Взрывной генератор электромагнитных импульсов Российский патент 2019 года по МПК F42B1/00 H01J25/02 

Изобретение относится к области использования энергии взрыва для получения сильных магнитных и электрических полей, в частности к генераторам электромагнитных импульсов (ЭМИ).

Явление генерации ЭМИ при взрыве зарядов конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) достаточно хорошо известно и описано в научно-технической литературе (например, 1. Прищепенко А.Б. Взрывы и волны. Взрывные источники электромагнитного излучения радиочастотного диапазона. - М.: БИНОМ. Лабораторные знания, 2008. 2. Сверхсильные магнитные поля: Физика. Техника. Применение. Труды третьей Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей. - М.: Наука, 1984. 3. Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев Н.Н. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2004 и др.). Тем не менее, до сегодняшнего дня единого мнения о механизме возникновения ЭМИ при детонации конденсированных ВВ среди как отечественных, так и зарубежных исследователей так и не сложилось. Считается, что электрические процессы на фронте детонационной волны могут быть связаны с так называемой «ударной поляризацией» (объемной поляризацией динамически нагруженного диэлектрика, к которому можно отнести по своим физическим свойствам ВВ с движущимся по нему детонационным фронтом), диффузией электронов с фронта детонационной волны, пьезоэффектом, разрушением кристаллов ВВ, адиабатическим сжатием газовых включений, присутствующих в реальных ВВ вследствие неоднородности их по своей структуре из-за пористости, наличия границ раздела отдельных зерен, содержания примесей, образования дефектов кристаллической решетки и т.д. В области детонационной волны (в зоне быстрых экзотермических реакций) электромагнитные явления связывают с термической ионизацией.

Несмотря на это, на практике такие устройства, обеспечивающие преобразование энергии взрыва в энергию электромагнитного импульса нашли применение, хотя и ограниченное.

Так, известны (4. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М.: Мир, 1972. с. 391) взрывные магнитокумулятивные (МК) генераторы, используемые для получения мощных электромагнитных импульсов. Однако длительность этих импульсов зачастую не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным источникам импульсной электромагнитной энергии. Кроме того, к недостаткам данных устройств, исключающим практически возможность их использования в миниатюрных системах, относятся: 1) громоздкость и сложность конструкций, включающих соленоиды внешнего магнитного поля, мощные конденсаторные батареи, внешние и внутренние электроды, сопротивления, изоляторы и т.д.; 2) потребность во внешнем или встроенном источнике питания (источнике электродвижущей силы - ЭДС.) большой емкости.; 3) сравнительно низкие коэффициенты усиления тока и энергии из-за больших потерь магнитного потока и низкого коэффициента индуктивности.

Известен (5. Швецов Г.А., Матросов А.Д. Взрывной МК-генератор с внешним возбуждением. - Сверхсильные магнитные поля / Под ред. В.М. Титова, Г.А. Швецова. - М.: Наука, 1984. с. 263) МК-генератор с внешним возбуждением, используемый для получения обостренного мощного электрического импульса. Однако ему присущи те же, перечисленные выше недостатки, ограничивающие применение его в качестве мобильного автономного источника энергии.

Известен (6. Патент РФ №2044252 С1, МПК F42B 1/00. Взрывной магнитокумулятивный генератор; опубл. 20.09.1995) взрывной МК-генератор, снабженный дополнильным электродом, размещенным в заряде ВВ по его оси и электрически соединенным с внутренним и внешним электродами посредством регулировочного сопротивления, что позволяет обострить фронт выходного импульса тока и существенно увеличить его амплитуду. За счет этого усовершенствования снимается последний из перечисленных выше недостатков, присущих известным МК-генераторам, но сохраняются первые два.

Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в устранении указанных недостатков, а именно:

- в существенном упрощении конструкции устройства;

- в снижении массово-габаритных параметров изделия и в обеспечении его миниатюризации;

- в значительном снижении энергопотребления устройства от бортовых источников питания и полный отказ от внешних источников ЭДС;

- в достижении универсальности устройства вне зависимости от условий его применения, включая способ доставки его к месту действия;

- в постоянной готовности к срабатыванию и чрезвычайно малом времени для подготовки к задействованию;

- в снижении стоимости, повышении технологичности изготовления устройства, в расширении его функциональных возможностей.

Для достижения указанного технического результата устройство по предлагаемому изобретению содержит как и все аналоги корпус из конструкционного металла, основной заряд высокобризантного взрывчатого вещества (ВВ) и систему инициирования детонации, включающую взрывные элементы - инициирующие устройства (например, электродетонаторы, капсюли-детонаторы, светодетонаторы, взрывные патроны и др.), при необходимости дополнительные детонаторы (передаточные и усилительные заряды) и комплект вспомогательных приспособлений и устройств, обеспечивающих задействование взрывных элементов - инициирующих устройств.

