ВЗРЫВНОЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2016 года по МПК H01H39/00 

Изобретение относится к области сильноточной импульсной электротехники.

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 (ВРТ) (V.K. Chernyshev. Superpower Explosive Magnetic Energy Sources (XX-th Century Results. Tasks in the Beginning 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 (промежутками между ребрами) преграды, перемещаются быстрее частей, расположенных на ребрах. На границах «ребро-паз» сначала происходит утоньшение проводника, а затем - его 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.

Поперечное течение материала ребер в пазы преграды было уменьшено в устройстве взрывного размыкателя (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 данном устройстве диэлектрическая ребристая преграда содержит металлические упоры на каждом ребре, обращенные к проводнику. Толщина упоров существенно больше толщины разрушаемого проводника. 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. При правильном подборе материала упоров не будет происходить полного перемыкания пазов (промежутков между ребрами с установленными на них упорами) в процессе работы ВРТ, что дает возможность разгонять участки проводника в пазах до высокой скорости. В данном устройстве быстродействие размыкателя выше, чем в размыкателе с диэлектрической преградой, но оно очень сильно зависит от качества изготовления.

Сложность конструкции устройства определяется тем, что упоры необходимо устанавливать без смещения относительно ребер преграды. Чтобы во время разгона проводника в пазах преграды до высокой скорости постоянно поддерживался электрический контакт между ним и упорами, толщина упоров должна быть в несколько раз больше толщины проводника. На практике, для обеспечения многократного растяжения и разрушения проводника на границе ребро-паз, применяются взрывные размыкатели, в которых ширина ребер обычно составляет ~1-2 мм (при большей ширине ребер будет нерационально использоваться длина размыкателя). Отсюда видно, что уже при толщине проводника ~1 мм массивные металлические упоры будут иметь 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. При этом, когда устройство размещено на испытательной площадке, контроль целости осуществить уже невозможно. Поэтому, при проведении опыта даже незначительные неполадки, возникшие в размыкателе, скажутся на его быстродействии.

Наиболее близким к заявляемому устройству является взрывной размыкатель тока (В.А. Демидов, С.А. Казаков / Патент РФ RU №2438206 по заявке на изобретение №2010142581 с приоритетом от 18.10.2010, опубл. Бюл. №36 27.12.2011, МПК H01H 39/00).

Устройство по прототипу содержит разрушаемый проводник, выполненный в виде фольги, по разные стороны от которого расположены заряд взрывчатого вещества и основные упоры, размещенные на разрушаемом проводнике в виде периодической структуры с заданным шагом b₁=(d₁+s₁), где d₁ - максимальный горизонтальный размер поперечного сечения основного упора, s₁ - расстояние между соседними основными упорами, причем выполняются соотношения d₁≤s₁≤2,5d₁, h₁≤d₁, где h₁ - максимальный вертикальный размер поперечного сечения основного упора, при этом основные упоры выполнены из материала с акустической жесткостью Бар·с·м^-1 и прилегают к подложке из диэлектрического материала с плотностью 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³, а толщина подложки H удовлетворяет условию 2h₁≤H≤4h₁.

В данном устройстве разрушение фольги происходит на упорах, выполненных в виде периодической структуры с заданным шагом. При этом в наиболее часто используемых цилиндрических размыкателях тока упоры могут быть выполнены в виде соленоида с заданным шагом намотки или в виде отдельных колец, установленных также с заданным шагом.

Недостатком прототипа является ограничение массы в том месте, где участки разрушаемого проводника опираются на основные упоры. В результате ограничивается скорость растяжения фольги, равная разности скоростей движения участков фольги в местах расположения упоров и между ними. Тем самым ограничивается возможность уменьшения времени размыкания контура ВМГ и, как результат, повышения быстродействия размыкателя.

При создании настоящего изобретения решалась задача разработки более 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) и увеличении мощности формируемого импульса тока путем увеличения скорости растяжения и разрушения фольги.

