МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ВИТКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР БЫСТРОНАРАСТАЮЩИХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА Российский патент 2019 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к импульсной взрывной технике, в частности к взрывным источникам, которые могут быть использованы в энергетических системах и изделиях, где требуется импульсная электроэнергия.

Известны взрывомагнитные генераторы (ВМГ) импульсов тока, (цилиндрические, спиральные, дисковые и др.), имеющие наилучшие массогабаритные характеристики и наивысшие абсолютные значения мощности, КПД 10%, уровень энергии в единичном импульсе до 100 МДж (см. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. Под ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2002, с. 23, 34). В классической схеме ВМГ продукты детонации взрывчатого вещества, воздействуют на цилиндрический металлический лайнер, расширяют его и замыкают силовые линии электромагнитного поля, а также вытесняют магнитный поток в нагрузку. Известен, например, ферромагнитный взрывной генератор электрического импульса (см. Патент РФ №2059329, Чернышев В.К., Пак С.В., Волков Г.И. и др.).

Недостатком взрывомагнитных генераторов (ВМГ) является то, что они являются устройством одноразового действия.

Известны, взрывные плазменные магнитогидродинамические генераторы (МГДВГ), в которых в классической схеме используются расширяющиеся продукты детонации, проталкивающие электропроводную плазму через поперечное магнитное поле магнитогидродинамического (МГД) канала. Электроды МГД-канала соединены с нагрузкой. Быстрое расширение газообразных продуктов детонации позволяет использовать сохраняемые МГД-канал и взрывную камеру многократно. Неразрушаемость конструкции МГДВГ позволяет реализовать частотно-периодический режим работы устройства. Экспериментально на установках малого масштаба МГДВГ освоен уровень мощностей ~ 10⁹ Вт, с параметром по току ~ 0,5Ма и КПД ~ 5-7%. Недостатком МГДВГ является то, что удельные энергетические параметры у них значительно ниже, чем у ВМГ (см. Взрывные генераторы мощных импульсов электрического тока. Под. ред. В.Е. Фортова. - М.: Наука, 2002, с. 23-24).

Известен магнитокумулятивный способ и устройство для получения импульса напряжения (см. патент РФ №2267858 / Борискин А.С., Демидов В.А., Казаков С.А.). Устройство работает под воздействием электровзрывающихся проводников взрывчатого вещества одноразового действия, что является его недостатком.

Известен также магнитокумулятивный витковый генератор импульсов тока (см. А.И. Павловский, Р.З. Людаев, В.А. Васюков, А.С. Русаков и др. Магнитокумулятивные витковые генераторы быстронарастающих импульсов тока. / Сверхсильные магнитные поля: Физика. Техника. Применение. М.: Наука, 1984, с. 292-297), принятый за прототип.

Магнитокумулятивный витковый генератор (MKT) содержит токовый контур, состоящий из внешнего витка, имеющего входные клеммы и расположенную внутри него цилиндрическую расширяемую оболочку, заполненную взрывчатым веществом (ВВ). Начальный магнитный поток создается с помощью конденсаторной батареи (или спирального МКГ в случае высокого уровня энергии). Инициирование заряда ВВ осуществляется цепочкой электрического детонатора (ЭД) по оси одновременно по всей длине. Цилиндрическая оболочка, расширяющаяся под действием взрыва ВВ, замыкает входные клеммы в момент когда начальный ток в контуре виткового генератора достигает максимума. При последующем расширении оболочки захваченный магнитный поток сжимается всей ее поверхностью и вытесняется в нагрузку.

Магнитокумулятивные витковые генераторы позволяют получать электрические импульсы с параметрами по току от 15 до 46 МА, напряжением 140 кВ, мощностью до 4*10¹² Вт, энергией от 2 до 30 Мдж. Время генерации энергии 30 мкс. Такие генераторы относятся к классу быстроходных.

Недостатком МКГ является то, что он является одноразовым, внутри него расположена разрушаемая цилиндрическая оболочка, заполненная взрывчатым веществом.

