ВЗРЫВНОЙ ПЬЕЗОГЕНЕРАТОР Российский патент 2000 года по МПК H02N2/18 H01L41/113 F42C11/02 

Изобретение относится к области сильточной импульсной техники и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия.

Известен взрывной пьезогенератор, содержащий генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь энергии ударной волны в электрическую энергию в виде одной пьезопластины с электродами на двух противоположных гранях, параллельных направлению распространения ударной волны /1/.

В отличие от импульсных генераторов многоразового действия, принцип работы которых основан на предварительном запасании энергии в накопительной электрической емкости, такой генератор обладает максимальной простотой, не нуждается в источниках питания, не требует регламентных проверок в процессе хранения и эксплуатации.

В основу работы этого генератора положен принцип преобразования механической энергии ударной волны в электрическую энергию в объеме ударно-нагружаемого пьезоэлектрического преобразователя. Генерирование электрического импульса в нагрузке генератора происходит после взрыва содержащегося в генераторе ударной волны взрывчатого вещества при прохождении фронта ударной волны по пьезопреобразователю.

Известный взрывной пьезогенератор не позволяет существенно повысить амплитуду тока или напряжения, генерируемого им электрического импульса без одновременной потери компактности конструкции и быстродействия генератора.

Известен взрывной пьезогенератор /2/, содержащий устройство инициирования, генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора соединенных электрически параллельно пьезопластин. Электроды, нанесенные на противоположные грани пьезопластин, перпендикулярны выходной поверхности генератора ударной волны. Блок пьезопластин вписан в цилиндрический объем, торцевая часть которого совпадает с выходной поверхностью генератора ударной волны.

Генератор ударной волны представляет собой аксиально симметричную конструкцию и состоит из конического алюминиевого лайнера, слоя взрывчатого вещества, конической алюминиевой крышки.

Взрывной пьезогенератор работает следующим образом.

При срабатывании средства инициирования в вершине конического слоя взрывчатого вещества возбуждается детонация. Под действием скользящей детонации происходит разгон лайнера и за счет выбора угла δ в вершине конического лайнера обеспечивается одновременный удар лайнера по торцевой поверхности блока пьезопластин, в котором формируется плоская ударная волна. При этом в омической нагрузке, подключенной к выходным клеммам взрывного пьезогенератора, формируется импульс электрического тока П-образной формы.

Недостатком такой конструкции взрывного пьезогенератора является повышенное требование к электрической прочности пьезопреобразователя при задействовании нагрузки через двухпроводную или кабельную линии, обладающие значительной собственной индуктивностью, поскольку индуктивная составляющая напряжения становится чрезмерной при высокой крутизне переднего фронта импульса тока, генерируемого блоком пьезопластин.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности взрывного пьезогенератора при работе с двухпроводной или кабельной линиями с большой индуктивностью.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в уменьшении величины перенапряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора за счет уменьшения V_L и, соответственно, в повышении надежности работы генератора, в возможности оптимизации конструкции взрывного пьезогенератора за счет применения расчетных соотношений, связывающих между собой размеры пьезопластины, параметры генерируемого электрического импульса и газодинамические параметры материалов, входящих в состав взрывного пьезогенератора.

Это достигается тем, что во взрывном пьезогенераторе, содержащем устройство инициирования, генератор ударной волны с зарядом взрывчатого вещества и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора соединенных электрически параллельно пьезопластин с электродами на двух противоположных гранях, перпендикулярных выходной поверхности генератора ударной волны, новым является то, что генератор ударной волны выполнен в виде монолитного тела, заряд взрывчатого вещества изготовлен из двух частей: плоского слоя и примыкающего к нему линейного заряда, перпендикулярного электродам пьезопластин; устройство инициирования обеспечивает возбуждение детонации в линейном заряде взрывчатого вещества одновременно на всем его протяжении; размеры пьезопластин, заданные амплитудно-временные параметры формируемого электрического импульса, газодинамические параметры материалов, входящих во взрывной пьезогенератор, связаны соотношениями
Z₀ = U₁ • t₁,
y₀ ≥ 2D(t₁+t₂), (1)

где Z₀ - высота пьезопластины;
y₀ - суммарная длина пьезопластин в блоке;
U₁ - скорость распространения фронта ударной волны в пьезопластине;
D - скорость детонации взрывчатого вещества;
t₁ - длительность переднего фронта импульса электрического тока;
t₂ - длительность участка импульса электрического тока, где I₀ = const;
i₀ - удельный ток деполяризации пьезокерамики;
I₀ - амплитуда электрического тока.

В этом случае в объеме блока пьезопластины реализуется тип ударно-волнового нагружения, содержащий только поперечную компоненту (направление распространения ударной волны параллельно электродам и перпендикулярно вектору остаточной поляризации ). При этом, во-первых, в нагрузке взрывного пьезогенератора формируется электрический импульс с регулируемой крутизной нарастания тока , за счет чего достигается снижение перенапряжения V_L на выходных клеммах взрывного пьезогенератора, , где L - индуктивность линии, соединяющей взрывной пьезогенератор и нагрузку. Во-вторых, реализация принципа поперечного ударно-волнового нагружения пьезопластин обеспечивает возможность регулирования электрического поля в объеме пьезопластин и, следовательно, позволяет снизить его до величин, не превышающих электрическую прочность пьезокерамики, а также позволяет оптимизировать конструкцию взрывного пьезогенератора за счет использования расчетных соотношений (1).

