УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДОСТИЖЕНИЯ СВЕРХЗВУКОВЫХ СКОРОСТЕЙ Российский патент 2018 года по МПК H05H1/24 F41B6/00 

Предлагается устройство, обеспечивающее достижение сверхзвуковых скоростей воздушных потоков. Устройство позволит создать инструменты для обработки и резки твердых материалов.

Известны устройства, названные рельсотронами [1, 2, 3], в которых ускоряемые тела располагаются между рельсами - двумя электродами проводниками - и ускоряются реактивным движением газового разряда при подключении рельс-проводников к высоковольтному импульсному источнику тока. В некоторых разработках предлагается размещать между рельсами легкоплавкую металлическую фольгу, способствующую зажиганию газового разряда в начале рельсов и превращающуюся при расплавлении в разрядную плазму. Протекающий по разряду (плазме) ток формирует мощное электромагнитное поле. Под действием силы Лоренца проводник, то есть плазма, начинает быстро перемещаться вдоль рельс. Таким образом, сгусток плазмы, газовый разряд, становится плазменным поршнем (как бы аналог порохового заряда в огнестрельном оружии).

Конструктивное исполнение таковых устройств определяется массой заряда, который перемещает вдоль рельс сила Лоренца.

В качестве аналога предлагаемого устройства может быть принято устройство рельсотрона любого типа, упомянутого в [1, 2, 3].

Недостатком прототипов следует считать практическую невозможность использования плазменный поршень (газовый разряд) для формирования высокого давления газовой смеси в устройстве для его преобразования в кинетическую энергию массы заряда.

Техническим результатом настоящего предложения является возможность конструирования инструмента для обработки твердых

предметов и материалов газовой струей, скорость которой не менее 15 С_ЗВ (С_ЗВ - скорость звука в воздухе).

На базе предложенного устройства также возможно создание конструкции для запуска зарядов с массой до 1000 гр с указанной скоростью и выше.

Пояснение и обоснование конструктивных особенностей и работы предложенного устройства представлено следующими рисунками и схемами:

Фиг. 1 - физическая модель, иллюстрирующая работу рельсотрона;

Фиг. 2 - упрощенное представление предложенной конструкции коаксиального типа;

Фиг. 3 - зависимость степени ионизации α от давления p от отношения где Е_КЛ - величины напряженности электрического поля в разрядном промежутке Δ на единицу давления;

Фиг. 4 - предлагаемая конструкция устройства в виде КЛ, где

1 - внешний проводник КЛ, он же корпус устройства с

2 - манжетой проводника 1 с отверстиями для механического соединения;

3 - внутренний проводник КЛ;

4 - изолирующий диск;

5 - фланец изолирующего диска 4 с отверстиями для соединения с манжетой 2;

6 - «ширма» или «бортик» поджига газового разряда;

Δ - разрядный промежуток;

l_КЛ - длина КЛ;

H - общая длина устройства;

∅_из - диаметр изолирующего диска;

d - диаметр отверстий на манжете 2 и фланце 5;

∅_кл - внешний диаметр КЛ (манжеты 2);

Фиг. 5 - полусферическая часть устройства, где

7 - вставка с резьбовым видом установки в корпусе устройства 1;

8 - отверстие во вставке 7 для выхода воздуха с массой m.

Предложенное устройство для достижения сверхзвуковых скоростей включает в себя 2 металлических электрода с разрядным промежутком между ними, которые с одного конца устройства подключены к высоковольтному импульсному источнику тока и при этом один из электродов является внешним корпусом устройства.

Устройство выполнено в виде коаксиальной линии (КЛ), с круглыми по сечению проводниками, в котором отношением внутреннего диаметра внешнего проводника d_н к диаметру внутреннего проводника d_вн задано волновое сопротивление КЛ Z_КЛ, постоянное по длине линии, при этом внешний проводник выполнен в виде стакана, дно которого представляет собой полусферу с отверстием для установки в теле полусферы вставки из тугоплавкого металла, противоположный конец проводника выполнен в виде плоской воронки, развернутая часть которой завершена плоской манжетой с отверстиями, плоскость манжеты при этом перпендикулярна оси КЛ, а внутренний проводник КЛ в зоне полусферы внешнего проводника также имеет полусферическую форму при сохранении в зоне КЛ расстояния разрядного промежутка равного а противоположный конец внутреннего проводника жестко вакуумплотно зафиксирован в центре изолирующего диска, внешний диаметр которого также вакуумплотно соединен плоским металлическим фланцем с отверстиями, диаметры которых совпадают с фланцем и с размерами манжеты внешнего проводника для их механического жесткого соединения между собой, при этом у изолирующего диска на одном или на обоих проводниках КЛ размещен или размещены элементы для фиксации места поджига разряда.

