Взрывной магнитокумулятивный генератор

Взрывной магнитокумулятивный генератор

Реферат

Изобретение относится к области использования энергии взрыва для получения мощного импульса тока, сильных магнитных полей, может служить источником плазмы высокой температуры, изобретение можно отнести к магнитокумулятивным генераторам и к взрывным магнитогидродинамическим генераторам (МГД-генераторы).

Во взрывных магнитогидродинамических генераторах источником энергии является конденсированное (твердое) взрывчатое вещество. Применение конденсированных взрывчатых веществ в качестве источника энергии позволяет получить сильную ударную волну со скоростью распространения около 10 км/с. При взрыве взрывчатого вещества за фронтом ударной волны движется ударно-нагретый газ с температурой около 10⁴ К, а за ударно-нагретым газом двигаются продукты детонации. Расширение продуктов детонации приводит к быстрому их охлаждению, вызывающему резкое падение их электропроводности. Плотность продуктов детонации на порядок больше плотности ударно-нагретого газа, что приводит к формированию неустойчивости Релея-Тейлора на границе между ударно-нагретым газом и продуктами детонации (Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Энциклопедический словарь. Т.I, стр.257, 260, гл. ред. В.Е.Фортов. М. 2004 г.; Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля, стр.244-248. М. 1972 г.; А.Н.Давыдов, Е.Ф.Лебедев, А.В.Шурупов. Развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в цилиндрическом взрывном течении. Письма в ЖТФ, 1983, том 9, вып.7, с.429-431), т.к. при такой конфигурации создается неустойчивое состояние, потому что малопроводящие, но плотные продукты детонации толкают тормозимый электромагнитными силами малоплотный электропроводный ударно-нагретый газ. Развивающаяся в течение короткого времени (10^-6-10^-5 с) неустойчивость Релея-Тейлора приводит к перемешиванию электропроводного ударно-нагретого газа с неэлектропроводными продуктами детонации. В результате чего происходит снижение электропроводности рабочего газа (А.Н.Давыдов, Е.Ф.Лебедев, А.В.Шурупов. Развитие Релей-Тейлоровской неустойчивости в цилиндрическом взрывном течении. Письма в ЖТФ, 1983, том 9, вып.7, с.431), и, соответственно, снижается эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую в магнитогидродинамическом процессе.

Устройство взрывных МГД-генераторов делится на два вида по типу взрывного течения - линейные и цилиндрические преобразователи (Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Энциклопедический словарь. Т.I, стр.257-260, М. 2004 г.).

В линейном взрывном генераторе ударная волна распространяется по прямолинейному каналу перпендикулярно магнитному полю в нем. Вдоль МГД-канала располагаются электроды, на которых происходит съем тока, который возникает при движении плазмы перпендикулярно направлению магнитного поля, под действием которого индуцируется электрическое поле Е=В*v, где В - магнитная индукция, v - скорость ударно нагретого газа.

В цилиндрической схеме взрывного МГД-генератора магнитное поле направлено параллельно оси генератора, а взрывчатое вещество расположено на оси генератора. При подрыве взрывчатого вещества, производимом вдоль его оси, разлет продуктов детонации происходит аксиально-симметрично. Плазма ударно-нагретого газа, двигаясь по радиусу цилиндра к стенкам цилиндра, пересекает линии магнитного поля, что создает электрическое поле. В результате по расширяющемуся цилиндру ударно-нагретого газа течет кольцевой ток.

Существует два способа съема энергии тока в цилиндрических взрывных МГД-генераторах.

В первом случае в индуктивной обмотке, располагающейся с внешней стороны канала, на каждом ее витке возникает ЭДС, равная 2*π*r*Е (r,t), где r - радиус витка, Е (r,t) - вихревое электрическое поле в месте расположения витка.

Во втором случае индуцированный кольцевой ток выводится с помощью специального размыкающего токосъемного элемента, на диэлектрических плоскостях которого установлены электроды, соединенные с внешней нагрузкой (Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Энциклопедический словарь. Т.I, стр.259, М. 2004 г.).

Обычная схема цилиндрического взрывного МГД-генератора, также как и линейная схема, подвержена образованию неустойчивости Релея-Тейлора.

Преимуществами цилиндрической схемы МГД-генератора по сравнению с линейной являются простота получения необходимого магнитного поля (соленоид) и отсутствие отдачи при подрыве взрывчатого вещества.

