ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА Российский патент 1994 года по МПК F41B6/00 

Изобретение относится к линейным электродвигателям, а именно к электродинамическим метательным установкам, использующим для ускорения якоря электромагнитные силы, и может быть использовано в системах противоракетной и противовоздушной обороны, а также в составе технологического и лабораторного оборудования для получения сверхвысоких давлений и скоростей.

В настоящее время для разгона метаемого тела в стволах электромагнитных ускорителей широко используется токопроводящий плазменный поршень, в объеме которого возникает пандеромоторная сила = , как результат взаимодействия магнитного поля электрического тока, протекающего по рельсам ствола ускорителя, с электрическим током в плазме. Действие этой силы передается на метаемое тело. Однако в кинетическую энергию переходит лишь часть энергии магнитного поля. Это объясняется тем, что в плазменном поршне возникают сложные конвективные течения и формируются магнитогидродинамические вихри [1] . Вследствие этого снижается составляющая пандеромоторной силы, направленной на метаемое тело, и увеличивается хаотическая составляющая (тепловое движение атомных частиц), т. е. часть энергии магнитного поля расходуется на нагрев плазмы. При этом скорость метаемого тела, толкаемого плазменным поршнем, снижается по сравнению с расчетной величиной.

Таким образом, эффективность преобразования энергии определяется, наряду с другими факторами, и оптимальной организацией плазменного поршня электродинамической установки.

В конструкции, представленной в работе [2] , указанная проблема решается с помощью ограничения поперечных размеров плазменного поршня материальным объектом - метаемым телом, т. е. плазменный поршень существует в отверстии метаемого тела.

На основе этого решения построена электромагнитная установка Сареl, которая принимается в качестве прототипа. Установка содержит импульсный источник тока, соединенный токопроводящими линиями с коммутирующим устройством, и рельсовый ускоритель, включающий токопроводящие рельсы и межрельсовые изоляторы, заключенные в силовую оболочку, а также метаемое тело с отверстием, ось которого лежит в плоскости токопроводящих рельс и перпендикулярно им.

В работе (2) представлено исследование установки Сареl в умеренных режимах. Так, например, наиболее "Жесткий" режим: емкость конденсаторной батареи С_о = 6000 мкФ, напряжение U_о = 6 вК, энергозапас W_о = 108 кДж. При этом основное внимание уделялось вопросам прочности и работоспособности метаемого тела. Это объясняется тем, что плазменный поршень существует в замкнутом объеме - в отверстии метаемого тела. При этом работоспособность установки Сареl определялась способностью метаемого тела выдерживать газовое давление со стороны плазменного поршня. Учитывая, что значение предела прочности на разрыв для диэлектрических материалов, потенциально пригодных для изготовления метаемого тела, не превышает 0,4˙10⁹ МПа, установка Сареl не работоспособна в области больших энергетических нагрузок, например, при энергозапасе W_о ≈ 1 МДж. При этом задача обеспечения расчетных значений скорости метаемого тела не решается.

Целью изобретения является обеспечение расчетных значений скорости метаемого тела при повышенных значениях тока.

Указанная цель достигается тем, что в электродинамической метательной установке, включающей импульсный источник тока, соединенный токопроводящими линиями с коммутирующим устройством, и рельсовый ускоритель, включающий токопроводящие рельсы и межрельсовые изоляторы, заключенные в силовую оболочку, а также метаемое тело с отверстием, ось которого лежит в плоскости токопроводящих рельс и перпендикулярна им, хвостовая часть метаемого тела выполнена в виде пластины, соединенной с головкой частью посредством опорных элементов с образованием отверстия между частями метаемого тела и опорными элементами, причем толщина пластины h определена соотношением:
0<h≅ , где σ _в - предел прочности материала метаемого тела;
S - площадь сечения опорного элемента;
ΔР - разность давлений между передней и задней кромками отверстия;
d - диаметр столба разряда;
l - длина хвостовой части;
b - ширина хвостовой части;
а - ускорение;
ρ- плотность материала, причем в межрельсовых изоляторах выполнены пазы, в которых установлена хвостовая часть метаемого тела с опорными элементами.

Указанные конструктивные изменения позволяют снизить по абсолютной величине напряжения, возникающие в элементах метаемого тела.

Это достигается снижением толщины хвостовой части, что приводит к уменьшению площадки, воспринимающей газовое давление со стороны столба разряда и одновременно снижению массы хвостовой части. Таким образом, варьируя отношением площади воспринимающей нагрузку к площади сечения элементов конструкции, ее удерживающей, определяется ряд размеров метаемого тела, гарантирующих его работоспособность в данной установке.

Хвостовая часть метаемого тела препятствует возникновению шунтирующих пробоев в следе, образованном слабоионизированной плазмой, истекающей из столба разряда. Это достигается тем, что предотвращается массоперенос между токопроводящими рельсами за счет лабиринтного уплотнения в пазах межрельсовых изоляторов. Длина хвостовой части и площадь проходного сечения отверстия, имеющегося в нем, определяется эмпирически в зависимости от конструкции рельсового ускорителя, материала токопроводящих рельс и величины тока в электрической цепи (зависит от энергозапаса источника тока, индуктивностей и сопротивлений электрической цепи).

