Введение к работе
Актуальность теш исследования. Интерес к разработке методов высокоскоростного метания твердых тел (единицы - десятки километров в секунду ) стимулируется как чисто научными, так и прикладными задачами. Соударение тел с высокими скоростями позволяет изучать поведение веществ в экстремальных условиях - при высоких давлениях, плотностях, температурах. Среди прикладных задач, оказавших значительное влияние на развитие этого научного направления, следует отметить появление и развитие космической техники. Необходимо было изучить последствия соударения микрометеоритов с космическими объектами.В течение последних 10-15 лет исследователи все чаще обращаются к использованию электромагнитной энергии для достижения высоких скоростей, в частности, большой интерес проявляется к исследованию рельсовых ускорителей твердых тел. Разработка таких ускорителей с высокими выходными характеристиками требует решения широкого круга задач. Это - создание ускорителя, его согласование с источником электромагнитной энергии, изучение физических процессов, происходящих в канале ускорителя и ограничивающих достижение высоких скоростей.
Несмотря на интенсивные исследования последних лет задачи получения скоростей ? 10 км/с и эффективного преобразования электромагнитной энергии источника в кинетическую энергию ускоряемого тела к настоящему времени не решены.
Цель работы. Целью настоящей работы явилось изучение кинематических и энергетических характеристик рельсовых ускорителей твердых тел и исследование физических процессов в каналах рельсовых ускорителей с плазменным поршнем, оказывающих влияние на указанные характеристики.
В качестве источника питания использовались конденсаторная батарея и взрывомагнитные генераторы. Для достижения поставленной цели представлялось необходимым:
I. Провести анализ общих энергетических соотношений в цепи рельсового ускорителя твердых тел и рассмотреть энергетические соотношения и кинематические характеристики в рельсовом ускорителе с питанием от конденсаторной батареи и от магнито-кумулятивного генератора.
-
Разработать конструкции ускорителей, способные работать при высоких параметрах нагрузкения, и технологию их изготовления, обеспечивающую высокую точность изготовления канала.
-
Разработать методики для измерения скорости тела при движении в стволе и в свободном полете,.для исследования структуры плазменного поршня в стволе рельсовых ускорителей твердых тел, для измерения распределения тока в канале ускорителя. Оборудовать стенд для проведения исследований по рельсотронному ускорению.
-
Определить требования к магнито-кумулягивному генератору для запитки рельсовых ускорителей твердых тел. Изготовить и испытать магнито-кумулятивные генераторы.
-
Провести экспериментальные исследования по ускорению диэлектрических твердых тел плазменным поршнем в рельсовых ускорителях с питанием от конденсаторной батареи и от магнито-кумулятивного генератора.
-
Исследовать структуру и динамику плазменного поршня в рельсовых ускорителях твердых тел в зависимости от эпюры тока и величины линейной плотности тока (отношение величины тока к ширине электродов).
Научная новизна. В диссертации проведен теоретический анализ работы рельсового ускорителя на основе полученных аналитических решений и оценок, проведено экспериментальное исследование работы рельсового ускорителя твердых тел при запитке от конденсаторной батареи и взрывного МК-генератора. Основные результаты заключаются в следующем:
I. Проведен анализ общих энергетических соотношений в рельсовых ускорителях с питанием от конденсаторной батареи, индуктивного накопителя. Рассмотрены энергетические соотношения в рельсовом ускорителе с питанием от магнито-кумулятивного генератора. Получены формулы, позволяющие оценить скорость тела, КПД преобразования энергии источника в кинетическую энергию тела используя исходные параметры системы, известные в начальный момент времени. Показано, что омические потери в цепи могут быть определяющими и являться одним из основных препятствий, ке позволяющим достигать высоких КПД. Введено понятие характеристической скорости, что позволяет получать экспресс-оценки кинематических и энергетических характеристик ускорителя.
2. Проведен анализ требований к магнито-кумулятивному гене
ратору для запитки рельсового ускорителя. Определены требования к
магнито-кумулятивному генератору, обеспечивающему постоянный ток
при работе на рельсовый ускоритель, и проведены его испытания.
Показано, что для эффективной работы рельсотрона, при запитке от
магнито-кумулятивного генератора (когда кинетическая энергия
ускоряемого тела больше начальной энергии магнитного поля), необ
ходимо, в процессе работы генератора, энергию запасать в индук
тивности нагрузки, а затем использовать ее для ускорения тела,
или повышать ток до максимально возможного на начальной стадии
работы генератора и далее поддерживать ток на этом уровне.
