СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ИМПУЛЬСА В ИНДУКТИВНОЙ НАГРУЗКЕ ВЗРЫВНОГО ПЬЕЗОГЕНЕРАТОРА Российский патент 2011 года по МПК H02N2/18 F42B5/18 

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в системах однократного действия.

Известен взрывной пьезогенератор (Патент РФ №1119564, МКИ H01L 41/08, H02N 11/00, опубликовано в БИ №8, 1997 г.), в котором реализован способ генерирования электрического импульса, заключающийся в нагружении ударной волной пьезоэлектрического преобразователя и преобразовании энергии ударной волны (УВ) в электрическую энергию. Генерирование электрического импульса происходит после взрыва содержащегося в генераторе ударной волны взрывчатого вещества при прохождении фронта плоской ударной волны по пьезопреобразователю. При этом в омической нагрузке, подключенной к выходным клеммам взрывного пьезогенератора, являющегося генератором тока, формируется импульс электрического тока П-образной формы.

Недостатком этого способа генерирования электрического импульса является то, что в случае использования его в схеме с индуктивной (L) нагрузкой на зажимах пьезопреобразователя возникает перенапряжение из-за того, что пьезопреобразователь генерирует импульс тока П-образной формы, а на индуктивности формируется импульс тока, изменяющийся во времени по синусоидальному закону. Возникающие в результате этого излишки заряда накапливаются на собственной емкости пьезопреобразователя и заряжают ее до напряжения, величина которого может превысить электрическую прочность системы "пьезопреобразователь + нагрузка". Чтобы этого избежать, приходится искусственно увеличивать емкость системы "пьезопреобразователь + нагрузка" за счет увеличения высоты самого пьезопреобразователя или за счет введения в схему дополнительного конденсатора, размеры которого могут превышать размеры самого взрывного пьезогенератора, т.е. увеличивать габаритно-массовые характеристики.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ генерирования электрического импульса, реализованный во взрывном пьезогенераторе (Патент №2154888, МПК7 H02N 2/18, H01L 41/113, F42C 11/02, опубликовано в БИ №23, 2000 г.). Известный способ заключается в том, что пьезоэлектрический преобразователь нагружается расходящейся клиновидной ударной волной, которая формируется генератором ударной волны, выполненным в виде монолитного тела с зарядом взрывчатого вещества в виде слоя и примыкающего к нему линейного заряда, перпендикулярного электродам пьезопластин и инициируемого одновременно по всей длине. При этом фронт ударной волны перпендикулярен электродам пьезопластин и распространяется в направлении OZ со скоростью U, а в направлениях OY и O(-Y) - со скоростью детонации D взрывчатого вещества, содержащегося во взрывном пьезогенераторе. Пьезопреобразователь генерирует импульс тока с линейно нарастающей амплитудой тока и в L-нагрузке взрывного пьезогенератора формируется электрический импульс с регулируемой крутизной нарастания тока , за счет чего достигается снижение напряжения на выходных клеммах взрывного пьезогенератора, .

Недостатком такого генератора является то, что при достижении ударной волной краев пьезопластины длиной y₀ в направлениях OY, O(-Y) в момент времени генерируемый ток достигает своего максимального значения I_макс и перестает расти, тогда и , т.е. пьезопреобразователь перестает вырабатывать энергию и завершает свою работу. При этом в пьезопластинах пьезопреобразователя, имеющих прямоугольную форму, образуется балластный объем, расположенный перед фронтом ударной волны, не участвующий в процессе генерации электрической энергии из-за клиновидной формы ударной волны.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании способа генерирования электрического импульса, в L-нагрузке взрывного пьезогенератора, с увеличенной эффективностью.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в возможности генерирования электрического импульса с максимальной амплитудой тока при сохранении величины допустимого напряжения на L-нагрузке генератора и уменьшении объема пьезопреобразователя (в 2 раза по сравнению с прототипом).

Это достигается тем, что в способе генерирования электрического импульса в L-нагрузке взрывного пьезогенератора, включающем формируемое при детонации взрывчатого вещества ударное нагружение пьезоэлектрического преобразователя, выполненного в виде, по крайней мере, одной пьезопластины с электродами на противоположных гранях, расходящейся клиновидной ударной волной, фронт которой перпендикулярен электродам, и преобразование энергии ударной волны в электрический импульс, новым является то, что пьезоэлектрический преобразователь дополнительно нагружают встречной сходящейся клиновидной ударной волной, фронт которой перпендикулярен электродам, с разницей во времени Δt между началами первого и дополнительного нагружений пьезоэлектрического преобразователя, которую выбирают из условия:

где y₀ - длина пьезопластины; D - скорость детонации взрывчатого вещества.

Техническая сущность заявляемого способа генерирования электрического импульса состоит в том, что пьезопреобразователь нагружается дополнительно встречной сходящейся клиновидной ударной волной, которая включается в тот момент времени t=Δt, когда первая, расходящаяся клиновидная ударная волна, распространяющаяся вдоль направлений OY и O(-Y) со скоростью детонации D, достигает при t=Δt=y₀/2D краев пьезопластин(ы). В этот момент ток, генерируемый в результате нагружения первой ударной волной, перестает расти, становится постоянным (I₀=const) и дальнейший рост амплитуды тока генератора с той же скоростью нарастания обеспечивается за счет дополнительного нагружения пьезопреобразователя встречной сходящейся клиновидной ударной волной. В результате к моменту T=2Δt=y₀/D, когда обе клиновидные ударные волны встречаются и генератор завершает работу, балластный объем пьезопреобразователя сводится к нулю, амплитуда тока достигает своего максимального значения I_макс=2I₀ при сохранении неизменной величины допустимого напряжения,

Объем заявляемого пьезопреобразователя, состоящего из одной пьезопластины, при длине пьезопластины y₀=2D·Δt, высоте пьезопластины - z₀=2U·Δt и расстоянии между электродами x₀, составляет:

Если формировать импульс тока пьезопреобразователя той же амплитуды 2I₀ на основе прототипа, то это значение тока может быть реализовано при увеличении вдвое длины пьезопластины, y_{0пpoтoтип}=2y₀=4D·Δt. Тогда время работы пьезопреобразователя составит величину

т.е. Т_{прототип}=Т.

