ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ТОКОПРОВОДЯЩИЙ ЛАЙНЕР МАГНИТОКУМУЛЯТИВНОГО ГЕНЕРАТОРА Российский патент 1995 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к сильноточным импульсным генераторам, преобразующим химическую энергию взрывчатого вещества (ВВ) в электрическую и известным под названием взрывомагнитных (ВМГ) или магнитокумулятивных генераторов (МКГ).

Известен ВМГ для преобразования энергии ВВ в электромагнитную энергию [1] содержащий токопроводящий лайнер, заполненный ВВ и коаксиально расположенную наружную спираль. В таком ВМГ при инициировании ВВ с торца лайнер расширяется продуктами взрыва и замыкает постепенно всю спираль, начиная с ее начала и перемещаясь в сторону индуктивной полости. Предварительно же от источника начальной энергии перед инициированием ВВ в контуре создается начальный магнитный поток, при компрессии (сжатии) которого металлическим лайнером обеспечивается усиление энергии в МКГ. Обычно в ВМГ в качестве лайнера используются медная труба, так как она обладает хорошей пластичностью и проводимостью.

Одним из недостатком такого лайнера является то, что удается обеспечить расширение его примерно в два раза. Дальше на поверхности лайнера появляются рыхлость, трещины, а затем он разрывается, что не позволяет обеспечить равномерное последовательное замыкание всех витков спирали лайнером. Расположение в генераторе лайнера, не разрушающегося при большом растяжении, позволило бы иметь большие начальные индуктивности генератора, конечную энергию и коэффициент усиления энергии. Лучше тянутся обычно лайнеры тонкостенные. Они также позволяют обеспечить компрессию магнитной полости контура МКГ за более короткое время. Но использование очень тонких трубчатых лайнеров ограничивают другие недостатки (присущие данному генератору), связанные с возможностью развития процесса разрушения заряда ВВ при преждевременной деформации лайнера давлением начального магнитного поля, а также с возникающими (как следствие, преждевременной деформации лайнера) отсечками индуктивности при сжатии уже этим сдеформированным лайнером полости МКГ в процессе его работы. Для спиральных генераторов с максимальными параметрами время введения начального магнитного потока составляет десятки и даже сотни микросекунд, начальное магнитное поле достигает 0,2-0,3 МГс, а соответствующие давления 1,6-3,6 кбар. Такие давления превышают динамический предел прочности используемых в МКГ ВВ, составлящий в зависимости от вида ВВ 0,5-2 кбар. Поведение ВВ при таких нагрузках изучено недостаточно, однако из экспериментов известно, что пластические деформации, возникающие при таких давлениях и временах воздействия порядка несколько десятков микросекунд, могут вызвать начальные фазы взрывного разложения ВВ. Процесс при этом локализуется либо переходит на весь заряд, вызывая аварийный подрыв и тем самым не позволяя запитать контур генератора требуемым начальным током, т.е. подвести требуемую начальную энергию, необходимую для эффективного преобразования энергии ВВ при его работе. В любом случае все эти недостатки ведут к ненормальной работе МКГ, т.е. выводят его из строя.

Наиболее близким к заявляемому является цилиндрический токопроводящий лайнер МКГ [2] он заполнен ВВ и состоит из многослойного проводника, изготовленного намоткой из листового материала. Коаксиально лайнеру снаружи расположена спираль. Данный генератор по сравнению с ранее рассмотренным обладает следующим существенным преимуществом: при изготовлении лайнера, навитого из листового материала, радиус его расширения продуктами детонации без трещин увеличивается примерно на 25-50% по сравнению с цельным тонкостенным трубчатым лайнером. При этом при навивке лайнера может быть использован не цельный по длине листовой материал, а составленный из нескольких кусков.

Так как давление начального магнитного поля приложено к наружной поверхности лайнера, а прочность у такого трубчатого навитого лайнера практически отсутствует, то он подвержен начальной преждевременной деформации уже на более ранней стадии запитки, чем в известных МКГ. Как результат этого для нормальной работы МКГ в его контуре приходится создавать начальную энергию значительно меньшего уровня, что ведет к уменьшению конечной энергии МКГ.

