Прищепенко А.Б.,Третьяков Д.В.
Высокогорный геофизический институт
Введение.
Встатье рассматриваются взрывные генераторы, преобразующие механическую энергиюударной волны, распространяющейся в рабочем теле, в электромагнитную энергию.Основным элементом таких генераторов является рабочее тело, выполненное изферромагнитного или из сегнетоэлектрического материала. Ударная волна в рабочемтеле формируется специальным зарядом взрывчатого вещества. Достоинствамирассматриваемых устройств являются компактность и полная автономность отвнешних источников энергии. В зависимость от соотношения конструктивныхпараметров, генерируемая при срабатывании электромагнитная энергия может бытьиспользована для питания других потребителей или излучена в окружающеепространство в весьма широком диапазоне радиоволн. Компактные и простые, этиустройства могут быть использованы в различных областях, в том числе, дляактивного воздействия на атмосферные процессы.
Физические поцессы, протекающие прифункционировании генератора.
Общимрезультатом движения ударной волны по рабочему телу является изменениеостаточной поляризации сегнетоэлектрического материала рабочего тела илиостаточной намагниченности ферромагнитного рабочего тела. При этом наблюдаетсясущественное отличие в работе генераторов в зависимости от направления движенияударной волны относительно вектора остаточной поляризации или остаточнойнамагниченности в рабочем теле. Различаются модели, описывающие случаи движенияфронта ударной волны в направлениях коллинеарном (аксиальное нагружение) иперпендикулярном (радиальное нагружение) направлению остаточной поляризации илинамагниченности рабочего тела. В реальной конструкции взрывного генераторанаправления движения фронта ударной волны и остаточной поляризации илинамагниченности могут составлять углы не кратные 90¦. Однако в подавляющембольшинстве реальных случаев рациональные параметры генератора могут бытьвыбраны на основе одной из двух вышеназванных моделей. Особое значениенаправление фронта ударной волны имеет в случае сегнетоэлектрического рабочеготела, так как в этом случае оно сказывается не только на процессахдеполяризации, но и на процессах развития электрического пробоя в рабочем теле.
Предполагается,что ударная волна имеет достаточно большую интенсивность и доминирующимипроцессами при конверсии механической энергии ударной волны в электромагнитнуюэнергию являются соответственно процессы перехода ферромагнитного состояния впарамагнитное и сегнетоэлектрического в параэлектрическое.
Конструкцияферромагнитного рабочего тела представляет собой соленоид с сердечником изферромагнитного материала.
Ферромагнитное рабочее тело напринципиальной электрической схеме генератора может быть представлено в видепоследовательно соединенных источника напряжения />и индуктивности />(рис. 1). Для оценочныхрасчетов величина этой индуктивности также может быть принята равной ееначальному значению. Электродвижущая сила источника напряжения может бытьнайдена из зависимости:
/>при />(1)
и/>при />или/>.
где/> — общееколичество витков соленоида, /> — остаточная индуктивностьферромагнитного материала рабочего тела, /> — скорость ударной волны вферромагнитном рабочем теле, а /> — площадь поперечного сечениярабочего тела. Принято, что длина рабочего тела />примерно равна длине соленоида.
/>при />(2)
/>при />и />
где/> — площадьконтактных поверхностей сегнетоэлектрического рабочего тела, /> — количествосегнетоэлектрических пластин в рабочем теле, /> — скорость ударной волны всегнетоэлектрическом рабочем теле, /> — скачок поляризации на фронтеударной волны.
Приотсутствии значений скачка поляризации на фронте ударной волны/>, скорости движения фронтаударной волны />ониприближенно могут быть заменены на, соответственно, остаточную поляризацию />и скорость звукав материале рабочего тела.
Расстояние/>представляетсобой путь ударной волны по сегнетоэлектрическому рабочему телу. Путь ударнойволны по пакету рабочих тел, в случае аксиального нагружения:/>, где /> — расстояние междуконтактными поверхностями сегнетоэлектрических пластин. В случае продольногонагружения расстояние />равно длине рабочего тела, внаправлении движения ударной волны.
Зависимость(2) может быть применена как в случае параллельного направления поляризации относительнонаправления движения фронта ударной волны, так и в случае перпендикулярногонаправления.
Конструкция генератора.
Рассматриваемыйгенератор является полностью автономным устройством. Для его срабатываниядостаточно только детонационного импульса.
Массазаряда взрывчатого вещества в зависимости от конструкции генератора колеблетсяв пределах от 3 до 25 грамм. Генератор может монтироваться в цилиндрическийкорпус, выполненный из радиопрозрачного материала, например, полиамида. Внешнийдиаметр корпуса v 25-40 миллиметров. Масса укомплектованного генератора вместес корпусом составит от 80 до 200 грамм.
