ВЗРЫВНОЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2011 года по МПК H01H39/00 

Изобретение предназначено для размыкания сильноточных электрических цепей взрывомагнитных генераторов (ВМГ) и формирования мощных импульсов тока мультимегаамперного диапазона с малым временем нарастания в системах питания плазмодинамических нагрузок (устройств с «плазменным фокусом», магнитоплазменных компрессоров), высокоскоростных лайнеров, ускорителей релятивистских электронов и т.п.

Известен взрывной размыкатель тока (V.K.Chernyshev. Superpower Explosive Magnetic Energy Sources (XX-th Century Results. Tasks in the Beginnung of XXI-st Century) // In: Megagauss X / Ed. By M. Von Ortenberg. - Berlin, Germany. - 2005. - P.17-28), содержащий разрушаемый проводник, по разные стороны от которого расположены заряд взрывчатого вещества (ВВ) и ребристая преграда.

По проводнику протекает ток. При детонации заряда ВВ ударная волна и продукты взрыва воздействуют одновременно на всю поверхность проводника. Части проводника, расположенные над пазами преграды, перемещаются быстрее частей, расположенных на ребрах. На границах «ребро-паз» сначала происходит утоньшение проводника, а затем - его многократное разрушение в этих местах.

Недостатком устройства является то, что под действием продуктов взрыва, разгоняющих разрушаемый проводник, ребра преграды так же, как проводник, подвергаются пластической деформации. Ребра преграды из диэлектрика деформируются как в направлении действия продуктов взрыва, так и в поперечном направлении. Поперечное газодинамическое течение материала ребер приводит к тому, что в некоторый момент после начала воздействия заряда ВВ пазы преграды перемыкаются растекающимся материалом ребер, препятствуя движению проводника в пазах и его разрушению. Это приводит к увеличению времени размыкания электрической цепи или к отсутствию размыкания.

Наиболее близким к заявляемому устройству является «Взрывной размыкатель» (В.В.Вахрушев, Г.И.Волков, В.А.Иванов, В.К.Чернышев. / Авторское свидетельство СССР №580766, опублик. Бюл.№23 1999 г., Н01Н 39/00), в которой устранен недостаток, присущий аналогу.

Устройство по прототипу содержит разрушаемый проводник, по разные стороны от которого расположены заряд взрывчатого вещества и ребристая преграда с металлическими упорами на каждом ребре, обращенными к проводнику. По проводнику протекает ток. В качестве разрушаемого проводника используются металлические пластины. Толщина пластин зависит от плотности тока, протекающего через проводник, а толщина упоров существенно больше толщины разрушаемого проводника.

При детонации заряда ВВ участки разрушаемого проводника, расположенные над пазами преграды, перемещаются быстрее частей, опирающихся на металлические упоры, расположенные на ребрах. Выполнение упоров из металла уменьшает величину деформации и газодинамического течения материала упоров и ребер как в направлении воздействия продуктов детонации, так и в поперечном направлении. Это препятствует перемыканию пазов и дает возможность разгонять участки проводника в пазах до высокой скорости. На начальном этапе ускорения в пазах преграды разрушаемый проводник скользит по металлическим упорам. Разрыв контура начинается после вылета разрушаемого проводника за границу поверхности между упорами и ребрами. С этого момента целостность электрической цепи обеспечивается перемычками из растянутого проводника между упорами и ускоренными участками проводника внутри пазов преграды. Разрыв электрического контура в устройстве по прототипу обусловлен двумя взаимосвязанными физическими процессами. С одной стороны, под действием продуктов детонации происходит растяжение разрушаемого проводника на границах между ребрами и пазами и его последующий механический разрыв в пазах преграды за пределами упоров. С другой - при многократном локальном уменьшении сечения разрушаемого проводника на границах «ребро-паз» происходит быстрый разогрев этих зон под действием протекающего тока, в результате чего наступает электрический взрыв проводника. В устройстве по прототипу быстродействие размыкателя лучше по отношению к аналогу.

Недостатками устройства по прототипу являются большая длительность размыкания контура и потери электромагнитной энергии при размыкании, ведущие к уменьшению мощности формируемого импульса тока. Кроме того, из-за сложности конструкции трудоемкость изготовления устройства по прототипу, а следовательно, и его стоимость очень высоки.