По сравнению с известным устройством, содержащим разрушаемый проводник, выполненный в виде фольги, по разные стороны от которого расположены заряд взрывчатого вещества и основные упоры, размещенные на разрушаемом проводнике в виде периодической структуры с заданным шагом b₁=(d₁+s₁), где d₁ - максимальный горизонтальный размер поперечного сечения основного упора, s₁ - расстояние между соседними основными упорами, причем выполняются соотношения d₁≤s₁≤2,5d₁, h₁≤d₁, где h₁ - максимальный вертикальный размер поперечного сечения основного упора, при этом основные упоры выполнены из материала с акустической жесткостью Бар·с·м^-1 и прилегают к подложке из диэлектрического материала с плотностью 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³, а толщина подложки Н удовлетворяет условию 2h₁≤H≤4h₁, указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве:

- со стороны взрывчатого вещества напротив основных упоров расположены дополнительные упоры, которые так же, как и основные, имеют периодическую структуру с шагом b₂=(d₂+s₂), равным шагу расположения основных упоров, и которые выполнены из материала с акустической жесткостью Бар·с·м^-1, где d₂ - максимальный горизонтальный размер поперечного сечения дополнительного упора, s₂ - расстояние между соседними дополнительными упорами, при этом выполняются соотношения d₂≤d₁, h₂≤h₁ и h₂≤d₂, где h₂ - максимальный вертикальный размер поперечного сечения дополнительного упора, а проекция каждого дополнительного упора на фольгу лежит в границах проекции противолежащего ему основного упора;

- промежутки между основными упорами со стороны диэлектрической подложки частично или полностью заполнены диэлектрическим материалом с плотностью 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³, совпадающим или отличным от материала подложки;

- промежутки между дополнительными упорами со стороны заряда частично или полностью заполнены взрывчатым веществом, состав которого отличен или совпадает с составом взрывчатого вещества заряда;

- в заряде взрывчатого вещества выполнены одинаковые углубления в виде периодической структуры с шагом b₂ для размещения в них дополнительных упоров;

- при выполнении поверхности заряда взрывчатого вещества, обращенной к фольге, цилиндрической формы углубления выполнены в виде кольцевых пазов или в виде винтовой канавки, где размещены дополнительные упоры, выполненные в виде отдельных колец или спирали;

- каждый из дополнительных упоров выполнен с сечением круглой или прямоугольной формы;

- каждый из дополнительных упоров выполнен в виде, по меньшей мере, двух витков круглого сечения, расположенных вплотную, у которых общий максимальный горизонтальный размер поперечного сечения ≤d₂,

- в диэлектрической подложке выполнены одинаковые углубления в виде периодической структуры с шагом b₁ для размещения в них основных упоров.

Размыкание электрического контура во взрывном размыкателе тока происходит за счет ускорения под действием продуктов детонации участков проводника в промежутках между основными упорами и их смещения относительно участков проводника, опирающего на основные упоры. Скорость растяжения фольги равна разности скоростей движения участков фольги с упорами и между ними. Для повышения быстродействия размыкателя необходимо либо уменьшить массу разрушаемого проводника так, чтобы его участки, разгоняемые продуктами детонации заряда взрывчатого вещества в промежутках между упорами, могли набрать максимальную скорость за возможно короткое время, либо увеличить массу того участка, где основной упор опирается на разрушаемый проводник. Возможности уменьшения массы разрушаемого проводника за счет уменьшения его толщины уже исчерпаны при использовании существующих взрывомагнитных источников энергии (ВМГ). Толщина разрушаемого проводника влияет на эффективность работы источника. Очень тонкие фольги подвержены более сильному воздействию давлению магнитного поля, которое в процессе работы источника выдавливает их в промежутки между основными упорами, что может привести до начала работы ВРТ к частичному разрушению проводника, к его смещению с образованием воздушной полости между ним и ВВ, к увеличению начального сопротивления контура генератора. Все это сказывается на эффективности работы ВМГ и, как результат, приводит к уменьшению выходных параметров источника и снижению его быстродействия. Поэтому, обычно в качестве разрываемого проводника используются тонкие электротехнические фольги.

В данном техническом решении предложен другой путь - увеличить массу в том месте, где участок разрушаемого проводника опирается на основной упор. За счет добавления дополнительных упоров со стороны ВВ напротив основных упоров масса вещества, где расположена фольга, будет увеличена. В результате скорость движения этих участков с фольгой будет меньше, чем в прототипе и, это позволит увеличить быстродействие рассматриваемого ВРТ.

