Устройство для высокоскоростного соударения тел
DEVICE FOR HIGH-SPEED COLLISION OF BODIES

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для ускорения макротел (массой от нескольких граммов и выше) до высоких скоростей с помощью электромагнитных ускорителей рельсового типа, обеспечивающих прямое преобразование электрической энергии, запасенной в импульсном источнике, в кинетическую энергию метаемого тела. Изобретение предназначено для исследования свойств материалов при сверхвысоких ударных нагрузках, развиваемых при соударении метаемого тела с мишенью, может применяться в физике высокоскоростного удара, физического моделирования воздействия микрометеоритов на элементы космических объектов и техногенных частиц на оборудование.
Известен генератор волны сжатия для генерирования в среде волны сжатия (патент на изобретение №2592491 от 07.02.2014). В этом генераторе указанный генератор волны сжатия содержит: поршень, характеризующийся наличием тела с первой поверхностью и второй поверхностью, а также с продольной осью, проходящей между первой поверхностью и второй поверхностью; корпус, характеризующийся наличием внутреннего канала, первого конца и второго конца; поддон, выполненный с возможностью перемещения во внутреннем канале, а также сконфигурированный для переноса с возможностью высвобождения указанного поршня во внутреннем канале от первого конца в направлении второго конца вдоль продольной оси внутреннего канала; поверхность динамического воздействия, соединенную со средой и расположенную во втором конце корпуса в сообщении с внутренним каналом; средство для ускорения поддона, несущего поршень, в направлении поверхности динамического воздействия; и средство для замедления поддона посредством прикладывания удерживающей силы к указанному поддону для запуска поршня вперед перед поддоном так, чтобы при столкновении поршня с поверхностью динамического воздействия указанный поршень, по меньшей мере, частично был отделен от поддона.
Средство для ускорения поддона содержит множество электропроводящих рельсов и источник энергии, электрически соединенный с указанными электропроводящими рельсами, при этом поддон, несущий поршень, представляет собой подвижную арматуру между электропроводящими рельсами.
Движение поддона может быть замедлено путем прямого воздействия на поддон силы магнитного поля (например, создаваемого постоянным электромагнитом, который расположен вокруг поддона).
Недостатком создания тормозящего магнитного поля, формируемого постоянным электромагнитом, который расположен вокруг поддона, (а точнее вокруг корпуса) является слабая пространственная неоднородность магнитного поля и потокосцепление из-за больших габаритов корпуса, нивелирующие эффект его воздействия на торможение поддона, а также неопределенное место расположения электромагнита при широкой вариации условий проведения эксперимента, в том числе неконтролируемых. Кроме того, если пролетная дистанция поддона в зоне действия постоянного электромагнита превышает продольный размер электромагнита, что всегда случается при высоких скоростях, то эффект отделения поддона от поршня вообще отсутствует, так как силы отталкивания или притяжения действуют на любой магнетик со стороны источника магнитного поля только в области неоднородности (градиентов) магнитного поля, в результате чего действие магнита на поддон на подлетной части траектории и на отходящей взаимно компенсируется.
Известно устройство для моделирования высокоскоростных встречных соударений плохопроводящих тел (патент на изобретение №2174222 от 31.07.2000). В этом устройстве для соударения тел, содержащем индуктивно связанные с источниками импульсного магнитного поля поддоны, с установленными на них соударяемыми телами, каждый источник импульсного магнитного поля выполнен в виде направляющих рельсов, последовательно подключенных к источнику импульсного тока, в которых установлен поддон с возможностью электрического взаимодействия, вследствие которого действующая на поддон электродинамическая сила направлена в сторону выходного конца рельсов, при этом каждый поддон с парой рельсов образует ступень ускорения, параллельно соединенную с другой ступенью ускорения относительно источника импульсного тока, а между каждыми двумя ступенями ускорения расположены две ступени торможения каждого из поддонов, каждая из которых представляет собой дополнительный источник импульсного магнитного поля, выполненный в виде последовательно соединенных с источником импульсного тока направляющих рельсов с возможностью электрического взаимодействия с соответствующим поддоном, вследствие которого действующая на поддон электродинамическая сила направлена против его первоначального движения, при этом ступени торможения соединены между собой параллельно относительно источника импульсного тока.