Особую актуальность приобретает создание импульсных источников тока с частотно-периодическим или частотным режимами работы. Переход к частотному режиму требует создания расширяющейся и сужающейся оболочки МКГ генератора многоразового действия, поэтому задачей изобретения является создание магнитокумулятивного виткового генератора быстронарастающих импульсов тока, работающего в импульсном или в частотно-периодическом режимах, а также повышения энергетических характеристик на основе многоэлементных систем.

Поставленная задача решается за счет того, что в магнитокумулятивном витковом генераторе быстронарастующих импульсов тока, содержащем токовый контур, состоящий из внешнего витка с входными клеммами, конденсаторную батарею и нагрузку, причем внутри витка расположена гибкая оболочка, согласно изобретению, гибкая оболочка, выполненная из жаропрочного токопроводящего материала, имеет возможность расширения, обеспечивающего контакт с входными клеммами, и последующего сжатия до исходного положения, при этом гибкая оболочка соединена с диэлектрическими стойками, радиально закрепленными внутри внешнего витка.

Гибкая оболочка выполнена в виде многозвенного шарнирного механизма, имеющего форму звезды, при этом грани звезды стянуты возвратными пружинами.

Гибкая оболочка выполнена в виде «гармошки».

Гибкая оболочка изготовлена из металлического нетканого материала.

Гибкая оболочка выполнена из жаростойкой токопроводящей ткани на фурнитуре из жаропрочной стали с использованием вольфрама.

Гибкая оболочка изготовлена многослойной с армированной сеткой, выполненной из жаростойких и жаропрочных материалов.

Генератор содержит несколько последовательно электрически соединенных витков.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 показана схема виткового магнитомукулятивного генератора быстронарастающих импульсов тока с трансформируемой оболочкой в виде многозвенного механизма типа «звезда».

На фиг. 2 - схема виткового магнитомукулятивного генератора с трансформируемой оболочкой в виде «гармошки».

В состав магнитомукулятивного генератора входит (фиг. 1) внешний виток 1, выполненный из токопроводящего материала, конденсаторная батарея 2, замыкатель-размыкатель 3, гибкая трансформируемая оболочка 4, выполненная из токопроводящего жаропрочного материала, с внутренней полостью 5, служащей для распространения детонационной волны, обеспечивающей расширение гибкой оболочки в пределах геометрической формы 6, входные контакты 7, внешняя нагрузка 8, диэлектрические стойки 9, стягивающие пружины 10, шарнирные соединения 11. Оболочка 4 изготовлена из токопроводящей углеродной ткани на фурнитуре, созданной на основе жаростойкой стали с использованием вольфрама (вместо углеродной ткани может быть применен металлический нетканый материал). Стягивающие пружины 10 и шарниры 11 выполнены из жаропрочной стали. Оболочка 4 может быть выполнена в виде многозвенного шарнирного механизма, имеющего форму шестиконечной звезды, соединенной своими вершинами через шарниры с диэлектрическими стойками 9, изготовленными из жаростойкой керамики.

Работает генератор следующим образом: начальный магнитный поток создается во внешнем витке 1 с помощью конденсаторной батареи 2 путем замыкания размыкателя 3, при этом внутри гибкой трансформируемой оболочки 4 типа «звезда» осуществляется инициированное воздействие детонационной волны в полости 5, при помощи детонационного генератора (на чертеже не показан). Создание детонационной волны может производится путем периодического контролируемого подрыва взрывчатых веществ, которые могут последовательно подаваться в детонационный генератор, а затем взрываться и создавать детонационную волну в полости трансформируемой оболочки, а также при сжигании углеводородного или водородного топлива. Детонационный генератор периодически создает детонационную волну за счет поджига топлива, например искрой. Трансформируемая оболочка 4 под действием энергии детонационной волны в полости 5 расширяется и принимает геометрическую форму в пределах окружности 6 (теоретическая окружность, ограничивающая расширение гибкой трансформируемой оболочки), и замыкает входные клеммы 7 в момент, когда начальный ток в контуре виткового генератора достигает максимума, а размыкатель 3 разомкнут.При расширении гибкой трансформируемой оболочки 4 захваченный магнитный поток сжимается всей ее поверхностью в пределах окружности 6 и вытесняется в нагрузку 8. Быстрое сжатие магнитного потока в витковом МКГ обеспечивает возможность работы в режиме высокого напряжения магнитного поля ~ 1 МЭ, плотности магнитной энергии в сжимаемом объеме токового контура ~ 5-10⁹ Дж/м³ и высокой линейной плотности тока ~ 80 МА/м. (см. Магнитокумулятивные витковые генераторы быстронарастающих импульсов тока. / Сверхсильные магнитные поля: Физика, Техника. Применение. М.: Наука, 1984,. с. 292-293).

