УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ЯКОРЕ РЕЛЬСОТРОНА Российский патент 1997 года по МПК F41B6/00 

Изобретение относится к области мощной сильноточной импульсной электротехники, в частности к системам электроснабжения (СЭС) на основе емкостных накопителей энергии (ЕНЕ) и может быть использовано для запуска (зажигания) электрического разряда в многоступенчатых рельсотронах, в том число с предускорением.

При нулевой начальной скорости якоря (арматуры) рельсотрона, т.е. при разряде части запасенной в СЭС энергии на неподвижный якорь, эффективность преобразования энергии от СЭС в кинетическую низка; на этой фазе превалируют диссипативные процессы: энергия СЭС реализуется в тепловой и радиационной (световой) формах сильноточного электрического разряда и в кинетической энергии его газодинамического расширения.

Для решения проблемы повышения эффективности электромагнитного разгона и увеличения ресурса каналов ускорителей используют предускорение с применением различных устройств (например, газовых, пороховых). Однако после предускорителя возникает необходимость, а с ней и проблема, зажигания электрического разряда в канале рельсового ускорителя через движущийся якорь или проблема обеспечения гарантированной гальванической связи (электрического контакта) между электродами рельсотрона через якорь (металлическое метаемое тело, гибридная или токово-плазменная арматура).

Известно устройство [1] для метательной системы, состоящей из предускорителя, разделительной диэлектрической вставки и рельсотрона. Оно включает в себя три соединенных параллельно друг другу емкостных накопителя энергии с зарядными устройствами и коммутаторами цепей зарядки, управляемые коммутаторы разрядных цепей и систему управления этими коммутаторами. Первый накопитель представляет собой инициирующий импульсный конденсатор с небольшим энергозапасом и заряжен до напряжения ≈ 500 В, допустимого по условию электрической прочности канала рельсотрона. Он подключен к выходным клеммам устройства без коммутатора. Второй и третий ЕНЭ связаны с выходными клеммами устройства через управляемые коммутаторы цепей разряда. Второй ЕНЭ заряжен до ≈ 5 кВ и служит для подхвата и форсирования тока разряда через якорь. Третий и основной ЕНЭ представляет собой набор параллельных модулей емкостных накопителей энергии, включаемых системой управления разрядниками при условии срабатывании первых двух ЕНЭ. Система управления разрядниками запускается по сигналу датчика тока (пояса Роговского), включенного в разрядную цепь инициирующего конденсатора. При возникновении сильноточного разряда после появлении якоря в канале рельсотрона данная система подает команду на замыкание управляемого коммутатора второго ЕНЭ.

Достоинствами данного устройства являются:
повышенная устойчивость системы к паразитному пробою в канале в процессе ожидания появления в нем якоря (сравнительно малое ждущее напряжение на электродах);
форсирование мощности разряда в фазе его инициирования (первые два ЕНЭ оптимизированы только для решения этой задачи);
ждущий режим синхронизации запуска СЭС;
возможность формирования временного профиля тока и мощности за счет последовательного включения модулей ЕНЭ.

Недостатками аналога являются:
фиксированный уровень ждущего напряжения на электродах (зависит от конкретных условий взаимодействия якоря с электродами и входной скорости якоря разряд в цепи якоря может и не возникнуть);
электрические перенапряжения, возникающие при последовательном подключении модулей накопителя, провоцирующие возникновение паразитных шунтирующих перезамыканий рабочего тока в следе якоря.

Наиболее близким по технической сущности и конструктивному исполнению является устройство [2] для инициирования тока в метательной системе, состоящей из предускорителя на базе двухступенчатой легкогазовой баллистической установки, диэлектрической разделительной секции и рельсотрона. Само устройство включает в себя емкостной накопитель энергии с зарядным устройством, коммутатор цепи зарядки, индуктор, коммутатор цепи разряда и систему управления коммутатором цепи разряда. ЕНЭ связан с выходными клеммами устройства через индуктор и коммутатор цепи разряда, который приводится в действие системой управления при вхождении метаемого тела в канал рельсотрона. При возникновении гальванической связи между электродами рельсотрона, находящимися после срабатывания коммутатора под высоким напряжением заряженного емкостного накопителя (единицы киловольт), в цепи якоря и его приэлектродных контактных зонах должен возникать электрический ток, ускоряющий якорь.