Большая длительность размыкания контура обусловлена применением металлических пластин в качестве разрушаемого проводника. Толстые пластины имеют большую массу. Поэтому для размыкания электрического контура требуется значительное время на разгон массивных пластин в пазах преграды до высокой скорости.

Потери электромагнитной энергии при размыкании обусловлены конструкцией устройства. В состав потерь энергии входит индуктивная составляющая L_rI² /2, где L_r - индуктивность размыкателя, I - величина тока через размыкатель после разрыва контура. Чтобы обеспечить в прототипе достаточное удаление разгоняемых участков массивных пластин от участков, расположенных на упорах, приходится применять преграду с глубокими пазами, т.е. увеличивать габариты размыкателя. Это приводит к увеличению индуктивности L_r и, соответственно, потерь электромагнитной энергии, определяемых значением L_rI²/2.

Мощность импульса тока, формируемого взрывным размыкателем, пропорциональна энергии, переданной в нагрузку, и обратно пропорциональна времени коммутации энергии. Так как в устройстве по прототипу энергия в нагрузке уменьшается из-за потерь энергии в размыкателе, а время размыкания контура увеличивается, то уровень мощности импульса, формируемого устройством, имеет низкое значение.

Сложность конструкции устройства по прототипу определяется тем, что упоры необходимо устанавливать без смещения относительно ребер преграды. Как правило, во взрывных размыкателях ширина ребер составляет ~1-2 мм. Для обеспечения электрического контакта между пластинами и упорами во время разгона пластин толщина упоров должна быть существенно больше толщины пластин. Отсюда видно, что уже при толщине пластин ~1 мм, массивные металлические упоры имеют очень малую площадь опоры на ребра преграды. Даже в размыкателях плоской конфигурации трудно обеспечить точную и устойчивую установку таких упоров на ребрах. Еще сложнее это осуществить в размыкателях более сложной конфигурации, например в размыкателях с ребристой преградой цилиндрической формы. Кроме того, при изготовлении, хранении и эксплуатации ребристых преград с упорами возникают трудности в обеспечении их целостности из-за различия материалов по коэффициентам температурного расширения и пластической деформации.

Высокая стоимость размыкателей по прототипу определяется сложностью их конструкции и технологии изготовления.

При создании настоящего изобретения решалась задача разработки быстродействующего взрывного размыкателя тока для коммутации электрических цепей мощных взрывомагнитных генераторов на внешние нагрузки, применяемые в физике высоких плотностей энергии: плазмодинамические генераторы, высокоэнергетичные лайнеры, устройства с плотным «плазменным фокусом» и др.

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в уменьшении времени размыкания контура ВМГ (повышении быстродействия размыкателя), сокращении величины энергии, рассеиваемой в размыкателе, увеличении мощности формируемого импульса тока, в упрощении конструкции и снижении стоимости изготовления устройства.

По сравнению с известным устройством, содержащим разрушаемый проводник и расположенные по разные стороны от него заряд взрывчатого вещества и упоры, прилегающие к разрушаемому проводнику, указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве:

- разрушаемый проводник выполнен в виде фольги;

- упоры выполнены в виде периодической структуры с шагом b = (d+S), причем выполняются соотношения d≤S≤2,5d и h≤d, где d - ширина упора, S - расстояние между соседними упорами, h - толщина упора;

- упоры выполнены из материала с акустической жесткостью >3,2 Бар·с·м^-1:

- упоры установлены на подложке, выполненной из диэлектрического материала с плотностью 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³;

- толщина подложки Н удовлетворяет условию 2h≤Н≤4h;

- разрушаемый проводник может быть выполнен из медной или алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,5 мм;

- упоры могут быть выполнены из круглого провода диаметром, равным d, при этом d=h;

- упоры могут быть выполнены в виде соленоида с шагом намотки b=(d+S):

- упоры могут быть облицованы пленочным изолятором толщиной δ≤0,1 d;

- зазоры между упорами, проводником и подложкой могут быть заполнены электропрочным газом под давлением.

- разрушаемый проводник выполнен в виде фольги

Размыкание электрического контура во взрывном размыкателе происходит за счет ускорения под действием продуктов детонации участков проводника в зазорах между упорами и их смещения относительно участков проводника, опирающихся на упоры. Для повышения быстродействия размыкателя необходимо уменьшать массу разрушаемого проводника так, чтобы его участки, разгоняемые продуктами детонации заряда взрывчатого вещества в зазорах между упорами, могли набрать максимальную скорость за возможно короткое время. Этому условию удовлетворяют проводники, изготавливаемые из тонкой фольги. Применение в качестве разрушаемого проводника фольги промышленного производства не только обеспечивает уменьшение времени размыкания электрического контура, но и позволяет создать простое по конструкции и технологичное по изготовлению устройство, обладающее низкой стоимостью.

