Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов и устройств ускорениятвердых тел 11
1.1 Анализ параметров ускоряемых твердых тел 11
1.2 Методы и устройства проведения ударных экспериментов
1.2.1 Ускорители пылевых частиц 14
1.2.2 Рельсовые электромагнитные ускорители 17
1.2.3 Катушечные электромагнитные ускорители 25
1.2.4 Электроразрядные газотермические ускорители 30
1.2.5 Комбинированные экспериментальные установки 32
Выводы 35
ГЛАВА 2. Физико-математическая модель движения частицы в тракте катушечного и рельсового электромагнитного ускорителя с системой подмагничивания. 36
2.1Анализ катушечного электромагнитного ускорителя 36
2.1.1 Анализ магнитного поля катушек 42
2.1.2 Моделирование движения частицы 46
2.1.3 Заключение 51
2.2Модель рельсового электромагнитного ускорителя с системой подмагничивания 52
2.2.1 Постановка задачи 52
2.2.2 Математическое моделирование движения частицы в тракте рельсового ускорителя 53
2.2.3 Моделирование геометрии контуров рельсотрона и системы подмагничивания 67
2.2.4 Двухступенчатый рельсовый электромагнитный ускоритель с системой подмагничивания 79
2.3 Выводы 84
ГЛАВА 3 Методика проведения ударных экспериментов 85
3.1 Экспериментальное оборудование, состав и основные элементы электромагнитного ускорителя 85
3.2 Методика проведения эксперимента на рельсотроне без подмагничивания 87
3.3 Методика проведения экспериментов на рельсотроне с подмагничиванием 94
3.4 Методика измерения импульсного тока в цепи системы подмагничивания и основного контура 99
3.5 Методика измерения скорости частицы 101
3.5.1 Измерение скорости барьерным методом 101
3.5.2Измерение скорости высокоскоростной камерой 105
3.6 Обработка результатов экспериментов 106
Выводы 108
ГЛАВА 4. Разработка экспериментального стенда 109
4.1. Основной накопитель. 111
4.2. Блок питания основного накопителя. 112
4.3. Механический коммутатор основного накопителя. 120
4.4. Система управления ускорителем. 124
4.5. Силовые коммутаторы
4.5.1 Импульсные тиратроны 127
4.5.2 Вакуумные управляемые разрядники 128
4.5.3 Твердотельные управляемые разрядники 129
4.5.4 Атмосферные управляемые разрядники
4.6. Драйвер управляемого высоковольтного разрядника. 132
4.7. Драйвер импульсного тиратрона 142
4.8. Накопитель системы подмагничивания 143
4.9. Измеритель скорости движения микрочастиц 144
Выводы 151
Заключение 152
Список литературы 154
- Ускорители пылевых частиц
- Моделирование движения частицы
- Методика проведения эксперимента на рельсотроне без подмагничивания
- Твердотельные управляемые разрядники
Ускорители пылевых частиц
Проводимые исследования и эксперименты показали, что при увеличении скорости разгона тел эрозия материала рельсов тем меньше, чем выше скорость разгона тел, т.е. меньше время воздействия дуги на данный участок рельсов. Влияние эрозии электродов на работу рельсотронных ускорителей твердых тел рассмотрено в [57, 58], где показано, что учет присоединенной за счет эрозии массы существенно ограничивает максимальные скорости метаемого тела. Приведены оценки придельных скоростей для двух механизмов эрозии: 1) при бомбардировке электродов ионным током; 2) от джоулева оплавления электродов, возникающего при превышении критической плотности тока. При втором механизме эрозии придельная скорость vmax тела и время г, за которое присоединённая масса станет равной массе ускоряемого объекта, находится из уравнений:
Из данных выражений становится ясно, что поиск материалов, обладающих высокой электроэрозионной стойкостью, являющейся важнейшей задачей на пути создания надежных ускорителей, способных осуществлять метание тел со скоростями более (6 - 7) км/с [59]. Влияние пинч-эффекта и скоростного скин-эффекта на механизм эрозии рельс приведено в работе [60]. Авторы утверждают, что основным механизмом эрозии рельс является пинч-эффект, который проявляется тем сильнее, чем больше ток, протекающий через динамический контакт якоря и рельс. Суть пинч-эффекта состоит том, что значительную часть времени якорь движется на магнитном подвесе, тогда как ток течет не через периферическую часть исходной контактной поверхности, образованной скоростным скин-эффектом, а через относительно тонкую и непрерывно сжимаемую магнитном полем металлическую перетяжку, которая в конце концов взрывается, порождая углубления на рельсах. При этом ток прекращается, металлический контакт восстанавливается на большей поверхности вследствие упругого расширения материала якоря и рельс, а процесс повторяется вновь. Данный эффект будет наблюдаться до тех пор, пока не установится полностью дуговой характер контакта, вследствие уменьшения размеров якоря из-за его эрозии. В дуговом же режиме подключаются описанные выше механизмы эрозии: оплавление материала и ионный ток у поверхностей