Целью изобретения является увеличение начальной энергии генератора путем устранения преждевременной деформации лайнера за счет создания равного давления магнитного поля на внутреннюю и внешнюю поверхности лайнера.

Цель достигается тем, что по сравнению с известным цилиндрическим токопроводящим лайнером МКГ, состоящим из многослойного проводника, предлагаемый лайнер дополнительно содержит непрерывную диэлектрическую ленту, расположенную между слоями проводника, свернутого с диэлектрической лентой в рулон, причем диэлектрическая лента выполнена с выступами по торцам лайнера.

Свертывание в рулон проводника совместно с диэлектрической лентой обеспечивает проникновение аксиального магнитного поля внутрь лайнера по образованному таким образом диэлектрическому "каналу". В результате этого все слои свернутого в рулон лайнера уравновешиваются равными, но противоположно направленными к внутренней и наружной поверхностям каждого слоя силами магнитного давления. Получается, что лайнер становится как бы бессиловым, т.е. не деформируемым на стадии запитки давлением магнитного поля.

Сама диэлектрическая лента должна быть непреpывная по всей длине. В противном случае в местах ее стыка (разрывов) происходит между близлежащими слоями электрический пробой, обусловленный возникаемым (наведенным) напряжением на лайнере при запитке контура генератора, а магнитное поле не может проникнуть внутрь лайнера. При наличии пробоя лайнер подвержен преждевременной деформации начальным магнитным полем, так как слои лайнера в этом случае уже не уравновешены из-за разницы давлений магнитного поля, расположенного снаружи и внутри лайнера.

Размещение диэлектрической ленты внахлест, чтобы перекрыть путь для пробоя, не допустимо, так как из-за утолщений в местах стыка образуется несимметричная поверхность и не однородная по плотности толщина у лайнера, что сказывается на работе МКГ.

Выступание диэлектрической ленты по торцам лайнера необходимо для того, чтобы предотвратить пробой между слоями лайнера индуцированным на нем напряжением, вызванным изменением магнитного потока, пронизывающего торцовую поверхность лайнера при работе источника начальной энергии на спираль МКГ. Индуцированное напряжение обусловлено взаимным расположением лайнера со спиралью, площадью сечения лайнера, количество оборотов, навитого в рулон проводника, скоростью изменения начального тока, а также количеством витков спирали МКГ и наличием у нее переменного шага намотки. Так как система лайнер спираль при работе источника начальной энергии является своего рода воздушным трансформатором, то для того, чтобы предотвратить пробой индуцированного напряжения, величина которого зависит от выше перечисленных факторов, в каждом конкретном случае необходимо подбирать толщину диэлектрической ленты и определять, на сколько она должна выступать по торцам лайнера.

По сравнению с известными спиральными системами, содержащими чередование слоев диэлектрической и проводящей лент, например конденсаторами, отличие данного решения заключается в том, что в этих системах используются два листовых проводника, между которыми расположен диэлектрик, вместо одного, как в заявляемом решении. В конденсаторе такая система является концентратором, в котором запасена электрическая энергия. Для этого она свернута плотно в виде рулета, чтобы практически занять весь его объем. В спиральном МКГ цилиндрический лайнер является поршнем, который предназначен для того, чтобы вытеснять магнитный поток из индуктивной полости МКГ в нагрузку. Поэтому объем такого цилиндрического лайнера по сравнению с объемом индуктивной полости генератора всегда существенно меньше.

Диэлектрик в конденсаторе применяется для предотвращения пробоя между двумя заряженными проводниками, а в лайнере он необходим для проникновения магнитного потока внутрь его на стадии запитки.

Таким образом, новая совокупность признаков позволяет увеличить начальную энергию генератора путем устранения преждевременной деформации лайнера при работе источника начальной энергии за счет создания равного начального магнитного поля с внутренней и наружной сторон лайнера, а также внутри между всеми его слоями.

