ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2001 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к области преобразования химической энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитную с осуществлением процесса магнитной кумуляции энергии, т. е. к взрывомагнитным генераторам (ВМГ) и предназначено для улучшения потребительских характеристик спиральных генераторов.

Известен [1] спиральный взрывомагнитный генератор (ВМГ) (см. фиг. 1), содержащий коаксиальные внутренний проводник с зарядом взрывчатого вещества (ВВ) и спиральную катушку, состоящую из включенных последовательно 3-х секций с увеличивающимися в сторону индуктивной нагрузки шагом витков и коэффициентом заполнения шага (см. табл.).

Шаг витков в спиральной катушке при переходе от секции к секции, а также в самих секциях меняется по линейному закону. Наибольший шаг витков - в конце спиральной катушки. Спиральная катушка изготавливается машинным образом путем прорезания прямоугольного паза на наружной поверхности медного цилиндра с последующей заливкой спиральной катушки снаружи эпоксидным компаундом для обеспечения жесткости конструкции и дальнейшей механической обработкой внутренней поверхности спиральной катушки и введением изолятора внутрь нее для обеспечения электропрочности витков.

Описанное устройство является аналогом заявленного объекта.

Спиральный ВМГ работает следующим образом.

После запитки спирального ВМГ током от внешнего источника 6 в контуре спирального ВМГ создается магнитный поток. После срабатывания капсюля-детонатора 7 и заряда ВВ 2 стенка внутреннего проводника 1 под действием продуктов взрыва разлетается в форме конуса, налетает на торец трубки 8 и соединяется со спиральной катушкой 3. С этого момента начинается процесс магнитной кумуляции.

Недостатками аналога являются:
- наличие острой кромки на витках спиральной катушки, повышающей напряженность электрического поля локально у кромки, что снижает электропрочность спиральной катушки,
- сравнительно медленная скорость изменения индуктивности спиральной катушки в процессе работы спирального ВМГ, из-за чего возрастают потери магнитного потока на активном сопротивлении;
- нестабильная работа спирального ВМГ, например (см. табл. 2 в [1]): в генераторе design #9 коэффициент усиления энергии изменяется от 5,6 до 23, что говорит о том, что разброс велик, а сам коэффициент усиления энергии мал, в генераторе design #18 коэффициент усиления энергии еще более нестабилен.

Наиболее близким к заявляемому является спиральный ВМГ [2] (см. фиг. 2), содержащий коаксиальный внутренний проводник с зарядом ВВ и наружную спиральную катушку, которая состоит из последовательно соединенных 13-ти секций, с увеличивающимися в сторону индуктивной нагрузки числом заходов и шагом витков. С целью повышения электропрочности витков спиральной катушки и устранения одного из недостатков аналога спиральная катушка намотана круглым изолированным проводом. Для обеспечения механической прочности спиральная катушка как и в аналоге залита эпоксидным компаундом.

Параметры спиральной катушки приведены в табл. 2, а схема соединения проводов показана на фиг. 4.

В описанном генераторе разброс коэффициента усиления энергии не превышает ~ 20%, а коэффициент усиления энергии в несколько раз выше, чем в аналоге.

Спиральный ВМГ работает следующим образом. Спиральный ВМГ запитывается током от внешнего источника 6 и в контуре спирального ВМГ создается начальный магнитный поток. После срабатывания капсюля-детонатора 7 и заряда ВВ 2 внутренний проводник 1 разлетается под действием продуктов взрыва в форме конуса, налетает на штырь 8 и замыкается со спиральной катушкой 3. С этого момента начинается процесс магнитной кумуляции: образовавшийся из внутреннего проводника конус равномерно перемещается вдоль оси спиральной катушки, последовательно выводя витки секций 4 и сжимая магнитный поток в замкнутом контуре спирального ВМГ. Индуктивность спиральной катушки уменьшается приблизительно по экспоненциальному закону, а ток в контуре спирального ВМГ возрастает.

Прототип обеспечивает плавный вывод витков спиральной катушки в процессе кумуляции магнитной энергии и уменьшает недостатки аналога, не устраняя их полностью.