От корректного выбора размеров упоров и величины промежутков 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 (максимальный горизонтальный размер поперечного сечения основного упора d₁ и максимальный вертикальный размер поперечного сечения основного упора h₁) и промежутков (расстояние s₁ между соседними упорами), при которых время размыкания электрического контура имеет минимальное значение. Конструктивно совокупность упора и промежутка 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 h₁, d₁ и s₁ размыкающие ячейки. Это означает, что во взрывном размыкателе упоры должны выполняться в виде периодической структуры, равномерно распределенной по длине устройства с шагом b₁=(d₁+s₁).

Для того, чтобы взрывной размыкатель тока работал эффективно, основные упоры, прилегающие к диэлектрической подложке и расположенные на разрушаемом проводнике, выполненном в виде фольги, должны быть установлены в виде периодической структуры с заданным шагом b₁=(d₁+s₁), где d₁ - максимальный горизонтальный размер поперечного сечения основного упора, s₁ - расстояние между соседними основными упорами, причем также должны выполнятся соотношения d₁≤s₁≤2,5d₁, h₁≤d₁, где h₁ - максимальный вертикальный размер поперечного сечения основного упора.

Данные соотношения для основных упоров накладывают определенные требования на расположение дополнительных упоров. Равенство шага b₁=(d₁+s₁) с шагом b₂=(d₂+s₂), где s₂ - расстояние между соседними дополнительными упорами, и требование о том, что проекция каждого дополнительного упора на фольгу лежит в границах проекции противолежащего ему основного упора, указывают на фиксированное месторасположения обоих типов упоров относительно друг друга. В противном случае происходит ухудшение работоспособности ВРТ.

Также должно выполняться следующее соотношение d₁≤d₁, где d₂ максимальный горизонтальный размер поперечного сечения дополнительного упора. Ограничение горизонтальных размеров дополнительных упоров значением d₂≤d₁ обусловлено необходимостью более эффективного разрушения фольги во ВРТ. Расположение основных упоров напротив дополнительных упоров позволяет объединить традиционный механизм разрушения проводника во ВРТ с вихревым механизмом разрушения.

Вихреобразное движение ПВ (продуктов взрыва) возникает при нестационарном обтекании дополнительных упоров продуктами взрыва заряда ВВ. При одновременном инициировании заряда ВВ по поверхности по обе стороны от дополнительного упора формируются вихревые цепочки с диаметром сечения вихрей порядка половины горизонтального размера d₂ поперечного сечения дополнительного упора. Вихревое движение ПВ около частей проводника, движущего в промежутках, усиливает процесс их разрушения, вовлекает в движение с большой скоростью материалы разрушаемого проводника и диэлектрического материала и приводит к их интенсивному перемешиванию с ПВ, что вызывает резкое нарастание сопротивления размыкателя за достаточно малое время. Результаты расчетов газодинамического течения материалов под воздействием продуктов детонации заряда ВВ показывают, что использование двух механизмов разрушения проводника наиболее эффективно, когда d₂ сопоставимо с d₁.

При этом также необходимо выполнения соотношений h₂≤h₁ и h₂≤d₂, где h₂ - максимальный вертикальный размер поперечного сечения дополнительного упора.

Ограничение максимального вертикального размера поперечного сечения дополнительного упора значением h₂≤h₁ обусловлено необходимостью обеспечения большей массы участка, где находится разрушаемый проводник между упорами, без увеличения габаритов ВРТ, а также, чтобы «захлопывание» промежутков между дополнительными упорами в результате их поперечной деформации не происходило еще до окончания разрушения проводника. Результаты расчетов газодинамического течения материалов под воздействием продуктов детонации заряда ВВ в прототипе показывают, что разгон разрушаемого проводника (фольги) в промежутках до максимальной скорости происходит за время, пока проводник проходит расстояние h₁, сопоставимое с величиной d₁. Так как происходит деформация основных упоров в направлении распространения фронта детонации, то получается, что время прохождения проводника через промежуток будет больше, чем для случая, если бы основные упоры не деформировались. Использование дополнительных упоров позволяет уменьшить деформацию основных упоров и тем самым сократить время прохождения проводника через промежуток. Как показали газодинамические расчеты выполнение соотношения h₂≤h₁, позволяет избежать «захлопывания» промежутков между дополнительными упорами. Здесь по аналогии с основными упорами использовалось соотношение h₂≤d₂. (так как d₂≤d₁ и h₁≤d₁). Как правило, во взрывных размыкателях размер h₁ составляет несколько миллиметров. При использовании h₂, сопоставимого с h₁, габариты взрывного размыкателя не будут увеличены, т.к. существующая толщина заряда позволяет разместить в нем дополнительные упоры без увеличения индуктивности контура подвода энергии к нему.

