Малогабаритний вибуховою генератор НВЧ імпульсів для метеорологічного застосування

Пріщепенко А.Б., Третьяков Д.В.

Високогірний геофізичний інститут

Введення.

У статті розглядаються вибухові генератори, що перетворять механічну енергію ударної хвилі, що розповсюджується в робочому тілі, в електромагнітну енергію. Основним елементом таких генераторів є робоче тіло, виконане з феромагнітного або з сегнетоелектричних матеріалу. Ударна хвиля в робочому тілі формується спеціальним зарядом вибухової речовини. Перевагами розглянутих пристроїв є компактність і повна автономність від зовнішніх джерел енергії. У залежність від співвідношення конструктивних параметрів, що генерується при спрацьовуванні електромагнітна енергія може бути використана для живлення інших споживачів або випромінюючи в навколишній простір в досить широкому діапазоні радіохвиль. Компактні і прості, ці пристрої можуть бути використані в різних областях, в тому числі, для активного впливу на атмосферні процеси.

Фізичні поцесси, що протікають при функціонуванні генератора.

Загальним результатом руху ударної хвилі по робочому тілу є зміна залишкової поляризації сегнетоелектричних матеріалу робочого тіла або залишкової намагніченості феромагнітного робочого тіла. При цьому спостерігається істотна відмінність у роботі генераторів в залежності від напрямку руху ударної хвилі щодо вектора залишкової поляризації або залишкової намагніченості в робочому тілі. Розрізняються моделі, що описують випадки руху фронту ударної хвилі в напрямках коллінеарність (аксиально навантаження) і перпендикулярному (радіальне навантаження) напрямку залишкової поляризації або намагніченості робочого тіла. У реальному конструкції вибухового генератора напрямку руху фронту ударної хвилі і залишкової поляризації або намагніченості можуть становити кути не кратні 90 |. Проте в переважній більшості реальних випадків раціональні параметри генератора можуть бути обрані на основі однієї з двох вищеназваних моделей. Особливе значення напрямок фронту ударної хвилі має у разі сегнетоелектричних робочого тіла, тому що в цьому випадку воно позначається не тільки на процесах деполяризації, а й на процесах розвитку електричного пробою в робочому тілі.

Передбачається, що ударна хвиля має досить велику інтенсивність і домінуючими процесами при конверсії механічної енергії ударної хвилі в електромагнітну енергію є відповідно процеси переходу феромагнітного стану в парамагнітне і сегнетоелектричних в параелектріческое.

Конструкція феромагнітного робочого тіла являє собою соленоїд з серцевиною з феромагнітного матеріалу.

Феромагнітні робоче тіло на принциповій електричній схемі генератора може бути представлено у вигляді послідовно з'єднаних джерела напруги і індуктивності (рис. 1). Для оціночних розрахунків величина цієї індуктивності також може бути прийнята рівною її початкового значення. Електрорушійна сила джерела напруги може бути знайдена із залежності:

при (1)

і при або.

де - загальне кількість витків соленоїда, - залишкова індуктивність феромагнітного матеріалу робочого тіла, - швидкість ударної хвилі в феромагнітному робочому тілі, а - площа поперечного перерізу робочого тіла. Прийнято, що довжина робочого тіла приблизно дорівнює довжині соленоїда.

при (2)

при і

де - площа контактних поверхонь сегнетоелектричних робочого тіла, - кількість сегнетоелектричних пластин в робочому тілі, - швидкість ударної хвилі в сегнетоелектричних робочому тілі, - стрибок поляризації на фронті ударної хвилі.

За відсутності значень стрибка поляризації на фронті ударної хвилі, швидкості руху фронту ударної хвилі вони наближено можуть бути замінені на, відповідно, залишкову поляризацію й швидкість звуку в матеріалі робочого тіла.

Відстань представляє собою шлях ударної хвилі по сегнетоелектричних робочому тілу. Шлях ударної хвилі по пакету робочих тіл, у разі аксіального вантаження:, де - відстань між контактними поверхнями сегнетоелектричних пластин. У разі поздовжнього навантаження відстань дорівнює довжині робочого тіла, в напрямку руху ударної хвилі.

Залежність (2) може бути застосована як у випадку паралельного напрямку поляризації щодо напрямку руху фронту ударної хвилі, так і у випадку перпендикулярного напрямку.

Конструкція генератора.

Розглянутий генератор є повністю автономним пристроєм. Для його спрацювання досить тільки детонаційного імпульсу.

Маса заряду вибухової речовини в залежності від конструкції генератора коливається в межах від 3 до 25 грам. Генератор може монтуватися в циліндричний корпус, виконаний з радіопрозорі матеріалу, наприклад, поліаміду. Зовнішній діаметр корпусу v 25-40 міліметрів. Маса укомплектованого генератора разом з корпусом складе від 80 до 200 грам.

