RU2169425C2

RU2169425C2 - Magnetic-explosion helical generator

Info

Publication number: RU2169425C2
Application number: RU99113681A
Authority: RU
Inventors: В.К. Чернышев; В.В. Чернышев; Б.Т. Егорычев
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2001-06-20

Abstract

FIELD: conversion of explosive-material chemical energy into electromagnetic energy involving magnetic energy cumulating. SUBSTANCE: generator has external coaxial helical conductor, internal explosive-material charge conductor, and its initiation system at inlet end, as well as input closing member. One of conductors of input closing member is made as spiral with turn diameter gradually reducing towards input end with larger- diameter turn connected to generator helical conductor. Other distinguishing features of proposed generator are design of other conductor, insulator between conductors, and explosive-material charge of input closing member. EFFECT: enhanced energy gain without increasing generator size. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразования химической энергии взрывчатого вещества (ВВ) в электромагнитную с осуществлением процесса магнитной кумуляции энергии, в частности к спиральным взрывомагнитным генераторам энергии (СВМГ). The invention relates to the field of converting the chemical energy of explosives (BB) into electromagnetic energy with the implementation of the process of magnetic cumulation of energy, in particular to spiral explosive magnetic energy generators (SVMG).

Известен СВМГ J.W.Shearer, F.F.Abraham, C.M.Aplin, B.P.Benham, J.E.Faulkner, F.C.Ford, M.M.Hill, C.A.McDonald, W.H.Stephens, D.J.Steinberg and J. R.Wilson. Explosive-Driven Magnetic-Field Compression generators. Journal of Applied Physics. 1968.Volume 39, Number 4. P. 2102-2109. Famous SVMG are J.W. Shearer, F.F. Abraham, C.M.Aplin, B.P. Benham, J.E. Faulkner, F.C. Ford, M.M. Hill, C.A. McDonald, W.H. Stephens, D.J. Steinberg and J. R. Wilson. Explosive-Driven Magnetic-Field Compression generators. Journal of Applied Physics. 1968. Volume 39, Number 4. P. 2102-2109.

Генератор содержит коаксиальные наружный спиральный проводник 1, внутренний цилиндрический проводник 2 с зарядом ВВ 3 и системой его инициирования 4 на входном торце 5 и входной замыкающий элемент, состоящий из двух проводников 2 и 6 и изолятора 7 между ними. Один проводник 6 выполнен в форме короткого отрезка трубки, диаметр которой равен диаметру спирали генератора и соединен с нею. Отрезок трубки имеет кольцевой выступ для подключения источника питания 10. Другой проводник входного элемента выполнен в виде плоского кольца 11 и насажен на участок внутреннего проводника 2 генератора с зарядом ВВ, выступающий за торец отрезка трубки 6. Это кольцо 11 служит для подключения к другому полюсу источника питания 10. Изолятор 7 входного замыкающего элемента выполнен в форме кольцевого воздушного зазора между отрезком трубки и плоским кольцом. Электрическая прочность изолятора должна обеспечивать отсутствие пробоя в воздушном зазоре при подключении источника питания к генератору. После запитки током от источника в контуре СВМГ создается магнитный поток. После срабатывания системы инициирования и заряда ВВ в момент достижения максимума тока стенка участка внутреннего проводника, выступающего за торец наружного спирального проводника генератора, под действием продуктов взрыва разлетается в форме конуса и налетает на торец отрезка трубки, соединенного со спиралью. С этого момента начинается процесс магнитной кумуляции. К этому моменту начальная индуктивность спирали оказывается меньше, чем в исходном положении, что снижает коэффициент усиления энергии. Недостатком аналога, кроме этого, является вытеснение части магнитного потока в контур источника питания до начала кумуляции. The generator contains a coaxial outer spiral conductor 1, an inner cylindrical conductor 2 with a charge of BB 3 and its initiation system 4 at the input end 5 and an input closing element, consisting of two conductors 2 and 6 and an insulator 7 between them. One conductor 6 is made in the form of a short segment of the tube, the diameter of which is equal to the diameter of the spiral of the generator and connected to it. A segment of the tube has an annular protrusion for connecting the power source 10. The other conductor of the input element is made in the form of a flat ring 11 and is mounted on a portion of the internal conductor 2 of the generator with a charge of BB, protruding beyond the end of the segment of tube 6. This ring 11 is used to connect to another pole of the source power 10. The insulator 7 of the input closing element is made in the form of an annular air gap between the length of the tube and the flat ring. The dielectric strength should ensure that there is no breakdown in the air gap when connecting the power source to the generator. After current supply from the source, a magnetic flux is created in the circuit of the SVMG. After the initiation system and the explosive charge are triggered when the current reaches the maximum, the wall of the portion of the inner conductor protruding beyond the end of the outer spiral conductor of the generator, under the action of the explosion products, flies in the shape of a cone and flies onto the end of the length of the tube connected to the spiral. From this moment, the process of magnetic cumulation begins. At this point, the initial inductance of the spiral is less than in the initial position, which reduces the energy gain. A disadvantage of the analogue, in addition, is the displacement of part of the magnetic flux into the power source circuit before the start of cumulation.

