Малогабаритный взрывной генератор СВЧимпульсовдля метеорологического примененияПрищепенко А.Б Третьяков Д.В.ВВЕДЕНИЕ.В статье рассматриваются взрывные генераторы, преобразующиемеханическую энергию ударной волны, распространяющейся в рабочем теле, вэлектромагнитную энергию.Основным элементом таких генераторов является рабочеетело, выполненное из ферромагнитного или из сегнетоэлектрического материала.Ударная волна в рабочем теле формируется специальным зарядом взрывчатоговещества. Достоинствами рассматриваемых устройств являются компактность иполная автономность от внешних источников энергии.
В зависимость от соотношенияконструктивных параметров, генерируемая при срабатывании электромагнитнаяэнергия может быть использована для питания других потребителей или излучена вокружающее пространство в весьма широком диапазоне радиоволн. Компактные ипростые, эти устройства могут быть использованы в различных областях, в томчисле, для активного воздействия на атмосферные процессы.ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ФУНКЦИОНИРОВАНИИГЕНЕРАТОРА.Общим результатом движения ударной волны по рабочему телуявляется изменение остаточной поляризации сегнетоэлектрического материаларабочего тела или остаточной намагниченности ферромагнитного рабочего тела. Приэтом наблюдается существенное отличие в работе генераторов в зависимости отнаправления движения ударной волны относительно вектора остаточной поляризацииили остаточной намагниченности в рабочем теле. Различаются модели, описывающиеслучаи движения фронта ударной волны в направлениях коллинеарном аксиальноенагружение и перпендикулярном радиальное нагружение направлению остаточнойполяризации или намагниченности рабочего тела. В реальной конструкции взрывногогенератора направления движения фронта ударной волны и остаточной поляризацииили намагниченности 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 большуюинтенсивность и доминирующими процессами при конверсии механической энергииударной волны в электромагнитную энергию являются соответственно процессыперехода ферромагнитного состояния в парамагнитное и сегнетоэлектрического впараэлектрическое.Конструкция ферромагнитного рабочего тела представляетсобой соленоид с сердечником из ферромагнитного материала.
Ферромагнитное рабочее тело на принципиальной электрической схеме генератора может быть представлено в виде последовательно соединенных источника напряжения и индуктивности рис. 1 . Для оценочных расчетов величина этой индуктивности также может быть принята равной ее начальному значению.
Электродвижущая сила источника напряжения может быть найдена из зависимости Рис. 1 при 1 и при или.где -общее количество витков соленоида, -остаточная индуктивность ферромагнитного материала рабочего тела, -скорость ударной волны в ферромагнитном рабочем теле, а -площадь поперечного сечения рабочего тела. Принято, что длина рабочего тела примерноравна длине соленоида.
Конструкция узла сегнетоэлектрического рабочего тела представляет собой пакет из пластин сегнетоэлектрического материала с нанесенными на них токопроводящими поверхностями.
На принципиальных электрических схемах узел сегнетоэлектрического рабочего тела может быть в первом приближении представлен в виде параллельно соединенных источника тока и емкости рис. 2 . Для оценочных расчетов емкость может быть принята постоянной, равной начальной емкости сегнетоэлектрического рабочего тела. Ток источника может быть определен по зависимости, достаточно просто выводимой из предположения о линейности свойств материала рабочего тела Рис. 2 при 2 при и где -площадь контактных поверхностей сегнетоэлектрического рабочего тела, -количество сегнетоэлектрических пластин в рабочем теле, -скорость ударной волны в сегнетоэлектрическом рабочем теле, -скачок поляризации на фронте ударной волны.При отсутствии значений скачка поляризации на фронтеударной волны,скорости движения фронта ударной волны ониприближенно могут быть заменены на , соответственно, остаточную поляризацию искорость звука в материале рабочего тела.Расстояние представляетсобой путь ударной волны по сегнетоэлектрическому рабочему телу. Путь ударнойволны по пакету рабочих тел, в случае аксиального нагружения , где -расстояние между контактными поверхностями сегнетоэлектрических пластин.
В случаепродольного нагружения расстояние равнодлине рабочего тела, в направлении движения ударной волны.Зависимость 2 может быть применена как в случаепараллельного направления поляризации относительно направления движения фронтаударной волны, так и в случае перпендикулярного направления.КОНСТРУКЦИЯ ГЕНЕРАТОРА.Рассматриваемый генератор является полностью автономнымустройством.
Для его срабатывания достаточно только детонационного импульса.
