Магнитно-импульсная метательная установка для испытаний на ударные воздействия

Диссертационная работа «Магнитно-импульсная метательная установка для испытаний на ударные воздействия» посвящена вопросам эффективного ускорения макротел (массой до 1 кг) до высоких скоростей с использованием магнитно-импульсного привода в целях воспроизведения в лабораторных условиях высокоскоростных ударных нагрузок, имеющих место при эксплуатации различных изделий и материалов. Кроме того, работа так же посвящена вопросам ускорения групп макротел до высоких скоростей с использованием магнитно-импульсного привода в целях создания систем активной защиты объектов особой важности для повышения антитеррористической устойчивости последних.

Среди целого ряда разнообразных внешних механических воздействий, имеющих место при эксплуатации изделий и материалов, особо выделяют высокоскоростные импульсные ударные нагрузки, характерной особенностью которых является высокий уровень напряжений в материале и малая длительность импульса ударного давления. Задача проведения высокоскоростных ударных испытаний особенно актуальна при проектировании изделий и материалов авиационной, космической, военной техники — тех объектов машиностроения, работа которых происходит в условиях импульсных воздействий высокой интенсивности. Известно, что свойства материалов и конструкций в значительной степени зависят от амплитуды и длительности ударного воздействия.

Цель ударных испытаний — проверка способности изделия выполнять свои функции во время ударного воздействия и после него. Главным условием при проведении испытаний является имитация внешних ударных воздействий таким образом, чтобы они достаточно точно соответствовали ударным воздействиям при определенных условиях эксплуатации изделия. С экономической и методической точки зрения предпочтительно проведение испытаний в лабораторных условиях при наличии универсального устройства, позволяющего воспроизводить широкий набор внешних ударных воздействий.

При экспериментальном исследовании поведения объектов испытаний под действием высокоскоростных импульсных ударных нагрузок используют различные методы разгона тел до требуемых скоростей. Для решения данных задач в настоящее время применяют специальные схемы с использованием энергии удара, взрыва, электромагнитного поля и других источников импульсной энергии. Известные устройства разгона тел (многоступенчатые легкогазовые установки, устройства для взрывного метания, рельсовые треки, рельсо-троны и т. д.) позволяют получить скорости до 15 км/с для тел различных масс. Однако, построенные на основе указанных устройств стенды для проведения ударных испытаний, как правило, не предназначены для применения в лабораторных условиях, поскольку являются громоздкими, достаточно сложными в обслуживании и эксплуатации, а так же экологически вредными. Кроме этого, большинство из подобных устройств ускоряют тела небольших масс (микро-, миллиграммы) [1].

Одним из наиболее перспективных методов решения задач эффективного разгона макротел до высоких скоростей для проведения ударных испытаний является использование энергии импульсного магнитного поля.

Испытательные установки, построенные на основе магнитно-импульсного привода, являются достаточно эффективным средством изучения поведения материалов и изделий при динамических воздействиях в лабораторных условиях. Подобные установки по своим показателям выгодно отличаются от аналогичных устройств высокой степенью воспроизводимости испытаний, высокой производительностью испытаний, бесшумностью и экологичностью процесса испытаний, простотой обслуживания и относительно малыми габаритами, разнообразием форм и размеров метаемых тел и т. д.

Принцип высокоскоростного магнитно-импульсного метания твердых электропроводящих тел, лежащий в основе работы магнитно-импульсного привода, основан на возникновении механических сил отталкивания между проводниками, по которым течет электрический ток — явлении, описываемом законом Био-Савара-Лапласа.

Вопросами физики и техники получения сильных магнитных полей и применения их для метания твердых электропроводящих тел занимались научные коллективы под руководством П. Л. Капицы, Г. Кнопфеля, Г. А. Шнеерсона, В. Н. Бондалетова, А. Н. Андреева, Г. Л. Башарина, К. В. Татмышевского. В дальнейшем данное направление получило свое развитие в исследованиях ряда известных ученых как в нашей стране, так и за рубежом.

