CC BY
27
УДК 536.46+537.528
РАЗРАБОТКА ИМПУЛЬСНЫХ ПЛАЗМОТРОНОВ И ОПЫТ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ НАСЫПНЫХ ЗАРЯДОВ В БАЛЛИСТИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ
БАРЫШЕВ М.С., БУРАКОВ В.А., БУРКИН ВВ., ИЩЕНКО АН., КАСИМОВ В.З., САМОРОКОВА Н.М.,| ХОМЕНКО Ю.П.1 ШИРОКОВ В.М.
НИИ прикладной математики и механики Томского госуниверситета, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 36
АННОТАЦИЯ. Рассмотрены два варианта импульсных плазмотронов, разработанных для инициирования насыпных зарядов баллистических установок. Приведены характерные зависимости электрофизических и баллистических параметров, полученных с использованием плазмотронов. Показано, что варьирование энергией инициирующего импульса и его мощностью позволяет управлять баллистическими параметрами выстрела.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: плазмотрон, сила тока, напряжение, энергия разряда, максимальное давление, скорость метаемого тела.
Использование электроразрядной плазмы для интенсификации зажигания и горения зарядов в метательных установках предъявляет ряд специфических требований к устройствам, обеспечивающим ввод плазмы в заряд. Устройство должно стабильно функционировать при артиллерийских давлениях (< 500 МПа) и относительно высоком
уровне электрических напряжений (<6 кВ). Основным термо-электро-механически
напряженным узлом электроплазменного устройства (ЭПУ) является плазмообразующий элемент. В нем применяются материалы, обладающие существенно разнородными характеристиками: проводники (металлы) и диэлектрики (пластмассы). Решение задачи согласованного функционирования различных элементов заставляет использовать в конструкции ЭПУ минимально необходимое количество пластмассовых деталей. Одним из возможных технических решений этой задачи является разработка импульсного плазмотрона и его модификаций [1-2].
В данной работе показан внешний вид двух вариантов плазмотронов и приведены некоторые результаты их применения в баллистических установках.
Внешний вид плазмотрона типа «Флейта» для установки калибром 34 мм показан на рис. 1. Конструкция этого плазмотрона позволяет управлять основными показателями баллистического процесса в широком диапазоне изменения определяющих параметров. В частности, изменение длины плазмотрона и места расположения боковых отверстий
Рис. 1. Общий вид плазмотрона «Флейта»
Рис. 2. Общий вид плазмотрона типа ГУВ-7
САМОРОКОВА Н.М., ХОМЕНКО Ю.П., ШИРОКОВ В.М.
позволяет вводить горячую плазму в различные сечения заряда. Согласованное варьирование параметров проводника инициирующего разряд и запасаемой энергии в разрядном контуре позволяет управлять режимом ввода энергии в пороховой заряд и минимизировать силовое воздействие электровзрыва проволочки на вещество заряда.
Общий вид варианта плазмотрона, максимально приближенного по габаритам к гальваноударной трубке ГУВ-7, приведен на рис. 2. Этот плазмотрон может ввинчиваться в торец гильзы штатного выстрела и при этом обеспечивать существенно более мощное тепловое воздействие на заряд по сравнению со штатными воспламенительными средствами. Экспериментальная отработка конструкции этого варианта плазмотрона проводилась на установке калибром 23 мм.
К основным преимуществам рассматриваемых устройств инициирования по сравнению с устройством, которое позволяет формировать плазменный очаг непосредственно в заряде с помощью электровзрыва проволочки или системы проволочек, относятся минимизация силового воздействия на заряд и возможность конструктивного исполнения в виде, аналогичном капсюлю или воспламенительной трубке. Ключевым звеном плазмотрона является взрывающаяся проволочка при подаче на нее токового импульса с последующим вводом энергии источника в образующийся разрядный канал (дугу). Специфика рассматриваемого случая обусловлена относительно низким уровнем рабочих напряжений в контуре (от 2 кВ до 3 кВ) и достаточно протяженным (от 2 см до 3 см) разрядным промежутком. Эти условия диктуют применение относительно толстых (от 1 мм до 2 мм) инициирующих проводников, позволяющих стабильно реализовывать разряд при минимальной продолжительности паузы тока.
Протекающие переходные процессы в разрядном контуре исследовались на
К г Ь
С
и
/
манометрическом стенде и баллистических Я установках с привлечением математической
Рис. 3. Электрическая схема разрядного контура
модели контура. В основу анализа положена электрическая схема, показанная на рис. 3.
Разрядный контур включал емкостный накопитель энергии, коммутационный узел,
(обозначения общепринятые) соединительные провода ф°рмирующую
катушку индуктивности и нагрузку с переменным сопротивлением в виде плазменного промежутка. При коммутации цепи контура происходит разряд емкостного источника энергии на инициирующую проволочку, расположенную вдоль оси плазмотрона, которая в результате ее электровзрыва формирует плазменный канал. Образующиеся высокотемпературные продукты разряда (плазма) истекают из торцевого и боковых отверстий корпуса плазмотрона, взаимодействуют с веществом заряда и осуществляют его зажигание. Для зарядов использовался одноканальный порох, плотность заряжания которого составляла 0,6 г/см3.
