ВЗРЫВНОЙ МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2002 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к преобразователям химической энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электрическую энергию, основанным на сжатии магнитного потока, конкретнее к магнитокумулятивным (МКГ) (взрывомагнитным) (ВМГ) генераторам, и может быть использовано в экспериментальной физике как автономные импульсные источники тока.

Известен взрывной автономный генератор, кратко описанный в Сборнике научных трудов к 80-летию со дня рождения академика Ю.Б.Харитона ("Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики", отв. редактор академик А.П.Александров), где на стр.240, рис.17,д представлена коаксиальная ячеистая схема усиления магнитного потока. Источником начального магнитного потока для нее является шинный МКГ (рис.17,е). Контур сжатия магнитного потока шинного МКГ, включающий в себя две диаметрально расположенные шины и центральный цилиндрический лайнер с зарядом ВВ, расположен в зазоре двух плоских постоянных магнитов. С одной стороны шины соединены с лайнером, с другой стороны шины плавно переходят в коаксиал и далее в ячеистую конструкцию. Лайнер у них общий. Поле постоянных магнитов направлено перпендикулярно оси конструкции. Магнитная цепь включает в себя два постоянных магнита и два воздушных зазора. При подрыве заряда ВВ со стороны шинного генератора цилиндрический лайнер под действием продуктов взрыва ускоряется в зазорах постоянных магнитов, вытесняя и сжимая магнитный поток в коаксиал и далее в ячеистую конструкцию. Недостатком этого генератора является наличие больших потоков рассеяния постоянных магнитов за пределами контура сжатия, что приводит к снижению начального магнитного потока в рабочих зазорах, а также низкий коэффициент усиления энергии шинного МКГ.

Наиболее близким к заявляемому устройству является взрывной магнитокумулятивный генератор по а.с. 794699 авторов А.И.Павловского и др. "Взрывомагнитный генератор", кл. Н 02 N 11/00, опубликованный в БИ 1, 1981 г.

Генератор по прототипу содержит по меньшей мере две полости сжатия магнитного потока, ограниченные двумя осесимметричными плоскими электродами, между которыми установлены два токопроводящих диска с зарядом ВВ между ними, средства инициирования заряда ВВ, а также источник начальной энергии и нагрузку. Источником начальной энергии является конденсаторная батарея или другой взрывной магнитокумулятивный генератор. Средством инициирования дискового заряда ВВ является капсюль детонатора, установленный с торца стержневого заряда, соединенного с дисковым зарядом на оси устройства. Нагрузка расположена в периферийной части, т.е. со стороны максимального диаметра дисков, а токоподвод от источника начальной энергии осуществляется в центральной осевой части. Под действием продуктов взрыва заряда ВВ диски растягиваются и подлетают к плоским электродам (также дисковым), создавая замкнутый контур с током. Продолжая двигаться по мере распространения детонации по ВВ, диски деформируют полость сжатия, последовательно вытесняя магнитный поток в тороидальную нагрузку.

Недостатком прототипа является ограничение области использования, т.к. он не является автономным, а запитывается от громоздких конденсаторных батарей или другого взрывного генератора, который в свою очередь связан с конденсаторной батареей. При создании данного изобретения решалась задача создания автономного источника, конструктивно решенная для дискового взрывного магнитокумулятивного генератора.