Принцип действия магнитно-импульсных приводов, способных сообщать телам высокие скорости (до нескольких километров в секунду), предоставляет широкие возможности их применению в различных областях науки и техники. Подобные привода могут применяться для испытаний средств бронезащиты, для проведений испытаний на ударное нагружение взрывательных устройств боеприпасов и т. д.

В состав магнитно-импульсных приводов входят: накопитель энергии, коммутирующее устройство и индуктор. В качестве накопителей энергии используются емкостные или индуктивные накопители. В качестве коммутирующего устройства в магнитно-импульсных приводах используются различного вида разрядники — вакуумные, высокого или атмосферного давления, с твердым диэлектриком. В качестве индукторов могут использоваться одновитковые соленоиды, многослойные спиральные соленоиды, плоские одновитковые и мно-говитковые катушки — индукторы.

В данной диссертационной работе исследуется магнитно-импульсный привод в качестве индуктора в котором используется плоская спиральная катушка-индуктор, в качестве накопителя энергии — емкостной накопитель (батарея высоковольтных импульсных конденсаторов), а в качестве метаемых тзл (инденторов) — твердые электропроводящие тела (рис.1).

Индуктор является первичным контуром, с которым индуктивно связано метаемое тело (например, пластина), представляющая собой вторичный контур. При разряде емкостного накопителя на катушку-индуктор ток, протекающий в первичном контуре, наводит вихревые токи во вторичном контуре, в результате чего между индуктором и метаемым телом наводятся два противоположных по направлению магнитных поля. Это приводит к возникновению интенсивных пондеромоторных сил, за счет которых метаемое тело приобретает большую начальную скорость. Затем метаемое тело летит свободно до встречи с объектом испытаний. Таким образом, в данном процессе энергия электрического поля емкостного накопителя (батареи конденсаторов) преобразуется в энергию магнитного поля индуктора, а затем в механическую работу выталкивания метаемого тела из зоны индуктивной связи индуктора, а также, частично, в теплоту. Возможны различные схемы метания, в зависимости от конструкции индуктора.

Применение магнитно-импульсных приводов позволяет проводить в лабораторных условиях целый комплекс испытаний — на ударную устойчивость, на ударную прочность, на эрозионное изнашивание и т. д. При этом испытания могут проводиться как методом прямого, так и обращенного пусков. Это в ряде случаев значительно упрощает как проведение испытаний, так и обработку полученной входе проведения испытаний измерительной информации. При испытаниях методом обращенного пуска (например, для испытаний изделий авиакосмической техники) объект испытаний крепится неподвижно, а метаемое тело (плоская пластина в качестве имитатора преграды) разгоняется до требуемой скорости.

IV //•'/¦

I /.

1Н.

Рис. 1.

Схема метода магнитно-импульсного метания твердых электропроводящих тел с использованием плоской спиральной катушки-индуктора:

1 — емкостной накопитель;

2 — коммутирующее устройство;

3 — узел индуктора;

4 — метаемое тело (индентор);

5 — объект испытаний.

При этом скорость метания определяется напряжением заряда емкостного накопителя. Материал и толщина метаемой пластины-имитатора преграды выбираются такими же, как у реальной преграды. Метание тел плоской формы при испытаниях является наиболее актуальной задачей, т.к. к процессу соударения изделий авиакосмической техники с плоскими листовыми преградами может быть сведена существенная часть испытаний подобных изделий на функциональные возможности.

Кроме этого, как показал анализ, перспективной областью применения магнитно-импульсных приводов являются системы активной защиты объектов особой важности (для круглосуточной внутриобъектовой и наружной охраны).