На фиг. 1 приведена принципиальная схема установки; на фиг. 2 - поперечный разрез установки; на фиг. 3 - разрез А-А метаемого тела; на фиг. 4 - общий вид метаемого тела.

Установка включает импульсный источник тока 1, соединенный с коммутирующим устройством 2 токопроводящими линиями 3 и рельсовый ускоритель 4, имеющий токопроводящие рельсы 5, межрельсовые изоляторы 6 и заключенное между ними метаемое тело 7, которое включает головную 8 и хвостовую 9 части, соединенные двумя опорными элементами 10. Указанные составляющие метаемого тела сопрягаются так, что между ними образуется отверстие.

Электромагнитная метательная установка (ЭМУ) работает следующим образом.

Импульсный источник тока 1 через коммутирующее устройство 2 и токоподводящие линии 3 подключается к рельсовому ускорителю 4. В результате на токопроводящие рельсы 5 подается напряжение. После этого между ними через отверстие метаемого тела 8 (отверстие образовано сопряжением элементов: головной части 8, хвостовой части 9 и опорных элементов 10) инициируются электрический разряд, подобный вольтовой дуге. С течением времени диаметр столба разряда растет и он занимает все проходное сечение отверстия. Пределами этого отверстия ограничивается токоперенос между рельсами 5, а значит и поперечное сечение электрического разряда. Взаимодействие электрических токов в рельсах 5 и в столбе электрического разряда приводит к образованию пандеромоторной силы, которая двигает столб разряда по каналу рельсового ускорителя 4. При этом метаемое тело 7 толкается плазмой разряда. Поэтому последний называют плазменным поршнем.

На протяжении всего времени движения метаемого тела 7 в рельсовом ускорителе 4 токоперенос в канале ускорителя сосредоточен в отверстии. Это достигается тем, что хвостовая часть 9 метаемого тела на некоторое время электрически изолирует токопроводящие рельсы 5 друг от друга в сечении ускорителя, мимо которого проходит метаемое тело 7. За это время плазма, находящаяся в данном сечении, остывает и теряет электропроводность. В результате практически весь ток сосредотачивается в движущейся области, ограниченной отверстием.

Устройство ограничивает электрически область токопереноса между рельсами 5, то не ограничивает, сохраняет свободу для движения газов (относительно холодной плазмы) в канале ускорителя, т. е. в ЭМУ электро- и газодинамические процессы в канале рельсового ускорителя независимы друг от друга. Для обеспечения этого явления толщина h хвостовой части 9 сводится к минимуму, что обеспечивает беспрепятственный сброс газа из столба разряда. В предельном (идеальном) случае указанная толщина близка к нулю. (56) Гришин С. Д. , Лесков Л. В. , Козлов Н. П. Плазменные ускорители, М. : Машиностроение, 1983.

Дж. А. Кларк. Оценка новой концепции электромагнитной пушки Сареl. - Перевод. Отчет МRL-R-1018. Лаборатория исследования материалов. Эскот Вейл, Штат Виктория, Австралия, 1986.

Изобретение относится к линейным электродвигателям, а именно к электродинамическим летательным установкам, использующим для ускорения якоря электромагнитные силы, и может быть использовано в системах противоракетной и противовоздушной обороны, а также в составе технологического и лабораторного оборудования для получения сверхвысоких давлений и скоростей. Цель изобретения - обеспечение расчетных значений скорости метаемого тела при повышенных значениях тока. В рельсовом ускорителе установки, содержащем рельсы, межрельсовые изоляторы и метаемое тело с отверстием, хвостовая часть 9 метаемого тела выполнена в виде пластины с определенной толщиной и соединена с головной частью 8 опорными элементами 10. Отверстие образовано указанными составными частями. При этом в межрельсовых изоляторах выполнены пазы, в которые установлена хвостовая часть 9 и опорные элементы 10 метаемого тела. 4 ил.

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МЕТАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА, включающая импульсный источник тока, соединенный токопроводящими линиями с коммутирующим устройством, и рельсовый ускоритель, включающий токопроводящие рельсы и межрельсовые изоляторы, заключенные в силовую оболочку, а также метаемое тело с отверстием, ось которого лежит в плоскости токопроводящих рельс и перпендикулярна им, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения расчетных значений скорости метаемого тела при повышенных значениях тока, в ней хвостовая часть метаемого тела выполнена в виде пластины, соединенной с головной частью посредством опорных элементов с образованием отверстия между частями метаемого тела и опорными элементами, при этом толщина пластины h определена соотношением
0 < h ≅ /
где σ_B - предел прочности материала на растяжение;
S - площадь сечения опорного элемента;
ΔP - разность давлений между передней и задней кромками отверстия;
d - диаметр столба разряда;
ρ - плотность материала;
l - длина хвостовой части;
b - ширина хвостовой части;
a - ускорение,
причем в межрельсовых изоляторах выполнены пазы, в которых установлена хвостовая часть метаемого тела с опорными элементами.