- упоры выполнены в виде периодической структуры с шагом b=(d+S), причем выполняются соотношения d≤S≤2,5d и h≤d, где d - ширина упора, S - расстояние между соседними упорами, h - толщина упора

От корректного выбора размеров упоров и величины зазоров между ними зависит эффективность работы размыкателя. Для различных режимов, определяемых плотностью протекающего тока, требованиями к параметрам формируемых импульсов напряжения и тока, требованиями к габаритам устройства и др., существуют свои оптимальные геометрические размеры упоров (ширина d и толщина h) и зазоров (расстояние между соседними упорами S), при которых время размыкания электрического контура имеет минимальное значение. Конструктивно совокупность упора и зазора во взрывном размыкателе представляет собой одну размыкающую ячейку. Оптимизация размеров размыкающей ячейки обеспечивается расчетным и (или) экспериментальным методами. Наиболее эффективен, а также прост по конструкции и технологии изготовления взрывной размыкатель, в котором применяются одинаковые, оптимизированные по размерам h, d и S, размыкающие ячейки. Это означает, что во взрывном размыкателе упоры должны выполняться в виде периодической структуры, равномерно распределенной по длине устройства с шагом b=(d+S).

Чем больше размыкающих ячеек из упоров и зазоров применяется для разрушения проводника в размыкателе заданной длины, тем больше величина вводимого сопротивления, выше напряжение и мощность устройства. Однако количество таких ячеек не может быть бесконечно большим за счет уменьшения размеров d и S, так как на размеры упоров и зазоров существуют ограничения.

Результаты расчетов и экспериментов показывают, что минимально возможная ширина упоров составляет 1 мм. При меньшем значении d упор превращается в своего рода нож, на котором, в результате смещения проводника под действием магнитного поля, происходит многократное утоньшение и увеличение сопротивления разрушаемого проводника еще до начала работы взрывного размыкателя. Это снижает эффективность работы источника тока и ведет к увеличению времени размыкания электрического контура.

Ограничение минимальной величины зазоров значением S>d обосновывается результатами расчетов газодинамического течения материалов при ударно-волновом воздействии продуктов взрыва. При ширине зазоров S, меньшей, чем минимально возможная ширина упоров d_min=1 мм, даже для упоров из материалов с высокой акустической жесткостью, например вольфрама, происходит «захлопывание» зазоров еще до окончания разрушения проводника, т.е. размыкание контура не происходит.

Ограничение максимальной величины зазоров значением S≤2,5d обеспечивает оптимальное использование длины размыкателя. При выполнении этого условия на единице длины размыкателя размещается наибольшее количество размыкающих ячеек. В размыкателе заданной длины это приводит к получению максимальной величины вводимого сопротивления, повышению напряжения и мощности устройства.

Ограничение толщины упоров значением h≤d обусловлено необходимостью обеспечения целостности электрической цепи в течение времени, пока проводник, пролетая сквозь зазор, набирает максимальную скорость. Результаты расчетов газодинамического течения материалов под воздействием продуктов детонации заряда ВВ показывают, что разгон разрушаемого проводника (фольги) в зазорах до максимальной скорости происходит за время, пока проводник проходит расстояние, сопоставимое с величиной d. Таким образом, выполнение соотношения h<d является достаточным условием для уменьшения времени размыкания электрического контура. Кроме того, выполнение этого условия направлено на минимизацию габаритов размыкателя, в результате чего уменьшается величина собственной индуктивности размыкателя, т.е. снижаются связанные с нею потери энергии, и повышается мощность формируемого импульса тока.

