Взрывомагнитный генератор Советский патент 1983 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к источникам электрической энергии, а более конкретно, к устройству взрывомагнитных генераторов, предназначенных, например, для нагрева и удержания высокотемпературной плазмы, разгона пластин и оболочек до высоких скоростей и т.п.

Оба указанных применения требуют от взрывных источников выполнения to двух основных условий.

Во-первых, и для нагрева плазмы, и для разгона разнообразных лайнеров о скорости.100 более, необхоимо освоение нового диапазона им- t5 пульсных токов с амплитудой во много есятков миллионов ампер и более, при малом времени нарастания токов (единицы микросекунд)..

Во-вторых, как процессы нагрева и jn удержания плазмы, так и. процессрайгона пластин или оболочек) требуют пределенного времени.

Поэтому потребитель электромагнитной энергии (индуктивная нагрузка) 25 олжен устанавливаться на определенном расстоянии от .взрывного источника с тем, чтобы в результате взрыва источника потребитель либо не разруался вообще, либо сохранялся в течение определенного промежутка времени, необходимого для разгона пластин (или нагрева и удержания плазмы), т.е. необходимо, чтобы взрывной источник озволил получать в удаленной нагрузе (вынесенной индуктивности) токи 35 мплитудой vlOO млн.А.

Взрывные источники электрической энергии, которые удовлетворяли бы указанным двум требованиям одновреённо, до настоящего времени-неизвестно ны.

Известен взрывомагнитный генератор, позволяющий обеспечить питание внешней нагрузки достаточно большой индуктивности, вынесенной из зоны 45 действия ударных волн, который содержит несколько спиральных взры-. вомагнитных генераторов (ВМГ) , расположенных параллельно, соединенных последовательно и инициируемых одно- п временно.

Основным недостатом такого генератора является то, что даже при больших размерах каждого из ВМГ (jJO,35 X 1,5 м) амплитуда импульса тока достигает лишь .10 млн.А.

Для увеличения тока, например до 100 млн.А, необходимо диаметр и длину каждого из применяемых спиральных ВМГ увеличить в л,10 раз (т.е. до диаметра 3 х 15 м). Многостволь- 60 ный ВМГ из отдельных генераторов такого большого размера трудно осуществить практически.

Кроме того, .при увеличении габаритов генератора значительно возрас- 5

тает время нарастания тока, что для ряда применений недопустимо.

Известен другой взрывомагнитный генератор, позволяющий получить в нагрузке импульс тока амплитудой 100 млн.А и более, содержащий деформируемую полость образованную двумя проводящими пластинами, соединенными в центре токопроводяЩей перемычкой, два заряда ВВ, расположенных на внешних поверхностях пластин, индуктивну нагрузку, соединяющую пластины межЛУ собой по периметру, и систему инициирования, установленную со стороны перемычки.

Основным недостатком такого генератора, выбранного за прототип, является сравнительно малая величина отношения энергии, доставленной в нагрузку; к энергии, запасенной в зарядах ВВ (-2%) .

Объясняется это тем, что при выбранном соотношении 1/10 толщины медной пластины (2 мм) и заряда ВВ (20 мм) в сторону пластины движется лишь vl/3 часть продуктов взрыва, остальная часть продуктоввзрыва движется в другую сторону.

Учет противодавления магнитного поля снижает дополнительно толщину слоя продуктов взрыва/ движущихся вслед за пластиной.

Другим недостатком такого генератора является то, что он позволяет получить импульс тока 100 млн.А при работе на индуктивность величиной в доли нГн, т.е. о работе на вынесенную (из области действия ударных волн) индуктивную нагрузку не может быть и речи. ..

Целью изобретения явдяется увеличение коэффициента преобразования энергии ВВ в электрическую и обеспечение возможности {заботы генератора на вынесенную из зоны действия ударных волн индуктивную нагрузку.