Еще в одном варианте устройства упомянутая вставка из тугоплавкого металла установлена в полусферическую часть внешнего проводника так, что ось вставки совпадает с осью КЛ, внутренняя форма вставки при ее установке сохраняет форму полусферы, а площадь выходного отверстия во вставке определяют из формулы

где S_отв - площадь выходного отверстия,

S_КЛ - площадь кольца в рабочем объеме устройства,

V_кон - скорость «поршня» на входе в область полусферы устройства,

V_вых - выходная скорость воздуха из выходного отверстия.

На фиг. 1 представлена физическая модель рельсотрона, где сила F - сила Лоренца газового разряда обеспечивает высокую скорость его перемещения по КЛ. Силу F в этом случае определяют по формуле

μ - магнитная проницаемость (μ=1,26⋅10^-6 Гн/м=12,6 т.к. 1 Гн=10⁹ см),

I - ток, протекающий по рельсам,

d и r - соответственно диаметр рельс и расстояние между ними.

В авторском представлении конструкция предложенного рельсотрона коаксиального типа также может формироваться и при большем количестве рельс, расположенных по кругу, с равными разрядными промежутками. И в такой конструкции внешние рельсы могут быть объединены в единый внешний кольцевой проводник, а внутренние рельсы - в единый внутренний проводник. При определенной длине проводников и возникает коаксиальная линия КЛ с бегущим по нему токовым разрядом (плазменным поршнем), как показано на фиг. 1.

По условию в предлагаемом устройстве сила F, которую создает газовый разряд, подобна пороховому поршню, толкающему заряд в стволе стрелкового оружия, то есть она воздействует на газовую смесь массой m в течение времени Δt_возд

m - масса, на которую воздействует сила F_возд чтобы за время Δt_возд достигнуть на границе перехода внешнего проводника в полусферическую форму конечной скорости V_кон, равной V_кон=10⋅С_зв=3,4⋅10⁵ см/с.

Приравняв выражения (1) и (2) вычисляем значение тока I в устройстве выражением

Рассмотрим работу предлагаемого устройства при формировании на выходе газовой струи со скоростью см/с.

Для этого случая зададим в выражение (3) ожидаемые значения входящих величин:

m=2⋅10^-4⋅1293=0,2 г - вес воздуха в объеме устройства, который может изменяться от 1,6⋅10^-4 м³ (примем значение ),

так как r_н и r_вн - радиусы наружного и внутреннего диаметров d_н и d_вн, то приняв отношение получим и примем среднее значение

В этом случае величина I оказывается зависимой от времени Δt_возд, числовые значения которых приведены в таблице 1.

Для определения параметров блока импульсного питания при емкости С_б и индуктивности батареи L_б найдем энергию, необходимую для достижения массой m скорости 15 С_зв

В качестве условия примем, что энергия E_m полностью обеспечивается энергией конденсаторной батареи, то есть

Из выражения (4), если примем U_б=3⋅10⁴ В, С_б будет равна

Как правило, емкость батарей С_б, используемых для высоковольтного импульсного питания, имеет значение не менее 1 мкФ [4]. Вследствие того, что значение тока I из выражения (3) является минимальным, то его максимальное значение I_мах может быть определено из равенства

откуда

В этом случае при с I_max=1,7⋅10⁴ А,

а при Δt_возд=10^-5 c I_max=1,7⋅10³ А.

Определим требование к индуктивности батареи питания L_б при условии, что длительность Δt_возд равна полупериоду контура, образованного C_б и L_б

Для уменьшения рабочих значений I длительность Δt_возд следует устанавливать в диапазоне (1÷5)⋅10^-5 с и L_б соответственно будет равна 0,4⋅10^-5 Гн и. 10^-4 Гн.

