ДИСКОВЫЙ СЕКТОРНЫЙ ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СБОРКИ Российский патент 2007 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к области магнитной кумуляции энергии, где сжатие магнитного потока осуществляется с помощью ударной волны взрывчатого вещества (ВВ). Электромагнитная энергия, полученная таким путем, может быть использована для исследований по физике плазмы, разгона пластин и оболочек до высоких скоростей и т.п.

Известен "Быстродействующий дисковый взрывомагнитный генератор" М.С.Протасов и др. Труды третьей международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. " Сверхсильные магнитные поля. Москва, " Наука", 1984 г., стр.26-28. Данный взрывомагнитный генератор /ВМГ/ имеет форму коаксиала, внутренний проводник которого, имеющий гофрированную форму, образован набором пластин в форме дисков с центральным отверстием, которые соединены между собой специальными кольцами поочередно на наружном и внутреннем радиусах. Внутренняя полость внутреннего проводника заполнена ВВ с инициатором в центре. Недостатков у этого генератора два. Во-первых, мультимегаамперный ток сразу течет по такой гофрированной форме внутреннего проводника в течение всего времени работы, в том числе и при запитке генератора. В результате этого требуются сложные, прочные и трудоемкие контактные соединения. Во-вторых, сильное магнитное давление, достигающее поверхностной плотности тока ˜МА/см. При этом 50 тысяч атмосфер воздействует через проводящую стенку на взрывчатое вещество, расположенное во внутренней полости гофрированного проводника, а из-за большой величины давления ухудшаются детонационные свойства ВВ. Это приводит к неустойчивой работе ВМГ при большой плотности тока.

Наиболее близким к заявляемому генератору является " Взрывомагнитный генератор" авторов Л.Н.Пляшкевича и др., авторское свидетельство 1090226, Кл. МПК H02N 11/00, БИ №17, 99 г. Взрывомагнитный генератор содержит, по меньшей мере, одну кассету, которая состоит из деформируемой проводящей оболочки с дисковым зарядом взрывчатого вещества. Кассеты установлены на центральном проводнике и расположены между двумя торцевыми проводящими пластинами. При этом, проводящие стенки кассеты изолированы воздушным зазором от центрального проводника, в полости которого расположен цилиндрический заряд ВВ с системой инициирования. Обратный токопровод установлен в периферийной части генератора. Устройство по прототипу является бессиловым генератором. При введении начального потока магнитное поле проникает как в рабочую деформируемую полость генератора, так и внутрь части заряда ВВ. При этом давление на деформируемые диски уравновешивается, и на ВВ магнитное давление при создании магнитного потока не передается. В отличие от аналога детонационные свойства ВВ не ухудшаются. Недостатком прототипа является недостаточная степень надежности, связанная с тем, что деформируемая проводящая оболочка каждой из кассет состоит из нескольких элементов (дисковых пластин, соединенных на наружном радиусе проводящим кольцом), контактные соединения при амплитуде генерируемого тока в несколько десятков миллионов ампер становиться неустойчивыми и могут нарушаться. Наличие сильноточных контактных соединений также усложняет конструкцию ВМГ. Кроме того, низка электрическая прочность изоляции генератора. Конструкция ВМГ неоптимизированна для того, чтобы можно было использовать пленочную изоляцию, которая обладает наибольшей электрической прочностью при условии, если она выполняется из целых кусков, т.е. если не возникает стыков между отдельными кусками пленочной изоляции.

Наиболее близким способом изготовления и сборки заявляемого генератора является способ, описанный в работе "Быстродействующий дисковый взрывомагнитный генератор". М.С.Протасов и др. Труды третьей международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. "Сверхсильные магнитные поля. Москва, " Наука", 1984 г., стр.26-28.

Способ изготовления и сборки взрывомагнитного генератора по прототипу включает изготовление, по меньшей мере, одной кассеты, установку кассет на центральном цилиндрическом проводнике между торцевыми токопроводящими пластинами и укладку пленочной изоляции. При изготовлении дисковых зарядов ВВ, установке зарядов между проводящими стенками кассет, соединении проводящих стенок кассет кольцами на наружном радиусе осуществляют контакт осторожной опрессовкой деталей, так как находятся вблизи ВВ и поэтому применение сварки или прессовки с большим усилием недопустимо по технике безопасности. Затем изготавливают высоковольтный изолятор, например из пленки, но со склеиванием участков пленки на переходах от цилиндрического участка к дисковому участку, натягивают изготовленный изолятор на набор дисковых кассет, установленных по оси друг за другом. Завершается сборка генератора установкой поверх изолятора трубчатого обратного токопровода, который соединяет генератор на одном торце с источником начального магнитного потока, а на другом - с нагрузкой.