Цель достигается тем, что во взрывомагнитном генераторе, содержащем осесимметричные. токопроводявдие пластины для сжатия магнитного потока, соединенные в центре токопроводящей перемычкой, индуктивную нагрузку, заряды ВВ и систему инициирования; расположенную на оси зарядов, пластины для сжатия магнитного потока, соединенные попарно в центре токопроводящими перемычками, уйтановлены друг за другом в металлической трубе с изолирующим зазором, смежные пластины соседних пар соединены между собой по периметру токопроводящими оболочками, объемы между смежными пластинами соседних пар заполнены зарядами ВВ, причем оболочка первого заряда соединена с одним концом трубы а оболочка последнего заряда через цепь нагрузки соединена с другим концом трубы. Кроме того. пластины для сжатия магнитного пото ка содержат комические участки и сближены по периметру в месте расположения токопроводящих оболочек. Предпочтительно толщину оболочки вы бирать в 3-5 раз больше толщины пла . тины, а сами оболочки выполнять выступающими по длине за край пластины, с образованием кольцевых щеле Целесообразно выполнять оболочку в виде полого тороида прямоугольного сечения. Дополнительно на внутренне поверхности тороида в зоне щелей вы полнены кольцевые конические бурти,ки. И наконец, в заряде ВВ установг лена тороидальная вставка из пассив .ного мате1Я1ала, причем ее радиальная толщина уменьшается по мере удаления от плбскости симметрии заряда а одна из поверхностей тороида. прию кает к токопроводящей оболочке, Установка зарядов ВВ между смежны ми пластинами соседних пар позволяет при том же соотношении между толщиной пластины и заряда ВВ, что и у прототипа, увеличить долю энергии ВВ, преобразованную в электрическую Нетрудно показать (см., например формулу (KtgJCktQtrVferq ttc+7rV2 Е - удельная энергия ВВ, S - отношение массы ВВ к массе метаемой пластиГ « 111 отношение массы стенки ГППАч К массе пластины), что в случае разгона пластины OTKI Iтым зарядом ()при выбранном отношении толщины пластины и заряда ВВ в сторону пластины движется л,1/.3 массы ВВ, а в случае разгона двух пластин в противоположные стороны одним зарядом ВВ - половина массы ВВ. Если в прототипе для обслуживания одной полости сжатия требовалось два заряда, скажем по 20 мм, то согласно приведенной выше формуле в предлагаемом устройстве полутолщина каждого из зарядов, обеспечивающих ту же скорость движения пластины, что ив прототипе, должна составить 8,5 мм, |Т.е. чуть больше 1/3. Значит, для обслуживания одной полости сжатия Об1цая толщина двух зарядов (17 мм), в 2,3 раза меньше, чем в прототипе. (40 мм), а скорость движения пластины и величина тока такие же, как в прототипе.J Расположение пар пластин, соединенных токопроводящей перемычкой в трубе друг за другом с образованием между оболочками зарядов и стенкой трубы малоиндуктивных участков передающей линии, и применение переходника кроме увеличения КПД позволяет вынести нагрузку за пределы зоны действия ударных волн, а также увеличить индуктивность самой нагрузки более, чем на порядок по сравнению с прототипом, сохранив при этом амплитуду генерируемого тока на уровне прототипа. Таким образом, реализация предложения позволяет полностью решить поставленную задачу, т.е. удовлетворить указанным вьвие двум условиям одновременно, а именно, получить ток 100 млн.А в вынесенной нагрузочной индуктивности значительно большей величины, чем у прототипа, и, что очень важно, повысить коэффициент преобразования энергий ВВ в электрическую более, чем в 3 раза. На фиг. 1, 2, 3, 4, 5, б, 7 приведены варианты конструкции предлагаемого взрывомагнитного генератора. Генератор (см. фиг. 1) состоит из ряда последовательно соединенных тороидальных прлостей 1 сжатия маг-, нитного потока, подключенных к одной коаксиальной передающей линии 2, снабженной коаксиальным переходником 3 для присоединения к вынесенной нагрузке 4 каждая из полостей сжатия потока с боковых торцов ограничена проводящими пластинами 5, по оси токопроводящей перемычкой 6, каждые две проводящие пластины смежных полостей сжатия соединены по периметру токопроводящей оболочкой 7. Детонаторы 8 соединены проводами 9. Объем между токопроводящей оболочкой и внешними (по отношению к полости сжатия) поверхностями пластин заполнен взрывчатым веществом 10. Для ввода магнитного потока от внешнего источника в генераторе имеется радиальная щель 11 между крайней пластиной первой полости сжатия и первой токопроводящей перемычкой. Токопроводящая оболочка последнего заряда присоединена к внутренней трубе 12, коаксиального переходника 3, а его наружная труба 13 является продолжением трубы передающей линии. После окончания ввода магнитного потока в полости 1 под действием продуктов радиальная щель 11 замыкается и начинается сжатие магнитного потока (во всех полостях одновременно) токопроводящими пластинами 5, которые движутся навстречу друг другу, вытесняя магнитный поток через коаксиальную передающую линию и переходник в вынесенную индуктивную нагрузку 4. В описанной конструкции ВМГ (см. фиг. 1) коэффициент преобразования энергии ВВ в электрическую еграничивается преждевременным прекращением кумуляции из-за разрыва между пластиной и оболочкой в момент, когда полость сжатия выведена не полностью.

