Анализ возможностей и экспериментальные исследования рельсовых ускорителей твердых тел тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

1-1

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ГИДРОДИНАМИКИ им.М.А.ЛАВРЕНТЬЕВА

на правах рукописи Башкатов Юрий Леонидович

УДК 533.95:538.4

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЛЬСОВЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

01.02.05 - механика жидкости, газа ж плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1994

Работа выполнена в Институте гидродинамики им.М.А.Лавренть-ва Сибирского отделения РАН.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук,

зав.лабораторией

Швецов Г.А. (г.Новосибирск)

доктор технических наук, профессор Аныпаков А.С.(г.Новосибирск)

доктор физико-математических наук, профессор

Лукьянчиков Л.А. (г.Новосибирск)

Научно-исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий Объединенного, института высоких температур РАН (г.Москва)

"'№< п гж^чл^ 1ээ /уг. в Ю

Защита состоится

с?<>

4

на заседании специализированного'совета Д 002.55.01 по защите диссертаций при Институте гидродинамики им.М.А.Лаврентьева.

Адрес: 630090, г.Новосибирск, пр-т. ак. Лаврентьева, 15, ИГиЛ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иститута гидродинамики СО РАН.

часов

Автореферат разослан ¡¿Л199^г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук

Яковлев И.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

2. Разработать конструкции ускорителей, способные работать при высоких параметрах нагрузкения, и технологию их изготовления, обеспечивающую высокую точность изготовления канала.

3. 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.

4. Определить требования к магнито-кумулягивному генератору для запигки рельсовых ускорителей твердых тел. Изготовить и испытать магнито-кумулятивные генераторы.

5. Провести экспериментальные исследования по ускорению диэлектрических твердых тел плазменным поршнем в рельсовых ускорителях с питанием от конденсаторной батареи и от магнито-кумулятивного генератора.

6. 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 генератору 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), необходимо, в процессе работы генератора, энергию запасать в индуктивности 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. Показано, что выходные параметры магнито-кумулятивного генератора не ухудшаются при использовании взрывчатых веществ со скоростью детонации 3,7 км/с вместо обычно применяемых пластических взрывчатых веществ со скоростью детонации 7,5 км/с. Это позволяет значительно уменьшить размеры магниго-кумулятивных генераторов.

4. 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.

5. 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.

6. Проведено экспериментальное исследование структуры плазменного поршня. Показано, что в проведенных экспериментах не реализуется магнитогтргокатый разряд, т.е. к использованию модели плазменного поршня надо относиться очень осторожно.

7. Обнаружено отставание плазменного поршня от ускоряемого тела как на спадающей, так и на возрастающей ветвях тока.

8. 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 исследований 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. Эги данные могут быть полезны для поним; ния 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.Бийск, 1979г. ), на III - VI Международных конференциях по генерации мегагаусных магнитных полей и родственным экспериментам , на Всесоюзной школе по импульсным источникам энергии (г.Ура-Тюбе, 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 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, сформулированны цели и задачи исследования, обоснована актуальность работы. Приведены основные положения, выносимые на защиту, отражены их научная новизна и практическое значение.

Первая глава является обзорной. . В ней рассматривается принцип электродинамического ускорения твердых тел, основные ограничения на величину линейной плотности тока в рельсовом ускорителе. Проведен обзор достижений по основным проектам по получению высоких скоростей в рельсовых ускорителях с плазменным поршнем в различных лабораториях мира.

Вторая глава посвящена анализу энергетических соотношений в цепи рельсовых ускорителей твердых тел с питанием от конденсаторной батареи, индуктивного накопителя, взрывомагнитного генератора. Основное внимание уделено получению аналитических решений, позволяющих проверять численные решения и получать экспресс-оценки энергетических соотношений. Изложению данных вопросов предшествует анализ общих энергетических соотношений в рельсовых ускорителях твердых тел и работы источника постоянного тока на рельсовый ускоритель.

