СПИРАЛЬНЫЙ МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1995 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к импульсным сильноточным генераторам, преобразующим химическую энергию взрывчатого вещества (ВВ) в электрическую, т.е. к магнитокумулятивным (МКГ) или взрывомагнитным генераторам. Данный тип генераторов может быть использован в ускорительной, плазменной технике, сильноточной электронике и т.п.

Известен спиральный МКГ [1] Он содержит внутренний цилиндрический проводник с зарядом ВВ, систему инициирования (СИ), расположенную на одном из концов заряда, наружную коаксиально установленную цилиндрическую по всей длине спираль. В МКГ имеются ввод для подключения источника питания, расположенный на торцах спирали и проводника со стороны СИ, и вывод для подключения нагрузки, расположенный на другом торце спирали и проводника.

При разлете цилиндрического проводника происходит постепенное замыкание витков спирали, начиная с торца, там, где расположена СИ. Таким образом, магнитный поток постепенно вытесняется в нагрузку, увеличивая магнитную энергию в ней в процессе компрессии.

Недостатком МКГ является небольшая мощность, обусловленная сравнительно большим временем (десятки, сотни микросекунд) нарастания токового импульса. Общая длительность импульса в нагрузке складывается из времени работы источника питания и времени работы самого МКГ.

Наиболее близким к заявляемому является МКГ [2] содержащий внутренний цилиндрический проводник с зарядом ВВ, СИ, расположенную на одном из концов заряда, наружную коаксиально установленную спираль в виде усеченного конуса по всей длине, выводы для подключения нагрузки, расположенные на спирали и цилиндрическом проводнике с противоположной стороны от СИ, соленоид внешнего поля, в котором размещена наружная спираль в виде усеченного конуса и у которого имеются клеммы для подключения источника питания.

В таком МКГ длительность электрического импульса в нагрузке не зависит от времени создания начального магнитного потока в генераторе (т.е. от времени работы источника питания) и определяется только собственным временем работы МКГ, которое складывается из времени деформации продуктами детонации (ПД) внутреннего цилиндрического проводника и времени закорачивания спирали деформируемым цилиндрическим проводником. Принцип работы такого МКГ мало чем отличается от работы МКГ, рассмотренного в качестве аналога, у которого скорость закорачивания (вывода) спирали определяется скоростью детонации ВВ.

Так как спираль у МКГ выполнена в виде усеченного конуса меньшее основание (усеченная часть) со стороны СИ, а большое основание с противоположной стороны, то закорачивание витков спирали в нем происходит со скоростью меньшей, чем скорость детонации. При этом хотя устраняется такой недостаток аналога, как влияние времени работы источника питания на формируемый импульс в нагрузке, время формирования его все еще остается сравнительно большим, что существенно не позволяет повысить мощность. Время работы генератора в основном определяется длиной спирали и величиной угла при вершине конуса. Уменьшение собственного времени работы МКГ для увеличения мощности можно достичь только путем сокращения длины его спирали. Но тем самым становится практически невозможно использовать сравнительно высокоимпедансные нагрузки, для которых обычно разрабатываются спиральные генераторы, формировать в них мощные импульсы. Уменьшение длины спирали, а следовательно, начальной индуктивности генератора автоматически приводит к пропорциональному уменьшению индуктивности нагрузки, чтобы сохранить эффективность его работы, что является основным недостатком прототипа.

Таким образом, противоречие, заложенное в прототипе между индуктивностью и длительностью импульса, не позволяет выйти на заданный уровень мощности.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение мощности генератора путем уменьшения длительности нарастания токового импульса и увеличение электропрочности его выхода.

Это достигается тем, что по сравнению с известным спиральный МКГ, содержащим внутренний цилиндрический проводник с зарядом ВВ, СИ, расположенную на одном из концов заряда, наружную коаксиально установленную спираль в виде усеченного конуса по всей длине и ввод и вывод для подключения источника питания и нагрузки, новым является то, что большее основание спирали обращено к СИ, причем ввод для подключения источника питания расположен на обоих концах спирали, а вывод для подключения нагрузки расположен на конце спирали со стороны СИ и на одном из концов цилиндрического проводника.

При выполнении спирали в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к СИ, создаются условия, когда цилиндрический проводник разгоняется по всей длине и практически до момента подключения нагрузки не испытывает торможения давлением магнитного поля, так как оно мало отличается от давления начального поля.

В прототипе растягивающийся участок цилиндрического проводника начинает эффективно тормозиться с момента замыкания его с первым витком спирали, а далее последовательно по всем виткам. Торможение происходит в полости сжатия нарастающим магнитным полем. Кроме того, участок цилиндрического проводника, который еще не начал растягиваться, так как под ним еще не прошла детонация, испытывает воздействие давления нарастающего магнитного поля и может им деформироваться. Это ведет либо к преждевременной детонации ВВ под этим участком, либо к замедлению скорости распространения детонации или даже к ее прекращению.

Величина угла усеченного конуса спирали подбирается такой, чтобы он был либо равен углу разлета цилиндрического проводника, либо немногим больше его. Это обеспечивает вытеснение магнитного потока со скоростью значительно выше, чем скорость детонации. Поскольку цилиндрический проводник в процессе разлета практически не испытывает торможения, профиль его не искажается до подключения нагрузки, что исключает отсечки магнитного потока. Кроме того, потери при работе МКГ, обусловленные омическим нагревом проводников, из которых навита спираль, оказывают влияние на амплитуду формируемого импульса. В данном генераторе из-за присущей ему быстроходности (меньше время работы) удается также уменьшить величину этих потерь.

