1.5 Методика обработки экспериментальных данных

Энергетические параметры рабочего цикла КМПУ (i(t), u(t)) определялись с использованием цифровых осциллографов Tektronix TDS 1012 и Tektronix TDS 2012. Посредством умножения зависимостей i(t), u(t) и последующего интегрирования получены кривые мощности p(t) и выделения энергии w(t).

Динамика истечения сверхзвуквых плазменных потоков исследовалась по кадрам, полученным при помощи высокоскоростной фотоустановки ВФУ-1.

2. Исследование влияния шунтирования разряда на электроэрозионный износ ствола коаксиального магнитоплазменного ускорителя

Характерной особенностью кондукционных электродинамических ускорителей с плазменным поршнем является сильная электрическая эрозия поверхности электродов в ускорительном канале (УК) 8. При электродинамическом ускорении электроэрозионной плазмы с целью получения порошкообразных материалов и нанесения различных функциональных покрытий, это явление носит позитивный характер 9. При ускорении твердых тел это явление носит негативный характер, так как препятствует получению высоких, теоретически прогнозированных, скоростей метания из-за накопления и вовлечения в движение большой “паразитной” эродированной массы, а так же исключает повторное использование ствола 8. В связи с этим исследование и способов уменьшения электроэрозионного износа поверхности УК КМПУ является актуальной задачей.

В данном опыте использовался коаксиальный магнитоплазменный ускоритель, имеющий высокий к.п.д. преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела (МТ). Принципиальная схема представлена на рис. 1.7, а принцип действия ускорителя описан в 10.

В исходном состоянии вершина центрального электрода 1 электрически соединена с цилиндрической поверхностью УК в начале ствола пучком электровзрывающихся проводников (ЭВП) 4. такая конструкция узла центрального электрода и фонтанообразная конфигурация пучка ЭВП обеспечивают формирование плазменной структуры сильноточного дугового разряда типа Z-пинч 8 (рис. 2.1б) с круговой плазменной перемычкой 8. Для усиления стартовой динамики, за счет использования электротермохимического механизма преобразования энергии, канал в изоляторе у вершины центрального электрода (рис. 2.1а) заполнялся водородонасыщенным газогенерирующим веществом (ГГВ) - техническим вазелином или трансформаторным маслом.

В момент времени t=0 замыкается цепь электропитания и по обозначенному стрелками контуру начинает протекать рабочий ток i(t) (рис. 2.1). В момент t₁ происходит электровзрыв проводников, сопровождающийся электровзрывным импульсом напряжения. Этот момент принят за начало работы ускорителя. По мере формирования плазменной структуры разряда напряжение снижается до уровня дуговой стадии и происходит ограничение скорости нарастания тока.

Расширение разогретых разрядом газообразных продуктов термического разложения ГГВ, задает начальную динамику ускорения круговой плазменной перемычки, за которой вытягивается токоведущий плазменный жгут. На плазменную перемычку действует ускоряющая электродинамическая сила Лоренца. Высокоэффективное ускорение МТ 6 до гиперзвуковых скоростей происходит в режиме нарастающего тока (рис. 2.1). Выход МТ из ствола происходит в момент t₂, установленный с помощью кадрированной высокоскоростной фотосъемки на ВФУ-1.

Рис. 2.1. Осциллограммы напряжения U(t) и тока i(t): а) при полном импульсе тока, б) с шунтированием разряда в УК.

Скорость МТ определялась двумя методами: с помощью рам-мишеней и ВФУ-1. Типичная фотограмма выстрела КМПУ представлена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Фотограмма выстрела КМПУ. 1-ствол, 2-МТ, 3-шунтирующий электрод, 4-отсекатель. t_к=17,4 мкс.

Достаточно четкое изображение МТ, особенно после прохождения отсекателя 4, позволяет с достаточной точностью определять скорость МТ. Во всех экспериментах значения скорости, определенные по фотограммам и по моментам срабатывания рам-мишеней, имеют разброс не более 5 %.

Данные и результаты экспериментов, полученные на КМПУ приведены в таблице. Масса ГГВ (технический вазелин) составляла 0,5 г., емкость накопителя энергии С = 48 мФ, зарядное напряжение U_зар = 3,2 кВ, калибр ствола d = 19 мм, масса МТ, m_т = 3,5 г.

На рис. 2.3 приведены эпюры удельного дифференциального электроэрозионного износа поверхности УК по длине ствола m(ℓ_с).

Анализ данных экспериментов 2 и 3 (таблица 1) показывает, что при увеличении подведенной энергии увеличивается и кинетическая энергия МТ. Важно отметить, что не вся подведенная к КМПУ энергия расходуется на ускорение МТ, а только та ее часть, которая выделяется до момента выхода МТ из ствола t_1-2. Эта энергия называется энергией ускорения W_1-2. Так же видно, что эффективность (к.п.д.) ускорения МТ повышается при увеличении скорости ввода энергии, т.е. при увеличении U_зар и С.

Из сравнения результатов серии экспериментов (таблица) видно, что использование системы шунтирования обеспечивает уменьшение энерговыделения в УК и эрозионного износа ствола КМПУ при сохранении динамических параметров МТ.

Из сравнения эпюр видно, что увеличение подводимой энергии приводит к увеличению эродированной массы. В 1 показано, что наиболее значимым фактором, определяющим величину эрозионного износа, является величина подведенной к ускорителю энергии. Из этого следует, что часть энергии, выделяемой после выхода МТ из ствола, является “паразитной”, ее необходимо переключать в другую цепь. Это можно реализовать с помощью системы шунтирования разряда в ускорителе, путем отсечки хвостовой части импульса тока (рис. 2.1б). Видно, что система шунтирования обеспечивает быстрое переключение в параллельную цепь с меньшим сопротивлением. Система шунтирования обеспечивает быструю, менее чем за 100 мкс, отсечку хвостовой части импульса тока после выхода МТ из ствола и его переключения либо в параллельную цепь, либо в возможную вторую ступень ускорения.

