RU2119140C1

RU2119140C1 - Coaxial accelerator

Info

Publication number: RU2119140C1
Application number: RU97110679A
Authority: RU
Inventors: А.А. Сивков
Original assignee: Научно-исследовательский институт высоких напряжений при Томском политехническом университете
Priority date: 1997-06-24
Filing date: 1997-06-24
Publication date: 1998-09-20

Abstract

FIELD: electrical engineering, electric machine for movement of rigid body along some trajectory, experimental physics, acceleration technology. SUBSTANCE: invention may be used to accelerate macrobodies to velocities of several km/s. Coaxial accelerator is composed of cylindrical current conducting barrel 1, central electrode 2, fuse jumper 3 linking them, solenoid 4 functioning as inductive energy storage, propelled body 5, insulator 6 and power supply circuit. EFFECT: enhanced efficiency of coaxial accelerator. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области электрических машин для перемещения жесткого тела вдоль некоторой траектории, и может быть использовано в экспериментальной физике и ускорительной технике для ускорения макротел до скоростей - несколько километров в секунду. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to the field of electrical machines for moving a rigid body along a certain trajectory, and can be used in experimental physics and accelerator technology to accelerate macrobodies to speeds of several kilometers per second.

Известно коаксиальное устройство для ускорения макротел разрядом типа Z-пинч (см. Д. А.Андреев, А.А.Богомаз, Ф.Г.Рутберг, А.М.Шапиров. Ускорение тел малой массы сильноточным разрядом типа Z-пинч при высокой начальной плотности. ЖТФ, т. 63, в. 1, 1993, с. 203-205). A coaxial device for accelerating macrobodies by a Z-pinch discharge is known (see D. A. Andreev, A. A. Bogomaz, F. G. Rutberg, A. M. Shapirov. Acceleration of bodies of small mass by a high-current discharge such as Z-pinch at high Initial Density. Zhtf, t. 63, v. 1, 1993, p. 203-205).

Основным недостатком этого устройства является низкий КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела, не превышающий 3%. The main disadvantage of this device is the low efficiency of the conversion of electromagnetic energy into kinetic energy of the propelled body, not exceeding 3%.

Наиболее близким к заявляемому ускорителю является коаксиальный ускоритель (сам. А. Д.Лебедев, Б.А.Урюков. Импульсные ускорители плазмы высокого давления. Новосибирск 1990 г., с. 18-21, рис. 1.10.2.). Устройство состоит из двух цилиндрических коаксиально расположенных электродов, разделенных изолятором, между которыми поджигается ускоряемый дуговой разряд. Система электродов коаксиально размещена внутри соленоида. Причем система электродов с ускоряемым разрядом и соленоид питаются отдельными источниками. Closest to the claimed accelerator is a coaxial accelerator (Sam. A. D. Lebedev, B. A. Uryukov. Pulse high-pressure plasma accelerators. Novosibirsk 1990, pp. 18-21, Fig. 1.10.2.). The device consists of two cylindrical coaxial electrodes separated by an insulator, between which an accelerated arc discharge is ignited. The electrode system is coaxially placed inside the solenoid. Moreover, the system of electrodes with accelerated discharge and the solenoid are fed by separate sources.

Недостатком данного устройства является также низкий КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую, не более 4%, и сложности источника электропитания. The disadvantage of this device is also the low efficiency of conversion of electromagnetic energy into kinetic, not more than 4%, and the complexity of the power source.

Основной технической задачей предложенного устройства является повышение КПД преобразования подведенной электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела до 10%. The main technical task of the proposed device is to increase the conversion efficiency of the supplied electromagnetic energy into the kinetic energy of the propelled body up to 10%.

Указанная техническая задача достигается тем, что в коаксиальном ускорителе, выполненном в виде цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещены метаемое тело и плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который одной клеммой присоединен к цепи питания ускорителя, причем ствол коаксиально размещен внутри соленоида, согласно предложенному решению цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода, второй конец соленоида электрически связан с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. The specified technical problem is achieved in that in a coaxial accelerator made in the form of a cylindrical electrically conductive barrel, inside of which there is a throwable body and a fusible link electrically connecting the beginning of the barrel and the central electrode, which is connected to the accelerator power supply circuit with one terminal, and the barrel is coaxially placed inside the solenoid according to the proposed solution, the power circuit of the second terminal is connected to the end of the solenoid remote from the central electrode, the second end of the solenoid Eski associated with the beginning of the barrel, and the top of the center electrode, the beginning of the trunk and the beginning of the solenoid are placed in a plane perpendicular to the barrel axis.

На приведенном чертеже (фиг. 1) показана схема коаксиального ускорителя, на фиг. 2 - схема коаксиального ускорителя в процессе работы. Устройство состоит из цилиндрического электропроводящего ствола 1, центрального электрода 2, соединяющей их плавкой электропроводной перемычки 3, соленоида 4, выполняющего роль индуктивного накопителя энергии, метаемого тела 5, изолятора 6 и контура электропитания. The drawing (FIG. 1) shows a diagram of a coaxial accelerator; FIG. 2 is a diagram of a coaxial accelerator during operation. The device consists of a cylindrical electrically conductive barrel 1, a central electrode 2, connecting them with a fusible electrically conductive jumper 3, a solenoid 4, which plays the role of an inductive energy storage, propelled body 5, insulator 6 and the power supply circuit.

