УТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ ИМПЛОЗИИ ЛАЙНЕРА
DEVICE FOR STUDY OF HIGH-SPEED IMPLOSION OF LINER

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к области магнитной кумуляции энергии, где сжатие магнитного потока осуществляется с помощью сходящихся навстречу друг другу проводников под действием продуктов взрыва зарядов взрывчатого вещества (ВВ), и может быть использовано для исследований по физике плазмы, разгона пластин и оболочек до высоких скоростей и т.п.
Из уровня техники известно устройство для исследования эффективности высокоскоростной имплозии лайнера (Proceedings of the Ninth International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics/Edited V.D. Selemir, L.N. Plyashkevich. - Sarov, VNIIEF, 2004. - «Results of The Joint VNIIEF/LANL Experiment ALT-2 Modeling The "Atlas" Facility Parameters By Means of Disk EMG», Fig. 1, P. 752-756), которое является наиболее близким по количеству сходных признаков.
Устройство по прототипу состоит из предусилителя энергии на основе спирального взрывомагнитного генератора (ВМГ), усилителя энергии на основе дискового ВМГ, содержащего элементы с дисковыми зарядами ВВ, взрывного узла отключения спирального ВМГ от дискового ВМГ, электровзрывного фольгового размыкателя тока (ФРТ), расположенного в зазоре между элементами и внутренней поверхностью наружного проводника дискового ВМГ, взрывного замыкателя тока (ВЗТ) для подключения нагрузки, лайнерного пондеромоторного узла (ПУ) в качестве нагрузки, передающей линии от дискового ВМГ к нагрузке с высоковольтной изоляцией, имеющей коаксиальный и радиальный участки.
Дисковый ВМГ выполнен в виде многоэлементной сборки с узлом осевого инициирования дисковых зарядов ВВ и снабжен узлом отключения с внутренним расположением узла инициирования его заряда ВВ. Лайнерный ПУ подключается к ФРТ с помощью ВЗТ радиального исполнения, установленного в разрыве внутреннего проводника коаксиальной передающей линии. Высоковольтная изоляция передающей линии к лайнерному ПУ необходимой толщины изготавливается из нескольких десятков слоев тонкой пленки из лавсана и выполнена в виде единой детали с двумя угловыми переходами сочленения изоляций коаксиального участка передающей линии с радиальным и радиального участка передающей линии с коаксиальной изоляцией лайнерного ПУ. Лайнерный ПУ устанавливается поэлементно после сборки токоподводящих проводников и монтажа изолятора передающей линии. Недостатками данного устройства являются:
- расположенный в разрыве внутреннего проводника передающей линии к нагрузке ВЗТ, который вносит существенную долю в общую индуктивность передающей линии, повышая напряжение в передающей линии и снижая выходные параметры устройства. ВЗТ имеет сложную систему инициирования содержащегося в нем заряда ВВ, усложняющую конструкцию осевого инициатора дисковых элементов дискового ВМГ и узла его отключения от спирального ВМГ;
- угловые переходы многослойного изолятора из пленочного лавсана, в т.ч. с глицериновой пропиткой, электропрочность которого из-за вероятностных дефектов случайного характера в межслойных промежутках, возникающих при его изготовлении, может существенно понижаться;
- последовательная сборка взрывомагнитной системы и лайнерного ПУ в специальных условиях, затрудняющих контроль контактных соединений, усложняющих обеспечение вакуума в полости лайнерного ПУ, что увеличивает время окончательной подготовки устройства к работе.
При создании данного изобретения решалась задача создания устройства для исследования разгона магнитным полем конденсированного лайнера до скоростей более 20 км/с и использования его в качестве ударника для получения ударно-волновых давлений терапаскального диапазона и измерения ударных адиабат различных материалов при таких давлениях.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в увеличении выходных характеристик (мощности и энергии, передаваемой в нагрузку) за счет увеличения надежности, повышения электропрочности изоляции, уменьшения индуктивности передающей линии от дискового ВМГ к нагрузке, а также в повышении эффективности сборочных работ устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для исследования эффективности высокоскоростной имплозии лайнера, содержащем предусилитель энергии на основе спирального взрывомагнитного генератора (ВМГ), усилитель энергии на основе дискового взрывомагнитного генератора ВМГ, содержащего элементы с дисковыми зарядами ВВ, взрывной узел отключения спирального ВМГ от дискового ВМГ, электровзрывной фольговый размыкатель тока (ФРТ), расположенный в зазоре между элементами дискового ВМГ и внутренней поверхностью его наружного проводника, взрывной замыкатель тока для подключения нагрузки, лайнерный пондеромоторный узел в качестве нагрузки, передающую линию от дискового ВМГ к нагрузке с высоковольтной изоляцией, имеющую коаксиальный и радиальный участки, в наружном проводнике дискового ВМГ в зоне его входного торцевого фланца выполнен поперечный разрез, заполненный диэлектриком, взрывной замыкатель тока расположен на внешней поверхности наружного проводника в зоне разреза, высоковольтная изоляция выполнена в виде системы двух изоляторов - коаксиального и радиального, сопрягаемых между собой переходным участком в виде полости, заполненной диэлектрической жидкостью, с возможностью принудительного заполнения технологических зазоров коаксиального участка передающей линии диэлектрической жидкостью, лайнерный пондеромоторный узел представляет собой единую сборочную единицу с радиальным участком передающей линии и закреплен на проводниках коаксиального участка передающей линии при помощи торцевых фланцев.
