ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
HIGH-VOLTAGE ELECTROSTATIC GENERATOR

Изобретение относится к области получения высоких постоянных электрических напряжений и может быть использовано в экспериментальных исследованиях, при испытаниях образцов техники на устойчивость к воздействию электромагнитного импульса, преимущественно в ускорительной технике.
Известно устройство для сообщения положительного электрического потенциала металлическому электроду [1]. Устройство представляет собой навеску радиоактивного препарата, располагаемую на электроде и испускающую в результате ядерного распада β-частицы (электроны). В результате постоянного ухода испускаемых электронов с электрода, он приобретает противоположный электронам, то есть положительный заряд, а значит и потенциал относительно окружающих предметов. Недостатками устройства являются необходимость использования радиоактивного препарата и ограничение в величине достигаемого потенциала, определяемое энергией испускаемых электронов.
Существует устройство для получения высокого постоянного электрического напряжения, содержащее повышающий трансформатор, состоящий как минимум из двух обмоток на общем магнитном сердечнике и полупроводниковый выпрямитель [2]. Недостатком устройства является сложность получения высоких (более 1 MB) напряжений, обусловленная необходимостью располагать в непосредственной близости друг от друга и от магнитного сердечника две обмотки, одна из которых находится в среднем под нулевым потенциалом, а вторая под высоким напряжением. Это предъявляет очень высокие требования к качеству изоляции высоковольтной обмотки и, как следствие, к неоправданно большим размерам трансформатора. Другим недостатком устройства является необходимость последовательного соединения большого количества полупроводниковых диодов в выпрямителе, что снижает надежность устройства.
Наиболее близким к заявляемому генератору техническим решением является высоковольтный электростатический генератор, содержащий установленный на диэлектрической стойке полый шарообразный электрод с отверстием в поверхности, электрически соединенный с электродом приемник электрического заряда, расположенный внутри электрода, набор изолированных друг от друга металлических транспортных элементов, индуктора для сообщения электрического заряда транспортным элементам, расположенного вне шарообразного электрода на расстоянии, обеспечивающем отсутствие электрического пробоя между электродом и индуктором, источника постоянного напряжения, подключенного одним полюсом к индуктору, а вторым полюсом к земле, и механический привод, обеспечивающий непрерывное перемещение металлических элементов от индуктора к приемнику электрического заряда [3].
В известном устройстве транспортные металлические элементы соединены последовательно друг с другом с помощью полимерных изолирующих звеньев, образуя замкнутую цепь, натянутую на два шкива. Шкивы образуют механический привод. Один из шкивов является ведущим, приводится во вращение двигателем и расположен вблизи индуктора. Ведомый шкив располагается внутри шарообразного электрода вблизи приемника электрического заряда. Недостатком устройства является необходимость поддержания высокой степени устойчивости к образованию пыли на поверхностях изолирующих звеньев цепи [4]. Это нужно для обеспечения достаточной электрической прочности системы. Поскольку все элементы цепи находятся в движении и постоянно испытывают трение об элементы привода, обеспечение необходимого уровня чистоты изолирующих звеньев представляет определенную техническую проблему. Кроме того, чередование изолирующих звеньев с проводящими транспортными элементами в цепи, располагаемой между индуктором и высоковольтным электродом, сокращает эффективное изолирующее расстояние между этими объектами, что снижает электропрочность системы при заданных размерах.
Предлагаемое техническое решение направлено на упрощение конструкции генератора и повышение его электропрочности при заданных размерах. Технический результат достигается тем, что привод выполнен в виде электрически соединенного с землей автоматического огнестрельного оружия, ствол которого направлен в отверстие шарообразного электрода, металлические транспортные элементы выполнены в виде пуль, выстреливаемых из огнестрельного оружия, а приемник электрического заряда выполнен в виде электропроводящего пулеулавливателя.
На фиг. 1 представлено схематическое изображение предлагаемого генератора. На изображении цифрами обозначены:
1 - полый шарообразный электрод;
2 - отверстие в поверхности электрода;
3 - диэлектрическая стойка;
4 - источник постоянного напряжения;
5 - индуктор;
6 - автоматическое огнестрельное оружие;
7 - выстреленная из оружия пуля;
8 - электропроводящий пулеулавливатель;
9 - траектория движения пули.