Магнитно-импульсный привод, как устройство для метания готовых поражающих элементов наиболее полно соответствует требованиям, предъявляемым на данный момент к средствам поражения для систем активной защиты особо важных объектов. Магнитно-импульсный привод для систем активной защиты объектов особой важности обладает: возможностью быстрой автоматической перезарядкивозможностью бесшумного метания групп тел поражающих элементов различной формывозможностью оперативного регулирования степени воздействия на нарушителявозможностью управления траекторий поражающих элементоввозможностью применения в закрытых помещениях. При срабатывании магнитно-импульсного привода отсутствуют звук, вспышка, демаскирующие охраняемый объект. Значительно упрощается процедура приведения системы в готовность и, особенно, снятия ее с боевого состояния.

Однако существующие на сегодняшний день математические модели и основанные на них методики расчета магнитно-импульсных приводов позволяют проектировать привода только с осесимметричной конфигурацией системы «индуктор-метаемое тело». Данные модели обладают двухмерным режимом расчета. Они не позволяют производить расчет неосесимметричных моделеймоделей где присутствуют, например, спиральные индукторы у которых образующая рабочей поверхности отличается от плоской, или индукторы сложной формы, а так же комбинации индукторов. Кроме этого, подобные модели не позволяют производить расчет процессов ускорения групп тел, а так же тел сложной формы. Перечисленные недостатки существенно сдерживают дальнейшее изучение магнитно-импульсного привода.

Таким образом, на сегодняшний день существует необходимость создания трехмерной математической модели, лишенной вышеперечисленных недостатков, с помощью которой можно было бы адекватно описать широкий спектр процессов магнитно-импульсного ускорения твердых электропроводящих тел, а именно процессов управления траекторией движения метаемых тел с целью формирования заданных траекторий.

Проведенный анализ показывает, что результаты исследований, направленных на изучение эффективного ускорения макротел до высоких скоростей' с использованием высокоскоростного магнитно-импульсного привода, могут быть широко использованы как в испытательной технике, так и в технике средств обеспечения защиты и безопасности.

Целью диссертационной работы является создание научно обоснованных методов управления кинетическими параметрами движения метаемых магнитно-импульсным приводом тел.

В задачи диссертации входят:

1. Анализ физических процессов, протекающих при магнитно-импульсном ускорении твердых электропроводящих тел для выявления факторов влияющих на скорость и начальный угол метания;

2. Разработка трехмерной математической модели, адекватно описывающей процесс ускорения твердых электропроводящих тел импульсным магнитным полем. Целью математического моделирования является исследование возможности управления траекторией движения метаемых тел с целью формирования заданных траекторий;

3. Разработка трехмерной математической модели процесса магнитно-импульсного метания индентора (электропроводящей плоской пластины) при смещении индентора относительно оси плоского спирального индуктора с целью управления траекторией движения индентора;

4. Исследование возможности применения высокоскоростного магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности с целью повышения антитеррористической устойчивости последних;

5. Проведение экспериментальных исследований магнитно-импульсного привода.

Используемые в работе методы основаны на применении теории электродинамики движущихся тел, электромагнитного поля, теоретических основ электротехники, методов вычислительной математики, теории вероятности и математической статистики, теории внешней баллистики, теории раневой баллистики.

Научная новизна работы заключается:

1. В исследовании возможности управления траекторией движения метаемых магнитно-импульсным приводом тел. В разработке трехмерной математическая модели процесса магнитно-импульсного метания индентора (электропроводящей плоской пластины) при смещении индентора относительно оси плоского спирального индуктора;

2. В получении новых зависимостей углов движения индентора (пластины) от величины смещения индентора относительно оси плоского спирального индуктора;

3. В разработке методик проведения испытаний методом прямого и обращенного пусков с использованием магнитно-импульсного привода. В экспериментальном исследовании лабораторной магнитно-импульсная метательной установки на основе магнитно-импульсного привода. В экспериментальном исследовании процессов осесимметричного метания инденторов (плоских пластин), процессов метания инденторов под углом к оси индуктора, процессов метания групп тел, процессов метания непроводящих тел с помощью специального поддона- 4. В разработке методик оценки эффективности магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности.