Недостатком данного устройства является то, что ток разряда батареи конденсаторов к моменту торможения существенно снижается из-за затухания. Это связано с колебательным затухающим или апериодическим характером разряда тока. Зависит от степени снижения тока, метаемой массы, пути ускорения, торможения и других факторов. Вследствие всего этого возможно уменьшение усилия торможения, пролет метаемого тела через ступени торможения.
Выбранным за прототип, как наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату, является устройство для моделирования высокоскоростных встречных соударений плохопроводящих тел (патент на изобретение №2274844 от 16.09.2004), содержащее источник импульсного магнитного поля, выполненный в виде направляющих рельсов, последовательно подключенных к источнику импульсного тока, в которых установлен поддон с возможностью электрического взаимодействия, вследствие которого действующая на поддон электродинамическая сила направлена в сторону выходного конца рельсов, при этом каждый поддон с парой рельсов образует ступень ускорения, параллельно соединенную с другой ступенью ускорения относительно источника импульсного тока, а между каждыми двумя ступенями ускорения расположены две ступени торможения каждого из поддонов, каждая из которых представляет собой дополнительный источник импульсного магнитного поля, причем дополнительный источник импульсного магнитного поля в виде ступеней торможения образован путем последовательно соединенных с источником импульсного тока дополнительных контуров подмагничивания и расположенных внутри каждого из них направляющих рельсов с возможностью электрического взаимодействия с соответствующим поддоном, вследствие которого возникает действующая на поддон электродинамическая сила, направленная против его первоначального движения, при этом ступени торможения соединены между собой параллельно относительно источника импульсного магнитного тока.
При этом снижение тока разряда компенсируется путем размещения вокруг рельсов ступеней торможения дополнительных контуров подмагничивания с индукцией В и В', а усилие торможения определяется согласно формуле:
где  - плотность тока (в поддонах 2 и 2');
s - сечение поддонов;
В - индукция магнитного поля контуров подмагничивания (6 и 6').
Недостатком данного устройства является то, что введение контура подмагничивания ступеней торможения приводит к дополнительному расходованию энергии емкостного накопителя, в результате дополнительный эффект торможения нивелируется. Устройство не позволяет проводить высокоскоростное соударение проводящих и диэлектрических тел с мишенью без существенного искажения результатов налетающими остатками поддона - фрагментами, частицами, расплавленными металлом, имеющими ту же скорость, что и ускоряемые тела. Кроме того, того, в случае негерметичного сплошного канала после выхода поддона из ускоряющих рельсов может не возникнуть ожидаемой паузы тока, потому, что протекание тока продолжает поддерживаться через плазму электродугового разряда в воздухе, которая продолжает двигаться вместе с поддоном после выхода из ступени ускорения и обгоняет его. В результате плазменный канал достигает входа в рельсы торможения, замыкая собой цепь протекания тока, что приводит к срыву процесса торможения, так как ускоряющие и тормозящие рельсы оказываются замкнуты при энергопотреблении от единого источника. В этом случае не исключается также отбрасывание плазмы от рельсов торможения навстречу поддону, приводящее к существенному изменению его начальных условий: нагрев ускоряемого тела плазмой, деформация поверхности, перекос относительно оси симметрии и частичное разрушение, что приводит к недостоверным результатам исследования.
Задачей изобретения является создание возможности проведения высокоскоростного соударения токопроводящих и диэлектрических тел с мишенью без существенного искажения результатов налетающими остатками поддона - фрагментами, частицами, расплавленным металлом.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности торможения поддона и обеспечение возможности получения достоверных результатов исследований при более высоких скоростях метаемых тел при сохранении их начальных условий по температуре и осевой ориентации.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для высокоскоростного соударения тел, содержащем силовой корпус и находящиеся в нем параллельно расположенные токопроводящие рельсы, опорные межрельсовые изоляторы, образующие с рельсами герметичный канал, в котором расположено с возможностью продольного перемещения метаемое тело с поддоном и якорем, обеспечивающим электрический контакт между рельсами, источник импульсного тока, подключенный через коммутатор к рельсам, устройство для торможения поддона, блок управления, соединенный с коммутатором и датчиком положения поддона, устройство для торможения поддона выполнено в виде соленоида, размещенного встык с торцом силового корпуса как продолжение герметичного канала и подключенного через дополнительный коммутатор к дополнительному источнику импульсного тока и блоку управления, при этом соленоид выполнен с внутренним диаметром, равным калибру герметичного канала и длиной соленоида, равной 1-1,5 калибрам герметичного канала, силовой корпус выполнен длиннее рельсов на расстояние 2-3 калибров поддона, образуя пролетную диэлектрическую секцию, поддон выполнен в виде полого тонкостенного диэлектрического цилиндра, с плоскими торцами со скругленными кромками, содержащего закрепленный внутри со токопроводящий цилиндр, при этом метаемое тело закреплено снаружи на фронтальном торце, а якорь выполнен в виде осесимметричного проводящего диска, закрепленного на заднем торце поддона.