рельс и проводящего ускоряемого тела. В работе [61] описаны эксперименты по ускорению макрочастиц, качественно подтвердившие выводы о существенном влиянии эрозии электродов на работу ускорителя. В опытах ускорялись частицы массой 0,2 г и 1,3 г. Максимально достигнутая скорость была vmax = 6 км/с, однако частицы при этом разрушались. Проблему эрозии частично можно решить, сокращая время воздействия плазмы на электроды, путём увеличения взлётной скорости ускоряемого тела. Проводимые исследования и эксперименты показали, что при скорости более 10 км/с эрозия электродов будет практически отсутствовать [62]. Технически эта проблема решается с помощью устройств, обеспечивающих предварительное ускорение тел до момента входа в канал рельсотрона. Изучению физических факторов, ограничивающих возможности рельсовых электромагнитных ускорителей, посвящены работы [63, 64]. Анализ общих энергетических соотношений [64] показал, что независимо от формы импульса тока отношение кинетической энергии ускоряемого тела Eк(t) к омическим потерям Е0 (ґ) в предположении, что активное сопротивление цепи R0 останется постоянным в процессе работы ускорителя, находится из выражения: к±1 = — (12) МО v , где vx = 0С - характеристическая скорость, при которой Ек (V) = Е0 (V); X - погонная индуктивность рельсотрона. При значениях: /1 = 2,5-10 7Гн/м, R0 =2,5-10" Ом и R0 = 5-10 Ом (что соответствует типичным условиям эксперимента) vx= 40 км/си 80 км/с соответственно. Приведённые оценки скорости v показывают, что при v 5 — 10км/с, Eк(t)«E0(t),. Эффективность ускорения, при этом, составит примерно 11%, что является теоретическим максимальным значением для рельсовых ускорителей классической двухэлектродной одноступенчатой конструкции, использующих только электромагнитный принцип ускорения. Анализ распределения плотности тока по рельсам и якорю приводится в работах [65, 66, 67], где авторы создают математическую модель рельсотрона для трех разных токов через рельсовые электроды и перемычку: постоянный, синусоидальный и импульсный.
Моделирование движения частицы
Рассмотрим кубический элемент ферромагнитной частицы, помещённой в магнитное поле. Материал элемента перейдёт в состояние равномерной намагниченности при величине внешнего поля, большей его индукции насыщения. Это означает, что все атомные магнитные дипольные моменты имеют примерно одинаковое направление. Это условие достижимо только в однородном внешнем магнитном поле, по линиям магнитной индукции которого выстраиваются атомные магнитные моменты. Из этого следует, что размеры кубического элемента должны быть настолько малы, что внешнее поле в его области можно было считать однородным. В таких условиях элемент намагниченного вещества можно считать магнитным диполем с собственным магнитным дипольным моментом - М, равным произведению эффективных атомных моментов (Mj) на количество атомов N [107, 108, 109]. Количество атомов в элементе объёма частицы равно: N=NAPmaAa (2.7) Mnat где NA - число Авогадро; pmat, Mmat - плотность и молярная масса материала элемента частицы, соответственно; Аа - параметр кубического элемента. Основной вклад в атомный магнитный момент многоэлектронного атома вносит электронная оболочка [101, 107, 110]. Для полного квантового описания многоэлектронной оболочки необходимо знать её конфигурацию, т.е. число электронов с заданными квантовыми числами / и/7, и полные моменты - орбитальный L и спиновый S .
Из выражения для силы (2.9) следует, что ускорение частицы зависит не столько от величины поля, сколько от его неоднородности, а также свойств материала. Материал должен обладать высокой магнитной восприимчивостью, чтобы можно было сделать допущение о полной ориентированности моментов по линиям внешнего поля и, кроме того, электронная оболочка атомов вещества должна обладать максимальным магнитным моментом. Больше всего этим параметрам отвечают элементы группы железа и некоторые редкоземельные металлы. Параметры некоторых из них приведены в таблице 2.1 [101]. Таблица 2.1 - Некоторые термы элементов группы железа Атомный номер Элемент Электронная конфигурация внешней оболочки j /-M/ ] 65 Tb 4 f85d6s2 24/12 12 67 Ho 4/n6s2 18/15 9 23 V 3d34s2 2/5 0,6 24 Cr 3d54s 2 6 25 Mn 3d54s2 2 5 26 Fe 3d64s2 3/2 6 27 Co 3d74s2 4/3 6 28 Ni 3d84s2 5/4 5 29 Cu 3d10 4s2 2 1
Ограниченный выбор подходящих для ускорения материалов приводит к тому, что все усилия по увеличению ускоряющей силы необходимо направить на увеличение неоднородности поля по направлению движения частицы и при этом необходимо сохранить однородность поля по другим направлениям, чтобы не вызвать сильного отклонения от прямолинейной траектории. Для этого необходимо рассмотреть разные конструкции тяговых катушек и построить картину поля, создаваемого ими.
