Малогабаритный вибуховий генератор НВЧ імпульсів для метеорологічного застосування

Малогабаритный вибуховий генератор НВЧ імпульсів для метеорологічного применения Прищепенко Г. Б., Третьяков Д.В.

Высокогорный геофізичний институт Введение.

В статті розглядаються вибухові генератори, змінюють механічну енергію ударної хвилі, що розпросторюється у робочому тілі, в електромагнітну енергію. Основним елементом таких генераторів є робоче тіло, виконане з ферромагнитного або з сегнетоэлектрического матеріалу. Ударне хвиля у робочому тілі формується спеціальним зарядом вибухової речовини. Достоїнствами аналізованих пристроїв є компактність і повна автономність від зовнішніх джерел енергії. У залежність від співвідношення конструктивних параметрів, генерируемая при спрацьовуванні электромагнитная енергія то, можливо використана для харчування інших споживачів, або випроменена в навколишнє простір на досить широкому діапазоні радіохвиль. Компактні й прості, ці устрою можна використовувати у різноманітних галузях, зокрема, для активного на атмосферні процессы.

Физические поцессы, які відбуваються при функціонуванні генератора.

Общим результатом руху ударної хвилі по робочому тілу є зміна залишкової поляризації сегнетоэлектрического матеріалу робочого тіла чи залишкової намагниченности ферромагнитного робочого тіла. У цьому спостерігається суттєва відмінність у роботі генераторів залежно від напрямку руху ударної хвилі щодо вектора залишкової поляризації чи залишкової намагниченности у робочому тілі. Відрізняються моделі, описують випадки руху фронту ударної хвилі у напрямах коллинеарном (аксіальний нагружение) і перпендикулярному (радіальне нагружение) напрямку залишкової поляризації чи намагниченности робочого тіла. У реальної конструкції вибухового генератора напрями руху фронту ударної хвилі і залишкової поляризації чи намагниченности можуть становити кути не кратні 90¦. Однак у гнітючому більшості реальних випадків раціональні параметри генератора може бути обрані з урахуванням одній з двох вищезгаданих моделей. Особливого значення напрям фронту ударної хвилі має у разі сегнетоэлектрического робочого тіла, позаяк у цьому випадку воно позначається як на процесах деполяризации, а й у процесах розвитку електричного пробою у робочому теле.

Предполагается, що ударна хвиля має можливість досить велику інтенсивність і домінуючими процесами при конверсії механічної енергії ударної хвилі в електромагнітну енергію є відповідно процеси переходу ферромагнитного стану в парамагнитное і сегнетоэлектрического в параэлектрическое.

Конструкция ферромагнитного робочого тіла є соленоид з серцевинами зі ферромагнитного материала.

Ферромагнитное робоче тіло на принципової електричної схемою генератора то, можливо представлено як послідовно з'єднаних джерела напруги і індуктивності (рис. 1). Для оціночних розрахунків величина цієї індуктивності також може бути прийнята рівної її початковому значенням. Электродвижущая сила джерела напруги може бути знайдено з зависимости:

при (1).

и при или.

где — загальне кількість витків соленоида, — залишкова индуктивность ферромагнитного матеріалу робочого тіла, — швидкість ударної хвилі в ферромагнитном робочому тілі, а — площа поперечного перерізу робочого тіла. Прийнято, що довжина робочого тіла приблизно дорівнює довжині соленоида.

при (2).

при і .

где — площа контактних поверхонь сегнетоэлектрического робочого тіла, — кількість сегнетоэлектрических пластин у робочому тілі, — швидкість ударної хвилі в сегнетоэлектрическом робочому тілі, — стрибок поляризації на фронті ударної волны.

При відсутності значень стрибка поляризації на фронті ударної волны, швидкості руху фронту ударної хвилі вони наближено можуть бути на, відповідно, залишкову поляризацію і швидкість звуку у вихідному матеріалі робочого тела.

Расстояние представляє собою шлях ударної хвилі по сегнетоэлектрическому робочому тілу. Шлях ударної хвилі по пакету робочих тіл, у разі аксіального нагружения:, де — відстань між контактними поверхнями сегнетоэлектрических пластин. Що стосується подовжнього навантаження відстань одно довжині робочого тіла, у бік руху ударної волны.

Зависимость (2) можна застосовувати як у паралельного напрями поляризації щодо напрями руху фронту ударної хвилі, і у разі перпендикулярного направления.

Конструкция генератора.

Рассматриваемый генератор є цілком автономним пристроєм. На його спрацьовування досить було лише детонационного імпульсу.

