Введение к работе
Актуальность темы диссертадии Происходящее последние десятилетия интенсивное развитие космической, авиационной и энергетической отраслей техники, а также физики высоких плотностей энергии и физики твердого тела потребовало изучения процессов, возникающих при движении и соударении тел со скоростями от нескольких километров до десятков километров в секунду. Чтобы проводить такие исследования необходимо, прежде всего, разработать методы сообщения высоких скоростей телам различной массы и формы. Усилия по созданию установок для ускорения тел в немалой степени стимулировались также потребностью в разработке новых систем вооружений.
Одним из перспективных типов устройств высокоскоростного метания являются электроразрядные легкогазовые ускорители (ЭРУ). В этих системах метаемое тело ускоряется при помощи газа с низким молекулярным весом (водорода или гелия) нагретого мощной электрической дугой. Для существующих ЭРУ характерен диапазон ускоряемых масс от 1 г до сотен грамм и соответствующих скоростей —7,0—2,5 км/с. К настоящему времени накоплен большой опыт конструирования и эксплуатации ЭРУ, однако остается нерешенным ряд проблем, не позволяющих реализовать их предельные скоростные и энергетические возможности: загрязнение рабочего газа продуктами эрозии электродов, недостаточная механическая и электрическая прочность изоляции токовводов, осуществление энерговклада в дугу более 2 МДж.
Для достижения высокой эффективности ускорения и максимальных скоростей метания электроразрядный легкогазовый ускоритель должен обладать следующими качествами:
высокой эффективностью преобразования энергии источника питания в энергию электрической дуги;
высокой эффективностью нагрева рабочего газа электрической дугой;
низким уровнем эрозии электродов, не приводящим к существенному увеличению молекулярного веса рабочего газа;
—высокой живучестью элементов конструкции и возможностью их оперативной замены;
надежностью конструкции установки, удобством и безопасностью ее эксплуатации;
низкими эксплуатационными расходами;
надежной воспроизводимостью результатов.
Целью диссертационной работы является:
разработка конструкции разрядной камеры ЭРУ, рассчитанной на энерговклад более 2 МДж, токи 2 МА и выше и отвечающей сформулированным выше требованиям, исследование физических процессов, происходящих в разрядной камере ускорителя, определение баллистических характеристик ЭРУ в диапазоне масс метаемых тел от 3 г до 300 г.
Научная новизна полученных в настоящей работе результатов состоит в следующем:
-
В результате исследований режимов горения разряда в коаксиальной электродной системе с самоустанавливающейся длиной дуги при начальном давлении водорода 40 МПа достигнута эффективность перевода энергии дуги во внутреннюю энергию газа 90%. Впервые получен энерговклад в импульсную водородную дугуг превышающий 2 МДж при длительности импульса тока 1,5 мс.
-
Исследованы параметры сильноточных дуг, горящих в водородной среде при начальной концентрации 4х1020-7х1021 см-3, токах от 300 кА до 2 МА и
скорости нарастания тока (0,5— 1,0)х1010 А/с. На основании оптических измерений и данных о проводимости плазмы сделана оценка температура канала дуги. Определены скорость движения дуги и скорость расширения канала разряда. Обнаружено образование ударных волн при пробоях разрядного промежутка
І. Получены зависимости эффективности передачи энергии из дуги в газ от начального давления и конечной среднемассовой температуры водорода. Проведен анализ основных механизмов теплопереноса от дуги к рабочему газу в разрядной камере ускорителя, в результате которого сделан вывод, что 40 — 60% энергии передается из дуги в газ путем турбулентного теплообмена, остальная часть отводится за счет излучения, кондуктивной теплопроводности и диссипации внутренней энергии плазмы дуги. Потери энергии в основном обусловлены лучистым нагревом стенок разрядной камеры и эрозией электродов.
1. В результате исследований баллистических характеристик трех метательных установок: калибром 16 мм, 30 мм и 31 мм получена скорость 6,2 км/с для массы 17 г и кинетическая энергия метаемого тела свыше 400 кДж (260 г до 1,73 км/с). Впервые достигнута эффективность преобразования энергии дуги в кинетическую энергию снаряда 30%.
Практическая ценность:
1. Создана новая конструкция разрядной камеры
электроразрядного легкогазового ускорителя масс,
надежно работающая при энерговкладе более 2 МДж,
токах до 2 МА, мощности дуги до 6 ГВт, максимальном
импульсном давлении 500 МПа и среднемассовой
температуре газа до 3500 К.
2. Проведен анализ применимости различных
электродных материалов с точки зрения их
эрозионной стойкости, механической прочности, технологичности и стоимости при разрядных токах до 2 МА и протекающем электрическом заряде до 800 Кл. На основании полученных данных обоснован выбор электродных материалов и режима горения разряда. 3. Полученные экспериментальные данные и зависимости, а также выводы и рекомендации, сделанные в диссертации могут быть использованы при создании электроразрядных ускорителей масс, а также импульсных генераторов плазмы.
Реализадия результатов работы, Созданные
метательные установки используются в ИПЭФ РАН для
отработки конструкций метаемых тел и исследования
процесса их соударения с преградами, на базе ЭРУ
разрабатывается комбинированное устройстве
высокоскоростного метания с расчетной скоростьк металлических пластин массой 0,1 —1,0 г до 10—15 км/с.
Апробация работы и публикации. Основные
результаты диссертации докладывались на: \
Международной конференции по генерации
Мегагауссных полей и родственным экспериментам Новосибирск, 1989; Forth European Symposium, or Electromagnetic Launch Technology, Celle, Germany, 1993 Seventh Symposium on Electromagnetic Launch Technology San—Diego, California, 1994; Symposium on Hypervelocitj Impact, Santa Fe, New Mexico, 1994; Fifth Europear Symposium on Electromagnetic Launch Technology Toulouse, 1995; International Conference on Shocb Compression of Condensed Matter, Seattle, Washington 1995; Eighth Symposium on Electromagnetic Launcl Technology, Baltimore, Maryland, 1996; 23-th IEEE International Conference on Plasma Science, Boston Massachusetts, 1996; 27 —th AIAA Plasmadynamics and Lasei
Conference, New Orlean, 1996 и опубликованы в 16 работах, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация :остоит из введения, четырех глав и заключения, :одержит 125 страниц машинописного текста, в том їислє 64 рисунка и три таблицы. Список цитированной штературы включает 120 наименований.
