КОАКСИАЛЬНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F41B6/00 

Изобретение относится к области электротехники и электрофизики, а именно к области электрических машин для перемещения твердого тела вдоль некоторой траектории, и может быть использовано в экспериментальной физике для гиперскоростного метания макротел.

Известен коаксиальный ускоритель (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 являются: низкая конечная скорость метаемого тела, низкий КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела, не более 4%, сложность устройства источника электропитания, низкий ресурс работы ускорителя, т.к. не предусмотрена возможность отсечки хвостовой части импульса тока после выхода плазмы и метаемого тела из ствола.

Наиболее близким к заявляемому ускорителю является выбранный нами за прототип коаксиальный ускоритель (патент РФ 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, который присоединен к одной клемме 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, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола.

Недостатками данного устройства являются низкие скорость метания и ресурс работы.

Основной технической задачей предложенного решения является увеличение скорости метаемого тела более чем на 10% за счет доиспользования энергии, остающейся после выхода из ствола метаемого тела, а также повышение ресурса работы основных элементов примерно в 2 раза за счет отсечки хвостовой части импульса тока.

Указанные технические задачи достигаются тем, что в коаксиальном ускорителе, 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, а цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода, а второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола. Согласно предложенному решению к срезу ствола прикреплен первый кольцевой изолятор, отделяющий первый кольцевой электрод от ствола, а к первому кольцевому электроду прикреплен второй кольцевой изолятор, отделяющий второй кольцевой электрод от первого кольцевого электрода, причем первый кольцевой электрод электрическим соединен с концом соленоида, удаленном от центрального электрода, а второй кольцевой электрод электрически соединен с центральным электродом.

Кроме того, ко второму кольцевому электроду целесообразно прикрепить вторую ступень ствола, а кольцевые изоляторы выполнить из термогазогенерирующего водородонасыщенного материала.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявляемого устройства, отсутствуют. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразования на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена схема коаксиального ускорителя, а на фиг.2, фиг.3 и фиг.4 - динамика его работы.

Устройство (фиг.1) состоит из цилиндрического токопроводящего ствола 1, центрального электрода 2, соединяющей их плавкой перемычки 3, соленоида 4, выполняющего роль индуктивного накопителя энергии, метаемого тела 5, изолятора 6, первого кольцевого изолятора 7, первого кольцевого электрода 8, второго кольцевого изолятора 9, второго кольцевого электрода 10, прикрепленной к нему второй ступени ствола 11 и контура электропитания с дополнительными электрическими соединениями, связывающими первый кольцевой электрод 8 с концом соленоида 4, удаленном от центрального электрода 2, и второй кольцевой электрод 10 с центральным электродом 2.

Работа устройства заключается в следующем. При замыкании ключа К в контуре электропитания начинает протекать ток i₁ от первичного накопителя энергии, например конденсатора С, как показано стрелками на фиг.1. При достижении нарастающим током i₁ некоторого уровня плавкая перемычка 3 перегорает с образованием сильноточного дугового разряда. При этом в зазоре между метаемым телом 5 и изолятором 6 резко возрастает давление, сообщающее начальный импульс метаемому телу 5 и приводя его в движение. Дуговой разряд сжимается магнитным полем собственного тока i₂ и приобретает грибообразную форму, как показано на фиг.2. Сильноточный разряд типа Z-пинч ускоренно углубляется в канал ствола 1 под действием на плазменную перемычку 13 пандероматорной (электромагнитной) силы.

Длительную стабилизацию устойчивого состояния токонесущей плазменной структуры обеспечивает дополнительное внешнее магнитное поле, создаваемое рабочим током, протекающем по соленоиду 4. Далее, по прохождении донной части метаемого тела 5 границы между первым кольцевым изолятором 7 и первым кольцевым электродом 8, идущая следом плазма разряда перекрывает промежуток между срезом ствола 1 и первым кольцевым электродом 8, и между ними возникает дополнительный дуговой разряд 14 с током i₃, как показано на фиг. 3, который шунтирует соленоид 4. Ток i₃ равен алгебраической сумме токов - разряда индуктора и первичного источника (С). Регистрация этого тока в участке цепи, соединяющем первый кольцевой электрод 8 с концом соленоида 4, удаленном от центрального электрода 2, даст момент t₁ прохождения метаемым телом 5 известного расстояния от начала ствола 2 до начала первого кольцевого электрода 8. Кроме того, область диссипации энергии приближается к метаемому телу 5, а абляция и термическое разложение материала первого кольцевого изолятора 7 обеспечивает образование газообразных продуктов, насыщенных водородом, расширение которых приводит к доускорению метаемого тела 5. Уменьшение тока в основном разряде снижает термические, электродинамические и механические нагрузки на элемент ускорителя.

