Електромеханічні та теплофізичні процеси в імпульсному індукційному прискорювачі плазмового утворення

Abstract

Роботи по створенню та метанню плазмових утворень різними способами ведуться в провідних наукових центрах світу. Досягнуто формування плазмового утворення тривалістю декілька мілісекунд та його метання у відкритому атмосферному середовищі на відстань 0,5-0,6 м. Для створення плазми використовують енергію первинного розрядного кола з подальшим прискоренням газоплазмового утворення за допомогою енергії вторинного кола. Плазмове утворення отримують і за рахунок електричного вибуху провідника. Метою статті є теоретичне та експериментальне дослідження електромеханічних та теплофізичних процесів в імпульсному індукційному прискорювачі, який забезпечує формування плазмового утворення за рахунок термічної іонізації в результаті електричного вибуху провідника та метання його у атмосферному середовищі відносно індуктора. Методика. Для аналізу електромеханічних та теплофізичних процесів в імпульсному індукційному прискорювачі плазмового утворення (ІІПП) розроблена і реалізована в програмному пакеті Сomsol Multiphysics математична модель прискорювача, в якій якір не змінює своєї форми і агрегатного стану в процесі роботи та враховує розподілені у просторі параметри. Результати. Розраховані електромеханічні і теплові характеристики прискорювача. Показано, що перевищення температури в якорі, що виконаний у вигляді алюмінієвої фольги, суттєво нерівномірно. Максимальне значення температури має місце в середній частині фольги ближче до зовнішнього краю, причому ця температура значно перевищує температуру кипіння алюмінію. Наукова новизна. Проведені експериментальні дослідження ІІПП, у якого якір виконаний з алюмінієвої та мідної фольги, а індуктор, що підключається до високовольтного ємнісного накопичувача енергії, виконаний у вигляді плоскої дискової спіралі. В процесі роботи ІІПП якір переходить в плазмовий стан і переміщується вертикально вверх, перетворюючись в об’ємний комок, або на скупчення маленьких частинок, які здіймались на декілька метрів відносно індуктора. Експериментально показано характерний круговий контур термічного нагрівання мідноїфольги якоря, яка закріплена на листі склотекстоліту. Практична цінність. Результати експериментальних досліджень з точністю до 15 % співпадають з розрахунковими і показують справедливість концепції ІІПП, в якому за рахунок високої густини індукованого струму в якорі відбувається термічна іонізація в результаті електричного вибуху провідника з переходом його в плазмовий стан. Взаємодія плазмового утворення з магнітним полем індуктора призводить до появи електродинамічної сили, яка забезпечує його переміщення у відкритому атмосферному середовищі на декілька метрів.Work on the creation and throwing of plasma formations is carried out in the world's leading scientific centers in various ways. The creation of a plasma formation with duration of several milliseconds and its acceleration in an open atmospheric environment to a distance of 0.5-0.6 m was achieved. To create plasma, the energy of the primary discharge circuit is used, followed by the acceleration of the gas-plasma formation with the help of the energy of the secondary circuit. Plasma formation is also obtained due to the electric explosion of a conductor in a rapidly decreasing strong magnetic field, etc. The purpose of the article is a theoretical and experimental study of electromechanical and thermophysical processes in a pulse induction accelerator, which ensures the creation of plasma formation due to thermal ionization as a result of the electric explosion of the conductor and its throwing in the atmospheric environment relative to the inductor. Method. For the analysis of electromechanical and thermophysical processes in the pulse induction accelerator of plasma formation (PIAPF), a mathematical model of the accelerator was developed and implemented in the Сomsol Multiphysics software package, in which the armature does not change its shape and aggregate state during operation and takes into account the parameters of the accelerator distributed in space. Results. Calculated electromechanical and thermal characteristics of the accelerator. It is shown that the temperature rise in the aluminum foil armature is significantly nonuniform. The maximum temperature value occurs in the middle part of the foil closer to the outer edge, and this temperature is significantly higher than the boiling point of aluminum. Scientific novelty. Experimental studies of the PIAPF were carried out, in which the armature is made of aluminum and copper foil, and the inductor connected to the highvoltage capacitive energy storage device is made in the form of a flat disk spiral. It was established that during the operation of the PIAPF, the armature goes into a plasma state and moves vertically upwards, turning into a volumetric wad or a pile of small particles that rose to a considerable height relative to the inductor. Experimentally, the characteristic circular circuit of thermal heating of the copper foil of the armature, which is fixed on a glass-textolite sheet, is shown, which indicates a similar nature of plasma formation. Practical value. The results of experimental studies with an accuracy of up to 15 % coincide with the calculated ones and show the validity of the PIAPF concept, in which, due to the high density of the induced current in the armature, thermal ionization occurs as a result of an electric explosion of the conductor with its transition to the plasma state. And the interaction of the plasma formation with the magnetic field of the inductor leads to the appearance of an electrodynamic force that ensures its movement in the open atmospheric environment.