Наиболее близким к заявляемому является спиральный взрывомагнитный генератор Дж. П.Чокин, Х.Карлотти, М.Жестин. Дж.Кахен, Дж.Бюше, Дж.Ванпоперинж, О.Кадуш, А.Азра, М.Муйе, Г.Вернье, В.В.Авдошин, В.К.Чернышев, В.А.Иванов, С. В. Пак, А. Н.Скобелев, Г.И.Волков, Б.Т.Егорычев. Взрывной генератор высокой импульсной мощности для имплозии твердотельных лайнеров. Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применение. Труды Седьмой международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам. Саров, 5-10 августа 1996 г. Под ред. В. К. Чернышева, В.Д.Селемира, Л.Н.Пляшкевича. 1997. Том 1, стр 267-273. Closest to the claimed is a spiral explosive magnetic generator J. P. Chokin, H. Carlotti, M. Zhestin. J. Kachen, J. Boucher, J. Vanpoperingge, O. Kadush, A. Azra, M. Mouye, G. Vernier, V.V. Avdoshin, V.K. Chernyshev, V. A. Ivanov, S. V. Pak, A.N. Skobelev, G.I. Volkov, B.T. Egorychev. High pulse power blast generator for implosion of solid-state liners. Mega-Gaussian and mega-amp pulse technology and application. Proceedings of the Seventh International Conference on the Generation of Mega-Gaussian Magnetic Fields and Related Experiments. Sarov, August 5-10, 1996, Ed. V.K. Chernyshev, V.D.Selemir, L.N. Plyashkevich. 1997. Volume 1, pp. 267-273.

СВМГ по прототипу содержит коаксиальные наружный спиральный проводник 1, внутренний проводник 2 с зарядом ВВ 3 и системой его инициирования 4 на входном торце 5 и входной замыкающий элемент, состоящий из двух проводников 2 и 6 и изолятора 7 между ними. Один из проводников 6 выполнен в форме конического штыря, соединенного прямым проводом с началом спирали 1. Оси штыря и спирали взаимно перпендикулярны. Прямой провод расположен от оси спирали на расстоянии радиуса ее витков. Выступающая наружу часть штыря имеет резьбовое соединение для подключения к источнику питания 10. Другой проводник входного замыкающего элемента выполнен как продолжение внутреннего проводника с зарядом ВВ, выступающего за торец спирали. Этот участок служит для подключения к другому полюсу источника питания. Изолятор 7 выполнен в форме колпачка из изоляционного материала, надетого на штырь. Электрическая прочность колпачка должна обеспечивать отсутствие пробоя в зазоре между штырем 6 и внутренним проводником 2. Процесс магнитной кумуляции начинается с того момента, когда разлетающийся внутренний проводник 2 разрушает изоляционный колпачок 7 и замыкается на штырь 6. Коническая форма штыря позволяет обеспечить надежный контакт в процессе расширения внутреннего проводника до момента его подлета к прямому участку проводника входного замыкающего элемента и далее к началу спирали. Недостатком прототипа является снижение коэффициента усиления энергии, т. к. в течение значительного времени, пока внутренний проводник скользит по штырю, вывода витков спирального проводника не происходит. The SVMG of the prototype comprises a coaxial outer spiral conductor 1, an inner conductor 2 with a charge of BB 3 and its initiation system 4 at the input end 5 and an input closing element consisting of two conductors 2 and 6 and an insulator 7 between them. One of the conductors 6 is made in the form of a conical pin connected by a direct wire to the beginning of the spiral 1. The axis of the pin and the spiral are mutually perpendicular. A straight wire is located from the axis of the spiral at a distance of the radius of its turns. The protruding part of the pin has a threaded connection for connecting to a power source 10. The other conductor of the input closing element is designed as a continuation of the internal conductor with a charge of explosive, protruding beyond the end of the spiral. This section is used to connect to the other pole of the power source. The insulator 7 is made in the form of a cap of insulating material worn on a pin. The dielectric strength of the cap should ensure that there is no breakdown in the gap between the pin 6 and the inner conductor 2. The process of magnetic cumulation begins from the moment when the expanding inner conductor 2 destroys the insulating cap 7 and closes on the pin 6. The conical shape of the pin allows reliable contact during expansion inner conductor until it approaches the straight section of the conductor of the input closing element and then to the beginning of the spiral. The disadvantage of the prototype is the reduction of the energy gain, because for a considerable time, while the inner conductor slides along the pin, the output of the turns of the spiral conductor does not occur.

