RU2072495C1

RU2072495C1 - Device for initiating electric current in railgun high-speed armature

Info

Publication number: RU2072495C1
Application number: RU94017411A
Authority: RU
Inventors: В.Е. Осташев; Е.Ф. Лебедев; А.В. Ульянов; Б.Д. Янковский
Priority date: 1994-05-11
Filing date: 1994-05-11
Publication date: 1997-01-27
Also published as: RU94017411A

Abstract

FIELD: power systems built around storage capacitors, electric charge starting systems in multistage railguns, including with pre-acceleration. SUBSTANCE: device has storage capacitor 1 coupled with output terminals of device via charging circuit switch 2 and inductor 3. Connected in parallel with storage capacitor 1 without switch is pulse capacitor 4 electrically coupled with output terminals of device, its capacity being not over 1% of that of storage capacitor. The latter has charger 5 connected to it through charging circuit switch 6. Device also has control system 7 with sensor 9 and charging circuit switch 2 that links dielectric isolating section 8 of throwing device with final mechanism of switch 2. EFFECT: improved design, enlarged functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области мощной сильноточной импульсной электротехники, в частности к системам электроснабжения (СЭС) на основе емкостных накопителей энергии (ЕНЕ) и может быть использовано для запуска (зажигания) электрического разряда в многоступенчатых рельсотронах, в том число с предускорением. The invention relates to the field of powerful high-current pulsed electrical engineering, in particular to power supply systems (SES) based on capacitive energy storage devices (EHE) and can be used to start (ignite) an electric discharge in multi-stage railguns, including with acceleration.

При нулевой начальной скорости якоря (арматуры) рельсотрона, т.е. при разряде части запасенной в СЭС энергии на неподвижный якорь, эффективность преобразования энергии от СЭС в кинетическую низка; на этой фазе превалируют диссипативные процессы: энергия СЭС реализуется в тепловой и радиационной (световой) формах сильноточного электрического разряда и в кинетической энергии его газодинамического расширения. At zero initial speed of the armature (reinforcement) of the railgun, i.e. when a part of the energy stored in a SES is discharged to a fixed anchor, the efficiency of energy conversion from SES to kinetic is low; dissipative processes prevail in this phase: SES energy is realized in the thermal and radiation (light) forms of a high-current electric discharge and in the kinetic energy of its gas-dynamic expansion.

Для решения проблемы повышения эффективности электромагнитного разгона и увеличения ресурса каналов ускорителей используют предускорение с применением различных устройств (например, газовых, пороховых). Однако после предускорителя возникает необходимость, а с ней и проблема, зажигания электрического разряда в канале рельсового ускорителя через движущийся якорь или проблема обеспечения гарантированной гальванической связи (электрического контакта) между электродами рельсотрона через якорь (металлическое метаемое тело, гибридная или токово-плазменная арматура). To solve the problem of increasing the efficiency of electromagnetic acceleration and increasing the resource of the channels of accelerators, acceleration is used using various devices (for example, gas, powder). However, after the pre-accelerator, the need arises, and with it the problem, of igniting an electric discharge in the channel of the rail accelerator through a moving armature or the problem of ensuring guaranteed galvanic coupling (electrical contact) between the railgun electrodes through the armature (metal missile body, hybrid or current-plasma armature).