Таким образом, h₂≤h₁ является достаточным условием для уменьшения времени размыкания электрического контура и, как результат, для увеличения мощности импульса в нагрузке.

… …… - промежутки между дополнительными упорами со стороны заряда частично или полностью заполнены взрывчатым веществом, состав которого отличен или совпадает с составом взрывчатого вещества заряда

Как показали исследования, быстродействие в случае полного заполнения промежутков взрывчатым веществом выше, чем при частичном заполнении промежутков или при его отсутствии. Изменение условий заполнения взрывчатым веществом промежутков предоставляет возможность оптимизации работы размыкателя для формирования заданных параметров импульса тока в нагрузке. Кроме того, заполнение промежутков взрывчатым веществом препятствует продольному перемещению материала дополнительных упоров навстречу друг к другу в процессе работы ВРТ, что существенно повышает надежность работы данного размыкателя и усиливает его электропрочностные характеристики. Это в свою очередь, приводит к увеличению мощности формируемого импульса в нагрузке за счет увеличения выходного напряжения на ВРТ.

… …… - дополнительные упоры выполнены из материала с акустической жесткостью Бар·с·м ^-1

Рациональный выбор материала упоров имеет большое значение для повышения быстродействия размыкателя. Механическое разрушение проводника в размыкателе происходит за счет различия скорости движения участков, содержащих два упора (дополнительный и основной), между которыми размещены участки разрушаемого проводника, и участков, расположенных над промежутками между основными упорами. При ударно-волновом воздействии движение участков проводника между упорами определяется акустической жесткостью материала упоров , где ρ - плотность материала, с - скорость звука в материале. Чем выше акустическая жесткость, тем дольше упоры основные и дополнительные находятся в сжатом состоянии и разрушаемый проводник, расположенный между ними, остается неподвижным. У большинства диэлектриков (фторопласт, оргстекло и т.п.), которые используются в некоторых типах взрывных размыкателях, акустическая жесткость не превышает величины 32 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 промежутков. Это препятствует движению разрушаемого проводника сквозь промежуток. При использовании материалов с Бар·с·м^-1 поперечное течение материала основных упоров в сторону промежутков уменьшается и, тем самым, снижается время размыкания электрического контура. Причем, боковая разгрузка материала упоров в сторону промежутков тем меньше, чем тяжелее материал и меньше скорость звука в нем. Выполнение данного требования также необходимо при использовании дополнительных упоров, чтобы промежуток между ними не захлопывался раньше времени в результате поперечного течения материала. Следовательно, для повышения быстродействия размыкателей, необходимо применять упоры из материалов с повышенной акустической жесткостью, большей, чем 32 Бар·с·м^-1. Максимальное быстродействие в размыкателе может быть получено при выполнении упоров из таких материалов, которые обладают более высоким значением (например, ≥100 Бар·с·м^-1). 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 между упорами, и участков, ускоряющихся в промежутках между упорами, за счет чего время размыкания электрического контура уменьшается.

… …… состав взрывчатого вещества в промежутках между дополнительными упорами отличен или совпадает с составом взрывчатого вещества заряда

Варьирование материала заряда ВВ предоставляет возможность влиять на формирование заданных параметров импульса тока в нагрузке. Использование, например, состава взрывчатого вещества в промежутках между дополнительными упорами с большой теплотой взрывчатого превращения, чем в составе взрывчатого вещества заряда, позволяет дополнительно увеличить быстродействие размыкателя за счет увеличения скорости пролета фольги в промежутках, и тем самым сформировать более мощный импульс энергии в нагрузке.

