ВЗРЫВНОЙ ПЬЕЗОГЕНЕРАТОР Российский патент 2005 года по МПК H02N2/18 H01L41/113 

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике 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 (патент US №3589294).

В отличие от импульсных генераторов многоразового действия, принцип работы которых основан на предварительном запасании энергии на 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 ударнонагружаемого пьезоэлектрического преобразователя. Генерирование электрического импульса в нагрузке генератора происходит после взрыва содержащегося в генераторе ударной волны взрывчатого вещества (ВВ) 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 (патент SU №1119564), содержащий плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь в виде набора прямоугольных пьезопластин с максимальной величиной остаточной поляризации, установленных вплотную одна к другой гранями с электродами, параллельными направлению распространения ударной волны и соединенными электрически параллельно.

Взрывной пьезогенератор работает следующим образом. При срабатывании средства инициирования (электродетонатора) в вершине конического слоя взрывчатого вещества возбуждается детонация. Под действием скользящей детонации в слое ВВ 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 этой конструкции взрывного пьезогенератора является то, что в случае использования его в схеме с RLC-нагрузкой, для сохранения уровня надежности, в конечном счете, приходится увеличивать его габаритно-массовые характеристики, поскольку такой взрывной пьезогенератор генерирует импульс тока П-образной формы, а в нагрузке с индуктивной составляющей формируется импульс тока, изменяющийся во времени по синусоидальному закону. Возникающие в результате этого излишки заряда накапливаются на собственной емкости взрывного пьезогенератора и заряжают ее до напряжения, величина которого может превысить электрическую прочность системы "генератор+нагрузка". Для того чтобы этого не случилось, приходится искусственно увеличивать емкость системы "генератор+нагрузка" за счет введения в схему дополнительного конденсатора, размеры которого превышают размеры самого взрывного пьезогенератора.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в сохранении уровня надежности взрывного пьезогенератора при уменьшении габаритно-массовых характеристик в случае его работы на RLC-нагрузку, т.е. нагрузку с индуктивной составляющей.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в стабилизации напряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора с RLC-нагрузкой, в результате чего отпадает необходимость в увеличении емкости системы "генератор+нагрузка" за счет дополнительного конденсатора, что снижает габаритно-массовые характеристики.

Указанный результат достигается тем, что во взрывном пьезогенераторе, содержащем плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде набора прямоугольных пьезопластин с максимальной величиной остаточной поляризации, установленных вплотную одна к другой гранями с электродами, параллельными направлению распространения ударной волны и соединенными электрически параллельно, новым является то, что полярность включения, по крайней мере, одной пьезопластины противоположна полярности включения других пьезопластин, у которых однополярные электроды соединены между собой.

При ударном нагружении пьезокерамики в ее объеме будет возбуждаться электрическое поле. При достижении напряженности поля значения Е=Е_с, где Е_с - напряженность коэрцитивного электрического поля, в пьезопластине, полярность включения которой противоположна, будет протекать процесс переключения поляризации и поглощение избыточного электрического заряда, выделяемого другими пьезопластинами. Это автоматически позволяет поддерживать постоянной величину напряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора:

V₀=Е_сx₀, (1)

где х₀ - расстояние между электродами пьезопластин. В результате отпадает необходимость в дополнительном конденсаторе, что уменьшает габаритно-массовые характеристики взрывного пьезогенератора.

Подбирая пьезокерамические составы, характеризующиеся значениями Е_с, меньшими величины электрической прочности Е_пр, т.е. Е_с<Е_пр, можно реализовать режим работы взрывного пьезогенератора с требуемым уровнем надежности.

Необходимые расчетные соотношения для определения геометрических размеров пьезопластин могут быть получены следующим образом.

Исходя из условия постоянства напряжения V₀ на выходных клеммах взрывного пьезогенератора, можно найти выражение для тока I(t) в RLC-нагрузке генератора как решение уравнения

Решение уравнения (2) при начальных условиях: I(0)=0, следующее выражение для тока в нагрузке:

Найдем соотношения, позволяющие рассчитать размеры пьезопластин: расстояние между электродами х_о, суммарную длину y_Σ0, высоту z_o, а также у_хо - длину пьезопластины, полярность включения которой противоположна.

Интегрируя ток, протекающий в RLC-нагрузке в интервале времени от начала работы генератора t=0 до момента окончания его работы, t=T, можно рассчитать заряд Q(T), перетекший в цепи взрывного пьезогенератора:

С другой стороны, Q(T)=(y_Σ0-2у_xo)z₀P_r, тогда получим:

Учитывая, что к моменту окончания работы генератора, t=T, ток в RLC-нагрузке достигает своего максимального значения I(Т), можно рассчитать размер y_Σ0:

Зная скорость U ударной волны в ПК, можно рассчитать высоту пьезопластин:

С помощью соотношения (1) находится выражение для расчета толщины пьезопластин:

Подставляя (6) в (5), получим:

Таким образом, задавая параметры RLC-нагрузки, величину рабочего напряжения V₀ на выходных клеммах взрывного пьезогенератора и параметры пьезокерамического состава Е_c, Р_r и U, можно рассчитать размеры пьезокерамического рабочего тела генератора: х₀, у_Σ0, у_xo, z_o и ток I(t) в нагрузке генератора.

