Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы сверхскоростного метания тел 17
1.1. Многоступенчатые поршневые легкогазовые пушки 20
1.2. Электродинамические контактные установки (рельсотроны) 25
1.3. Электромагнитные индукционные ускорители 29
1.4. Электроразрядные газодинамические установки 31
1.5. Электротермохимические пушки 36
1.6. Комбинированные установки 37
1.7. Газодинамические одноступенчатые установки 44
1.8. Абляционный и иные методы ускорения 47
Выводы 49
ГЛАВА 2. Генераторы плазмы и электроразрядные камеры 51
2.1. Типы электроразрядных камер 51
2.1.1. Разрядные камеры с соосными стержневыми электродами 54
2.1.2. Разрядные камеры с коаксиальными электродами 57
2.1.3. Разрядные камеры со стержневым и коаксиальным электродами 60
2.1.4. Коаксиальные разрядные камеры 62
2.2. Генераторы плазмы и разрядные камеры ускорителей ИЭЭ РАН 65
2.2.1. Конструкции генераторов плазмы 65
2.2.2. Конструкции разрядных камер ускорителей 70
2.3. Основные элементы разрядных камер 76
2.3.1. Электроды и электродные материалы 77
2.3.1.1. Эрозия электродных материалов 83
2.3.2.Токовводы и их изоляция 89
2.3.3. Диафрагмы 93
Выводы 95
ГЛАВА 3. Баллистические стенды ИЭЭ РАН 97
3.1. Устройство и оснащение стендов 98
3.1.1. Баллистическая трасса и ее составные части 98
3.1.2. Источники питания ускорителей 104
3.1.2.1. Конденсаторная батарея ИПУ-10 103
3.1.2.2. Зарядное устройство 107
3.1.2.3. Разрядное устройство 108
3.1.2.4. Система сильноточной коммутации 109
3.1.2.5. Система управления стендом 111
3.1.3. Измерительная аппаратура стендов и методы измерения 112
3.1.3.1. Измерение начальных параметров 112
3.1.3.2. Измерение импульсных токов 114
3.1.3.3. Измерение падения напряжения на дуге 116
3.1.3.4. Измерение импульсного давления 118
3.1.3.5. Измерение скорости метаемых тел 119
3.1.3.6. Фоторегистрация полета и взаимодействия метаемых тел с преградами 121
3.1.3.7. Определение времени раскрытия диафрагмы 122
3.1.3.8. Система обработки и регистрации экспериментальных данных... 123
Выводы 124
ГЛАВА 4. Электроразрядные легкогазовые ускорители иээ ран 126
4.1. Определение параметров электроразрядных ускорителей 126
4.2. Одноступенчатые электроразрядные ускорители 129
4.2.1. Ускорители УСРТ и УСРТ-М 130
4.2.2. Макетный ускоритель 134
4.2.3. Ускоритель ГСУМ-7 138
4.2.4. Ускоритель со сменной разрядной камерой 141
4.2.5. 57-мм ускоритель 145
4.3. Характеристики процесса ускорения 147
4.3.1. Скорость метания тел и влияющие на нее факторы 147
4.3.1.1. Программируемый ввод энергии в дугу 153
4.3.1.2. Скоростные характеристики ускорителя при работе на водороде и азоте 159
4.3.2. Коэффициенты перевода энергии и к.п.д. ускорителя 160
4.3.3. Моделирование процессов и энергетический баланс ускорителя 169
4.3.4. Оценка параметров ускорителей 175
Выводы 177
ГЛАВА 5. Исследование процессов в разрядных камерах ускорителей 179
5.1. Характеристики разрядной цепи и параметры дуги 180
5.1.1. Параметры конденсаторной батареи и разрядной цепи
источника питания ИПУ-10 181
5.1.2. Сопротивление дуги 183
5.1.3. Напряженность электрического поля и плотность тока в дуге 190
5.1.4. Индуктивность дуги 193
5.1.5. Температура дуги 195
5.2. Режимы горения дуги в коаксиальной разрядной камере 200
5.2.1. Режимы горения дуги с тугоплавкими электродами 201
5.2.2. Режимы горения дуги с легкоплавкими электродами 208
5.2.3. Многоимпульсный режим 209
5.2.4. Двухдуговой режим 212
5.2.5. Программируемый разряд батареи 214
5.3. Процессы и теплообмен в разрядной камере 217
5.3.1. Процесс горения дуги в коаксиальной разрядной камере 217
5.3.2. Динамика движения дуги 226
5.4. Теплоперенос от дуги к газу 231
5.4.1. Теплоперенос излучением 231
5.4.2. Теплопроводность 233
5.4.3. Турбулентный теплоперенос 235
5.4.4. Теплоперенос ударными волнами 236
5.4.5. Энергия запасенная в дуге 237
Выводы 238
ГЛАВА 6. Применение ускорителей и разрядных камер ...240
6.1. Сравнительные оценки основных методов ускорения 240
6.2. Метаемые тела 242
6.3. Ускорение метаемых тел в стволе 247
6.4. Взаимодействие метаемых тел с преградами 250
6.5. Применение разрядных камер для деструкции токсичных веществ 254
Выводы 257
Заключение 259
Список литературы
- Электромагнитные индукционные ускорители
- Разрядные камеры с коаксиальными электродами
- Измерительная аппаратура стендов и методы измерения
- Одноступенчатые электроразрядные ускорители
Введение к работе
Современный этап развития российского общества характеризуется коренными изменениями в социально-экономической, политической и духовной сферах. Серьезным деформациям подверглись все социальные институты, в том числе и система физической культуры и спорта. В Федеральном законе России «О физической культуре и спорте в Российской Федерации» указывается на необходимость дальнейшего совершенствования структуры управления физкультурно-спортивным движением в стране, как на федеральном, так и на региональных уровнях1. Исторический анализ свидетельствует о наличии существенных пробелов в исследовании вопросов физической подготовки молодежи Московского региона.
