Введение к работе
Актуальность проблемы. Для генерации экстремальных теплофизи-лескгос состояний конденсированных сред и реализации динамических методов в их изучении в последние года интенсивно разрабатываются гишрскоростные разгонные устройства нового поколения на основе использования принципов электромагнитного ускорения. Основная цель разработки этих устройств состоит в том, чтобы превзойти параметры метания практически исчерпавших себя традиционных систем (газовых, легкогазовых, электротермических и пороховых пушек, взрывных и взрывокумулятившх метательных устройств), в воспроизводимых массовых экспериментах выйти за пределы скоростей разгона^10 км/с и более. Удельная плотность кинетической энергии ускоренного МТ составит при этом >50 кДж/г, т.е. значительно превысит плотность химической- энергии распространенных веществ.
Одним из устройств, с которым связывают вероятную ыерспективу решения этой задачи, является рельсотрон (рис.1). Канонический рельсотрон представляет- собой линейный влэктродвигатель, в котором подвижный элемент 1 рабочего электрического контура с тском I (якорь, ТПА) ускоряется в собственном магнитном поле В этого контура. Рельсотрон привлекателен относительной простотой преобразователя энергии - капала ускорителя. Лучшие результаты были получены при разгоне диэлектрических М7 массой _1 г на рельсотроках с плазменным якорем - МПУ (6-7 км/с в воспроизводимых экспериментах,1 8-11 - в единичных).
Первоначальные надежда на скорое достижение пптерскоростей разгона в МПУ не были оправданы в полной мера. Отсутствие достаточных знаний о физических процессах преобразования энергии сдерживает прогресс в достижении более высоких скоростей метания, широкое практическое использование этих ускорителей в физике, техни-
_ 2 -ко, технологии.
В настоящее время основной причиной невысокой эффективности МПУ считается распад подвижной сильноточной излучающей ТПА, обусловленный ее" взаимодействием со стенками ЫПУ-канала и дестабилизирующим влиянием эрозионных потоков с рабочих поверхностей какала. Вероятно, однако, что рассматриваемые причины нереализуемое ожидаемых параметров ускорения являются, по-существу, следствием внутреннего рассогласования процессов в системы электрометанмя в целом.
Исследование эволюции токовоплазменных образований б МПУ-канале и еЭ причин актуально как с точки зрения построения адекватной физической модели процесса преобразования энергии в МПУ, так и оценки на этой основе продольного уровня скоростей, достижимых в этих ускорителях при неразрутающем разгоне МТ.
Цель работы.
Исследование процесса эволюции TI1A в МПУ-канале, определение причин еЗ обусловливающих, выявление форм существования ПДР, развитие физической модели процессов преобразования энергии в МПУ.
Определение возможных схемотехнических модификаций рельсотро-нов, их классификация; сравнительный анализ этих схем, віи:кчая аспекты устойчивости ТПА, выявление перспективных по этому признаку.
Создание целевого экспериментального стенда. Получение и накопление базы экспериментальных данных.
Экспериментальные исследования различных схем МПУ, эволюции и динамики ТПА; сравнительный анализ этих схем по устойчивости ТПА.
Научная новизна.
Установлено, что эрозия поверхностей МПУ-канала - неотъемлемый фактор, сопрововдаиций работу МПУ макротел, и постановка задачи о ей исключении практически нереализуема, по крайней мере, на существующем уровне технологии изготовления конструкционных элементов МПУ-каналов.
Приведена иллюстрация форм существования ПДР в рельсотроне; предложена физическая модель процесса разгона МТ в каноническом МПУ.
Выполнен качественный анализ процессов, ограничивающих скорость разгона в МПУ. Показано, что определяющими являются аспекты электрической прочности канала ускерителя, недостаток которой про-
- з -является в изменении форми существования ДЯР, нереализуемости принципа электродинамического разгона.
Выявлено повышение устойчивости электропроводящего эрозионного следа ТПА по отношению к паразитним перезамиканням рабочего тока в нём при интенсификации процессов эрозии стенок МПУ~канала, но но за счЗт увеличения амплитуда тока.