Недостатками прототипа являются:
наличие в последовательной цепи двух разрядных промежутков, что обусловливает сложность их совместного инициирования и гарантированного обеспечения рабочего тока в цепи рельсотрона;
сравнительно низкая скорость нарастания рабочего тока в цепи, определяемая прежде всего из условий его протекания в течение всего процесса ускорения якоря в рельсотроне, но не из условий зажигания разряда;
высокая вероятность электрического пробоя в произвольном сечении канала рельсотрона при срабатывании коммутатора в разрядной цепи и отсутствии надежного гальванического контакта между движущимся якорем и рельсами.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности инициирования электрического разряда в высокоскоростном якоре при работе рельсотрона совместно с предускорителем, а также в многоступенчатых рельсотронах.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для инициирования электрического тока в высокоскоростном якоре рельсотрона, содержащем емкостной накопитель энергии, связанный с выходными клеммами устройства через индуктор и коммутатор цепи разряда с системой управления, зарядное устройство емкостного накопителя энергии с коммутатором цепи заряда, параллельно емкостному накопителю включен импульсный конденсатор, гальванически связанный с выходными клеммами устройства, при этом его емкость не превышает 1% емкости накопителя.

Предлагаемое устройство обеспечивает:
монотонное увеличение электрического напряжения на якоре от нуля вплоть до двойного напряжения зарядки емкостного накопителя, что определяет высокую вероятность быстрого инициирования электрического разряда по якорю;
повышение мощности инициирующего импульса тока в якоре;
отсутствие переключений внутри СЭС в процессе реализации энергии и сопутствующих электрических перенапряжений, дестабилизирующих процесс протекания тока в канале рельсотрона.

На чертеже представлено устройство, содержащее емкостной накопитель 1, связанный с выходными клеммами устройства через коммутатор 2 цепи разряда и индуктор 3. Параллельно емкостному накопителю 1 включен без коммутатора импульсный конденсатор 4. Емкостной накопитель 1 имеет зарядное устройство 5, подключаемое к накопителю 1 коммутатором 6 цепи зарядки. Устройство содержит систему управления 7 коммутатором 2 цепи разряда, которая связывает диэлектрическую разделительную секцию 8 метательного устройства с исполнительным механизмом (поджигающим устройством) коммутатора 2. Первичным устройством системы управления 7 служит датчик 9 (фотодиод, датчик контактного типа и т. п. ), фиксирующий момент прохождения метаемым телом сечения диэлектрической секции 8, в котором этот датчик установлен. Метательное устройство состоит, помимо диэлектрической секции 8, из предускорителя или предыдущей секции 10 рельсотрона (на чертеже показан предускоритель) и рабочей секции 11 рельсотрона. Позицией 12 обозначен якорь рельсотрона.

Устройство для инициирования электрического тока в высокоскоростном якоре рельсотрона работает следующим образом. Выходные клеммы устройства с незаряженным импульсным конденсатором 4 подключаются к входным клеммам рабочей секции рельсотрона 11.

После этого включением коммутатора 6 при отключенном коммутаторе 2 замыкают зарядную цепь емкостного накопителя 1 и производят его зарядку от зарядного устройства 5 до требуемой по условиям ускорения якоря в канале рельсотрона величины энергозапаса. Потом, отключив коммутатор 6, разрывают зарядную цепь. Затем включают систему 7 управления коммутатором 2. Устройство готово к работе.

При появлении в сечении диэлектрической секции 8, в котором расположен датчик 9, якоря 12, разогнанного в предускорителе 10 или предыдущей секции рельсотрона, датчиком 9 генерируется сигнал, интерпретируемый системой управления 7 как команда на включение коммутатора 2. При включении коммутатора 2 разрядная цепь накопителя 1 через индуктор 3, формирующий требуемый профиль рабочего тока рельсотрона, замыкается на импульсный конденсатор 4 и рабочую секцию 11 рельсотрона.