В связи с этим серьезное значение имеет использование исторического опыта прошлого и практику! настоящего в решении проблем физической подготовки молодежи на современном этапе. Немалый интерес здесь представляет научное изучение деятельности государственных органов и органов местного самоуправления по физической подготовке молодежи Московского региона в период 1992-2004 гг.
Актуальность темы исследования заключается в том, что: Во-первых, изменение социально-политических и экономических условий развития России в конце XX — начале XXI в. оказало существенное воздействие на все стороны общественной жизни, включая сферу физической культуры и спорта. Политические преобразования, экономическая нестабильность и обилие нерешенных социальных вопросов отодвинули проблемы физической культуры и спорта на задний план. Распад СССР повлек за собой разрушение организационной структуры физкультурно-спортивного движения в стране и изменение её целей и задач. Без всестороннего анализа деятельности государственных органов и органов местного самоуправления по физической подготовке молодежи в кризисные годы невозможно предвидеть пути развития спортивных процессов в Российской Федерации.
1 См.: Федеральный закон № 80 от 29 04. 1999 г. «О физической культуре и спорте в Российской Федерации» // Российская газета. 1999, 6. 05.
Во-вторых, объектом пристального внимания общественности страны была и будет проблема, связанная с использованием молодежью своего свободного времени. Это связано, прежде всего, с ростом подростковой преступности, заботой родителей о детях предоставленных самим себе во время занятости взрослых на производстве. Также резко ухудшилось общефизическое здоровье молодежи. Даже самые оптимистические заключения социологов говорят, о том, что только 14% выпускников школы могут считаться абсолютно здоровыми1. Разрешение данного противоречия невозможно без повышения мотивации молодежи к занятиям физической культурой и спортом.
В-третьих, вследствие недостаточного финансирования резко сократилось число спортивных секций, кружков и клубов. Разрушенная инфраструктура физической культуры, ликвидация системы ДСО способствовали разрозненности в работе физкультурно-слортивных клубов в стране. Серьезные изменения коснулись организационной структуры. Ряд форм клубной работы, использовавшиеся в советское время либо утратил свое значение, либо прекратил свое существование. В настоящее время становится все более ясным, что преодоление кризиса в рамках спортивного российского движения требуют коренных преобразований во всех компонентах системы - структуре, управлении, финансировании, материально-техническом и кадровом обеспечении, создании действенной нормативно-правовой базы.
В-четвертых, физическая подготовка была, есть и будет основой подготовки граждан нашей страны к вооружённой защите Родины, поэтому данная тема актуальна для практики успешного реформирования Вооружённых Сил РФ. Она расширяет научную базу по дальнейшей разработке новых технологий физического воспитания не только молодежи, но и военнослужащих. Это особенно важно в настоящее время, когда в российском обществе продолжается активный поиск наиболее оптимальных путей повышения эффективности физической подготовки призывников. Тем более что в условиях сохранения угрозы национальной безопасности Российской Федерации и значительного сокращения численного состава Вооруженных Сил страны, всестороннее рассмотрение, критическое осмысление и глубокий анализ деятельности государственных органов и органов местного самоуправления по физической подготовке молодежи
См.: Текущий архив Военного комиссариата г. Москва, д. 34, 2005 г., с.б.
Москоьского региона будет способствовать повышению качества оборонно-массовой работы с подрастающим поколением.
В-пятых, актуальность данной темы исследования во многом вызвана пока еще слабым взаимодействием государственных органов управления, региональных органов власти и общественных организаций, выступающих в качестве главных элементов системы физической подготовки населения, что значительно снижает их потенциальные возможности в деле подготовки молодежи к защите Отечества вообще и к военной службе в частности. Выявление причин этого недостатка поможет дальнейшему повышению эффективности всей физкультурно-оздоровительной работы с населением.
Таким образом, актуальность темы вытекает из необходимости исследования на научной основе проблем физической подготовки молодежи.
Степень научной разработанности проблемы. Анализ научной и публицистической литературы, освещающий проблемы физической подготовки молодежи в Московском регионе показывает, что по ним имеется ограниченное количество работ. В целом работы, которые непосредственно относятся к изучаемому нами периоду, можно разделить по следующим направлениям.
