CC BY
79
УДК519.95
ВЫБОР ПРОЕКТНЫХ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ УСКОРИТЕЛЕЙ С ПЛАЗМЕННЫМ
ПОРШНЕМ
А.В. Бездомников, Ю.И. Беляков, А.И. Ивашов
Отражены результаты теоретических исследований комбинированного электродинамического ускорителя с плазменным поршнем. Показано, что для эффективной работы ускорителя необходимо согласовывать параметры ступени предраз-гона и ступени электродинамического ускорителя с характеристиками источника электрической энергии.
Ключевые слова: электродинамический ускоритель, газодинамический пред-разгон, плазменный поршень.
В настоящее время для исследования и проектирования аэрокосмической техники требуются экспериментальные установки, позволяющие проводить исследования высокоскоростного взаимодействия различных тел и сред. Применявшиеся ранее газодинамические метательные установки практически исчерпали свои возможности. Это обусловлено фундаментальными ограничениями - скорость метания в них ограничена величиной [1]
V = (1,8 - 2,5)а, (1)
где а - скорость звука в газе,
*
а = 4кЯТ , Я = —, (2)
т
*
где к - показатель адиабаты; Т - температура; Я - универсальная газовая постоянная, т. е. предел скорости газодинамического метания определяется скоростью звука, а она, в свою очередь, - температурой рабочего тела. Интенсивный подогрев газа за счет горения какого-либо топлива или за счет электрического разряда обостряет проблему живучести ствола и не избавляет от ограничений, присущих газодинамическому метанию. Отсюда можно сделать вывод, что в целом возможности традиционной газовой динамики исчерпаны и необходим поиск принципиально новых радикальных решений. Одним из перспективных направлений высокоскоростного метания является применение электромагнитных баллистических установок, таких принципиальных ограничений не имеющих.
Из существующих баллистических установок наибольшие скорости метания достигнуты на электродинамических ускорителях массы (ЭДУМ) рельсового типа (РТ) с так называемым плазменным поршнем, в которых плазменно-дуговой разряд скользит по направляющим рельсам и
31
толкает снаряд перед собой. Так, метаемые тела массой порядка 1 г были разогнаны до скоростей 6...7 км/с в воспроизводимых экспериментах. Однако несмотря на очевидные успехи в использовании ЭДУМ, достижение больших скоростей по-прежнему остается проблематичным. Основными факторами, ограничивающими скорость метания, являются эрозия стенок канала ЭДУМ в результате воздействия на него мощного теплового потока из плазменного поршня, вторичные пробои в рабочей среде за метаемым телом, турбулентное трение плазменного поршня о стенки канала ЭДУМ, а также тепловые потери, обусловленные омическим нагревом рельсов.
Одним из способов решения этих проблем является применение ступеней предварительного газодинамического разгона метаемого тела с целью снижения времени электродинамического разгона и соответственно времени воздействия высокотемпературной плазмы на стенки канала электродинамического ускорителя.
Теоретические исследования проводились с помощью математической модели ЭДУМ РТ с плазменным поршнем в квазилагранжевых массовых координатах [2].
Ионизация плазмы рассчитывалась по системе уравнений Саха [3], проводимость плазмы - по формуле Спитцера [ 4 ].
Теоретические исследования влияния газодинамического предраз-гона на динамику плазменного поршня и эффективность электродинамического разгона проводилось для системы с квадратным каналом 12х12 мм со следующими характеристиками:
- длина рельсов 2 м;
- масса метаемого тела 1 г;
- градиент индуктивности рельсов) 0,39 мкГн\м;
- начальная масса плазмы 0,02 г;
- начальная длина плазменного поршня 5 мм;
- начальное давление в плазме 200 МПа.
Ступень предразгона обеспечивала начальную скорость 960 м/с. В качестве источника энергии принимался емкостной накопитель со следующими параметрами: емкость 0,037 Ф; начальное напряжение 3100 В; сопротивление подводящей цепи 1 мОм; индуктивность подводящей цепи 1 мкГн. На рис. 1 представлены результаты расчета (здесьр - давление на метаемое тело ,МПа; I - сила тока в рельсах, кА; V - скорость движения метаемого тела м/с, в зависимости от перемещения метаемого тела х). Скорость метаемого тела составила 4150 м/с, а амплитуда разрядного тока -360 кА, что соответствует максимально допустимой линейной плотности 300 кА/см для медных рельсов. При превышении этой величины происходит оплавление рельсов вследствие их джоулева нагрева [5].