Известно устройство [1] для метательной системы, состоящей из предускорителя, разделительной диэлектрической вставки и рельсотрона. Оно включает в себя три соединенных параллельно друг другу емкостных накопителя энергии с зарядными устройствами и коммутаторами цепей зарядки, управляемые коммутаторы разрядных цепей и систему управления этими коммутаторами. Первый накопитель представляет собой инициирующий импульсный конденсатор с небольшим энергозапасом и заряжен до напряжения ≈ 500 В, допустимого по условию электрической прочности канала рельсотрона. Он подключен к выходным клеммам устройства без коммутатора. Второй и третий ЕНЭ связаны с выходными клеммами устройства через управляемые коммутаторы цепей разряда. Второй ЕНЭ заряжен до ≈ 5 кВ и служит для подхвата и форсирования тока разряда через якорь. Третий и основной ЕНЭ представляет собой набор параллельных модулей емкостных накопителей энергии, включаемых системой управления разрядниками при условии срабатывании первых двух ЕНЭ. Система управления разрядниками запускается по сигналу датчика тока (пояса Роговского), включенного в разрядную цепь инициирующего конденсатора. При возникновении сильноточного разряда после появлении якоря в канале рельсотрона данная система подает команду на замыкание управляемого коммутатора второго ЕНЭ. A device [1] is known for a propelling system consisting of a pre-accelerator, a separating dielectric insert and a railgun. It includes three capacitive energy storage devices connected in parallel with each other with chargers and charging circuit switches, controlled discharge circuit switches and a control system for these switches. The first drive is an initiating pulsed capacitor with a small energy reserve and is charged up to a voltage of ≈ 500 V, acceptable by the condition of the electric strength of the railgun channel. It is connected to the output terminals of the device without a switch. The second and third CES are connected to the output terminals of the device through controlled switches of the discharge circuits. The second CES is charged up to ≈ 5 kV and serves to pick up and force the discharge current through the armature. The third and main CES is a set of parallel modules of capacitive energy storage devices included by the arrester control system provided that the first two CES are triggered. The arrester control system is triggered by a signal from a current sensor (Rogowski belt) included in the discharge circuit of the initiating capacitor. In the event of a high-current discharge after the appearance of the armature in the railgun channel, this system sends a command to close the managed switch of the second CES.

Достоинствами данного устройства являются:
повышенная устойчивость системы к паразитному пробою в канале в процессе ожидания появления в нем якоря (сравнительно малое ждущее напряжение на электродах);
форсирование мощности разряда в фазе его инициирования (первые два ЕНЭ оптимизированы только для решения этой задачи);
ждущий режим синхронизации запуска СЭС;
возможность формирования временного профиля тока и мощности за счет последовательного включения модулей ЕНЭ.The advantages of this device are:
increased stability of the system to spurious breakdown in the channel while waiting for the appearance of an armature in it (a relatively low waiting voltage on the electrodes);
boosting the discharge power in the phase of its initiation (the first two CES are optimized only for solving this problem);
standby synchronization mode start SES;
the possibility of forming a temporary current and power profile due to the sequential inclusion of the CES modules.

Недостатками аналога являются:
фиксированный уровень ждущего напряжения на электродах (зависит от конкретных условий взаимодействия якоря с электродами и входной скорости якоря разряд в цепи якоря может и не возникнуть);
электрические перенапряжения, возникающие при последовательном подключении модулей накопителя, провоцирующие возникновение паразитных шунтирующих перезамыканий рабочего тока в следе якоря.The disadvantages of the analogue are:
a fixed level of waiting voltage on the electrodes (depends on the specific conditions of the interaction of the armature with the electrodes and the input speed of the armature, a discharge in the armature circuit may not occur);
electrical overvoltages that occur when the drive modules are connected in series, provoking the occurrence of spurious bypass shunting of the operating current in the armature trace.

Наиболее близким по технической сущности и конструктивному исполнению является устройство [2] для инициирования тока в метательной системе, состоящей из предускорителя на базе двухступенчатой легкогазовой баллистической установки, диэлектрической разделительной секции и рельсотрона. Само устройство включает в себя емкостной накопитель энергии с зарядным устройством, коммутатор цепи зарядки, индуктор, коммутатор цепи разряда и систему управления коммутатором цепи разряда. ЕНЭ связан с выходными клеммами устройства через индуктор и коммутатор цепи разряда, который приводится в действие системой управления при вхождении метаемого тела в канал рельсотрона. При возникновении гальванической связи между электродами рельсотрона, находящимися после срабатывания коммутатора под высоким напряжением заряженного емкостного накопителя (единицы киловольт), в цепи якоря и его приэлектродных контактных зонах должен возникать электрический ток, ускоряющий якорь. The closest in technical essence and design is a device [2] for initiating current in a propelling system consisting of a pre-accelerator based on a two-stage light-gas ballistic installation, a dielectric separation section and a railotron. The device itself includes a capacitive energy storage device with a charger, a charging circuit switch, an inductor, a discharge circuit switch and a control system for a discharge circuit switch. The CES is connected to the output terminals of the device through an inductor and a switch of the discharge circuit, which is activated by the control system when the missile body enters the railgun channel. In the event of a galvanic connection between the railgun electrodes located after the switch is operated under high voltage of a charged capacitive storage (units of kilovolts), an electric current should accelerate in the armature circuit and its near-electrode contact zones, accelerating the armature.

