С 50-х годов XX века в мире начало активно развиваться направление взрывомагнитных генераторов сверхсильных магнитных полей, представляющих собой импульсные генераторы, в основу которых был положен принцип магнитной кумуляции, то есть сжатия магнитного потока.
В предыдущей статье тема подобных генераторов уже освещалась более обзорно, эта же статья несколько глубже погружает в тему.
Небольшой спойлер от автора: дальше последует некоторый результат моих исследований этой любопытной темы, так как экстремальные проявления устройств и способов генерации различных физических явлений всегда довольно любопытны. Суждения в тексте ниже могут быть где-то верны, где-то ошибочны, а где-то лютым бредом и расходиться со здравым смыслом 🙂 В любом случае, надеюсь, будет интересно!
Общие понятия
Взрывомагнитные генераторы представляют собой устройства, которые преобразуют энергию взрывчатого вещества в электромагнитную энергию.
Они отличаются большой энергоёмкостью и мощностью, вследствие чего могут выступать импульсными источниками питания, а также в качестве средства генерации сверхсильных магнитных полей (1 МГс и более).
Их работа основана на увеличении плотности магнитной энергии, которая изначально распределена по большему объёму магнитного потока, в меньшем объёме используя сжатие.
В общем случае работа устройства выглядит следующим образом:
- внешнее устройство создаёт изначальный магнитный поток (конденсаторная батарея подключается к электромагнитной катушке);
- при последующем взрыве происходит запирание магнитного потока внутри токопроводящих частей, физически быстро сжимающихся в процессе.
В ходе описанных выше двух стадий происходит переход химической энергии взрывчатого вещества в кинетическую энергию проводников, которая в ходе совершения работы этими проводниками преобразуется в электромагнитную энергию.
Подвижные части генератора принято называть арматурой или лайнером, неподвижную же — статором. Сам же класс подобных устройств в России, ещё со времён СССР, принято называть «магнитокумулятивными генераторами» (МКГ).
Одним из первых, кому пришла в голову идея сжатия магнитного потока и получения сверхсильных магнитных полей и токов является академик А.Д.Сахаров, который предложил разработанные им конструкции подобного генератора: МК-1, МК-2.
Именно на генераторе МК-2 были получены и зарегистрированы в 1953 году токи в 100 МА.
В дальнейшем исследователи использовали наработки Сахарова для улучшения и развития заложенных идей. Например, были предприняты попытки использовать МК-2 для разгона физических предметов до высоких скоростей, в частности тонких алюминиевых колец весом в 2 грамма, которые набирали скорость (более 100 км/сек) в кольцевом зазоре под воздействием давления магнитного поля:
Картинка: Схема устройства для метания кольца. «Взрывомагнитные генераторы» — А.Д.Сахаров, 1966 г.
Однако эти опыты закончились неудачно, так как кольца просто-напросто испарялись во время ускорения.
Со временем установки вышли на генерацию полей в 10-14 МГс, затем — порядка 25 МГс. При этом скорость движения цилиндрических оболочек составила 10-20 км/сек.
Тогда же исследователи заинтересовались возможностью использовать подобные генераторы в качестве импульсного источника энергии.
В результате концентрации исследователей на данном направлении были разработаны тороидальные кабельные трансформаторы, которые были особо полезны для компактных МКГ, существенно расширяя диапазон сфер их применения.
Например, МКГ диаметром 40 мм, соединённый с тороидальным трансформатором, обеспечивал порядка 50 кДж энергии, из которых в нагрузку могло быть передано 10 кДж:
Картинка: «Магнитокумулятивные генераторы — импульсные источники энергии», Том 1
Разработка эффективных трансформаторов позволила создавать системы, имеющие очень высокий коэффициент усиления энергии. Например, была создана каскадная система, основанная на МКГ диаметром 30 мм, обеспечивающая коэффициент усиления энергии порядка 3.000:
Картинка: «Магнитокумулятивные генераторы — импульсные источники энергии», Том 1
Типология подвижной части (лайнера) МКГ
Несмотря на то, что лайнер может быть выполнен в разных видах, широко распространены только несколько вариантов.
▍ Цилиндрический лайнер
Наиболее используемым типом является трубчатый вариант, с расположенным внутри зарядом ВВ.