Недостатком прототипа является:
- сравнительно медленная скорость вывода витков спиральной катушки и соответственно малая скорость изменения индуктивности спирального ВМГ в процессе работы взрывомагнитного генератора, из-за чего возрастают потери магнитного потока;
- дополнительный недостаток прототипа заключается в следующем. Провода спиральной катушки прототипа (см. фиг. 4) в параллельных заходах разветвляются несимметрично при переходе от одной секции к другой. При посекционном сравнении числа проводов в первом заходе по отношению ко второму заходу видно, что в одиннадцати секциях имеются различия по количеству проводов между заходами. В итоге на выходе спиральной катушки количество проводов в первом заходе существенно меньше количества проводов во втором заходе, а именно: на выходе первого захода имеется 23 параллельно включенных проводов, а на выходе второго захода - 37 параллельно включенных проводов. Из-за такого различия количества параллельно включенных проводов при посекционном сравнении заходов:
- активное сопротивление первого захода больше, чем активное сопротивление второго захода;
- плотность тока, протекающего в проводах первого захода, будет больше плотности тока, протекающего в проводах второго захода.

Эти два фактора приводят к дополнительным омическим потерям в спиральной катушке, которые снижают в целом эффективность работы спирального ВМГ.

При изучении работы прототипа, в ряде секций спиральной катушки, особенно в начале, где шаг витков меняется мало (как это имеет место, например, в секциях 1,2,3), бывает невозможно точно определить моменты начала и окончания работы каждой секции, особенно при использовании широко применяемой осциллографической аппаратуры. Это не позволяет определить эффективность работы каждой секции и проводить необходимые корректировки параметров таких секций.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание спирального ВМГ с наиболее эффективной работой каждой секции его спиральной катушки. Техническим результатом при решении данной задачи является повышение коэффициента усиления тока и энергии без увеличения габаритов спирального ВМГ.

Указанный технический результат достигается тем, что в спиральном ВМГ длина секции, отношение длины секции к диаметру витков и число витков любой предыдущей секции по отношению к последующей секции выполнены из соотношения их индуктивностей L_{пре дыдущ.} = (2,1...2,3)L_{после дующ.} Спиральная катушка выполнена с отношением числа заходов в каждой последующей секции к числу заходов в предыдущей секции равным 2, а число заходов в секциях соответствует ряду геометрической прогрессии 1,2,4,8... Отношение шага намотки витков в каждой последующей секции к шагу намотки витков в предыдущей секции равно (1,8. . .2,2). Последняя секция выполнена при условии равенства ее индуктивности нагрузки. Спиральная катушка дополнительно содержит предварительную однозаходную секцию, установленную перед первой секцией, с шагом намотки витков, равным шагу намотки витков в первой секции. Диаметр витков спиральной катушки D_{спирали} в [см] выбирают из соотношения D_{спирали}=(0,6...1,2)I_max, где I_max - максимальный ток спирального ВМГ в [МА]. В выполненной таким образом спиральной катушке ВМГ каждая секция основного усиления удваивает ток и работает как самостоятельный элемент со строго заданным коэффициентом усиления тока, равным 2. В этом случае можно оценивать, насколько эффективно работает каждая секция и соответственно весь спиральный ВМГ. В случае недостаточно эффективной работы какой-либо конкретной секции (например, коэффициент усиления секции меньше 2, пробой изоляции в ее витках и т.п.) можно принять соответствующие меры, направленные на устранение недостатков в этой секции и повышение эффективности ее работы. Так можно поступать с любой секцией спиральной катушки, не затрагивая другие секции. Подобные адресные корректировки по секциям позволяют получить максимальный коэффициент усиления каждой секции и спирального ВМГ в целом. В итоге повышается эффективность работы всего спирального ВМГ без увеличения его габаритов. Обоснованием для выбора коэффициента усиления тока каждой основной секцией, равного 2, является следующее. Для построения симметрично ветвящейся спиральной катушки число заходов в основных секциях необходимо выбирать из последовательного ряда чисел 1, 2, 4... Из этого следует, что для обеспечения одинаковой плотности тока в каждой основной секции при их одинаковых коэффициентах усиления нарастание тока по этим секциям должно соответствовать такому же ряду чисел 1,2,4... Следовательно, в каждой основной секции ток должен удваиваться.

Важным фактором, снижающим потери магнитного потока в контуре спирального ВМГ и за счет этого существенным образом повышающим его коэффициент усиления без увеличения габаритов ВМГ, является увеличение скорости вывода витков спиральной катушки (другими словами, скорости уменьшения индуктивности: dL/dt) при возможно минимальной величине R, где R - суммарное активное сопротивление контура спирального ВМГ, определяющее резистивные и все прочие потери в нем. Такое требование вытекает из выражений (4), (6) в [1]:
I_f = I_oL_o/L_f ^F, F ~ 1 + [^R/(dL/dt)],
где I_o - начальный ток;
I_f - конечный ток;
L_o - начальная индуктивность ВМГ и нагрузки;
L_f - конечная индуктивность ВМГ и нагрузки.