Дляснижения габаритов и массы генератора может быть применена конструкция,включающая в себя одновременно рабочие тела двух типов, сегнетоэлектрическое иферромагнитное. Помимо своей основной функции преобразования энергии этирабочие тела в процессе функционирования генератора выступают в роли емкостногои индуктивного элементов его колебательного контура. Такая конструкциягенератора позволяет более чем на 30% сократить его массу по сравнению сферромагнитным или пьезоэлектрическим генераторами при сохранении величиныизлучаемой в окружающее пространство энергии. Сокращение массы конструкциигенератора является весьма актуальным для многих областей его применения.
Однойиз возможных областей применения рассматриваемых генераторов является активноевоздействие на электрический потенциал атмосферных облаков. Для получениябольшего эффекта несколько сотен таких генераторов могут быть смонтированы вспециальном контейнере, который доставляется в облако, например,метеорологической ракетой. Внутри облака контейнер распаковывается и генераторыравномерно разбрасываются по объему облака, а затем срабатывают. Грозовоеоблакосостоит из двух противоположно заряженных слоев. Основная частьэлектрических разрядов (молний) происходит между этими слоями. Только 10%разрядов приходятся на земную поверхность. Воздействие на облако СВЧ излученияпровоцирует разряды внутри облака и выравнивает его электрический потенциал.
Радиочастотное электромагнитное излучение.
Спектральнаяплотность электромагнитной энергии, излучаемой в окружающее пространство, можетбыть оценена по приводимым ниже эмпирическим зависимостям. Вводим обозначениевеличин зависящих от целочисленных индексов />и/>:
/>
и
/>,
где/>и /> — постояннаяПланка и число Авогадро;.
/>и/>, />и /> — соответственно, плотность и массамоля вещества сегнетоэлектрического и ферромагнитного рабочего тела.
/> — наибольшеезначение тока в электрической цепи генератора в период времени/>;
/> — наибольшеезначение напряжения на сегнетоэлектрическом рабочем теле в период времени/>;
/>и /> — безразмерныеэмпирические коэффициенты.
Величины/>и />могут бытьнайдены экспериментально или рассчитаны по зависимости (3). Коэффициенты />и />для рассматриваемого типагенераторов находятся в диапазоне 0,03 v 0,09. Тогда спектральная плотностьэлектромагнитной энергии, излученной в окружающее пространство, в зависимости отчастоты />находитсяпо эмпирическим формулам:
Длягенератора с ферромагнитным рабочим телом
/> (3)
Длягенератора с сегнетоэлектрическим рабочим телом рабочим телом
/> (4)
Длягенератора с двумя рабочими телами — сегнетоэлектрическим и ферромагнитным
/>
/>, (5)
/> — единичнаяфункция, />и/>.
/>-безразмерныйкоэффициент, учитывающий отношение длины соленоида к его диаметру и стремящийсяк единице при достаточно длинных соленоидах.
/> — наибольшеецелое число меньшее/>.
/> — наибольшеецелое число меньшее/>.
/>-/> — безразмерныеэмпирические коэффициенты. Для предварительной оценки величины диссипируемойэнергии коэффициенты/>,/>,/>,/>могут быть приняты равными единице.Коэффициенты/>,/>могут быть в этомслучае приняты равными нулю. Затем они могут уточняться в процессеэкспериментальной отработки изделия.
Типичнаязависимость приведена на рис. 3 в сравнении со значениями спектральнойплотности, замеренными экспериментально.
/>
Рис. 3
Списоклитературы
Adzhiev A.Kh. & Prishchepenko A.B. ?Developpement de methodeset le moyens pour controler la formation des nuages et des precipitations parla modification des parametres electriques du nuage¦. Deuxieme SymposiumInternational ?Foudre Et Montagne¦. 1…5 Juin 1997 — Chamonix Mont Blanc — France. B1.10, p. 33.
ПрищепенкоА.Б., Третьяков Д.В., Щелкачев М.В. Баланс энергии взрывногопьезоэлектрического генератора частоты. v Мегагауссная и мегаампернаятехнология и применения / Труды конференции v Саров, ВНИИЭФ,1997, с.954-958.
A. Prishchepenko, D. Tretyakov. Dissipative energy losses inferromagnetic generator of frequency. / Digest of tecchnical papers. 12th IEEEInternational Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999, p. 856-862
Новицкий,В.Д. Садунов Энергетические характеристики сегнетоэлектрика как рабочего телапреобразователя энергии УВ. Физика горения и взрыва. 1985, ¦5, с. 104 — 107.
Е.РойсСвойства магнитных материалов при ударном сжатии. / В книге: Физика высокихплотностей энергии. / Под ред. П.Кальдиролы и Г. Кнопфеля / Пер. с англ. — М.;Мир, 1974. — с.143-158.
В.В.Новиков,В.Н.Минеев Магнитные эффекты при ударном нагружении намагниченных ферро- иферримагнетиков./ Физика горения и взрыва, 1983, ¦3, с.97 -104.