Электротермический ускоритель твердых тел Российский патент 2020 года по МПК H01J27/16 

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно, технике моделирования воздействия микрометеоритов и частиц космического мусора на элементы конструкции и конструкционные материалы космических аппаратов.

Известен электротермический ускоритель (ЭТУ), содержащий разрядную камеру, в которой установлены емкостный накопитель электрической энергии, катод, анод, соединенные в электрическую цепь, изолятор, рабочее тело, инициатор заряда в виде углеродной нити, присоединенные к разрядной камере баллистический ствол с установленным в нем ударником и вакуумная камера с расположенной в ней мишенью (Фиг. 1) [1].

В ЭТУ разгон ударника осуществляется давлением плазмы, образующейся при импульсном протекании электрического тока, который вызван разрядом емкостного накопителя. Резко возрастающее давление срывает ударник с места запрессовки в ствол и, преодолевая сопротивление его движению в стволе, разгоняет ударник. Для увеличения перепада давлений мишень устанавливается в вакуумной камере.

По данным работы [2] диаметр ударника больше диаметра ствола на 0,1 мм, т.е. он запрессовывается в ствол с большим натягом. В запрессованном состоянии происходит движение ударника в стволе, сопровождаемое смятием и срезом его поверхностных слоев, а также повреждением канала ствола.

Это создает большое сопротивление движению ударника и не позволяет достичь скоростей ударника выше 4,2 км/с при скорости потока плазмы до 15 км/с.При этом эффективность преобразования запасенной энергии емкостного накопителя в кинетическую энергию ударника составляет 3-5% [2].

Недостатками известных ЭТУ является низкая скорость вылета ударника вследствие низкого начального давления рабочего тела на ударник и торможение ударника при движении по стволу, которое определяется степенью натяга при запрессовке ударника в канал ствола. Величина давления не является заданным параметром, а является функцией величины натяга, который может удержать давление рабочего тела до определенного предела. Выше его происходит срыв ударника для движения.

Задачей изобретения является увеличение скорости соударения ударника и мишени (достижение технического результата)

Поставленная задача решается тем, что электротермический ускоритель твердых тел содержит разрядную камеру, в которой расположены емкостный накопитель электрической энергии, анод, катод, соединенные в электрическую цепь, изолятор, рабочее тело, инициатор заряда, присоединенные к разрядной камере баллистический ствол с установленным в нем ударником и вакуумная камера с расположенной в ней мишенью, причем ударник снабжен фланцем, герметично соединенным с торцом ствола, на фланце выполнена кольцевая канавка, форма и размеры которой выбраны из условия его среза заданным давлением рабочей среды, при этом срезаемый диаметр фланца меньше диаметра канала ствола.

Профиль кольцевой канавки выполнен в виде треугольника, одна сторона которого расположена перпендикулярно оси ствола. Кроме того, ударник установлен в канале ствола с натягом переходных посадок или с кольцевым зазором, а кольцевой зазор выбран минимальным и задан из условия отсутствия касания ударника и ствола.

На фиг 1. изображен электротермический ускоритель твердых тел.

На фиг 2. изображен ударник, снабженный фланцем.

Электротермический ускоритель твердых тел, содержит разрядную камеру, в которой установлены емкостный накопитель электрической энергии (1), катод (2), анод (3), соединенные в электрическую цепь, изолятор (4), рабочее тело (5), инициатор заряда (б) в виде углеродной нити, присоединенные к разрядной камере баллистический ствол (7) с установленным в нем ударником (8) и вакуумная камера (9) с расположенной в ней мишенью (10)(Фиг. 1).

Ударник (8) выполнен с герметично закрепленным к торцу ствола (7) фланцем (11), на котором выполнена кольцевая канавка, концентричная оси ударника (12), обеспечивающая срезание фланца по диаметру меньше диаметра ствола (Фиг. 2).