Расчетное значение L_б следует использовать и учитывать при выборе типа конденсаторной батареи.

Вычисление размеров проводников устройства произведем из условия, что падение напряжения не должно превышать 5% от U_б, то есть

I⋅R_пр=0,05⋅U_б, откуда при I_max=3⋅10⁴ А

Сопротивление проводников КЛ R_пр определяется его материалом и размером известной зависимостью

, где

ρ - удельное сопротивление материала ом

(ρ составляет для меди - 0,0175, для серебра - 0,016),

S_пр - поперечное сечение внутреннего проводника в мм²,

l_пр - длина проводника в м.

Определим длину проводника l_КЛ (то есть длину КЛ до границы перехода внешнего проводника в полусферу) полагая, что в конце длины скорость поршня достигнет значения V_кон.

и для двух значений Δt_возд - 10^-5 с и 5⋅10^-5 с

длина КЛ составит 2,5 см и 12,7 см.

Примем м и при ρ=0,0175

Так как воздействие на КЛ импульсное, то ток будет протекать при с по поверхности проводников с глубиной проводящего слоя мм. В этом случае радиус внутреннего проводника КЛ r_вн может быть вычислен из равенства

откуда

Полученное малое по величине расчетное значение r_вн дает право свободного выбора диаметра внутреннего проводника d_вн из целесообразности достижения механической прочности внутреннего проводника как консоли в конструкции устройства, так и для исключения перегрева проводника при работе устройства.

Установим диаметр d_вн=8 мм (r_вн=4 мм), тогда индуктивность L_КЛ и емкость C_КЛ рассчитываются по известным [5] формулам

где ε - диэлектрическая проницаемость 8,85⋅10^-12 ,

а при диапазоне изменения отношения значение тогда C_КЛ=0,95⋅10^-13 Ф и L_КЛ=7,3⋅10^-8 Гн.

Полученные расчетные значения C_КЛ и L_КЛ, являясь фактической нагрузкой для конденсаторных батарей, практически не оказывают влияния на формирование длительности Δt_возд (см. выражение (5).

Проанализируем условия формирования газового разряда в промежутке r_н-r_вн=Δ. Из общей теории электропроводности в газах известно, что в газовой среде между электродами напряжения, равного напряжению зажигания U_заж, в промежутке возникает разряд (пробой).

Достижение разряда при давлении газа P осуществляется при выполнении условия [6]

где α - коэффициент первичной ионизации (коэффициент Таунсенда), γ - коэффициент вторичной электронной эмиссии катода (внутреннего проводника КЛ). Отметим, что значение коэффициента γ для различных металлов, из которых может изготавливаться устройство (медь, железо, алюминий и др.), лежит в диапазоне от 0,01 до 0,1.

На фиг. 3 приведена зависимость степени ионизации то есть зависимости числа ионов α, возникающих на длине в 1 м при давлении 1 мм рт.ст. от величины напряженности электрического поля E_КЛ на единицу давления в мм рт.ст. откуда U_б=Δ⋅p.

Используем выражение (9) и зависимость из фиг. 3 для оценки режима работы устройства при следующих параметрах:

а) атмосферном давлении в устройстве - 760 мм рт.ст.,

б) разрядный промежуток Δ - 10 и 12 мм,

в) значение а рассчитывается из (9)

Результаты расчетов сведены в таблице 2.

Из табл. 2 следует, что при уменьшении U_б до предложенного значения 3⋅10⁴ возможно увеличение γ (например, до 0,07), что позволяет уменьшить Δ.

Следует напомнить, что при значении Δ⋅p<0,005 потенциал зажигания начинает резко расти. Причина этого заключается в том, что средняя длина свободного пробега электрона становится соизмерима с разрядным промежутком Δ, вследствие чего уменьшается вероятность их столкновений с молекулами газа.

Приведенное обоснование выбора параметров Δ, E_КЛ и p свидетельствует о возможном комбинировании их значений для выбора оптимальных конструктивных решений.

Проведем оценку возможности работы КЛ разряда как плазменного поршня.

Проведем оценку возможности работы в КЛ разряда как разрядного поршня. В исходном состоянии число молекул в газовой смеси n_мол при заданном давлении определяется известной формулой ^%

где p - давление в объеме V,

n_о - число молекул в 1 м³ равное 3,54⋅10²² при p=1 мм рт.ст.