Недостатками прототипа являются:
наличие в последовательной цепи двух разрядных промежутков, что обусловливает сложность их совместного инициирования и гарантированного обеспечения рабочего тока в цепи рельсотрона;
сравнительно низкая скорость нарастания рабочего тока в цепи, определяемая прежде всего из условий его протекания в течение всего процесса ускорения якоря в рельсотроне, но не из условий зажигания разряда;
высокая вероятность электрического пробоя в произвольном сечении канала рельсотрона при срабатывании коммутатора в разрядной цепи и отсутствии надежного гальванического контакта между движущимся якорем и рельсами.The disadvantages of the prototype are:
the presence in the serial circuit of two discharge gaps, which makes it difficult to jointly initiate them and guarantee the provision of the operating current in the railgun circuit;
a relatively low rate of increase of the working current in the circuit, determined primarily from the conditions of its flow during the entire process of acceleration of the armature in the railgun, but not from the conditions of ignition of the discharge;
a high probability of electrical breakdown in an arbitrary section of the railgun channel when the switch operates in the discharge circuit and the absence of reliable galvanic contact between the moving armature and the rails.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения надежности инициирования электрического разряда в высокоскоростном якоре при работе рельсотрона совместно с предускорителем, а также в многоступенчатых рельсотронах. The present invention solves the problem of increasing the reliability of initiating an electric discharge in a high-speed armature during operation of the railgun together with the pre-accelerator, as well as in multi-stage railguns.

Сущность изобретения состоит в том, что в устройстве для инициирования электрического тока в высокоскоростном якоре рельсотрона, содержащем емкостной накопитель энергии, связанный с выходными клеммами устройства через индуктор и коммутатор цепи разряда с системой управления, зарядное устройство емкостного накопителя энергии с коммутатором цепи заряда, параллельно емкостному накопителю включен импульсный конденсатор, гальванически связанный с выходными клеммами устройства, при этом его емкость не превышает 1% емкости накопителя. The essence of the invention lies in the fact that in a device for initiating an electric current in a high-speed railgun anchor containing a capacitive energy storage device connected to the output terminals of the device through an inductor and a discharge circuit switch with a control system, a capacitive energy storage charger with a charge circuit switch parallel to the capacitive the drive includes a pulse capacitor galvanically connected to the output terminals of the device, while its capacity does not exceed 1% of the capacity of the drive.

Предлагаемое устройство обеспечивает:
монотонное увеличение электрического напряжения на якоре от нуля вплоть до двойного напряжения зарядки емкостного накопителя, что определяет высокую вероятность быстрого инициирования электрического разряда по якорю;
повышение мощности инициирующего импульса тока в якоре;
отсутствие переключений внутри СЭС в процессе реализации энергии и сопутствующих электрических перенапряжений, дестабилизирующих процесс протекания тока в канале рельсотрона.The proposed device provides:
a monotonous increase in the voltage at the armature from zero up to double the charging voltage of the capacitive storage, which determines the high probability of a quick initiation of an electrical discharge along the armature;
increasing the power of the initiating current pulse in the armature;
the lack of switching inside the SES in the process of energy and associated electrical overvoltages that destabilize the current flow in the railgun channel.

На чертеже представлено устройство, содержащее емкостной накопитель 1, связанный с выходными клеммами устройства через коммутатор 2 цепи разряда и индуктор 3. Параллельно емкостному накопителю 1 включен без коммутатора импульсный конденсатор 4. Емкостной накопитель 1 имеет зарядное устройство 5, подключаемое к накопителю 1 коммутатором 6 цепи зарядки. Устройство содержит систему управления 7 коммутатором 2 цепи разряда, которая связывает диэлектрическую разделительную секцию 8 метательного устройства с исполнительным механизмом (поджигающим устройством) коммутатора 2. Первичным устройством системы управления 7 служит датчик 9 (фотодиод, датчик контактного типа и т. п. ), фиксирующий момент прохождения метаемым телом сечения диэлектрической секции 8, в котором этот датчик установлен. Метательное устройство состоит, помимо диэлектрической секции 8, из предускорителя или предыдущей секции 10 рельсотрона (на чертеже показан предускоритель) и рабочей секции 11 рельсотрона. Позицией 12 обозначен якорь рельсотрона. The drawing shows a device containing a capacitive drive 1, connected to the output terminals of the device through a switch 2 of the discharge circuit and an inductor 3. In parallel with the capacitive drive 1, a pulse capacitor 4 is connected without a switch 4. The capacitive drive 1 has a charger 5 connected to the drive 1 by a circuit switch 6 charging. The device contains a control system 7 of the switch 2 of the discharge circuit, which connects the dielectric separation section 8 of the throwing device with the actuator (ignition device) of the switch 2. The primary device of the control system 7 is a sensor 9 (photodiode, contact type sensor, etc.), fixing the instant of the missile body passing through the cross section of the dielectric section 8 in which this sensor is installed. The throwing device consists, in addition to the dielectric section 8, of the pre-accelerator or the previous section 10 of the railgun (the pre-accelerator is shown in the drawing) and the working section 11 of the railgun. Position 12 denotes the railgun anchor.

