Устройство для одновременного воспроизведения электрического и магнитного полей, сопровождающих разряд молнии, с различными амплитудно-временными параметрами
DEVICE FOR SIMULTANEOUS REPRODUCTION OF ELECTRIC AND MAGNETIC FIELDS ACCOMPANYING A LIGHTNING DISCHARGE WITH DIFFERENT AMPLITUDE-TIME PARAMETERS

Изобретение относится к высоковольтной технике и может быть использовано для испытаний имеющих в своем составе радиоэлектронную аппаратуру технических систем различного назначения, в том числе и крупногабаритных, на соответствие требованиям стойкости в условиях воздействия импульсных электромагнитных полей, сопровождающих молниевые разряды. Испытания технических систем, содержащих радиоэлектронную аппаратуру, на соответствие требованиям стойкости к воздействию электромагнитных полей, сопровождающих молниевые разряды (ЭМП MP), проводятся, как правило, прямым методом. В этом случае техническая система, приведенная в работоспособное состояние, размещается в рабочем объеме испытательной установки и подвергается воздействию электромагнитных полей с заданными амплитудно-временными параметрами [1].
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к заявленному изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство-имитатор с раздельным формированием электрического и магнитного полей грозовых разрядов [2]. Устройство построено по принципу объединения двух систем полеобразования - катушек Гельмгольца для создания напряженности импульсного магнитного поля и воздушного конденсатора для создания напряженности импульсного электрического поля с раздельным питанием от генераторов импульсного тока и напряжения (ГИН и ГИТ) соответственно.
Недостатки данного устройства заключаются в следующем. Генератор импульсного напряжения в устройстве является источником электрического поля, формируя между обкладками электродов системы воздушного конденсатора, одним из электродов которого является эталонная плоскость земли, а вторым (высоковольтным) - электрод, имеющий форму электрода Роговского. Генератор импульсного тока является источником магнитного поля, он представляет собой систему Гельмгольца, которые по своему местоположению находятся вне воздушного конденсатора. Такое размещение системы формирования магнитной составляющей обусловлено следующим. Так как ГИН и ГИТ имеют общую систему выравнивания потенциалов (заземления), электрическое поле в случае размещения колец Гельмгольца внутри воздушного конденсатора будет концентрироваться между потенциальным электродом воздушного конденсатора и верхней частью этих колец. При этом электрическое поле между кольцами Гельмгольца будет уменьшено до 3-4 раз относительно случая отсутствия в воздушном конденсаторе колец Гельмгольца. В то же время нахождение колец Гельмгольца вне воздушного конденсатора снижает (при неизменном выходном токе ГИТ) магнитное поле относительно случая их нахождения внутри. То есть наиболее возможные при неизменных величинах выходных параметров ГИН и ГИТ амплитуды электрического и магнитного полей в рабочем объеме устройства, занимающем пересечение двух областей пространства - заключенной между электродами воздушного конденсатора и между витками системы Гельмгольца, не обеспечиваются.
Технический результат при осуществлении предлагаемого изобретения заключается в одновременном воспроизведении имеющих различные временные и наиболее возможные амплитудные характеристики электрического и магнитного полей, сопровождающих разряд молнии, что позволяет снизить эксплуатационные затраты при проведении испытаний технических систем на их действие, расширить технологические возможности экспериментально-испытательной базы и расширить диапазон рабочего объема в котором сохраняется однородность поля.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в отличие от устройства, принятого за прототип, новым является то, что система полеобразования, создающая импульсное электрическое поле выполнена в виде полосковой линии, состоящей из потенциального и нулевого электрода, а система полеобразования, создающая импульсное магнитное поле размещена в этой полосковой линии и выполнена из одножильного высоковольтного кабеля с полупроводящей оболочкой, изготовленной из саженаполненного полиэтилена и представляет собой гибкую конструкцию в виде двух одинаковых частей, имеющих U-образную форму, электрически соединенных параллельно и состоящих из чередующихся в следующем порядке регулируемых по длине прямых и петлевых участков: нижний прямой участок-петли-верхний прямой участок, при этом нижние прямые участки электрически соединены с нулевым электродом системы полеобразования, создающей импульсное электрическое поле, а верхние прямые участки через активное электрическое сопротивление электрически соединены с потенциальным электродом этой же системы полебразования.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента, действия) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);
- увеличение количества однотипных элементов, действий, для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;
- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.
Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.
Таким образом, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».
Перечень фигур чертежей.
На фиг. 1 изображено схематичное изображение внешнего вида устройства; на фиг. 2 - принципиальная электрическая схема устройства.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
На фиг. 1 изображено устройство для одновременного воспроизведения импульсных электрического и магнитного полей, сопровождающих молниевый разряд, в которое входят синхронно запускаемые ГИН (1) и ГИТ (2), полосковая линия, состоящая из потенциального (3) и нулевого (4) электродов, система формирования магнитного поля, состоящая из двух параллельно включенных витков U-образной формы (5), размещенных в полосковой линии и выполненных из одножильного высоковольтного кабеля с полупроводящей оболочкой, которая в нижней части соленоидов соединена с нулевым электродом полосковой линии, а в верхней части соленоидов через активное электрическое сопротивление (6) - с потенциальным электродом полосковой линии, при этом рабочим объемом устройства будет являться пересечение двух областей пространства - заключенной между электродами полосковой линии и между витками U-образной формы.
