СПИРАЛЬНЫЙ ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ КУМУЛЯЦИИ ИМПУЛЬСА ТОКА
SPIRAL MAGNETIC EXPLOSION GENERATOR AND METHOD FOR CURRENT PULSE CUMULATION

Изобретение относится к физике высоких плотностей энергии, в частности к устройствам и способам преобразования энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитную энергию. Устройство и способ могут быть использованы для кумуляции мощных импульсов электрического тока.
Спиральный взрывомагнитный генератор (СВМГ) состоит из спиральной катушки, выполненной из металлического провода, и расположенной соосно с ней центральной металлической трубы. Внутри трубы расположен заряд ВВ. С одного края СВМГ располагается коммутирующее устройство. С той же стороны производится инициирование заряда ВВ. С противоположной стороны спираль и труба соединены нагрузкой. Внешний неподвижный токопровод (спиральная катушка), внутренний подвижный токопровод (центральная труба) и нагрузка образуют электромагнитный контур, в который вводится начальный магнитный поток от внешнего источника. Основная полость СВМГ, в которой происходит сжатие магнитного потока, образована внешним и внутренним токопроводами.
В процессе работы спирального ВМГ внутренний подвижный токопровод сжимает магнитный поток, выводя его в нагрузку. Вследствие сжатия и перетекания магнитного потока возникают электрические напряжения между витками спиральной катушки, центральной трубой и выходным фланцем генератора. При превышении напряжением некоего предельного значения происходит электрический пробой по внутренней поверхности спиральной катушки или между витками и трубой, шунтирующий часть магнитного потока, что снижает эффективность работы генератора. Напряжения тем выше, чем больше сжимаемый поток и выше скорость его сжатия. Таким образом, напряжение пробоя является ограничивающим фактором повышения мощности СВМГ.
Аналогом, в котором реализованы устройство и способ для получения импульса тока, является патент RU №2185705, опубл. 20.07.2002, А.В. Чернышев «Спиральный взрывомагнитный генератор», содержащий внутренний токопровод с зарядом взрывчатого вещества внутри него, детонатор, внешний токопровод, выполненный в виде спирали, соединенной с внутренним токопроводом через коммутирующий элемент с одной стороны спирали и через нагрузку с ее другой стороны. Внутренний токопровод выполнен в виде спирали, витки которой выполнены из ленты, шириной, равной длине спирали внешнего токопровода, и отделены друг от друга слоями пленочной изоляции. Витки спирали внешнего неподвижного токопровода выполнены вплотную к наружной поверхности внутреннего токопровода через слой пленочной изоляции. На внешней поверхности витков спирали внутреннего токопровода выполнены продольные канавки треугольного сечения.
СВМГ работает следующим образом. После запитки током от источника в контуре генератора создается магнитный поток. Силовые линии магнитного поля проникают через щель между витками внутреннего токопровода и заполняют весь объем генератора. После срабатывания капсюль-детонатора детонационная волна идет по заряду взрывчатого вещества, замыкая между собой витки спирали внутреннего подвижного токопровода. Разлетающийся внутренний токопровод кумулятивными струями, образующимися в продольных канавках, разрушает пленочную изоляцию между ним и внешним токопроводом и начинается процесс магнитной кумуляции.
Подразумевается, что в процессе работы генератора поток из внутренней полости подвижного внутреннего токопровода будет «выжиматься» в нагрузку. Однако в реальности весь этот поток будет «отсечен» в самом начале, как только замкнутся витки спирали внутреннего токопровода. Останется только поток в зазоре между токопроводами, а так как этот зазор мал, то и величина оставшегося магнитного потока будет пренебрежимо мала. Это является главным недостатком аналога.
Также особенностью аналога является то, что изоляция, разделяющая токопроводы, защищает не от межвитковых пробоев во внешнем токопроводе, а только от пробоя между токопроводами. В процессе работы устройства это может привести к потерям магнитного потока.
Кроме того, при работе спирального генератора необходимо, чтобы точка динамического контакта внутреннего подвижного токопровода с витками катушки внешнего неподвижного токопровода двигалась по виткам спирали непрерывно. Наличие продольных кумулятивных канавок на внешней поверхности внутреннего токопровода приведет к тому, что контакт будет двигаться не непрерывно, а перескакивать с одного участка витка на другой, отсекая часть магнитного потока.
Для повышения электропрочности спиральных взрывомагнитных генераторов широко применяют изолирование витков спирали внешнего токопровода путем намотки лавсановой или полиэтиленовой пленки на провод. Изоляция позволяет генераторам работать с более высоким напряжением, тем самым, повышая их выходную мощность. В качестве прототипа можно рассмотреть спиральный ВМГ и способ кумуляции импульса тока (Демидов В.А. и др., «Быстроходные спиральные взрывомагнитные генераторы», Труды III Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам, Новосибирск, 1983, под редакцией Титова В.М., Швецова Г.Α., Наука, 1984, стр. 330-332).
Устройство по прототипу содержит внешний токопровод, выполненный в виде спирали из изолированного металлического провода, внутренний токопровод, выполненный в виде цилиндрической или конической металлической трубы, расположенный соосно с внешним токопроводом и заполненный взрывчатым веществом. Внешний токопровод приведенного генератора выполнен из медного провода и имеет лавсановую пленочную изоляцию.
Способ по прототипу включает операции создания начального магнитного потока от внешнего источника в основной полости СВМГ, сжатие магнитного потока под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества в основной полости и вывод магнитного потока в полость нагрузки.