Недостатком данного способа является то, что при операции соединения проводящих стенок кассет кольцами на наружном радиусе применение сварки или прессовки с большим усилием недопустимо по технике безопасности из-за близкого расположения зарядов ВВ к местам соединения деталей. Осторожная опрессовка проводящих деталей проводится вручную, что усложняет изготовление генератора. Кроме того, изготовление изолятора со склеиванием участков пленки на переходах от цилиндрического участка к дисковому участку также является весьма трудоемкой операцией. А наличие склеиваемых стыков снижает надежность изолятора и электрическую прочность изолятора в целом.

При создании данного изобретения основной задачей являлось создание простой конструкции дискового ВМГ и способа его изготовления и сборки, позволяющего снизить трудоемкость и стоимость дискового ВМГ.

Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение надежности, упрощение конструкции ВМГ, повышение электропрочности изоляции, а также упрощение и удешевление технологии изготовления и сборки дискового ВМГ.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным генератором, который содержит, по меньшей мере, одну кассету, состоящую из проводящей деформируемой оболочки с дисковым зарядом взрывчатого вещества, и которые установлены на центральном проводнике с цилиндрическим зарядом взрывчатого вещества и системой инициирования, и расположенные между двумя торцевыми проводящими пластинами, обратный токопровод, установленный в периферийной части, в заявляемом генераторе проводящая оболочка дискового заряда в каждой кассете выполнена составной в виде набора фрагментов П-образной формы из токопроводящего тонколистового материала. Обратный токопровод выполнен в виде набора параллельных пластин в количестве по числу фрагментов деформируемой проводящей оболочки в кассете, которые установлены с промежутками относительно друг друга, а пленочная изоляция между ними выполнена в гофрированной форме.

Указанный технический результат достигается также тем, что по сравнению с известным способом изготовления и сборки дискового секторного ВМГ, включающим изготовление по, меньшей мере, одной кассеты, установку кассет на центральном цилиндрическом проводнике между торцевыми токопроводящими пластинами и укладку пленочной изоляции в заявляемом способе при изготовлении кассет в дисковую форму устанавливают дисковый с Т-образным сечением опорный элемент. Далее заливают в форму жидкое ВВ, охлаждают его. При этом вырезают развертки фрагментов оболочки из тонколистового проводящего материала, изгибают их до П-образной формы и разомкнутыми на внутреннем радиусе частями надевают на дисковый заряд ВВ, образуя составную оболочку заряда. Устанавливают кассеты с изолированными прокладками между ними на центральный проводник, а пленочный изолятор в виде круглого полотна с центральным отверстием укладывают с выходного торца генератора с заведением на наружную поверхность кассет. Затем укладывают пластины обратного токопровода, а образующиеся складки изолятора заводят в зазоры между пластинами обратного токопровода и закрывают конструкцию защитным чехлом снаружи.

То что проводящая оболочка дискового заряда в каждой кассете выполнена составной в виде набора фрагментов П-образной формы из тонколистового токопроводящего материала, которые разомкнутой на внутреннем радиусе частью надеты на дисковый заряд ВВ, образуя составную проводящую оболочку заряда, это обеспечивает то, что усиливаемый до нескольких десятков мегаампер ток протекает по проводящей оболочке кассеты, не встречая контактных соединений. Действительно, линии стыка используемых фрагментов расположены в радиальном направлении, т.е. вдоль линий протекания тока. Поэтому контактные соединения, препятствующие протеканию сверхсильного тока в кассетах, отсутствуют. Это повышает надежность и стабильность работы взрывомагнитного генератора. Кроме того, отсутствие контактных соединений по направлению протекания тока позволяет выполнять проводящие фрагменты кассеты из весьма тонкого листового материала, толщина которого лишь ненамного превышает глубину скин-слоя протекания тока, определяемого выражением