При анализе технического решения на соответствие его критерию изобретения "существенные отличия" не обнаружено технических решений, содержащих отличительные признаки заявляемого технического решения.

На фиг.1 изображен заявляемый цилиндрический токопроводящий лайнер МКГ, продольный разрез; на фиг.2 изображено сечение А-А на фиг.1.

Цилиндрический токопроводящий лайнер МКГ состоит из многослойного проводника 1. Он дополнительно содержит непрерывную диэлектрическую ленту 2, расположенную между слоями проводника, свернутого с диэлектрической лентой в рулон. Диэлектрическая лента выполнена с выступами по торцам лайнера. Проводник с диэлектрической лентой располагается на диэлектрической трубке 3, которая заполнена ВВ 4.

Принцип работы такого лайнера в МКГ следующий. При разряде источника начальной энергии на спираль МКГ начальное магнитное поле создается не только в объеме между спиралью и лайнером (что наблюдается в обычных конструкциях спирального МКГ), но также и внутри лайнера, там где располагается в трубке 3 ВВ 4. В результате этого с внутренней и наружной сторон лайнера, а также внутри между всеми его слоями создается равное магнитное поле. Тем самым отсутствует перепад в давлениях магнитного поля и лайнер не деформируется. При распространении детонации по ВВ 4 после его инициирования лайнер начинает расширяться. В этой расширяющейся зоне слои проводника 1, из которого свернут лайнер, перемыкают диэлектрическую ленту 2 и замыкаются между собой. С этого момента доступ магнитного поля внутрь объема ВВ прекращается, и компрессия магнитного поля осуществляется обычным способом, как в любом из известных спиральных МКГ, где оно сжимается цилиндрической трубой.

Примером конкретного исполнения является цилиндpический токопроводящий лайнер МКГ, выполненный по варианту, изображенному на фиг.1 и 2.

Лайнер изготавливается из медной отожженной фольги толщиной 0,1 мм, навитой в рулон семь раз. В качестве диэлектрической ленты использовалась конденсаторная бумага толщиной 0,01 мм. Она выступала по краям лайнера на 3 мм. Лайнер располагался на диэлектрической трубке, заполненной ВВ. У трубки наружный диаметр 19 мм, а внутренний 16 мм. Лайнер при инициировании ВВ растягивался до диаметра 56 мм, где закорачивался со спиралью. При разряде конденсаторной батареи на спираль максимальная величина напряженности магнитного поля составляла 1,5˙10⁷ А/м. Она достигалась за время 35 мкс.

Предлагаемый генератор по сравнению с прототипом тех же размеров удалось запитать большей начальной энергией примерно на 30% В прототипе при этом уровне начальной энергии наблюдалась преждевременная деформация лайнера начальным магнитным полем. Как результат этого, во время работы МКГ при растяжении данного сдеформированного лайнера происходило перемыкание его со спиралью на выходе вместо постепенного закорачивания витков спирали от начала до конца лайнером.

Использование: во взрывомагнитных генераторах (ВМГ), предназначенных для создания больших импульсных токов и магнитных полей. Сущность: лайнер выполнен в виде многослойного проводника, полученного свертыванием в рулон проводника, например фольги, и диэлектрической ленты, выступающей по торцам лайнера. При работе ВМГ начальное магнитное поле создается не только в объеме между спиралью и лайнером, но и внутри лайнера за счет проникновения его по диэлектрическому "каналу". В результате лайнер становится бессиловым на стадии запитки ВМГ. 2 ил.

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ ТОКОПРОВОДЯЩИЙ ЛАЙНЕР МАГНИТОКУМУЛЯТИВНОГО ГЕНЕРАТОРА, состоящий из многослойного проводника, отличающийся тем, что, с целью устранения преждевременной деформации за счет создания равного давления магнитного поля на внутренней и внешней поверхностях лайнера, он дополнительно снабжен непрерывной диэлектрической лентой, расположенной между слоями проводника, свернутого с диэлектрической лентой в рулон, причем диэлектрическая лента выполнена с выступами по торцам лайнера.