Анализируя уравнения цепи и энергии в предположении, что активное сопротивление цепи К остается постоянным в процессе работы ускорителя и и(0)-0, получено соотношение . между кинетической энергией Ек и омическими потерями в цепи Ея Е /Е = и/и*. и* = 4Я /X .

К ' И * * о

Здесь V - скорость тела, V^ - характеристическая скорость, Я -погонная индуктивность рельсотрона. При характерных для рельсовых ускорителей значениях А0 и X характеристическая скорость 1^-20+100 км/с. Это означает, что при скорости тела в несколько километров в секунду омические потери существенно превышают кинетическую энергию тела.

Если предположить, что к концу ускорения электромагнитная энергия источника № полностью расходуется, то КВД рельсотрона будет зависеть только от одного безразмерного параметра А= Ш /т)\ составленного из определяющих параметров системы, известных в начальный момент времени; А можно рассматривать как критерий подобия при описании работы рельсовых ускорителей твердых тел.

Аналитические соотношения между Ек и Еп , выражения для КПД (Г) (со}), омических потерь (Ч) (оо)) и V были получены также для случаев, когда начальная скорость не нулевая, и когда сопротивление цепи в процессе работы рельсотрона изменяется. Например, для случая

й = Я0 + ^ , а = C0nst.

На рис. I представлены зависимости Т} (со) и Т) (со) от параметра А при различных а. Для реальных источников параметр А имеет значение -0,1+1. Как видно из рис.1 КПД системы в этом случае не

выше 30%.

Заметим, что в проведенном анализе не конкретизирован вид источника электромагнитной энергии: № может быть энергией, запасенной как в конденсаторной батарее, так и в индуктивном накопителе или в каком-либо другом источнике (МК-генератор исключается ).

Процесс электродинамического ускорения твердых тел от МК-генератора проанализирован на трех стадиях работы ускорителя: I -ускорение при разряде конденсаторной батареи, 2 - при работе взрывомагнитного генератора, 3 - при разряде индуктивного накопителя (индуктивность которого равна индуктивности цепи в момент окончания работы генератора) на рельсовый ускоритель. Система уравнений, описывающая работу МК-генератора на рельсовый ускоритель, в предположении, что отсутствуют силы трения и противодавления, имеет аналитическое решение, когда обобщенное магнитное число Рейнольдса у =\ 1а)\/Ка) остается постоянным в процессе работы генератора и установлена функциональная зависимость индуктивности генератора от пройденного телом расстояния X в стволе рельсотрона. Для случая £г= £го~ к\Х, когда = кХи (Хр - погонная индуктивность генератора, В - скорость детонации ВВ, й=С07^), зависимость скорости тела от х

Г.2

1

V У г 1-2/У

1 + _I__ I» S-.nl

^ (Л-1)(у -2)

Г I т

\к2(х) -/], т

V* 1п К(х)

4 + -Н— - т=г.

-/

Здесь №г(х) - коэффициент перестройки индуктивности от х,

Ьк=ЛУа/т, 1>1 - скорость тела в момент начала работы генератора. Анализ показывает, что кинетическая энергия метаемого тела на стадии работы МК-генератора не превосходит начальной магнитной энергии системы, то есть энергия может запасаться, в основном, в виде магнитной энергии.

Аналитические решения позволяют рассчитать основные параметры, характеризующие работу МК-генератора на рельсовый ускоритель твердых тел, позволяют определить начальные параметры генератора, необходимые для получения требуемых значений скорости

тела, оценить соотношения энергий в контуре.

Рассмотрение различных зависимостей индуктивности генератора от пройденного телом расстояния позволяет качественно понять, каким должен быть оптимальный закон изменения индуктивности взрывного МК-генератора. При соответствующем профилировании индуктивности генератора могут быть созданы конструкции, в которых приращение кинетической энергии тела на второй стадии работы генератора может быть много больше начальной магнитной энергии в генераторе. Для этого необходимо на начальной стадии работы генератора быстро увеличить ток до максимально допустимого, а затем поддерживать его на этом уровне в течении всего времени работы генератора.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям рельсовых ускорителей твердых тел. Описан стенд для проведения экспериментов. Источником начальной энергии служит конденсаторная батарея с энергией до 500 кДж. Эксперименты со взрывным МК-генератором проводились во взрывной камере, рассчитанной на подрыв заряда ВВ до 20 кг.