Расчёт движения частицы по тракту одноступенчатого электромагнитного ускорителя реализован численным методом, позволяющим отказаться от интерполяции функции по точкам сетки поля. Это достигается тем, что поле считается не во всём тракте, а локально в окрестностях ускоряемой частицы, в точках адаптивной сетки, совпадающей с сеткой разбиения тела. Таким образом, все расчётные точки поля совпадают с координатами центра масс элементов объёма тела. После расчёта градиента поля и определения силы, действующей на тело, определяется смещение координат сетки тела за интервал времени, и осуществляется новый локальный расчёт области поля. Такой подход позволяет создавать максимально полную эволюционную модель, так как на каждом шаге основного цикла есть возможность оценивать изменения всех параметров вследствие процессов, протекающих в предыдущий момент времени. Перемещение тела определяется из координат центра масс, рассчитанных в каждый момент времени по следующим соотношениям:
Методика проведения эксперимента на рельсотроне без подмагничивания
В предыдущем разделе определены оптимальные параметры ускорителя, позволяющего ускорить тело массой 0,134 г. до скорости 1680 м/с. Для полноценного моделирования высокоскоростных твердых тел, встречающихся на орбите, этой скорости недостаточно. Дело в том, что ток контура рельс сильно ограничивает увеличивающаяся по мере движения якоря по каналу ускорителя индуктивность электродов. На рисунке 2.26 показаны графики токов статичного, эталонного контура и контура рельсового ускорителя при одинаковых начальных условиях.
Из графиков токов, представленных на рисунке 2.26 видно, что уже на втором периоде колебательного процесса частота колебаний снижается, а амплитуда резко падает. Это связано с увеличением индуктивности контура, так как якорь движется вдоль рельс, увеличивая длину пути, по которому протекает разрядный ток. С этим же связано и увеличение сопротивления контура, а так же с тем, что рельсы в процессе ускорения нагреваются. Кроме того часть энергии накопителя преобразуется в кинетическую энергию якоря, что так же снижает амплитуду тока в контуре. А так как ускоряющая сила согласно выражениям (2.20-2.21) зависит от квадрата тока, уже на третьем периоде колебательного процесса (160 мкс согласно рисунку 2.26) существенного прироста скорости якоря не происходит. Система подмагничивания так же перестает быть эффективной при снижении тока, протекающего через ускоряемое тело. Для решения этой проблемы был предложен вариант двухступенчатого рельсотрона. Причем первая ступень низкочастотная с внешним подмагничиванием с параметрами контуров, полученными в предыдущем разделе. Единственным изменением первой ступени рельсотрона является уменьшение длины электродов до 300мм. Вторая ступень рельсотрона питается от накопителя с меньшей емкостью, но более высоковольтного, поэтому колебания происходят на более высокой частоте. Параметры первой и второй ступени рельсотрона, а так же параметры СПР первой ступени представлены в таблице 2.7.
Согласно начальным условиям, представленным в таблице 2.7, проведено моделирование процесса ускорения: так на рисунке 2.27 представлены графики токов, протекающих в контурах ускорителя, а на рисунке 2.28 изображены графики сил, действующих на якорь, так же на этом рисунке представлен график перемещения якоря, который позволяет более наглядно иллюстрировать момент активации второй ступени. Рисунок 2.27 - Зависимости токов, протекающие в двухступенчатом рельсотроне и СПР от времени Рисунок - 2.28 Временные зависимости ускоряющих сил, действующие на якорь в двухступенчатом рельсотроне
Вторая ступень рельсотрона в данном моделировании включается, когда центр якоря имеет координату по оси Xравную 300 мм, что соответствует времени 130 мкс. Вторая ступень работает без внешнего поля, так как для согласования колебательного процесса в контур подмагничивания второй ступени, как и во второй контур рельс, нужны более высоковольтные конденсаторы с меньшей емкостью.