При прохождении донной части метаемого тела 5 границы между вторым кольцевым изолятором 9 и вторым кольцевым электродом 10, идущая следом плазма перекрывает промежуток между первым кольцевым электродом 8 и вторым кольцевым электродом 10, и между ними возникает второй дополнительный дуговой разряд 15 с током i₄ (фиг.4), параметры импульса которого в основном обусловлены существующими на данный момент энергетическими параметрами первичного накопителя, например, остаточным напряжением на конденсаторе С. Также, как и на предыдущем этапе работы, регистрация тока в участке цепи, соединяющем второй кольцевой электрод 10 с центральным электродом 2, дает момент времени t₂ прохождения метаемым телом 5 второго известного расстояния от начала ствола 1 до начала второго кольцевого электрода 10. По известной суммарной ширине первого кольцевого электрода и второго кольцевого изолятора 9 и известному интервалу времени t_1,2 = t₂-t₁ определяется средняя скорость тела на этом участке. При возникновении разряда 15 область диссипации энергии вновь приближается к метаемому телу 5 с проявлением электротермического эффекта и доускорением метаемого тела. Кроме того, при этом основные элементы ускорителя полностью обесточиваются, исходный дуговой разряд погаснет, а остающаяся энергия выделяется не на основных элементах ускорителя бесполезно, а между кольцевыми электродами 8 и 10, и используются на доускорение. Если избыточная энергия первичного накопителя достаточно велика, то целесообразно использовать вторую ступень ствола 11 для повышения эффективности использования остающейся энергии.

Сравнительные испытания предложенного устройства проведены в следующих условиях:
- емкость батареи конденсаторов 48•10^-3 Ф;
- зарядное напряжение 1,75 кВ;
- индуктивность разрядного контура 1,04•10^-6 Гн;
- индуктивность соленоида 0,6•10^-6 Гн;
- длина соленоида 100 мм;
- калибр канала ствола 17 мм;
- масса метаемого тела 3,5 г.

Выстрелы производились в атмосферных условиях.

Скорость тела измерялась на трассе, на удалении 1 м от среза ствола контактными датчиками. На ускорителе-прототипе с оптимальной длиной ствола 350 мм получена скорость 1,6 км/с. На ускорителе-прототипе с длиной ствола 450 мм получена скорость 1,63 км/с.

На предложенном ускорителе с длиной основного ствола 1 (фиг.1) 350 мм и дополнительным каналом длиной 100 мм, состоящим из набора кольцевых изоляторов 7, 9, кольцевых электродов 8,9 получена скорость 1,8 км/с.

Предложенное техническое решение позволило повысить скорость более чем на 10%. При этом существенно уменьшилась эрозия и деформация основного ствола, центрального электрода, узла его крепления и индуктора, что позволило увеличить ресурс работы ускорителя примерно в 2 раза.

Изобретение относится к области электромеханики и электрофизики, а именно к области электрических машин для перемещения твердого тела вдоль некоторой траектории, и может быть использовано в экспериментальной физике и ускорительной технике для гиперскоростного метания макротел. Технический результат - повышение скорости метаемого тела и повышение ресурса работы основных элементов. Ускоритель состоит из цилиндрического токопроводящего ствола, центрального электрода, соединяющих их плавкой перемычки, соленоида, метаемого тела, изолятора, первого кольцевого изолятора, первого кольцевого электрода, второго кольцевого изолятора, второго кольцевого электрода. Ускоритель также содержит контур электропитания с электрическими соединениями, связывающими первый кольцевой электрод с концом соленоида, удаленным от центрального электрода, и второй кольцевой электрод с центральным электродом. 1 з.п. ф-лы, 4 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, а цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленного от центрального электрода, а второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, отличающийся тем, что к срезу ствола прикреплен первый кольцевой изолятор, отделяющий первый кольцевой электрод от ствола, а к первому кольцевому электроду прикреплен второй кольцевой изолятор, отделяющий второй кольцевой электрод от первого кольцевого электрода, причем первый кольцевой электрод электрически соединен с концом соленоида, удаленного от центрального электрода, а второй кольцевой электрод электрически соединен с центральным электродом. 2. Коаксиальный ускоритель по п. 1, отличающийся тем, что ко второму кольцевому электроду прикреплена вторая ступень ствола, а кольцевые изоляторы выполнены из термогазогенерирующего водородонасыщенного материала.