Рис. 1. Результаты расчета комбинированного ЭДУМ
На рис. 2 - 6 представлено распределение температуры (кК), прово-
2 —1 2 димости (10 х (Ом х м) )) и плотности тока (МА/м в плазме по длине
плазменного поршня в различные моменты времени, которым соответствуют различные силы тока.
Рис. 2. Распределение параметров по длине плазменного поршня для момента времени 1=0,04 мс, 1=109 кА
Рис. 3. Распределение параметров по длине плазменного поршня для момента времени 1=0,86 мс, 1=180 кА
Рис. 4. Распределение параметров по длине плазменного поршня для момента времени 1=0,328 мс, 1=360 кА
Рис. 5. Распределение параметров по длине плазменного поршня для момента времени 1=0,615 мс, 1=180 кА
Рис. 6. Распределение параметров по длине плазменного поршня для момента времени 1=0,67мс, 1=99 кА
Рис. 7. Распределение параметров по длине плазменного поршня для момента времени 1=0,75 мс, 1=99 кА
Из графиков следует, что при спаде силы тока давление магнитного поля, создаваемое током в рельсах, становится меньше газодинамического давления в плазме и начинается интенсивный разлет плазменного поршня. При этом проводимость плазмы падает примерно в 4 - 5 раз, температура -в 2 раза, а плотность тока в плазменном поршне - в 20 - 30 раз, т.е. происходят «высвечивание» плазменного поршня и фактически отрыв его от метаемого тела. Между плазменным поршнем и метаемым телом образуется «буфер» из горячего газа, состоящего из продуктов эрозии стенок канала установки. Таким образом, происходит переход разряда из режима плазменного поршня (т. н. магнитоприжатый разряд), который является оптимальным с точки зрения эффективности ускорения, в режим с квазистационарным плазменным потоком. В дальнейшем в плазменной области развивается значительный колебательный процесс, который может привести к раннему вторичному пробою в газовой области, перехвату разрядного тока и резкому падению ускоряющей силы [6].
Ускоритель переходит из режима электродинамического ускорения в электротермический режим со всеми присущими этому способу ускорения недостатками.
Отсюда можно сделать вывод, что при проектировании комбинированных электродинамических ускорителей необходимо согласовывать параметры ступени газодинамического предразгона (начальную скорость) с параметрами источника энергии таким образом, чтобы вылет метаемого тела происходил в момент максимума тока, поскольку, когда ток в рельсах падает до величины / ~(0.08-0.75)/тах, происходит срыв режима электродинамического ускорения.
Работа поддержана грантом РФФИ №14-08-01066.
Список литературы
1. Баллистические установки и их применение в экспериментальных исследованиях//под ред. Н.А. Златина, Г.И. Мишина. М.: Наука, 1974, 344 с.
2. Бездомников А.В., Беляков Ю.И. Магнитогазодинамическая модель электродинамического ускорителя масс // Вестник Международной академии системных исследований. Информатика, Экология, Экономика. Т. 12. Ч. II / Международная академия системных исследований. М., 2010. С. 89-91.
3. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 543 с.
4. Спитцер Л. Физика полностью ионизированного газа. М.: Мир, 1965. 210 с.
5. Кнопфель Г. Сверсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972. 392 с.
6. Лебедев А.Д., Урюков Б.А., Энгельшт В.С. Сильноточный дуговой разряд в магнитном поле. Новосибирск: Наука, 1992. 267 с.
Бездомников Антон Викторович, канд. техн. наук, доц., antonvb65@,mail.ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский филиал РХТУ им. Д.И. Менделеева,
Беляков Юрий Иванович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Ивашов Александр Иванович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
CHOICE OF DESIGN PARAMETERS OF THE COMBINED ELECTRODYNAMIC ACCELERATORS WITH THE PLASMA PISTON
A. V. Bezdomnikov, Yu.I. Belyakov, A.I. Ivashov
The article presents the results of theoretical studies combined electrodynamic plasma accelerator piston. It is shown that the effective operation of the accelerator parameters necessary to coordinate and stage preaccelerator stage electrodynamic accelerator characteristics of the source of electrical energy.
Key words: electrodynamic accelerator, gasdynamic predrazgon, plasma piston.
Bezdomnikov Anton Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, an-tonvb65@,mail. ru, Russia, Novomoskovsk branch of D.I. Mendeleyev University of Chemical Techology of Russia,
Belyakov Yuri Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, belpmm @,mail. ru, Moscow, Russia, Moscow State Technical University,
Ivashov Alexander Ivanovich, doctor of technical scienses, senior fellow, ivashovai@mail. ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University