… …… - промежутки между основными упорами со стороны диэлектрической подложки частично или полностью заполнены диэлектрическим материалом с плотностью 0,1 г/см ³ ≤ρ≤0,3 г/см ³ , необязательно совпадающим с материалом подложки

При работе ВРТ вначале происходит ускорение проводника в промежутках между основными упорами в направлении распространения фронта ударной волны от заряда ВВ, а далее после пролета им упоров осуществляется уже его смещение, сопровождаемое дальнейшим растягиванием материала проводника и разрывом, как в направлении распространения фронта, так и в поперечном направление. Наибольшая скорость проводника наблюдается в центральной части промежутка, имеющего сравнительно небольшой размер порядка (1÷2) мм, тогда как в месте его скольжения вдоль поверхностей основных упоров она снижается. Поэтому часть массы диэлектрика будет прижата к деформируемым внутренним границам основных упоров в процессе пролета участков проводника в промежутках.

Заполнение промежутков диэлектрическим материалом между основными упорами необходимо для того, чтобы при воздействии ударной волны на него, частицы, оторвавшиеся от диэлектрика, попадали в зону за фронтом ударной волны, не только в области подложки, но и частично в самом промежутке уже на ранней стадии разрыва проводника. Это происходит в результате того, что задействован дополнительный вихревой механизм разрушения проводника. В результате такого турбулентного перемешивания продуктов детонации с частицами диэлектрика происходит дополнительное усиление электропрочностных характеристик промежутков, по сравнению с прототипом, что позволяет повысить сопротивление разрываемого участка электрической цепи за более короткий промежуток времени. А это в свою очередь обеспечивает формирование более мощного импульса энергии за счет получения более высокого напряжения.

Ограничение минимальной плотности диэлектрического материала величиной 0,1 г/см обусловлено тем, что при меньшем значении плотности затруднено его равномерное размещение в промежутках, имеющих сравнительно небольшие размеры, из-за хрупкости и значительной ломкости. Ограничение максимальной плотности материала величиной 0,3 г/см³ обосновано экспериментально. При ρ>0,3 г/см³ быстродействие размыкателя ухудшается, так как масса диэлектрического материала увеличивается настолько, что при взаимодействии разлетающегося проводника с ним скорость проводника уменьшается. Это препятствует успешному выполнению решаемой задачи. Таким образом, выполнение условия 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³ обеспечивает высокие электропрочностные характеристики размыкателя и наиболее высокое его быстродействие.

Расчетные и экспериментальные исследования влияния глубины заполнения промежутков между основными упорами на быстродействие размыкателя показали, что наиболее более высокое быстродействие размыкателя наблюдается тогда, когда промежуток заполнен диэлектрическим материалом с плотностью 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³ не полностью. Быстродействие в этом случае выше, чем при отсутствии заполнения промежутка.

… …… - в заряде взрывчатого вещества выполнены одинаковые углубления в виде периодической структуры с шагом b ₂ для размещения в них дополнительных упоров

Правильное расположение дополнительного упора относительно основного упора имеет большое значение для повышения быстродействия размыкателя. Как было показано раньше, проекция каждого дополнительного упора на фольгу должна лежат в границах проекции противолежащего ему основного упора. Тогда будет происходить наиболее эффективное разрушение проводника в ВРТ. Выполнение одинаковых углублений в виде периодической структуры с шагом b₂=b₁ позволит фиксировано размещать в них дополнительные упоры, относительно основных упоров, выставленных с шагом b₁, которому априори должен быть равен шаг b₂.

… …… - при выполнении поверхности заряда взрывчатого вещества, обращенной к фольге, цилиндрической формы углубления выполнены в виде кольцевых пазов или в виде винтовой канавки, где размещены дополнительные упоры, выполненные в виде отдельных колец или спирали

При использовании заряда взрывчатого вещества цилиндрической формы углубления будут выполнены в виде либо кольцевых пазов, либо в виде винтовой канавки с фиксированным шагом. В такие углубления размещаются дополнительные упоры, выполненные соответственно либо в виде отдельных колец, либо спирали. Намотка дополнительного упора в виде спирали позволяет использовать цельную проволоку при изготовлении ВРТ. Технологически это удобно, т.к. упрощается процесс изготовления дополнительного упора. Заряд ВВ размещается на оправке. Оправка устанавливается на приспособлении, которое позволяет вращать заряд. В процессе вращения провод легко укладывается в винтовую канавку.