На рисунке ниже показана такая трубчатая конструкция с инициацией ВВ с одного торца (левая картинка) и по всей оси (правая картинка).
Во время срабатывания ВВ в первом случае фронт продвигается слева направо и труба всё более начинает приобретать конусовидную форму. Во втором же случае происходит ускорение всей стенки трубы в радиальном направлении (проще говоря, увеличивается её диаметр на всём протяжении):
Похожим подвидом является следующий, где заряд ВВ как бы намазан по внутренней поверхности трубы и инициация происходит по всей внутренней поверхности.
Однако движение трубы может быть направлено не только наружу, но и внутрь, к её оси. В таком случае труба выглядит как бы покрытой ВВ с внешней стороны:
▍ Плоский лайнер
Известен также и вариант с плоской арматурой:
▍ Дисковый лайнер
Существует также вариант и с дисковым лайнером, где ВВ расположена либо с одной стороны диска (левая картинка), либо внутри полого диска (правая картинка):
Кроме того, известен также и вариант с шарообразным лайнером, где заряд ВВ располагается в центре.
Как можно было заметить по иллюстрациям выше, для ускорения с помощью ВВ металлических проводников используется либо режим скользящей детонации, когда волна распространяется по заряду вдоль поверхности проводника, либо режим, где детонационная волна плоско падает на проводник и определяющим параметром здесь является скорость движения проводника, где нужно учитывать, что проводник не приобретает свою скорость мгновенно, а разгоняется на протяжении деформации определённого участка своей длины, что соответствующим образом должно учитываться конструкторами генераторов.
Здесь определённые сложности (в случае конструкции, где используется плоское падение волны на проводник) вызывает создание плоского фронта детонационной волны, что решается конструкторами с помощью так называемых «активных линз». Они представляют с собой конусы, состоящие из двух слоёв — внешний слой из основного ВВ, а внутренний слой из ВВ с меньшей скоростью детонации.
Регулируя углы конусов, добиваются того, чтобы волна, выходящая из основания их общего конуса, имела плоский вид.
Кроме активных линз, существуют ещё и «пассивные», у которых внутренняя часть конуса представляет собой легкосжимаемые материалы: полиэтилен и т. д.
Существует и отдельный тип линз, представляющих собой пустотелый конус, внутренняя часть которого покрыта металлом. Здесь также происходит подбор всех параметров таким образом, чтобы после срабатывания ВВ металл, облицовывающий внутреннюю поверхность конуса, подлетал к основанию конуса одновременно, представляя собой плоскость.
Виды МКГ
Как уже было сказано ранее, учёными было создано и протестировано достаточно большое количество МКГ. Тем не менее, видов, которые могут эффективно работать по сжатию магнитного потока, не так уж много.
Кроме того, некоторые из них используются для создания сверхсильных магнитных полей, в то время как другие, — в качестве источника энергии. Рассмотрим оба вида.
▍ МКГ сверхсильных магнитных полей
В этом классе первым известным устройством является уже упомянутая ранее разработка Академика Сахарова — генератор МК-1 (см. картинку выше).
Работало устройство следующим образом: соленоид изначального поля, расположенный по внешней стороне заряда ВВ подключался к батарее конденсаторов и инициировал изначальный магнитный поток внутри цилиндрического лайнера расположенного внутри заряда ВВ.
Прим. автора статьи: насколько я понимаю, соленоид изначального поля мог располагаться снаружи (как будет показано чуть ниже) или внутри заряда (как показано в начале статьи). По крайней мере, в самом отчёте А.Д.Сахарова приводится вариант с внутренней катушкой, в классическом же описании МК-1 приводится вариант с внешней катушкой. Также оговаривается, что возможны оба варианта.
После чего происходила инициация ВВ:
Это приводило к дальнейшему сжатию этого металлического лайнера. Причём инициирующая катушка могла располагаться (в другом варианте конструкции) и под слоем ВВ, а не только сверху него, как было уже сказано чуть выше.
Самый лучший результат, достигнутый с помощью такого генератора, имеющего металлический лайнер диаметром в 150 мм, был представлен созданным полем в 5,2 МГс.
Существует и улучшенный вариант этого генератора, разработанного А.И. Павловским, где лайнер представлял собой систему из тонких проволочек, скреплённых между собой эпоксидной смолой:
Такой генератор при диаметре в 160 мм смог достичь полей в 14 МГс, а при диаметре в 300 мм — 28 МГс.
