Разработка и исследование мощной искровой установки для моделирования явлений взрыва. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Педанов, В. В.

• Педанов, В. В.
• 1965

Оглавление диссертации Педанов, В. В.

г Стр.

ВВЕДЕНИЕ . #

§ I. Постановка задачи . ^

§ 2. Обзор устройств, применяемых для генерирования мощных электрических импульсов . fQ

Глава I. КОНДЕНСАТОРНАЯ БАТАРЕЯ - НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ

ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНОЙ УСТАНОВКИ. г

§ I. Общие требования, предъявляемые к конден-• саторной батарее

I § 2, Разработка малоиндуктивного импульсного г конденсатора типа ИММ-5-150 (модификация серийного конденсатора типа ЙМ-5-150) . 9/

§ 3. Соединение конденсаторов в батарею, её ошиновка и расчетная оценка основных параметров

§ Экспериментальное исследование конденсаторной батареи.

Выв о ды

I Глава П. ВАКУУМНЫЙ ИСКРОВОЙ РАЗРЯДНИК В КАЧЕСТВЕ j КОММУТИРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА УСТАНОВКИ

§ I. Требования к разряднику

§ 2. Конструкция и работа вакуумного искрового разрядника

§ 3. Схема запуска разрядника . t

§ 4. Экспериментальное исследование разрядника f04 Выводы. If О

Глава Ш. ОБЩИЕ СХЕМЫ УСТАНОВКИ.

§ I. Схема питания, управления и защитной блокировки

§ 2» Измерения на установке

§ 3. Измеритель энергии разряда

§ Измерение емкости импульсных конденсаторов с высокой точностью

§ 5. Измерение собственной индуктивности кон* денсаторов ЙММ-5-150 и батарей конденсаторов

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование мощной искровой установки для моделирования явлений взрыва.»

Подробное изучение явлений, сопровождающих взрыв, целесообразно не только с точки зрения военной техники, но и для развития мирного строительства. В настоящее время взрывная техника широко используется в целом ряде отраслей народного хозяйства: в строительстве, в горном деле, в металлообрабатывающей промышленности и т.д. С помощью взрыва, например, штампуют щрупные и мелкие детали, ведут разработку норных пород, строят дороги и каналы. Подробное изучение явлений взрыва позволяет находить для них все более и более широкое применение.

Исследования взрывов производятся, как при проведении крупных натурных испытаний, так и путем их моделирования. Целый ряд исследований действия взрыва можно проводить без применения взрывчатых веществ, если в качестве источника взрыва использовать мощный электроискровой разряд. В СССР ведутся различные физические исследования взрывов, среди них исследования распространения и разрушительного действия ударных волн в различных средах. С помощью иэлектровзрыва° можно отрабатывать новые измерительные методики для натурных испытаний. Развитие мощных искровых разрядных устройств может оказаться полезным для применения взрывов и "электровзрывов" в технологических целях (обработка давлением, обработка давлением при высоких температурах, электросварка и др.).

Мощная электрическая искра во многих случаях представляв удобную модель для изучения явлений взрыва в лабораторных ус» ловиях. Существенно при этом, что исщ)а представляет собой некоторое приближение к безмассовому взрыву. Значительным преимуществом является возможность в широких пределах изменять длительность выделения энергии в иенре и её мощность.

Основная трудность при использовании искры как модели взрыва состоит в получении достаточно малого времени выделения энергии. Желательно было бы располагать временами выделения * энергии, меньшими, чем при взрыве обычных ВВ. Если исходить для оценки времени выделения энергии из скоростей детонации, то для зарядов порядка нескольких граммов это время составит 1-2 мксек. Лучшие известные в литературе конденсаторные батареи достаточнд^ощности, см. 8 , обеспечивают время выделения энергии примерно на порядок больше. Это, однако, не исключает целесообразности использования искры для исследования взрывных процессов, так как время детонации является наиболее жестким, но не единственным критерием сравнения.

При изучении механического действия взрыва в качестве крк терия для оценки времени выделения энергии можно воепользоватг ся временем формирования ударной волны. Можно считать, что прв взрыве ВВ в воздухе формирование ударной волны заканчивается при распространении её фронта на расстояние, по крайней мере, в два-три эквивалентных радиуса заряда, при этом время формирования достигает величины порядка 10 мксек.

Удобным масштабом для лабораторных исследований является мощность явления, эквивалентная мощности, выделяющейся при взрыве нескольких граммов обычного ВВ. Примем в качестве исхо ного значения 5 г тротила. При взрыве такого количества ВВ выделяется энергия порядка 20 кдж. Тротиловый эквивалент электроискрового разряда близок к 1/2, следовательно, энергия искрового разряда, эквивалентного по механическому эффекту взрыву 5 г тротила, составит величину порядка 40 кдж. При длительности разряда Ю-5 сек импульсная мощность, отдаваемая генератором нагрузке (разряд), должна быть около пяти миллиардов ватт.