Практическая ценность работы определяется внедрением и использованием основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследованиях и разработке магнитно-импульсной метательной установки на основе магнитно-импульсного привода.

1. Разработана и апробирована лабораторная магнитно-импульсная метательная установка на основе магнитно-импульсного привода для проведения испытаний различных изделий и материалов на динамические воздействия;

2. Предложены практические рекомендации по выбору конструктивных и энергетических параметров магнитно-импульсного привода и характеристик метаемого тела;

3. Определены факторы влияющие на углы движения метаемых тел (для индукторов диаметрами 50, 72 и 130 мм);

4. Разработана схема применения магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности;

5. Разработана программа расчета для оценки эффективности магнитнё-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности.

Разработанные методики испытаний и результаты научных исследований внедрены: в ФГУП «ФНПЦ «Прибор» (г. Москва) и во Владимирском государственном университете.

Материалы диссертационной работы используются в НИР с ФГУП «ФНПЦ «Прибор» (г. Москва) «Разработка магнитно-импульсного метательного устройства для динамических испытаний выстрелов и их составных частей методом обращенных пусков».

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований магнитно-импульсного привода в рамках данной диссертационной работы были сформулированы следующие основные научные результаты и выводы:

1. Проведен анализ особенностей применения магнитно-импульсных приводов в установках для ударных испытаний. Доказано, что установки на основе таких приводов являются эффективным средством изучения поведения материалов и изделий при ударных воздействиях в лабораторных условиях. Сформулированы основные требования к подобным установкам.

2. Разработана трехмерная математическая модель процесса магнитно-импульсного ускорения индентора (электропроводящей плоской пластины) при смещении индентора относительно оси плоского спирального индуктораисследована возможность управления траекторией движения индентора с целью формирования заданных траекторий. Исследовано влияние величины смещения индентора относительно оси индуктора на угол движения и угол поворота индентора. Установлено, что угол движения и угол поворота индентора зависят от величины смещения индентора относительно оси индуктора.

3. Разработаны структурные и функциональные схемы устройств на основемагнитно-импульсного привода для испытания материалов и изделий на ударные воздействия.

4. Разработана и исследована магнитно-импульсная метательная установка на основе магнитно-импульсного привода для проведения испытаний различных материалов и изделий на ударные воздействия в лабораторных условиях.

5. Приведены основные технические характеристики разработанной магнитно-импульсной метательной установки и принципиальные схемы основных узлов и блоков. Обоснованы особенности выбора и указаны основные технические требования к элементам силового блока, узлу индуктора, метаемому телу. Предложены практические рекомендации по выбору конструктивных и энергетических параметров магнитно-импульсного привода и характеристик метаемого тела.

6. Разработана и впервые реализована методика проведения испытаний методом обращенного пуска с использованием магнитно-импульсного привода. Методом физического моделирования подтверждены основные положения теории и адекватность разработанной математической модели. Экспериментально установлены основные закономерности изменения углов движения и углов поворота инденторов. Экспериментально доказано, что изменяя значение величины смещения индентора относительно оси индуктора можно менять углы движения инденторов относительно оси индуктора, тем самым управлять траекторией движения метаемых тел. Экспериментально подтверждена возможность метания магнитно-импульсным приводом групп тел, тел сложной формы, в том числе тел из непроводящих материалов с помощью специальных поддонов.

7. Разработана методика оценки эффективности магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности. Доказано, что магнитно-импульсный привод, как устройство для метания готовых поражающих элементов является эффективным средством поражения при создании систем активной защиты объектов особой важности.

8. Разработана компьютерная программа расчета эффективности магнитно-импульсного привода в системах активной защиты. Программа позволяет получить зависимости, характеризующие процесс полета метаемых тел и взаимодействия их с биообъектом в зависимости от параметров привода.