Генератор функционирует следующим образом. Выстреливаемая из электрически соединенного с землей автоматического огнестрельного оружия 6 пуля 7 электрически заряжается внутри индуктора 5, подключенного к одному полюсу источника постоянного напряжения 4. Второй полюс источника 4 подключен к земле. Двигаясь по траектории 9 и попадая через отверстие 2 в электропроводящий пулеулавливатель 8, пуля тормозится в нем, что предотвращает повреждение электрода 1. Попав в пулеулавливатель, пуля передает ему свой электрический заряд. Поскольку пулеулавливатель 8 электрически соединен с электродом 1, то поступающий с каждой очередной выстреленной пулей электрический заряд суммируется с зарядом электрода и тем самым формирует высокое электрическое напряжение (потенциал) электрода 1 относительно земли. Потенциал сохраняется и накапливается, благодаря электрической изоляции электрода относительно земли с помощью диэлектрической стойки 3.
Индуктор может быть выполнен, например, в виде металлической трубки, электрически изолированной от ствола оружия и располагаемой непосредственно у среза ствола [6, 7]. При подаче на индуктор электрического потенциала относительно ствола оружия с помощью источника постоянного напряжения, выходящая из ствола пуля, не потерявшая контакта с заземленным стволом, будет заряжаться в электрическом поле индуктора и, оторвавшись от ствола, сохранять полученный заряд.
-6
При начальной энергии пули порядка W= 1000 Дж (автомат АК-74М) и величине формируемого на пуле заряда q порядка 10 Кл (технически реализуемо) электрод принципиально может быть заряжен до потенциала
-6
9
U=W/q=1000/10=10 В.
Если радиус шарообразного электрода R выбрать равным 1 м, то величина емкости такого удаленного электрода составит [8]
0
-12
-12
С=4πεεR=4*3,14*1*8,85*10=111*10Ф,
0
-12
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость окружающей электрод среды (для воздуха 1); ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, равная 8,85*10 Ф/м.
8
При такой емкости для достижения потенциала электрода, например 100 MB=10 В, потребуется заряд
8
-12
-4
Q=U*C=10*111*10=111*10 Кл. Для достижения полученного заряда необходимо будет произвести около
-4
-6
N=Q/q=111*10/10=11100 выстрелов.
Приведенный пример демонстрирует техническую возможность получения напряжения 100 MB с помощью заявляемого высоковольтного электростатического генератора.
В известном высоковольтном электростатическом генераторе (прототип) между высоковольтным электродом и индуктором расположены металлические транспортные элементы (pellets) в количестве до 50 штук вдоль одной половины замкнутой цепи. Наличие проводящих элементов в промежутке сокращает суммарное расстояние, занятое диэлектриком, что снижает общее электрическое пробивное напряжение.
В предлагаемом варианте генератора при темпе стрельбы 650 выстрел/мин (АК-74М) в каждый момент времени между высоковольтным электродом и индуктором, если расстояние между ними не превышает 90 м, находится только одна пуля. Это обеспечивает увеличение находящегося под напряжением изолирующего промежутка по крайней мере в 50 раз по сравнению с прототипом при тех же общих размерах устройства. Как следствие, пропорционально увеличивается электропрочность генератора.
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Тимофеев П.В., Симченко Ю.А. Эмиссия β-электронов в вакууме и ее применение. Радиотехника и электроника, 1960, 5, № 8, с. 1197.
2. Электротехника и электроника. / Б.И. Петленко, Ю.М. Иньков, А.В. Крашенинников и др.; Под ред. Б.И. Петленко. - М.: Издательский центр "Академия", 2003. - 320 с.
3. High-voltage electrostatic generator. Patent US 3612919 A.
4. Electrically-conducting materials. Patent US 3891868 A.
5. ГОСТ P 52212—2004. Тиры стрелковые закрытые. Защита броневая и техническая укрепленность.
6. Ашихмин А.С, Познухов А.В. Измерение скорости пули методом наведенного тока. Вестник РГРТА, Рязань. 2003, вып 12, С 52-56.
7. Патент РФ №2184978.
8. Яворский Б.М., Селезнев Ю.А. Справочное руководство по физике. М: "Наука", 1975. - 624 с.