где δ - глубина скин-слоя (эффективная толщина слоя на поверхности проводника, по которому протекает ток), μ - постоянная магнитной проницаемости вакуума, ρ - удельное сопротивление проводника, τ - эффективное время деформации контура дискового ВМГ взрывом ВВ. Из приведенного выражения видно, что толщина листового материала для проводящих фрагментов кассет достаточна 0,6 мм для выполнения фрагментов из меди или 1 мм для выполнения фрагментов из алюминия. Это примерно в два раза меньше, чем в прототипе, что позволяет экономить материал, а также облегчает требования для штампов и удешевляет технологический процесс изготовления фрагментов П-образной формы. Выполнение обратного токопровода в виде набора параллельных пластин, установленных с промежутками относительно друг друга, позволяет изготовить высоковольтный изолятор ВМГ из единого круглого полотна пленки. При установке пленочного изолятора в зазор между дисковыми кассетами и пластинами обратного токопровода, начиная с торца генератора, образующиеся складки пленочного изолятора выводятся в промежутки между пластинами обратного токопровода. Так как электропрочность многослойных пленочных изоляторов значительно выше, чем точеных или литых изоляторов с толщиной, равной суммарной толщине пленочной, то это повышает электрическую прочность цепи ВМГ и увеличивает надежность его работы. Важно также то, что параллельные пластины обратного токопровода имеют свободу для некоторого радиального перемещения. Это позволяет сдавить слои многопленочного изолятора и за счет этого максимально эффективно использовать зазор для размещения пленочной изоляции. То, что при изготовлении дисковых зарядов используются опорные элементы Т-образной формы из инертного материала (например, металла), устанавливаемого в заливочную форму, это позволяет использовать для дисковых зарядов ВВ самые дешевые взрывчатые составы, например тротил. Так как такие составы не имеют механической прочности, наличие в заряде опорного элемента из инертного материала обеспечивает его опору на центральном проводнике.

На фиг.1 изображен заявляемый дисковый секторный ВМГ.

На фиг.2 изображено поперечное сечение А-А дискового секторного ВМГ.

На фиг.3 показана развертка заготовки для изготовления секторного фрагмента проводящей оболочки дисковой кассеты.

На фиг.1, 2, 3 обозначены:

1 - проводящая кассета;

2 - дисковый заряд взрывчатого вещества кассеты;

3 - центральный цилиндрический проводник;

4 - цилиндрический заряд ВВ;

5 - система инициирования заряда ВВ по оси в виде цепочки электродетонаторов;

6 - торцевые проводящие пластины;

7 - обратный токопровод;

8 - пленочная изоляция между дисковыми кассетами 1 и обратным токопроводом 7;

9 - опорный элемент кассеты Т- образного сечения;

10 - нагрузка;

11 - источник запитки начальным магнитным потоком;

12 - электродетонаторы для замыкания входной торцевой проводящей пластины 6 с обратным токопроводом 7;

13 - разрядник;

14 - развертка фрагмента оболочки заряда для кассеты, при изгибе приобретающая П-образную форму.

Дисковый секторный ВМГ содержит по, меньшей мере, одну дисковую кассету 1, каждая из которых содержит проводящую оболочку 14 и дисковый заряд 2. Дисковые кассеты 1 установлены последовательно друг за другом на центральном проводнике 3 на опорных элементах 9 Т-образного сечения из инертного материала. Проводящая оболочка дискового заряда в каждой кассете выполнена составной в виде набора фрагментов 14 П-образной формы из листа меди или алюминия толщиной 0.5-1 мм, что соответствует глубине проникновения импульсного тока (скин-слою) в проводящие стенки. Проводящие оболочки дисковых кассет на внутреннем радиусе разомкнуты. Дисковые кассеты разделены друг от друга промежутками с диэлектрическими прокладками (на чертеже прокладки в промежутках не показаны, чтобы не загромождать чертеж). Центральный проводник 3 содержит цилиндрический заряд ВВ 4 с цепочкой электродетонаторов 5 для его инициирования по оси одновременно на всей длине. Через торцевые проводящие пластины 6 и обратный токопровод 7 ВМГ соединен на одном конце с источником начального магнитного потока 11 через разрядник 13, а на другом - с нагрузкой 10. Обратный токопровод 7 выполнен, как показано на фиг.2, в виде набора параллельных пластин по числу фрагментов проводящей оболочки 1 дисковых кассет. Параллельные пластины 7 установлены с промежутками вдоль оси ВМГ. Это позволило выполнить высоковольтный фигурный изолятор 8, отделяющий обратный токопровод 7 от дисковых кассет 1, из целостного пленочного диэлектрического материала с единственным отверстием для вывода тока в нагрузку. Образующиеся складки при перегибании пленочного изолятора с торцевой части ВМГ на цилиндрическую часть позволило вывести в промежутки между пластинами 7 обратного токопровода. Отметим, что промежутки между пластинами 7 обратного токопровода направлены вдоль направления тока и поэтому не ухудшают условия для прохождения тока. Электродетонаторы 12 установлены над торцевой пластиной 6 ВМГ. Они служат для перемыкания источника 11 запитки ВМГ начальным магнитным потоком, чтобы генерируемая энергия не возвращалась к источнику 11, а передавалась полностью к нагрузке 10.