В эспериментах регистрировались следующие данные:

- ток и производная тока в цепи,

- напряжение на входе в рельсотрон и„„ и на дульном срезе 17_„„,

Вл оЫХ

- компоненты магнитного поля в рельсотроне при движении токовой перемычки,

- оптическая регистрация тела в свободном полете,

- регистрация тела в свободном полете с помощью импульсной рентгеновской съемки,

- измерение моментов времени пролета телом через контактные датчики.

Основные эксперименты, результаты которых вошли в диссертацию, были проведены с каналами круглого сечения диаметром 5,7 мм и 11,7 мм. Массы метаемых тел для этих каналов были »0,2 г и »1,3 г, соответственно. Разработанная технология изготовления рельсотронов позволила добиться высокой точности и прямолинейности каналов.

Для определения распределения тока в канале рельсового ускорителя использовались магнитные зонды, регистрирующие компоненту магнитного поля, зависящую от тока вдоль рельс. Анализ

показал, что такие датчики имеют лучшее пространственное разрешение, по сравнению с магнитными зондами регистрирующими другие компоненты магнитного поля, а их чувствительность легко определяется с помощью тарировки. Проинтегрированный сигнал с такого датчика показывает ток, прошедший за датчик и имеет разрешение порядка расстояния между рельс.

При проведении экспериментов по ускорению от конденсаторного источника тоь4а ставилась цель достичь высоких скоростей метания (55 км/с) и определить, при каких величинах линейной плотности тока 1/Ь рельсотроны будут работать эффективно. В таблице приведены результаты экспериментов в рельсотронах с диаметром канала 5,7 мм. Материал электродов медь, изоляторов - текстолит. Масса метаемого тела -0,17 г, материал - капралон или поликарбонат. Эксперименты проводились при атмосферном давлении. Наибольшая скорость 5,9 км/о достигнута при величине тока 420 кА в ускорителе длиной 0,34 м (эксперимент ). Необходимо отметить, что сигналы с магнитных зондов в рельсовом ускорителе показывают компактность плазменного поршня: основной ток протекает на длине 20-40 мм (3,5-7 калибров). При токе 390 кА (эксперимент №5) получена скорость 5,3 км/с на пути ускорения 0,83 м. При этом необходимо отметить, что по сигналам с магнитных зондов токовая перемычка отстала от тела после достижения током максимального значения. При этом тело прошло -0,3 - 0,4м. На рис.2 представлена зависимость скорости метаемого тела от пройденного расстояния. Видно, что начиная с определенного расстояния токовая перемычка отстает от метаемого тела, которое движется после этого практически без ускорения. Аналогичная картина наблюдалась в экспериментах, где масса метаемого тела была 1,3г. Величина скорости достигала 5,5км/с на пути ускорения -0,5м.

Увеличение тока в цепи до 520 кА не привело к увеличению скорости (эксперимент Л©). При еще большей величине тока в 590кА в эксперименте М1 метаемое тело разрушилось. Рельсовые ускорители в этих экспериментах испытывали большие перегрузки.

Уменьшение амплитуды тока до 300—350 кА (эксперименты ¿№3,4,7) привело к уменьшению скорости метания, при этом уровень скоростей снизился до 4,2___4,8 км/с.

Результаты экспериментов показали, что при ускорении от конденсаторной батареи существует оптимальное сочетание

параметров цепи и всей системы, при которых достигается

максимальная скорость. Наблюдается как отставание плазменного

поршня, так и увеличение его длины в процессе ускорения. В обоих

случаях метаемое тело прекращает свое ускорение, когда

регистрируются эти явления.