Первое направление - работы по общим проблемам физической подготовки молодежи. Их изучение показывает, что целый ряд исследований рассматривает вопросы организации, проведения и планирования физического воспитания подрастающего поколения в постсоветский период ' истории нашей страны. Однако, данные исследования рассматривают данную проблему как составную часть более широкой. Серьезного внимания в этом плане заслуживает докторская диссертация А.П. Волкова'. К принципиально новым положениям, выдвинутым автором в этом труде, можно отнести, например, высказанные им идеи об особом престиже у населения СССР воинской службы. Данные им определения военно-прикладных и военно-технических видов спорта как составной части физической подготовки молодежи до сих пор используются широким кругом научной общественности. В исследовании раскрыты пути формирования новой системы физической подготовки молодежи к
См.: Волков А.П. Деятельность государственных органов п общественных организаций СССР по подготовке молодежи к защите Родины (1961-1991 гг.). Дис... д-ра ист. наук. - М., 1994.
защите Родины. Все они достаточно актуальны и настоятельно требуют дальнейшей аналитической разработки в различных формах научно-исследовательской работы.
Определенную ценность для изучения деятельности государственных органов, органов местного самоуправления и общественных организаций Московской области по физической подготовке молодежи в 1992-2004 гг. имеет кандидатская диссертация И.Р. Антоновой1. В своем исследовании она убедительно показала, что физическая подготовка молодых жителей столицы в 1990-е гг. была неразрывно связана с явлениями и процессами, происходившими в обществе, а также с их патриотическим воспитанием.
Несомненную важность для научного изучения темы исследования представляют и многочисленные публикации на страницах газет и журналов по актуальным проблемам физической подготовки молодежи в исследуемый период. В них рассматриваются вопросы альтернативных форм организации физического воспитания детей и молодежи, физической культуры, подготовки олимпийского резерва2.
См.: Антонова И.Р. Деятельность органов управления, общественных организаций г. Москвы по военно-патриотическому воспитанию молодежи в 1992-2002 гг. Дис... канд. ист. наук. - М., 2004.
2 См.: Бальсевич В.К. Концепция альтернативных форм организации физического воспитания детей и молодежи // Физическая культура; воспитание, образование, тренировка. - 1996. - № 1. - С.23-25; Бальсевич В.К. Олимпийский спорт и физическое воспитание: взаимосвязи и диссоциации //Теория и практика физической культуры,- 1996.- № 10.-С.2-7; Бальсевич В.К., Лубышева Л.И. Физическая культура: молодежь и современность // Теория и практика физической культуры. - 1995. - № 5-6. - С. 2-7; Бауэр В.Г. Социальная значимость физической культуры и спорта в современных условиях развития России // Теория и практика физической культуры. - 2001. - № 1. - С. 50-56; Ерофеева Е.Ю., Ерофеев В.Г. Школьные олимпийские игры // Теория и практика физической культуры. - 1993. - К» 6. - С. 46-48; Комаров И.И., Воронова К.А., Данилов А.А. Деловая оценка работников аппарата управления и физкультурном движении // Теория и практика физической культуры. - 1997. -№ 10. - С.53-55; Лубышева Л.И. Современный ценностный потенциал физической культуры и спорта и пути его освоения обществом и личностью // Теория и практика физической культуры. - 1997. - № 6. - С. 10-15; Столяров В.И., Быховская И.М., Лубышева Л.И. Концепция физической культуры а физкультурного воспитания (инновационный подход) // Теория и практика физической культуры. - 1998. -№5,- С.11-16.
Второе направление - труды по проблемам оборонно-массовой работы с молодежью. Их характерной особенностью является рассмотрение проблем физической подготовки молодежи через призму военно-прикладных и военно-технических видов спорта, необходимых для подготовки допризывной и призывной молодежи к службе в армии.
Особого внимания, на наш взгляд, заслуживает в этом плане диссертационное исследование А.В. Маклачкова1. В ней автор дает подробный анализ деятельности Российской оборонной спортивно-технической организации (РОСТО) по оборонно-массовой работе среди населения страны в 1991-1999 гг., в том числе касается и военно-спортивной работы с молодежью Московской области.
Весьма полезной для выбранной темы является кандидатская диссертация Ю.А.Юдахина, исследовавшего систему оборонно-массовой работы среди молодежи и её особенности на примере города Москвы.2. Проведенный им анализ архивных источников и документов показал, что при организации оборонно-массовой работы с молодежью основное внимание органов управления и общественных организаций было сосредоточено на формировании морально-психологической готовности будущих воинов к защите Родины, улучшении своей физической подготовки, проведении лечебно-оздоровительных мероприятий.
За рассматриваемы период было немало публикаций в периодической печати, где проблемы оборонно-массовой работы рассматривались на многочисленных примерах из жизни общественных организаций, военных комиссариатов, различных государственных учреждений и заведений. В них не только давались критические оценки этой деятельности, но и рассматривался передовой опыт, проводилась мысль о необходимости комплексного решения вопросов физической подготовки молодежи к защите Родины на государственном уровне, взаимодействия всех заинтересованных в ней ведомств3.