- упоры выполнены из материала с акустической жесткостью >3,2 бар·с·м^-1

Рациональный выбор материала упоров имеет большое значение для повышения быстродействия размыкателя. Механическое разрушение проводника в размыкателе происходит в результате разности скоростей движения участков проводника, расположенных на упорах, и участков, расположенных над зазорами между упорами. При ударно-волновом воздействии движение участков проводника, опирающихся на упоры, определяется акустической жесткостью материала упора =ρ·с, где ρ - плотность материала, с - скорость звука в материале. Чем выше акустическая жесткость, тем дольше упор находится в сжатом состоянии и разрушаемый проводник, опирающийся на упор, остается неподвижным. У большинства диэлектриков (фторопласт, оргстекло и т.п.), которые обычно используются во взрывных размыкателях, акустическая жесткость не превышает величины 3,2 бар·с·м^-1. Результаты расчетов газодинамического течения материалов показывают, что в условиях воздействия ударных волн при таких значениях акустической жесткости быстро возникает поперечное течение материала упоров в сторону зазоров. Это препятствует движению разрушаемого проводника сквозь зазор. При использовании материалов с >3,2 бар·с·м^-1 поперечное течение материала упоров в сторону зазоров уменьшается и снижается время размыкания электрического контура. Причем, боковая разгрузка упоров в сторону зазоров тем меньше, чем тяжелее материал и меньше скорость звука в нем. Следовательно, для повышения быстродействия размыкателей необходимо применять упоры из материалов с повышенной акустической жесткостью, большей чем 3,2 бар·с·м^-1. Максимальное быстродействие в размыкателе может быть получено при выполнении упоров из таких материалов, как медь, сталь, тантал, вольфрам, которые обладают высоким значением (33, 39, 56 и 83 бар·с·м^-1 соответственно). Эти материалы при ударно-волновом воздействии могут сравнительно долго находиться в сжатом состоянии. Тогда быстрее реализуется максимально возможная разность в скоростях движения участков разрушаемого проводника, расположенных над упорами, и участков, ускоряющихся в зазорах между упорами, за счет чего время размыкания электрического контура уменьшается.

- упоры установлены на подложке, выполненной из диэлектрического материала с плотностью 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³

При вылете участков проводника, ускоренных в зазорах продуктами детонации заряда ВВ, за пределы упоров происходит расширение продуктов взрыва в поперечном направлении, в пространство, «затененное» упорами. Боковая разгрузка продуктов взрыва приводит к спаду давления на фронте ударной волны, ускоряющей проводник. Чтобы этого не происходило, в пространстве за упорами устанавливается подложка. Подложка препятствует разгрузке продуктов взрыва в направлении, поперечном фронту ударной волны, а значит, обеспечивает малое время размыкания контура за счет поддержания высокой скорости разлета проводника.

Выполнение подложки из диэлектрического материала необходимо для того, чтобы при воздействии ударной волны на подложку частицы диэлектрика отрывались от подложки и попадали в зону за фронтом ударной волны. В результате турбулентного перемешивания продуктов детонации с частицами диэлектрика сопротивление разрываемого участка электрической цепи возрастает. Это приводит к увеличению напряжения на размыкателе и повышению мощности формируемого импульса тока.

Ограничение минимальной плотности материала подложки величиной 0,1 г/см³ обусловлено тем, что при меньшем значении плотности затруднены изготовление и эксплуатация подложки. Ограничение максимальной плотности материала подложки величиной 0,3 г/см³ обосновано экспериментально. При ρ>0,3 г/см³ быстродействие размыкателя ухудшается, так как масса подложки увеличивается настолько, что при взаимодействии разлетающегося проводника с подложкой скорость проводника уменьшается. Это препятствует успешному выполнению решаемой задачи. Таким образом, выполнение условия 0,1 г/см³≤ρ≤0,3г/cм³ обеспечивает простоту изготовления и высокое быстродействие размыкателя.

- толщина подложки Н удовлетворяет условию 2h≤Н≤4h

Ограничение минимальной толщины подложки величиной 2h и максимальной толщины значением 4h обосновано расчетным методом. Результаты газодинамических расчетов показывают, что в размыкателе с упорами из материалов с акустической жесткостью >3,2 Бар·с·м^-1 механическое разрушение проводников с заданным диапазоном толщин (0,1-0,5 мм) происходит в момент, когда проводники смещаются на расстояние от 3h (для тонкой фольги) до 5h (для толстой фольги) относительно своего первоначального положения. Таким образом, глубина проникновения ускоренных участков проводника внутрь подложки составляет не менее 2h и не более 4h. При толщине подложки меньше чем 2h разрушение проводника еще не происходит. Использование подложек с толщиной, превышающей глубину проникновения проводника, нецелесообразно, так как будут возрастать потери энергии за счет увеличения собственной индуктивности размыкателя, что препятствует успешному выполнению решаемой задачи.