Учитывая физические ограничения на линейную плотность тока в

рельсовом ускорителе и выводы сделанные во второй главе,

представляется, что для наиболее эффективного ускорения тела

необходимо обеспечить ток 1=1,,-, при разряде конденсаторной

кр

батареи или от вспомогательного взрывомагнитного генератора -

предусилителя энергии, а основное ускорение тела осуществлять при

1=1 что можно обеспечить при запитке рельсового ускорителя от кр

МК-г е не рат ора.

Для такого режима можно сформулировать следующие требования

к взрывному МК-генератору как источнику энергии для рельсового

ускорителя твердых тел: генератор должен обеспечить (I) величину

тока, близкую к Т в течение всего времени работы, а также (2) кр

необходимую длительность электрического импульса. Анализ показал, что наиболее удовлетворяют этим требованиям плоские и коаксиальные МК-генераторы. Их последовательно-параллельное соединение позволяет создавать токовый импульс необходимой амплитуды и длительности.

Для достижения больших скоростей были изготовлены рельсотроны длиной 2,5 м. Генератор имел следующие параметры: ширина шин 50 мм, длина - 2,9 м, расстояние между шинами изменялось от 30 мм до 40 мм, индуктивность генератора - 1,25 мкГн. Емкость батареи - 34 мЗ?, напряжение 4,2 кВ, энергия ЗООкДж. Масса метаемого тела - 1,2 г. Ток запитки - 325 кА, максимальный ток - 445 кА. Расчет скорости тела по эпюре тока дает величину скорости тела на выходе 7,4 км/с. Контактные датчики показали величину скорости 6,2±0,5 км/с.

Для уменьшения габаритов взрывного МК-генератора проведены эсперименты с использованием взрывчатых веществ с малой скоростью детонации (0=3,7 км/с). Сравнение работы двух генераторов с одинаковыми временами работы, начальными индуктивностями, но с взрывчатыми веществами, имеющими различные скорости детонации показало, что взрывчатые вещества с малой скоростью детонации можно эффективно использовать во взрывных МК-генераторах,

предназначенных для питания рельсовых ускорителей твердых тел.

Были проведены эксперименты по запитке от МК-генераторов рельсовых ускорителей с диаметром канала 5,7 мм. На рис.За.Зб приведены зависимости 1а) и ха) для трех экспериментов. В эксперименте А1 отставание плазменного поршня от метаемого тела наблюдалось только после окончания работы МК-генератора на спадающей ветви тока. Несмотря на значительный рост тока во время работы генератора в эксперименте АЗ наблюдается отставание токового слоя от ускоряемого тела. При этом напряжение на входе в рельсотрон непрерывно увеличивается в течение всего времени работы генератора и достигает величины 2 кВ. Электрических пробоев в казенной части рельсотрона за время работы генератора не наблюдается. Неэффективная работа ускорителя, по-видимому, связана с эрозией электродов. В этом эксперименте плотность, тока на единицу ширины электрода в стволе рельсотрона изменяется от -640 кА/см до -1000 кА/см. Это значительно выше оценки I /Ь приведенной в I главе диссертации. Масса меди, выброшенной из ствола рельсотрона, значительно больше, чем в эксперименте А1. Кроме того (по сигналам с магнитных зондов) наблюдается рост длины плазменного поршня.

Эффективность работы рельсового ускорителя твердых тел зависит от возможности реализовать магнитоприжатый разряд. Для изучения структуры плазменного поршня были проведены эсперименты по оптической регистрации плазменного поршня. Они показали, что на начальной стадии плазма, образующаяся при электрическом взрыве фольги, под влиянием электромагнитных и газодинамических сил, претерпевает сложные изменения. Сразу после взрыва фольги наблюдается быстрое увеличение длины светящегося плазменного сгустка. В канале 10*10 мм2 при (31/6X^2 • Ю1 °А/с за время «10 мкс плазма заполняет пространство «4 см. При этом к телу примыкает менее светящаяся часть плазмы. Область яркого свечения отходит от тела на расстояние »2-4 см и в течение 25-30 мкс остается примерно в одном месте, незначительно увеличиваясь в размерах и совершая небольшие пространственные колебания к телу и от него. Затем она увлекается вслед за телом, . непрерывно изменяя свои границы и внутреннюю картину свечения. Отчетливо наблюдаются неустойчивости тыльной границы области яркого свечения. Это позволяет сделать вывод, что на начальном этапе ускорения

магнитоприжатый разряд не реализуется.