В отличие от аналогов корпус устройства по предлагаемому изобретению представляет собой две параллельные изолированные друг от друга металлические тонкостенные, толщиной до 0,5 мм, пластины, изготовленные из алюминия или алюминий-магниевого сплава, с загнутыми навстречу друг другу по радиусу или под тупым углом краями и скрепленные между собой по крайней мере одним стягивающим приспособлением из тонкого электроизоляционного материала типа изоляционной ленты или ленты «Скотч». При этом расстояние между стенками корпуса (между пластинами) не менее, чем в два раза превышает критический диаметр детонации ВВ. Система инициирования детонации выполнена двухсторонней, при которой взрывные элементы - инициирующие устройства и, при необходимости, дополнительные детонаторы размещены навстречу друг другу на одной оси с противоположных торцов заряда, в зазорах между стенками корпуса устройства, при этом инициирующие устройства и дополнительные детонаторы выполнены однотипными.

В порядке решения поставленной задачи заявляемое устройство может характеризоваться следующими совокупностями дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):

- корпус устройства может иметь форму двух соединенных вместе полусфер, полуэллипсоидов, либо комбинированных оболочек вращения типа «полусфера-цилиндр», «полуэллипсоид-цилиндр»;

- корпус устройства может иметь на поверхностях продольные или поперечные гофры;

- в качестве взрывчатого вещества основного заряда устройства могут быть использованы алюминийсодержащие смесевые кристаллические или пластичные, или эластичные взрывчатые вещества и составы (например, A-IX-2, ОМА, ПВВ-5А и др.), а дополнительные детонаторы могут быть изготовлены из ВВ, более мощного, чем ВВ основного заряда;

- в средней части основного заряда ВВ на равно удаленном расстоянии от обоих взрывных элементов - инициирующих устройств может быть размещен слой плазмообразующего состава, содержащего, к примеру, ультрадисперсный алюминий, нитрат калия или нитрат цезия.

В предлагаемой конструкции отсутствуют соленоид, конденсаторная батарея, электроды, изоляторы, сопротивления и другие элементы электрорадиоаппаратуры, что сильно упрощает конструкцию устройства и улучшает его массово-габаритные характеристики.

Предлагаемое устройство не требует для своей работы мощных и громоздких бортовых автономных источников питания или внешних линий подключения к стационарным источникам тока, что существенно снижает энергопотребление предлагаемого устройства, упрощает его конструкцию, позволяет обеспечивать доставку устройства к месту использования различными способами, включая применение ствольных артиллерийских систем, минометных, реактивных систем, других метательных установок и устройств сбрасывания с любого летательного аппарата и т.д.

Благодаря тому, что предлагаемое устройство содержит элементы и узлы только с детонирующим снаряжением (основной заряд ВВ, инициирующие устройства, дополнительные детонаторы) обеспечивается высокое единообразие его действия в любых условиях вне зависимости от параметров окружающего пространства и возмущающих нагрузок, достигается постоянная готовность к немедленному срабатыванию.

Из-за простоты конструкции и недефицитности отечественных материалов и элементной базы, необходимых для производства предлагаемого устройства, оно обладает низкой стоимостью, высокой технологичностью изготовления, не требует задействования сложного и дорогостоящего оборудования, привлечения высококвалифицированной рабочей силы.

Изобретение иллюстрируется рисунками (фиг. 1-5). На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, корпус которого выполнен из двух параллельных пластин; на фиг. 2 - корпус выполнен в виде двух полусфер. На фиг. 3 представлено сечение предлагаемого устройства с гофрированными стенками корпуса. На фиг. 4 - схема заявленного устройства (как вариант, с гофрированными стенками корпуса) со слоем из плазмообразующего состава, размещенным в средней части основного заряда ВВ. На фиг. 5 приведена типичная осциллограмма регистрации ЭМИ при подрыве сборки, выполненной по схеме, приведенной на фиг. 1, в которой в качестве основного заряда использовалось пластичное взрывчатое вещество ПВВ-5А массой 80 г. Регистрация импульса осуществлялась измерительной системой на основе цифрового осциллографа персонального компьютера В-424 и антенных устройств, расположенных на расстоянии 20 м от сборки. Одна антенна в виде симметричного диполя подключалась к первому входу осциллографа, а другая (рамочная) антенна - ко второму входу. На фиг. 1-фиг. 4 приняты следующие обозначения: 1 - система инициирования детонации; 2 - основной заряд ВВ; 3 - корпус устройства; 4 - плазмообразующий состав. Стягивающие приспособления на схемах условно не показаны.