Способ изготовления и сборки дискового секторного ВМГ начинается с изготовления дисковых кассет 1. При изготовлении дисковых кассет вначале изготавливаются заряды 2 из взрывчатого состава тротил с гексогеном, температура плавления которого составляет 82°С. При изготовлении заряда вначале в заливочную форму устанавливают дисковый опорный элемент 9 Т-образного сечения из инертного материала, например из стали. Затем заливают в форму расплавленный взрывчатый состав. После охлаждения взрывчатое вещество застывает, а Т-образный опорный элемент 9 обеспечивает зарядам 2 необходимую прочность и опору кассете. Затем из листовой меди или алюминия толщиной 0,5...1 мм вырезают развертки секторных фрагментов и изгибают их до П-образной формы. Затем надевают секторные фрагменты 14 на дисковый заряд 2 со стороны наружного радиуса и фиксируют их на заряде 2 клеем. Секторные фрагменты 14 на внутреннем радиусе остаются нормально разомкнутыми. Следующей операцией является установка собранных кассет 1 на центральный проводник 3, отделяя кассеты друг от друга изолирующими прокладками (например, из картона) толщиной 1...2 мм. Затем из полиэтиленовой пленки вырезают заготовки в виде, по меньшей мере, одного круглого полотна с центральным отверстием для проводника нагрузки и надевают, начиная с выходного на нагрузку торца ВМГ с последующим загибанием свободных участков пленки на цилиндрическую поверхность кассет. Для усиления электрической прочности можно использовать пакет вырезанных пленок общей толщиной порядка 1,5 мм. Отметим, что электропрочность такого многопленочного изолятора 8 достаточно велика и составляет порядка 300 кВ.

Завершают сборку ВМГ установкой поверх изолятора 8 параллельных пластин 7 обратного токопровода, присоединяя их на одном конце к источнику 11 начального магнитного потока, а на другом - к нагрузке 10. Образующиеся складки пленочного изолятора 8 выпускают в промежутки между параллельными пластинами 7 и закрывают конструкцию защитным чехлом снаружи.

Работает заявляемый генератор следующим образом.

Вначале происходит разряд источника 11 начального магнитного потока, и происходит запитка электрического контура ВМГ начальным магнитным потоком. В качестве источника 11 начального магнитного потока удобно использовать батарею конденсаторов. При разряде источника 11 ток в контуре ВМГ протекает по центральному проводнику 3, затем по нагрузке 10 и возвращается к источнику 11 по пластинам обратного токопровода 7. Отметим, что, поскольку проводящие оболочки 14 кассет 1 на внутреннем радиусе разомкнуты, то ток по оболочкам 14 кассет на стадии запитки не проходит и давление магнитного поля на проводящие оболочки и на заряды ВВ в кассетах не действует. В максимуме разрядного тока от источника питания 11 происходит одновременный подрыв электродетонаторов 12 на входной проводящей пластине 6 и цепочки детонаторов 5 в цилиндрическом заряде 4. Взрыв электродетонаторов 12 осуществляет замыкание входной проводящей пластины 6 с пластинами 7 обратного токопровода. После этого цепь ВМГ оказывается соединенной через торцевые пластины 6 только на полезную нагрузку 10. Взрыв цепочки детонаторов 5 инициирует взрыв цилиндрического заряда 4, взрывом которого осуществляется радиальное расширение стенок центрального проводника 3. Расширяющиеся стенки центрального проводника 3 замыкают оболочки дисковых кассет со стороны внутреннего радиуса и ударом возбуждают детонацию дисковых зарядов 2 одновременно во всех дисковых кассетах.

Детонация по дисковым зарядам 2 распространяется радиально со скоростью детонации порядка 8 км/с, а стенки провидящих оболочек дисковых кассет под действием взрыва дисковых зарядов 2 разлетаются конусообразно навстречу друг другу. Динамическая точка встречи стенок перемещается в направлении увеличения радиуса, то есть к обратному токопроводу. При этом стенки одновременно всех дисковых кассет быстро вытесняют магнитный поток в нагрузку.

При вытеснении магнитного потока стенки кассет производят работу против магнитного потока, в результате чего магнитная энергия в контуре и, как следствие, ток быстро увеличиваются и по пластинам обратного токопровода передаются в полезную нагрузку 10.

Примером реализации заявляемой конструкции генератора является разработка модели предлагаемого ВМГ с десятью кассетами диаметром 200мм с общей длиной 400 мм. Такой относительно небольшой генератор при токе запитки от источника начального потока 4 миллиона ампер усиливает ток в 9,5 раз и создает импульс тока амплитудой 35 миллионов ампер в полезной нагрузке с индуктивностью 5 нГн.