Экспериментальные результаты по ускорению твердых тел в рельсовых ускорителях с плазменным поршнем свидетельствуют о том, что на спадающей ветви тока плазменный поршень увеличивает свою длину и даже может отставать от ускоряемого тела. Чтобы стабилизировать длину плазменного поршня представляется необходимым или поддерживать ток на постоянном уровне или увеличивать его амплитуду в процессе ускорения. Эксперименты с МК-генераторами позволили проследить динамику плазменного поршня в рельсовом ускорителе при нарастании тока в зависимости от величины линейной плотности гока.

В экспериментах с медными электродами, когда отношение тока к ширине электрода в канале I/Ъ не превосходит 600 кА/см, рост напряжения на входе в рельсотрон сопровождается ростом напряжения на дульном срезе. Это свидетельствует о компактности плазменного поршня, а длина токового поршня, определенная по сигналам 'с магнитных зондов, составляет 12-15 калибров. На рис.4 приведена зависимость длины плазменного п®ршня в калибрах от I/Ö. Кривые 1,1'- для калибра 0 11,7 мм, 2,2',3,3',4,4' - для калибра ф 5,7 мм. Кривые помеченные штрихованными величинами соответствуют длине поршня, где протекает основной ток, определенной по сигналам с датчиков на уровне 1/2 амплитуды.

Б экспериментах с более высоким значением 1/Ъ (700-1000 кА/см ) наблюдается увеличение длины токового поршня до и 30 калибров и даже его отставание от метаемого тела во время интенсивного возрастания тока в рельсотроне. Напряжение на входе в рельсотрон возрастает в течение всего времени работы генератора, однако напряжение на дульном срезе после начального роста постепенно начинает уменьшаться после того, как начинает увеличиваться длина токового поршня. Отставание плазменного поршня наблюдается с момента, когда I/Ь достигает величины « 900 кА/см.

Проведенные эксперименты в рельсотронах с медными электродами позволяют сделать вывод, что плазменный поршень, даже "плохо" сформированный на начальном этапе ускорения, на возрастающей ветви тока при I/Ъ не более 600 кА/см сохраняет компактность и имеет размер 12-15 калибров, а основной ток протекает в области размером 6-8 калибров. При увеличении I/Ь происходит распад и увеличение общей длины плазменного поршня, а при величине I/Ь ^

900 кА/см плазменный поршень начинает отставать от тола и при возрастающем токе в рельсотроне.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.

1. Проведен анализ общих энергетических соотношений в цепи рельсового ускорителя твердых тел. Введено понятие характеристической скорости, при которой кинетическая энергия тела равна омическим потерям в цепи. Показано, что при скорости тела меньше характеристической скорости омические потери превосходят кинетическую энергию тела. Полученные формулы позволяют проводить экспресс-оценку энергетических и кинематических характеристик ускорителя с питанием от конденсаторной батареи и от индуктивного накопителя.

2. Построена электротехническая модель работы магнито- кумулятивного генератора на рельсовый ускоритель. Полученные аналитические решения позволяют проанализировать особенности работы МК-генератора на ускоритель, оценить параметры генератора, энергетические характеристики и описать динамику ускорения тела. Анализ показывает, что для эффективной работы системы необходимо в начале работы генератора быстро увеличивать ток в цепи до максимально допустимого, а затем поддерживать его на этом уровне. Во время нарастания тока и усиления энергии в цепи прирост кинетической энергии тела не превышает начальной магнитной энергии запитки МК-генератора. Прирост кинетической энергии, значительно превышающий магнитную энергию запитки МК- генератора, может достигаться на стадии работы генератора при специальных зависимостях изменения погонной индуктивности генератора, в частности, при такой зависимости, при которой ток поддерживается практически постоянным, или при ускорении с запиткой от индуктивного накопителя, на который работал МК-генератор, на спадающей ветви тока.

