КОАКСИАЛЬНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ СИВКОВА Российский патент 2000 года по МПК F41B6/00 

Изобретение относится к области электротехники и электрофизики, а именно к области электрических машин для перемещения жесткого тела вдоль некоторой траектории, и может быть использовано в экспериментальной физике и ускорительной технике для ускорения макротел до гиперскоростей.

Известен коаксиальный ускоритель (см. А.Д. Лебедев, В.А. Урюков. Импульсные ускорители плазмы высокого давления. Новосибирск 1990 г., с. 18-21, рис. 1.10.2. ). Этот ускоритель состоит из двух цилиндрических, коаксиально расположенных электродов, разделенных изолятором, между которыми поджигается ускоряемый дуговой разряд. Система электродов коаксиально размещена внутри соленоида. Причем система электродов с ускоряемым разрядом и соленоид питаются от отдельных источников.

Недостатками данного устройства является низкий КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела, не более 4%, и сложность устройства источника электропитания.

Наиболее близким к заявляемому ускорителю является коаксиальный ускоритель (патент РФ N 2119140 опубл. 20.09.98 г., МПК⁶ F 41 B 6/00). Устройство выполнено в виде цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещены метаемое тело и плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, которое одной клеммой присоединено к цепи питания ускорителя, причем ствол коаксиально размещен внутри соленоида, а цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода, второй конец соленоида электрически связан с началом ствола, a вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола.

Недостатком данного устройства является низкий КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела, не более 10,5%.

Основной технической задачей предложенного устройства является повышение КПД преобразования подведенной электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела от 15 до 17%.

Указанная техническая задача достигается тем, что в коаксиальном ускорителе Сивкова, выполненном в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещены метаемое тело и плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя, цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода, второй конец соленоида электрически связан с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола, согласно предложенному решению корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала, а остальные металлические элементы ускорителя - из немагнитных материалов, причем прикрепленная к цилиндрическому электропроводящему стволу часть корпуса узла центрального электрода перекрывает зону размещения плавкой перемычки, а поперечное электрическое сопротивление стенки единицы длины ствола постоянно по всей длине ствола, охваченной соленоидом, включая зону сопряжения с корпусом узла центрального электрода.

Целесообразно плавкую перемычку выполнять в виде расходящихся от центрального электрода проволочек, огибающих торцевую часть изолятора центрального электрода, обращенную к метаемому телу.

Кроме того, данная часть метаемого тела выполнена с углублением, в котором размещена плавкая перемычка.

Целесообразно также зону размещения плавкой перемычки заполнять водородонасыщенным веществом.

На фиг. 1 изображен коаксиальный ускоритель с элементами электрической схемы питания; на фиг. 2 - вид торца изолятора центрального электрода; на фиг. 3 а,б - вид сменного узла ускорителя с устройством металлического метаемого тела с углублением в его донной части: а - в исходном состоянии; б - в процессе работы.

Устройство (фиг. 1 и 2) состоит из цилиндрического электропроводящего ствола 1, центрального электрода 2, соединяющей их плавкой перемычкой 3, состоящей из металлических проволочек, расходящихся от центрального электрода 2 и огибающих торцевую часть изолятора 4 центрального электрода 2, обращенную к метаемому телу 5. Корпус 6 узла центрального электрода 2, выполненный из магнитного материала, конструкционной стали, сопрягается со стволом, например, с помощью резьбового соединения, укрепляя узел центрального электрода 2. Соленоид 7 может быть выполнен за одно целое с фланцем 8 и цилиндрической казенной частью 9, в которой размещается корпус 6 узла центрального электрода 2 и укрепляется резьбовой заглушкой 10. Соленоид 7 укреплен прочным стеклопластиковым корпусом 11 и стянут мощными токопроводящими шпильками 12 между фланцем 8 и стеклопластиковым упорным кольцом 13. Токопроводящие шпильки 12 электрически соединены токопроводящим кольцом 14, а к одной или нескольким токопроводящим шпилькам 12 присоединен шинопровод 15 внешней схемы электропитания. Второй шинопровод 16 схемы электропитания присоединен к центральному электроду 2. На фиг. 3,а показано водородосодержащее вещество 17, в качестве которого было использовано трансформаторное масло. На фиг. 3,б показаны плазменный жгут-пинч 18 и плазменная перемычка 19, образующаяся после сгорания плавкой перемычки 3 (фиг. 1).