Техническим результатом при решении данной задачи является расширение области применения, снижение весогабаритных характеристик и увеличение коэффициента усиления энергии.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с прототипом - взрывным магнитокумулятивным генератором, содержащим по меньшей мере две полости сжатия магнитного потока, ограниченные двумя осесимметричными плоскими электродами, между которыми установлены два токопроводящих диска с зарядом ВВ между ними, средства инициирования заряда ВВ, источник начальной энергии и нагрузку, новым является то, что источник начальной энергии выполнен из четырех кольцевых постоянных магнитов разного диаметра, попарно расположенных один в другом снаружи по обе стороны полостей сжатия. Полюса магнитов направлены в разные стороны, у внутренних (центральных) магнитов в одну сторону, а у наружных в другую. Кольцевые магниты внутренней боковой поверхностью примыкают к электродам, которые выполнены в виде плоских спиралей на диэлектрической подложке. Расстояние d между противоположными магнитами, высота h наружного магнита по радиусу, толщина δ заряда ВВ связаны соотношением 3δ≤d≤2h.
Генератор содержит две магнитные цепи, каждая из которых включает в себя два кольцевых магнита, расположенных один в другом, магнитопровод и воздушный зазор, т.е. полость, в которой осуществляется сжатие магнитного потока. Упомянутые две пары кольцевых магнитов создают два магнитных потока, которые направлены таким образом, что в полости сжатия происходит концентрация суммарного потока. Часть магнитного потока в полости, занятой зарядом взрывчатого вещества с токопроводящими дисками, не участвует в процессе кумуляции и, таким образом, теряется для генерации энергии. Для снижения этих потерь потока толщина δ заряда ВВ должна быть минимально необходимой. Расстояние d между противоположными магнитами выбирается таким образом, чтобы полости сжатия были в три раза больше полости, занятой зарядом ВВ. С другой стороны, при d>2h растут поля рассеяния постоянных магнитов и габариты устройства. Высота h по радиусу наружного магнита определяется из условия примерного равенства объемов кольцевых магнитов (внутреннего и наружного) и заданным размерам внутреннего кольцевого магнита. Плоская спираль обращена в сторону полостей сжатия, а диэлектрическая подложка примыкает к боковой поверхности кольцевых магнитов без зазоров.

На чертеже изображен заявляемый взрывной магнитокумулятивный генератор. Взрывной магнитокумулятивный генератор содержит по меньшей мере две полости сжатия 3 и 4 магнитного потока, ограниченные плоскими электродами 1 и 6, между которыми установлены два токопроводящих диска 2 и 5 с зарядом 9 взрывчатого вещества между ними, средства инициирования 13 и 14 заряда ВВ, нагрузку 10. Источник начальной энергии выполнен из четырех кольцевых постоянных магнитов 7, 8, 11 и 12 разного диаметра, попарно расположенных один в другом снаружи по обе стороны полостей 3 и 4 сжатия магнитного потока. Полюса магнитов S и N направлены в разные стороны. У внутренних (центральных) магнитов 8 и 12 полюса направлены в одну сторону, а у наружных магнитов 11 и 7 полюса направлены в другую сторону. Кольцевые магниты 7, 8, 11 и 12 внутренней боковой поверхностью примыкают к плоским электродам 1 и 6, которые выполнены в виде плоских спиралей на диэлектрической подложке. С внешней боковой поверхности кольцевые магниты соединены магнитопроводами 15 и 16. Плоские спирали обращены в сторону полостей сжатия 3 и 4. Расстояние d между противоположными магнитами 8 и 12, а также 7 и 11; высота h наружных кольцевых магнитов 7 и 11 по радиусу и толщина δ заряда 9 взрывчатого вещества связаны соотношением 3δ≤d≤2h.
В примере конкретного выполнения взрывного магнитокумулятивного генератора использовались кольцевые оксиднобариевые магниты марки 22БА-220. Эти магниты имеют относительно высокие магнитные характеристики и для их изготовления используется дешевое сырье. Внутренние кольцевые магниты имеют наружный диаметр 60 мм, внутренний 25 мм, наружные магниты соответственно 80 мм и 60 мм. Высота наружного магнита по радиусу h=(80-60)/2=10 мм. В качестве арматуры используются кольца из стали 10 толщиной 3-4 мм, диаметрами ≈80/25. Заряд взрывчатого вещества из продукта П-84, толщиной δ≈4 мм, наружным диаметром ≈130 мм, массой ≈90 г. При h=10 мм, δ≈4 мм, d=20 мм соотношение 3δ≤d≤2h выполняется (12 мм<d=20 мм). Радиальное магнитное поле постоянных магнитов в воздушном зазоре (полости сжатия) составляет 70 мТ. Токопроводящие диски с обеих сторон заряда ВВ толщиной ≈0,5 мм из меди, наружным диаметром 130 мм. Спираль двухзаходная, на лавсановой подложке t≈0,5 мм, изготавливается методом травления. В периферийной части оканчивается четырьмя одновитковыми соленоидами внутренним диаметром 18 мм и длиной 70 мм. В центральной части спираль оканчивается контактным конусом на диэлектрическом вкладыше (пенопласт) с осевым отверстием диаметром 4-6 мм для системы инициирования, выполненной в виде капсюля детонатора и цилиндрического прутка из ВВ. Наличие подобного прутка с другой стороны дискового заряда необходимо для передачи детонации следующему каскаду усиления.