Для того чтобы обеспечить вышеуказанное требование удвоения тока в каждой основной секции, т. е. I_посл/I_пред=2, необходимо, чтобы отношение индуктивности предыдущей секции L_пред к индуктивности последующей секции L_посл удовлетворяло соотношению Lg2= FLg(L_пред/L_посл). Определим границы параметра F и соответствующие им значения (L_пред/L_посл). Возможность достижения F=0,83 в спиральных ВМГ при конечных величинах магнитного поля 2,0 МЭ была показана еще в работе [1]. С другой стороны, получить F больше чем 0,93 довольно трудно. Поэтому, задаваясь при конструировании спиральной катушки величиной F в интервале F = 0,83...0,93, получаем отношение L_пред/L_посл = 2,1...2,3 (см. табл.3).

Выбрав величину максимально допускаемого в спирали магнитного поля равной 2,0 МЭ, устанавливаем величину конечного тока спирального ВМГ (ток в нагрузке при выводе всех витков спиральной катушки), равной I_max= D_{спирали}/(0,6. . . 1,2), где I_max - максимальный ток спирального ВМГ в [МА], D_{спирали} - диаметр витков спиральной катушки в [см].

На фиг. 1 изображен спиральный ВМГ по аналогу.

На фиг. 2 изображен спиральный ВМГ по прототипу.

На фиг. 3 изображен заявляемый спиральный ВМГ.

На фиг. 4 изображена схема соединения проводов спиральной катушки по прототипу.

На фиг. 5 изображена схема соединения проводов спиральной катушки в заявляемом ВМГ.

Предлагается спиральный ВМГ (см. фиг. 3), содержащий коаксиальные внутренний проводник 1 с зарядом ВВ 2 и наружную спиральную катушку 3, состоящую из последовательно соединенных секций 4 с увеличивающимися в сторону нагрузки шагом намотки и числом заходов витков. Длина секции, отношение длины секции к диаметру витков и число витков любой предыдущей секции по отношению к последующей секции выполнены из соотношения их индуктивностей L_{преды дущ} = (2,1...2,3)L_{после дующ}. Спиральная катушка выполнена с отношением числа заходов в каждой последующей секции к числу заходов в предыдущей секции равным 2, а число заходов в секциях соответствует ряду геометрической прогрессии 1, 2, 4, 8... Отношение шага намотки витков в каждой последующей секции к шагу намотки витков в предыдущей секции равно (1,8... 2,2). Спиральная катушка дополнительно содержит предварительную однозаходную секцию, установленную перед первой секцией, с шагом намотки витков, равным шагу намотки витков в первой секции. Кроме того, спиральный ВМГ содержит индуктивную нагрузку 5, источник запитки 6, капсюль-детонатор 7 и замыкающий штырь 8. Индуктивность последней секции приблизительно равна индуктивности нагрузки. Диаметр витков спиральной катушки D_{спирали} в [см] выбирается из соотношения D_{спирали} = (0,6. ..1,2)I_max, где I_max - максимальный ток спирального ВМГ в [МА].

В примере конкретного выполнения спиральный ВМГ содержит коаксиальные внутренний проводник 1, изготовленный из медной трубы, с зарядом ВВ 2 и наружную спиральную катушку 3, выполненную из медной проволоки с пленочной изоляцией и состоящую из шести последовательно соединенных секций 4. Внутренний диаметр медной трубы равен 65 мм, а толщина ее стенки 6.5 мм. Спиральная катушка снаружи залита эпоксидным компаундом для обеспечения механической прочности. Внутренний диаметр спиральной катушки равен 160 мм.

Параметры секций спиральной катушки спирального ВМГ приведены в табл. 4 в качестве примера.