После сбрасывания давления детонационной волны, трансформируемая оболочка возвращается в исходное состояние за счет упругости стягивающих пружин 10.

В магнитокумулятивном витковом генераторе, изображенном на фиг. 2, гибкая оболочка выполнена по типу «гармошка» Расширенная трансформируемая оболочка, после воздействия на нее давления детонационной волны, получаемой при периодическом сжигании топлива, принимает форму 6, и замыкает входные клеммы 7. После воздействия давления детонационной волны оболочка по типу «гармошка» возвращается в исходное положение за счет собственной упругости и может быть использована многократно. По сравнению с оболочкой многозвенного механизма типа «звезда», трансформируемая оболочка типа «гармошка» имеет более простую конструкцию и обеспечивает более быстрое время замыкания и размыкания контактов.

При работе генератора энергия первичного источника (конденсаторной батареи 2), преобразуется в электрическую энергию выходного импульса в нагрузке 8 за один этап. Этапы могут многократно повторяться с частотой детонационной волны. Для повышения коэффициента усиления начальной электрической энергии (~ 10²-10³) необходимо создавать многоэлементные генераторы, в которых витки соединяются последовательно, чтобы при прохождении детонационной волны продуктов сгорания топлива замыкать контакты, а затем после прохождения детонационной волны снова размыкать за счет усилия пружины. Можно также использовать многокаскадные схемы, путем последовательного соединения электрических цепей нескольких генераторов, что позволит обеспечить более высокий коэффициент усиления (до 10⁶).

Для определения потерь магнитного потока при работе МКГ в режиме высоких полей и плотности тока может быть использовано уравнение баланса магнитного потока в токовом контуре (см. А.И. Павловский, Р.З. Людаев, В.А. Васюков, А.С. Русаков и др. Магнитокумулятивные витковые генераторы быстронарастающих импульсов тока. / Сверхсильные магнитные поля: Физика. Техника. Применение. М.: Наука, 1984, с. 292-297):

где L - индуктивность сжимаемого объема токового контура МКГ; L_δ - индуктивность скин-слоя магнитного потока, U - напряжение на нагрузке МКГ; I - ток.

где L₂, R₂ - индуктивность и сопротивление нагрузки.

где S - площадь зазора между витком и внутренней оболочкой; - ширина витка, k_α - табулированный форм-фактор порядка 0,5-1, зависящий от соотношения ширина витка к зазору между витком и оболочкой.

где Р - периметр токового контура виткового МКГ, μ₀ - магнитная проницаемость, - ширина витка, δ - величина эффективного скин-слоя.

С учетом потерь магнитного потока могут быть определены электрические и геометрические параметры МКГ, а также его КПД.

В качестве металлического волокна применяемого для изготовления гибкой трансформируемой оболочки, может использоваться волокно, выполненное, например, на основе системы Ni-Cr-Al+Hf, содержащее 4-6% хрома, 5-8% алюминия, 0,1-1,0% гафния, 0,5-20% платины и остальное - никель. Волокно устойчиво к окислению до 1000-1100°С (Патент РФ 2573542. Металлические волокна из жаростойкого сплава / Каблов Е.Н., Фараонов Д.П., Деговец М.Л., Алешина Р.Ш.), а также волокна, описанные в патенте США 6063332, опубл. 16.05.2000, и в заявке на изобретение США 2013/0040807, опубл. 14.02.2013.

