взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения

Классы МПК:H05H1/24 генерирование плазмы
F21K5/00 Источники света, использующие заряды горючего материала, например вспышки для освещения
Автор(ы):, , , , , , , , , , , , ,
Патентообладатель(и):Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2010-11-16
публикация патента:

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к устройству для генерации оптически плотной излучающей плазмы с помощью подрыва заряда взрывчатого вещества, и может найти применение в экспериментальной физике. Увеличение длительности импульса излучения, формирование импульса со сложной временной структурой, а также расширение функциональных возможностей взрывного источника излучения является техническим результатом изобретения. В корпусе источника оптического излучения выполнены один или несколько одинаковых рабочих (излучающих) каналов, в каждом из которых заряд бризантного взрывчатого вещества выполнен в виде полого цилиндра, установленного в отверстии корпуса, плазмообразующее вещество в виде полой трубки размещено в полости цилиндрического заряда, при этом параметры источника выбраны из соотношений:

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

где r - радиус внутренней полости заряда взрывчатого вещества, равный наружному радиусу трубки плазмообразующего вещества; взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 - толщина стенки полого цилиндрического заряда взрывчатого вещества; l - длина внутренней полости заряда взрывчатого вещества, равная длине трубки плазмообразующего вещества; М0 - масса плазмообразующего вещества; МВВ - масса взрывчатого вещества; взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 ВВ - удельная энергоемкость взрывчатого вещества (кДж/г); Qсубл - удельная энергия сублимации плазмообразующего вещества (кДж/г). 5 з.п. ф-лы, 5 ил. взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

Рисунки к патенту РФ 2462008

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

Изобретение относится к плазменной технике, а точнее к устройствам для генерации оптически плотной излучающей плазмы с помощью подрыва заряда взрывчатого вещества, и может быть использовано в экспериментальной физике.

Известен патрон газодинамический со световым действием, содержащий корпус, в котором последовательно установлены средство инициирования в виде капсуля-воспламенителя, заряд взрывчатого вещества (ВВ) и снаряжение со светообразующим веществом в виде порошка магния (патент RU 2070709, МПК F42B 5/145, опубл. 20.12.1996). Известный патрон обеспечивает импульсное световое воздействие длительностью несколько сотен миллисекунд за счет горения магния.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность применения из-за малого радиуса действия (единицы метров), невысокие энергетические характеристики излучения при горении порошка магния, узкий спектральный диапазон.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является взрывной плазменно-оптический источник излучения, реализованный в боеприпасе подавления оптико-электронных средств и выбранный в качестве прототипа (патент RU 2121646, МПК F42B 5/15, F42B 5/145, F42B 12/42, опубл. 10.11.1998), содержащий корпус с выходным окном, заряд бризантного взрывчатого вещества, устройство подрыва на основе электродетонатора и плазмообразующее вещество. Известное устройство-прототип обеспечивает генерацию импульсного излучения высокой интенсивности в широком спектральном диапазоне за счет нагрева ксенона за фронтом ударной волны, инициированной в результате подрыва заряда взрывчатого вещества.

Недостатком известного устройства-прототипа является малая длительность импульса излучения (10взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 15 мкс), что ограничивает функциональные возможности применения, и невысокий КПД преобразования энергии заряда взрывчатого вещества в энергию излучения (не более 0,1%).

Задачей настоящего изобретения является увеличение длительности импульса излучения и КПД, а также расширение функциональных возможностей взрывного источника излучения.

Такой технический результат достигается тем, что в корпусе выполнены один или несколько одинаковых рабочих (излучающих) каналов, в каждом из которых заряд бризантного взрывчатого вещества выполнен в виде полого цилиндра, установленного в отверстии корпуса, плазмообразующее вещество в виде полой трубки размещено в полости цилиндрического заряда, при этом параметры источника выбраны из соотношений

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

где r - радиус внутренней полости заряда взрывчатого вещества, равный наружному радиусу трубки плазмообразующего вещества;

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 - толщина стенки полого цилиндрического заряда взрывчатого вещества;

l - длина внутренней полости заряда взрывчатого вещества, равная длине трубки плазмообразующего вещества;

М0 - масса плазмообразующего вещества;

МВВ - масса взрывчатого вещества;

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 ВВ - удельная энергоемкость взрывчатого вещества (кДж/г);

Qсубл - удельная энергия сублимации плазмообразующего вещества (кДж/г).

Бризантное взрывчатое вещество может содержать добавку плазмообразующего вещества в виде мелкодисперсной фракции с массовой долей до 30%.