См.: Маклачков А.В. Деятельность Российской оборонной спортивно-технической организации (РОСТО) по оборонно-массовой работе среди населения «раны в 1991-1999 гг. Дис... канд. ист. наук. - М.% 2001.
2 См.: Юдахин Ю.А. Деятельность органов управления, общественных
организаций г. Москвы по оборонно-массовой работе среди молодежи в 1992-
2001 тт. Дис... канд. ист. наук. - М.,2003.
3 См.: Малиц В. РОСТО (ДОСААФ): период исканий и созидания. // Военные
знания. - 2004. - № 6. - С. 20-21; Образцова И. Отсутствие господдержки
Третье направление - работы по проблемам ч.ілзического воспитания армейской и флотской молодежи, в которых рассматриваются основные направления деятельности командования и воспитательных органов по физическому воспитанию военнослужащих. Таким образом, обеспечивается преемственность в физической подготовке допризывной молодежи, призывной и вооруженных защитников Отечества.
На сегодняшний день исторические работы на уровне монографий и диссертационных исследований по данному направлению отсутствуют, оно представлено в основном публикациями на страницах периодической печати. Наибольшую активность в этом проявляют редакции таких газет и журналов, как «Красная звезда», «Военные знания», «Воин», «Ориентир», «Физическая культура; воспитание, образование, тренировка», «Теория и практика физической культуры», «Военно-исторический журнал», «Социологические исследования» и др.
Таким образом, рассмотрение степени научной разработанности темы, ее историографический анализ, позволяют сделать вывод о том, что до сих пор не было трудов на уровне кандидатской диссертации, в которой было бы проведено комплексное научное изучение деятельности государственных органов и органов местного самоуправления по физической подготовке молодежи Московского региона в 1992-2004 гг. Недостаточная изученность этой проблемы, ее актуальность, явились основанием для проведения настоящего исследования.
Объектом исследования является система физической подготовки молодежи Московского региона в 1992-2004 гг.
Предметом исследования является деятельность государственных органов и органов местного самоуправления Московского региона по физической подготовке молодежи в рамках указанного хронологического периода.
В исследовании автор рассматривает Московский регион как совокупность двух субъектов Федерации: г. Москва и Московская
омрачает юбилей: 70-летие ОСОАВИАХИМ-ДОСААФ-РОСТО как повод к размышлениям о проблеме патриотического воспитания. // Независимое военное обозрение. - 1997. - №3; Сверкачев В. Помогает взаимодействие. // Патриот .- 1994. - №15. - С.б; Федулов СВ. Готовить специалистов, растить патриотов. // Красная звезда.-2000. - 26 фев.; Хочешь стать сильным и стойким? Приходи в "Типчак"! // Военные знания. - 2004. - № 6. - С. 11;
область, особое внимание при этом уАеляется анализу деятельности органов самоуправления таких административных округов г. Москвы как Центральный, Северный, Северо-Западный, Южный, Юго-Восточный, а также Люберецкого и Дмитровского районов Московской области.
Хронологические рамки исследования охватывают период 1992-2004 годы, от образования новой Российской государственности до середины первого десятилетия XXI века. Эти годы характеризуются коренными изменениями всей социально-экономической и политической обстановки в стране. Прежняя система физической подготовки населения страны была демонтирована и возникла острая необходимость в создании нового механизма физического совершенствования молодых граждан России.
Цель исследования. Учитывая актуальность и значимость темы, ее недостаточную разработанность в современной исторической науке, наличие значительного количества предоставленных в распоряжение исследователей архивных документов и материалов, необходимость новых подходов к ее осмыслению, автор ставит целью осуществление комплексного анализа основных направлений деятельности государственных органов и органов местного самоуправления Московского региона по физической подготовке молодежи в рассматриваемый период, извлечь уроки и сформулировать практические рекомендации по совершенствованию этой деятельности.
Для достижения поставленной цели представляется необходимым решить следующие задачи:
раскрыть факторы как внутреннего, так и внешнего характера, определявшие необходимость физической подготовки молодежи Московского региона в 1992-2004г.;
рассмотреть формирование нормативно-правовой базы, лежащей в основе деятельности государственных органов и органов местного самоуправления Москвы и Московской области по физической подготовке молодежи;
исследовать основные направления деятельности органов местного самоуправления по физической подготовке молодежи в рассматриваемый период, определить место физкультурно-оздоровительной и спортивно-массовой работы в образовательных муниципальных учреждениях;
- обосновать необходимость подготовки молодежи Московского
региона по техническим и военно-прикладным видам спорта;
- по результатам проведенного исследования сделать научно обоснованные выводы, извлечь вытекающие из них уроки, сформулировать практические рекомендации по совершенствованию физической подготовки молодых граждан Российской Федерации в современных условиях.
Методологические основы исследования базируются на использовании современной теории познания общества, опирающейся на концепцию всеобщих связей социально-экономической, политической и культурной жизни, на применение диалектического подхода к анализу общественных явлений.
Исследование проблемы осуществлялось с помощью таких общих принципов исторической науки, как объективность и историзм.