Работает заявляемый взрывной магнитокумулятивный генератор следующим образом. После инициирования заряда 9 ВВ с помощью средств инициирования 13 и 14 фронт детонации распространяется по дисковому заряду 9. Давление продуктов взрыва ускоряет диски 2 и 5, которые подлетают к началу плоских спиральных проводников 1 и 6 и, продолжая двигаться в направлении от их центра к периферии, вытесняют магнитный поток постоянных магнитов 7, 8, 11, 12 из полостей сжатия 3 и 4 в полость нагрузки 10. При изменении магнитного потока во времени в витках плоских спиральных проводников 1 и 6 наводится ЭДС индукции, под действием которой течет ток в контурах, образующих полости сжатия магнитного потока 3 и 4. По мере вытеснения и сжатия магнитного потока в нагрузку происходит усиление индукционного тока и энергии магнитного поля.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый взрывной магнитокумулятивный генератор позволяет расширить область его применения, например в случае использования генератора в полигонных условиях в отсутствие стационарных источников электрической энергии. Кроме того, резко сокращается время приведения генератора в действие, так как для его пуска требуется только подрыв одного детонатора. Заявляемый магнитокумулятивный генератор не требует громоздких конденсаторных батарей начального тока с сопутствующими зарядными устройствами, коммутаторами, схемами синхронизации и контроля, которые удлиняют процесс готовности устройства к работе.

Изобретение относится к преобразователям химической энергии взрывчатого вещества в электрическую, основанным на сжатии магнитного потока, и может быть использовано в экспериментальной физике как автономный импульсный источник тока. Техническим результатом является расширение области применения, снижение весогабаритных характеристик и увеличение коэффициента усиления энергии. Источник начальной энергии выполнен из четырех кольцевых постоянных магнитов разного диаметра, попарно расположенных один в другом снаружи по обе стороны полостей сжатия. Полюса магнитов направлены в разные стороны: у внутренних магнитов в одну сторону, а у наружных в другую. Кольцевые магниты внутренней боковой поверхностью примыкают к плоским электродам, выполненным в виде плоских спиралей на диэлектрической подложке. Расстояние d между противоположными магнитами, высота h по радиусу наружных магнитов, толщина δ заряда ВВ связаны соотношением 3δ≤d≤2h. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Взрывной магнитокумулятивный генератор, содержащий по меньшей мере две полости сжатия магнитного потока, ограниченные двумя осесимметричными плоскими электродами, между которыми установлены два токопроводящих диска с зарядом взрывчатого вещества между ними и средствами инициирования, источник начальной энергии и нагрузку, отличающийся тем, что источник начальной энергии выполнен из четырех кольцевых постоянных магнитов разного диаметра, попарно расположенных один в другом снаружи по обе стороны полостей сжатия, полюса магнитов направлены в разные стороны, причем у внутренних магнитов в одну сторону, а у наружных в другую, кроме того, кольцевые магниты внутренней боковой поверхностью примыкают к плоским электродам, выполненным в виде плоских спиралей на диэлектрической подложке. 2. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п. 1, отличающийся тем, что расстояние d между противоположными магнитами, высота h наружного магнита по радиусу и толщина δ заряда взрывчатого вещества связаны соотношением 3δ≤d≤2h.