RO127230B1 - Sistem de generare a pulsului electromagnetic în explozie controlată - Google Patents

Description

Invenția se referă la un sistem de generare a pulsului electromagnetic, în explozie controlată, destinat blocării sistemelor a căror funcționare se bazează pe principii electromagnetice.

Este cunoscut faptul că la frecvențe înalte are loc fenomenul de radiație al circuitelor electrice prin care acestea pierd din energia primită pe la borne, cedând-o undelor electromagnetice ce se emit în mediul înconjurător.

De asemenea, este cunoscut faptul că puterea radiată (P_r3d) de bucla de curent (i) este (Timotin A. , Lecții de bazele electrotehnicii, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1970; Mocanu C.I., Teoria câmpului electromagnetic, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1981):

P_rad = 20n² (2 na/λ)⁴ i²; [P_rad]= W, [i] = A, [a/Ă]-adimensional, în care a - este raza buclei de curent iar λ este lungimea de undă a radiației. Puteri radiate mari necesită pulsuri mari de curent, întrucât creșterea razei buclei de curent este limitată din considerente constructive. De asemenea, sunt cunoscute concentratoare de câmp cu sisteme de scurtcircuitare progresivă în construcție electromecanică. Dezavantajele soluțiilor cunoscute sunt (Fowler C.M., Caird R.S., Garn B., An introduction to explosive magnetic flux compression generators. Abstract, Los Alamos, 1993; Fowler C.M și colab., The Russian - American Hlgh Magnetic Field Collaboration, The 10^th Internațional Conference Pulsed Power - 95, Albuquerque, USA, pp. 15-26, 1995):

- propagarea frontului de undă de care depinde procesul de scurtcircuitare este greu de controlat;

- în timpul funcționării apar forțe electrodinamice importante, de unde și necesitatea consolidării mecanice a bobinei de câmp;

- dimensiunile foarte mari și extrem de costisitoare ale sistemelor cunoscute.

Se mai cunoaște un generator de puls electromagnetic (RO 122509 B1), cu concentrator de câmp, folosit la realizarea unei bombe electromagnetice convenționale, alcătuit dintr-o bobină de câmp, înfășurată pe un concentrator de câmp, prevăzut cu o fantă radială, un prag interior și un sistem de scurtcircuitare progresivă, în formă de pană conductoare, bobina de câmp fiind alimentată prin descărcarea amortizată a unei baterii de condensatoare, datorită fantei radiate, fiind generat un câmp magnetic intens în volumul cilindric delimitat de pragul interior, energia câmpului fiind eliberată în cea mai mare parte sub formă de radiație electromagentică în spectru de radiofrecvență, puterea radiantă și spectrul fiind controlate prin viteza de scurtcircuitare progresivă, realizată de sistemul de scurtcircuitare în formă de pană conductoare.

Dezavantajele acestei soluții constau în concentrarea câmpului magneticîn interiorul volumului cilindrului, ceea ce duce la necesitatea consolidării mecanice a bobinei de câmp iar procesul de scurtcircuitare progresivă se realizează mecanic, cu ajutorul unui contact alunecător în formă de pană conductoare.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în obținerea unor energii radiante mari, de ordinul MJ, într-un interval de timp foarte scurt, cuprins între 50 și 100 ps, în cadrul unei construcții compacte și robuste din punct de vedere mecanic.

Sistemul de generare a pulsului electromagnetic, în explozie controlată, înlătură dezavantejele de mai sus, prin aceea că este alcătuit din:

- o bobină de câmp formată din N = 14-21 spire, cu secțiune dreptunghiulară, înfășurată pe un cilindru din oțel inox, care nu influențează rigiditatea dielectrică a ansamblului, cu o buclă de curent din Cu cu rol de antenă de emisie și cu un cilindru din Cu sau Fe moale cu rol de scurtcircuitare a spirelor bobinei de câmp;

- un inel de susținere pentru bobina de câmp;

RO 127230 Β1

- o baterie de supercapacitori pentru alimentarea bobinei de câmp;1

- un spațiu umplut cu material inert - balast plasat între bobina de câmp și o carcasă exterioară;3

- un subansamblu destinat încărcăturii explozive dispus în interiorul bobinei de câmp, prevăzut la cele două capete cu un capac inferior și un capac superior;5

- un spațiu liber, plasat între interiorul bobinei de câmp și cilindrul de scurtcircuitare din Cu, cu rolul de a mări rigiditatea dielectrică a sistemului până la declanșarea încărcăturii7 explozive din subansamblul destinat încărcăturii explozive;

- o sursă de alimentare pentru acționarea unei capse detonante electrice instantanee9 care duce la detonarea încărcăturii explozive din subansamblul destinat încărcăturii explozive.11