3. Разработаны конструкции и способы изготовления рельсовых ускорителей твердых тел с каналами квадратного и круглого сечения, на которые получены авторские свидетельства. Способ изготовления канала круглого сечения позволил добиться высокий точности изготовления канала, когда изменения диаметра канана.ч0 на длине до 300 калибров не превосходили 0,02мм.

4. Разработаны и испытаны конструкции плоских МК-генераторов, поддерживающие в цепи постоянный ток. Проведены испытания плоских МК-генераторов, работающих последовательно-параллельно в цепи рельсового ускорителя. Для уменьшения габаритов МК-генераторов показана возможность использования в них взрывчатых веществ, имеющих малую скорость детонации. Показано, что МК-генераторы являются перспективными источниками питания, позволяющими, при достаточно умеренных затратах, исследовать влияние формы и амплитуды токового импульса на предельные возможности рельсовых ускорителей твердых тел и обеспечить необходимый уровень энергетики.

5. Проведены эксперименты по ускорению твердых тел в рельсовых ускорителях с питанием от конденсаторной батареи и МК-генератора. При ускорении от конденсаторной батареи и от МК-генератора получены скорости метаемых тел до -6 км/с при массе 0,17 г и 1,2 г.

( 6. Проведены исследования динамики и структуры плазменного поршня в рельсовом ускорителе твердых тел с прозрачными изоляционными стенками. Зарегистрировано, что на начальной стадии процесса ускорения не реализуется н-прижатый разряд. Эрозия стенок канала создает условия для вторичных пробоев в ускорителе. Длина плазменного поршня, если не принимать специальных мер, может составлять десятки калибров, а на тыльной стороне поршня наблюдаются неустойчивости.

7. Зарегистрировано отставание токовой перемычки от тела, как на спадающей ветви тока, так и при увеличении тока в цепи. Обнаружено, что при возрастании тока в цепи во время ускорения длина плазменного поршня зависит от линейной плотности тока в канале. В рельсовом ускорителе с медными электродами длина плазменного поршня, даже "плохо" сформированного на начальном этапе ускорения, на возрастающей эпюре тока стабилизируется на величине 10-15 калибров, если Г/Ь<600кА/см. При больших плотностях тока длина поршня увеличивается, а при 1/Ьй900кА/см происходит распад плазменного поршня и его отставание от ускоряемого тела.

8. Проведенные исследования (как и других исследователей в России и за рубежом) позволяют заключить, что рельсовые электродинамические ускорители твердых тел можно рассматривать как достаточно доступный и удобный инструмент для исследования

задач высокоскоростного удара и различных приложений по крайней мере до скоростей порядка 6 км/с. Вопрос о возможности получения скоростей > 10 км/с остается открытым и требует детального изучения физических факторов и явлений, ограничивающих кинематические характеристики ускорителей.

Содержание диссертации достаточно полно отражено в следующих работах:

1. Башкатов Ю.Л., Орлов A.B., Сга'дниченко И.А., Титов В.М., Швецов Г.А. Исследование работы рельсотронного ускорителя твердых тел с питанием от взрывного МГД-генератора // ФГВ.-1984.- Т. 22.- ЖЗ.- С. III-II5.

2. Башкатов Ю.Л., Швецов Г.А. Энергетические соотношения в рельсотронном ускорителе с питанием от МК-генератора // Динамика сплошной среды: Сб. науч. тр./ ИГиЛ СО АН' СССР, 1986.- вып.75.- С.51-63.