В нагрузке формируется импульс с меньшей длительностью и большей амплитудой, что ведет к повышению мощности импульса. Выполнение спирали конической позволяет уложить большее количество витков спирали, чем на цилиндрическом участке. Тем самым повышается индуктивность генератора на заданной длине и, следовательно, будет более эффективна его работа. Отличительные признаки заявляемого решения, касающиеся расположения ввода для подключения нагрузки, позволяют сократить длительность импульса в нагрузке за счет того, что она определяется только временем работы генератора без учета времени его запитки. Кроме того, в заявляемом генераторе имеют место два варианта подключения нагрузки, которые обеспечивают удобства при эксплуатации, независимое подключение одновременно двух нагрузок в различные моменты времени, надежную электропрочность выхода генератора за счет равномерного распределения напряжения при расположении его токовывода над спиралью и вывода магнитного потока со стороны большего основания.

На чертеже изображен заявляемый спиральный МКГ.

Он содержит внутренний цилиндрический проводник 1 с зарядом 2 ВВ, СИ 3, расположенную на одном из концов заряда 2, наружную коаксиально установленную спираль 4, ввод 5 для подключения источника питания и вывод 6 для подключения нагрузки. Спираль 4 выполнена по всей длине в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к СИ 3. Ввод 5 для подключения источника питания расположен на обоих концах спирали 4. Вывод 6 для подключения нагрузки расположен на конце спирали 4 со стороны СИ 3 и на одном из концов цилиндрического проводника 1.

Работает МКГ следующим образом.

Начальный ток от источника питания протекает только по спирали 4 и в нагрузку не попадает. От СИ 3 в заданный момент времени происходит подрыв заряда 2 ВВ. Детонация распространяется по заряду 2 и деформирует внутренний цилиндрический проводник 1. Получается как бы растягивающийся усеченный конус, большое основание которого располагается под концом спирали со стороны СИ 3, а его усеченная часть продвигается в сторону начала спирали. После прохождения детонации по заряду 2 усеченная часть конуса замыкается с началом спирали и в этот момент происходит подключение нагрузки. В дальнейшем компрессия магнитной полости МКГ осуществляется как в обычных спиральных генераторах с начала спирали к ее концу. Если требуется подключение нагрузки в другое время, то вывод 6 со стороны СИ располагается таким образом, что замыкается цилиндрическим проводником 1, деформируемым зарядом 2 ВВ, и тем самым подключает нагрузку только в заданный момент времени.

В примере конкретного выполнения генератора, изображенного на чертеже, спираль выполнена по всей длине в виде усеченного конуса одиночным проводом ПЭВ-1,2 и содержала 23 витка. Диаметр у отверстия большего основания, обращенного к СИ, 46 мм, а диаметр отверстия в усеченной части 24 мм. Высота усеченного конуса 28 мм. Образующая конуса с осью генератора составляла угол 20^о. Сверху спираль залита эпоксидным компаундом. Внутренний медный цилиндрический проводник диаметром 20,2 мм размещался на диэлектрической (оргстекло) гильзе, заполненной ВВ. Наружный диаметр заряда 16 мм, гильзы 19 мм. Источник начальной энергии (конденсаторная батарея: С 24 мкФ) подсоединялся к концам спирали. Батарея разряжалась на спираль в течение 30 мкс. Нагрузка подсоединялась к выводу спирали со стороны большего основания и к цилиндрическому проводнику с противоположной стороны от СИ. В нагрузке получен ток 30 кА с временем 2,4 мкс. Мощность такого импульса 2,4 ˙ 10⁸ Вт.

По сравнению с прототипом заявляемый генератор позволяет увеличить мощность электромагнитного импульса примерно в 1,5 раза, с 1,6 ˙ 10⁸ Вт в прототипе до 2,4 ˙ 10⁸ Вт и сократить длительность нарастания импульса с 3,7 до 2,4 мкс.

Использование: в ускорительной, плазменной технике, сильноточной электронике и т.п. Сущность изобретения: спиральный магнитокумулятивный генератор содержит внутренний цилиндрический проводник с зарядом взрывчатого вещества, систему инициирования, расположенную на одном из концов заряда, наружную коаксиально установленную спираль, выполненную в виде усеченного конуса по всей длине. Большее основание спирали обращено к системе инициирования. Ввод для подключения источника питания расположен на обоих концах спирали. Вывод для подключения нагрузки расположен на конце спирали со стороны системы инициирования и на одном из концов цилиндрического проводника. 1 ил.

СПИРАЛЬНЫЙ МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий внутренний цилиндрический проводник с зарядом взрывчатого вещества, систему инициирования, расположенную на одном из концов заряда, наружную коаксиально установленную спираль, выполненную в виде усеченного конуса по всей длине, ввод и вывод для подключения источника питания и нагрузки, отличающийся тем, что большее основание спирали обращено к системе инициирования, ввод для подключения источника питания расположен на обоих концах спирали, а вывод для подключения нагрузки на конце спирали со стороны системы инициирования и на одном из концов цилиндрического проводника.