При отработке плазмотрона основное внимание уделялось электрофизическим характеристикам, позволяющим оценить энергетические затраты при разряде, определению времени зажигания зарядов, уровню максимального давления в камере заряжания, скорости метаемых тел, стабильности работы плазмотрона.
Сила тока I в цепи измерялась поясом Роговского, падение напряжения на разрядном промежутке - омическим делителем напряжения. Расчет параметров контура проводился по соотношениям Кирхгофа:
ТШ . п . т тт dU I
Ь— + (гг + Як ) • I = и, -=--
dt dt С
с начальными условиями 1(0) = 0, и(0) = и0, где и, и0 - текущее и зарядное напряжения на
емкостном источнике энергии. Нелинейный элемент цепи, моделирующий активное
сопротивление разрядного промежутка Як^), описывался с использованием полученных
2
экспериментальных данных, а также с привлечением экспериментальных зависимостей по взрыву алюминиевых фольг [3] и медных проволочек [4]. Это позволило с отклонением от эксперимента < 10 % рассчитывать временной интервал переходного процесса до образования плазменного канала и таким образом учитывать вклад параметров инициирующего проводника в задержку времени зажигания, а также с отклонением < 15 % рассчитывать токовые диаграммы [1]. Отметим, что расчетные значения энергий, затрачиваемых непосредственно на электровзрыв проволочки (до момента образования плазменного канала), составляют менее 1 % от энергии, запасаемой в источнике (от 1,5 кДж до 25 кДж).
Типичные измеряемые временные зависимости производной тока dl/dt и падения напряжения на разрядном промежутке Uk для рассматриваемого разрядного контура при трех значениях формирующей индуктивности L приведены на рис. 4 а, в.
На рис. 4 б, г приведены соответствующие зависимости изменения силы тока (полученные интегрированием производной тока) и активного сопротивления разрядного промежутка Rk для трех значений индуктивности контура. Анализ полученных зависимостей показал, что включение в цепь контура формирующих катушек индуктивности позволяет существенно увеличить время горения разряда (дуги) до ~ 2 мс. При этом значительно снижаются амплитуда токового импульса Im (см. рис. 5), мощность разряда и, следовательно, силовое воздействие на заряд.
1500 -Щооо
кА/м
500 0
L =2 5 мк Гн
\ ,
Vy
I, кА
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 ü,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
t, мс t, мс
12 г I, кА9
Uk кВ
1,00 0,75 0,50 0,25 0
Ом
0,20 0,15
0,10 0,05 0
Е*
dI/dt кА/м20
а) 0
-20
L=50 1кГн
J---
20
dI/dt кА/м10
а) 0
-10
1 .=100 f 1кГн
\i
inj.
б) 6 3
I, кА
б) 4
2
Uk, кВ
0,75 0,50
N
v
\__
Uk, кВ
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 - -0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 t, мс 0,25 t, мс
0,75 0,50 0 0
-0,250,
Ом
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 t, мс
Д—
zt
Ом0
а)
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0г 2,5 t, мс
',0 0,5 1,0 1,5 2,0 t м(2,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 , м(2,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0г м(2;
\
) 0 ,5 1 ,0 1 ,5 2 ,0 2
4-
Ч- /—
Рис. 4. Электрические характеристики разряда
R
R
R
0
0
Также отметим, что со снижением амплитуды тока растет интервал времени до взрыва проволочки и образования плазменного канала рис. 4 в, г.
Изменение энергетических параметров разряда иллюстрирует рис. 6. Включение катушек индуктивности в цепь контура приводит к снижению количества энергии 2, выделенной в разрядном промежутке. Это в основном связано с ростом омических потерь на активном сопротивлении катушек.
Приведенные результаты получены для относительно небольших значений зарядных напряжений в контуре (до 2,5 кВ) и соответствующих токов (до 45 кА). В этих диапазонах изменения величин разработанная конструкция плазмотрона функционировала стабильно без перекрытия разрядного промежутка по стенкам катода.
т 5 0
кА
40
30 20 10
0
■
•\с= 3840 мкФ
>0 мкФ
1
J i- C 192(i м [кФ
8
Q, кДж 6
25
50
75 100
L, мкГн
Рис. 5. Амплитуды разрядных токов при U0=2,5 кВ
■---
•.............. ■ 40 мкФ .......................1
▲............... 1 --А >—---- C=2880 м к- гкФ К
C=1920 мкФ
25
50
75 100
L, мкГн
Рис. 6. Энергетические параметры разряда U0=2,5 кВ
4
2
0
Анализ воспламенительного периода при использовании плазмотронов показывает (рис. 7), что время зажигания зависит от энергии накопителя достаточно сильно в диапазоне до (3-5) кДж. Дальнейшее увеличение энергии не оказывает существенного влияния на время зажигания. Отметим, что в качестве значения времени зажигания выбиралось время ¿100 - достижения в камере заряжания характерного для артиллерийского выстрела давления 100 МПа.