При принятом объеме (возможно изменение от 1,6⋅10^-4 м³) число молекул будет равно

n_мол=3,54⋅10²²⋅760⋅1,6⋅10^-4=4,3⋅10²¹ мол,

число зарядов одного знака (электронов) при токе 5⋅10⁴ А

где e - заряд электрона 1,6⋅10^-19 Кл, и число электронов равно

n_эл=2⋅10¹⁸ эл.

Понятно, что при равномерном распределении молекул воздуха n_мол в рабочем объеме устройства будет выполняться условие n_эл≈n_мол, то есть плотность воздуха перед «поршнем» всегда будет соизмерима с числом зарядов разряда.

На основании изложенного, предложенное устройство на фиг. 4 представлено в виде коаксиальной линии.

Внешний проводника 1 имеет вид цилиндрического стакана с дном в виде полусферы с одной стороны и переходом стакана в плоскую коническую форму с манжетой 2 со сквозными отверстиями в ней с противоположной стороны стакана.

Внутренний проводник 3 - круглый металлический стержень, один конец которого жестко вакуумплотно зафиксирован в центре изолирующего диска 4, плоскость которого перпендикулярна оси КЛ. Противоположный конец проводника 3 также имеет форму полусферы.

Разрядный промежуток Δ в КЛ определен отношением , где d_н и d_вн соответственно внутренний диаметр внешнего проводника и диаметр внутреннего проводника, которые определяют волновое сопротивление КЛ Z_КЛ.

Изолирующий диск 4 по внешнему диаметру вакуумплотно жестко соединен с металлическим фланцем 5, размеры которого и отверстия в котором совпадают с размерами и отверстиями манжеты 2.

Для предотвращения пробоя по поверхности изоляционного диска 4 его форма при подключении к источнику питания может быть сложной (она показана на фиг. 4.)

В зоне изоляционного диска 4 на одном из проводников КЛ (это внутренний проводник 3 на фиг. 4) показано размещение «ширмы» 6 из легкоплавкой фольги для фиксирования места поджига газового разряда. Возможно иное формирование места поджига - на внутреннем проводнике в месте расположения фольги выполняется выступающий «бортик» высотой не более 0,6 Δ с плавным спадом до d_вн на длине не менее 2Δ (на фиг. 4 «бортик»).

На фиг. 5 представлена полусферическая часть внешнего проводника устройства, где заменяемая вставка 7 из тугоплавкого металла изображена с отверстием 8, из которого в процессе действия разряда с высокой скоростью и под большим давлением выходит воздух. При этом расстояние Δ и в этой части устройства остается постоянным. Ось отверстия 8 во вставке 7 и ось КЛ - едины.

Длина КЛ l_КЛ определяется длиной внутреннего проводника 3. Общая длина устройства H определяет его длину по внешнему проводнику 1 от фланца 5 на изоляционном диске 4. Диаметр изоляционного диска 4 - ∅_из, диаметр отверстий на фланце 5 и манжете 2 - ∅_отв, внешний диаметр манжеты 2 - ∅_КЛ.

Соединение устройства с импульсным высоковольтным источником тока выполняют механическими бытовыми стяжками, внутренний проводник снаружи делается для этого резьбовым. Подключение корпуса устройства 1 также механическое с использованием отверстий для болтовой стяжки.

Рассчитаем давление, которое возникает в области полусферы устройства V_п/сф (фиг. 5).

Давление P_возд связано с энергией поступательного движения молекул воздуха выражением

где V_п/сф - объем воздуха, заключенного в полусферической части,

m_j и V_j - соответственно масса и скорость i молекулы воздуха.

При достижении «поршнем» устройства скорости V_кон, в частности следующего значения - V_кон=15⋅С_зв=5,1⋅10⁵ см/с, объемный поток воздуха, поступающий в полусферическую часть устройства под действием силы Лоренца равен V_кон⋅S_КЛ,

где

Полагая, что весь уплотненный поток воздуха выйдет через отверстие вставки d_отв площадью S_отв, тогда скорость выходящего потока V_вых может быть вычислена из равенства

и при мм S_отв=3,14⋅10^-2 см², что превышает 1-ую космическую скорость. Расчет показывает, что значение V_вых может быть уменьшено путем уменьшения V_кон, то есть уменьшения длины устройства L_КЛ.