Устройство для инициирования электрического тока в высокоскоростном якоре рельсотрона работает следующим образом. Выходные клеммы устройства с незаряженным импульсным конденсатором 4 подключаются к входным клеммам рабочей секции рельсотрона 11. A device for initiating an electric current in a high-speed armature of a railgun works as follows. The output terminals of the device with an uncharged pulse capacitor 4 are connected to the input terminals of the working section of the railotron 11.

После этого включением коммутатора 6 при отключенном коммутаторе 2 замыкают зарядную цепь емкостного накопителя 1 и производят его зарядку от зарядного устройства 5 до требуемой по условиям ускорения якоря в канале рельсотрона величины энергозапаса. Потом, отключив коммутатор 6, разрывают зарядную цепь. Затем включают систему 7 управления коммутатором 2. Устройство готово к работе. After that, by switching on the switch 6 when the switch 2 is turned off, the charging circuit of the capacitive storage 1 is closed and it is charged from the charger 5 to the energy storage value required by the conditions of the armature acceleration in the railgun channel. Then, turning off the switch 6, break the charging circuit. Then turn on the control system 7 of the switch 2. The device is ready for operation.

При появлении в сечении диэлектрической секции 8, в котором расположен датчик 9, якоря 12, разогнанного в предускорителе 10 или предыдущей секции рельсотрона, датчиком 9 генерируется сигнал, интерпретируемый системой управления 7 как команда на включение коммутатора 2. При включении коммутатора 2 разрядная цепь накопителя 1 через индуктор 3, формирующий требуемый профиль рабочего тока рельсотрона, замыкается на импульсный конденсатор 4 и рабочую секцию 11 рельсотрона. When the dielectric section 8, in which the sensor 9 is located, has an armature 12 dispersed in the pre-accelerator 10 or the previous section of the railgun, the sensor 9 generates a signal interpreted by the control system 7 as a command to turn on switch 2. When the switch 2 is turned on, the discharge circuit of drive 1 through the inductor 3, forming the desired profile of the operating current of the railgun, is closed to the pulse capacitor 4 and the working section 11 of the railgun.

Напряжение на импульсном конденсаторе 4, рабочей секции 11 рельсотроне и якоре 12 начинает монотонно возрастать от нулевого значения. При отсутствии гальванического контакта между электродами по якорю 12 в цепи емкостного накопителя 1 будет циркулировать ток равный

, где L индуктивность индуктора 3, а С полная емкость разрядного контура. При С₁>>C₂ напряжение на емкостном накопителе 1 изменяться практически не будет, а на конденсаторе 4 и клеммах рабочей секции 11 рельсотрона будет колебаться относительно уровня начального напряжения зарядки накопителя U_o с амплитудой, равной амплитуде начального возмущения, т. е. U_o, и периодом

; Таким образом, за время T/2 напряжение на импульсном конденсаторе 4 при условии С₂<<C₁ возрастет от нуля до удвоенного напряжения зарядки накопителя 1, т.е. 2U_o, а сам конденсатор 4 приобретет способность инициировать ток через якорь 12.The voltage at the pulse capacitor 4, the working section 11 of the railgun and the armature 12 begins to monotonically increase from zero. In the absence of galvanic contact between the electrodes along the armature 12 in the circuit of the capacitive storage 1, a current equal to

where L is the inductance of the inductor 3, and C is the total capacity of the discharge circuit. When C ₁ >> C _{2, the} voltage at the capacitive storage 1 will practically not change, and at the capacitor 4 and the terminals of the working section 11 of the railgun it will fluctuate relative to the level of the initial charging voltage of the drive U _o with an amplitude equal to the amplitude of the initial disturbance, i.e., U _o , and period

; Thus, during T / 2, the voltage across the pulse capacitor 4 under condition C ₂ << C _{1 will} increase from zero to double the charging voltage of drive 1, i.e. 2U _o , and the capacitor 4 itself will acquire the ability to initiate current through the armature 12.