При создании данного изобретения решалась задача улучшения потребительских характеристик СВМГ. When creating this invention, the task of improving the consumer characteristics of SVMG was solved.

Техническим результатом при решении данной задачи являлось повышение коэффициента усиления энергии без увеличения габаритов СВМГ. The technical result in solving this problem was to increase the energy gain without increasing the dimensions of the SVMG.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с прототипом СВМГ, содержащим коаксиальные наружный спиральный проводник, внутренний проводник с зарядом ВВ и системой его инициирования на входном торце и входной замыкающий элемент, новым является то, что один из проводников входного замыкающего элемента выполнен спиральным с диаметрами витков, плавно уменьшающимися в направлении к входному торцу, и соединен на большем диаметре со спиральным проводником генератора. Другой проводник замыкающего элемента выполнен как продолжение внутреннего проводника генератора с переменной толщиной стенки, уменьшающейся в направлении к входному торцу генератора. Изолятор между проводниками замыкающего элемента выполнен пленочным. Заряд ВВ входного замыкающего элемента выполнен как продолжение заряда ВВ внутреннего проводника генератора и содержит конический вкладыш из инертного материала с большим основанием конуса, обращенным к входному торцу, и сквозным отверстием по оси вкладыша, заполненным ВВ. The specified technical result is achieved in that, in comparison with the prototype SVMG, containing a coaxial external spiral conductor, an internal conductor with an explosive charge and its initiation system at the input end and the input closing element, it is new that one of the conductors of the input closing element is made spiral with diameters of coils, gradually decreasing towards the inlet end, and connected at a larger diameter to the spiral conductor of the generator. Another conductor of the closing element is made as a continuation of the inner conductor of the generator with a variable wall thickness, decreasing towards the input end of the generator. The insulator between the conductors of the closing element is made of film. The explosive charge of the input closing element is made as a continuation of the explosive charge of the inner conductor of the generator and contains a conical liner of inert material with a large cone base facing the inlet end and a through hole along the liner axis filled with explosives.

