ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 4, с. 538-543
УДК 537.852:621.3.027.89
ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ СПИРАЛЬНОГО МАГНИТОКУМУЛЯТИВНОГО ГЕНЕРАТОРА С ОДНОВРЕМЕННЫМ ИНИЦИИРОВАНИЕМ ЗАРЯДА ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА ПО ОСИ
© 2004 г. А. С. Кравченко, Ю. В. Вилков, А. С. Юрыжев, М. М. Саиткулов, И. М. Бруснигин
Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт
экспериментальной физики, г. Саров Поступила в редакцию 15.07.2003 г.
Рассматривается спиральный магнитокумулятивный генератор с одновременным инициированием заряда взрывчатого вещества по оси. Начальное поле в генераторе создается с помощью внешнего соленоида. Представлено описание расчетной модели этого генератора, работающего на индуктивный накопитель и узел разрыва токового контура. Приведены экспериментальные результаты, полученные при испытании генератора с внутренним диаметром спирали 115 мм и длиной рабочего объема 330 мм. На узле разрыва из электрически взрывающихся медных проводников был получен импульс тока мощностью 100 ГВт. Проведено сравнение экспериментальных результатов с численным моделированием работы генератора.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из путей получения коротких (менее одной микросекунды) импульсов энергии является ее накопление за время работы магнитокуму-лятивного генератора (МКГ) в индуктивном накопителе с быстрой последующей передачей ее в нагрузку с помощью коммутаторов, например электровзрывных размыкателей [1].
Коэффициент усиления мощности источников тока при использовании узлов разрыва из электрически взрывающихся медных проводников относительно невысок [2]. Поэтому для получения импульсов энергии большой мощности необходимо использование быстродействующих МКГ. Одним из таких является спиральный МКГ с одновременным осевым инициированием заряда взрывчатого вещества (ВВ) - спиральный ОМКГ [3-6].
Результаты исследований, приведенные в работе [7], показывают, что спиральные магнито-кумулятивные генераторы с одновременным инициированием цилиндрического заряда ВВ по оси (СОМКГ) обладают высокой удельной мощностью при работе на нагрузку с относительно большой по величине индуктивностью.
В одном из экспериментов со спиральными ОМКГ с помощью генератора с внутренним диаметром спирали 115 мм и длиной рабочего объема 320 мм в индуктивной нагрузке ~5 мкГн был получен импульс магнитной энергии мощностью ~90 ГВт при амплитуде импульса напряжения ~350 кВ. Время деформации контура генератора -~10 мкс. Удельная мощность этого генератора составила ~10 ГВт/кг. Коэффициент усиления тока
исследованного СОМКГ ограничивался величиной остаточной индуктивности и не превышал четырех [7].
Расчетные исследования источника энергии на основе такого спирального ОМКГ показывают, что на узле разрыва из электрически взрывающихся медных проводников могут быть получены импульсы напряжения свыше 1 МВ. При этом максимальная электрическая мощность в узле разрыва, достигающая ~0.25 ТВт, значительно (в 2.5-3 раза) превосходит мощность, развиваемую генератором в нагрузке с оптимальной величиной индуктивности без обострения импульса энергии.
Наиболее высокие мощность и напряжение могут быть получены при создании начального поля в СОМКГ с помощью источника энергии, эффективное время работы которого сравнимо с эффективным временем работы исследуемого генератора мощности. Увеличение эффективного времени создания начального поля приводит к существенному снижению мощности и напряжения выходного импульса.
Полученные расчетные параметры работы спирального ОМКГ на нагрузку, включающую индуктивный накопитель и узел разрыва токового контура, показывают, что СОМКГ могут быть использованы для генерации мощных электромагнитных импульсов.
В данной работе приведены экспериментальные результаты по исследованию подобного СОМКг, начальное поле в котором создавалось с помощью внешнего соленоида по схеме с перехватом потока [8, 9]. Генератор работал на на-
3
5
4
1
Рис. 1. Конструктивная схема СОМКГ: 1 - медная труба, 2 - спираль, 3 - заряд ВВ, 4 - труба из оргстекла, 5 - радиальные электродетонаторы, 6 - индуктивный накопитель и узел разрыва токового контура, 7 - внешний соленоид.