- разрушаемый проводник может быть выполнен из медной или алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,5 мм

Выполнение разрушаемого проводника из медной или алюминиевой фольги позволяет сократить тепловые потери энергии при протекании тока через размыкатель за счет высокой электропроводности материала. При этом стоимость устройства остается низкой из-за малого количества применяемого материала. Использование других материалов с высокой электропроводностью (например, серебра или золота) нерентабельно из-за высокой цены на драгоценные металлы.

Ограничение минимальной толщины фольги величиной 0,1 мм обусловлено тем, что при меньших значениях затруднено конструктивное исполнение разрушаемого проводника и усложняется конструкция размыкателя, так как из-за ограничений по удельному интегралу действия тока значительно возрастают габариты устройства за счет увеличения ширины фольги. Ограничение максимальной толщины фольги величиной 0,5 мм вызвано необходимостью обеспечения высокого быстродействия устройства. При увеличении толщины фольги свыше 0,5 мм погонная масса разрушаемого проводника возрастает настолько, что требуется длительное время для его разгона в зазорах до максимальной скорости, т.е. время размыкания контура увеличивается. При этом возрастает собственная индуктивность размыкателя за счет увеличения его габаритов, а значит, растут потери энергии в размыкателе. Таким образом, нужный технический результат может быть достигнут только при соблюдении ограничений по толщине фольги в пределах 0,1-0,5 мм.

- упоры могут быть выполнены из круглого провода диаметром, равным d, при этом d=h

Выполнение упоров из круглого провода промышленного производства диаметром, равным d, позволяет упростить конструкцию и существенно снизить стоимость изготовления взрывного размыкателя, так как в этом случае не производятся затраты на механическую обработку упоров. Для круглого провода выполняется равенство d=h, что не противоречит условию h≤d. Расчеты газодинамического течения материалов показали, что в некоторых случаях использование упоров круглого сечения более выгодно по отношению к упорам сечением d×h. Например, во время начала разгона проводника в зазорах (в пассивной фазе работы размыкателя) деформируется в поперечном направлении только закругленная часть упора, обращенная к проводнику. Таким образом, к началу активной фазы размыкания контура, когда проводник в зазорах разогнан до максимальной скорости, деформированная часть упора практически не выступает за границу размера d, т.е. ширина зазора S не уменьшается, что способствует улучшению процессу размыкания.

- упоры могут быть выполнены в виде соленоида с шагом намотки b=(d+S)

Взрывные размыкатели цилиндрической конфигурации чаще всего применяются для коммутации мегаамперных токов взрывомагнитных генераторов, имеющих также осесимметричное исполнение. В цилиндрическом размыкателе заряд ВВ, разрушаемый проводник и подложка выполнены в виде сопрягаемых цилиндров, а упоры между разрушаемым проводником и подложкой имеют форму тонких колец шириной d и толщиной h, расположенных на расстоянии S друг от друга. Периодичность расположения размыкающих ячеек по длине устройства составляет b=(d+S). Так как из-за высокой плотности тока, вырабатываемого взрывомагнитными генераторами, в цилиндрических размыкателях выполняется соотношение r>>h, где r - радиус расположения проводника (фольги), то разрушение проводника в каждой из ячеек производится вдоль окружностей диаметром ≈2r.

Возможность замены кольцевых упоров сечением d×h на упоры из круглого провода диаметром d позволяет упростить конструкцию цилиндрического размыкателя за счет выполнения упоров в виде проволочного соленоида, навитого на цилиндре из разрушаемой фольги диаметром 2r с шагом витков b=(d+S). Такое выполнение упоров образует периодическую структуру из идентичных ячеек винтовой конфигурации, расположенных по длине устройства непрерывно и равномерно с периодичностью (d+S). В размыкателе с проволочным соленоидом размыкание в каждой из ячеек происходит вдоль винтовых линий, расположенных на диаметре ≈2r с шагом b=(d+S). Таким образом, в размыкателе с соленоидом длина линии, вдоль которой в каждой ячейке происходит разрушение проводника, больше, чем в размыкателе с кольцевыми упорами. Расчетным методом показано и экспериментально подтверждено, что размыкатель с проволочным соленоидом по быстродействию и эффективности работы не уступает размыкателю с кольцевыми упорами.