При достижении напряжения, достаточного для пробоя межэлектродного промежутка рабочей секции 11 рельсотрона с якорем 12, определяемого скоростью якоря 12, величиной зазора между ним и электродами, осуществляется электрический пробой и инициирование рабочего тока через якорь 12 быстрым разрядом инициирующего конденсатора 4 (скорость разряда определяется импедансом цепи разряда). Upon reaching a voltage sufficient for the breakdown of the interelectrode gap of the working section 11 of the railgun with the armature 12, determined by the speed of the armature 12, the size of the gap between it and the electrodes, an electrical breakdown and initiation of the working current through the armature 12 by a fast discharge of the initiating capacitor 4 (the discharge speed is determined by the circuit impedance discharge).

После инициирования разряда в якоре 12 и замыкания цепи рабочего тока в рабочей секции 11 рельсотрона осуществляется разряд емкостного накопителя 1 через индуктор 3 на рабочую секцию 11 рельсотрона и подзарядка инициирующего конденсатора 4. При этом, если емкости накопителя 1 и конденсатора 4 соотносятся не менее, чем 100:1, то амплитуда напряжения на входных клеммах рабочей секции 11 рельсотрона, как было показано, может достигать двойного зарядного напряжения на емкостном накопителе 1 за время не более 0,1 полного времени ускорения якоря в рельсотроне (времена соотносятся как

), а энергия, консервируемая в инициирующем конденсаторе 4 не превысит 1% конечной энергии накопителя (при максимальном токе напряжения на конденсаторах 1 и 4 равны и поэтому энергии соотносятся как С₂/C₁).After initiating a discharge in the armature 12 and closing the working current circuit in the working section of the railgun 11, the capacitive storage 1 is discharged through the inductor 3 to the working section 11 of the railgun and the initiating capacitor 4 is recharged. Moreover, if the capacities of the storage 1 and the capacitor 4 are no less than 100: 1, then the amplitude of the voltage at the input terminals of the working section 11 of the railgun, as shown, can reach a double charging voltage on the capacitive storage 1 for a time not exceeding 0.1 of the total time of acceleration of the armature in the rail throne (times relate as

), and the energy stored in the initiating capacitor 4 will not exceed 1% of the final energy of the drive (at the maximum current voltage on the capacitors 1 and 4 are equal and therefore the energies are correlated as C ₂ / C ₁ ).

Приведенные данные доказывают, что заявляемое устройство позволяет:
монотонно и плавно увеличивать напряжение на движущемся якоре вплоть до инициирования разряда через него;
повысить амплитудные значения инициирующего разряд напряжения в пределе до двойного напряжения зарядки емкостного накопителя;
увеличить мощность и скорость нарастания рабочего тока на фазе инициирования рабочего тока в якоре;
повысить надежность системы инициирования рабочего тока в рельсотроне при доускорении якоря с высокой начальной скоростью;
повысить полную эффективность электромеханического преобразования энергии.The data prove that the claimed device allows you to:
monotonously and smoothly increase the voltage at the moving armature until the initiation of a discharge through it;
increase the amplitude values of the initiating voltage discharge in the limit to double the charging voltage of the capacitive storage;
increase the power and slew rate of the working current in the phase of initiation of the working current in the armature;
to increase the reliability of the system for initiating the operating current in the railgun when accelerating the armature with a high initial speed;
increase the full efficiency of electromechanical energy conversion.

Claims

A device for initiating an electric current in a high-speed railgun anchor, comprising a capacitive energy storage device connected to the output terminals of the device through an inductor and a discharge circuit switch with a control system, a capacitive energy storage charger with a charge circuit switch, characterized in that a pulse capacitor is connected in parallel with the capacitive storage device galvanically connected with the output terminals of the device, while its capacity does not exceed 1% of the capacity of the drive.