грузку, включавшую индуктивный накопитель и узел разрыва токового контура. Конструктивная схема этого генератора представлена на рис. 1.
Расчетная модель. Эквивалентная схема СОМКГ при запитке его от конденсаторной батареи по схеме с перехватом потока приведена на рис. 2.
Процесс создания начального поля в СОМКГ при таком способе запитки описывается уравнениями
' й 11 ¿2
йг _- с 1
Мг _ -¿12
йг _ - с.
(И3 _ 0.
„ (г
(1)
Уравнения, описывающие электротехнические процессы в системе при работе генератора, имеют следующий вид:
(11 йг
(Лг йг
Ь1 (( ¿3 + ¿4) ¿2 — ¿23 ) + Ь2 (( ¿3 + ¿4 ) ¿12 — ¿13 ¿23 ) + Ь3( ¿13 ¿2 — ¿12 ¿23 )
( ¿1 ¿2 — ¿П )( ¿3 + ¿4 ) + ( ¿12 ¿13 — ¿1 ¿23 ) ¿23 + ( ¿12 ¿23 — ¿2 ¿13 ) ^
13
Ь1 ((¿3 + ¿4)¿12 - ¿13¿23) + Ь2((¿3 + ¿4)¿1 - ^3) + ¿12¿13 - ¿1 ¿23)
( ¿1 ¿2 — ¿!2 )( ¿3 + ¿4 ) + ( ¿12 ¿13 — ¿1 ¿23 ) ¿23 + ( ¿12 ¿23 — ¿2 ¿13 ) ¿
13
(!ъ _ _^^_
~тт _ 2 '
( ¿1 ¿2 — ¿12 )( ¿3 + ¿4 ) + ( ¿12 ¿13 — ¿1 ¿23 ) ¿23 + ( ¿12 ¿23 — ¿2 ¿13 ) ¿13
£ _ Л г) ■
(2)
¿12(0
С
(К>
Рис. 2. Эквивалентная электротехническая схема СОМКГ: С - емкость источника начальной энергии; ¿1 - суммарная индуктивность внешнего соленоида, создающего начальное поле внутри генератора, и линии запитки; ¿2(г) - индуктивность центральной трубы; ¿3 - индуктивность спирали СОМКГ; ¿4 - сумма накопительной индуктивности и индуктивности узла разрыва; ¿^(г) - взаимная индуктивность внешнего соленоида и центральной трубы; ¿13 - взаимная индуктивность внешнего соленоида и спирали СОМКГ; ¿23(Г) - взаимная индуктивность спирали СОМКГ и центральной трубы; Щ (Г) - активное сопротивление узла разрыва; ¡1 - ток в контуре запитки; ¡2 - ток в центральной трубе; ¡3 - ток в спирали СОМКГ.
где
Ь1 - ¡2
йЬ
12
йг
- СI ¡1йг,
йЪз йг
4 х 10г (г) ^ (г)(0.9г (г) + 21)
(0.9 г (г) +1)
где у(Г) - скорость разлета центральной трубы.
Выражение для взаимной индуктивности внешнего соленоида и центральной трубы можно записать следующим образом [10]:
ю,
¿12 (г) = Цс—Ф,2( г). I
Здесь ю1 - число витков внешнего соленоида;
Ф,2(г) = пг,г (г)
?И2 = -1 + —;
У12
У12 =
г2(г)
?112 + 2 ?312
8 г2 ,
?312 = 1 - У
12
22 лТ + I
г1 - средний радиус внешнего соленоида. В результате получим
й^2 _ ю1 йФ12 - -
йг
Г
йг
й Ф
12
йг
- 2 п г1 г(г) ^(г)
г2 ( г) 4г2 ,
Ь2 - ¡Г
йЬ
12
йг
-¡
йЪ йг
-¡
й^
'23
йг
Ьз - - Щ(г)¡3- ¡2-
йL
23
йг
Индуктивность внешнего соленоида, создающего начальное поле внутри генератора, и индуктивность спирали СОМКГ можно представить в виде [10]
ц - 4пю2йф.
