態，但是真正實驗過程中有時仍會出現這樣或那樣的問題，如高壓充電系統異常不能對脈沖功率電源進行充電、觸發控制系統故障不能有效控制已充電的脈沖功率電源向負載放電等。甚至，還有可能因發射實驗累積作用的結果，導致實驗過程出現發射器或實驗裝置被破壞等。

二、電磁發射實驗教學安全防護對策淺析

通過對電磁發射實驗教學特點的梳理與分析可知，開展電磁發射實驗教學是比較復雜的，且實驗教學實施過程中存在一定的危險性和不確定性。因此，在開展電磁發射實驗教學的過程中，加強實驗安全教育和完善實驗安全防護措施是非常必要的。為確保電磁發射實驗教學工作的順利開展，建議從以下六個方面著手努力提高電磁發射實驗教學中的安全性。

1.加強實驗人員的安全教育

實驗安全是確保教學實驗順利實施的關鍵。[5，6]在電磁發射實驗教學開展之前，必須對相關實驗人員進行實驗安全教育，強化安全意識。安全教育要結合電磁發射實驗教學的特點展開，使所有實驗人員要了解整個實驗環節，特別是要弄清整個實驗過程中容易忽視的操作環節和可能出現的安全隱患。因為此時脈沖功率電源仍處于高壓帶電狀態，如果實驗人員稍有不慎碰到脈沖功率電源的高壓端，就會發生觸電亡人的重大事故。再有，發射實驗結束后，一定要對脈沖功率電源進行泄放和安全接地處理等。要教育實驗人員，在實施教學實驗過程中，要注重做好實驗前的各項準備與檢查工作，不要著急，一定要有耐心，在沒有準備充分的情況下不要開展發射實驗。

2.嚴格遵守實驗操作流程

在電氣課程實驗教學的實施過程中，一些意外事故的發生往往是由實驗人員疏忽、違規操作或誤操作引起的。[7]電磁發射實驗教學雖然不同于電工電子、電機學等其他電氣課程的實驗教學，但其本質上仍屬于電氣學科領域。此外，其實驗教學過程中涉及高電壓、大電流，比普通電氣課程實驗教學更為復雜，安全隱患更多。因此，在電磁發射實驗教學的實施過程中，要按著人員分工、各司其責、密切協同，嚴格遵守實驗操作流程，確保實驗教學的安全。

3.實現高低壓隔離，確保實驗人員遠離高壓帶電實驗設施

由于電磁發射實驗教學系統中高電壓與低電壓并存，為防止實驗系統中的高電壓竄入低電壓系統，燒毀低電壓電路，甚至危及實驗人員的人身安全，應采取光電隔離等技術措施實現高電壓系統與低電壓系統的電氣隔離，確保實驗人員遠離高壓帶電實驗設施。

4.布設防爆隔板，保護實驗人員和實驗裝置

脈沖功率電源向電磁發射器放電過程中，因脈沖電流很大（常達數十kA、數百kA）會使電磁發射器及脈沖成形電感器上產生很大的脈沖電動力。為防止電磁發射實驗教學系統中某些組件發生爆炸所帶來的危險，應在實驗教學系統周圍布設防爆隔板，以保護其他實驗裝置和實驗人員。

5.完善泄放和安全接地系統

電磁發射實驗教學系統具有可靠的泄放裝置和安全接地系統是極為重要的。因為當實驗教學系統中的觸發控制系統發生意外故障時，實驗人員可以通過泄放裝置對帶有高電壓的脈沖功率電源放電。此外，當電磁發射實驗完成之后，一定要通過安全接地系統使實驗系統安全可靠接地，從而保證實驗人員的人身安全。因此，一定要保證泄放和安全接地系統可靠，并處于良好可用狀態，否則不應開展發射實驗。

6.設置實驗警鈴及警示牌

在電磁發射實驗教學區域設置實驗警鈴，在實驗系統周圍適當位置布設標有“高壓危險”、“正在實驗請勿靠近”等字樣的警示牌。實驗警鈴聲響起意味著馬上要進行發射實驗，從而提醒實驗人員及時撤離實驗發射現場；警示牌的作用在于提醒無關人員不要在實驗時隨意闖入發射實驗區。

三、結束語

電磁發射實驗教學已經逐步融入到一些高等院校、科研院所的研究生教育工作中。開展電磁發射實驗教學對于培養以電磁發射技術為研究方向的研究生教育是必不可少的。電磁發射實驗教學的復雜性、危險性和實驗過程中的不確定性決定了高度重視實驗安全的極端重要性。電磁發射教學實驗開展過程中一定要加強實驗人員的安全教育，嚴格遵守實驗操作流程，實現高低壓隔離、確保實驗人員遠離高壓帶電實驗設施，布設防爆隔板、保護實驗人員和實驗裝置，完善泄放和安全接地系統，設置實驗警鈴及警示牌等。

參考文獻：

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（責任編輯：劉翠枝）