Напряжение на импульсном конденсаторе 4, рабочей секции 11 рельсотроне и якоре 12 начинает монотонно возрастать от нулевого значения. При отсутствии гальванического контакта между электродами по якорю 12 в цепи емкостного накопителя 1 будет циркулировать ток равный , где L индуктивность индуктора 3, а С полная емкость разрядного контура. При С₁>>C₂ напряжение на емкостном накопителе 1 изменяться практически не будет, а на конденсаторе 4 и клеммах рабочей секции 11 рельсотрона будет колебаться относительно уровня начального напряжения зарядки накопителя U_o с амплитудой, равной амплитуде начального возмущения, т. е. U_o, и периодом ; Таким образом, за время T/2 напряжение на импульсном конденсаторе 4 при условии С₂<<C₁ возрастет от нуля до удвоенного напряжения зарядки накопителя 1, т.е. 2U_o, а сам конденсатор 4 приобретет способность инициировать ток через якорь 12.

При достижении напряжения, достаточного для пробоя межэлектродного промежутка рабочей секции 11 рельсотрона с якорем 12, определяемого скоростью якоря 12, величиной зазора между ним и электродами, осуществляется электрический пробой и инициирование рабочего тока через якорь 12 быстрым разрядом инициирующего конденсатора 4 (скорость разряда определяется импедансом цепи разряда).

После инициирования разряда в якоре 12 и замыкания цепи рабочего тока в рабочей секции 11 рельсотрона осуществляется разряд емкостного накопителя 1 через индуктор 3 на рабочую секцию 11 рельсотрона и подзарядка инициирующего конденсатора 4. При этом, если емкости накопителя 1 и конденсатора 4 соотносятся не менее, чем 100:1, то амплитуда напряжения на входных клеммах рабочей секции 11 рельсотрона, как было показано, может достигать двойного зарядного напряжения на емкостном накопителе 1 за время не более 0,1 полного времени ускорения якоря в рельсотроне (времена соотносятся как ), а энергия, консервируемая в инициирующем конденсаторе 4 не превысит 1% конечной энергии накопителя (при максимальном токе напряжения на конденсаторах 1 и 4 равны и поэтому энергии соотносятся как С₂/C₁).

Приведенные данные доказывают, что заявляемое устройство позволяет:
монотонно и плавно увеличивать напряжение на движущемся якоре вплоть до инициирования разряда через него;
повысить амплитудные значения инициирующего разряд напряжения в пределе до двойного напряжения зарядки емкостного накопителя;
увеличить мощность и скорость нарастания рабочего тока на фазе инициирования рабочего тока в якоре;
повысить надежность системы инициирования рабочего тока в рельсотроне при доускорении якоря с высокой начальной скоростью;
повысить полную эффективность электромеханического преобразования энергии.

Использование: системы электроснабжения на основе емкостных накопителей энергии, системы запуска электрического разряда в многоступенчатых рельсотронах, в том числе с предускорением. Сущность изобретения: устройство для инициирования электрического тока в высокоскоростном якоре рельсотрона содержит емкостный накопитель 1, связанный с выходными клеммами устройства через коммутатор 2 цепи заряда и индуктор 3. Параллельно емкостному накопителю 1 включен без коммутатора импульсный конденсатор 4, гальванически связанный с выходными клеммами устройства, при этом его емкость не превышает 1% емкости накопителя. Емкостный накопитель 1 имеет зарядное устройство 5, подключенное к накопителю 1 коммутатором 6 цепи зарядки. Устройство содержит систему управления 7 с датчиком 9 коммутатором 2 цепи заряда, которая связывает диэлектрическую разделительную секцию 8 метательного устройства с исполнительным механизмом коммутатора 2. 1 ил.

Устройство для инициирования электрического тока в высокоскоростном якоре рельсотрона, содержащее емкостный накопитель энергии, связанный с выходными клеммами устройства через индуктор и коммутатор цепи разряда с системой управления, зарядное устройство емкостного накопителя энергии с коммутатором цепи заряда, отличающееся тем, что параллельно емкостному накопителю включен импульсный конденсатор, гальванически связанный с выходными клеммами устройства, при этом его емкость не превышает 1% от емкости накопителя.