Как источники сильных магнитных полей и токов известны также взрывомагнитные магнитокумулятивные генераторы (МК-генераторы) - импульсные источники электромагнитной энергии одноразового действия (Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Энциклопедический словарь. Т.I, стр.262-263. М. 2004 г.; Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля, стр.256-262. М. 1972 г.; А.Д.Сахаров. Взрывомагнитные генераторы. УФН. 1966 г. Апрель. Том 88, вып.4, с.725-734). Действие взрывного МК-генератора основано на импульсном сжатии магнитного потока. Начальное магнитное поле в МК-генераторе создается внешним импульсным источником магнитного поля (соленоидом, через который проводится ток от разряда высоковольтной конденсаторной батареи), который окружает проводник с высокой электропроводностью. Проводник подвергается деформации в результате воздействия подрыва заряда взрывчатого вещества. Обычно цилиндрический заряд взрывчатого вещества окружает проводящий металлический цилиндр с щелью (щель в проводнике создается для того, чтобы начальное импульсное магнитное поле могло попасть внутрь проводящего цилиндра). Перед подрывом взрывчатого вещества во внутреннем объеме цилиндра создается максимальное магнитное поле. После подрыва взрывчатого вещества происходит радиальное сжатие металлического цилиндра (при этом щель исчезает) сходящейся цилиндрической ударной волной. Ввиду малого электрического сопротивления металлического цилиндра магнитное поле внутри цилиндра сжимается, и, в идеальном случае, величина магнитного поля возрастает пропорционально 1/R². Таким способом возможно получение импульсного магнитного поля напряженностью около 10 МЭ и тока около 10⁸ А.

Известен генератор из патента РФ №2343624 «Способ генерации импульсного магнитного поля (варианты)» (принятый за прототип). Известный генератор содержит полый цилиндр, выполненный из металла, обладающего низкой электропровдностью. Полый цилиндр размещен в полости соленоида. Цилиндр выполнен с возможностью вращения. Вращение цилиндра вокруг оси в момент сжатия может быть создано путем принудительного вращения всего генератора или цилиндра отдельно. Если по конструктивным причинам обеспечить принудительное вращение цилиндра в момент сжатия невозможно, создать вращение материала цилиндра в момент его обжатия можно путем использования явления возникновения вращения материала стенки сжимаемого взрывом цилиндра, выполненного методом ротационного выдавливания (раскатки).

Работа известного генератора заключается в следующем. Во внутреннюю полость вращающегося цилиндра вводят начальное магнитное поле и осуществляют последующее осесимметричное сжатие цилиндра. Начальное магнитное поле создается при помощи соленоида, на обмотку которого, расположенную снаружи цилиндра концентрично с ним, подается разряд тока от высоковольтного конденсатора. При последующем осесимметричном быстром сжатии вращающегося цилиндра размеры внутренней полости уменьшаются, а индуктивность магнитного поля возрастает на порядок. Благодаря вращению цилиндра в момент сжатия магнитного поля не происходит развития неустойчивостей по типу Релея-Тейлора, т.к. действующие на материал цилиндра центробежные силы не позволяют им развиваться.

Недостатком известного генератора (принятого за прототип) является то, что данный генератор может быть использован только однократно, т.к. при взрыве происходит разрушение почти всей рабочей системы генератора.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, - создание взрывного магнитокумулятивного генератора многократного действия, улучшение характеристик вырабатываемого электрического импульса, генерируемого плазмой сходящейся цилиндрической ударной волны, образованной при подрыве взрывчатого вещества.

Заявляемый результат достигается тем, что во взрывном магнитокумулятивном генераторе, содержащем полый цилиндрический корпус, внутренняя полость которого заполнена рабочим газом, размещенный снаружи цилиндрического корпуса концентрично с ним соленоид, катушку индуктивности, размещенную между соленоидом и цилиндром концентрично с ними, привод, предназначенный для вращения цилиндрического корпуса, взрывчатое вещество, согласно изобретению взрывчатое вещество расположено тонким слоем на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, цилиндрический корпус выполнен из высокопрочного материала с низкой электропроводностью.

Взрывной магнитогидродинамический генератор может дополнительно содержать источник светового излучения, а взрывчатое вещество может являться светочувствительным.

Взрывчатое вещество может иметь слоистую структуру, при этом наружный слой, выходящий во внутреннюю полость цилиндрического корпуса, представляет собой слой светочувствительного взрывчатого вещества.

Взрывной магнитогидродинамический генератор может быть размещен в камере, заполненной рабочим газом.

Возможно, чтобы торцы цилиндрического корпуса были закрыты легко разрушаемыми перегородками.

Цилиндрический корпус целесообразно выполнить из высокопрочного металлического сплава или композитной керамики.

Заявляемый генератор содержит цилиндрический корпус, выполненный из высокопрочного металлического сплава или композитной керамики, обладающих низкой электрической проводимостью.