Рассматривая методологию, как учение об основах научного познания и как совокупность, систему определённых подходов и методов изучения поставленной научной проблемы, автор применил для разработки избранной темы следующие из них. Это специально-исторические методы исследования: проблемный, хронологический и ретроспективный, а также смежные методы исследования: классификации и статистический.
Применение всех указанных выше методов научного исследования позволило выбрать наиболее рациональную, по мнению автора, логическую структуру изложения материала диссертации, рассмотреть достаточно широкий комплекс проблем в диалектическом единстве, не прерывая естественной хронологической последовательности.
Источниковая база исследования включает в себя три группы документов.
В первую группу источников входят законы Российской Федерации, указы Президента РФ, постановления Правительства РФ.
Среди наиболее важных источников научного изучения темы так же находятся Законы РФ, в соответствии с которыми организуется и проводится физическая подготовка населения, в том числе и молодежи, в современных условиях: «О физической культуре и спорте в Российской Федерации» (1999г.), «Основы законодательства Российской Федерации о физической культуре и спорте» (1993г., 1999г.) и др1.
1 Федеральный закон № 80 от 29 04. 1999 г. «О физической культуре и спорте в Российской Федерации» // российская газета. 1999, 6. 05.
Большое значение для организации деятельности государственных органов и общественных структур по физической подготовке молодых граждан в рассматриваемый период имело Положение Комитета образования г. Москвы и Государственного комитета по делам молодежи, физкультуре и туризму «О порядке использования патриотическими объединениями, клубами элементов материальной базы учебных и спортивных организаций»1.
Во вторую группу источников входят документы различных государственных и общественных структур: приказы министров и председателей Государственных комитетов РФ, постановления коллегий министерств и ведомств; совместные решения заинтересованных в физической подготовке молодежи министерств и ведомств; распоряжения Губернатора Московской области, постановления . Правительства области, приказы руководителей департаментов и решения коллегий департаментов, распоряжения глав городов и районов, документы областного и районных военных комиссариатов, решения муниципальных собраний.
Большую помощь в исследовании оказало изучение документов и материалов текущих архивов администрации Правительства Московской области, Государственного комитета Российской Федерации по делам молодежи, Комитетов здравоохранения Правительств Москвы и Московской области, Комитета образования Правительств Москвы и Московской области, Комитета по делам молодежи Московской области, Комитетов по физической культуре и спорту Правительства Москвы и районов Московской области, Московского областного Совета РОСТО.
Помимо источников при подготовке диссертации автор также опирался на обширный круг научной и научно-популярной литературы. Немаловажное значение также придавалось материалам периодической печати.
II. СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ
Электромагнитные индукционные ускорители
Отдельную группу составляют электромагнитные индукционные ускорители, представляющие собой соосно расположенные катушки индуктивности, являющиеся источниками однонаправленного переменного магнитного поля, ускоряющего проводящее метаемое тело, в котором наводятся вихревые индукционные токи, т.е. принцип их действия аналогичен принципу действия асинхронных электрических машин.
В начале данной главы был представлен ряд пионерских работ, посвященных этому типу ускорителей [10,11].
Как уже было сказано, в 30-е годы ХХ-го века академик М.П.Костенко создал один из первых ускорителей данного типа - "магнитофугальную пушку", питание которой осуществлялось от ударного генератора [14,15].
Другой аналогичный ускоритель, но в более позднее время, состоящий из 59 катушек с внутренним диаметром (калибром) 131 мм, расположенных с шагом 24,6 мм, был создан в Принстонском Университете, США. Ускоритель разгонял тела массой 530 г с ускорением 5000 м/с до скорости 112 м/с. В статье утверждается, что эффективность таких устройств возрастает пропорционально скорости метания и может достигнуть 90+95 % при скоростях 5+10 км/с [77].
Концепция установки, практически аналогичной предыдущей, представлена в работе [78]. В работе [79] обсуждается идея ускорителя, использующего принцип бегущей волны, для разгона намагниченных тел. В качестве материала снарядов предлагается, использовать диспрозий как самый предпочтительный из ферромагнетиков, отмечается также, что использование в качестве материала для снарядов сверхпроводников практически невозможно из-за низкой критической температуры. Там же указывается, что для достижения скорости метания 50 км/с необходимо магнитное поле с градиентом 109 А/м2 и скоростью перемещения 10 м/с, при этом длина ускорителя должна составлять не менее 2,5 км.
В работе, выполненной в Бруклинском Политехническом Университете, США, сообщается об экспериментах с двухступенчатым индукционным ускорителем с длиной ствола 0,6 м, в результате которых тело массой 137 г было разогнано до скорости 476 м/с при средней величине ускорения 1,9x10 м/с . В качестве источника питания использовался мотор - генератор с маховиком общей массой 35 кг и величиной запасаемой энергии 4 МДж [80].
Кроме чисто индукционных методов разгона тел, существуют и другие -гибридные, в которых используются механические и дуговые контакты для получения собственного магнитного поля метаемого тела [81,82,83].