Для снижения сопротивления при движении ударника (8) в стволе (7) и снижения повреждаемости ствола (7), он устанавливается с натягом переходных посадок, который значительно меньше, чем натяг при запрессовке. Требуемое давление плазмы удерживается фланцем ударника (11) до его среза и натягом при установке ударника (8), задается параметрами фланца (11) и кольцевой канавки (12) и позволяет, в отличие от прототипа, использовать любую степень натяга ударника (8) в стволе (7).

Возможна установка ударника (8) в стволе (7) с зазором. Тогда параметры фланца (11) рассчитываются из условия удержания требуемого давления плазмы.

При установке ударника (8) в стволе (7) с минимальным кольцевым зазором, величина которого задана из условия сохранения в нем непрерывности потока плазмы, предотвращается их касание и исключается внешнее трение между ними. После среза фланца (11) поток плазмы давит на торец ударника (8), задавая ему движение в стволе (7), и устремляется в кольцевой зазор ударника (8) и ствола (7). Имея более высокую скорость, чем ударник (8), он разделяет ударник (8) и ствол (7) от соприкосновения, снимает сопротивление его движению по стволу и, обтекая ударник (8), создает ему дополнительную тягу по боковой поверхности. В результате возрастает скорость его удара по мишени.

Предлагаемое изобретение позволит повысить к.п.д.

электротермического ускорителя и существенно увеличить скорость вылета ударника из ствола за счет повышения начального давления в разрядной камере и снижения сопротивления при движении ударника в баллистическом стволе вследствие снижения натяга ударника. При установке ударника с зазором и отсутствии касания ударника и ствола сопротивление его движению определяется только силами инерции ударника. Также уменьшается повреждаемость ствола.

Литература

1. Воробьев А.А. Теоретико-экспериментальное исследование процессов внутренней баллистики электротермического ускорителя макротел. Прикладная механика и техническая физика. Т. 59, №4, с. 10-18, 2018.

2. А.В. Козлов, А.В. Котов, В.П. Полищук, А.В. Шурупов. «Легкоплазменный» электротермический ускоритель. Вестник ОИВТ РАН, №1, с. 22-25, 2018.

Изобретение относится к ускорительной технике, а именно, технике моделирования воздействия микрометеоритов и частиц космического мусора на элементы конструкции и конструкционные материалы космических аппаратов. Электротермический ускоритель твердых тел содержит разрядную камеру, в которой расположены емкостный накопитель электрической энергии, анод, катод, соединённые в электрическую цепь, изолятор, рабочее тело, инициатор заряда, присоединённые к разрядной камере баллистический ствол с установленным в нём ударником и вакуумная камера с расположенной в ней мишенью, причем ударник снабжён фланцем, герметично соединённым с торцом ствола, на фланце выполнена кольцевая канавка, форма и размеры которой выбраны из условия его среза заданным давлением рабочей среды, при этом срезаемый диаметр фланца меньше диаметра канала ствола. Технический результат - повышение скорости соударения ударника и мишени. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электротермический ускоритель твердых тел, содержащий разрядную камеру, в которой расположены емкостный накопитель электрической энергии, анод, катод, соединённые в электрическую цепь, изолятор, рабочее тело, инициатор заряда, присоединённые к разрядной камере баллистический ствол с установленным в нём ударником и вакуумная камера с расположенной в ней мишенью, отличающийся тем, что ударник снабжён фланцем, герметично соединённым с торцом ствола, на фланце выполнена кольцевая канавка, форма и размеры которой выбраны из условия его среза заданным давлением рабочей среды, при этом срезаемый диаметр фланца меньше диаметра канала ствола.

2. Электротермический ускоритель твёрдых тел по п. 1, отличающийся тем, что профиль кольцевой канавки выполнен в виде треугольника, одна сторона которого расположена перпендикулярно оси ствола.

3. Электротермический ускоритель твёрдых тел по п. 1, отличающийся тем, что ударник установлен в канале ствола с натягом переходных посадок.

4. Электротермический ускоритель твёрдых тел по п. 1, отличающийся тем, что ударник установлен в канале ствола с кольцевым зазором.

5. Электротермический ускоритель твёрдых тел по п. 4, отличающийся тем, что кольцевой зазор выбран минимальным и задан из условия отсутствия касания ударника и ствола.