Зависимость изменения максимального давления в камере от энергии, запасенной в источнике, приведена на рис. 8.
4000 '100,
А
А А А А
5
10
15
20 25
E, кДж
Рис. 7. Зависимость времени t100 от запасенной в источнике энергии
500
P
L max?
МПа
450
400
350
300
0 5 10 15 20 25
Е, кДж
Рис. 8. Зависимость максимального давления выстрела от запасенной в источнике энергии
0
0
Видно, что увеличение энергии источника (и соответственно увеличение введенной в заряд энергии) в исследованном диапазоне приводит к росту Ртах. Коэффициент преобразования энергии источника в энергию разряда в контуре составлял (50 - 60) %.
Влияние энергозапаса источника на скорость метаемого тела V показано на рис. 9.
Видно, что в диапазоне изменения энергии источника до ~ 15 кДж в используемой баллистической установке скорость метаемого тела можно корректировать, варьируя количество вводимой энергии в заряд. При значительном увеличении энергии, запасаемой в источнике, и, тем самым, энергии инициирующего импульса, величина скорости метаемого тела стабилизируется и даже снижается.
2100 V, м/с
2050 2000 1950
19000 5 10 15 20 25
E, кДж
Рис. 9. Зависимость скорости метаемого тела от запасенной в источнике энергии
Одной из возможных причин отмеченного эффекта является преждевременное форсирование метаемого тела, вызванное силовым воздействием инициирующего импульса.
Отметим, что исследованные плазмотроны надежно функционировали при давлениях до 500 МПа.
Приведенные результаты показывают, что разработанные плазмотроны могут служить не только эффективным средством инициирования зарядов баллистических установок, но и использоваться для управления основными характеристиками выстрела.
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 06-08-00437).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барышев М.С., Бураков В.А., Буркин В.В., Ищенко А.Н., Касимов В.З., Саморокова Н.М., Хоменко Ю.П., Широков В.М. Применение плазмотрона для инициирования зарядов баллистических установок // Химическая физика и мезоскопия. 2006. Т. 8, № 1. С. 46-52.
2. Barychev M.S., Burakov V.A., Burkin V.V., Ischenko A.N., Kasimov V.Z., Samorokova N.M., Khomenko Yu.P., Shirokov V.M. USING PLASMA TO INTENSIFY THE IGNITION AND COMBUSTION OF HIGH-ENERGY MATERIALS // 2nd Int. Cong. on Radiation Physics and Inorganic Materials, High Current Electronics, and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows Tomsk, Russia, 2006. Приложение к журналу «Известия вузов. Физика». 2006. № 11. С. 487-490.
3. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М. : Энергоатомиздат, 1990. 289 с.
4. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. Киев : Наукова думка, 1986. 208 с.
DEVELOPMENT OF THE PULSE PLASMA INJECTOR AND EXPERIENCE OF THEIR APPLICATION FOR INITIATION OF BULK CHARGES IN BALLISTIC EXPERIMENTS
Baryshev M.S., Burakov V.A., Burkin V.V., Ischenko A.N., Kasimov V.Z., Samorokova N.M., Khomenko Yu.P., Shirokov V.M.
Research Institute of Applied Mathematics and Mechanics Tomsk State University, Russia
SUMMARY. Two alternatives pulsing plasma injectors, developed for initiation of the bulk charges of ballistic installations are resulted. Characteristic dependences of the electrophysical and ballistic parameters gained with the plasma injectors use are resulted. It is shown, that the variation energy of an initiating pulse and its power allows to operate ballistic parameters of a shot.
KEYWORDS: plasma injector, force of a current, a voltage, energy of the category, the maximal pressure, speed of a throwing body.
о о
О
Барышев Михаил Семенович, старший научный сотрудник НИИ ПММ ТГУ, отдел 70, тел. (3822) 529729
Бураков Валерий Арсентьевич, научный сотрудник НИИ ПММ ТГУ, отдел 70, тел. (3822) 529722
Буркин Виктор Владимирович, кандидат физико-математических наук, зав. сектором НИИ ПММ ТГУ, отдел 70, тел. (3822) 529674, e-mail: [email protected]
Ищенко Александр Николаевич, доктор физико-математических наук, заместитель директора НИИ ПММ ТГУ, отдел 70, тел. (3822) 529559
Касимов Владимир Зинатович, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией НИИ ПММ ТГУ, отдел 70, тел. (3822) 529722
Саморокова Нина Михайловна, научный сотрудник НИИ ПММ ТГУ, отдел 70, тел. (3822) 529722 Хоменко Юрий Петрович
Широков Владимир Михайлович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИИ ПММ ТГУ, отдел 70, тел. (3822) 529722