В работе [84] авторы, указывая на достоинства индукционных ускорителей, такие как: отсутствие контакта между снарядом и направляющими; возможность использования снарядов большого калибра; отсутствие необходимости в поддонах; хорошая согласованность с источником питания (многовитковость); высокий к.п.д.; эффективная управляемость процессом разгона и в 100 раз большая, чем у рельсотронов, ускоряющая сила при той же величине тока - тем самым обосновывают превосходство индукционных ускорителей над последними. Однако, при всех перечисленных неоспоримых достоинствах индукционные ускорители имеют и свои недостатки - для обеспечения их эффективной работы, если не используется контактная коммутация катушек, они нуждаются в довольно сложной системе управления, служащей для создания так называемого "бегущего поля" т.е. включения соответствующей катушки в момент времени прохождения ее координаты ускоряемым телом, т.к. синхронное включение всех катушек ускорителя делает процесс ускорения малоэффективным за счет низкого потокосцепления.
Кроме того, достигнутая ныне величина ускорения на один - два порядка меньше, чем у других ускорительных систем, что заставляет сомневаться в том, что в ближайшем будущем при помощи этого метода ускорения удастся достичь сверхвысоких скоростей метания, на это же косвенно указывает отсутствие в последнее время публикаций с результатами, существенно превышающими те, которые были достигнуты 10-20 лет назад. 1.4. Электроразрядные газодинамические установки Для реализации процесса метания тел с помощью газодинамических установок необходимо ввести энергию в рабочий газ для повышения его давления и температуры, что можно осуществить различными способами, в том числе и посредством мощного электрического разряда. На этом принципе основана работа электроразрядных или, как их еще называют в зарубежных публикациях, электротермических ускорителей.
Разрядные камеры с коаксиальными электродами
Установка питалась от конденсаторной батареи энергоемкостью 800 кДж, напряжением 16 кВ при длительности разрядного импульса 40 мкс. Эффективность работы установки была весьма низкой и не превышала одного процента, что согласуется с перечисленными выше, как недостатки, отличительными особенностями данного типа разрядных камер. Здесь нужно отметить, однако, что существенного повышения эффективности работы данной установки и снижения тепловых нагрузок на элементы разрядной камеры можно было достичь путем повышения начального давления водорода и более обоснованным выбором параметров источника питания, в частности, величины напряжения.
Однако содержание работ, опубликованных по данной тематике в то время, приводит к выводу о том, что этими возможностями не воспользовался ни один из исследователей, в результате чего работы по созданию мощных электроразрядных метательных систем, использующих данный тип разрядных камер, были приостановлены ввиду их казавшейся на тот момент времени бесперспективности.
Из устройств данного типа можно упомянуть также разрядную камеру аэродинамических труб СКБ-8С и ГПК-16А Арнольдского центра развития машиностроения [89] и импульсный плазмотрон ИП-3 Института электрофизики и электроэнергетики РАН [146].
Существуют конструкции, которые не подпадают под предложенную классификацию, например, разрядная камера аэродинамической трубы ГПК-50 Арнольдского центра развития машиностроения [147], которую от камер с соосными стержневыми электродами отличает параллельное расположение электродов, однако, одно это обстоятельство существенно меняет механизм горения дуги и по этому признаку приближает эту конструкцию к коаксиальным разрядным камерам.
В этих разрядных камерах (рис.2.1.а) два электрода (1) образуют систему, состоящую из одного центрального - аксиального и другого наружного -коаксиального. Электроды изолированы друг от друга и от корпуса разрядной камеры. Обычная полярность электродов: аксиальный - катод, коаксиальный -анод. Инициирование дуги, как у преобладающего числа разрядных камер, осуществляется металлической проволочкой (2).
Характерной особенностью горения дуги в таких разрядных камерах является ее подвижность или, как называют этот эффект отдельные авторы, "магнитное дутье" [148]. Сущность явления заключается в перемещении дуги, которая, загораясь по месту установки инициирующей проволочки, движется вдоль разрядной камеры по направлению к сопловому блоку. Причинами такого поведения дуги являются, как взаимодействие магнитного поля тока, протекающего в дуге, с его носителями (при асимметрии магнитного поля), так и градиент давления газа в разрядной камере, при этом скорость перемещения столба дуги, в зависимости от силы тока, скорости его нарастания, рода газа и его начальной плотности, может достигать нескольких сот метров в секунду и выше.
У такого явления существуют как положительные, так и отрицательные стороны: к положительным можно отнести интенсивное течение газа в камере, вызванное перемещением дуги и электродными струями, которое обусловливает эффективную теплопередачу от дуги к газу и ускоряет установление термодинамического равновесия в объеме разрядной камеры; к отрицательным - быстрое, если не приняты меры к осуществлению повторного зажигания дуги или увеличению длительности импульса тока, погасание дуги, т.е. малая длительность одиночного импульса тока и сравнительно низкий уровень вкладываемой за время одиночного импульса в разряд энергии. Эта особенность данной конструкции создает сложности при организации процесса ввода энергии больших уровней в разрядную камеру.