Invenția prezintă următoarele avantaje:

- fluxul magnetic este comprimat în urma exploziei încărcăturii explozive principale 13 plasate în bobina de câmp, frontul de undă al exploziei produce scurtcircuitarea progresivă a spirelor bobinei de câmp, rezultând o creștere semnificativă a curentului. Se obțin curenți 15 de ordinul zecilor de MA, respectiv, energii de ordinul MJ în timp de 50 -100 ps;

- sistemul de generare a pulsului electromagnetic prin compresia explozivă a fluxului 17 magnetic permite obținerea de pulsuri electromagnetice de puteri mari prin realizarea unei secvențe optime a momentului de timp când are loc conectarea bateriei de supercapacitori 19 la bobină, a momentului de timp lâ care curentul prin bobină atinge valoarea maximă și a momentului de timp când se alimentează capsa detonantă pentru a amorsa explozia ce 21 realizează scurtcircuitarea spirelor bobinei;

- puterea și spectrul de radiofrecvență al pulsului electromagnetic sunt determinate 23 de bucla emițătoare de curent, realizând frecvențe de zeci-sute de MHz în 50-100 ps;

- sistemul de generare a pulsului electromagnetic are o construcție compactă și 25 robustă din punct de vedere mecanic.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu fig. 1...3, care 27 reprezintă:

- fig. 1, secțiune transversală prin sistemul de generare a pulsului electromagnetic; 29

- fig. 2, subansamblu destinat încărcăturii explozive, împreună cu elementele componente; 31

- fig. 3, vedere ansamblu bobină de câmp cu buclă de curent.

Sistemul de generare a pulsului electromagnetic, conform fig. 1, este alcătuit din 33 bobina 1 de câmp formată din N = 14 - 21 spire, cu secțiunea dreptunghiulară, înfășurată pe un cilindru din oțel inox (nefigurat), care nu influențează rigiditatea dielectrică a ansamblului, 35 cu o buclă 2 de curent din Cu electrotehnic, puritate 95%, cu rol de antenă de emisie, și un cilindru 3 din Cu sau Fe moale cu rol de scurtcircuitare a spirelor bobinei 1 de câmp. între 37 bobina 1 de câmp și carcasa 6 exterioară se află un spațiu 5 umplut cu material inert (balast), în interiorul bobinei 1 de câmp, se află un subansamblu 7 destinat încărcăturii explozive, iar 39 între interiorul bobinei 1 de câmp și cilindrul 3 de scurtcircuitare din Cu, se află un spațiu 4 liber, cu rolul de a mări rigiditatea dielectrică a ansamblului până la declanșarea încărcăturii 41 explozive din subansamblul 7 destinat încărcăturii explozive.

în fig. 2, se prezintă subansamblu 7 destinat încărcăturii explozive, împreună cu 43 elementele componente: capsa 8 detonantă electrică instantanee, necesară detonării încărcării explozive, inclusă în detonatorul 9 suplimentar. Acest detonator 9 suplimentar 45 asigură detonarea încărcăturii 10 explozive principale ce se află într-o căptușeală 11 metalică. 47

RO 127230 Β1 în fig. 2 se mai reprezintă: bobina 1 de câmp, spațiu 5 umplut cu material inert (balast), capac inferior 12, inel susținere 13 pentru bobina 1 de câmp, capac superior 14, sursa de alimentare 15 pentru capsa 8 detonantă, bateria 16 de supercapacitori, pentru alimentarea bobinei 1 de câmp.

Sistemul de generare a pulsului electromagnetic, conform invenției, funcționează astfel: o baterie 16 de supercapacitori electrolitici de capacitate cuprinsă în intervalul 0.0075...0.15 F și tensiunea nominală U_n = 63 V realizează un curent inițial între 150 și 940 A prin bobina 1 de câmp, ce determină un câmp magnetic inițial (anterior amorsării exploziei). Anterior momentului când curentul inițial atinge valoarea de vârf, între 500 și 600 A, se alimentează capsa 8 detonantă electrică instantanee, care amorsează detonatorul 9 suplimentar, proces ce provoacă declanșarea încărcăturii explozive din subansamblul 7 destinat încărcăturii explozive. Frontul de undă al exploziei este de formă conică (unghiul de vârf de 20 - 22°), se propagă de-a lungul cilindrului 3 din cupru și determină scurtcircuitarea progresivă a bobinei 1 de câmp.