Примером реализации заявляемого способа является изготовление и сборка модели с кассетами диаметром 200 мм. Изготовление дисковых кассет с проводящими оболочками в виде набора секторных фрагментов П-образной формы, изготавливаемых из непрерывных фрагментов тонкого толщиной 1 мм алюминиевого листа, оказывается существенно проще, чем в прототипе, так как операция выполнения сильноточных контактов отсутствует. Также является простой по сравнению с прототипом операция изготовления высоковольтного изолятора из изолирующей пленки, так как за счет вывода образующихся складок в промежутки между параллельными пластинами обратного токопровода обеспечивается возможность изготовления высоковольтного изолятора из непрерывных полотен пленки. Непрерывность проводящих оболочек в кассетах и изготовление изолятора из непрерывного полотна пленки повышает надежность работы ВМГ.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое изобретение позволяет упростить конструкцию ВМГ, повысить электропрочность изоляции, уменьшить трудоемкость процесса его изготовления и повысить надежность работы генератора в целом.

Изобретение относиться к области импульсной техники, в частности к области магнитной кумуляции энергии, где сжатие магнитного потока осуществляется с помощью ударной волны взрывчатого вещества (ВВ). В заявляемом генераторе проводящая оболочка дискового заряда в каждой кассете выполнена составной в виде набора фрагментов П-образной формы из токопроводящего тонколистового материала. Обратный токопровод выполнен в виде набора параллельных пластин в количестве по числу фрагментов деформируемой проводящей оболочки в кассете, установленых с промежутками относительно друг друга, а пленочная изоляция между ними выполнена в гофрированной форме. Кроме того, в заявляемом способе при изготовлении кассет в дисковую форму устанавливают дисковый с Т-образным сечением опорный элемент. Далее заливают в форму жидкое ВВ и охлаждают его. При этом вырезают развертки фрагментов оболочки из тонколистового проводящего материала, изгибают их до П-образной формы и разомкнутыми на внутреннем радиусе частями надевают на дисковый заряд ВВ, образуя составную оболочку заряда. Далее устанавливают кассеты с изолированными прокладками между ними на центральный проводник, а пленочный изолятор в виде круглого полотна с центральным отверстием укладывают с выходного торца генератора с заведением на наружную поверхность кассет. Затем укладывают пластины обратного токопровода, а образующиеся складки изолятора заводят в зазоры между пластинами обратного токопровода и закрывают конструкцию защитным чехлом снаружи. Техническим результатом при решении данной задачи является увеличение надежности, упрощение конструкции ВМГ, повышение электропрочности изоляции, а также упрощение и удешевление технологии изготовления и сборки дискового взрывомагнитного генератора. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Дисковый секторный взрывомагнитный генератор, содержащий, по меньшей мере, одну кассету, состоящую из деформируемой проводящей оболочки с дисковым зарядом взрывчатого вещества, установленную на центральном проводнике с цилиндрическим зарядом взрывчатого вещества и системой инициирования и расположенную между двумя торцевыми проводящими пластинами, обратный токопровод, установленный в периферийной части генератора, отличающийся тем, что оболочка дискового заряда в каждой кассете выполнена составной в виде набора фрагментов П-образной формы из тонколистового токопроводящего материала.2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что обратный токопровод выполнен в виде набора параллельных пластин в количестве по числу фрагментов кассет деформируемой проводящей оболочки в кассете, установленных с промежутками относительно друг друга, а пленочная изоляция между ними выполнена в гофрированной форме.3. Способ изготовления и сборки дискового секторного взрывомагнитного генератора, включающий изготовление, по меньшей мере, одной кассеты, установку кассет на центральном цилиндрическом проводнике между торцевыми токопроводящими пластинами и укладку пленочной изоляции, отличающийся тем, что при изготовлении кассет в дисковую форму устанавливают дисковый с Т-образным сечением опорный элемент и заливают взрывчатое вещество, охлаждают его, при этом вырезают развертки фрагментов оболочки из тонколистового проводящего материала, изгибают их до П-образной формы и разомкнутыми на внутреннем радиусе частями надевают на дисковый заряд взрывчатого вещества, образуя составную оболочку заряда, далее устанавливают кассеты с изолированными прокладками между ними на центральный проводник.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что пленочный изолятор в виде круглого полотна с отверстием для подвода нагрузки укладывают с выходного торца генератора с заведением на наружную поверхность кассет, затем укладывают пластины обратного токопровода, а образующиеся складки изолятора заводят в зазоры между пластинами обратного токопровода и далее закрывают конструкцию защитным чехлом снаружи.