Масса заряда взрывчатого вещества в зависимости отконструкции генератора колеблется в пределах от 3 до 25 грамм.
Генератор можетмонтироваться в цилиндрический корпус, выполненный из радиопрозрачногоматериала, например, полиамида. Внешний диаметр корпуса v 25-40 миллиметров.Масса укомплектованного генератора вместе с корпусом составит от 80 до 200грамм.Для снижения габаритов и массы генератора может бытьприменена конструкция, включающая в себя одновременно рабочие тела двух типов,сегнетоэлектрическое и ферромагнитное.
Помимо своей основной функциипреобразования энергии эти рабочие тела в процессе функционирования генераторавыступают в роли емкостного и индуктивного элементов его колебательногоконтура. Такая конструкция генератора позволяет более чем на 30 сократить егомассу по сравнению с ферромагнитным или пьезоэлектрическим генераторами присохранении величины излучаемой в окружающее пространство энергии.
Сокращениемассы конструкции генератора является весьма актуальным для многих областей егоприменения.Одной из возможных областей применения рассматриваемыхгенераторов является активное воздействие на электрический потенциалатмосферных облаков.Для получения большего эффекта несколько сотен такихгенераторов могут быть смонтированы в специальном контейнере, которыйдоставляется в облако, например, метеорологической ракетой.
Внутри облакаконтейнер распаковывается и генераторы равномерно разбрасываются по объемуоблака, а затем срабатывают. Грозовое облакосостоит из двух противоположнозаряженных слоев. Основная часть электрических разрядов молний происходитмежду этими слоями. Только 10 разрядов приходятся на земную поверхность.Воздействие на облако СВЧ излучения провоцирует разряды внутри облака ивыравнивает его электрический потенциал.РАДИОЧАСТОТНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.Спектральная плотность электромагнитной энергии, излучаемойв окружающее пространство, может быть оценена по приводимым ниже эмпирическимзависимостям.
Вводим обозначение величин зависящих от целочисленных индексов и и,где и -постоянная Планка и число Авогадро .и, и -соответственно, плотность и масса моля вещества сегнетоэлектрического иферромагнитного рабочего тела наибольшее значение тока в электрической цепи генератора в период времени -наибольшее значение напряжения на сегнетоэлектрическом рабочем теле в периодвремени и -безразмерные эмпирические коэффициенты.Величины и могутбыть найдены экспериментально или рассчитаны по зависимости 3 . Коэффициенты и длярассматриваемого типа генераторов находятся в диапазоне 0,03 v 0,09. Тогдаспектральная плотность электромагнитной энергии, излученной в окружающеепространство, в зависимости от частоты находитсяпо эмпирическим формулам Для генераторас ферромагнитным рабочим телом 3 Длягенератора с сегнетоэлектрическим рабочим телом рабочим телом 4 Длягенератора с двумя рабочими телами - сегнетоэлектрическим и ферромагнитным, 5 -единичная функция, и безразмерныйкоэффициент, учитывающий отношение длины соленоида к его диаметру и стремящийсяк единице при достаточно длинных соленоидах наибольшее целое число меньшее наибольшее целое число меньшее -безразмерные эмпирические коэффициенты.
Для предварительной оценки величиныдиссипируемой энергии коэффициенты могутбыть приняты равными единице.
Коэффициенты,могутбыть в этом случае приняты равными нулю. Затем они могут уточняться в процессеэкспериментальной отработки изделия.
Типичная зависимость приведена на рис. 3 в сравнении со значениями спектральной плотности, замеренными экспериментально.Рис. 3 ЛИТЕРАТУРА. Adzhiev A.Kh. amp 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 А.Б Третьяков Д.В Щелкачев М.В. Баланс энергии взрывного пьезоэлектрического генератора частоты. v Мегагауссная и мегаамперная технология и применения Труды конференции 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 Энергетические характеристики сегнетоэлектрика как рабочего тела преобразователя энергии УВ. Физика горения и взрыва. 1985, 5, с. 104 - 107. Е.Ройс Свойства магнитных материалов при ударном сжатии.
В книге Физика высоких плотностей энергии. Под ред. П.Кальдиролы и Г. Кнопфеля Пер. с англ М. Мир, 1974 с.143-158. В.В.Новиков, В.Н.Минеев Магнитныеэффекты при ударном нагружении намагниченных ферро- и ферримагнетиков.Физикагорения и взрыва, 1983, 3, с.97 -104.