Здесь - магнитная постоянная; й; - средний диаметр спирали; ю; - число витков спирали; Ф; -коэффициент, значения которого зависят от отношения длины и диаметра спирали.
Индуктивность центральной трубы может быть найдена из выражения [11]
¿2(г) -
2 х 1 0 г ( г) 0 . 45 + и 2 г (г)'
в котором г(г) - радиус центральной трубы; I -длина рабочего объема генератора. Тогда
Аналогичным образом можно записать выражение для взаимной индуктивности спирали СОМКГ и центральной трубы
ю3
¿23(г) - Ф2з(г),
I
где ю3 - число витков спирали СОМКГ;
2
Ф23 (г) ~ п г3 г (г)
?123 - - 1 +
У 23
г2 (г)
8 г2
3
?323 - 1 - У 23;
У 23
22 г3 + I
г3 - средний радиус спирали СОМКГ [10]. Тогда
йЪ
23
йг
ю3 й Ф
23
I2
йг
йФ
23
йг
- 2 п г3 г(г) V(г)
г2 (г) 4г3
I
I
3
ГА/с
4.5
Рис. 3. Внешний вид генератора.
40 60 t, мкс
Рис. 4. Ток (штриховая кривая) и производная (сплошная кривая) во внешнем контуре.
Взаимную индуктивность внешнего соленоида и спирали СОМКГ найдем из выражения
ю, ю3
¿13 _ — Ф13,
I
котором
ф13 = п Г1 г
2
<? 113 + 2 ?313
8 г2
1
?И3 _ -1 + —; ?313 _ 1 -у 13; У13
У13 _
22 л/Г1 + I
В качестве зависимости, описывающей изменение активного сопротивления узла разрыва ЯДг), можно использовать полуэмпирические соотношения, полученные из экспериментов по электрическому взрыву проводников, например [1, 2, 12].
Таким образом, решая системы дифференциальных уравнений (1) и (2), с учетом уравнений движения лайнера, приведенных в [7], можно получить представление об электротехнических процессах, происходящих в системе, эквивалентная электротехническая схема которой представлена на рис. 1.
Результаты эксперимента. Исследуемый генератор имел следующие основные геометрические размеры: длина спирали 330 мм; внутренний радиус спирали по изоляции 57.5 мм; число витков спирали 24; наружный радиус центральной трубы 36 мм; наружный радиус цилиндра из ВВ 32.5 мм. Начальная индуктивность генератора составила ~15 мкГн. Внешний вид генератора представлен на рис. 3.
Внешний соленоид, создававший начальное поле внутри этого генератора, имел следующие параметры: длина 330 мм; средний радиус 75 мм; число витков 14. Индуктивность такого соленоида составляла ~8 мкГн.
Роль индуктивного накопителя выполнял виток, выходящий из середины спирали генератора.
Для узла разрыва токового контура было использовано 50 проводников из медного провода диаметром 0.12 мм. Проводники длиной 1100 мм наматывались на каркас диаметром 110 мм на длине 850 мм.
Суммарная индуктивность нагрузки составила ~2.8 мкГн. При этом индуктивность узла разрыва оценивается в 0.4-0.43 мкГн. Начальное значение активного сопротивления медных проводников равнялось 35 мОм, а их общая масса - 5.54 г.
Для создания начального поля использовалась конденсаторная батарея емкостью 900 мкФ и за-
I, кА 180
150
120
90
60
30
0
0
10 12 14 16
t, мкс
Рис. 5. Ток в нагрузке, сплошная кривая - эксперимент, штриховая - расчет.
тока
dl/dt, ТА/с
Рис. 6. Производная тока в нагрузке; сплошная кривая - эксперимент; расчет: штриховая кривая - и = = 250 кВ, пунктир - 300 кВ.
U, кВ
t, мкс
Рис. 7. Напряжение на узле разрыва (обозначения, как на рис. 6).
рядным напряжением 35 кВ, величина индуктивности линии запитки составила 1 мкГн.
Осциллограмма производной тока и полученная по ней кривая тока во внешнем контуре приведены на рис. 4. Величина
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.