Размыкатель с соленоидом очень технологичен и прост в изготовлении. Например, трудоемкость изготовления цилиндрического размыкателя по прототипу диаметром 200 мм, длиной 400 мм на экспериментальном производстве, согласно калькуляции, составляет 275 нормочасов. Размыкатель таких же размеров с упорами в виде соленоида из круглой проволоки изготавливается вручную за 4 часа, а с использованием токарно-винторезного станка - менее чем за 2 часа. При цене одного нормочаса ~1,5 тыс.руб. экономический эффект от изготовления размыкателя с упорами в виде соленоида составляет более 400 тыс.руб.

- упоры могут быть облицованы пленочным изолятором толщиной δ≤0,1d

На конечной фазе работы взрывного размыкателя наряду с механическим разрушением происходит электрический взрыв утоньшенных участков проводника. Процесс электровзрыва более эффективен, когда он происходит в среде диэлектрика. Облицовка упоров изолятором приводит к тому, что частицы диэлектрика, при перемешивании с продуктами электровзрыва проводника, препятствуют образованию электрической дуги и способствуют повышению сопротивления на разрываемом участке электрической цепи, что вызывает увеличение величины напряжения и мощности формируемого импульса. Для облицовки упоров применяются электроизоляционные пленки из фторопласта или лавсана. Оптимальная толщина облицовки упоров (δ≤0,1d) обоснована экспериментально. При толщине облицовки δ>0,1d, из-за сокращения ширины зазоров между упорами и ухудшения электрического контакта между проводником и упорами, зарегистрировано увеличение времени размыкания контура.

- зазоры между упорами, проводником и подложкой могут быть заполнены электропрочным газом под давлением

Заполнение зазоров между упорами, проводником и подложкой электропрочным газом способствует дугогашению и предотвращению электрических пробоев по продуктам взрыва ВВ и парам электровзрыва проводника вдоль поверхности размыкателя. Тем самым исключаются потери энергии в размыкателе и обеспечиваются требуемые параметры импульса напряжения и мощности. В зависимости от величины напряжения можно использовать электропрочные газы или их смеси с различными характеристиками по электрической прочности. В качестве электропрочного газа наиболее часто используется элегаз (SF₆) или его смесь с азотом.

Если не удается обеспечить электропрочностные характеристики устройства с помощью газов или их смесей при нормальных условиях, то можно заполнять полости электропрочными газами при повышенном давлении. Так, например, увеличение давления элегаза на 1 атм позволяет повысить величину пробивного напряжения вдоль поверхности размыкателя примерно в 1,5 раза. Увеличение пробивного напряжения позволяет снизить потери энергии в размыкателе.

На фиг.1 схематически изображено устройство по прототипу.

На фиг.2 схематически изображено заявляемое устройство.

На фиг.3 схематически изображено заявляемое устройство, в котором упоры выполнены из провода круглого сечения диаметром d, облицованного электроизоляционной пленкой.

На фиг.4 схематически изображен пример реализации заявляемого устройства в виде взрывного размыкателя тока цилиндрической конфигурации.

В состав устройства по прототипу входят разрушаемый проводник (1), заряд взрывчатого вещества (2), ребристая преграда (6) с металлическими упорами (3) на каждом ребре. Заряд взрывчатого вещества (2) и ребристая преграда (6) с металлическими упорами (3) расположены по разные стороны относительно разрушаемого проводника (1) так, что упоры (3) обращены в сторону проводника (1). Разрушаемый проводник (1), по которому протекает ток, выполнен в виде металлических пластин. Толщина упоров (3) существенно больше толщины разрушаемого проводника (1). Остальные обозначения на фиг.1: δ - ширина упоров (3), h - толщина упоров (3), S - расстояние между соседними упорами (3), А и В - точки подключения взрывного размыкателя к источнику тока (взрывомагнитному генератору) и к нагрузке, стрелкой обозначено направление распространения детонации в заряде ВВ (2).

В состав заявляемого устройства входят разрушаемый проводник (1). заряд взрывчатого вещества (2), упоры (3) и подложка (4). Заряд взрывчатого вещества (2) и упоры (3) расположены по разные стороны относительно разрушаемого проводника (1). По проводнику (1) протекает ток. Проводник (1) выполнен из тонкой фольги. Подложка (4) расположена на упорах (3) со стороны, противоположной проводнику (1). Подложка (4) выполнена из пенополистирола с низкой плотностью. Толщина подложки (4) не превышает утроенной толщины упоров (3). Остальные обозначения на фиг.2 соответствуют обозначениям на фиг.1 и повторяются на фиг.3 и фиг.4.