▍ МКГ генераторы энергии
В отличие от генераторов сверхсильных магнитных полей, где конечный объём находится внутри устройства, генераторы энергии конструктивно представляют собой два разнесённых элемента, один из которых служит для сжатия магнитного потока, а второй представляет собой собственно полезную нагрузку.
▍ Спиральные МКГ
Самую сложную конструкцию среди генераторов имеют спиральные: как правило, они представляют собой ряд секций, где по мере продвижения к одному из торцов генератора (показан ниже, на примере фото и схемы генератора МК-2) происходит возрастание шага витков спирали:
Картинки: «Взрывомагнитные генераторы» — А.Д.Сахаров, 1966 г.
К их достоинствам можно отнести самые большие коэффициенты перестройки индуктивности, усиления тока и энергии.
Конструктивно подобные генераторы представляет собой металлическую трубу с зарядом ВВ, инициируемую с торца, снаружи труба окружена спиралью.
Подключение источника изначальной энергии осуществляется к одному торцу трубы и началу спирали, в то время как полезная нагрузка подключается к другому концу трубы и к концу спирали.
После срабатывания ВВ труба начинает расширяться, образуя пятно контакта с витками спирали, которое движется в сторону нагрузки.
В ряде случаев последняя секция спирали выполняется конической. Если этот конус сужается, то повышается внутренний импеданс генератора. Если же секция расширяющаяся, то это приводит к снижению выходного напряжения.
Также в ряде случаев используются спирали вообще без цилиндрических участков, то есть вся использующаяся спираль является конусной (с увеличивающимся или уменьшающимся в диаметре конусом к концу).
Для увеличения же выходной мощности центральная труба может быть выполнена также расширяющейся к концу:
▍ Коаксиальные МКГ
Они обеспечивают более высокие токи, по сравнению со спиральными, но только если нагрузка является низкоимпедансной и при относительно низких значениях усиления тока и энергии. Здесь также используется система из двух элементов, и работает она похоже на предыдущую, только внешний элемент представлен цилиндром, как и внутренний (а в предыдущем варианте снаружи была спираль). При срабатывании ВВ, начиная с левой стороны трубы, конус расширяющейся внутренней трубы начинает вдвигаться во внешний цилиндр.
▍ Шинные генераторы
Представляют собой весьма привлекательные генераторы, отличающиеся дешевизной и простотой устройства, в которых магнитное поле создаётся токами, текущими в шинах в противоположных направлениях:
Однако по потенциальному импедансу подключаемой нагрузки и коэффициенту усиления они уступают спиральному типу.
▍ Дисковые МКГ
Этот тип является подвидом коаксиального, представляя его укороченную форму. Его преимуществом является возможность генерации больших токов, так как в процессе работы происходит увеличение сечений проводников.
Итоги
Одним из основных плюсов МКГ-генераторов является их существенное превосходство над другими импульсными источниками по удельной энергии, так как типичное время их работы составляет десятки и сотни микросекунд: например, при поле в 1 МГс плотность энергии составляет 4 кДж/см3. Тем не менее, из-за того, что такая плотность достигается только в небольшой части объёма МКГ, соотношение выходной энергии к объёму конструкции (удельная плотность энергии МКГ) составляет до 100 Дж/см3 и более. Однако, благодаря тому, что они могут иметь весьма компактные размеры и являются конструктивно простыми, они остаются привлекательными для множества применений. Из основных же минусов можно назвать однократность действия (генератор физически разрушается после срабатывания).
В настоящее время известны применения подобных генераторов:
- для запитки плазменных фокусов, получения импульсов мягкого рентгеновского излучения 10-мегаджоульного диапазона;
- резонансного релятивистского осциллятора на бегущей волне;
- для моделирования воздействия молнии;
- для использования в геофизических исследованиях;
- ряда других работ и научных исследований.
Использованная литература:
1. «Магнитокумулятивные генераторы — импульсные источники энергии», Том 1 — под ред. В. А. Демидова, Л. Н. Пляшкевича, В. Д. Селемира. Саров, 2012 г.
2. Материалы статьи «Взрывомагнитные генераторы» — А.Д.Сахаров. Апрель, 1966 г.
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️
