РАЗДЕЛ 2
АНАЛИЗ РАБОТЫ СПИРАЛЬНЫХ ВЗРЫВОМАГНИТНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Анализ работы устройства предполагает выяснение:
* основных физических механизмов и принципов работы устройства;
* процессов в электрической цепи, использующих эти механизмы;
* взаимосвязь параметров сигналов и элементов цепи.
Несмотря на значительное количество публикаций, посвященных работе ВМГ, в них отсутствуют данные, которые показывают влияние параметров элементов ВМГ на характер протекающих в них процессов.
В силу вышеуказанных причин возникает необходимость в проведении моделирования, которое позволяет прогнозировать основные характеристики ВМГ при изменении его конфигурации и параметров, входящих в состав генератора, элементов. Результаты моделирования позволят проверить справедливость замечаний, высказанных в разделе 1.
Помимо результатов моделирования в разделе приведены методика проведения исследований ВМГ, аппаратура и экспериментально полученные данные, позволяющие подтвердить результаты моделирования.
2.1. Моделирование работы спиральных взрывомагнитных генераторов
Моделирование ВМГ позволяет выяснить особенности происходящих в них процессов, оценить влияние параметров электрической схемы на характеристики ВМГ, прогнозировать основные характеристики устройств, позволяя избежать значительных материальных затрат, связанных с проведением большого цикла экспериментальных исследований.
В настоящее время существует несколько подходов к моделированию подобных устройств. Один из них состоит в создании эквивалентных схем и выводу соотношений, описывающих их работу, разработке алгоритмов и отладке программ для проведения расчетов. Иной подход заключается в использовании апробированных и широко используемых таких программ "Micro-Cap" и др., что значительно сокращает сроки получения результатов. В настоящей работе используются оба подхода.
2.1.1. Моделирование процессов, происходящих во взрывомагнитных генераторах. Моделирование работы ВМГ целесообразно начать с рассмотрения обычного (без дополнительных элементов) спирального генератора, поскольку известные экспериментальные данные позволяют проверить корректность моделирующих программ и уточнить расчетные модели. Сравнение результатов моделирования показывает влияние состава элементов ВМГ и их значений на характеристики формируемых сигналов.
Эквивалентная схема ВМГ показана на рис. 2.1. Она состоит из уменьшающейся во времени индуктивности спирали генератора L(t) и сопротивления R, учитывающего потери в спирали и в переходных соединениях между спиралью и конусом лайнера.
Рис. 2.1. Эквивалентная схема ВМГ
Условие усиления тока в ВМГ определенно в [17] и записывается как:
(2.1).
Условие усиления энергии в ВМГ, приведенное там же, несколько трансформируется и имеет следующий вид:
(2.2)
Таким образом, скорость уменьшения индуктивности ВМГ определяет ток и энергии в нем.
При постоянной скорости движения конуса, закон изменения индуктивности от времени определяется шагом намотки спирали. Так, например, при увеличивающемся шаге намотки изменение индуктивности L(t) можно достаточно свести к экспоненциальному закону с характерным временем . Характерное время изменения индуктивности - это время, за которое величина индуктивности уменьшается в e раз [58, 61], что позволяет записать , где L0 - начальная индуктивность спирали, а t - текущее время. При равномерной намотке спирали закон изменения индуктивности близок к линейному закону [58], что позволяет записать изменение индуктивности в виде , где - время уменьшения индуктивности.
Проведем моделирование динамики ВМГ для величин элементов схемы, близких к их значениям в реальных устройствах. Значения начальной индуктивности ВМГ L0, начального тока I0 и внутреннего сопротивления генератора R выберем равными 50 мкГн, 50 А и 0,1 Ом соответственно. В дальнейшем, с целью сравнения различных вариантов ВМГ, моделирование будем производить для начальных токов в 50 А. На рис. 2.2 приведены результаты моделирования зависимостей токов ВМГ от времени при одинаковых значениях начальных параметров и двух вышеупомянутых законов изменения индуктивности обмотки генератора. Видно, что при линейном законе изменения индуктивности нарастание тока происходит только на заключительном этапе работы генератора. В случае экспоненциального закона изменения индуктивности возрастание тока ВМГ начинается сразу. Такой характер изменения токов во втором случае позволяет согласовать ВМГ с нагрузками различного типа. Если нагрузкой ВМГ является концентратор магнитного поля [15], когда необходимо получить "взрывные усилители" целесообразно выбирать линейный закон изменения индуктивности. С другой стороны, для реализации режима плавного изменения накапливаемой энергии во всем временном интервале работы ВМГ, использование экспоненциального закона уменьшения индуктивности является более предпочтительным. Спад тока ВМГ, возникающий после достижения током своего максимального значения, определяется уменьшением отношения приращения индуктивности к величине сопротивления потерь генератора . Оба этих закона уменьшения индуктивности широко используются в различных типах ВМГ [15, 18].
Рис. 2.2. Зависимость тока ВМГ от времени при различных законах изменения индуктивности
На рис. 2.3 приведены зависимости токов ВМГ от времени при различных значениях характерного времени . Начальные ток и индуктивность обмотки составляют 50 А и 50 мкГн. Из этих зависимостей следует, что амплитуда тока ВМГ и длительность его работы определяются скоростью уменьшения индуктивности, что позволяет путем изменения шага намотки спирали, на различных участках лайнера, задавать величину и скорость нарастания тока [18].
Рис. 2.3. Ток ВМГ при различных значениях
На рис. 2.4