Этот эффект играет малую роль для таких ВМГ, у которых отношение аксиальной длины полости сжатия к толщине заряда ВВ заметно меньше единицы. По мере увеличения этого отношения указанный эффект приводитко бое большему недовыводу полости сжатия. Для увеличения коэффициента преобразования энергии ВВ в электрическую путем задержки момента разрыва между пластиной 5 и оболочкой 7 пластина 5 содержит конические участки. У периметра пластины 5 (соединенные токопроводящей перемычкой) сближены, а на остальной части расстояния между ними задаются по закону, обеспечивающему непрерывный вывод полости без отсеканий (см. фиг. 2). В генераторе (см. фиг. 2) решить задачу полного вывода полости сжатия не удается. Прекращение кумуляции наступает- не вследствие разрыва между пластиной и оболочкой, а в результате выхода ударной волны на наружную поверхность оболочки и перемыкания ее с трубой, т.е. позднее, чем в генераторе (см. фиг, 1

Для задержки момента перемыкания (оболочки с трубой), дающего дополнительное увеличение коэффициента преобразования энергии ВВ в электрическую, толщину оболочки 7 выбира ют в 3-5 раз больше толщины пластины 5, а сами оболочки продолжают по длине в обе стороны с образованием между оболочками кольцевых щелей в плоскости соударения пластин (см. фиг. 3). .

Генераторы (см. фиг. 2 и фиг. 3) позволяют решить задачу вывода полости 1 лишь для таких ВМГ, у которых отношение аксиальной длины полости сжатия к толщине заряда ВВ составляет 1-1,5.

Для класса ВМГ, у которых это отношение заметно больше 2, применение технических решений, показанных на фиг. 2 и фиг. 3, не позволяет вывести полости сжатия до конца даже путем дальнейшего утолщения оболочки 7 из-за возникновения откола на ее наружной поверхности, вызывакнцего перемыкание с трубой 13.

В таких ВМГ для обеспечения полного .вывода полости сжатия 1, приводящего к увеличению коэффициента преобразования энергии ВВ в электрическую, оболочку 7 выполняют в виде полого тороида прямоугольного сечения (см. фиг. 4), а при еще большей величине указанного вьвие отношения длины полости к толщине заряда внутреннюю поверхность тороида в зоне щелей снабжают кольцевыми коническими буртиками 14 (см. фиг. 5). В генераторе (см. фиг. 2) при сильном сближении пластин часть положительного эффекта, обусловленного задержкой момента разрыва, позволяющего достичь больших электрических энергий, съедается из-за утолщения зарда, на переферийном коническом участке. Для ликвидации съедания части положительного эффекта в генераторе (см. фиг. 6) в заряд ВВ вводят тороидал.ьную вставку 15 из пассивного материала, располагая ее под оболочкой, радиальную толщину вставки уменьшают по мере удаления от плоскости симметрии заряда.

Применение вставки 15 изпористого материала, например, пенопласта, облицованного металлом 16 (железо, медь) (см. фиг. 7) позволяет не только уменьшить массу ВВ, но и задержать момент выхода ударной волны на наружную поверхность оболочки 7, что дает возможность осуществить полный вывод полости. 1 сжатия при большом отношении длины полости к толщин заряда ВВ,

Результаты испытаний показывают, что по сравнению с прототипом коэффициент преобразования энергии ВВ в магнитную энергию даже в первых опытах, где параметры устройства не подвергались тщательной оптимизации, удалось повысить в раза, а с учетом использования технических решений, показанных на фиг, 2-7, поднять в пять раз по сравнению с прототипом, .

1. ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРА" ТОР, содержащий осесимметричные токо проводящие пластины для сжатия магнитного потока, соединенные в центре, токопроводящей перемычкой, индуктивную нагрузку, заряды ВВ и систему инициирования, расположенную на оси зарядов, отличающийся тем, что, с целью увеличения коэффи-* циента преобразования энергии ВВ в электрическую и обеспечения возможности работы генератора на вынесенную- из зоны действия ударных волн индуктивную нагрузку, пластины для сжатия магнитного потока, соединенные попарно в центре токопроводящи- ми перемычкёши,'Установлены друг[ за другом в металлической трубе с' изолирующим зазором, смежные пластины соседних пар соединены между соо.бой по периметру токопроводящими оболочками, объемы между еяйежньлми пластинами соседних пар заполнены зарядами ВВ, причем оболочка первого заряда соединена с одним концомтрубы, а оболочка последнего заряда через цепь нагрузки' соединена с другим концом трубы.2.Генератор по п. 1, отличающийся тем, что пластины для сжатия магнитного потока содержат конические участки и сближены по периметру в месте расположения токопрЬводящих оболочек.3.Генератор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что' толщина оболочки выбрана в 3-5 раз больше толщины пластины, а сами оболочки выступают по длине за край пластин, образуя кольцевые щели.4.Генератор по п.. 3, отличающийся тем, что оболочка | выполнена в виде полого торойда пря-[ моугольного сечения.5.Генератор по п. 4, отличающийся тем, что на внутрен-]^^" ней поверхности тороида, в зоне щелей, выполнены кольцевые конические буртики.6.Генератор по п-. 2, отличающийся тем, что в заряде ВВ установлена тороидгшьная вставка из пассивного материала, причем ее радиальная толщина уменыиается по мере удаления от плоскости.синвшетрии заряда, а одна из поверхностей тороида примыкает к токопроводящей оболочке .- ^X)о ^ ;о ^ :л