В качестве высоковольтной изоляции на коаксиальном участке передающей линии используется многослойный изолятор из пленочного лавсана с глицериновой пропиткой.
В качестве высоковольтной изоляции на радиальном участке передающей линии используется полиэтиленовый изолятор.
Применение наружного взрывного замыкателя тока позволяет уменьшить примерно в 2 раза индуктивность передающей линии к нагрузке, что в свою очередь уменьшает величину напряжения на выходе дискового ВМГ, что приводит к снижению требований к электропрочности высоковольтной изоляции и повышает ее надежность. Кроме того, применение наружного ВЗТ значительно упрощает систему инициирования содержащегося в нем заряда ВВ, упрощает конструкцию осевого инициатора дисковых элементов дискового ВМГ и узла его отключения от спирального ВМГ, связанных с выводом проводов для задействования электродетонаторов системы инициирования ВЗТ.
Новое конструктивное выполнение высоковольтной изоляции передающей линии от дискового ВМГ к нагрузке в виде системы двух изоляторов - коаксиального и радиального, сопрягаемых между собой переходным участком в виде полости, заполненной диэлектрической дегазированной жидкостью, повышает надежность изоляции в зонах ее перехода от одного участка к другому, так как при использовании единой многослойной пленочной изоляции в угловых переходах наиболее вероятен электрический пробой из-за возможных дефектов, например наличия воздушных полостей между слоями. При этом на коаксиальном участке передающей линии может использоваться как многослойный изолятор из пленочного лавсана с глицериновой пропиткой, так и твердотельный изолятор из полиэтилена или другого изоляционного материала с соответствующими электроизоляционными свойствами, а на радиальном участке передающей линии используется полиэтиленовый изолятор. Принудительное заполнение технологических зазоров осуществляется после сборки дискового ВМГ и позволяет повысить электропрочность изоляции коаксиальной передающей линии.
Выполнение пондеромоторного узла в виде единой сборочной единицы с радиальным участком передающей линии предоставляет возможность:
- контролируемой и прецизионной сборки их между собой, а также последующей соосной установки собранного блока в проводники коаксиального участка передающей линии, что улучшает азимутальную симметрию тока, подводимого к лайнеру, а также симметрию подлета лайнера к радиусу установки центрального измерительного блока (ЦИБ);
- производить данную сборку параллельно сборке взрывных систем устройства, что сокращает время подготовки устройства к работе;
- осуществлять проверку на электропрочность изоляции радиального участка в сборе с проводниками радиального участка передающей линии;
- обеспечить тщательность выполнения сборочных операций в лабораторных условиях при многократном контроле, что значительно повышает качество сборки лайнерного ПУ, при этом обеспечивается соосность проводников передающей линии, доступный контроль контактных соединений, упрощается монтаж лайнерного ПУ и ЦИБ, обеспечивается контроль вакуума в полости лайнерного ПУ, в т.ч. с установленным ЦИБ.
Наружное расположение заряда ВВ и системы его инициирования узла отключения спирального ВМГ от дискового ВМГ упрощает сборку и повышает безопасность проведения сборочных работ.
На Фиг. 1 изображено заявляемое устройство для исследования эффективности высокоскоростной имплозии лайнера.
На Фиг. 2 изображено устройство для исследования эффективности высокоскоростной имплозии лайнера по прототипу.