На фиг.1 показан взрывной пьезогенератор. Изображение прямоугольной пьезопластины представлено на фиг.2.

Взрывной пьезогенератор (см. фиг.1) содержит плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь.

Плосковолновой генератор ударной волны представляет собой аксиально-симметричную конструкцию и состоит из конусообразных крышки 2, лайнера 4, слоя пластического ВВ 3, размещенного между крышкой 2 и лайнером 4, и электродетонатора 1. За счет выбора угла в вершине конического лайнера 4 при заданных толщинах лайнера, слоя ВВ 3 и крышки генератора ударной волны 2 обеспечивается одновременный удар лайнера по торцевой поверхности пьезоэлектрического преобразователя.

Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой, в общем случае, набор из прямоугольных пьезопластин 5, 10, находящихся в корпусе 8 и залитых электроизоляционным материалом 7, например эпоксидным компаундом. Пьезопластины 5, 10 характеризуются максимальной величиной остаточной поляризации Р_r, установлены вплотную друг к другу гранями с электродами 6, параллельными направлению распространения ударной волны. Пьезопластины 5, 10 электрически соединены между собой параллельно. При этом однополярные электроды пьезопластин 5 соединены между собой (векторы остаточной поляризации Р_r в этих пьезопластинах антипараллельны). Полярность включения пьезопластины 10 противоположна полярности включения пьезопластин 5 (вектор остаточной поляризации параллелен векторам остаточной поляризации примыкающих пьезопластин). К выходным клеммам 9 взрывного пьезогенератора подключена RLC-нагрузка.

Взрывной пьезогенератор работает следующим образом. Электродетонатор 1 возбуждает детонацию в вершине конического слоя ВВ 3. В результате скользящей детонации ВВ лайнер 4 разгоняется продуктами взрыва. При ударе лайнера 4 по торцевой поверхности пьезоэлектрического преобразователя в нем возбуждается ударная волна, распространяющаяся параллельно электродам 6 пьезопластин 5, 10. В объеме пьезопластин 5, 10 возбуждается электрическое поле и при достижении им значения Е=Е_с в пьезопластине 10, полярность включения которой противоположна полярности включения пьезопластин 5, будет протекать процесс переключения поляризации и поглощение избыточного электрического заряда, выделяемого пьезопластинами 5. В результате в RLC-нагрузке, подключенной к выходным клеммам генератора 9, формируется импульс электрического тока при V₀=const.

В качестве примера практического применения полученных расчетных соотношений приведем расчет взрывного пьезогенератора, обеспечивающего запитку индуктивной нагрузки (L-нагрузки) при постоянном напряжении Vo, т.е. взрывного пьезогенератора с линейной токовой характеристикой.

В этом случае уравнение (2) и его решение (3) примут следующий вид:

Геометрические размеры пьезопластин 5,10 взрывного пьезогенератора могут быть найдены с помощью следующих расчетных соотношений:

Источники информации

1. Патент США №3589294, кл.102-70.2А, опубликовано в 1971 г.

2. Взрывной пьезогенератор. Патент РФ №1119564, МПК Н OIL 41/08, Н 02 N 11/00, опубликовано в БИ №8, 1997 г.

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в качестве исполнительного механизма в системах однократного действия. Взрывной пьезогенератор содержит плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь. Пьезопреобразователь выполнен в виде набора прямоугольных пьезопластин с максимальной величиной остаточной поляризации. Пьезопластины установлены вплотную одна к другой гранями с электродами, параллельными направлению распространения ударной волны, и соединены электрически параллельно. Полярность включения, по крайней мере, одной пьезопластины противоположна полярности включения других пьезопластин, у которых однополярные электроды соединены между собой. Технический результат заключается в стабилизации напряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора с RLC-нагрузкой и в снижении его габаритно-массовых характеристик. 2 ил.

Взрывной пьезогенератор, содержащий плосковолновой генератор ударной волны и пьезоэлектрический преобразователь, выполненный в виде набора прямоугольных пьезопластин с максимальной величиной остаточной поляризации, установленных вплотную одна к другой гранями с электродами, параллельными направлению распространения ударной волны и соединенными электрически параллельно, отличающийся тем, что полярность включения, по крайней мере, одной пьезопластины противоположна полярности включения других пьезопластин, у которых однополярные электроды соединены между собой.