БИКОНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКСИРОВАННЫЙ ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ГЕНЕРАТОР С ШИРОКОПОЛОСНОЙ РАМОЧНОЙ АНТЕННОЙ

Настоящая полезная модель относится к технике генерирования сильных импульсных электромагнитных полей и токов, а именно к устройствам преобразования энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитную энергию.
В настоящее время успешное решение многих практических задач построения современных радиотехнических систем связано с необходимостью создания новых источников питания, обеспечивающих эффективную передачу высоких значений энергии на нагрузку.
В последнее время появилось достаточно много публикаций, связанных с возможностью работы взрывомагнитных генераторов (ВМГ) с высокоимпедансными нагрузками, применяемыми как в геофизических средствах прогнозирования землетрясений и поиска полезных ископаемых, так и в некоторых современных методах испытаний радиоэлектронной аппаратуры. Выбор и применение ВМГ неразрывно связан с возможностью получения максимально возможной энергии на высокоимпедансной нагрузке.
Известен спиральный взрывомагнитный генератор и способ кумуляции импульса тока (Патент RU 2568675. Опубликовано 20.11.2015 года. Бюл. №32) характеризующийся тем, что спиральный взрывомагнитный генератор содержит внешний и внутренний соосные токопроводы, образующие основную полость начального магнитного потока. Внешний токопровод выполнен в виде спирали из изолированного металлического провода, а внутренний - в виде цилиндрической или конической трубы, заполненной взрывчатым веществом. На внешней поверхности внутреннего токопровода выполнены кольцевые или спиральные кумулятивные канавки. Способ кумуляции импульса тока включает 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. Преимущество данной структуры заключается в том, что за счет применения одного ВВ функционирует одновременно два ВМГ, что позволяет получить более высокие уровни генерируемого излучения.
Недостатками данного ВМГ являются: 1. Сравнительно невысокая эффективность передачи энергии в нагрузку. 2. Большое время срабатывания взрывомагнитного генератора. 3. Небольшая крутизна нарастания тока в нагрузке.
Это объясняется тем, что в таком генераторе часть взрывчатого вещества не используется, что в свою очередь приводит к увеличению времени срабатывания ВМГ и к снижению крутизны нарастания тока. Все это приводит к уменьшению эффективности передачи энергии взрыва в нагрузку.
0
Наиболее близким техническим решением, выбранным как прототип, является биконический комплексированный взрывомагнитный генератор (Патент UA 53875 U. Опубликовано 25.10.2010 года. Бюл. №20) характеризующийся тем, что биконический комплексированный взрывомагнитный генератор (БКВМГ) состоит из двух встречно включенных комплексированных взрывомагнитных генераторов (КВМГ), каждый из которых состоит из: двух соосно размещенных коаксиальных лайнеров (проводников); двух спиральных катушек, одна из которых размещается в середине лайнера меньшего диаметра, а другая коническая - снаружи лайнера большего диаметра; ВВ с детонатором, помещенного в промежутке между двумя коаксиальными лайнерами; нагрузки; штырей, закрепленных в противоположных нагрузке торцах коаксиальных лайнеров; внешнего источника питания. Два КВМГ подключаются навстречу друг другу, причем нагрузка подключается в «разрыв» соосно размещенных коаксиальных лайнеров обоих комплексированных взрывомагнитных генераторов, а конические спиральные катушки лайнеров большего диаметра и спиральные катушки лайнеров меньшего диаметра, на участке нагрузки выполнены в виде прямых проводников, параллельно нагрузке. При достижении приблизительно максимального значения разрядного тока I накопителя происходит синхронный подрыв детонаторов. Причем обязательным условием является синхронный подрыв всех детонаторов и инициация движения встречно направленных ударных волн с противоположных концов БКВМГ. Инициация ударной волны с двух сторон позволила вдвое сократить время работы КВМГ и повысить крутизну тока в нагрузке.
Недостатками прототипа являются: 1. Сравнительно большое время излучения генератора. 2. Недостаточно широкий спектр излучаемого импульса.
Это поясняется тем, что в данном генераторе параметры излучаемого импульса зависят от массы ВВ и размеров его конструкции, и как следствие ограничивает полосу частот генерируемого мощного электромагнитного импульса.