На фиг.3 схематически изображено заявляемое устройство, в котором упоры (3) выполнены из провода круглого сечения диаметром d, облицованного электроизоляционной пленкой (5). Остальные обозначения на фиг.3: δ - толщина пленки (5).

Взрывной размыкатель тока, изображенный на фиг.4, состоит из цилиндрического заряда взрывчатого вещества (2) диаметром 100 мм и длиной 90 мм. инициируемого одновременно на продольной оси. На наружной поверхности заряда (2) расположен разрушаемый цилиндрический проводник (1), выполненный из медной фольги толщиной 0,3 мм. Упоры (3) выполнены в виде соленоида, навитого поверх проводника (1) в один заход проводом диаметром d=1,5 мм с шагом b=(d+S)=3 мм. Для изготовления соленоида может применяться медный (ρ=8,9 г/см³, с=3,7 мм/мкс, =33), стальной (ρ=7,8 г/см³, с=5,0 мм/мкс, =39), танталовый (ρ=16,6 г/см³, с=3,4 мм/мкс, =56) или вольфрамовый (ρ=19,4 г/см³, с=4,3 мм/мкс, =83) провод. В примере реализации использовался медный провод. Соленоид расположен внутри подложки (4), выполненной в виде полого цилиндра из пенополистирола с плотностью 0,2 г/см³. Толщина подложки (4) составляет 3h=3d=4,5 мм. По проводнику протекает ток ~6 МА, генерируемый взрывомагнитным генератором. Собственная индуктивность размыкателя тока в примере реализации устройства к началу размыкания электрического контура составляет ~1,8 нГн, что на ~17% меньше, чем в аналогичном устройстве с ребристой преградой и упорами по прототипу.

Конструкция примера реализации заявляемого устройства, представленного на фиг.4, обоснована результатами расчетов газодинамического течения материалов при срабатывании размыкателя. Работоспособность и эффективность примера реализации заявляемого устройства подтверждены экспериментально.

Проведено взрывное испытание примера реализации устройства с соленоидом, изготовленным из медного провода. Результаты эксперимента показали, что время размыкания электрического контура (время формирования импульса тока в нагрузке) составило ~0,65 мкс, что в ~1,5 раза меньше, чем в размыкателе по прототипу. Повышение быстродействия размыкателя и уменьшение потерь энергии, определяемых собственной индуктивностью размыкателя, позволили увеличить в ~1,8 раза мощность высоковольтного импульса тока, формируемого размыкателем.

Работа устройства, изображенного на фиг.4, начинается в момент, когда ток в контуре ВМГ достигает максимального значения (~6 МА в примере реализации устройства). В этот момент времени ударная волна от заряда ВВ (2) выходит на внутреннюю цилиндрическую поверхность разрушаемого проводника (1) одновременно по всей длине размыкателя. Под воздействием продуктов взрыва заряда ВВ (2) участки проводника (1), разгоняются до высокой скорости в зазорах шириной S между упорами (3) круглого сечения диаметром d=h. При этом за счет большой массы и акустической жесткости материала упоров (3) участки проводника (1). расположенные на упорах (3), в радиальном направлении не перемещаются. Таким образом, быстродействие размыкателя определяется только скоростью движения участков проводника (1) в зазорах между упорами (3). Из-за большой акустической жесткости , поперечное течение материала упоров (3) совместно с проводником (1) происходит слабо. Причем, пока происходит разгон проводника (1) в зазорах, деформируются только закругленные части упоров (3), обращенные к проводнику (1). Таким образом, когда проводник (1) набирает максимальную скорость при пролете через зазоры между упорами (3), деформированные под воздействием ударной волны участки упоров (3) практически не выступают за границы размера d, т.е. ширина зазоров S не уменьшается. Это способствует улучшению процесса размыкания.

Проводник (1), ускоренный в зазорах до максимальной скорости, встречает на своем пути подложку (4). Так как плотность и масса подложки (4) малы, проводник (1) практически не теряет своей скорости при движении через подложку. За счет поддержания максимальной разности скоростей движения между участками проводника (1) в зазорах и участками проводника (1), опирающимися на упоры (3). обеспечивается высокое быстродействие размыкателя. Многократное механическое разрушение проводника (1) происходит на границах между упорами (3) и зазорами между ними и сопровождается электрическим взрывом утоньшенных участков при их быстром разогреве протекающим током.