При работе генератора корпус вращается вокруг своей продольной оси. При этом корпус приводится во вращение приводом, связанным с корпусом. Тип привода не имеет значения, главное, чтобы он выполнял функцию вращения корпуса.

За наружной поверхностью корпуса вдоль него (с зазором) размещен соленоид, создающий магнитное поле.

Между соленоидом и корпусом размещена индуктивная обмотка с зазором от наружной поверхности корпуса, обмотка предназначена для съема энергии (тока).

Внутренняя поверхность корпуса покрыта тонким слоем взрывчатого вещества.

Полость корпуса заполнена рабочим газом.

Для изоляции объема газа в полости корпуса от внешней среды торцы корпуса могут быть снабжены легкоразрушаемой перегородкой или же все устройство может быть размещено в герметичной камере, заполненной рабочим газом.

Улучшение характеристик вырабатываемого электрического импульса, генерируемого плазмой сходящейся цилиндрической ударной волны, образованной при подрыве взрывчатого вещества, достигается подавлением условий развития формирования неустойчивости Релея-Тейлора на границе между ударно-нагретым газом и продуктами детонации за сходящейся ударной волной, при одновременном увеличении скорости и температуры ударно-нагретого газа и ударной волны по мере ее продвижения к оси цилиндра.

Оптимальное начальное рабочее давление в корпусе 1 составляет 0,1-10 кПа (Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Энциклопедический словарь. Т.I, стр.257, 261. М. 2004 г.). Полость цилиндра, выполненного из прочного малопроводящего материала, заполнена рабочим газом (например, гелием или аргоном). Для создания в полости цилиндра необходимого давления газа ~1 кПа весь генератор размещен в камере, заполненной рабочим газом. В случае рабочего давлении ≈100 кПа для создания необходимого состава газа в полости цилиндра торцы цилиндра могут быть заглушены легкоразрушаемой перегородкой.

В момент времени с наибольшей величиной магнитного поля производится подрыв взрывчатого вещества. Образуется сходящаяся к оси цилиндра ударная, волна, за которой в этом же направлении двигается ударно-нагретый газ, толкаемый продуктами детонации. Благодаря центробежным силам, действующим при вращении цилиндра на ударно-нагретый газ и продукты детонации, подавляется возникновение неустойчивости Релея-Тейлора на их границе. На электропроводный ударно-нагретый газ со стороны магнитного поля действует тормозящая электромагнитная (пондеромоторная) сила, совершающая работу. Съем электрической энергии происходит через индукционную обмотку. На каждом витке индукционной обмотки возникает ЭДС, равная 2*π*r*E (r,t), где r - радиус витка, Е (r,t) - вихревое электрическое поле в месте расположения витка.

Использование для взрыва взрывчатого вещества, нанесенного тонким слоем на внутреннюю поверхность цилиндра, выполненного из высокопрочного материала, исключает повреждение цилиндра и всего устройства при взрыве, что позволяет его использовать многократно.

Для обеспечения взрыва одновременно по всей внутренней поверхности цилиндра целесообразно использовать в качестве взрывчатого вещества светочувствительное взрывчатое вещество, которое взрывается, например, при действии импульса лазерного луча с определенной длиной волны, рассеянного оптическим элементом (например, рассеивающая линза) на всю внутреннюю поверхность цилиндра. Для большей однородности освещения возможно синхронное облучение внутренней поверхности цилиндра двумя лазерами с рассеивающими оптическими элементами, расположенными у разных торцов цилиндра. В качестве такого светочувствительного вещества можно использовать взрывчатые вещества ВС-2, ВС-7, чувствительные к энергии зажигания лазерным моноимпульсом (а также их смесь с другими ВВ), равным соответственно 2,3*10^-3 Дж/см² и 5*10^-3 Дж/см² (В.В. Соболев «Технология и безопасность выполнения взрывных работ», краткий курс лекций; Министерство образования и науки Украины, Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008 г. (также данная информация содержится в Интернете по адресу: http://striletsa.ucoz.ru/load/0-0-0-10-20).

Под воздействием лазерного луча, практически мгновенно перекрывающего всю поверхность взрывчатого вещества, инициируется взрыв взрывчатого вещества.

Для обеспечения инициирования взрыва вышеуказанным способом заявляемый генератор может содержать источник излучения.

Одновременную детонацию взрывчатого вещества по всей поверхности цилиндра можно осуществить, применив импульсный источник СВЧ-излучения и введя во взрывчатое вещество проводящую добавку, которая будет нагрета СВЧ-импульсом, что приведет к инициации детонации.

Заявляемый магнитокумулятивный (МК) генератор является взрывным МК-генератором, который позволяет генерировать мощный электрический импульс, создавать сильное магнитное поле, быть источником плазмы с Т~10⁵ К и более, использование которого возможно многократно.