Токопроводящий цилиндр может быть закреплен внутри полого тонкостенного диэлектрического цилиндра со смещением к заднему торцу.
Токопроводящий цилиндр может быть закреплен внутри полого тонкостенного диэлектрического цилиндра по всей его длине.
Якорь может быть выполнен в виде диска, диаметром 0,4-1 калибр поддона.
Якорь может быть выполнен в виде взрывающейся проволочки.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявляемого устройства, отсутствуют. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".
Результат поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа заявленного изобретения, показал, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
На фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства для высокоскоростного соударения тел; на фиг. 2 - поперечный разрез устройства для высокоскоростного соударения тел; на фиг. 3 - продольный разрез поддона с метаемым телом и якорем со смещенным к заднему торцу токопроводящим цилиндром; на фиг. 4 - продольный разрез поддона с метаемым телом и якорем с токопроводящим цилиндром, закрепленным по всей длине полого тонкостенного диэлектрического цилиндра; на фиг. 5 - пространственные эпюры сил электромагнитной индукции, действующих на проводящее тело; на фиг. 6 - схема момента подачи импульса тока на соленоид.
Устройство для высокоскоростного соударения тел, содержит силовой корпус 1 (фиг. 1) и находящиеся в нем параллельно расположенные токопроводящие рельсы 2, опорные межрельсовые изоляторы 3 (фиг. 2), образующие с рельсами герметичный канал 4, в котором расположено с возможностью продольного перемещения метаемое тело 5 (фиг. 3) с поддоном 6 и якорем 7, обеспечивающим электрический контакт между рельсами 2, источник импульсного тока 8 (фиг. 1) подключенный через коммутатор 9 к рельсам 2, устройство для торможения поддона 10, блок управления 11, соединенный с коммутатором 9 и датчиком положения поддона. Устройство для торможения поддона 10 выполнено в виде соленоида 12, размещенного встык с торцом силового корпуса 1 как продолжение герметичного канала 4 и подключенного через дополнительный коммутатор 13 к дополнительному источнику импульсного тока 14 и блоку управления 11. Соленоид 12 выполнен с внутренним диаметром, равным калибру герметичного канала 4 и длиной соленоида, равной 1-1,5 калибрам герметичного канала 4, силовой корпус 1 выполнен длиннее рельсов 2 на расстояние 2-3 калибров поддона, образуя пролетную диэлектрическую секцию 16, Поддон 6 (фиг. 3) выполнен в виде полого тонкостенного диэлектрического цилиндра 17, с плоскими торцами 18, 19 со скругленными кромками 20. Внутри диэлектрического цилиндра 17 закреплен токопроводящий цилиндр 21. Метаемое тело 5 закреплено снаружи на фронтальном торце 19, а якорь 7 выполнен в виде осесимметричного проводящего диска, закрепленного на заднем торце 18 поддона 6.
Токопроводящий цилиндр21 может быть закреплен внутри полого тонкостенного диэлектрического цилиндра 17 со смещением к заднему торцу 18 (фиг. 3).
Токопроводящий цилиндр 21 может быть закреплен внутри полого тонкостенного диэлектрического цилиндра 17 по всей его длине (фиг. 4).
Токопроводящий якорь 7 может быть выполнен в виде диска, диаметром 0,4-1 калибр поддона.
Токопроводящий якорь 7 может быть выполнен в виде взрывающейся проволочки.