Работа устройства заключается в следующем. При замыкании ключа K в контуре электропитания начинает протекать ток I от первичного накопителя энергии, например, конденсатора C, как показано стрелками на фиг. 1. При достижении нарастающим током I некоторого уровня плавкая перемычка 3 перегорает с образованием сильноточного дугового разряда. При этом в зазоре между метаемым телом 5 и изолятором 6 резко повышается давление, сообщающее начальный импульс метаемому телу 5 и приводя его в движение. Дуговой разряд сжимается магнитным полем собственного тока и приобретает грибообразную форму, как показано на фиг. 2. Его можно разделить на две части - плазменный жгут (Z-пинч) 7, являющийся продолжением центрального электрода, и плазменную круговую перемычку - 8. Такого типа дуговой разряд ускоренно углубляется в канал ствола, толкая метаемое тело 5 под действием силы Лоренца. Контур протекания тока I показан стрелками на фиг. 2. Эффективность работы силы Лоренца в такой системе определяется временем устойчивого существования дугового разряда. Устойчивое состояние его обеспечивается условием превышения внешнего магнитного давления под внутренним газокинетическим давлением. В предлагаемом устройстве более длительному сохранению устойчивого состояния способствует внешнее магнитное поле, создаваемое рабочим током I, протекающим по соленоиду 4, дополнительно сжигающее плазменный жгут. The operation of the device is as follows. When the key K is closed in the power supply circuit, a current I starts flowing from the primary energy storage device, for example, the capacitor C, as shown by the arrows in FIG. 1. When the rising current I reaches a certain level, fuse jumper 3 burns out with the formation of a high-current arc discharge. At the same time, in the gap between the missile body 5 and the insulator 6, the pressure rises sharply, giving the initial impulse to the missile body 5 and setting it in motion. The arc discharge is compressed by the magnetic field of its own current and takes on a mushroom shape, as shown in FIG. 2. It can be divided into two parts - a plasma bundle (Z-pinch) 7, which is a continuation of the central electrode, and a plasma circular jumper - 8. This type of arc discharge accelerates into the bore, pushing the missile body 5 under the action of the Lorentz force. The current path I is shown by arrows in FIG. 2. The efficiency of the Lorentz force in such a system is determined by the time of stable existence of the arc discharge. Its steady state is ensured by the condition that the external magnetic pressure is exceeded under internal gas kinetic pressure. In the proposed device, the external magnetic field created by the working current I flowing through the solenoid 4, which additionally burns the plasma bundle, contributes to a longer stable state.

Предложенное устройство испытано в следующих условиях:
емкость конденсатора-накопителя энергии - C=48•10^-3 Ф;
индуктивность разрядного контура - 1,035•10^-6 Гн;
индуктивность соленоида - ≈ 0,6•10^-6 Гн;
длина соленоида - 100 мм;
внутренний диаметр соленоида - 42 мм;
зарядное напряжение конденсатора - 1750 В;
длина ствола ускорителя - 350 мм;
калибр ствола - 17 мм;
масса метаемого тела - 3,5 г;
материал метаемого тела - - полиэтилен.The proposed device is tested in the following conditions:
the capacity of the energy storage capacitor is C = 48 • 10 ^-3 F;
inductance of the discharge circuit - 1,035 • 10 ^-6 H;
solenoid inductance - ≈ 0.6 • 10 ^-6 H;
solenoid length - 100 mm;
the inner diameter of the solenoid is 42 mm;
capacitor charging voltage - 1750 V;
accelerator barrel length - 350 mm;
barrel caliber - 17 mm;
throwing body weight - 3.5 g;
body material - - polyethylene.

Метаемое тело 5 при атмосферном давлении воздуха было ускорено до 1,7 км/с, приобретя кинетическую энергию 5,06 кДж. За время нахождения тела в стволе на его разгон было затрачено 49,5 кДж энергии. КПД преобразования энергии составило 10,22%. Throwing body 5 at atmospheric air pressure was accelerated to 1.7 km / s, acquiring kinetic energy of 5.06 kJ. During the body’s presence in the barrel, 49.5 kJ of energy was expended on its acceleration. The energy conversion efficiency was 10.22%.

Claims

A coaxial accelerator made in the form of a cylindrical electrically conductive barrel, inside which a throwable body and a fusible link are placed, electrically connecting the beginning of the barrel and the central electrode, which is connected to one terminal of the accelerator power circuit, the barrel being coaxially placed inside the solenoid, characterized in that the second power circuit connected to the first end of the solenoid remote from the central electrode, the second end of the solenoid is electrically connected to the beginning of the barrel, and the top of the central The electrode, the beginning of the trunk and the beginning of the solenoid are placed in the same plane perpendicular to the axis of the barrel.