… …… - каждый дополнительный упор выполнен с сечением круглой или прямоугольной формы

Существующее большое разнообразие металлических проволок, производимых промышленностью, позволяет достаточно просто выбрать и изготовить упоры заданной формы с требуемыми геометрическими параметрами.

… …… - каждый из дополнительных упоров выполнен в виде, по меньшей мере, двух витков круглого сечения, расположенных вплотную, у которых общий максимальный горизонтальный размер поперечного сечения ≤d ₂

Сечение дополнительных упоров не обязательно круговое или прямоугольное - для обеспечения одинакового промежутка между дополнительными упорами они могут быть выполнены в виде расположенных вплотную витков кругового сечения.

Начальная форма сечения дополнительных упоров несущественна из-за того, что под воздействием продуктов детонации в процессе работы размыкателя форма упоров любого сечения изменяется и становится грибовидной. Происходит более интенсивное вихреобразное движение ПВ при нестационарном обтекании такого комбинированного дополнительного упора продуктами взрыва заряда ВВ, что усиливает процесс разрушения фольги, как в промежутках, так и под основными упорами, вовлекает в движение материалы разрушаемого проводника и диэлектрического материала и приводит к их интенсивному перемешиванию с ПВ. Таким образом, возрастает быстродействие данного размыкателя, а это в свою очередь обеспечивает генерирование более мощного импульса энергии в нагрузку.

… …… - в диэлектрической подложке выполнены одинаковые углубления в виде периодической структуры с шагом b ₁ для размещения в них основных упоров

Наличие в диэлектрической подложке одинаковых углублений, выполненных в виде периодической структуры с шагом b₁, позволяет более точно зафиксировать расположение основных упоров, как относительно друг друга, так и относительно дополнительных упоров. Соблюдение данных условий влияет на эффективную работу ВРТ. Тем самым будет достигнуто наибольшее быстродействие у данного размыкателя и, как результат, удастся получить в нагрузке большую мощность импульса.

На фиг. 1 схематически изображено устройство по прототипу.

На фиг. 2 схематически изображено заявляемое устройство.

На фиг. 3 схематически изображено заявляемое устройство, в котором основные упоры между фольгой и диэлектрической подложкой выполнены из провода круглого сечения диаметром d₁, а дополнительные упоры между зарядом ВВ и фольгой выполнены в виде двух установленных встык проводов диаметром d₂/2.

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

В состав устройства по прототипу (фиг. 1) 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). Подрыв заряда взрывчатого вещества (2) осуществляется с помощью системы инициирования (8). А и В - клеммы для подключения источника тока. По проводнику (1) протекает ток. Проводник (1) выполнен из 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).

В состав заявляемого устройства (фиг. 2) входят разрушаемый проводник (1) из тонкой фольги, заряд взрывчатого вещества (ВВ) (2), основные упоры (3) между фольгой и подложкой (4), дополнительные упоры (5) между зарядом ВВ и фольгой, диэлектрические вставки (6) в промежутках между основными упорами и дополнительные заряды ВВ (7) в промежутках между дополнительными упорами. Заряд взрывчатого вещества (2) и основные упоры (3) расположены по разные стороны относительно разрушаемого проводника (1). Заряд взрывчатого вещества (2) и дополнительные упоры (5) расположены по одну сторону относительно разрушаемого проводника (1). Подрыв заряда взрывчатого вещества (2) осуществляется с помощью системы инициирования (8). По проводнику (1) протекает ток. Проводник (1) выполнен из фольги. А и В - клеммы для подключения источника тока. Подложка (4) расположена на основных упорах (3) со стороны, противоположной проводнику (1). Подложка (4) выполнена из пенополистирола с низкой плотностью. Толщина подложки (4) не превышает утроенной толщины упоров (3). Дополнительные упоры (5), основные упоры (3) и разрушаемый проводник (1) могут быть выполнены из различных материалов. Дополнительные упоры (5) и основные упоры (3) расположены так, чтобы дополнительный упор (5) находился напротив основного упора (3). Материал дополнительных упоров не обязательно должен совпадать с материалом основных упоров между проводником и подложкой, максимальный вертикальный размер поперечного сечения основного упора h₁ не обязательно равен максимальному вертикальному размеру поперечного сечения дополнительного упора h₂. Дополнительные заряды ВВ могут быть выполнены из материала, отличающегося от материала заряда ВВ (2). Диэлектрические вставки (6) могут быть выполнены из материала, отличающегося от материала подложки (4). Обозначения на фиг.3 и фиг.4 соответствуют обозначениям на фиг. 2.