Силовой корпус 1 может быть изготовлен как из электропроводных, так из изоляционных материалов, должен выдерживать высокие механические напряжения, возникающие в элементах конструкции корпуса 1, удерживая геометрические размеры герметичного канала 4 постоянными в процессе выстрела, что является необходимым условием выполнения повторных выстрелов. Опорные межрельсовые изоляторы 3 служат для электрической изоляции рельсов от корпуса 1, если он выполнен из металла, и для передачи усилий, возникающих в рельсах при выстреле, корпусу 1. Якорь 7 может быть металлическим, плазменным или гибридным.
1
Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии метаемое тело 5 с поддоном 6 и якорем 7 находится в начале токопроводящих рельсов 2 со стороны подвода тока от импульсного источника тока 8. После срабатывания управляемого коммутатора 9 по команде с блока управления 11 мощный импульс тока I подается на рельсы 2. По электрической цепи, образованной последовательным включением источника тока 8, коммутатора 9, рельсов 2 и скользящего между ними металлического якоря 7, протекает ток, создающий магнитное поле в герметичном канале 4. Замыкание электрического тока от источника импульсного тока 8 осуществляется через рельсы 2 и якорь 7 в одном из трех вариантов: а) непосредственно по металлическому якорю 7, в случае, когда диаметр якоря 7 равен калибру герметичного канала 4; б) через металлический якорь 7 и плазму электродугового разряда, когда диаметр якоря 7 меньше калибра герметичного канала 4; в) непосредственно через плазму электродугового разряда, когда токопроводящий якорь 7, выполненный в виде взрывающейся проволочки, инициирует электродуговой разряд (режим плазменного поршня). Режим ввода энергии подбирается таким образом, что импульс тока заканчивается в момент достижения телом противоположного конца рельсов 2, тем самым обеспечивая максимальную степень вклада запасенной энергии накопителя в кинетическую энергию метаемого тела 5.
Магнитное поле, взаимодействует с током, протекающим через металлический якорь 7. В результате этого взаимодействия возникает сила Ампера, которая действует на якорь 7, разгоняя его вместе с поддоном 6 и метаемым телом 5 вдоль рельсов 2. Величина ускоряющей силы пропорциональна квадрату тока в якоре 7 и градиенту индуктивности рельсов 2.
Выполнение поддона 6 (фиг. 3, фиг. 4) в виде полого тонкостенного диэлектрического цилиндра 17 с размещенным в нем токопроводящим цилиндром 21 обеспечивает теплоэлектроизоляцию метаемого тела 5 и токопроводящего цилиндра 21 от воздействия плазмы рельсового ускорителя, исключая их разрушение, и их точную осевую ориентацию.
нач
2
0
нач
0
На противоположном конце герметичного канала 4 в пролетной диэлектрической секции 16 (Фиг. 1) длиной два-три калибра от конца силового корпуса 1, происходит разгрузка герметичного канала 4 от остаточных паров плазмы. Оптический датчик положения 15, выполненный в виде поперечной оптоволоконной вставки, регистрирует момент пересечения фронтальным торцом поддона 18 с метаемым телом 5 и якорем 7 оси оптоволоконной вставки. По сигналу с датчика положения поддона 15 в момент х (фиг. 5) блок управления 11 подает управляющий импульс тока на дополнительный управляемый коммутатор 13, через который подается с небольшой задержкой мощный короткий импульс тока I (фиг. 1, фиг. 5) на соленоид 12 устройства для торможения поддона 10. Внутри и в окрестности соленоида 12 возбуждается импульсное магнитное поле (фиг. 5). В соответствии с направлением тока в обмотке соленоида 12 линии магнитной индукции В направлены слева направо внутри соленоида, а снаружи замыкаются вокруг него в обратном направлении. Внутри соленоида линии почти параллельны, а магнитное поле однородно, во внешней же области магнитное поле неоднородно. Параметром неоднородности поля является его градиент. На нижней части фиг. 5 изображен градиент магнитной индукции -dB/dx вдоль осевой линии, на которой он в абсолютном значении принимает максимальное значение на расстоянии х от середины соленоида а от края соленоида это расстояние примерно равно внутреннему диаметру соленоида. Внутри соленоида градиент магнитной индукции вдоль оси очень мал и равен нулю ровно посередине, также он мал на большом расстоянии от соленоида (левее х). Значительные величины градиента магнитной индукции существуют только в некоторой окрестности точки х.