В целом, основываясь на результатах ряда экспериментов, проведенных в ИЭЭ РАН, такая конструкция разрядной камеры, применительно к мощным электроразрядным легкогазовым ускорителям, может быть охарактеризована скорее негативно, чем позитивно. Это заключение не является категоричным, т.к. последующий опыт работы с аналогичными - коаксиальными разрядными камерами приводит к выводу о том, что данный тип камер был недостаточно нами исследован, что не позволило до конца выявить все их потенциальные возможности.
Измерительная аппаратура стендов и методы измерения
Измерительная аппаратура включает в себя средства регистрации некоторых начальных, текущих и конечных параметров эксперимента.
К начальным параметрам эксперимента относятся: емкость и зарядное напряжение батареи; давление и род газа в разрядной камере и ее геометрия; масса метаемого тела и его характеристики; масса электродов, их материал и размеры; величина межэлектродного расстояния; калибр и длина ствола; величина давления или разряжения в баллистической трассе; координаты установки датчиков положения метаемого тела; расположение, размеры и материал мишени.
Регистрируемыми непосредственно во время проведения эксперимента (текущими) параметрами и процессами являются: разрядный ток; падение напряжения на дуге и отдельных участках разрядной цепи; давление в разрядной камере и в канале ускорителя; скорость и ускорение метаемого тела; поведение и состояние метаемого тела в полете; взаимодействие метаемого тела с преградой.
После проведения эксперимента измеряются конечные параметры эксперимента: остаточное напряжение на батарее, масса электродов, а также размеры кратера или отверстия в преграде и запреградное действие осколков тела. Измерение начальных параметров
Одним из основных начальных параметров проводимого эксперимента является энергия, запасенная в источнике питания. Для ее расчета, помимо величины зарядного напряжения, необходимо значение емкости конденсаторной батареи.
Величина емкости модулей батареи измерялась цифровым прибором МЦЕ-14АК. Средняя величина емкости одного модуля батареи ИПУ-10 составляет 18 мФ. Погрешность измерения прибора при трехзначном отсчете ±0,5%. Измеренная посекционно суммарная емкость батареи составляет Таким образом, энергоемкость батареи составляет 5,65 МДж при зарядном напряжении 10 кВ.
Для вычисления энергии, выделившейся из источника питания, была разработана специальная система, которая осуществляет измерение зарядного и остаточного напряжения на модулях батареи.
Для измерения зарядного напряжения на модулях батареи ИПУ-10 используются высоковольтные делители, состоящие из резистора ДС Р28-М1 сопротивлением 40 МОм и резистора СП-5 сопротивлением 4 кОм. Напряжение с делителей подается на блок коммутации, с выхода блока на цифровой вольтметр В7-43, а с АЦП вольтметра на ЭВМ. После окончания зарядки батареи коммутатор последовательно подключает измерительные цепи к входу вольтметра. По каждому каналу производится несколько отсчетов, пока разница между ними не уменьшается до 0,1 %. Значения напряжения на модулях записываются в память ЭВМ.
Остаточное напряжение на батарее после эксперимента измеряется аналогичным образом. Погрешность измерений не превышает 0,5 %.
Кроме этого, к делителям подключены стрелочные вольтметры для визуального контроля напряжения на батарее во время ее зарядки.
Начальное давление газа в разрядной камере измеряется при помощи датчика статического давления повышенной точности с реостатным выходом ДТ-400 с погрешностью измерения в диапазоне от 20 до 40 МПа не более ±0,4 %. Для индикации показаний датчика служит цифровой вольтметр В7-22А, при этом суммарная погрешность измерения давления составляет ±0,5 %.
Объем разрядной камеры вычисляется на основании геометрических размеров ее элементов. Объем камеры выбирается близким к оптимальной его величине для данной массы тела. Изменение объема осуществлялось с помощью подбора анодных вставок.
Масса рабочего газа вычисляется на основании величин объема разрядной камеры и начального его давления. Ввиду того, что уже при 114 давлениях 2(Н40 МПа проявляется неидеальность газовой среды, расчет массы газа проводится с учетом коволюма [167, 168].
Эрозия электродов определяется путем взвешивания катода и анода на рычажных весах с погрешностью ±10 мг до и после эксперимента. Зная емкость с, а также разность зарядного и остаточного напряжений батареи AU, можно вычислить протекший электрический заряд Q = cAU. Отношение изменения массы электродов к заряду Q дает значение удельной эрозии для данного материала.
Масса тела и его элементов определялась путем их взвешивания на рычажных весах с погрешностью ±10 мг. Измерение импульсных токов
При разряде конденсаторной батареи с энергозапасом в несколько мегаджоулей и напряжением 10-К25 кВ на дуговую или иную нагрузку сопротивлением 5-И 0 мОм величина разрядного тока достигает 2 МА и выше при скорости нарастания тока 109-И0п А/с. Измерение таких токов является весьма непростой задачей. Наибольшее распространение на практике получили два способа измерения - с помощью пояса Роговского и малоиндуктивного шунта.