Таблица 1 Сравнительные экспериментальные данные по электроэрозионному износу ствола.

Параметры / № опыта	Ед. изм.	1	2	3	4	5	6
Шунтирующий контур		+			+	+	+
Длина индуктора, ℓинд	мм	150	300	300	300	300	300
Зарядное напряжение, Uзар	кВ	3.2	3.2	3.1	3.5	3.5	3.5
Длина ствола, ℓс	мм	316	491	505	386	515	547
Калибр ствола, d	мм	19.5	19.0	19.0	19.5	19.5	19.5
Масса МТ, mт	г	17.6	3.5	3.5	3.5	3.5	3.5
Скорость МТ на срезе ствола, υс	км/с	1.03	2.65	2.61	2.34	2.54	2.50
Максимальное напряжение, Um	кВ	2.16	2.32	1.96	2.56	2.68	2.90
Максимальный ток, im	кА	183	169	160	159	144	149
Время ускорения, t1-2	мкс	165	230	235	200	250	270
Энергия ускорения, W1-2	кДж	35.3	66.9	69.1	36.7	56.9	62.1
Подведенная энергия, W	кДж	125	186	177	80.3	111	114
Кинетическая энергия МТ, Wк	кДж	9.4	12.3	11.9	9.6	11.3	10.9
КПД системы, 	%	26.5	18.4	17.3	26.1	19.9	17.6
Эродированная масса, m	г	22.9	35.1	30.5	6.1	9.0	9.2
Удельная эродированная масса, m/W	г/кДж	0.183	0.189	0.172	0.076	0.081	0.080
Удельная подведенная энергия, W/V	кДж/см3	1.328	1.336	1.237	0.693	0.722	0.701

Рис. 2.3. Эпюры эрозионного износа m(ℓ_с). Номера эпюр соответствуют номерам опытов в таблице.

Характер эпюр m(ℓ_с) (рис. 2.3) также свидетельствует о неравномерности износа по длине ствола 11. Видно, что при увеличении подведенной энергии возрастает максимальное значение эрозионного износа и возрастает длина эродированного участка ствола. На эпюре 2 имеются участки, на которых m принимает отрицательные значения. Это свидетельствует о наслоении эродированного материала на поверхность ствола неподверженную эрозии. По-видимому, причиной тому является постоянное уменьшение времени прохождения плазменной перемычкой единичной поверхности УК, что снижает величину энергии выделившейся на контактной поверхности УК и уменьшает массу металла, перешедшую в фазу расплава в опорном пятне. кроме того, причиной снижения эрозии до нуля может быть уменьшение плотности тока в ПС, вследствие деградации её устойчивого состояния и быстрого расширения под действием не скомпенсированного внутреннего газокинетического давления на выходе из зоны, охваченной соленоидом.

Анализ экспериментов 4, 5 и 6 (табл. 1) позволяет установить рациональную для указанных условий длину стола КМПУ, при которой наблюдается максимальный КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию МТ и минимальный эрозионный износ поверхности УК. Наиболее рациональной следует считать длину ствола, равную 40050 мм, о чем свидетельствуют результаты опыта 4 таблица 1.

В режиме работы КМПУ при метании твердых тел необходимо использовать систему шунтирования разряда в УК, это позволяет уменьшить эрозионный износ ствола при сохранении динамических параметров МТ.

На рис. 2.4 приведена зависимость удельного интегрального электроэрозионного износа ствола m/W от удельной подведенной энергии W/V (на единицу объема УК). Зависимость 1 соответствует износу в режиме работы КМПУ при ускорении МТ, а зависимость 2 соответствует режиму ускорения плазмы 10. Экспериментальные точки зависимости 1 в этой системе координат также аппроксимируются линейной функцией. Причем, линия 1 этой функции лежит несколько выше линии 2. Следует отметить, что эрозионный износ ствола в опыте 1 (таблица 1) с бόльшей массой МТ также укладывается на зависимости 1. По-видимому, увеличение износа ствола при наличии МТ обусловлено возрастанием давления в стволе и, как следствие, температуры. Кроме того, при наличии МТ возможно повышение плотности тока в радиальных дискретных каналах проводимости из-за более компактного состояния плазменной перемычки, так как фронтальная ее часть прижата к ускоряемому телу.

Рис. 2.4. Зависимость удельного интегрального электроэрозионного износа (m/W) от удельной подведенной энергии (W/V): 1- при ускорении МТ, 2- при ускорении плазмы.

Анализ результатов многочисленных экспериментов по ускорению макротел показал влияние величины подведенной энергии на величину интегрального эрозионного износа, которое подчиняется той же закономерности, что и при ускорении плазмы разряда 10.

Также была проведена серия опытов с использованием эмиссионно-активных добавок с целью улучшения динамических параметров плазменной струи. Однако эти данные находятся в стадии обработки и предоставить их в данном отчете не представляется возможным.

По совокупности представленных в данной главе данных следует заключить следующие выводы:

- сильноточный импульсный коаксиальный магнитоплазменный ускоритель может быть использован для ускорения тела до скоростей единиц км/с с целью инициирования ударно-волнового воздействия;

- с использованием системы шунтирования сильноточной плазменной структуры типа Z-пинч повышается энергоэффективность процесса ускорения, а также снижается износ ускорительного канала коаксиального ускорителя;

- удельный элекроэрозионный износ ствола ускорителя линейно зависит от величины выделившейся в объеме ускорительного канала энергии.