Заявляемый взрывной размыкатель тока по сравнению с прототипом обладает улучшенными характеристиками.

В результате применения в качестве разрушаемого проводника тонкой фольги с высокой электропроводностью (в примере реализации заявляемого устройства -медной фольги толщиной 0,3 мм) взамен относительно толстых пластин, используемых в прототипе, и изготовления упоров в виде соленоида из медного провода с акустической жесткостью =ρ·с=33, время размыкания электрического контура при токе взрывомагнитного генератора ~6 МА уменьшилось от ~1 мкс до ~0,65 мкс.

Использование подложки из пенополистирола с плотностью, не превышающей 0.3 г/см³, приводит к тому, что движение разрушаемого проводника сквозь материал подложки происходит практически без уменьшения скорости, набранной в зазорах между упорами. Это способствует сокращению времени размыкания контура. Выполнение подложки по толщине, не превышающей трех толщин упоров, позволяет снизить собственную индуктивность взрывного размыкателя и уменьшить потери энергии в нем.

Повышение мощности обусловлено сокращением времени нарастания тока, а также увеличением амплитуды вырабатываемых импульса тока и напряжения за счет уменьшения потерь энергии на эффективном сопротивлении контура и потерь на собственной индуктивности размыкателя. Экспериментально показано, что, в результате повышения быстродействия взрывного размыкателя и уменьшения потерь энергии в нем мощность формируемого импульса тока в примере реализации устройства повысилась по сравнению с прототипом в 1,8 раза.

За счет упрощения конструкции размыкателя удалось снизить трудоемкость изготовлении примера реализации устройства в ~70 раз, в результате чего получен экономический эффект более 400 тыс.руб.

Из вышесказанного следует, что при решении задачи разработки быстродействующего взрывного размыкателя тока для коммутации электрических цепей мощных взрывомагнитных генераторов заявляемое устройство позволяет достичь нужного технического результата, заключающегося в уменьшении времени размыкания контура ВМГ, сокращении потерь энергии, увеличении мощности формируемого импульса тока, в упрощении конструкции и снижении стоимости изготовления устройства.

Взрывной размыкатель предназначен для размыкания сильноточных электрических цепей взрывомагнитных генераторов (ВМГ) и формирования мощных импульсов тока мультимегаамперного диапазона с малым временем нарастания в системах питания плазмодинамических нагрузок. Взрывной размыкатель содержит разрушаемый проводник и расположенные по разные стороны от него заряд взрывчатого вещества и упоры, прилегающие к разрушаемому проводнику, который выполнен в виде фольги. Упоры выполнены в виде периодической структуры с шагом b=(d+S), где d - ширина упора, S - расстояние между соседними упорами, h - толщина упора. Причем выполняются соотношения d≤S≤2,5 d и h≤d, Упоры выполнены из материала с акустической жесткостью Бар·с·м^-1 и установлены на подложке из диэлектрического материала с плотностью 0,1<ρ≤0,3 г/см. Толщина подложки Н удовлетворяет условию 2h≤Н≤4h. Технический результат - повышение быстродействия размыкателя, сокращение величины энергии, рассеиваемой в размыкателе, увеличение мощности формируемого импульса тока, упрощение конструкции и снижение стоимости изготовления. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Взрывной размыкатель тока, содержащий разрушаемый проводник, по разные стороны от которого расположены заряд взрывчатого вещества и упоры, прилегающие к разрушаемому проводнику, отличающийся тем, что разрушаемый проводник выполнен в виде фольги, упоры выполнены в виде периодической структуры с шагом b=(d+S), причем выполняются соотношения d≤S≤2,5d и h≤d, где d - ширина упора, S - расстояние между соседними упорами, h - толщина упора, при этом упоры выполнены из материала с акустической жесткостью бар·с·м^-1; упоры установлены на подложке, выполненной из диэлектрического материала с плотностью 0,1≤ρ≤0,3 г/см³, а толщина подложки Н удовлетворяет условию 2h≤H≤4h.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разрушаемый проводник выполнен из медной или алюминиевой фольги толщиной 0,1-0,5 мм;

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упоры выполнены из круглого провода диаметром, равным d, при этом d=h.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упоры выполнены в виде соленоида с шагом намотки b=(d+S).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упоры облицованы пленочным изолятором толщиной δ≤0,1d.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зазоры между упорами, проводником и подложкой заполнены электропрочным газом под давлением.