Основным недостатком повышения мощности СВМГ за счет изолирования проводов спирали внешнего токопровода является не полный вывод магнитного потока из полости СВМГ в полость нагрузки из-за того, что гладкая труба не пробивает изоляцию, а сжимает ее до некоторой величины, не выводя из нее магнитный поток. Магнитный поток, оставшийся в изоляции проводов, принято считать потерянным. Потери тем выше, чем толще изоляция проводов. Существует оптимальная толщина изоляции, при превышении которой потери потока в процессе работы СВМГ становятся значительными, снижая мощность генератора. Для генераторов диаметром от 160 мм и выше оптимальная толщина изоляции составляет 0.5-0.6 мм.
Очевидно, что для снижения потерь магнитного потока в изоляции проводов необходимо пробивать изоляцию, обеспечивая, таким образом, надежный электрический контакт трубы со спиралью, движущийся по виткам непрерывно и равномерно.
При создании данного изобретения решалась задача повышения мощности спиральных ВМГ, которые бы могли быть использованы в качестве источников энергии для решения ряда исследовательских, экспериментальных и прикладных задач.
Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в увеличении мощности взрывомагнитного генератора за счет снижения потерь магнитного потока в изоляции проводов внешнего токопровода.
Указанный технический результат достигается тем, что во взрывомагнитном генераторе, содержащем внешний и внутренний соосные токопроводы, образующие основную полость начального магнитного потока, внешний токопровод выполнен в виде спирали из изолированного металлического провода, внутренний токопровод выполнен в виде цилиндрической или конической трубы, заполненной взрывчатым веществом, новым является то, что на внешней поверхности внутреннего токопровода выполнены кольцевые или спиральные кумулятивные канавки.
При растяжении трубы под действием ударной волны в канавках образуются кумулятивные струи (фиг. 2), которые легко пробивают изоляцию витков внешнего токопровода и обеспечивают надежный контакт трубы с витками спирали. В результате точка динамического контакта движется по виткам спирали непрерывно и равномерно и магнитный поток из основной полости СВМГ без потерь выводится в нагрузку.
Указанный технический результат достигается также тем, что в способе кумуляции импульса тока, включающем создание начального магнитного потока от внешнего источника в основной полости, образованной внешним и внутренним токопроводами, сжатие в основной полости магнитного потока под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества, вывод магнитного потока в полость нагрузки, при сжатии потока обеспечивают непрерывно движущийся электрический контакт внутреннего и внешнего токопроводов за счет разрушения изоляции внешнего токопровода кумулятивными струями.
С целью подтверждения осуществимости заявленного устройства и способа проведены два эксперимента. В первом центральная труба имела гладкую наружную поверхность. Во втором на внешней поверхности трубы с шагом 3 мм нарезана винтовая канавка глубиной 1.8 мм и радиусом кривизны 1.3 мм. При разлете такой трубы под действием ударной волны происходит схлопывание канавок и образование кумулятивных струй (фиг. 2). При подлете трубы к виткам спирали длина струй становится сравнима с толщиной изоляции провода и легко пробивает изоляцию, обеспечивая непрерывно движущийся электрический контакт между трубой и спиралью.
Вид и размеры канавок должны быть такими, чтобы длина струй при подлете трубы к спирали была соизмерима с толщиной изоляции проводов, и подбираются непосредственно к каждому конкретному генератору. Профиль кумулятивных канавок зависит от множества факторов: диаметра генератора; толщины изоляции; диаметра, толщины и материала трубы; типа ВВ и т.д. В спиральных ВМГ с многосекционной катушкой кумулятивные канавки на трубе должны выполняться в виде спирали с переменным шагом, равным шагу катушки внешнего токопровода над данным участком трубы внутреннего токопровода.
На фиг. 1 схематично показан спиральный взрывомагнитный генератор.
На фиг. 2 приведен расчет разлета трубы с кумулятивными канавками.
На фиг. 3 приведены экспериментальные токи СВМГ: а) труба с канавками, б) с гладкой трубой.
Взрывомагнитный генератор содержит соосные внешний токопровод 1 и внутренний токопровод 2, образующие основную полость начального магнитного потока, внешний токопровод 1 выполнен в виде спирали из изолированного металлического провода, внутренний токопровод 2 выполнен в виде цилиндрической или конической трубы, заполненной взрывчатым веществом 3. На внешней поверхности внутреннего токопровода выполнены кольцевые или спиральные кумулятивные канавки 4.
СВМГ работает следующим образом. По достижении необходимого начального тока в спиральной катушке (внешнем токопроводе 1) при разряде конденсаторной батареи металлическая труба (внутренний токопровод 2), разлетающаяся под действием продуктов взрыва заряда ВВ 3, замыкает первые витки спирали. В дальнейшем при движении фронта детонации по заряду ВВ разлетающаяся труба вытесняет магнитный поток из основной полости в нагрузку, формируя в ней импульс тока.
В примере конкретного выполнения СВМГ (фиг. 1) спиральная катушка была намотана в один заход медным проводом диаметром 3 мм с шагом намотки 5 мм. Медный провод имел лавсановую изоляцию толщиной 1 мм. Внутренний диаметр катушки - 100 мм, ее длина - 100 мм. Центральная медная труба имела наружный диаметр 50 мм и внутренний диаметр 40 мм. Труба заполнялась зарядом ВВ. Система инициирования 5 представляла собой электрический капсюль-детонатор. Нагрузка выполнялась в виде коаксиала. Для начальной запитки СВМГ использовался конденсаторный источник. На внешней поверхности трубы с шагом 3 мм нарезана винтовая канавка глубиной 1.8 мм и радиусом кривизны 1.3 мм.
Проведенные эксперименты показывают (фиг. 3) увеличение выходного тока взрывомагнитного генератора с рифленой трубой в ~1.5 раза по сравнению с генератором с классической гладкой трубой, что эквивалентно увеличению мощности более чем в два раза.