Масса заряду вибухової речовини залежно від конструкції генератора коливається в межах від 3 до 25 грам. Генератор може монтуватися в циліндричний корпус, виконаний із радиопрозрачного матеріалу, наприклад, поліаміду. Зовнішній діаметр корпусу v 25−40 міліметрів. Маса укомплектованого генератора разом з корпусом становитиме від 80 до 200 грамм.

Для зниження габаритів та величезною масою генератора можна застосовувати конструкція, куди входять в себе одночасно робочі тіла двох типів, сегнетоэлектрическое і ферромагнитное. Крім своєю основною функції перетворення ці робочі тіла у процесі функціонування генератора виконують роль ємнісного і індуктивного елементів його коливального контуру. Така конструкція генератора дозволяє понад 30% скоротити його масу проти ферромагнитным чи пьезоэлектрическим генераторами за збереження величини випромінюваної в навколишнє простір енергії. Скорочення маси конструкції генератора є дуже актуальним багатьом областей його применения.

Одной з можливих областей застосування аналізованих генераторів є активне вплив на електричний потенціал атмосферних хмар. Для отримання більший ефект кілька сотень таких генераторів може бути змонтовані в спеціальному контейнері, який доставляється у хмару, наприклад, метеорологічної ракетою. Усередині хмари контейнер розпаковується і генератори рівномірно розкидаються за обсягом хмари, та був спрацьовують. Грозове облакосостоит з цих двох протилежно заряджених верств. Більшість електричних розрядів (блискавок) відбувається між тими верствами. Тільки 10% розрядів викликають земну поверхню. Вплив на хмару НВЧ випромінювання провокує розряди всередині хмари й вирівнює його електричний потенциал.

Радиочастотное електромагнітне излучение.

Спектральная щільність електромагнітної енергії, випромінюваної в навколишнє простір, може бути оцінена по процитованими нижче емпіричним залежностям. Вводимо позначення величин залежать від цілочислових індексів и:

.

и.

,.

где і — стала Планка і кількість Авогадро;.

и, і — відповідно, щільність і безліч моля речовини сегнетоэлектрического і ферромагнитного робочого тела.

— найбільше значення струму в електричної ланцюга генератора під час времени;

— найбільше значення напруги на сегнетоэлектрическом робочому тілі під час времени;

і — безрозмірні емпіричні коэффициенты.

Величины і може бути знайдено експериментально чи розраховані по залежності (3). Коефіцієнти і для аналізованого типу генераторів перебувають у діапазоні 0,03 v 0,09. Тоді спектральна щільність електромагнітної енергії, излученной в навколишнє простір, залежно від частоти перебувають розслідування щодо емпіричним формулам:

Для генератора з ферромагнитным робочим телом.

(3).

Для генератора з сегнетоэлектрическим робочим тілом робочим телом.

(4).

Для генератора з цими двома робітниками тілами — сегнетоэлектрическим і ферромагнитным.

.

, (5).

— одинична функція, и.

-безрозмірний коефіцієнт, враховує ставлення довжини соленоида для її діаметру і прагне до одиниці за досить довгих соленоидах.

— найбільше ціла кількість меньшее.

— найбільше ціла кількість меньшее.

- — безрозмірні емпіричні коефіцієнти. Для попередньої оцінки величини диссипируемой енергії коэффициенты, , , може бути прийнято рівними одиниці. Коэффициенты,можна цьому випадку прийнято рівними нулю. Потім можуть уточнюватися у процесі експериментальної відпрацювання изделия.

Типичная залежність приведено на рис. 3 порівняно зі значеннями спектральною щільності, замеренными експериментально.

.

Рис. 3.

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.

Прищепенко Г. Б., Третьяков Д. В., Щелкачев М. В. Баланс енергії вибухового п'єзоелектричного генератора частоти. v Мегагауссная і мегаамперная технологія й застосування / Праці конференції v Саров, ВНИИЭФ, 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.

Новицкий, В. Д. Садунов Енергетичні характеристики сегнетоэлектрика як робочого тіла перетворювача енергії УВ. Фізика горіння й Великого вибуху. 1985, ¦5, з. 104 — 107.

Е.Ройс Властивості магнітних матеріалів при ударному стисканні. / У вашій книзі: Фізика високих плотностей енергії. / Під ред. П. Кальдиролы і Р. Кнопфеля / Пер. з анг. — М.; Світ, 1974. — с.143−158.

В.В.Новиков, В. Н. Минеев Магнітні ефекти при ударному нагружении намагниченных фероі ферримагнетиков./ Фізика горіння й Великого вибуху, 1983, ¦3, с. 97 -104.