Предлагаемое устройство используется и работает следующим образом. При инициировании детонации в основном заряде ВВ (снаряжении) устройства детонационные волны и продукты детонации, двигаясь навстречу друг другу, сходятся в центральной части заряда ВВ. В результате схождения волн и продуктов детонации создается область с чрезвычайно высокими параметрами (давлением и температурой). В результате этого происходит ударная поляризация и термическая ионизация среды, сопровождающиеся генерацией электромагнитного импульса. Корпус устройства под действием детонационных волн расширяется и дробится, образуя большое количество осколков. В межосколочное пространство, как между электродами, начинают истекать продукты разложения взрывчатого вещества основного заряда и плазмообразующего состава, формируя серию затухающих электромагнитных импульсов, как за счет истечения, так и в результате протекания вторичных реакций окисления металлических горючих (осколков корпуса, а также алюминия, входящего как в состав ВВ основного заряда, так и в плазмообразующий состав) и ионизации окружающей воздушной среды, поскольку тепловая энергия нагретого до высокой температуры газа при быстром его охлаждении за счет расширения и разгона до сверхзвуковых скоростей непосредственно преобразуется в энергию электромагнитного излучения.

Из известных авторам патентно-информационных источников не известна совокупность признаков, сходных с признаками заявленного объекта (устройства).

Изобретение относится к области использования энергии взрыва и предназначено для преобразования ее в энергию электромагнитного импульса повышенной мощности. Взрывной генератор состоит из металлического корпуса в форме либо двух изолированных друг от друга плоских пластин из алюминия или алюминий-магниевого сплава толщиной не более 0,5 мм, либо в форме соединенных вместе изолированных тонкостенных оболочек вращения: полусфер, полуэллипсоидов или комбинированных оболочек «полусфера-цилиндр», «полуэллипсоид-цилиндр». Внутри корпуса размещен основной заряд высокобризантного взрывчатого вещества (ВВ) в виде алюминийсодержащего смесевого кристаллического, или пластичного, или эластичного ВВ, или состава с толщиной (диаметром), по крайней мере в два раза превышающей критический диаметр его детонации. Система инициирования детонации включает в себя два однотипных взрывных элемента - инициирующих устройства, расположенных в изолированных зазорах корпуса на одной оси, направленных донышками навстречу друг другу и задействуемых одновременно. При необходимости система инициирования может содержать дополнительно передаточные и/или усилительные заряды-детонаторы. Корпус устройства может иметь продольные и/или поперечные гофры, а в средней части основного заряда ВВ на равно удаленном расстоянии от взрывных элементов - инициирующих устройств может размещаться слой плазмообразующего состава. Достигается существенное упрощение конструкции и технологии изготовления устройства, его миниатюризация, значительное снижение энергопотребления от бортовых источников питания и полный отказ от внешних источников ЭДС, обеспечивается универсальность устройства вне зависимости от условий его применения, включая способ доставки устройства к месту срабатывания (ствольные артиллерийские, минометные, реактивные системы, любые летательные аппараты). 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Взрывной генератор электромагнитных импульсов, включающий металлический корпус из конструкционного материала, основной заряд бризантного взрывчатого вещества и систему инициирования детонации, включающую взрывные элементы - инициирующие устройства, дополнительные передаточные и/или усилительные детонаторы и комплект вспомогательных приспособлений и устройств, обеспечивающих задействование взрывных элементов - инициирующих устройств, отличающийся тем, что корпус выполнен составным из двух одинаковых частей либо коробчатого типа, имеющих не закрытую форму и представляющих собой две параллельные пластины с загнутыми навстречу краями, либо имеющих форму полусфер или полуэллипсоидов, направленных открытыми полостями навстречу друг другу, при соблюдении условия отсутствия контакта между ними, изготовленных из тонкого, толщиной до 0,5 мм, листа алюминия или алюминий-магниевого сплава, скрепленных между собой по крайней мере одним стягивающим приспособлением из тонкого электроизоляционного материала в виде изоленты, либо клеящей ленты типа «Скотч», при этом основной заряд представляет собой либо литые или прессованные шашки индивидуальных или смесевых взрывчатых веществ, либо заряды пластичных или эластичных взрывчатых веществ, повторяющих по форме сложенные вместе внутренние полости частей корпуса с учетом гарантированного зазора между этими частями, а система инициирования выполнена двухсторонней, где однотипные взрывные элементы и однотипные детонаторы размещены навстречу друг другу на оси устройства в зазорах между частями корпуса

2. Взрывной генератор по п. 1, отличающийся тем, что обе части корпуса выполнены с продольными или с поперечными гофрами.

3. Взрывной генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве снаряжения основного заряда устройства применено алюминийсодеражащее либо смесевое литьевое или прессовое кристаллическое взрывчатое вещество, либо пластичное, либо эластичное взрывчатое вещество.

4. Взрывной генератор по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в средней части основного заряда на равном удалении от дополнительных детонаторов и/или взрывных элементов - инициирующих устройств размещена шашка из плазмообразующего состава, содержащего ультрадисперсный алюминий.