Взрывной генератор электромагнитных импульсов
EXPLOSIVE ELECTROMAGNETIC PULSE GENERATOR

Изобретение относится к области использования энергии взрыва для получения сильных магнитных и электрических полей, в частности к генераторам электромагнитных импульсов (ЭМИ).
Явление генерации ЭМИ при взрыве зарядов конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) достаточно хорошо известно и описано в научно-технической литературе (например, 1. Прищепенко А.Б. Взрывы и волны. Взрывные источники электромагнитного излучения радиочастотного диапазона. - М.: БИНОМ. Лабораторные знания, 2008. 2. Сверхсильные магнитные поля: Физика. Техника. Применение. Труды третьей Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей. - М.: Наука, 1984. 3. Кобылкин И.Ф., Селиванов В.В., Соловьев B.C., Сысоев Н.Н. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2004 и др.). Тем не менее, до сегодняшнего дня единого мнения о механизме возникновения ЭМИ при детонации конденсированных ВВ среди как отечественных, так и зарубежных исследователей так и не сложилось. Считается, что электрические процессы на фронте детонационной волны могут быть связаны с так называемой «ударной поляризацией» (объемной поляризацией динамически нагруженного диэлектрика, к которому можно отнести по своим физическим свойствам ВВ с движущимся по нему детонационным фронтом), диффузией электронов с фронта детонационной волны, пьезоэффектом, разрушением кристаллов ВВ, адиабатическим сжатием газовых включений, присутствующих в реальных ВВ вследствие неоднородности их по своей структуре из-за пористости, наличия границ раздела отдельных зерен, содержания примесей, образования дефектов кристаллической решетки и т.д. В области детонационной волны (в зоне быстрых экзотермических реакций) электромагнитные явления связывают с термической ионизацией.
Несмотря на это, на практике такие устройства, обеспечивающие преобразование энергии взрыва в энергию электромагнитного импульса нашли применение, хотя и ограниченное.
Так, известны (4. Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М.: Мир, 1972. с. 391) взрывные магнитокумулятивные (МК) генераторы, используемые для получения мощных электромагнитных импульсов. Однако длительность этих импульсов зачастую не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным источникам импульсной электромагнитной энергии. Кроме того, к недостаткам данных устройств, исключающим практически возможность их использования в миниатюрных системах, относятся: 1) громоздкость и сложность конструкций, включающих соленоиды внешнего магнитного поля, мощные конденсаторные батареи, внешние и внутренние электроды, сопротивления, изоляторы и т.д.; 2) потребность во внешнем или встроенном источнике питания (источнике электродвижущей силы - ЭДС.) большой емкости.; 3) сравнительно низкие коэффициенты усиления тока и энергии из-за больших потерь магнитного потока и низкого коэффициента индуктивности.
Известен (5. Швецов Г.А., Матросов А.Д. Взрывной МК-генератор с внешним возбуждением. - Сверхсильные магнитные поля / Под ред. В.М. Титова, Г.А. Швецова. - М.: Наука, 1984. с. 263) МК-генератор с внешним возбуждением, используемый для получения обостренного мощного электрического импульса. Однако ему присущи те же, перечисленные выше недостатки, ограничивающие применение его в качестве мобильного автономного источника энергии.
Известен (6. Патент РФ №2044252 С1, МПК F42B 1/00. Взрывной магнитокумулятивный генератор; опубл. 20.09.1995) взрывной МК-генератор, снабженный дополнильным электродом, размещенным в заряде ВВ по его оси и электрически соединенным с внутренним и внешним электродами посредством регулировочного сопротивления, что позволяет обострить фронт выходного импульса тока и существенно увеличить его амплитуду. За счет этого усовершенствования снимается последний из перечисленных выше недостатков, присущих известным МК-генераторам, но сохраняются первые два.
Техническое решение по предлагаемому изобретению направлено на достижение технического результата, заключающегося в устранении указанных недостатков, а именно:
- в существенном упрощении конструкции устройства;
- в снижении массово-габаритных параметров изделия и в обеспечении его миниатюризации;
- в значительном снижении энергопотребления устройства от бортовых источников питания и полный отказ от внешних источников ЭДС;
- в достижении универсальности устройства вне зависимости от условий его применения, включая способ доставки его к месту действия;
- в постоянной готовности к срабатыванию и чрезвычайно малом времени для подготовки к задействованию;
- в снижении стоимости, повышении технологичности изготовления устройства, в расширении его функциональных возможностей.
Для достижения указанного технического результата устройство по предлагаемому изобретению содержит как и все аналоги корпус из конструкционного металла, основной заряд высокобризантного взрывчатого вещества (ВВ) и систему инициирования детонации, включающую взрывные элементы - инициирующие устройства (например, электродетонаторы, капсюли-детонаторы, светодетонаторы, взрывные патроны и др.), при необходимости дополнительные детонаторы (передаточные и усилительные заряды) и комплект вспомогательных приспособлений и устройств, обеспечивающих задействование взрывных элементов - инициирующих устройств.
