Введение 5
1 Экспериментальная установка 8
1.1 Макет электроплазменного устройства 8
1.2 Система электропитания 8
2 Измерительные средства 16
2.1 Пояс Роговского 16
2.2 Делители напряжений 17
2.3 Осциллографы 18
2.4 Фото- и видео-регистрация 19
3 Математическое моделирование работы электроплазменного
устройства 21
3.1 Физическая постановка задачи 21
3.2 Математическая постановка задачи 22
3.3 Численный и аналитический метод решения 23
3.4 Сравнение с экспериментами 25
4 Анализ функционирования электроплазменного устройства 27
Заключение 33
Список используемой литературы 34
Электрический взрыв известен более 200 лет, первая публикация появилась в 1774 году задолго до открытия закона Ома. В этой исторически очаровательной работе Nairne наблюдал, что проволочка взрывается одинаково в разных участках цепи. Еще одна интересная работа проведена известным физиком Майклом Фарадеем в 1857 году . Он получал очень тонкие металлические пленки на внутренних стенках колбы при разряде лейденской банки через золотую проволочку. В последующем интерес к электрическому взрыву в разных областях науки и техники нарастает лавинообразно. К 1966 году было опубликовано уже более 800 статей , охватывающих широкий круг фундаментальных и прикладных исследований. По этой тематике ведутся работы в России, Украине, Японии, Южной Корее, Дании и других странах.
Под электрическим взрывом проводника (в дальнейшем просто ЭВП) понимается комплекс процессов, происходящих при быстром джоулевом нагреве металлического проводника до температур, превышающих температуру начала испарения металла. Характерные времена энерговыделения - 1—5 мс. Эти процессы включают, как правило, фазовые переходы металл - жидкость - пары металла в начальной стадии, формирование плотной металлической плазмы при дальнейшем нагреве, образование мелких частиц при разлете продуктов взрыва и их остывании. Явление сопровождается (или может сопровождаться) обрывом тока в контуре и генерированием импульсов высокого напряжения, мощными ударными волнами, химическими реакциями, яркой вспышкой света. Причем, условия осуществления электрического взрыва весьма разнообразны по энергетике, набору металлов, окружающей среде и т.д. Весьма разнообразны, соответственно, достигаемые при этом физические состояния и получаемые эффекты.
Многогранность и необычность явления стимулировали его детальные исследования с самых различных точек зрения. В первую очередь это относится к изучению теплофизических свойств металлов в высокотемпературной области. Электрический взрыв используется как источник высокотемпературной плазмы в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, в работах по созданию источников света , в исследованиях генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения. Взрывающиеся проволочки изучаются и применяются в качестве мощных быстродействующих прерывателей тока, предохранителей, для создания активной среды импульсных лазеров, а также во многих электрофизических установках. Интенсивно исследуется и развивается, раскрывая новые возможности, электровзрывной метод получения микро- и наноразмерных металлических порошков, химических соединений и различных нанофазных материалов, начиная с упомянутых экспериментов М. Фарадея.
ЭВП также применяется для инициирования горения зарядов баллистических установок. В электроплазменном устройстве устанавливается проволочка или система проволочек. При подаче на нее токового импульса от источника энергии она взрывается, образуются высокотемпературные продукты сгорания, которые поджигают заряд. Применение электроразрядной плазмы позволяет существенно сократить воспламенительный период зажигания зарядов баллистических установок и значительно снизить влияние начальной температуры заряда на характеристики выстрела. В НИИ ПММ ТГУ разработан ряд конструкций плазмообразующих устройств для зажигания зарядов (рис.1), в том числе комбинированных, состоящих из различных метательных веществ (моноблочных, насыпных, гелеобразных). Условия их воспламенения определяются температурой плазменного факела и скоростью распространения по заряду генерируемой плазмы.
Отличительной способностью этой технологии заключается в использование электроразрядной плазмы для стабилизации зажигания и интенсификации горения зарядов в широком диапазоне их начальных температур. Также стоит отметить возможность варьирования параметров проводника, инициирующего разряд, запасаемой энергии разрядного контура и параметров системы электропитания (СЭП), что позволяет управлять интенсивностью ввода и количеством энергии, вводимой в заряд.
Полученные в работе [1] экспериментальные данные показывают возможности применения электротермохимической (ЭТХ) технологии метания. Влияние энергозапаса источника на баллистические параметры показано на рис.2.
Из приведенных диаграмм видно, что, варьируя количество вводимой энергии в заряд можно корректировать давление выстрела, а соответственно и скорость метаемого тела. Таким образом одним из главных критериев эффективности работы ЭПУ состоит в управление количеством вводимой энергии.
Цель данной работы - экспериментально теоретическое исследование преобразования энергии в зависимости от конструктивных особенностей электроплазменных устройств (ЭПУ).
В ходе проведении исследований были достигнуты следующие результаты:
1. Проведен анализ функционирования электроплазменного устройства типа «флейта». Определены основные недостатки действующего макета плазматрона.
2. Построена математическая модель, описывающая электрический взрыв проволочки в плазматроне.
3. На основе полученных данных была проведена модернизация плазматрона. Разработаны и реализованы несколько модификаций плазматронов для ЭТХ технологии метания.
4. Применена технология послойного наплавления в изготовлении ЭПУ для ЭТХ технологии метания