4 Принцип работы мощных импульсных генераторов заключается в медленном, в течение длительного интервала времени, запаеени энергии и реализации этой энергии в течение очень короткого времени. Большая трансформация времени позволяет осуществить большую трансформацию мощности. Этот принцип дает возможность получать больше импульсные мощности при сравнительно небольшой средней мощности первичного источника.

Несмотря на многообразие трансформаторов мощности запасание энергии в них осуществляется в электрическом и магнитном полях той или иной системы емкостей и индуктивностей. Реализация запасенной энергии производится с помощью коммутирующего устройства, открывающего запасенной энергии доступ к нагрузке, Коммутирующий орган представляет собой управляемый нелинейный элемент того или иного вида. Управление работой коммутирующее органа производится обычно с помощью специального генератора пусковых импульсов, осуществляющего синхронизацию рабоШ регистрирующей аппаратуры с явлением,

В зависимости от примененного накопителя энергии трансфо маторы мощности подразделяются на две основные группы: трансформаторы мощности с емкостным накопителем энергии и трансформаторы мощности с индуктивным накопителем энергии.

Трудности коммутации больших токов на размыкание, а также уменьшение КПД преобразования мощности при увеличении запасаемой энергии для трансформаторов мощности с индуктивным накопителем объясняют то обстоятельство, что в настоящее время в подавляющем большинстве случаев в качестве мощных импульс ных генераторов применяют трансформаторы мощности с емкостным накопителен энергии.

Чтобы практически использовать электроискровой разряд для моделирования явлений взрыва в лабораторных условиях с целью последующего изучения их действия, целесообразно разработать и изготовить искровую разрядную установку, обеспечивающую при длительности разряда порядка 10 мксек выделение мощности 5.I09 вт.

Темой настоящей диссертации является разработка лабораторного комплекса искровой разрядной установки для моделирова ния явлений взрыва, включающего в себя необходимые приборы, устройства и оборудование для управления, защиты, контроля и измерений.

Относительно небольшие габариты и вес, характеризующие лабораторную установку, делают нежелательным использование д; накопления энергии в ней обычно применяемых для такой цели к денсаторов ИМ-50-3.

Анализ характеристик отечественных импульсных конденсат ров обнаружил возможность модернизации одного из них, в рез^ тате которой оказалось возможным существенно сократить разме и вес накопительной батареи и разместить установку с вышеизложенными параметрами в лабораторных условиях.

Исходный конденсатор ИМ-5-150 по плотности запасаемой энергии превосходит ЙМ-50-3 более чем в 4 раза. Однако он обладает крайне низкой собственной частотой ( 20 кгц). На базе этого конденсатора при участии завода "Конденсатор11 г.Серпухов удалось разработать новую модель импульсного конденсатора ЙММ-5-150, отличающегося от Ш-5-150 малой внутренней индукл тивностыо, и, следовательно, более высокой собственной частотой (порядка 100 кгц).

Результаты разработки этих конденсторов, способ их соединения в батарею и результаты экспериментального исследования батареи изложены в первой главе настоящей работы.

Существенным элементом комплекса, является коммутирующее устройство. Хотя принципиально возможно непосредственное подключение рабочего разрядника к конденсаторной батарее, тако€ ^ включение сильно ограничит возможности эксперимента, т.к. диапазон рабочих искровых промежутков связан напряжением пробоя. В этом случае становится невозможным прекращение разряда с целью уменьшения интервала времени выделения энергии в разрядном промежутке, не удастся также осуществить упреждение запуска регистрирующей аппаратуры, т.к. момент пробоя разрядного промежутка будет носить случайный характер.

Очевидно, что использование специальных коммутирующих устройств, подключающего в определенный момент времени конденсаторную батарею к разрядному устройству и замыкающего накоротко последнее в нужный момент времени,значительно расширяет возможности эксперимента.

Поскольку коммутируемые токи имеют огромную величину (порядка миллионов ампер), то для коммутации их могут быть использованы лишь специально сконструированные для этого мощные коммутирующие разрядники.

В настоящее время в литературе описан ряд оригинальных конструкций коммутирующих разрядников, работающих на различных принципах. Условия работы разрядника в искровой установке предъявляют к нему определенные и весьма жесткие требования.

Подробное рассмотрение различных типов коммутирующих устройств, описанных в литературе, привело к выводу, что этим требованиям удовлетворяют: искровые разрядники с твердым диэлектриком и вакуумные искровые разрядники. Разрядники с твердым диэлектриком обладают целым рядом существенных недостатков, от которых в большей мере свободен вакуумный искровой разрядник» Однако опыт применения вакуумных искровых разрядников еще мал, в литературе описаны лишь отдельные уникальные экземпляры таких разрядников, неразработанными остается их теория и расчет, поэтому использование вакуумных искровых разрядников связано с большой экспериментальной работой по конструированию и наладке.

