Биконический комплексированный взрывомагнитный генератор с антенным блоком

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 в данных методах 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 2 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. 4. Генерация единичного импульса.
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.
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 In 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. Возможность излучения только единичного импульса. 2. Сравнительно большое время излучения генератора. 3. Недостаточно широкий спектр излучаемого импульса.
Это поясняется тем, что в данном генераторе его выходные параметры зависят от массы ВВ и размеров его конструкции. Все это приводит к ограничению полосы частот генерируемого мощного электромагнитного импульса, наряду с возможностью генерации единичного импульса за счет одной излучающей системы.
Для устранения вышеперечисленных технических и эксплуатационных трудностей при осуществлении взрывомагнитного преобразования предлагается биконический комплексированный взрывомагнитный генератор с антенным блоком (БКВМГАБ), который позволит значительно расширить частотный диапазон генерируемого электромагнитного излучения (ЭМИ) и позволит излучать несколько импульсов за одно срабатывание.
Целью полезной модели является расширение технических характеристик биконического взрывомагнитного генератора за счет применения антенного блока, способного излучать пачку широкополосных импульсов.
Поставленная цель достигается тем, что биконический комплексированный взрывомагнитный генератор с антенным блоком, 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, отличающийся тем, что нагрузкой является антенный блок, состоящий из жесткого полого цилиндрической формы каркаса, в котором по окружности в качестве излучателей установлены электровзрывающиеся проводники с различной площадью поперечного сечения, форма каркаса позволяет устанавливать проводники различной длины.
Суть полезной модели поясняется структурной схемой построения биконического комплексированного взрывомагнитного генератора с антенным блоком, представленной на фиг. 1. Он состоит из двух одинаковых комплексированных взрывомагнитных генераторов, которые состоят из внешних лайнеров 1, снаружи которых установлены конические спиральные катушки 2, внутренние лайнеры 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 с двух сторон подключен к комплексированным взрывомагнитным генераторам и состоит из жесткого полого цилиндрической формы каркаса, с двумя внешними металлическими пластинами 11 с высокой проводимостью, жестко скрепленными между собой диэлектриком в виде цилиндра 12. К одной из пластин по окружности прикреплен металлический каркас 13 такого же материала, из чего изготовлена пластина 11, что позволяет установить различные кратчайшие расстояния между крайними точками окружностей пластин 11 параллельно оси диэлектрического крепежа 12. По окружностям пластин 11 параллельно оси 12 подсоединяются электровзрывающиеся проводники 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21. Проводник 14 имеют самую короткую длину и самую малую площадь поперечного сечения. С увеличением номера проводника с 14 до 21 увеличивается длина проводников и площадь их поперечного сечения.
Работа биконического комплексированного взрывомагнитного генератора с антенным блоком осуществляется следующим образом.
Два встречно включенных комплексированных взрвывомагнитных 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 приблизительно максимального значения разрядного тока накопителя (в индуктивностях катушек) осуществляется синхронный подрыв детонаторов 6. При этом обязательным условием является синхронный подрыв обоих детонаторов 6 и инициализация движения 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 3, которые сдавливаются 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 нескольких импульсов обладающих более широким частотным спектром, нагрузка 7 выполнена в виде антенного блока, который состоит из жесткого полого цилиндрической формы каркаса, с двумя внешними металлическими пластинами 11 с высокой проводимостью, жестко скрепленными между собой диэлектриком в виде цилиндра 12. Высокая проводимость пластин 11 обеспечивает плотный контакт с цепями комплексированных взрывомагнитных генераторов соответственно. К одной из пластин по окружности прикреплен металлический каркас 13 такого же материала, из чего изготовлена пластина 11, что позволяет установить различные кратчайшие расстояния между крайними точками окружностей пластин 11 параллельно оси диэлектрического крепежа 12. По окружностям пластин 11 параллельно оси цилиндра 12 подсоединяются электровзрывающиеся проводники 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21. Каждый проводник будет являться излучателем, таким образом, количество данных проводников и будет определять количество импульсов при срабатывании генератора. Следует отметить, что длина излучателя и площадь поперечного сечения будут определять энергетические параметры излучаемого сигнала, поэтому чтобы обеспечить генерацию импульсов различной амплитуды, длины проводников выбирают из расчета, чтобы первым излучился наиболее слабый импульс, что присуще для проводника с самой короткой длиной. Проводник 14 имеет самую короткую длину и самую малую площадь поперечного сечения. С увеличением номера проводника с 14 до 21 увеличивается длина проводников и площадь их поперечного сечения соответственно.
Для того чтобы расширить полосу частот излучаемых импульсов, необходимо значительно (в разы) сократить длительность импульса. 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 3 этапа.
При построении излучающей системы на основе электровзрывающегося проводника (ЭВП) следует учитывать три временных фазы этапов преобразований при обострении током. Каждый этап определяет сопротивление излучения, а именно: 1-й этап - сопротивление неизменно 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, зная выходные параметры тока на нагрузке БКВМГАБ, возможно рассчитать количество излучателей. В предложенной полезной модели все излучатели (14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21) подсоединены параллельно. Срабатывая в одном электровзрывающемся проводнике, ток с данной ветки пропорционально сопротивлениям переходит на параллельные, что позволяет последовательно испаряя электрическим взрывом проводники излучать последовательность импульсов. Длительность данных импульсов 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 нескольких проводников, являющихся нагрузкой, позволит увеличить количество импульсов за одно срабатывание и значительно расширить их полосу частот.
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.