На Фиг. 1, 2 обозначены:
1 - предусилитель энергии на основе спирального ВМГ;
2 - усилитель энергии на основе дискового ВМГ;
3 - взрывной узел отключения спирального ВМГ от дискового ВМГ;
4 - взрывной замыкатель тока для подключения нагрузки;
5 - электровзрывной фольговый размыкатель тока;
6 - передающая линия от дискового ВМГ к нагрузке с высоковольтной изоляцией;
7 - коаксиальный участок изоляции;
8 - радиальный участок изоляции;
9 - лайнерный пондеромоторный узел;
10 - цилиндрический лайнер;
11 - центральный измерительный блок;
12 - полость, заполненная диэлектрической жидкостью;
13 - внутренний фланец;
14 - внешний фланец.
В примере реализации заявляемого устройства для исследования эффективности высокоскоростной имплозии алюминиевого лайнера-ударника применен усилитель энергии на основе 15-элементного дискового ВМГ калибром 400 мм. В качестве предусилителя используется спиральный ВМГ аналогичного калибра, обеспечивающего начальный ток в дисковом ВМГ 6,0-7,5 MA. Взрывной замыкатель тока представляет собой коаксиальный проводник, содержащий несколько элементов замыкания, выполненных в виде продольных пазов, заполненных ВВ, и систему инициирования ВВ элементов замыкания от электродетонаторов. В качестве высоковольтной изоляции на коаксиальном участке передающей линии используется многослойный изолятор из пленочного лавсана с глицериновой пропиткой, а в качестве высоковольтной изоляции на радиальном участке передающей линии используется твердотельный изолятор из полиэтилена. Полость между участками заполнена дегазированным глицерином. В предлагаемом устройстве разрываемый проводник ФРТ выполнен из медной фольги толщиной 0,12-0,15 мм и длиной 900 мм, индуктивность нагрузки составляет ~6 нГн. При этих параметрах устройства ток в дисковом ВМГ достигает значений 65-85 MA, а ток в нагрузке - 59-73 MA. В соответствии с этими значениями тока в лайнерном ПУ алюминиевый лайнер массой 75 г разгоняется до скоростей 19-23 км/с. Предлагаемая система импульсной мощности имеет высокую расчетную эффективность: пиковые мощность и электромагнитная энергия, передаваемые через ФРТ в нагрузку могут достигать ~15 ТВт и ~35 МДж, что в ~3 и в ~3,5 раза больше, чем было достигнуто в устройстве по прототипу.
Устройство работает следующим образом.
При разряде конденсаторной батареи на спиральную катушку осуществляется запитка спирального ВМГ 1 начальным магнитным потоком. Инициирование заряда ВВ в трубе спирального ВМГ производится с его торца электродетонатором. При разлете трубы спирального ВМГ под действием продуктов взрыва заряда ВВ магнитный поток вводится во внутреннюю полость дискового ВМГ 2, который является нагрузкой для спирального ВМГ в процессе его работы.
При достижении в дисковом ВМГ заданного значения магнитного потока производится подрыв заряда ВВ узла отключения 3 спирального ВМГ от дискового ВМГ и синхронный подрыв зарядов ВВ дисковых модулей. Под действием продуктов взрыва токопроводящие боковые стенки дисковых модулей, двигаясь навстречу друг другу, одновременно сжимают магнитный поток во всех полостях дискового ВМГ, который накапливается под цилиндрической фольгой электровзрывного фольгового размыкателя тока 5, установленной между изоляторами в коаксиальном зазоре дискового ВМГ и соединенной своими концами с внутренним и наружным проводниками тока дискового ВМГ.
Электровзрывной размыкатель тока применяется для сокращения времени протекания тока в лайнерной нагрузке. Его применение позволяет сократить эффективное время нарастания тока в нагрузке до 1-2 мкс. Для уменьшения влияния работы спирального ВМГ на лайнер за счет диффузии магнитного потока через фольгу размыкателя тока передающая линия к лайнерному ПУ имеет электрический разрыв с контуром дискового ВМГ, в зоне которого размещается взрывной замыкающий ключ.
В процессе работы дискового ВМГ до момента электровзрыва фольги ФРТ 5 с помощью взрывного замыкателя тока 4, срабатывающего в заданный момент времени, осуществляется подключение к фольговому размыкателю тока осесимметричной индуктивной нагрузки.
Под действием импульса тока, формируемого к концу работы дискового ВМГ, осуществляется электровзрыв фольги ФРТ, после чего накопленный под фольгой магнитный поток перетекает в передающую линию 6 к нагрузке, формируя через лайнер импульс тока с микросекундным временем нарастания. Под действием давления магнитного поля осуществляется разгон цилиндрического лайнера.