Светочувствительное взрывчатое вещество может быть введено в обычное взрывчатое вещество, прозрачное для длин волн, приводящих к инициации подрыва светочувствительного взрывчатого вещества.

Заявляемый магнитокумулятивный генератор поясняется чертежом.

На фигуре изображено продольное сечение заявляемого генератора.

Заявляемый магнитокумулятивный генератор содержит полый цилиндрический корпус 1, за наружной поверхностью которого, с зазором, вдоль нее размещен соленоид 2. Между соленоидом 2 и корпусом 1 размещена обмотка индуктивности 3, предназначенная для съема тока. Соленоид 2, предназначенный для создания магнитного поля, и обмотка индуктивности 3 расположены соосно (концентрично) с корпусом 1. Корпус 1 связан с приводом 4, обеспечивающим вращение цилиндра 1. На внутреннюю поверхность корпуса 1 нанесено светочувствительное взрывчатое вещество 5, например ВС-2. Заявляемый генератор содержит источник светового излучения 6 (лазер) с рассеивающей оптической системой 7, обеспечивающий инициирование взрыва взрывчатого вещества. Внутренняя полость корпуса 1 заполнена рабочим газом (например, гелием). Корпус 1 выполнен из высокопрочного металлического сплава или композитной керамики. Толщина корпуса 1 составляет ~1 см, толщина слоя взрывчатого вещества составляет ~1 мм., т.е. толщина слоя взрывчатого вещества примерно на порядок меньше толщины корпуса 1. Конструкция привода 4 не имеет значения, привод может быть любой, главное, чтобы он обеспечивал вращение корпуса 1. Соленоид 2 и обмотка индуктивности 3 могут быть связаны с корпусом 1, в этом случае при действии привода 4 будут вращаться корпус 1 совместно с соленоидом 2 и обмоткой индуктивности 3. Однако в этом случае конструкция генератора будет значительно усложнена средствами, обеспечивающими вращение всех конструктивных элементов генератора, и средствами, обеспечивающими эффективное соединение токопроводов к соленоиду и индуктивной обмотке. Поэтому для простоты конструкции и надежности работы генератора целесообразно, чтобы вращение корпуса 1 осуществлялось независимо от соленоила 2 и обмотки индуктивности 3. В этом случае соленоид 2, обмотка 3 индуктивности и корпус 1 не связаны друг с другом, и при действии привода 4 будет вращаться только корпус 1.

В качестве рабочего газа можно применять инертный газ, например гелий. Для повышения проводимости газа в него можно вводить присадки щелочных металлов, например цезий.

Заявляемый взрывной магнитокумулятивный генератор работает следующим образом.

Вращение корпуса 1 обеспечивается приводом 4. В момент, когда величина магнитного поля в цилиндре 1 будет максимальной, осуществляют подрыв взрывчатого вещества 5 под действием светового импульса от источника 6 с оптическим элементом 7. Взрыв осуществляется одновременно по всей внутренней поверхности корпуса 1. В результате взрыва образуется сходящаяся к оси цилиндра ударная волна, за которой следует электропроводный ударно-нагретый газ, толкаемый продуктами детонации. При этом на каждом витке обмотки индуктивности 3 возникает ЭДС (электродвижущая сила), генерируемый на обмотке 3 электрический импульс подается на внешнюю нагрузку.

1. Взрывной магнитокумулятивный генератор, содержащий полый цилиндрический корпус, внутренняя полость которого заполнена рабочим газом, размещенный снаружи цилиндрического корпуса концентрично с ним соленоид, катушку индуктивности, размещенную между соленоидом и цилиндром концентрично с ними, привод, предназначенный для вращения цилиндрического корпуса, взрывчатое вещество, отличающийся тем, что взрывчатое вещество расположено тонким слоем на внутренней поверхности цилиндрического корпуса, цилиндрический корпус выполнен из высокопрочного материала с низкой электропроводностью.

2. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит источник светового излучения, а взрывчатое вещество является светочувствительным.

3. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит источник СВЧ-излучения, а взрывчатое вещество содержит проводящую добавку.

4. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что генератор размещен в камере, заполненной рабочим газом.

5. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что торцы цилиндрического корпуса закрыты легко разрушаемыми перегородками.

6. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что взрывчатое вещество жидкое.

7. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что цилиндрический корпус выполнен из высокопрочного металлического сплава или композитной керамики.

8. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что начальное давление рабочего газа в цилиндрическом корпусе составляет 0,1-10,0 кПа.

9. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что рабочим газом служит инертный газ.

10. Взрывной магнитокумулятивный генератор по п.1, отличающийся тем, что рабочий газ содержит присадку щелочного металла.