ГИН
ГИТ
ГИН
ГИТ
ГИН
ГИТ
ПЛ
об
упр
На фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема устройства. Оно состоит из ГИН (7) и ГИТ (8), имеющих емкости, индуктивности и активные сопротивления С, С, L, L, R, R, нагруженных на полосковую линию с емкостью С и витки кабеля с полупроводящей оболочкой индуктивностью, имеющей активное сопротивление R, соединенной с верхним электродом полосковой линии через высокоомные резисторы R. Срабатывание запускающих ГИН и ГИТ разрядников Р производится системой управления поджигающим напряжением U.
В состав устройства для воспроизведения электромагнитных полей молниевого разряда входят два независимых импульсных источника питания (ГИН и ГИТ) со своими полеобразующими системами: двухэлектродной полосковой линией для ГИН и двухвитковой U-образной гибкой конструкции для ГИТ. При этом формирующие магнитное поле витки (U-образная конструкция) выполнены из кабеля с одной проводящей жилой в полупроводящей оболочке, соединенной в верхней их части через высокоомное активное сопротивление с верхним электродом полосковой линии ГИН, а рабочим объемом устройства (установки) является пересечение двух областей пространства - заключенной между электродами полосковой линии и между витками системы формирования магнитного поля.
Сопротивление высокоомного резистора определяется по формуле:
пол
об
вит
где: h - высота потенциального электрода полосковой линии, R - сопротивление полупроводящей оболочки витка соленоида, h - высота верхней точки витков системы формирования магнитного поля.
Выполненная из саженаполненного полиэтилена полупроводящая оболочка витков системы формирования магнитного поля предназначена для устранения неоднородностей поля, создаваемых неровностями на жиле. Эта оболочка вместе с высокоомным резистором, через который она соединяется с потенциальным электродом полосковой линии, составляют резистивный делитель напряжения. Он определяет заданную величину напряжения между точкой подключения резистора к полупроводящей оболочке и, как следствие, заданную величину электрического поля в рабочем объеме установки, исключая экранирование электрического поля витками системы формирования магнитного поля, имевшее место при отсутствии такого резистора.
Устройство работает следующим образом. ГИН подключен к полосковой линии и работает таким образом на емкостную нагрузку. ГИТ подключен к системе из двух параллельно включенных витков кабеля и работает таким образом на индуктивную нагрузку. Выходные разрядники ГИН и ГИТ с помощью синхронизирующего устройства запускаются одновременно. Принципиальная электрическая схема устройства представлена на фиг. 2.
В цепи разряда ГИН протекает ток, который в импульсном режиме заряжает емкость полосковой линии. Временные характеристики импульса напряжения между электродами полосковой линии определяются параметрами цепи разряда ГИН. При этом между электродами полосковой линии формируется импульсное электрическое поле, временные параметры которого соответствуют параметрам напряжения между электродами, а напряженность пропорциональна расстоянию между ними.
В цепи разряда ГИТ (в том числе по виткам системы формирования магнитного поля) протекает импульсный ток, параметры которого определяются параметрами разрядной цепи ГИТ. Ток, протекающий по ним, создает в пространстве импульсное магнитное поле, временные параметры которого соответствуют временным параметрам тока в витках, а напряженность пропорциональна:
вит
Где n - количество витков, I - ток в витках соленоида, h - высота верхней точки витков системы формирования магнитного поля.
Нулевые обкладки конденсаторов ГИН и ГИТ соединены с нижним электродом полосковой линии и нижней частью витков системы формирования магнитного поля.
При отсутствии электрической связи между верхним электродом полосковой линии и системой формирования магнитного поля электрическое поле концентрируется между верхней частью полосковой линии и верхней частью системы формирования магнитного поля и резко уменьшается в рабочем объеме.
В случае выполнения системы формирования магнитного поля из кабеля с полупроводящей оболочкой и при соединении ее в верхней части через резистор с верхним электродом полосковой линии распределение электрического поля в рабочем объеме изменится. Последовательное соединение сопротивления и полупроводящей оболочки по своей сути представляют делитель напряжения, таким образом, напряжение между верхним и нижним электродами полосковой линии будет распределено следующим образом. Отношение напряжения между верхним электродом полосковой линии и верхней части витков кабелей системы формирования магнитного поля и напряжения между верхней и нижней точками системы формирования магнитного поля будет равно отношению сопротивлений подключенного резистора и полупроводящей оболочки. Напряженность электрического поля в рабочем объеме будет определяться отношением напряжения между верхней и нижней точками системы формирования магнитного поля к их высоте. При этом, чтобы исключить взаимное влияние разрядных цепей ГИН и ГИТ друг на друга, подключаемый резистор должен иметь значение не менее нескольких килоом.
Таким образом, вышеизложенные сведения при использовании заявленного устройства свидетельствуют о выполнении следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно, в испытательной тематике;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Преимущество изобретения состоит в том, что при ограниченных выходных параметрах генераторов импульсных токов и напряжений обеспечиваются наиболее возможные амплитуды магнитных и электрических полей в рабочих объемах испытательных установок.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
Источники информации
1. Гуляев А.В. Моделирующие установки и имитаторы для испытаний образцов вооружения и военной техники, радиоэлектронной аппаратуры и электрорадиоизделий на радиационную и электромагнитную стойкость. - 2020. - с. 384-392.
2. Кравченко В.И. Молния. Электромагнитные факторы и их поражающее воздействие на технические средства. - Харьков: Изд-во - «НТМТ». 2010. - 224 с.