ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 125-129
_ ЛАБОРАТОРНАЯ _
- ТЕХНИКА -
ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ МЕТАТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА (УСКОРИТЕЛЬ),
РАБОТАЮЩАЯ НА ВОДОРОДЕ
© 2004 г. А. В. Будин, А. Ф. Савватеев, Ф. Г. Рутберг
Институт проблем электрофизики РАН Россия, 191186, Санкт-Петербург, Дворцовая наб., 18 E-mail: rutberg@iperas.spb.su Поступила в редакцию 01.12.2003 г.
Основным достоинством метательных установок (ускорителей) на легком газе является возможность достижения высоких скоростей метаемых тел (до нескольких километров в секунду). Эффективность (к.п.д.) ускорителя зависит от молекулярной массы рабочего газа, давления и температуры, которые определяют скорость распространения звука в газе. Необходимые характеристики газа могут быть достигнуты как адиабатическим сжатием, так и нагревом электрической дугой. Недостаток первого метода - необходимость сжимать газ до очень высокого давления (>2 ГПа), чтобы получить заданную температуру. Во втором случае требуется нагреть газ в замкнутом объеме до нескольких тысяч градусов, чтобы увеличить его давление, что приводит к сильной тепловой эрозии элементов ускорителя.
В ИПЭФ РАН создана двухступенчатая метательная установка, в которой осуществляется предварительное адиабатическое сжатие рабочего газа (водорода), а затем его нагрев электрической дугой. При этом обеспечивается высокая эффективность ускорителя (к.п.д. передачи энергии от дуги в газ близок к 100%) и существенно снижаются требования к максимальной температуре газа. Проведены исследования рабочих характеристик комбинированного ускорителя, в результате которых определены параметры электрической дуги, горящей при концентрации водорода (1.5-3.3) ■ 1022 см-3 и токах в сотни килоампер. В статье представлены описание конструкции ускорителя, а также результаты его экспериментальных испытаний.
ВВЕДЕНИЕ
Основным достоинством метательных установок (ускорителей) на легком газе является возможность получения скоростей в несколько километров в секунду. Эффективность работы таких ускорителей зависит от молекулярной массы рабочего газа и его температуры, которые определяют скорость распространения звука в газе
a = JkRT/|, (1)
где k - показатель адиабаты, R - универсальная газовая постоянная, | - молекулярный вес газа, T -температура.
При истечении газа в ствол происходит его расширение, сопровождающееся понижением температуры. Зачастую это приводит к отставанию газа от снаряда и снижению эффективности ускорения. В экспериментах с легкими снарядами было отмечено, что разгон снаряда происходит на длине ствола, не превышающей 30 калибров, и дальнейшее его движение происходит с практически постоянной скоростью, а иногда даже с замедлением. Критерием в данном случае может служить предельно возможная скорость истечения газа из камеры в ствол
^ = ¡тЬ Ро = ^т = ^ *ГГ ' (2)
где Р0, Т0 и р0 - соответственно давление, температура и плотность газа в камере.
При этом максимально возможная скорость истечения газа в вакуум
k + 1 k - 1 '
Vmax = Vкр IТ-7 . (3)
Следует отметить, что по мере истечения газа в ствол при движении снаряда происходит понижение Т0.
Входящая в выражение (1) молекулярная масса зависит от состава газа и степени его загрязнения (например, продуктами эрозии материала стенок камеры). Необходимая температура может быть достигнута либо путем адиабатического сжатия, как это происходит в двухступенчатых легкогазовых ускорителях, либо при дуговом нагреве газа в камере электроразрядного ускорителя.
Согласно экспериментальным данным, оптимальной с точки зрения "живучести" конструкции ускорителя является среднемассовая температура газа 3000 К, близкая к температуре кипения стали [1]. Выше нее наблюдается вскипание
поверхностного слоя стенок камеры, что ведет к существенному загрязнению газа частицами и парами металла. При данной температуре укр = 3814 м/с и vmax = 9340 м/с. Как показывают результаты эксперимента, такие параметры могут обеспечить скорость выстреливания 6-7 км/с при достаточно высокой эффективности ускорителя. При этом нет необходимости использовать тугоплавкие материалы для изготовления разрядной камеры, чтобы предотвратить активное испарение материала стенок. Достижение желаемой температуры газа в двухступенчатых легкогазовых ускорителях связано с необходимостью сильного сжатия газа, так как конечная температура газа Т = = Т0(р/р0)к - 1, где р и р0 конечная и начальная плотности газа. Оценка параметров установки без учета диссоциации и ионизации показывает, что для получения Т = 3000 К без предварительного нагрева отношение конечной и начальной плотностей должно быть р/р0 = 315, при этом отношение конечного и начального давлений Р/Р0 = = (р/р0)^ ~ 3150. Очевидно, что двухступенчатый легкогазовый ускоритель либо должен иметь очень длинный канал поршневого сжатия, либо работать при относительно низких температурах газа.