Для устранения вышеперечисленных технических и эксплуатационных недостатков при осуществлении взрывомагнитного преобразования предлагается биконический комплексированный взрывомагнитный генератор с широкополосной рамочной антенной (БКВМГШРА), который позволит значительно расширить частотный диапазон генерируемого электромагнитного излучения (ЭМИ).
Целью полезной модели является расширение полосы частот импульса, генерируемого биконическим комплексированным взрывомагнитным генератором.
Поставленная цель достигается тем, что биконический комплексированный взрывомагнитный генератор с широкополосной рамочной антенной, состоящий из нагрузки, с двух сторон которой встречно включены комплексированные взрывомагнитные генераторы, каждый из которых состоит из: двух соосно размещенных коаксиальных лайнеров (проводников), двух спиральных катушек, одна из которых размещается в середине лайнера меньшего диаметра, а другая коническая - снаружи лайнера большего диаметра, взрывчатого вещества с детонатором, помещенного в промежутке между двумя коаксиальными лайнерами; штырей, закрепленных в противоположных нагрузке торцах коаксиальных лайнеров, внешнего источника питания, нагрузкой является антенный блок, состоящий из жесткого цилиндрической формы диэлектрического каркаса, с намотанным на него витком электровзрывающегося проводника (ЭВП), являющегося широкополосной рамочной антенной.
Суть полезной модели поясняется структурной схемой построения биконического комплексированного взрывомагнитного генератора с широкополосной рамочной антенной представленной на фиг. 1. БКВМГШРА состоит из двух одинаковых комплексированных взрывомагнитных генераторов, которые состоят из внешних лайнеров 1, снаружи которых установлены конические спиральные катушки 2, внутренних лайнеров 3, в середине которых установлены спиральные катушки 4. В промежутке между коаксиальными лайнерами 1 и 3 помещается взрывчатое вещество 5, на которое установлены детонаторы 6. Между комплексированными взрывомагнитными генераторами подключена нагрузка 7, а в противоположных нагрузке 7 торцах коаксиальных лайнеров 1 и 3 закреплены штыри (штырь к внутреннему лайнеру 9 и штырь к внешнему лайнеру 10). Питание генератора осуществляется от внешнего источника 8. В качестве нагрузки 7 применяется антенный блок, структурная схема которого представлена на фиг. 2. Антенный блок состоит из жесткого диэлектрического каркаса цилиндрической формы 11, который с двух сторон подключен к комплексированным взрывомагнитным генераторам через сквозные контактные проводящие стержни 12. Электровзрывающийся проводник 13 наматывается витком по внешней стороне цилиндрического каркаса 11, тем самым образуя рамочную антенну, начало и конец витка которой соединяются с металлическими стержнями 12 при помощи контактных площадок 14, расположенных на противоположных внешних параллельных плоскостях каркаса цилиндра 11.
Работа биконического комплексированного взрывомагнитного генератора с широкополосной рамочной антенной осуществляется следующим образом.
Два встречно включенных комплексированных взрывомагнитных генератора запитываются током от внешнего источника питания как во внешних контурах (конические спиральные катушки 2, нагрузка 7, внешние лайнеры 1, внешнее питание 8), так и во внутренних контурах (спиральные катушки 4, нагрузка 7, внутренние лайнеры 3, внешнее питание 8), при этом создаются начальные магнитные потоки. Полярность питания левого комплексированного взрывомагнитного генератора противоположна правому, в результате чего в нагрузке 7 протекает ток являющийся суммарным от всех катушек обоих комплексированных взрывомагнитных генераторов. При достижении в индуктивностях катушек приблизительно максимального значения разрядного тока накопителя осуществляется синхронный подрыв детонаторов 6. При этом синхронный подрыв обоих детонаторов 6 является обязательным условием, что инициирует движение встречно направленных детонационных волн с противоположных концов комплексированных взрывомагнитных генераторов после подрыва взрывчатого вещества 5. Следует отметить, что взрывчатое вещество 5 каждого комплексированного взрывомагнитного генератора (левого и правого) отделены друг от друга нагрузкой 7, что исключает непосредственное взаимодействие взрывчатых веществ каждого КВМГ между собой. Под воздействием продуктов детонации лайнеры 1, которые разлетаются, замыкаются на конические спиральные катушки 2, начало замыкания осуществляется при помощи штырей 10, а лайнеры которые сдавливаются 3 при помощи своих штырей 9 замыкают внутренние спиральные катушки 4, сжимая начальный магнитный поток в замкнутом контуре. В конечной фазе работы комплексированных взрывомагнитных генераторов, в ходе преобразований индуктивностей всех катушек через нагрузку 7, будет протекать максимально увеличенный ток. С целью излучения широкополосного импульса обладающего более широким частотным спектром, нагрузка 7 выполнена в виде антенного блока, который состоит из жесткого диэлектрического каркаса цилиндрической формы 11, который с двух сторон подключен к комплексированным взрывомагнитным генераторам через сквозные контактные проводящие стержни 12. Электровзрывающийся проводник 13 наматывается витком по внешней стороне цилиндрического каркаса 11, тем самым образуя рамочную антенну, начало и конец витка которой соединяются с металлическими стержнями 12 при помощи контактных площадок 14, расположенных на противоположных внешних параллельных плоскостях каркаса цилиндра 11. Следует отметить, что подключение двух комбинированных взрывомагнитных генераторов к антенному блоку осуществляется таким образом, чтобы через ЭВП протекал суммарный ток от всех цепей входящих в состав предлагаемого устройства.