3. Анисимов А.Г., Башкатов Ю.Л., Швецов Г.А. Взрывомагнитные генераторы для питания рельсотрошшх ускорителей твердых тел// ФГВ.- 1986.- Т.22.- №4.- С.76-82.

4. Башкатов Ю.Л., Швецов Г.А. Общие энергетические соотношения в рельсотрошшх ускорителях твердых тел// ПМТФ.- 1987.- Т.28.-.№2(162 ).- C.I66-I7I.

5. Anisimov A.G., Bashkatov Ju.L., Chistjacov V.P., Shvetsov G.A., Titov V.M. Railgun acceleration of macroparticles: Part 1: General characteristics// Megagauss technology and palsed power applications: Proc. 4th Intern, conf. on megagauss magnetic field generation and related topics, Santa Fe, USA, 1986.- N.J.; L.: Plenum Press, 1987.- P. 775-794.

6. Anisimov A.G., Bashkatov Ju.L., Shvetsov G.A., Stadnichenko I.A., Titov V.M. Railgun acceleration of macroparticles: Part 2: Experimental investigation// Ibid.- P. 795-801.

7. Анисимов А.Г., Башкатов Ю.Л., Стадниченко И.А., Швецов Г.А. Структура и динамика плазменного поршня в- рельсотронных ускорителях твердых тел // ПМТФ.- 1989.-№2.- С.145-150.

8. Anisimov A.G., Bashkatov Ju.L., Shvetsov G.A., Stadnichenko I.A. Structure and dynamics of the plasma armature of railgun macroparticle accelerator // IEEE Trans, on plasma science.-1989,- V.17.— N 3.-P.365-370.

9. Anisimov A.G., Bashkatov Ju.L., Shvetsov G.A., Stadnichenko I.A. Flux compression generators for railgun accelerators of macroparticles // Megagauss fields and pulsed power systems.-N.Y.: Plerlum Press, 1987.- P.831-839.

10. Anisimov A.G., Bashkatov Ju.L., Shvetsov G.A., Stadnichenko I.A. Flux compression generators for railguns // Proceedings of 8th IEEE international palsed power conference, San Diego, USA, 1991. - P.465-471.

По конструкции и технологии изготовления стволов рельсовых ускорителей получены 4 авторских свидетельства.

Таблица

2 3 4 5 6 7 8 9 II

№ , кДж 157 147 64 153 143 82 145 100 200

С. мФ 17,0 20,4 10,2 20,4 20,4 10,2 20,4 10,2 20,4

Длина канала , м 0,84 0,82 0,26 0,83 0,8 0,32 0,8 0,34 0,8

Л, мкГн/м 0,2 0,22 0,2 0,22 0,22 0,25 0,22 0,25 0,22

1 , мкГн- 0 0,5 0,7 0,35 0,75 0,3 0,3 0,7 0,2 0,4

^ max > КА 400 350 300 390 520 350 400 420 590

кА/см 890 780 670 870 1160 670 890 930 1300

V, км/с >5,5* 4,6** 4,2 ±0,5 5,3 ±0,2 4,8** 4,8 ±0,1 5,0 ±0,1 5,9 ±0,1 -

Сохранность теля нет да да Да да да да да нет

* - по рентгену

Ж

- без оптической регистрации

Рис.1. КПД преобразования начальной энергии в кинетическую

(- т) ) и доля омических потерь в цепи (--т)н ).

I - а=0, 2 - <х=1, 3 - а=2, 4 - а=6.

Рис.2. Зависимость скорости тел® от пройденного расстояния.

1,2,3,4 - скорость токовой перемычки по сигналам с магнитных зондов, 5 - скорость тела, зарегистрированная оптическим методом, 6 - рассчитанная скорость.

Рис.За. Ток в цепи при работе МК-генератора на рельсовый ускоритель.

Рис.36. "X -V диаграммы экспериментов А1, А2, АЗ.

Рис.4. Зависимость длины плазменного поршня от линейной плотности тока. Стрелки указывают ход процесса во времени.