В силу сказанного выше представляется весьма перспективным создать комбинированный ускоритель с первоначальным адиабатическим сжатием газа и последующим его дуговым нагревом (надо отметить, что попытки создания подобных ускорителей проводились еще в 50-е годы [2]). Такая последовательность работы ступеней ускорителя определяется следующими соображениями: эффективность передачи энергии от дуги в газ растет при увеличении его плотности [3]; рост начального давления ведет к значительному увеличению необходимого количества пороха [2], а рост начальной температуры газа ведет к увеличению тепловых потерь в стенки канала сжатия.
Достоинства предложенной схемы.
• Существенное снижение (при той же кинетической энергии метаемого тела) требуемой энергии источника питания - самого дорогостоящего элемента электроразрядного ускорителя.
• Снижение начального давления рабочего газа, что упрощает и удешевляет конструкцию установки.
• Высокая плотность газа в разрядной камере и относительно небольшой протекающий электрический заряд обусловливают низкий уровень загрязнения газа продуктами эрозии электродов, а значит, средний молекулярный вес рабочей смеси
будет близок к молекулярному весу газа тогда как для традиционных электроразрядных ускорителей характерно соотношение = (1.2-1.5)^.
ГТЛ ,,-0.5
Так как скорость звука в газе а0 ~ , а максимальная скорость метаемого тела vmax ~ а0, то при
той же среднемассовой температуре газа величина vmax для комбинированного ускорителя будет выше.
• С ростом плотности газа увеличивается сопротивление электрического разряда, и, следовательно, растет эффективность передачи энергии из источника питания в дугу.
• При концентрации водорода п0 > 1022 см 3 эффективность передачи энергии из дуги в газ превышает 90% [3].
Предварительные эксперименты, результаты которых опубликованы в [4, 5], показали возможность получения устойчивого разряда в водороде при указанных выше плотностях, а также высокую надежность и эффективность установки. Целью представленной работы было определение энергетических и баллистических характеристик комбинированного ускорителя, отработка его конструкции, а также исследование параметров электрического разряда в водороде при начальной концентрации частиц п0 = (1.5-3.3) ■ 1022 см3.
КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВКИ
Комбинированный ускоритель (рис.1) состоит из канала поршневого адиабатического сжатия 1, разрядной камеры 4, где происходит мощный электрический разряд емкостного накопителя энергии, и разгонного канала 11 калибра 12.7 мм. В отличие от классического последовательного расположения каналов сжатия и ускорения здесь применена параллельно-сложенная схема, что позволило фиксировать поршень в конечном положении, а также надежно синхронизировать инициирование разряда с моментом максимального сжатия газа. Электрическая дуга горит по оси разрядной камеры между катодом 7, изолированным от корпуса камеры, и анодом 8, имеющим с ней электрический контакт. Поршень 2 и пороховой заряд 3 находятся внутри канала сжатия. Разрядная камера и канал сжатия перед выстрелом наполняются водородом через канал напуска газа 5, снабженный обратным клапаном. Объем разрядной камеры 70 см3, объем канала сжатия 640 см3 - такое соотношение позволяет получить 10-кратную степень сжатия газа. Начальное давление газа может варьироваться от 1 до 40 МПа. Диафрагма 10 отделяет разрядную камеру от ствола, в начале которого установлен снаряд 12. Пьезоэлектрические датчики 9 регистрируют давление в канале сжатия, разрядной камере, начале и конце ствола.
Инициирование разряда происходит в момент, когда поршень, находясь в положении максимального сжатия газа, замыкает специальный контакт. Передняя часть поршня изготовлена из медного стержня, который при ударе о корпус установки расклепывается и перекрывает выход га-
3 2 1
У////////////////////////^
11
9 12 10 9 8 7
Рис. 1. Конструкция комбинированного ускорителя. 1 - канал сжатия, 2 - поршень, 3 - пороховой заряд, 4 - разрядная камера, 5 - газоподвод, 6 - токоввод, 7 - катод, 8 - анод, 9 - датчики давления, 10 - диафрагма, 11 - разгонный канал, 12 - метаемое тело.
за в канал сжатия. Благодаря фиксации поршня в конечном положении также устраняется такой существенный недостаток двухступенчатых установок, как обратное движение поршня по каналу сжатия, снижающее эффективность ускорения и ведущее к разрушению элементов конструкции.
В отличие от классического двухступенчатого легкогазового ускорителя, в котором для сжатия газа до заданного давления (2500-3000 МПа) необходимо разогнать поршень до высокой скорости, что вызывает его разрушение в результате удара о промежуточный модуль между каналом сжатия и камерой, в комбинированном ускорителе это давление в десятки раз ниже (250-300 МПа), так же как и скорость поршня. В результате проведенных экспериментов была установлена зависимость между начальным давлением газа и необходимой массой порохового заряда, что позволило избежать существенного разрушения элементов конструкции ускорителя.
Важнейшим параметром любого ускорителя является диапазон возможных скоростей для различных начальных условий (массоскоростные характеристики). Для этой цели используется коэффициент Сч = ш/С3 (ш,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.