На рисунке 2.29 представлен график скорости якоря в процессе ускорения в канале рельсотрона. Рисунок 2.29 - Зависимости скорости якорей, движущихся в каналах двухступенчатого и классического рельсотронов от времени
Первая ступень разогнала тело до скорости примерно 2600 м/с, а вторая до 5600 м/с. Применение подмагничивания второй ступени позволило бы еще увеличить скорость. Применение подмагничивания второй ступени рельсотрона с накопителем на 15 КДЖ позволило бы увеличить скорость примерно до 6000 м/с. Для сравнения на рисунке 2.29 так же представлена зависимость скорости для одноступенчатого варианта, при идентичной системе подмагничивания, но увеличенной энергетикой основного накопителя до уровня равному суммарной запасенной энергии в конденсаторах первой и второй ступени. Из сравнения видно, что двухступенчатый вариант дает выигрыш в конечной скорости якоря примерно на 11%. Следует заметить, что для эффективного применения второй ступени рельсотрона, необходимо осуществить подвод тока с минимально возможной паразитной индуктивностью.
Твердотельные управляемые разрядники
Блок управления работает следующим образом. Когда на вход оптического приемника в блоке ШИМ формирователя поступает сигнал, то внутренняя логика анализатора входного сигнала производит оценку сигнала, если он лежит в диапазоне частот от 12 КГц до 50 КГц, то сигнал пропускается дальше на измеритель частоты, в противном случае он интерпретируется как неисправность линии связи. Измерение частоты происходит методом заполнения счетными импульсами с кварцевого генератора. Получившийся двоичный код используется для формирования десятиразрядного ШИМ сигнала с фиксированным минимальным интервалом мертвого времени. Схема организованна таким образом, что пропадание мертвого времени полностью исключено. А работа с регистрами происходит в несколько выделенных этапов на протяжении длительности мертвого времени, что исключает случайные изменения скважности выходного сигнала. Конфигурация ПЛИС, на которой организованны описанные функции, представлена на рисунке 4.5.
С выхода ШИМ формирователя сигнал разделяется на парафазный ШИМ сигнал, который через усилитель поступает на драйвер мостового преобразователя. Драйвер мостового преобразователя представляет собой четыре мостовые схемы на комплементарных полевых транзисторах, в плечи которых включены первичные обмотки понижающих развязывающих трансформаторов, причем к затвору каждого силового транзистора подключен отдельный драйвер и развязывающий трансформатор.
Важной частью БПОН является повышающий трансформатор. Он должен гарантированно выдерживать напряжение 30 КВ, и иметь в своем составе балластный дроссель, что позволит преобразователю работать в режиме короткого замыкания. Конструкция трансформатора представлена на рисунке 4.6.
Управление, индикация, стабилизация, пользовательский интерфейс и связь с системой управления ускорителем реализованы в блоке управления, расположенным удаленно от силовой части БПОН и самого рельсотрона, что позволяет повысить помехозащищенность устройства. Основой блока управления так же является микросхема ПЛИС (CPLD ALTERA). Блок управления работает следующим образом. Оператор с помощью клавиатуры включает режим работы со стабилизацией и устанавливает необходимое напряжение, которое отображается на дисплее. Установленному напряжению ставится в соответствии двоичный код, который сравнивается в блоке стабилизатора со значением напряжения, полученным по цепочки обратной связи. Обратная связь образована последовательным включением нескольких блоков: преобразователя тока в напряжение, преобразователем напряжения в частоту, оптической линии связи и измерителем частоты.
Так же в этой цепи присутствует блок детектора ошибки, который не вносит изменений в частотный сигнал обратной связи, и производит только контроль входного сигнала. Он позволяет детектировать наличие сигнала о перегрузке, или иных ошибках в силовом блоке, а так же определить повреждение линии связи, в этих случае он блокирует работу цифрового синтезатора частоты. После сравнения в блоке стабилизатора он по запрограммированному алгоритму начинает изменять код на выходе, который напрямую поступает в синтезатор частоты.
Скорость стабилизации выходного параметра является динамической, и зависит от величины расхождения между опорным сигналом и сигналом обратной связи. Через блок внешнего интерфейса цифровой стабилизатор связан с системой управления ускорителем. А при достижении заданной оператором величины, он подает сигнал в главный автомат системы управления о том, что накопитель заряжен и можно переходить к следующему этапу эксперимента. На рисунке 4.7 представлена конфигурация верхнего уровня ПЛИС блока управления БПОН.
Блок управления кроме режима работы со стабилизацией имеет еще несколько режимов: ручное управление выходным напряжением и внешняя модуляция. Кроме того в блок встроена система диагностики, позволяющая подключать частотомер к основным узлам схемы и выводить результаты на дисплей. На рисунке 4.8 представлена основная плата электроники блока управления блока питания основного накопителя.