Например, в секции #4 длина секции равна 50 мм, отношение длины секции к диаметру витков спиральной катушки - 0.294, число витков - 0.883. В секции # 5 длина секции равна 70 мм, отношение длины секции к диаметру витков спиральной катушки - 0.438, число витков -0.625. Соотношение индуктивностей секций # 4 и #5 равно L₄ = 2.3L₅. Такое соотношение индуктивностей секций L_{преды дущ} ~ 2,3 L_{после дующ} справедливо для всех основных секций спиральной катушки. Число заходов в секциях ## 1, 2, 3, 4, 5, 6 соответственно равно 1, 2, 4, 8, 16, 32, что соответствует ряду геометрической прогрессии, а отношение числа заходов в каждой последующей секции к числу заходов в предыдущей секции равно 2. Отношение шага намотки витков в последующей секции к шагу намотки витков в предыдущей секции в секциях ## 1, 2, 3, 4, 5, 6 соответственно равно ~ 1.8, 2, 1.9, 2.1, 2.1. К выходу ВМГ подключена индуктивная нагрузка 5, изготовленная из алюминия. Индуктивность последней секции L₆ приблизительно равна индуктивности нагрузки: L₆ = 1.2 L_{нагр узки}. Спиральная катушка дополнительно содержит предварительную однозаходную секцию, установленную перед первой секцией, с шагом намотки витков 8 мм, равным шагу намотки витков в первой секции. На входе ВМГ установлена система инициирования 7, которая содержит электродетонатор и устройство для его подрыва.

В прототипе индуктивность спиральной катушки равна 37.7 мкГн. При начальном токе запитки 0.025 МА на выходе генератора получен конечный ток 8.2 МА в индуктивной нагрузке 25 нГн. Коэффициент усиления тока составил 328, а коэффициент усиления энергии - 71.34.

В предложенном ВМГ индуктивность спиральной катушки равна 51 мкГн. При начальном токе запитки 0.012 МА (т.е. ~ 1/2 от тока запитки прототипа) на выходе генератора получен конечный ток 7.12 МА в аналогичной индуктивной нагрузке 25 нГн. Коэффициент усиления тока составил 586, а коэффициент усиления энергии -172.6.

Таким образом, в предложенном ВМГ коэффициент усиления тока и энергии соответственно в 1.78 раза и 2.42 раза больше, чем в прототипе. Кроме того, при диаметре спиральной катушки ВМГ 160 мм ее длина в прототипе равна 800 мм, а в предложенном ВМГ - 540 мм.

Максимальный ток, который можно получить на выходе предложенного ВМГ, приблизительно равен 14 МА. Диаметр витков спиральной катушки D_{спирали} в [см] предложенного спирального ВМГ выбирается из соотношения: D_{спирали}=(0,6. . . 1,2)I_max, где I_max - максимальный ток спирального ВМГ в [МА]. При I_max = 14 МА соотношение принимает вид: D_{спирали} (16 см)=1.14 I_max (14 МА).

Для сравнения диаметр витков спиральной катушки прототипа примерно соответствует выражению: D_{спирали} = 2I_max, т.е. диаметр витков спиральной катушки прототипа существенно больше диаметра витков спиральной катушки предложенного ВМГ для получения одинаковых токов.

Описанный спиральный ВМГ работает следующим образом. После запитки спирального ВМГ начальным током от внешнего источника 6 в контуре ВМГ создается начальный магнитный поток. Затем срабатывают капсюль-детонатор 7 и заряд ВВ 2, который помещен в металлическую цилиндрическую трубу 1. Труба разлетается под действием продуктов взрыва в виде конуса и замыкается на штырь 8, соединенный со спиральной катушкой 3. С этого момента начинается процесс магнитной кумуляции: образовавшийся из внутреннего проводника конус равномерно перемещается вдоль оси спиральной катушки по виткам секций 4, сжимая магнитный поток в замкнутом контуре спирального ВМГ и вытесняя его в нагрузку 5. Индуктивность спиральной катушки уменьшается, а ток в контуре спирального ВМГ возрастает. Магнитная энергия в контуре ВМГ нарастает, причем каждая из основных секций увеличивает ток примерно в два раза.

Таким образом, предложенный спиральный ВМГ со спиральной катушкой, имеющей соотношение индуктивностей предыдущей и последующей секций в виде L_{предыдущ} = (2,1...2,3) L_{последующ}, а отношение шага намотки витков в каждой последующей секции к шагу намотки витков в предыдущей секции (кроме предварительной секции) равное 1,8...2,2, обеспечивает повышенную по сравнению с прототипом скорость вывода витков и соответственно повышенную скорость изменения индуктивности (dL/dt) в процессе работы ВМГ, за счет чего уменьшаются потери магнитного потока и увеличивается эффективность работы генератора.

Это устраняет недостаток прототипа.