Предложены схеми с обращёшшм и двусторонним токоподводом к подвижному якорю рельсотрона. Показано, что схеми о прямим и обращенным токоподводом являются полярными по уровню устойчивости к паразитним порозамыканиям рабочего тока в канале: первая - худшая по устойчивости елода подвижного якоря, но лучшая по устойчивости фронтальних областей канала, и наоборот. При повышении омичоского сопротивления электродов запас по устойчивости следа якоря в схеме с обращенным токоподводом возрастает, но понижается в схеме с прямим токоподводом, и наоборот в отношении устойчивости фронтальных областей канала. В этом ряду схема с двусторошшм токоподводом занимает промежуточно? положение. В предлагаемых схемах МПУ выбор электродных материалов не ограничен классом високоэлоктропроводя-щих.
Получоны экспериментальные дапшо по исследованию с<ем МПУ с прямим, обращонним и комбинированным токоподводом, а также дополните льним иодмагиичиванием, в вариантах само- и независимого возбуждения. Прямое сравнение с каноническим МПУ в сходных условиях постановки опытов подтвердило болоо високу» устойчивость следа ТПА к паразитным шрезамикашіям рабочего тока в схемах МПУ с обращбн-нкм и двусторошшм токоподводом и перспективность предлагаемых схем.
Практическая и научная ценность.
Получошшо в работе новые результаты позволили расширить прод-стаїзлеїшя о влиянии процессов эрозии МПУ-канала на эволюцию ТПА и динамику разгона Ш,'развить физическую модель процоссов преобразования энергии в МПУ, указать механизми, определяющие оффвктивно-сть разгона, построить полный ряд схемотехнических модификаций рельсотрона и предложить новые схемы, отличающиеся повшиешшм запасом устойчивости ТПА, создать банк экспериментальных данных по результатам исследований схем МПУ с прямым, обращенным, двусторошшм токсподеодами к ТПА, дополнительным подмагничиванием.
Полученные данные корректируют сложившуюся систему нредставле -ний ' іарадигму) об определяющем и преимущественно негативном влиянии процессов эрозии, изменяют взгляд на необходимость использования в конструкциях ШУ-капалов малоэрозирующих материалов.
Предложенные новые схемы рельсотронов могут быть использованы при разработке и создании гиперскоростных мотателей с повишешюй эффективностью преобразования электромагнитной энергии в кинетическую, преодоления уже освоешшх и достигнутых рубежей для скоростей матадия.
Полуденные результаты развивают и дополняют систему представлений о предмете исследования, позволяют оценивать возможности метателей на основе рельсотрона с большей достоверностью, формулировать задачу .исследования следующего уровня.
ООосновашюсть и достоверность результатов работы подтверждена оценками возможных систематических и случайных погрешностей измерений, многократным повторением опытов, всесторонним анализом положенных в основу теоретического рассмотрения допущений, сравнеішем с известными экспериментальными и теоретическими результатами.
Автор защищает:
результаты качественного анализа физических механизмов, определяющих допустимые скорости разгона МТ в МПУ, физическую модель преобразования энергии в каноническом МПУ;
антиэрозионную концепцию физических процессов в МПУ-канале как определяющую эффективность разгона МТ;
полный ряд схемотехнических модификаций рельсотроноБ, их классификацию, результаты сравнительного анализа устойчивости ТПА;
результаты экспериментальных исследований эволюции ТПА в различных схемах МПУ;
запас по устойчивости следа ТПА к возможности образования паразитных шунтирующих перезамыканий рабочего тока в схеме МПУ с дополнительным самоподмагничшзаняем меньше, чем в канонической;
запас но устойчивости следа ТПА к возможности образования паразитных шунтирующих перезамыканий рабочего тока в елвж-и МПУ с обращенным и двусторонним токоподводом выше, чем в каноническом МПУ;
в схемах с обращенным и двусторонним токоподводом устойчивое состояние ТПА и режим, «б ускорения могут бить реализована и при
уменьшении ловдеромоторной сили в процессе движения.
Апробация работа. Основные результаты и положешія диссертации докладывались на XXXVII и ХХХУШ Научных конференциях МФТИ (1990, 1991 гг.), на 11-ом Всесоюзном семинаре по динамике сильноточного дугового разряда в магнитном поле (Новосибирск, 1991 г), на Всесоюзной конференции по физике и технике высогсоскоростного ударэ (Владивосток, 1990 г.), на научных семинарах лаб. * 37 НИЦ ТИВ НО "ИВТАК", приняты к обсувдению на мевдународной конференции "Ме-гагаусс-6".
Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатных работы, получен 1 патент.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения. Работа изложена на страницах, содержит страниц токста и рисунков. Список ль/ератури насчитывает наименований.