Объем такого пьезопреобразователя, состоящего из одной пьезопластины при том же размере x₀, определится как:

где высота пьезопластины равна z_{0прототип}=U·Т_{прототип}=2U·Δt. Тогда объем преобразователя на основе технического решения прототипа составит:

т.е. в 2 раза больше, чем объем у заявляемого (см. (2)). Следовательно, при сохранении амплитуды генерируемого тока I_макс=2I₀ объем пьезопреобразователя уменьшается в 2 раза по сравнению с прототипом.

Заявляемый способ генерирования электрического импульса поясняется с помощью:

- фиг.1, на которой схематично изображен взрывной пьезогенератор с L-нагрузкой;

- фиг.2, фиг.3, фиг.4, на которых схематично изображено расположение клиновидных ударных волн в пьезопреобразователе для моментов времени t<Δt, t>Δt и в момент завершения работы пьезопреобразователя, Т=2Δt, соответственно;

Заявляемый способ генерированиия электрического импульса заключается в следующем. При детонации взрывчатого вещества в генераторе 1 ударной волны, фиг.1, в момент времени t=0 в пьезопреобразователе, состоящем, по крайней мере, из одной пьезопластины 2 и окружающего ее электроизоляционного компаунда 3, размещенных в корпусе 4, формируется расходящаяся клиновидная УВ1, фиг.2 (например, как в прототипе). Ее фронт перпендикулярен электродам 5 пьезопластины 2, а направление распространения фронта, указанное стрелкой, параллельно направлению OZ и, соответственно, электродам. Ударная волна в направлении OZ распространяется со скоростью U, а в направлениях OY и O(-Y) - со скоростью детонации D взрывчатого вещества. В результате преобразования энергии ударной волны в электрическую в объеме пьезопреобразователя на выходных зажимах 6 формируется импульс тока. В момент времени t=y₀/2D, когда расходящаяся клиновидная ударная волна достигает краев пьезопластины в направлениях OY и O(-Y), а амплитуда тока - значения I₀, включается ударное нагружение пьезопреобразователя сходящейся клиновидной УВ2, фиг.3, которая формируется генератором 7 ударной волны. Сходящаяся клиновидная УВ2 образована двумя косыми ударными волнами, фронты которых параллельны соответствующим фронтам расходящейся УВ1 и перпендикулярны электродам 5 пьезопластины 2. Сходящаяся клиновидная УВ2 распространяется в направлениях OY, O(-Y) и O(-Z) с теми же скоростями, что и расходящаяся клиновидная УВ1. Работа пьезопреобразователя завершается в момент T=2Δt при столкновении двух клиновидных волн, фиг.4. При этом максимальное значение тока пьезопреобразователя составит величину 2I₀.

Проведенные лабораторные исследования подтвердили, что предлагаемый способ генерирования электрического импульса позволяет создать взрывной пьезогенератор, у которого максимальное значение тока может быть реализовано при уменьшении объема пьезопреобразователя в 2 раза при сохранении неизменной величины допустимого напряжения в L-нагрузке.

Изобретение относится к сильноточной импульсной технике и может быть использовано в системах однократного действия. Способ генерирования электрического импульса в индуктивной нагрузке взрывного пьезогенератора включает ударное нагружение расходящейся клиновидной ударной волной пьезоэлектрического преобразователя, в котором происходит преобразование энергии ударной волны в электрическую энергию. Ударное нагружение формируется при детонации взрывчатого вещества. Пьезопреобразователь выполнен, по крайней мере, из одной пьезопластины с электродами на противоположных гранях. Фронт ударной волны перпендикулярен электродам пьезопластины. Далее пьезопреобразователь дополнительно нагружается встречной сходящейся клиновидной ударной волной с разницей во времени Δt между началами первого и дополнительного нагружений пьезоэлектрического преобразователя, которую выбирают из условия: Δt=y₀/2D, где у₀ - длина пьезопластины; D - скорость детонации взрывчатого вещества. Технический результат - возможность генерирования электрического импульса с максимальной амплитудой тока при сохранении величины допустимого напряжения на индуктивной нагрузке генератора и уменьшении объема пьезопреобразователя. 4 ил.

Способ генерирования электрического импульса в индуктивной нагрузке взрывного пьезогенератора, включающий формируемое при детонации взрывчатого вещества ударное нагружение пьезоэлектрического преобразователя, выполненного в виде, по крайней мере, одной пьезопластины с электродами на противоположных гранях, расходящейся клиновидной ударной волной, фронт которой перпендикулярен электродам, и преобразование энергии ударной волны в электрический импульс, отличающийся тем, что пьезоэлектрический преобразователь дополнительно нагружают встречной сходящейся клиновидной ударной волной, фронт которой перпендикулярен электродам, с разницей во времени Δt между началами первого и дополнительного нагружений пьезоэлектрического преобразователя, которую выбирают из условия
Δt=y₀/2D,
где у₀ - длина пьезопластины;
D - скорость детонации взрывчатого вещества.