Выполнение одного из проводников входного замыкающего элемента спиральным с диаметрами витков, плавно уменьшающимися в направлении к входному торцу генератора, увеличивает начальную индуктивность СВМГ без увеличения его габаритов и позволяет повысить коэффициент усиления энергии. Намотка пленочного изолятора на второй проводник замыкающего элемента, т. е. на конец выступающего внутреннего проводника генератора, позволяет максимально уменьшить зазор между первым витком спирали и входным концом внутреннего проводника и одновременно обеспечить необходимый запас электрической прочности в процессе запитки. Выполнение другого проводника замыкающего элемента с переменной толщиной стенки, уменьшающейся в направлении к входному торцу генератора, позволяет получить более высокую скорость разлета стенки на ее начальном участке движения, что улучшает надежность ее контакта с первыми витками спирали в процессе разрушения изоляции витков. При обычной толщине стенки ее скорость была бы еще мала даже без использования конического вкладыша из инертного материала. Последний позволяет с помощью ВВ, расположенного в сквозном отверстии по оси вкладыша и соединенного с системой инициирования генератора, инициировать заряд ВВ внутреннего проводника на требуемой глубине от входного торца, т.е. в районе начала наружного спирального проводника генератора. При этом обеспечивается такая форма разлета наружной поверхности проводника замыкающего элемента, при которой угол встречи стенки с каждым витком близок к величине угла встречи проводников генератора в хорошо работающих СВМГ. Таким образом, достигается такой вывод индуктивности и вытеснение магнитного потока во входном замыкающем элементе, который тождественен выводу индуктивности в обычном СВМГ. The execution of one of the conductors of the input closing element spiral with the diameters of the turns gradually decreasing towards the input end of the generator, increases the initial inductance of the SVMG without increasing its dimensions and allows increasing the energy gain. Winding the film insulator on the second conductor of the closing element, i.e., on the end of the protruding inner conductor of the generator, allows you to minimize the gap between the first coil of the spiral and the input end of the inner conductor and at the same time provide the necessary margin of electrical strength during the feeding process. The implementation of another conductor of the closing element with a variable wall thickness, decreasing towards the input end of the generator, allows to obtain a higher wall expansion speed at its initial section of movement, which improves the reliability of its contact with the first turns of the spiral in the process of destruction of the insulation of the turns. With the usual wall thickness, its speed would be still small even without the use of a conical insert made of an inert material. The latter allows using the explosive located in the through hole along the axis of the liner and connected to the generator initiation system, to initiate the internal explosive charge at the required depth from the input end, i.e. in the area of the beginning of the outer spiral conductor of the generator. This ensures a form of expansion of the outer surface of the conductor of the closing element, at which the angle of the wall with each turn is close to the angle of the meeting of the generator conductors in well-functioning SVMGs. Thus, such a conclusion of the inductance and displacement of the magnetic flux in the input closing element, which is identical to the output of the inductance in a conventional SVMG, is achieved.

На фиг. 1 изображен заявляемый СВМГ. In FIG. 1 depicts the inventive SVMG.

На фиг. 2 изображена начальная стадия работы заявляемого СВМГ. In FIG. 2 shows the initial stage of the claimed SVMG.

Заявляемый СВМГ содержит коаксиальные наружный спиральный проводник 1, внутренний проводник 2 с зарядом ВВ 3 и системой инициирования 4 на входном торце 5 и входной замыкающий элемент. Один из проводников 6 входного замыкающего элемента выполнен спиральным с диаметрами витков, плавно уменьшающимися в направлении к входному торцу 5, и соединен на большем диаметре со спиральным наружным проводником 1 генератора. Другой проводник замыкающего элемента выполнен как продолжение внутреннего проводника 2 генератора с переменной толщиной стенки, уменьшающейся в направлении к входному торцу 5. Изолятор 7 между проводниками замыкающего элемента выполнен пленочным. Заряд ВВ входного замыкающего элемента выполнен как продолжение заряда ВВ 3 внутреннего проводника 2 и содержит конический вкладыш 8 из инертного материала с большим основанием конуса, обращенным к входному торцу 5. В осевой части вкладыша выполнено сквозное отверстие 9, заполненное ВВ. Система инициирования 4 соединена с основным зарядом 3 через заряд ВВ, расположенный в отверстии вкладыша. Запитка СВМГ осуществляется от источника 10. The inventive SVMG contains a coaxial outer spiral conductor 1, an inner conductor 2 with a charge of BB 3 and an initiation system 4 at the input end 5 and the input closing element. One of the conductors 6 of the input closing element is made spiral with the diameters of the coils gradually decreasing towards the input end 5 and is connected at a larger diameter to the spiral outer conductor 1 of the generator. Another conductor of the closing element is made as a continuation of the inner conductor 2 of the generator with a variable wall thickness decreasing towards the input end 5. The insulator 7 between the conductors of the closing element is made of film. The explosive charge of the input closing element is made as a continuation of the explosive charge 3 of the inner conductor 2 and contains a conical insert 8 of inert material with a large cone base facing the inlet end 5. A through hole 9 filled with explosive is made in the axial part of the insert. The initiation system 4 is connected to the main charge 3 through the explosive charge located in the hole of the liner. Supply SVMG is carried out from source 10.