Programarea scurtcircuitului determinat de explozia încărcăturii determină comprimarea fluxului magnetic, reducerea inductivității precum și creșterea curentului prin bobina 1 de câmp până la o valoare maximă de regim tranzitoriu cuprinsă în intervalul 55000...65000 A. Energia câmpului este eliberată sub formă de unde electromagnetice prin scurtcircuitarea progresivă a bobinei 1 de câmp, prin utilizarea buclei 2 de curent care radiază unde electromagnetice de mare energie și spectrul larg de radiofrecvență.

Bucla 2 de curent are următorii parametri constructivi: forma circulară, conform fig. 3, cu planul perpendicular pe planul spirelor bobinei 1 de câmp, ce se montează la capătul bobinei 1 de câmp, opus capătului de alimentare. Bucla 2 de curent are: diametrul exterior d_ext=172mm, diametrul interiord_int=132mm, diametrul mediu d_raed =152 mm, grosimea spirei g = 5 mm. Aria secțiunii spirei este de 100 mm², forma secțiunii spirei este dreptunghiulară și înălțimea spirei buclei este de 20 mm. Bucla 2 de curent se montează la un capăt al bobinei 1 de câmp, perpendicular pe planul spirelor acesteia, cu o bornă conectată galvanic la bobina 1 de câmp, iar cu cealaltă la cilindrul 3 de scurtcircuitare din Cu (armătură metalică). Bucla 2 de curent are inductivitatea de L=0.1785 μH și rezistența R= 3.63 · 10’⁷Ω.

Se dă ca exemplu de realizare bobina 1 de câmp, cu numărul de spire N = 15 cu parametri electrici: inductivitatea L_to = 42 μΗ și rezistența R_b = 0.097 Ω și cu parametri constructivi: lungimea: I =365 mm, diametrul exterior al spirei D_ext =172 mm, diametrul interior al spirei D = 132 mm, diametrul mediu al spirei D_med = 152 mm, aria secțiunii spirei A_b = 100 mm², distanța dintre două spire (măsurată între axe) b = 25 mm.

Claims (4)

1. Revendicări

   1. Sistem degenerare a pulsului electromagnetic, în explozie controlată, caracterizat 3 prin aceea că este alcătuit din:

   - o bobină (1) de câmp formată din N = 14-21 spire, cu secțiune dreptunghiulară, 5 înfășurată pe un cilindru din oțel inox, care nu influențează rigiditatea dielectrică a ansamblului, cu o buclă (2) de curent din Cu cu rol de antenă de emisie și cu un cilindru (3) 7 din Cu sau Fe moale cu rol de scurtcircuitare a spirelor bobinei (1) de câmp;

   - un inel de susținere (13) pentru bobina (1) de câmp; 9

   - o baterie (16) de supercapacitori pentru alimentarea bobinei (1) de câmp;

   - un spațiu (5) umplut cu material inert - balast, plasat între bobina (1) de câmp și o 11 carcasă (6) exterioară;

   - un subansamblu (7) destinat încărcăturii explozive, dispus în interiorul bobinei de 13 câmp (1), prevăzut la cele două capete cu un capac inferior (12) și un capac superior (14);

   - un spațiu (4) liber, plasat între interiorul bobinei (1) de câmp și cilindrul (3) de 15 scurtcircuitare din Cu, cu rolul de a mări rigiditatea dielectrică a sistemului până la declanșarea încărcăturii explozive din subansamblul (7); 17

   - o sursă (15) de alimentare pentru acționarea unei capse (8) detonante electrice instantanee, care duce la detonarea încărcăturii explozive din subansamblul (7). 19
2. 2. Sistem de generare a pulsului electromagnetic, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că subansamblul (7) destinat încărcăturii explozive principale 21 conține capsa (8) detonantă electrică instantanee, necesară detonării încărcăturii explozive, inclusă într-un detonator (9) suplimentar, care asigură, la rândul lui, detonarea unei 23 încărcături (10) explozive principale ce se află într-o căptușeală (11) metalică.
3. 3. Sistem de generare a pulsului electromagnetic, conform revendicării 2,25 caracterizat prin aceea că bucla (2) de curent are următoarele caracteristici: formă circulară, cu planul perpendicular pe planul spirelor bobinei (1) de câmp, montată la capătul27 bobinei (1) de câmp, opus capătului de alimentare, aria secțiunii spirei de 100 mm, forma dreptunghiulară a secțiunii spirei, înălțimea spirei buclei de 20 mm, inductivitatea L = 0.178529 μΗ și rezistența R = 3.63 · 10^_7Ω.
4. 4. Sistem de generare a pulsului electromagnetic, conform revendicării 3,31 caracterizat prin aceea că bobina (1) de câmp are inductivitatea L_b = 42 μΗ și rezistența

   R_b = 0.097Q.33