СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗРЯДА МОЛНИИ Российский патент 1996 года по МПК G09B23/18 

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к способам моделирования разряда молнии, и может быть применено для экспериментальной оценки молниестойкости различных объектов (летательных аппаратов, наземных транспортных средств, фортификационных сооружений, высоковольтных ЛЭП и т.д. )
Известен способ получения молнии, заключающийся в запуске к грозовым облакам ракеты типа противоградной защиты, тянущей за собой тонкую металлическую нить, по которой к объекту испытаний поступает возвратный ток молнии. Этот дорогостоящий способ трудно прогнозируется в части обеспечения для эксперимента стабильных параметров молнии.

Наиболее близким к заявляемому является способ моделирования молнии путем формирования импульса тока от источника питания электроразрядной установки, в качестве которой используется генератор импульсного тока (напряжения) (ГИН) в совокупности с устройством формирования, состоящим из разрядника и R,L-цепочки, и последующего пропускания этого импульса по объекту испытания.

Указанный способ, выбранный в качестве прототипа, позволяет в целом моделировать удар молнии с требуемыми параметрами при испытаниях отдельных систем или малогабаритных объектов (радиоэлектронные системы, элементы конструкции самолетов и т.п.).

Недостатком способа является то, что величина воспроизводимого тока молнии для крупногабаритных объектов (самолетов, электропоездов, разветвленных коммуникаций электропередач и т.п.) существенно меньше 200 кА (в пике), как того требуют американские и отечественные стандарты (MIL-B-3087 B, MIL-STD-1757, ОСТ 101160-89 и др) [1] Действительно, например, для моделирования быстронарастающего импульса тока молнии по самолету даже средних размеров (с индуктивностью около 5 мкГн) необходима энергия (с учетом потерь в устройствах формирования) до 10 МДж, т.е. такое энергоустройство должно включать в себя свыше 10 тыс, энергоемких конденсаторов, что представляет технически сложную и трудоемкую инженерную задачу. Поэтому на практике оценку молниестойкости летательных аппаратов производят с помощью ГИН путем формирования слаботочных импульсов (до 5-10 кА) с нормированными временными параметрами с последующей линейной экстраполяцией результатов на случай 200 кА, что не всегда корректно.

Кроме того, практика испытаний на молниестойкость зачастую требует проведения нагружений в автономных (полевых) условиях, что не обеспечивает способ, основанный на использовании в качестве источника стационарного сооружения из ГИН с начальной запиткой их от сети питания 220/380 В.

Техническая задача, которую решает изобретение моделирование разряда молнии, заключающееся в генерации импульса тока и последующем пропускании его по испытываемому объекту с обеспечением возможности моделирования в автономных полевых условиях.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе моделирования разряда молнии, заключающемся в генерации импульса тока от электроразрядной установки и последующем пропускании его по испытываемому объекту, импульс тока генерируют путем взрывомагнитной кумуляции, после чего проводят обострение импульса тока в момент его максимума путем электрического взрыва проводников и преобразуют его в быстронарастающий импульс тока молнии, который затем пропускают по испытываемому объекту.

На чертеже приведена эквивалентная схема, иллюстрирующая суть предлагаемого способа.

Источник начальной энергии 1 соединен с устройством взрывомагнитной кумуляции взрывомагнитным генератором 2, который через электрически взрывающиеся проводники 3 и разрядник 4 подсоединяется к нагрузке объекту испытаний 5.

Осуществление способа производится следующим образом.

Взрывомагнитный генератор (ВМГ) 2 запитывают от источника начальной энергии 1, им может быть маломощный аккумулятор или даже постоянный магнит, что дает возможность применения способа в автономных условиях. При работе ВМГ ускоренный взрывом лайнер (центральная труба) совершает работу против магнитного поля, созданного источником начальной энергии, генерирует энергию и передает через импульсный трансформатор в накопительный контур, включающий систему электрически взрывающихся проводников (ЭВП) 3. За счет накопленной энергии в момент максимума тока ВМГ осуществляется взрыв проводников, и импульс тока через разрядник 4 поступает в нагрузку объект испытаний 5.

Предлагаемые для использования в способе взрывомагнитные генераторы (ВМГ) являются наиболее высокоэнергетичными источниками, способными генерировать импульс тока до 300 МА, имеют удельную мощность свыше 10¹⁵Вт/см³, а плотность магнитной энергии в них достигает 4 · 10¹¹ Дж/м³, что в 40 раз больше плотности химической энергии взрывчатого вещества.