В примере конкретного выполнения спираль 1 выполнена из медной проволоки с пленочной изоляцией. Внутренний диаметр цилиндрической части спирали равен 160 мм. В замыкающем элементе 6 образующая внутренней поверхности витков переменного радиуса выполнена по экспоненте. Снаружи спираль залита эпоксидным компаундом. Труба 2 выполнена из меди. Внутренний диаметр трубы 65 мм, а толщина ее стенки 6,5 мм. Стенка трубы на длине замыкающего элемента уменьшается по толщине в 2,5...3 раза в направлении к входному торцу 5 генератора по сравнению с той частью трубы, которая находится внутри цилиндрической части спирали. Заряд ВВ 3 имеет наружный диаметр 65 мм. Система инициирования 4 содержит электродетонатор и устройство для его подрыва. Изолятор 7 выполнен из нескольких слоев лавсановой пленки, намотанной на длине замыкающего элемента. Вкладыш 8 выполнен из стали, покрыт слоем меди, имеет длину 1,2 длины замыкающего элемента и имеет форму усеченного конуса с отношением диаметров, равным 3. In a specific embodiment, the spiral 1 is made of copper wire with film insulation. The inner diameter of the cylindrical part of the spiral is 160 mm. In the closing element 6, the generatrix of the inner surface of the turns of variable radius is made exponentially. Outside, the spiral is flooded with epoxy compound. The pipe 2 is made of copper. The inner diameter of the pipe is 65 mm, and its wall thickness is 6.5 mm. The wall of the pipe along the length of the locking element decreases in thickness by 2.5 ... 3 times in the direction of the input end 5 of the generator compared to that part of the pipe that is inside the cylindrical part of the spiral. The explosive charge 3 has an outer diameter of 65 mm. The initiation system 4 comprises an electric detonator and a device for undermining it. The insulator 7 is made of several layers of the mylar film wound along the length of the closing element. The liner 8 is made of steel, coated with a layer of copper, has a length of 1.2 lengths of the locking element and has the shape of a truncated cone with a ratio of diameters equal to 3.

Работает заявляемый СВМГ следующим образом. После запитки током от источника 10 в контуре СВМГ создается магнитный поток. После срабатывания системы инициирования 4 детонационная волна распространяется по ВВ, расположенному в сквозном отверстии 9 вкладыша 8, и выходит на торец основного заряда ВВ 3, размещенного во внутреннем проводнике 2. Вкладыш 8 служит преградой для свободного разлета продуктов взрыва ВВ назад. Разлетающийся внутренний проводник 2 разрушает пленочный изолятор 7 и замыкается на первый виток спирального проводника 6 замыкающего элемента. Этот виток имеет самый малый диаметр спирального проводника. Замыкание происходит в момент достижения максимума тока, и начинается процесс магнитной кумуляции. Во входном замыкающем элементе потери магнитной энергии сведены к минимуму. The claimed SVMG operates as follows. After current supply from source 10, a magnetic flux is created in the circuit of the SVMG. After the triggering of the initiation system 4, the detonation wave propagates along the explosive located in the through hole 9 of the liner 8, and reaches the end of the main charge of the explosive 3, located in the inner conductor 2. The liner 8 serves as an obstacle for the free return of the explosion products of the explosive. The expanding inner conductor 2 destroys the film insulator 7 and closes on the first turn of the spiral conductor 6 of the closing element. This coil has the smallest diameter of the spiral conductor. The closure occurs when the current reaches its maximum, and the process of magnetic cumulation begins. In the input closing element, the loss of magnetic energy is minimized.

Таким образом, в заявляемом СВМГ коэффициент усиления энергии увеличен в 2 раза по сравнению с прототипом за счет выполнения входного замыкающего элемента с заявляемой совокупностью признаков. Thus, in the inventive SVMG, the energy gain is increased by 2 times compared with the prototype due to the implementation of the input closing element with the claimed combination of features.

Claims

1. A spiral explosive magnetic generator containing a coaxial outer spiral conductor, an internal conductor with an explosive charge and its initiation system at the input end and an input closing element, characterized in that one of the input closing element conductors is made spiral with the diameter of the coils gradually decreasing in the direction to the input end, and connected at a larger diameter with a spiral conductor of the generator.

2. The spiral explosive magnetic generator according to claim 1, characterized in that the other conductor of the input closing element is made as a continuation of the internal conductor of the generator with a variable wall thickness, decreasing towards the input end of the generator.

3. Spiral explosive magnetic generator according to claims 1 and 2, characterized in that the insulator between the conductors of the closing element is made of film.

4. A spiral explosive magnetic generator according to claims 1 to 3, characterized in that the explosive charge of the input closing element is made as a continuation of the charge of the internal conductor of the generator and contains a conical inert material insert with a large cone base facing the inlet end with a through hole along the axis explosive filled liner.