Давление, которое формирует выходящая струя воздуха P_возд, рассчитывается по (12) и при условии, что

m=0,2 г, а V_кон=5,1⋅10⁵ см/с получаем

откуда

Волновое сопротивление КЛ равно [7, 8]

где ε - диэлектрическая проницательность,

вследствие чего при заданных значениях r_вн=4 мм и r_н=14 мм Ом, а для зоны нахождения изоляционного диска с диаметром ∅_из целесообразно рекомендовать диэлектрик с меньшим значением (при ε=3 ∅_из=70 мм).

По мнению авторов, предложенное устройство способно проводить механическую обработку твердых материалов (металл, камень, дерево и пр.).

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:

[1] «Реактивное движение при газовом разряде от внешнего токопровода» - М.: РАН, ЖЭТФ письма, т. 13, №15, 1989 г.

[2] Агеев А.А. «Электромагнитная пушко-оружие будущего», сайт «Техкульт», 21.09.2011 г.

[3] «Российский космос», журнал №9, 2011 г.

[4] ЗАО «Русская Технологическая группа 2» RTG-2 - высоковольтные источники питания, конденсаторы, разрядники, системы управления; e-mail: rastgr2@yandex.ru.

[5] Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. «Справочник по элементарной физике» » - М.: «Наука», 1965 г.

[6] Линч П., Николайдес А. «Задачи по физической электронике» - М.: изд. «Мир», 1975 г.

[7] Атабеков Г.И. « Теоретические основы электротехники» - М.: Энергия, 1970 г.

[8] Ганстон М.А. «Справочник по волновым сопротивлениям фидерных линий СВЧ» (перевод с англ. Фрадкина А.С.) - М.: Связь, 1976 г.

Изобретение относится к области плазменной техники. Устройство на базе рельсотрона выполнено в виде коаксиальной линии КЛ, в котором возникающий между электродами КЛ разряд использован в качестве «поршня». При подключении КЛ устройства к емкостной батарее разрядный «поршень» сжимает и выбрасывает под высоким давлением со скоростью не менее 8⋅10⁵ см/с атмосферный газ через выходное отверстие устройства в конце КЛ. Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.

1. Устройство для достижения сверхзвуковых скоростей, включающее в себя два металлических электрода с разрядным промежутком между ними, которые с одного конца устройства подключены к высоковольтному импульсному источнику тока, при этом один из электродов является внешним корпусом устройства, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде коаксиальной линии (КЛ), с круглыми по сечению проводниками, в котором отношением внутреннего диаметра внешнего проводника d_н к диаметру внутреннего проводника d_вн задано волновое сопротивление КЛ Z_КЛ, постоянное по длине линии, при этом внешний проводник выполнен в виде стакана, дно которого представляет собой полусферу для установки в теле полусферы вставки из тугоплавкого металла с отверстием, противоположный конец проводника выполнен в виде плоской воронки, развернутая часть которой завершена плоской манжетой с отверстиями, плоскость манжеты при этом перпендикулярна оси КЛ, а внутренний проводник КЛ в зоне полусферы внешнего проводника также имеет полусферическую форму при сохранении в зоне КЛ расстояния разрядного промежутка, равного , а противоположный конец внутреннего проводника жестко, вакуумплотно зафиксирован в центре изолирующего диска, внешний диаметр которого также жестко, вакуумплотно соединен плоским металлическим фланцем с отверстиями, диаметры которых совпадают с размерами отверстий манжеты внешнего проводника для их механического жесткого соединения между собой, при этом у изолирующего диска на одном или на обоих проводниках КЛ размещен или размещены элементы для фиксации места поджига разряда.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что упомянутая вставка из тугоплавкого металла установлена в полусферическую часть внешнего проводника так, что ось вставки совпадает с осью КЛ, внутренняя форма вставки при ее установке сохраняет форму полусферы, а площадь выходного отверстия во вставке определяют из формулы:

где S_отв - площадь выходного отверстия,

S_КЛ - площадь кольца в рабочем объеме устройства,

V_кон - скорость «поршня» на входе в область полусферы устройства,

V_вых - выходная скорость воздуха из выходного отверстия.