Время работы ВМГ, определяемое временем деформации контура генератора, составляет обычно десятки-сотни мкс. Рассмотрим преобразование импульса тока ВМГ в необходимый быстронарастающий импульс тока молнии с длительностью фронта 2 мкс. В предположении, что после взрыва ЭВП их сопротивление R_s(t) остается постоянным и равным своему максимальному значению R_so, зависимость тока по объекту определяется выражением:
I_н(t) [exp(λ₁t)-exp(λ₂t)] где c λ_1,2f[1± ]
f
Φ
Отсюда, время нарастания тока в нагрузке τ , а при выполнении условий L>> L_s L_н и R << R_s R_н длительность импульса равна соответственно:
τ_Φ ≃ 2,3 2,3.

Здесь не учитывается время формирования искры в разряднике, обусловленное изменением активного сопротивления искры τ_R. Оно однако незначительно: если расстояние между электродами d=2 см, давление P=6 атм, напряжение U=500 кВ, то τ_Φ2 нс.

Рассмотрим использование способа на примере испытаний на молниестойкость самолета средних размеров типа ЯК-42. Для этого определяют (измеряют) параметры испытываемого объекта индуктивность и сопротивление. Для воспроизведения в подобных нагрузках (L_н=50 мкГн, R_н=0,1 Ом) требуемого импульса (I= 200 кА, τ_Φ2 мкс, 50 мкс) определяют необходимую энергоемкость генератора. Здесь предпочтительные ВМГ выходной энергией ≈ 2 МДж, чему в полной мере удовлетворяет генератор типа ВМГ-160. Индуктивность накопительного контура L=20 мкГн. Исходя из приведенных выше зависимостей, можно определить параметры ЭВП. Здесь получаем R_so=16,3 10 Ом, L_so=2 мкГн, m_ЭВП=150 г. Обостряя с помощью ЭВП импульс тока ВМГ, пропускают требуемый импульс тока по самолету с помощью равномерно разнесенных по фюзеляжу и образующих внешнюю оболочку коаксиала проводов.

На примере оценки грозозащищенности разветвленной системы высоковольтных ЛЭП проведено математическое моделирование способа, которое показало необходимость использования энергетичных ВМГ в этих задачах, особенно при наличии в системах высоконелинейных сопротивлений, для которых невозможна линейная экстраполяция наведенных перенапряжений. В ряде задач использование предложенного способа единственный метод адекватного моделирования молнии. Кроме того, показана перспективность способа при оценке стойкости и отработке средств молниезащиты опытных образцов специальной техники, когда наиболее актуальным является также определение запаса стойкости (надежности).

Необходимо отметить относительную простоту реализации способа, основанного на использовании малогабаритных, несложных по конструкции генераторов, обладающих транспортабельностью и автономностью применения. Наряду с этим при проведении испытаний предложенным способом, используя ВМГ в совокупности с ЭВП, примерно на порядок можно сократить материальные расходы, а также необходимое число членов испытательной бригады. По оценки удельная стоимость энергии ВМГ составляет 10^-3 руб/Дж против 10^-1 руб/Дж в емкостных накопителях в ГИН (в ценах 1984 г).

Способ моделирования разряда молнии.

Способ моделирования разряда молнии, заключающийся в генерации импульса тока от электроразрядной установки и последующем пропускании его по испытываемому объекту, отличающийся тем, что импульс тока генерируют путем взрывомагнитной кумуляции, после чего проводят обострение импульса тока в момент его максимума путем электрического взрыва проводников, преобразуя его в быстронарастающий импульс тока молнии, который затем пропускают по испытываемому объекту.

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к способам моделирования разряда молнии, и может быть применено для экспериментальной оценки молниестойкости различных объектов (летательных аппаратов, наземных транспортных средств, фортификационных сооружений, высоковольтных ЛЭП и т.д. ). Сущность изобретения состоит в том, что в способе моделирования разряда молнии, заключающемся в генерации импульса тока от электроразрядной установки и последующем пропускании его по испытываемому объекту, импульс тока генерируют путем взрывомагнитной кумуляции, после чего проводят обострение импульса тока в момент его максимума путем электрического взрыва проводников и преобразуют его в быстронарастающий импульс тока молнии, который затем пропускают по испытываемому объекту. Изобретение обеспечивает возможность моделирования разряда молнии в автономных полевых условиях. 1 ил.

СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗРЯДА МОЛНИИ, заключающийся в генерации импульса тока и последующем пропускании его по объекту, отличающийся тем, что импульс тока генерируют путем взрывомагнитной кумуляции и в момент достижения им максимального значения осуществляют электровзрывное прерывание, после которого полученный импульс тока пропускают по объекту.