Для зниження габаритів і маси генератора може бути застосована конструкція, що включає в себе водночас робочі тіла двох типів, сегнетоелектричних і феромагнітна. Крім своєї основної функції перетворення енергії ці робочі тіла в процесі функціонування генератора виступають в ролі ємнісного та індуктивного елементів його коливального контуру. Така конструкція генератора дозволяє більш ніж на 30% скоротити його масу в порівнянні з феромагнітною або п'єзоелектричним генераторами при збереженні величини випромінюється в навколишній простір енергії. Скорочення маси конструкції генератора є досить актуальним для багатьох областей його застосування.

Однією з можливих областей застосування розглянутих генераторів є активне вплив на електричний потенціал атмосферних хмар. Для отримання більшого ефекту кілька сотень таких генераторів можуть бути змонтовані в спеціальному контейнері, який доставляється в хмару, наприклад, метеорологічної ракетою. Усередині хмари контейнер розпаковується і генератори рівномірно розкидаються за обсягом хмари, а потім спрацьовують. Грозовий облакосостоіт з двох протилежно заряджених шарів. Основна частина електричних розрядів (блискавок) відбувається між цими шарами. Тільки 10% розрядів припадають на земну поверхню. Вплив на хмара НВЧ випромінювання провокує розряди всередині хмари і вирівнює його електричний потенціал.

Бездротовий електромагнітне випромінювання.

Спектральна щільність електромагнітної енергії, що випромінюється в навколишній простір, може бути оцінена по приводиться нижче емпіричним залежностей. Вводимо позначення величин залежать від цілочисельних індексів і:

де і - постійна Планка і число Авогадро;.

і, і -- відповідно, щільність і маса благаючи речовини сегнетоелектричних і феромагнітного робочого тіла.

- найбільше значення струму в електричному колі генератора в період часу;

- найбільше значення напруги на сегнетоелектричних робочому тілі у період часу;

і -- безрозмірні емпіричні коефіцієнти.

Величини і можуть бути знайдені експериментально або розраховані по залежності (3). Коефіцієнти і для розглянутого типу генераторів знаходяться в діапазоні 0,03 v 0,09. Тоді спектральна щільність електромагнітної енергії, випромінювань в навколишній простір, в залежності від частоти знаходиться за емпіричним формулами:

Для генератора з феромагнітною робочим тілом

(3)

Для генератора з сегнетоелектричних робочим тілом робочим тілом

(4)

Для генератора з двома робочими тілами - сегнетоелектричних і феромагнітною

, (5)

- одинична функція, і.

-безрозмірний коефіцієнт, що враховує відношення довжини соленоїда до його діаметру і прагне до одиниці при досить довгих соленоїда.

- найбільше ціле число менше.

- -- безрозмірні емпіричні коефіцієнти. Для попередньої оцінки величини діссіпіруемой енергії коефіцієнти,,, можуть бути прийняті рівними одиниці. Коефіцієнти, можуть бути в цьому випадку прийняті рівними нулю. Потім вони можуть уточнюватися в процесі експериментальної відпрацювання вироби.

Типова залежність наведена на рис. 3 в порівнянні зі значеннями спектральної щільності, заміряних експериментально.

Рис. 3

Список літератури

Adzhiev A.Kh. & Prishchepenko A.B. ? Developpement de methodes et le moyens pour controler la formation des nuages et des precipitations par la modification des parametres electriques du nuage |. Deuxieme Symposium International? Foudre Et Montagne |. 1 ... 5 Juin 1997 -- Chamonix Mont Blanc - France. B1.10, p. 33.

Пріщепенко А.Б., Третьяков Д.В., Щелкачев М.В. Баланс енергії вибухового п'єзоелектричного генератора частоти. v Мегагауссная і мегаамперная технологія і застосування/Праці конференції v Саров, ВНІІЕФ, 1997, с.954-958.

A. Prishchepenko, D. Tretyakov. Dissipative energy losses in ferromagnetic generator of frequency./Digest of tecchnical papers. 12th IEEE International Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999, p. 856 -862

Новицький, В.Д. Садунов Енергетичні характеристики сегнетоелектрик як робочого тіла перетворювача енергії УВ. Фізика горіння та вибуху. 1985, | 5, с. 104 - 107.

Е. Ройс Властивості магнітних матеріалів при ударному стисненні./У книзі: Фізика високих густин енергії./Под ред. П. Кальдіроли і Г. Кнопфеля/Пер. з англ. - М.; Світ, 1974. - С.143-158.

В. В. Новіков, В. Н. Мінєєв Магнітні ефекти при ударному навантаженні намагнічених феро-і феррімагнетіков./Фізика горіння та вибуху, 1983, | 3, с.97 -104.