Работа устройства заключается в следующем. При замыкании ключа K (фиг. 1) в контуре электропитания ускорителя начинает протекать ток от первичного накопителя энергии, например, конденсатора C. При достижении нарастающим током некоторого уровня плавкая перемычка 3 перегорает с образованием сильноточного дугового разряда, начальная форма плазменной структуры которого задается конфигурацией и расположением проволочек (фиг. 2), а также наличием цилиндрического канала в изоляторе центрального электрода. Электровзрывной эффект и эффект термического разложения материала изолятора 4, выполненного, например, из полиэтилена, на поверхности стенки цилиндрического канала обеспечивает резкое повышение давления, сообщающее начальный импульс метаемому телу 5 и приводящее его в движение. Плазма сильноточного разряда сжимается магнитным полем собственного тока и приобретает грибообразную форму. Разряд можно разделить на две части - плазменный жгут 18 (Z-пинч), являющийся продолжением центрального электрода, и плазменную круговую перемычку 19. Такого типа сильноточный разряд под действием электродинамических сил ускоренно углубляется в канал ствола, толкая метаемое тело 5. В предложенном устройстве цилиндрическая стенка корпуса 6 узла центрального электрода 2, выполненная из магнитной стали, перекрывающая зону размещения плавкого элемента и формирования плазменной структуры, экранирует эту зону в течение некоторого времени (десятки микросекунд и более) в зависимости от толщины магнитного материала и исключает вращение грибообразной плазменной перемычки, уменьшая эрозию ствола и обеспечивая усиление начальной динамики разгона. Изготовление остальных металлических элементов конструкции ускорителя из немагнитных материалов позволяет усилить магнитное поле соленоида и уменьшить потери энергии.

Постоянство поперечного электрического сопротивления единицы длины части ствола, охваченной индуктором, необходимо для исключения усиления азимутальной составляющей магнитного поля в канале ствола. Оно может произойти в результате резкого изменения поперечного сопротивления (ступенчатого изменения поперечного сечения) стенки ствола и стать препятствием на пути перемещения токонесущей плазменной перемычки 19.

При размещении части узла центрального электрода с зоной расположения плавкой перемычки в выемке донной части металлического метаемого тела (фиг. 3) электровзрывной и электротермический эффекты усиливаются за счет повышения статического давления газа в этой выемке, который начинает совершать работу расширения лишь после обрыва стенки выемки на границе со сплошной частью метаемого тела. Кроме того, такая форма метаемого тела обеспечивает удобства при зарядке и сборке ускорителя.

Электровзрывной и электротермический эффекты также значительно усиливаются при заполнении зоны размещения плавкого элемента водородонасыщенным веществом. Высвобождающийся при термическом разложении водород, нагреваясь от разряда, накапливает энергию, а затем, расширяясь, совершает работу преобразования ее в кинетическую, по аналогии с легкогазовыми метательными устройствами.

Предложенное устройство испытано в следующих условиях:
- емкость конденсаторной батареи 48•10^-3 Ф;
- зарядное напряжение 2750 В;
- индуктивность разрядного контура 3,2•10^-6 Гн;
- индуктивность соленоида ~ 2,84•10^-6 Гн;
- длина соленоида 300 мм;
- внутренний диаметр соленоида 85 мм;
- длина ствола ускорителя 400 мм;
- калибр ствола 17 мм;
- масса метаемого тела 16,2 г;
- материал метаемого тела - медь.

Метаемое тело было ускорено до 1,6 км/с, приобретя кинетическую энергию 20,74 кДж. За время нахождения тела в стволе ускорителя на его разгон была затрачена энергия 135 кДж, КПД преобразования затраченной энергии составил 15,4%.

При выполнении донной части метаемого тела 5 с углублением (фиг. 3) в аналогичных условиях КПД возрастает до 16%.

При заполнении зоны размещения плавкой перемычки 3 водородонасыщенным веществом 17%, а именно трансформаторным маслом, КПД возрастает до 16,5-17%.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области электрических машин для перемещения жесткого тела вдоль некоторой траектории. Технический результат - повышение КПД. Ускоритель состоит из коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещены метаемое тело и плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически связан с началом ствола, а вершины центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала, а остальные металлические элементы ускорителя - из немагнитных материалов, причем прикрепленная к цилиндрическому электропроводящему стволу часть корпуса узла центрального электрода перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Поперечное электрическое сопротивление стенки единицы длины ствола постоянно по всей длине ствола, охваченной соленоидом, включая зону сопряжения с корпусом узла центрального электрода. Кроме того, плавкая перемычка выполнена в виде расходящихся от центрального электрода проволочек. Донная часть метаемого тела выполнена с углублением, в котором размещена плавкая перемычка, а зона размещения плавкой перемычки заполнена водороднасыщенным веществом. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Коаксиальный ускоритель, выполненный в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещены метаемое тело и плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя, цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода, второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола, отличающийся тем, что корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала, а остальные металлические элементы ускорителя - из немагнитных материалов, причем прикрепленная к цилиндрическому электропроводящему стволу часть корпуса узла центрального электрода перекрывает зону размещения плавкой перемычки, а поперечное электрическое сопротивление стенки единицы длины ствола постоянно по всей длине ствола, охваченной соленоидом, включая зону сопряжения с корпусом узла центрального электрода. 2. Коаксиальный ускоритель по п.1, отличающийся тем, что плавкая перемычка выполнена в виде расходящихся от центрального электрода проволочек, огибающих торцевую часть изолятора центрального электрода, обращенную к метаемому телу. 3. Коаксиальный ускоритель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что донная часть метаемого тела выполнена с углублением, в котором размещена плавкая перемычка. 4. Коаксиальный ускоритель по пп.1- 3, отличающийся тем, что зона размещения плавкой перемычки заполнена водороднасыщенным веществом.