На фиг. 3 схематически изображено заявляемое устройство, в котором основные упоры (3) изготовлены из провода круглого сечения диаметром d₁ и размещены в углублениях, выполненных в виде периодической структуры с шагом b₁ в подложке. Дополнительные упоры (5) выполнены из двух расположенных встык проводов круглого сечения диаметром d₂/2, которые размещены в углублениях, выполненных в виде периодической структуры с шагом b₂ в заряде взрывчатого вещества.

Взрывной размыкатель тока, изображенный на фиг.4, состоит из цилиндрического заряда взрывчатого вещества (2), инициируемого с помощью системы инициирования (8), расположенной вдоль оси симметрии. Разрушаемый цилиндрический проводник (1) выполнен из тонкой электротехнической фольги, расположенной на максимальном диаметре калибра устройства. Дополнительные упоры (5) между зарядом ВВ (2) и проводником (1) выполнены в виде соленоида, навитого поверх заряда ВВ (2) двумя проводами с шагом b₂=3 мм. Промежутки заполнены пластическим ВВ. Основные упоры (3) между проводником (1) и подложкой (4) выполнены в виде соленоида, навитого поверх проводника (1) в один заход проводом диаметром d₁=2 d₂ с шагом b₁=3 мм. Подложка (4) выполнена в виде полого цилиндра из пенополистирола с плотностью 0,2 г/см³. Толщина подложки (4) составляет 3h₁=3d₁. Промежутки между фольгой и подложкой наполовину заполнены материалом подложки. По проводнику (1) протекает ток, генерируемый взрывомагнитным генератором. Собственная индуктивность размыкателя тока в примере реализации устройства к началу размыкания электрического контура такая же, как и в аналогичном устройстве с упорами по прототипу. А и В - клеммы для подключения источника тока (спиральный ВМГ). Конструкция примера реализации заявляемого устройства, представленного на фиг. 4, обоснована результатами расчетов газодинамического течения материалов при срабатывании размыкателя.

Работа устройства, изображенного на фиг. 4, начинается в момент, когда ток в контуре ВМГ достигает максимального значения. Под воздействием продуктов взрыва заряда ВВ (2) участки проводника (1), разгоняются до высокой скорости в промежутках s₁ между основными упорами (3) круглого сечения, где d₁=h₁=1,5 мм. Из-за того, что масса вещества в месте расположения основных упоров (3) увеличена за счет добавления дополнительных упоров (5) между зарядом ВВ и фольгой, скорость движения участков фольги, расположенных между упорами, будет меньше, чем в прототипе. В то же время за счет расположения в промежутках между дополнительными упорами ВВ и наличия вихревого механизма разрушения скорость движения участков фольги в промежутках между основными упорами будет больше, чем в прототипе. Таким образом, скорость растяжения фольги будет больше, а время размыкания контура меньше, чем в прототипе. После разрушения целостности проводника (1) ток коммутируется в нагрузку за короткий промежуток времени, что позволяет увеличить мощность формируемого импульса.

Работоспособность и эффективность примера реализации заявляемого устройства подтверждены экспериментально. В результате коаксиального расположения основного соленоида (между подложкой и фольгой) с дополнительным (между зарядом ВВ и фольгой), а также заполнения промежутков между фольгой и подложкой наполовину расстояния между ними материалом подложки время размыкания электрического контура уменьшилось в ~1,2 раза, а мощность импульса в нагрузке увеличилась в 1,2 раза.

