CC BY
29
УДК 536.46 + 537.528
ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМОТРОНА ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ ЗАРЯДОВ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
М.С. БАРЫШЕВ, В.А. БУРАКОВ, В.В. БУРКИН, А.Н. ИЩЕНКО,
В.З. КАСИМОВ, Н.М. САМОРОКОВА, Ю.П. ХОМЕНКО, В.М. ШИРОКОВ
НИИ прикладной математики и механики при Томском госуниверситете,
Томск, Россия
E-mail: [email protected]
АННОТАЦИЯ. Исследуются параметры инициирующего устройства в виде плазмотрона, применяющегося для улучшения воспламенительного импульса баллистических установок. Экспериментально - расчетным путем показаны возможности управления энергетикой электроразрядного импульса. Для насыпного заряда с различной плотностью заряжания продемонстрировано качественное улучшение характеристик воспламенительного периода, реализованного с использованием плазмотрона, по сравнению с инициированием от электрокапсюльной втулки.
Исследования, ориентированные на разработку электроплазменных устройств инициирования метательных зарядов [1 -5], ведутся по двум основным направлениям. Это устройства, обеспечивающие развитие разряда (высокотемпературного очага) непосредственно в метательном заряде. К положительным качествам этого типа устройств относится более эффективное использование электрической энергии вводимой в заряд, поскольку отсутствуют потери энергии плазмы при ее транспортировке. Однако, технологические неудобства реализации этой схемы инициирования, нарастающие с увеличением калибра системы, существенно ограничивают потенциальные возможности ее применения.
Другой вариант устройства, обеспечивающий ввод плазмы в заряд с помощью применения плазмотрона, более предпочтителен с технологической точки зрения, даже при снижении уровня полезно используемой вводимой электрической энергии. Варианты этой схемы, помимо обеспечения стабильных характеристик воспламенения заряда, привлекают, прежде всего, своим обликом, близким к традиционной воспламенительной трубке, а также расширением возможностей ее применения по сравнению со схемой формирования плазменного сгустка непосредственно в заряде. Качественно устройства электроплазменного инициирования зарядов баллистических установок могут быть представлены тремя вариантами, различающимися расположением плазмообразующих элементов рис. 1.
а) инициирование в поперечном сечении заряда
Ь) инициирование вдоль оси заряда
с) инжектирование плазмы в торцевую часть заряда
Рис. 1. Варианты устройств электроплазменного инициирования
В схеме а) плазма образуется в заданном поперечном сечении заряда за счет электровзрыва системы проволочек или фольг, расположенных радиально в данном сечении. В схеме Ъ) плазменные разрядные каналы образуются вдоль оси заряда. В схеме с) плазма, образующаяся в плазмотроне, инжектируется в торцевую часть заряда. Для схем а), Ъ) характерно увеличение силового воздействия электрического разряда на вещество заряда. В случае применения зарядов с высокой плотностью заряжания в заряде при мощном электрическом разряде возникают волновые возмущения, которые, распространяясь по заряду, взаимодействуют с метаемым телом, в результате чего может произойти его преждевременное форсирование. Это эффект более выражен для схемы а), поскольку волна, генерируемая электровзрывом плоской фольги, затухает при распространении слабее, по сравнению с цилиндрической волной, характерной для схем Ь) и с). Вынос плазмообразующего устройства (плазмотрона) из камеры заряжания (схема с) приводит к снижению температуры плазмы при ее расширении на этапе инжектирования, но в плане встраивания электроплазменного устройства в систему инициирования баллистических устройств эта схема выглядит предпочтительнее.
В данной работе приводятся некоторые результаты исследования инициирования насыпных зарядов с различной плотностью заряжания с помощью одного из вариантов конструкции плазмотрона, в сравнении с данными для аналогичных зарядов, полученными с использованием электрокапсюльных втулок (ЭКВ).
Схема устройства плазмотрона, используемого в экспериментальных исследованиях, аналогична конструкции [6]. Отличие состоит в отсутствии перфорации корпуса флейты рис.2.
Приведенная конструкция плазмотрона и его функционирование типичны для этих устройств. Коммутация цепи приводит к взрыву инициирующего проводника, формированию дуги и образованию высокотемпературной плазмы, которая через отверстие в катоде впрыскивается в заряд. Ввод плазмы в заряд определяется временем горения дуги, которое связано с параметрами цепи и конструкцией плазмотрона. Электропитание разрядного промежутка плазмотрона осуществлялось в соответствии со схемой рис. 3.
Специфика функционирования плазмотрона в условиях артиллерийского выстрела обусловлена возможным влиянием роста давления в камере в период воспламенения заряда на характер развития дуги. Рассмотренная конструкция отрабатывалась в многочисленных экспериментах. Прогноз ожидаемых параметров функционирования плазмотрона проводился с помощью разработанной математической модели, учитывающей предвзрывную стадию нагрева и плавления проводников и последующую. стадию развития дугового разрядного канала [7]. Для медных и алюминиевых проводников, использующихся в плазмотроне, расчетные токовые зависимости удовлетворительно согласуются (рис. 4) с соответствующими экспериментальными данными.
Рис. 2. Общая схема устройства и крепления электроплазменной трубки:
1 - корпус пробки (катод); 2 - взрывающаяся проволока (анод); 3 - корпус флейты; 4 - испаряющийся изолятор; 5 - гайки крепления; 6 - изолятор
6
Рис. 3. Электрическая схема плазмотрона (обозначения общепринятые)
------,........ -эксперимент
Рис. 4. Зависимость силы тока от времени
Варьирование параметров цепи плазмотрона позволяет в широких пределах регулировать энерговвод в разрядный промежуток и, тем самым, управлять характеристиками плазменной струи. Увеличение емкости и зарядного напряжения позволяет управлять энергетикой разряда. Включение в цепь катушек индуктивности дает возможность снизить мощность энерговвода и, следовательно, сгладить силовое воздействие разряда на заряд. На рис. 5 приведены экспериментальные и расчетные диаграммы токов, полученные при включении в цепь катушек индуктивности.