Кроме того, такой спиральный ВМГ со спиральной катушкой, в которой отношение числа заходов в каждой последующей секции к числу заходов в предыдущей секции равно 2, число заходов в секциях соответствует ряду геометрической прогрессии 1,2,4,8. . . , имеет одинаковую плотность тока в разветвляющихся проводах спиральной катушки и в генераторе отсутствуют дополнительные омические потери по сравнению с прототипом.

Это устраняет другой недостаток прототипа.

Совокупность этих признаков увеличивает эффективность работы спирального ВМГ без увеличения его габаритов.

Источники информации:
1. J. W. Shearer, F.F. Abraham, C.M. Aplin, B.P. Benham, J.E. Faulkner. F. C. Ford, M.M. Hill, C.A. McDonald, W.H. Stephens, D.J. Steinberg and J.R. Wilson. Explosive-Driven Magnetic-Field Compression generators. Journal of Applied Physics. 1968. Volume 39, Number 4. P. 2102-2109.

2. Дж. П. Чокин, Х.Карлотти, М. Жестин, Дж. Кахен, Дж.Бюше, Дж. Ванпоперинж, О. Кадуш, А. Азра. М. Муйе, Г. Вернье, В.В. Авдошин, В.К. Чернышев, В. А. Иванов, С.В. Пак, А.Н. Скобелев, Г.И. Волков, Б.Т. Егорычев. Взрывной генератор высокой импульсной мощности для имплозии твердотельных лайнеров. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения. Труды Седьмой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Саров, 5-10 августа 1996 г. Под ред. В.К. Чернышева, В.Д. Селемира, Л.Н. Пляшкевича. 1997. Том 1, стр. 267-273.

Изобретение относится к области преобразования химической энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитную с осуществлением процесса магнитной кумуляции энергии, т.е. к взрывомагнитным генераторам (ВМГ). Техническим результатом данного изобретения является повышение коэффициента усиления тока и энергии без увеличения габаритов генератора. В спиральном ВМГ, содержащем коаксиальные внутренний проводник с зарядом ВВ и наружную спиральную катушку, состоящую из последовательно соединенных секций с увеличивающимися в сторону нагрузки шагом намотки и числом заходов витков, длина секции, отношение длины секции к диаметру витков и число витков любой предыдущей секции по отношению к последующей секции выполнены из соотношения их индуктивностей L_{предыдущ} = (2,1 - 2,3)L_{последующ}. Другими отличительными признаками данного генератора является отношение числа заходов в секциях спиральной катушки, число заходов в секциях, отношение шага намотки витков в секциях, соотношение индуктивности последней секции и индуктивности нагрузки, наличие предварительной однозаходной секции, установленной перед первой секцией, выбор диаметра витков спиральной катушки в зависимости от максимального тока спирального ВМГ. 5 з.п.ф-лы, 4 табл., 5 ил.

1. Взрывомагнитный генератор, содержащий коаксиальные внутренний проводник с зарядом ВВ и наружную спиральную катушку, состоящий из последовательно соединенных секций с увеличивающимися в сторону нагрузки шагом намотки и числом заходов витков, отличающийся тем, что длина секции, отношение длины секции к диаметру витков и число витков любой предыдущей секции по отношению к последующей секции выполнены из соотношения их индуктивностей L_{преды дущ.}=(2,1-2,3)L_{после дующ.}. 2. Взрывомагнитный генератор по п.1, отличающийся тем, что спиральная катушка выполнена с отношением числа заходов в каждой последующей секции к числу заходов в предыдущей секции равным 2, а число заходов в секциях соответствует ряду геометрической прогрессии 1, 2, 4, 8 ... . 3. Взрывомагнитный генератор по п.1, отличающийся тем, что отношение шага намотки витков в каждой последующей секции к шагу намотки витков в предыдущей секции равно 1,8-2,2. 4. Взрывомагнитный генератор по п.1, отличающийся тем, что последняя секция выполнена при условии равенства ее индуктивности нагрузки. 5. Взрывомагнитный генератор по п.1, отличающийся тем, что спиральная катушка дополнительно содержит предварительную однозаходную секцию, установленную перед первой секцией, с шагом намотки витков, равным шагу намотки витков в первой секции. 6. Взрывомагнитный генератор по п.1, отличающийся тем, что диаметр витков спиральной катушки D_{спирали} выбирают из соотношения
D_{спирали}=(0,6-1,2)I_max см,
где I_max - максимальный ток спирального ВМГ, мА.