В отличие от аналогов корпус устройства по предлагаемому изобретению представляет собой две параллельные изолированные друг от друга металлические тонкостенные, толщиной до 0,5 мм, пластины, изготовленные из алюминия или алюминий-магниевого сплава, с загнутыми навстречу друг другу по радиусу или под тупым углом краями и скрепленные между собой по крайней мере одним стягивающим приспособлением из тонкого электроизоляционного материала типа изоляционной ленты или ленты «Скотч». При этом расстояние между стенками корпуса (между пластинами) не менее, чем в два раза превышает критический диаметр детонации ВВ. Система инициирования детонации выполнена двухсторонней, при которой взрывные элементы - инициирующие устройства и, при необходимости, дополнительные детонаторы размещены навстречу друг другу на одной оси с противоположных торцов заряда, в зазорах между стенками корпуса устройства, при этом инициирующие устройства и дополнительные детонаторы выполнены однотипными.
В порядке решения поставленной задачи заявляемое устройство может характеризоваться следующими совокупностями дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):
- корпус устройства может иметь форму двух соединенных вместе полусфер, полуэллипсоидов, либо комбинированных оболочек вращения типа «полусфера-цилиндр», «полуэллипсоид-цилиндр»;
- корпус устройства может иметь на поверхностях продольные или поперечные гофры;
- в качестве взрывчатого вещества основного заряда устройства могут быть использованы алюминийсодержащие смесевые кристаллические или пластичные, или эластичные взрывчатые вещества и составы (например, A-IX-2, ОМА, ПВВ-5А и др.), а дополнительные детонаторы могут быть изготовлены из ВВ, более мощного, чем ВВ основного заряда;
- в средней части основного заряда ВВ на равно удаленном расстоянии от обоих взрывных элементов - инициирующих устройств может быть размещен слой плазмообразующего состава, содержащего, к примеру, ультрадисперсный алюминий, нитрат калия или нитрат цезия.
В предлагаемой конструкции отсутствуют соленоид, конденсаторная батарея, электроды, изоляторы, сопротивления и другие элементы электрорадиоаппаратуры, что сильно упрощает конструкцию устройства и улучшает его массово-габаритные характеристики.
Предлагаемое устройство не требует для своей работы мощных и громоздких бортовых автономных источников питания или внешних линий подключения к стационарным источникам тока, что существенно снижает энергопотребление предлагаемого устройства, упрощает его конструкцию, позволяет обеспечивать доставку устройства к месту использования различными способами, включая применение ствольных артиллерийских систем, минометных, реактивных систем, других метательных установок и устройств сбрасывания с любого летательного аппарата и т.д.
Благодаря тому, что предлагаемое устройство содержит элементы и узлы только с детонирующим снаряжением (основной заряд ВВ, инициирующие устройства, дополнительные детонаторы) обеспечивается высокое единообразие его действия в любых условиях вне зависимости от параметров окружающего пространства и возмущающих нагрузок, достигается постоянная готовность к немедленному срабатыванию.
Из-за простоты конструкции и недефицитности отечественных материалов и элементной базы, необходимых для производства предлагаемого устройства, оно обладает низкой стоимостью, высокой технологичностью изготовления, не требует задействования сложного и дорогостоящего оборудования, привлечения высококвалифицированной рабочей силы.
Изобретение иллюстрируется рисунками (фиг. 1-5). На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, корпус которого выполнен из двух параллельных пластин; на фиг. 2 - корпус выполнен в виде двух полусфер. На фиг. 3 представлено сечение предлагаемого устройства с гофрированными стенками корпуса. На фиг. 4 - схема заявленного устройства (как вариант, с гофрированными стенками корпуса) со слоем из плазмообразующего состава, размещенным в средней части основного заряда ВВ. На фиг. 5 приведена типичная осциллограмма регистрации ЭМИ при подрыве сборки, выполненной по схеме, приведенной на фиг. 1, в которой в качестве основного заряда использовалось пластичное взрывчатое вещество ПВВ-5А массой 80 г. Регистрация импульса осуществлялась измерительной системой на основе цифрового осциллографа персонального компьютера В-424 и антенных устройств, расположенных на расстоянии 20 м от сборки. Одна антенна в виде симметричного диполя подключалась к первому входу осциллографа, а другая (рамочная) антенна - ко второму входу. На фиг. 1-фиг. 4 приняты следующие обозначения: 1 - система инициирования детонации; 2 - основной заряд ВВ; 3 - корпус устройства; 4 - плазмообразующий состав. Стягивающие приспособления на схемах условно не показаны.
Предлагаемое устройство используется и работает следующим образом. При инициировании детонации в основном заряде ВВ (снаряжении) устройства детонационные волны и продукты детонации, двигаясь навстречу друг другу, сходятся в центральной части заряда ВВ. В результате схождения волн и продуктов детонации создается область с чрезвычайно высокими параметрами (давлением и температурой). В результате этого происходит ударная поляризация и термическая ионизация среды, сопровождающиеся генерацией электромагнитного импульса. Корпус устройства под действием детонационных волн расширяется и дробится, образуя большое количество осколков. В межосколочное пространство, как между электродами, начинают истекать продукты разложения взрывчатого вещества основного заряда и плазмообразующего состава, формируя серию затухающих электромагнитных импульсов, как за счет истечения, так и в результате протекания вторичных реакций окисления металлических горючих (осколков корпуса, а также алюминия, входящего как в состав ВВ основного заряда, так и в плазмообразующий состав) и ионизации окружающей воздушной среды, поскольку тепловая энергия нагретого до высокой температуры газа при быстром его охлаждении за счет расширения и разгона до сверхзвуковых скоростей непосредственно преобразуется в энергию электромагнитного излучения.
Из известных авторам патентно-информационных источников не известна совокупность признаков, сходных с признаками заявленного объекта (устройства).