/, мс
----------расчет;----------- эксперимент
С = 2,88 мФ; и = 2,5 кВ Ь, мкГн: 1 - 2,5; 2-50; 3- 100 Рис. 5. Изменение силы тока в разрядном промежутке плазмотрона в зависимости от параметров цепи
Разработанный вариант конструкции плазмотрона использовался для оценки возможностей улучшения характеристик воспламенительного импульса с помощью элек-троплазменного воздействия по сравнению с инициированием порохового заряда элек-трокапсюльной втулкой (ЭКВ). Исследования проводились на 23 мм баллистической установке [6].
Основное внимание уделялось влиянию способа зажигания заряда на характеристики его зажигания в зависимости от плотности заряжания. При проведении экспериментальных исследований энергия емкостного накопителя варьировалась изменением его емкости в диапазоне 9,6 - 19,2 кДж. Коэффициент преобразования энергии накопителя в энергию разряда составлял ~ 50 - 70%. Типичные зависимости, характеризующие изменение давления в зарядной камере приведены на рис. 6.
Выбранный диапазон изменения запасенной энергии обеспечивал с большим запасом стабильность зажигания заряда. Так уменьшение емкости (энергии накопителя) в два раза практически не ощущалось на характере изменения давления (кривые 1, рис.
б). Варьирование параметров цепи позволило регулировать время зажигания заряда в интервале ~ 0.5 - 200 мс. Изменение плотности заряжания от 0.273 до 0.682 при элек-троплазменном способе инициирования не приводит к значительной коррекции параметров зажигания. Это видно из сопоставления временных зависимостей рис. 6. Полученный результат соответствует вводу энергии в разряд с избытком. В случае применения электрокапсюльных втулок время зажигания более критично к плотности заряжания заряда (кривые 2, рис. 6).
Анализ полученных результатов показал надежность выбранной схемы плазмотрона, обеспечивающей повторяемость протекания процесса, а также подтвердил основные потенциальные преимущества электроплазменного способа инициирования:
а Ъ
а - Д=0,273 г/см ; b - Д=0,682 г/см ; 1 - электроплазменное зажигание заряда; ----------W-9,6 кДж;------------ W= 19,2 кДж; 2 - зажигание заряда от ЭКВ
Р.
Рис. 6. Зависимость давления в камере от времени
- существенное сокращение длительности воспламенительного периода внутри-баллистического процесса по сравнению с инициированием от ЭКВ;
- стабильность начального периода в широком диапазоне изменения плотности заряжания.
В дальнейших исследованиях планируется провести сравнительный анализ рассмотренных схем электроплазменного инициирования зарядов баллистических установок.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (код проекта 04-03-33121) и программы «Университеты России» (код проекта УР.04.01.044).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Woodley C.R., Billett S.J. Modeling Enhanced Gas Generation Rates in a 155 - mm ETC Gun. // IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol. 37, № 1, JANUARI 2001, p. 207 -210.
2. Wren G.P., Oberle W.F. Influence of High Loading Density Charge Configurations on Performance of Electrothermal - Chemical (ETC) Guns. // IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, vol. 37, № 1, JANUARI 2001, p. 211-215.
3. Kay A., Raupp J., Mura D., Steinbach C., Peter H., Franco P., Hensel D. Comparison of plasma ignition parameters and firing performance with 20- and 60-mm electrothermal-chemical guns /П-th symposium on electromagnetic launch technology. IEEE Transactions on Magnetics, 2003. Vol.39, Issue 1, Part 1, pp. 239-243.
4. Барышев M.C., Бураков В.А., Ищенко A.H., Касимов В.З., Сушков А.А., Хоменко Ю.П., Широков В.М. Исследование возможностей компенсации температурного градиента в ЭТХ - системах мелкого калибра. // Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики. Докл. IV Всероссийской научн. конф. Томск: изд-во ТГУ, 2004. С. 63-64.
5. Буркин В.В., Хоменко Ю.П. Особенности внутрибаллистического процесса при инициировании конденсированного заряда мощным электрическим разрядом. // Гидродинамика высоких плотностей энергии. Тр. Междунар. семинара. Новосибирск, 2004. С. 340-347.
6. Барышев М.С., Бураков В.А., Ищенко А.Н., Касимов В.З., Саморокова Н.М., Хоменко Ю.П. Исследование возможностей управления горением порохового заряда в процессе выстрела с помощью электрической плазмы. // Докл. IV Междун. конф. "Внутрикамерные процессы и горение в установках на твердом топливе и в ствольных системах" (ICOC-2002). Ижевск, 2004. С. 142-154.
7. Буркин В.В., Хоменко Ю.П. Модель выстрела баллистической установки с инициированием конденсированного заряда мощным электрическим разрядом. // Сб. Докл.
научн. конф. “Современные методы проектирования и отработки ракетноартиллерийского вооружения”. Саров: ВНИИЭФ, 2004. С. 57-64.
SUMMARY. The parameters of the initiating device as plasma injector, used for improvement of ignition pulse of ballistic installations are investigated. The capabilities of controlling power of an electrodigit pulse are shown experimentally - numerical way. For a bulk charge with various charge density the qualitative improvement of the characteristics of the ignition period, realized with use plasma injector, is shown in comparison with initiation from the electro-capsule box.