На чертеже приведено схематическое изображение продольного разреза взрывного пьезогенератора.

Взрывной пьезогенератор содержит устройство инициирования, генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь. Пьезоэлектрический преобразователь состоит из набора соединенных электрически параллельно между собой пьезопластин 1 с электродами 2 на противоположных гранях, перпендикулярных выходной поверхности генератора ударной волны.

Набор пьезопластин отделен от генератора ударной волны слоем электроизоляционного компаунда 3. Генератор ударной волны представляет собой монолитное тело 4, выполненное из любого материала, металла или диэлектрика. В выемке монолитного тела 4 расположен плоский слой взрывчатого вещества 5. Линейный заряд взрывчатого вещества 6 расположен в соответствующем канале монолитного тела 4, примыкает к слою взрывчатого вещества 5 и ориентирован перпендикулярно электродам 2 пьезопластин 1.

Устройство инициирования установлено относительно линейного заряда взрывчатого вещества 6 с возможностью его одновременного инициирования по всей протяженности. Например, оно может быть выполнено в виде нескольких детонационных каналов 7, размещенных вдоль линейного заряда 6. К выходным клеммам 8 взрывного пьезогенератора подключена нагрузка 9.

Взрывной пьезогенератор работает следующим образом. В результате одновременного инициирования линейного заряда взрывчатого вещества 6 через детонационные каналы 7 в монолитном теле 4 генератора ударной волны инициируется слой взрывчатого вещества 5, в котором формируются две расходящиеся в противоположных направлениях со скоростью D детонационные волны, фронты которых перпендикулярны электродам 2 пьезопластин 1. Соответственно, в пьезопластинах 1 формируется расходящаяся ударная волна, фронт которой также перпендикулярен электродам 2 пьезопластин 1, и распространяется в направлении OZ со скоростью U₁, а в направлениях OY и O(-Y) - со скоростью детонации D. В этом случае в пьезопластинах 1 реализуется режим поперечного ударно-волнового нагружения, а в нагрузке 9, подключенный к выходным клеммам 8 взрывного пьезогенератора, формируется импульс электрического тока. Реализация в данной конструкции взрывного пьезогенератора режима поперечного ударно-волнового нагружения, когда продольная составляющая отсутствует, позволяет рассчитать оптимальную конструкцию взрывного пьезогенератора, генератора, опираясь на соотношения (1) между заданными параметрами формируемого импульса электрического тока, газодинамическими параметрами материалов, входящих в конструкцию генератора, размерами пьезопластин.

Источники информации
1. Патент США N 3589294, кл. 102-70.2A, опублик. 1971 г.

2. Взрывной пьезогенератор. AC N 1119564 МКИ H 01 L 41/08, H 02 N 11/00, опубл. в БИ N 8, 1997 г.

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия. Взрывной пьезогенератор содержит устройство инициирования, генератор ударной волны, пьезоэлектрический преобразователь в виде набора соединенных электрически параллельно пьезопластин с токосъемными электродами. Генератор ударной волны выполнен в виде монолитного тела с зарядом взрывчатого веществ в виде слоя и примыкающего к нему линейного заряда, перпендикулярного электродам пьезопластин, и инициируемого одновременно по всей длине. Материал и размеры пьезопластин, заданные амплитудно-временные параметры импульса электрического тока в нагрузке, газодинамические параметры материалов связаны между собой соответствующими математическими соотношениями. Технический результат: уменьшение величины перенапряжения на выходе взрывного пьезогенератора и увеличение надежности его функционирования. 1 ил.

Взрывной пьезогенератор, содержащий устройство инициирования, генератор ударной волны с зарядом взрывчатого вещества и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора соединенных электрически параллельно пьезопластин с электродами на двух противоположных гранях, перпендикулярных выходной поверхности генератора ударной волны, отличающийся тем, что генератор ударной волны выполнен в виде монолитного тела, заряд взрывчатого вещества выполнен в виде слоя взрывчатого вещества, размещенного параллельно выходной поверхности генератора, и примыкающего к нему линейного заряда взрывчатого вещества, перпендикулярного электродам пьезопластин, устройство инициирования установлено относительно линейного заряда с возможностью одновременного инициирования его по всей длине, при этом материал и размеры пьезопластин, обеспечивающие формирование импульса тока с монотонно нарастающей амплитудой от 0 до I₀ за время t₁ и последующим постоянством значения в течение времени t₂, выбраны из соотношений
z₀ = v₁ • t₁,
y₀ ≥ 2D(t₁ + t₂),

где z₀ - высота пьезопластин;
y₀ - суммарная длина пьезопластин в блоке;
v₁ - скорость распространения фронта ударной волны в объеме пьезопластин;
D - скорость детонации взрывчатого вещества;
i₀ - удельный ток деполяризации пьезокерамики;
I₀ - амплитуда импульса электрического тока.