Силы переменных магнитных полей, действующие на токопроводящее тело (диамагнетик) и являющиеся силами выталкивания из области сильного магнитного поля, пропорциональны градиенту магнитного поля и величине взаимной индукции соленоида и токопроводящего тела. На метаемое тело, находящееся слева от соленоида, силы направлены влево, а справа от соленоида - направо.
Импульсное магнитное поле возбуждает в токопроводящем цилиндре 21 импульс тока электромагнитной индукции, сила действия которого по закону электромагнитной индукции направлена против движения поддона 6 и расположенного в нем токопроводящего цилиндра 21, затормаживая их. Метаемое тело 5 по инерции продолжает двигаться с той же скоростью и отрывается от поддона 6, обгоняя его на небольшое расстояние при подходе к мишени, разделяя во времени момент удара по мишени метаемого тела 5 и поддона 6.
кон
кон
нач
Импульс тока завершается в момент, когда середина цилиндра 21 совмещается с серединой соленоида 12 вдоль оси движения или чуть левее в точке х (фиг. 4). Соответствующая длительность импульсного тока подбирается из условия: (х - х)/ ν, где ν - скорость движения поддона.
Если метаемое тело 5 проводящее, то импульсный ток должен быть подан на соленоид 12 в момент, когда метаемое тело 5 дошло до середины соленоида, при этом токопроводящий цилиндр должен быть смещен к заднему торцу поддона (фиг. 3). Если метаемое тело 5 не является проводником, то поддон 5 может быть несколько короче, не выходя за пределы диапазона, а токопроводящий цилиндр 21 может быть закреплен внутри полого тонкостенного диэлектрического цилиндра 6 по всей его длине (фиг. 4), чем обеспечивается повышенная доля полезной нагрузки.
Конструктивно соленоид 12 должен быть залит в прочный стеклопластиковый компаунд.
Выполнение соленоида 12 с внутренним диаметром D, в пределе равным калибру герметичного канала 4, приводит к максимальному потокосцеплению соленоида 12 с цилиндром 21, и максимальной силе воздействия на токопроводящий цилиндр 21.
0
Выполнение соленоида длиной свыше 1,5 калибров неэффективно, так как внутри него нет продольных градиентных сил, осуществляющих торможение. Выполнение соленоида длиной меньше 1 калибра не может быть технически выполнено из-за невозможности синхронизации при высоких скоростях метаемых тел момента подачи импульсного тока, момента регистрации пролетающего поддона оптическим датчиком и момента прерывания импульсного тока на соленоид. Это связано с тем, что в коротком соленоиде область торможения на входе и ускорения на выходе практически не разделены участком отсутствия сил магнитного поля. Выполнение соленоида длиной меньше 1 калибра также не может быть технически выполнено из-за взаимных ограничений соленоида и токопроводящего цилиндра по их размерам: а) длина токопроводящего цилиндра 21 должна быть приблизительно равна длине области Δх около точки х градиента магнитного поля, существенно отличного от нуля; б) длина Δх приблизительно равна внутреннему диаметру соленоида, согласно свойству, что длина неоднородности совпадает с диаметром неоднородности; в) максимальное потокосцепление соленоида и токопроводящего цилиндра достигается, когда их длины примерно равны.
Выполнение соленоида с длиной, равной 1-1,5 калибрам герметичного канала 4 приводит к максимальному потокосцеплению, максимальному градиенту магнитного поля, существенно отличного от нуля, максимальной силе, действующей на поддон и максимальной эффективности торможения.
Пролетная секция 16 не может быть выполнена меньше 2 калибров герметичного канала потому, что разгрузка от остаточных паров плазмы может не завершится, что приведет к неэффективному торможению поддона. Выполнение пролетной секции 16 больше 3 калибров нецелесообразно ввиду падения скорости ускоряемого тела.
В пролетной диэлектрической секции 16, равной длине 2-3 калибров поддона, разгрузка от остаточных паров плазмы с высокой надежностью завершится, что приводит к эффективному торможению поддона, а скорость поддона с метаемым телом при этом падает незначительно.
Использование данного изобретения позволяет повысить надежность торможения поддона и обеспечить возможность получения достоверных результатов исследований при более высоких скоростях метаемых тел при сохранении их начальных условий по температуре и осевой ориентации.