Система измерения разрядного тока батареи ИПУ-10 состоит из шести соединенных последовательно поясов Роговского, каждый из которых охватывает центральные жилы двух кабелей, идущих от коллектора к токосборнику.
Калибровка системы измерения тока производилась при помощи эталонного колебательного контура, параметры которого были измерены с погрешностью не выше 1 %. Емкость контура с = 30 мкФ, собственная частота /=25 кГц, зарядное напряжение 15- -20 кВ. Путем сравнения измеренного сигнала с расчетной кривой определялась погрешность измерений. На основании полученных данных была составлена программа обработки сигнала для ЭВМ, которая обеспечивает погрешность измерения разрядного тока не выше ±3 %.
Одноступенчатые электроразрядные ускорители
Как видно из графика (рис.4.1), интересующие нас значения є находятся на правой ветви кривых, а их максимумы соответствуют предельным значениям скоростей метаемых тел при данной их массе и размерах ствола. Например, для ускорителя калибром 31 мм при массе метаемого тела 70 г и величине требуемой скорости 3000 м/с значение степени расширения є «3,5, что соответствует объему камеры VK = 1,13 дм3. При этом Wp = 0,85 МДж, тг = 27 г, а начальное давление газа (водорода) Р0 = 29 МПа. На практике при проведении экспериментальных работ на первом ускорителе калибром 30 мм, спроектированном с учетом полученных данных, объем разрядной камеры в зависимости от массы ускоряемых тел менялся от 0,6 до 1,6 дм3, а начальное давление от 10 до 42 МПа.
Основным типом метательных установок, применяемых в ИЭЭ РАН для проведения баллистических экспериментов, является одноступенчатый легкогазовый электроразрядный ускоритель. Этот же тип ускорителя использовался как базовый компонент при создании комбинированных установок. Было разработано пять базовых конструкций ускорителей, различающихся системами токоподвода, разрядными камерами и рядом других элементов.
Основные характеристики некоторых одноступенчатых электроразрядных легкогазовых ускорителей ИЭЭ РАН представлены в таблице 4.1.
Основным и практически единственным конструктивным отличием ускорителя от импульсного генератора плазмы или разрядной камеры аэродинамической трубы является наличие у первого канала ускорения -ствола. Ствол представляет собой стальную трубу, чаще всего изготовляемую из орудийной стали марки ОХНЗМФА термообработанной до твердости HRC 36- 40 и прочности 800ч-1000 МПа. Стволы исследовательских установок, их часто называют баллистическими, проектируют, как правило, равнопрочными по длине и с большим запасом прочности для того, чтобы свести к минимуму их поперечную деформацию, влияющую на процесс ускорения метаемых тел при выстреле.
Ускоритель УСРТ - первый из серии метательных устройств, был разработан в ИЭЭ РАН и изготовлен в 1982 году (рис.4.2).
На момент начала экспериментов и по настоящее время ускоритель обладает наивысшими в мире массо-скоростными показателями (соотношение массы метаемого тела и его скорости) среди устройств подобного типа.
Электроразрядный легкогазовый ускоритель УСРТ. Ускоритель, с некоторыми доработками и усовершенствованиями, использовался для проведения экспериментов в течение более десяти лет. Одним из недостатков конструкции ускорителя являлся составной (из трех частей) ствол общей длиной 4 м, изготовленный так ввиду отсутствия технических возможностей для сверления сверхглубоких (свыше 70 калибров) отверстий диаметром 30 мм.
Наибольшим изменениям за время работы подверглись конструкции электродной системы и системы токоподвода, что достаточно подробно изложено в главе 2 (см. параграфы 2.2.2 и 2.3.2). Было опробовано пять типов разрядных камер и более тридцати их модификаций, а, кроме того, три типа токовводов с различными изолирующими материалами.
Не остался без изменений и узел запорной диафрагмы. Изначально функцию этого уплотняющего элемента выполняло само метаемое тело, в частности, его поддон, однако, это оказалось неприемлемым из-за большой, в среднем 60-70 г, массы этого элемента, обусловленной требованиями к его прочности. Поддоны приходилось изготавливать из меди - такие металлы, как титан и алюминий, хотя они и обладают более высокими удельными прочностными характеристиками, были отвергнуты из-за вызываемой ими при движении значительной эрозии внутренней поверхности ствола - эффект "вырывания" поверхностного слоя металла ствола, что приводило к утяжелению метаемых тел и, как следствие, препятствовало достижению высоких скоростей их метания. Кроме этого, по мере роста числа экспериментов, проведенных на одном и том же стволе, возрастали трудности с уплотнением метаемых тел, обусловленные снижением чистоты внутренней поверхности канала ствола (особенно в заходной его части) из-за эрозии, вызванной истечением нагретого рабочего газа из разрядной камеры.
В дальнейшем нами стали применяться медные и алюминиевые диафрагмы, которые только частично улучшили ситуацию т.к. центральная часть диафрагм массой (в зависимости от используемого материала) от 4 до 15 г срезалась и ускорялась вместе с метаемым телом, увеличивая его массу, что, также снижало скорость метания, особенно, при ускорении тел массой 10-15 г.