3. Исследована работа магнито-кумулятивного генератора с
взрывчатыми веществами, имеющими низкую скорость детонации. Пока
зано, что выходные параметры магнито-кумулятивного генератора не
ухудшаются при использовании взрывчатых веществ со скоростью
детонации 3,7 км/с вместо обычно применяемых пластических взрыв
чатых веществ со скоростью детонации 7,5 км/с. Это позволяет
значительно уменьшить размеры магнито-кумулятивных генераторов.
-
Предложен метод измерения распределения тока в рельсотро-не магнитными зондами, регистрирующими компоненту магнитного поля, зависящую только от направленной вдоль рельс компоненты тока. Метод отличается простотой тарирования датчиков и имеет пространственное разрешение порядка расстояния между рельсами.
-
Проведено экспериментальное исследование работы рельсовых ускорителей при запитке от конденсаторной батареи и магнито-кумулятивных генераторов. В экспериментах с конденсаторной батареей достигнуты скорости 5,9км/с для тела массой 0,17г и 5,5км/с для тела массой 1,3г. При ускорении от магнито-кумулятивного генератора достигнута скорость 6,2км/с для тела массой 1,2г.
-
Проведено экспериментальное исследование структуры плазменного поршня. Показано, что в проведенных экспериментах не реализуется магнитоприжэтый разряд, т.е. к использованию модели плазменного поршня надо относиться очень осторожно.
-
Обнаружено отставание плазменного поршня от ускоряемого тела как на спадающей, так и на возрастающей ветвях тока.
-
Разработана конструкция и технология изготовления каналов круглого и квадратного сечения, позволяющая обеспечить высокую точность изготовления и прямолинейность ствола.
В диссертации выносится на защиту:
анализ общих энергетических соотношений в рельсовом ускорителе твердых тел;
анализ энергетических соотношений в ускорителе с питанием от конденсаторной батареи и взрывного магнито-кумулятивного генератора;
- результаты экспериментальных исследований работы рельсового
ускорителя с питанием от конденсаторной батареи и от взрывного
магнито-кумулятивного генератора;
результаты экспериментальных исследовании структуры плазменного поршня в рельсовом ускорителе твердых тел;
результаты исследования влияния эпюры тока и линейной плотности тока на структуру и динамику плазменного поршня;
результаты экспериментального исследования отставания от тела плазменного поршня в рельсовом ускорителе;
- результаты по разработке и испытанию магнито-кумулятивных
генераторов, обеспечивающих импульс тока постоянной амплитуды;
- результаты испытаний магнито-кумулятивных генераторов с
взрывчатыми веществами, имеющими малую скорость детонации.
- результаты достижения скорости метаемых тел при запитке от
конденсаторной батареи до 5,5 км/с для массы 1,3г и 5,9 км/с для
массы 0,17 г , и 6,2 км/с при запитке от магнито-кумулятивных
генераторов для тела массой 1,2г;
Научная и практическая ценность результатов работы.
Проведенный анализ энергетических соотношений в рельсовых ускорителях твердых тел и введенное понятие характеристической скорости позволяют получить оценки кинематических и энергетических характеристик ускорителя в зависимости от исходных параметров системы, известных в начальный момент времени.
Проведенные экспериментальные исследования позволили получить новые данные о структуре и динамике плазменного поршня в рельсовом ускорителе твердых тел на стадии его формирования и распада, определить критические линейные плотности тока, при которых сохраняется компактность плазменного поршня при возрастании тока в цепи. Эти данные могут быть полезны для поним; :-шя физических процессов, происходящих в рельсотронах, при созда ши рельсовых ускорителей и для сравнения с теоретическими расчета!д.
Достоверность результатов определяется полученными аналитическими решениями и оценками и различными, взаимно дополняющими друг друга методиками регистрации основных физических величин.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались на X Всесоюзной конференции по физике высокоскоростного соударения (г.Вийск, 1979г. ), на ill - VI Международных конференциях по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным экспериментам , на Всесоюзной школе по импульсным источникам энергии (г.Ура-Гюбе, 1984г. ), на II Всесоюзной конференции по импульсным источникам энергии (г.Свердловск, 1985г.), на Международной конференции по физике плазмы (г.Арлингтон, США, 1987), на Всесоюзной конференции по высокоскоростному метанию (г.Дзержинский, 1988г. ), на 8 Международной конференции по импульсным источникам энергии (г.Сан-Диего, США, 1991г ).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. На конструкции и технологии изготовления стволов рельсовых ускорителей твердых тел получены 4 авторских свидетельства.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 161 страницах машинописного текста включая 41 рисунок и две таблицы. Библиографический список содержит 107 наименований.