Во второй главе излагается результаты разработки коммутирующего устройства и прежде всего результаты разработки и экспериментального исследования вакуумного искрового разрядника, предназначенного для работы в установке.

Третья глава настоящей работы посвящена описанию, анализу и расчету схем и приборов, предназначенных для управления установкой, защитной блокировки, синхронизации работы регистрирующей аппаратуры с разрядом и измерения параметров самого разряда.

Главное место в этой главе занимают подробный анализ и расчет схемы электронного счетно-решающего устройства, предназначенного для обработки и регистрации данных измерений параметров разряда и результаты экспериментального исследования макета измерителя энергии.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Педанов, В. В.

Выводы

Разработанный комплекс управляющей и контрольно-измерительной аппаратуры используется в искровой разрядной установке. Лабораторная искровая установка ЙФЗ АН СССР "ИРУ" включает в себя следующие разработанные нами приборы и аппаратуру:

Пульт дистанционного управления установкой, включающий в себя систему защитной автоблокировки, жезлового типа и приборы контроля.

Фотоэлектронное устройство для запуска коммутирующего разрядника синхронизирующее работу регистрирующей аппаратуры. Фотоэлектронное пусковое устройство ("ИРУ-СПУМОбеспечивает малые ( менее 1,0 мкеек}, времена запаздывания разряда при временах разброса не превышающих 0,1 мксек и позволяет значительно снизить влияние электрических помех от разряда. Измеритель энергии разряда (ИРУ-ЙЕ) позволяющий получать осциллограммы тока разряда, напряжение на разрядном промежутке, мощности выделяемой в разряде и энергии разряда во времени. Приведенная относительная погрешность измерений энергии разряда не превышает 10%.

Приборы для измерения основных параметров импульсных конденсаторов ( больших емкостей с высокой точностью и сравнительно малых собственных индуктивностей).

Для измерения емкостей разработан прибор ИРУ-ИЕ, позволяющий производить измерение емкостей порядка десятков и сотен мкф с относительной погрешностью не превышающей 1%. Для измерения индуктивностей разработано устройство позволяющее получать осциллограммы собственных колебаний разряда конденсаторов имеющих собственную индуктивность порядка 10 см.

Список литературы диссертационного исследования Педанов, В. В., 1965 год

2. Комельков B.C., АретовГ.Е.,, Получение больших иипульсныхтоков, "докл. АН СССР*, 1956^ 110, М „ 559-561.

8. Backer W.E. > К е т а Q.A., IXectronic s^ i t c l i , Щ§* CM, ЖЖ»250-27 12535886, 1950. ИЗ. Клярфельд B.H.,Перадьмутер В.С.» Мощшй металлжческжй тржгатрож " 1 ^ Н»-ж* iffl-fa М-ва прон-стж. средств связж^ 1951, вып.5(8).

9. Бутаев i . I . , Масленников Н.М., Распределение тока междупараллельно включенными анодамж. ж вентилям:,. "Электржчество* ,1956.

14. Кеданов Б.В.» Сшаельников Г.А», изЕ1ер1гтель эиергни мощногоэлектрического разряда,отчет ИХФ АН СССР, 1962.

15. Еоган Б.Я., Электронные моделирующие устройства и пх цржмеиение ,для исследования сЕстем автоматического регул2|кэЕанд£,М., 1959.

16. Яобркнскжй Н.*Ё,, Моделйруюд(11е устройства, к, - л . , 1948. .63, Боде Г . , Теория цепей и проектирование усилителей с обратной сЕязъю, М., 1958. 6S. Ризкпн А.А., Основы теории усилительных схем, М., 1958»

17. ЫедЕе;аев Ю^И., Петрухик А.»И., Проскуршшв В.А., Ударные.волны в трубе от электрического искрового разряда, отчет iiXi Ш СССР, 1962* ;

18. Белоконь В.А., Еб^ухш: A.I** Проскуряков Б . 1 . , Вхождежже"^ сШЕЬНо! ударном волны в клшовжд^огш полость, ЖЭТ§, т.65 В1, 1965.

19. Еетрухш A.I . , Проскуряков. В . ! . , Температура ж плотностьза фрожтом сильнор. ударно! ВОЛНЕ- пр НЖЗЕЕХ давлениях,ОТ^ чет 1ЙЗ АЛ СССР, 1964.

20. Зашнц C.I., Кжчаева Г.С.„ Шкуропат: П.1., Жееледованке параллельно! работж управл-яешх искровых разрядников. H i , г.52, вып. 11, 1962*