Для изготовления гибкой трансформируемой оболочки может использоваться также углеродная ткань, обладающая высокой теплостойкостью (1600-2000°С) и электропроводностью (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D1%80%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BA%D0%BD%D0%BE). Материалы на основе углеродных волокон способны хорошо проводить ток и тепло, кроме того они обладают уникальными механическими свойствами, у них достаточно высокая прочность (2,5-3,5 ГПа) и модуль упругости (20-70 ГПа). Причем при повышении температуры механические свойства не уменьшаются, а наоборот возрастают (см. патент РФ №2343235. Способ получения высокопрочного и высокомодульного углеродного волокна, опубликован 10.01.2009).

По мощностным характеристикам на современном уровне развития науки и технологии лидируют взрывомагнитные генераторы, а также емкостные накопители, работающие в режиме длинной линии. Ведущей тенденцией импульсных источников энергии, является рост абсолютных значений генерируемой мощности, для неразрушаемого импульсного источника тока с начальным давлением 0,1-10 кПа, скоростью движения газа ударной волны 2-12 км/с.

Заявляемое техническое решение целесообразно использовать при создании детонационно-энергетических систем быстронарастающих импульсов тока, в том числе при конструировании и изготовлении детонационных ракетных двигателей, (см. Положительное решение по заявке №2017117776/06 от 22.05.2017 о выдаче патента на изобретение / Импульсный детонационный ракетный двигатель / Трифанов И.В., Казьмин Б.Н., Оборина Л.И., Трифанов В.И.).

Технический результат изобретения заключается в создании виткового генератора импульсов тока, работающего в импульсном или частотно-периодическом режиме, т.е. многоразового действия с КПД 8-12%. Преимуществом предложенного технического решения также является то, что генератор является не разрушаемым и предназначен для многоразового использования.

Изобретение относится к импульсной взрывной технике, к взрывным источникам многоразового действия, которые могут быть использованы в энергетической и другой технике. Технический результат заключается в создании виткового генератора импульсного тока, работающего в импульсном или частотно-периодическом режимах, т.е. многоразового действия. Магнитокумулятивный витковый генератор быстронарастающих импульсов многоразового действия содержит внешний виток (1), выполненный из токопроводящего материала, конденсаторную батарею (2), замыкатель-размыкатель (3), гибкую трансформируемую оболочку (4), выполненную из токопроводящего жаропрочного материала, с внутренней полостью (5), служащей для распространения детонационной волны, обеспечивающей расширение гибкой оболочки, входные контакты (7), внешнюю нагрузку (8), диэлектрические стойки (9). Оболочка (4) изготовлена из токопроводящей углеродной ткани на фурнитуре, созданной на основе жаростойкой стали с использованием вольфрама (вместо углеродной ткани может быть применен металлический нетканый материал). Оболочка (4) может быть выполнена в виде многозвенного шарнирного механизма, имеющего форму шестиконечной звезды, соединенной своими вершинами через шарниры (11) с диэлектрическими стойками (9), изготовленными из жаростойкой керамики. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитокумулятивный витковый генератор быстронарастующих импульсов тока, содержащий токовый контур, состоящий из внешнего витка с входными клеммами, конденсаторную батарею и нагрузку, причем внутри витка расположена гибкая оболочка, отличающийся тем, что гибкая оболочка, выполненная из жаропрочного токопроводящего материала, имеет возможность расширения, обеспечивающего контакт с входными клеммами, и последующего сжатия до исходного положения, причем гибкая оболочка соединена с диэлектрическими стойками, радиально закрепленными внутри внешнего витка.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что гибкая оболочка выполнена в виде многозвенного шарнирного механизма, имеющего форму звезды, при этом грани звезды стянуты возвратными пружинами.

3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что гибкая оболочка выполнена в виде «гармошки».

4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что гибкая оболочка изготовлена из металлического нетканого материала.

5. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что гибкая оболочка выполнена из жаростойкой токопроводящей ткани на фурнитуре из жаропрочной стали с использованием вольфрама.

6. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что гибкая оболочка изготовлена многослойной с армированной сеткой, выполненной из жаростойких и жаропрочных материалов.

7. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что содержит несколько последовательно электрически соединенных витков.