Применение ЭВП необходимо для того, чтобы расширить полосу частот излучаемого импульса, что позволяет значительно (в разы) сократить его длительность излучения. В работах [1-5] показано, что это возможно осуществить путем обострения электрической мощности на нагрузке, а именно обострением тока. Это возможно путем применения механизма электрического взрыва, который структурно можно разделить на три этапа.
При построении излучающей системы на основе электровзрывающегося проводника следует учитывать три временных фазы этапов преобразований при обострении током. Каждый этап определяет сопротивление излучения, а именно: 1-й этап - сопротивление неизменно и равно сопротивлению проводника; 2-й этап (определяющий время генерируемого импульса) - характеризует процесс нарастания сопротивления за счет физико-химических преобразований материала ЭВП; 3-й этап - разрыв проводника, соответственно сопротивление R→∞.
Таким образом, в предложенной полезной модели излучатель (ЭВП) 13 подсоединен параллельно ко всем взрывомагнитным генераторам, являющимися составными частями БКВМГШРА. При срабатывании генератор будет наводить в нагрузке суммарный ток, который испарит электрическим взрывом проводник, имеющий конфигурацию в виде витка (рамочная антенна), что позволит излучить импульс длительность которого сократится минимум на 2 порядка, по сравнению с моделью, выбранной как прототип.
Благодаря принципу комплексирования комбинированных контуров, в нагрузку передается энергия с большей эффективностью, которая инициируя электрический взрыв витка, являющегося нагрузкой генератора, позволит значительно расширить полосу частот, генерируемого импульса.
Современный уровень развития элементной базы и материалов на основе которых предлагается данная полезная модель [1-4], а именно: спиральные катушки индуктивности; металлические лайнеры; взрывчатое вещество; электрические проводники, способные испаряться при пропускании через себя больших плотностей тока, - позволяют заявить, что данная полезная модель технически реализуема. Техническое применение предложенной полезной модели для генерации широкополосных импульсов путем преобразования энергии взрыва в электрические и магнитные поля является перспективным.
Список литературы
1. Лебедев С.В. Металлы в процессе быстрого нагревания электрическим током большой плотности / С.В. Лебедев, А.И. Савватимский. - М.: Успехи физических наук, 1984. - Том 144, вип. 2. - С. 215-248.
2. Жарников М.Н. Генерация крупномасштабных излучающих вихревых структур при торможении импульсных плазменных струй в воздухе / М.Н. Жарников, А.С. Камруков, И.В. Кожевников // Журнал технической физики. - 2008. Т. 78. Вып. 5. С. 33-46.
3. Волколупов Ю.Я. Эксперименты с импульсным высоковольтным разрядом в атмосфере / Ю.Я. Волколупов, М.А. Красноголовец, М.А. Острижной, В.И. Чумаков // Журнал технической физики. - 2001. Т. 71. Вып. 9. С. 140-143.
4. Орешкин В.И. Исследование проводимости металлов вблизи критической точки с помощью электрического взрыва микропроводников в воде / В.И. Орешкин, Р.Б. Бакшт, А.Ю. Лабецкий // Журнал технической физики. - 2004. Т. 74. Вып 79. С. 38-43.