Изобретение относится к взрывным размыкателям тока, содержащим разрушаемый проводник, выполненный в виде фольги, по разные стороны от которого расположены заряд взрывчатого вещества и основные упоры, размещенные на разрушаемом проводнике в виде периодической структуры с заданным шагом b₁=(d₁+s₁), где d₁ - максимальный горизонтальный размер поперечного сечения основного упора, s₁ - расстояние между соседними основными упорами. Причем выполняются соотношения d₁≤S₁≤2,5d₁, h₁≤d₁, где h₁ - максимальный вертикальный размер поперечного сечения основного упора. При этом основные упоры выполнены из материала с акустической жесткостью Бар·с·м^-1 и прилегают к подложке из диэлектрического материала. Со стороны взрывчатого вещества напротив основных упоров расположены дополнительные упоры, которые так же, как и основные, имеют периодическую структуру с шагом b₂, равным шагу расположения основных упоров, и выполнены из материала с акустической жесткостью Бар·с·м^-1. При этом м проекция каждого дополнительного упора на фольгу лежит в границах проекции противолежащего ему основного упора. Технический результат - уменьшение времени размыкания контура взрывомагнитного генератора (ВМГ) и повышение быстродействия размыкателя, а также увеличение мощности формируемого импульса тока путем увеличения скорости растяжения и разрушения фольги. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Взрывной размыкатель тока, содержащий разрушаемый проводник, выполненный в виде фольги, по разные стороны от которого расположены заряд взрывчатого вещества и основные упоры, размещенные на разрушаемом проводнике в виде периодической структуры с заданным шагом b₁=(d₁+s₁), где d₁ - максимальный горизонтальный размер поперечного сечения основного упора, s₁ - расстояние между соседними основными упорами, причем выполняются соотношения d₁≤s₁≤2,5d₁, h₁≤d₁, где h₁ - максимальный вертикальный размер поперечного сечения основного упора, при этом основные упоры выполнены из материала с акустической жесткостью $$\tilde{R}>\mathrm{3,2}$$ Бар·с·м^-1 и прилегают к подложке из диэлектрического материала с плотностью 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³, а толщина подложки H удовлетворяет условию 2h₁≤H≤4h₁, отличающийся тем, что со стороны взрывчатого вещества напротив основных упоров расположены дополнительные упоры, которые так же, как и основные, имеют периодическую структуру с шагом b₂=(d₂+s₂), равным шагу расположения основных упоров, и выполнены из материала с акустической жесткостью $$\tilde{R}>32$$ Бар·с·м^-1, где d₂ - максимальный горизонтальный размер поперечного сечения дополнительного упора, s₂ - расстояние между соседними дополнительными упорами, при этом выполняются соотношения d₂≤d₁, h₂≤h₁ и h₂≤d₂, где h₂ - максимальный вертикальный размер поперечного сечения дополнительного упора, а проекция каждого дополнительного упора на фольгу лежит в границах проекции противолежащего ему основного упора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что промежутки между основными упорами со стороны диэлектрической подложки частично или полностью заполнены диэлектрическим материалом с плотностью 0,1 г/см³≤ρ≤0,3 г/см³, совпадающим или отличным от материала подложки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что промежутки между дополнительными упорами со стороны заряда частично или полностью заполнены взрывчатым веществом, состав которого отличен или совпадает с составом взрывчатого вещества заряда.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в заряде взрывчатого вещества выполнены одинаковые углубления в виде периодической структуры с шагом b₂ для размещения в них дополнительных упоров.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что при выполнении поверхности заряда взрывчатого вещества, обращенной к фольге, цилиндрической формы углубления выполнены в виде кольцевых пазов или в виде винтовой канавки, где размещены дополнительные упоры, выполненные в виде отдельных колец или спирали.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый дополнительный упор выполнен с сечением круглой или прямоугольной формы.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждый из дополнительных упоров выполнен в виде, по меньшей мере, двух витков круглого сечения, расположенных вплотную, у которых общий максимальный горизонтальный размер поперечного сечения ≤d₂.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в диэлектрической подложке выполнены одинаковые углубления в виде периодической структуры с шагом b₁ для размещения в них основных упоров.