Внутри полости трубки плазмообразующего вещества может быть установлен вкладыш из высокопористого плазмообразующего вещества.

Устройство подрыва может быть выполнено с временным замедлителем.

В качестве плазмообразующего вещества может быть выбран алюминий.

Выходное окно может быть выполнено в виде металлической фольги, закрывающей отверстие в корпусе, или в виде пластины из прозрачного в рабочей области спектра оптического материала, установленной в отверстии корпуса.

Увеличение длительности импульса излучения и повышение КПД предлагаемого взрывного плазменно-вихревого источника оптического излучения происходит за счет того, что при его работе формируется импульс излучения со сложной временной структурой, интегральный высвет которого значительно повышается по сравнению с аналогами и прототипом.

Расширение функциональных возможностей предлагаемого взрывного плазменно-вихревого источника оптического излучения обусловлено специфической, нестандартной формой генерируемого импульса излучения, включающей «быструю» и «медленную» стадии, что позволяет решать дополнительные задачи экспериментальной физики, например имитацию специальных воздействий.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 изображена схема взрывного одноканального плазменно-вихревого источника оптического излучения, на фиг.2 - пример конструктивного выполнения взрывного многоканального плазменно-вихревого источника оптического излучения, на фиг.3 - характеристические размеры полого цилиндрического заряда взрывчатого вещества и трубки из плазмообразующего вещества, на фиг.4 - схема формирования плазменного тороидального излучающего вихря; на фиг 5 - типовая осциллограмма импульса излучения взрывного плазменно-вихревого источника излучения на длинах волн 555 нм и 1000 нм при скорости развертки 1 мс/дел.

В одноканальном варианте взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения содержит корпус 1 с выходным окном, полый цилиндрический заряд взрывчатого вещества 2 на основе гексогена с добавкой алюминиевой пудры с массовой долей 20%. Скорость детонации такого заряда составляла ~7,9 км/с. Устройство подрыва реализовано в виде электродетонатора 3, соприкасающегося с зарядом взрывчатого вещества 2. В полости цилиндрического заряда 2 помещена трубка 4 из алюминиевой фольги толщиной 0,3 мм.

Выходное отверстие корпуса 1 может быть открытым или закрываться металлической фольгой 5.

В варианте исполнения в выходном отверстии корпуса 1 может размещаться оптическая пластина из кварца, лейкосапфира или других оптически прозрачных материалов (на фиг.1 не показано).

В варианте исполнения внутри трубки 4 может размещаться дополнительное количество плазмообразующего вещества в виде вкладыша из высокопористого алюминия.

В многоканальном варианте взрывного плазменно-вихревого источника излучения в корпусе 1 выполнено несколько (в примере выполнения на фиг.2 показано семь) рабочих излучающих каналов, каждый из которых состоит из полого цилиндрического заряда бризантного взрывчатого вещества 3 и трубки 4 из алюминия в качестве плазмообразующего вещества.

Устройство подрыва реализовано в виде электродетонатора 3 и детонационных каналов 6 в корпусе 1, заполненных взрывчатым веществом. Конфигурация детонационных каналов выбирается из условия равенства длин путей распространения волны детонации от электродетонатора 3 до каждого цилиндрического заряда 2.

В точке контакта каждого детонационного канала 6 с цилиндрическим полым зарядом 2 взрывчатого вещества установлена пластина 7 из инертного материала.

Выходные отверстия излучающих каналов закрыты кварцевой пластиной 5 (или металлической мембраной), поджатой к корпусу 1 крышкой 8.

Работа предложенного взрывного плазменно-вихревого источника излучения поясняется на примере конструктивно более сложного многоканального варианта (фиг.2).

На электродетонатор 3 от внешнего источника подается электрический импульс, вызывающий срабатывание электродетонатора и возникновение вследствие этого детонационной волны в каналах 6, заполненных взрывчатым веществом. Волна детонации распространяется по каждому из каналов 6 с определенной скоростью (скорость детонации) и через некоторое время задержки, определяемое длиной каналов, подходит к полым цилиндрическим зарядам 2. В силу равенства длин каналов 6 моменты подхода детонационной волны к каждому из цилиндрических зарядов 2 совпадают с погрешностью, не превышающей десятых долей микросекунды.

В каждом из рабочих излучающих каналов волна детонации огибает пластину 7 из инертного материала и переходит на полые цилиндрические заряды 2, распространяясь вдоль каждого заряда. Расширение продуктов детонации приводит к схлопыванию трубки 4 из алюминия, интенсивному разогреву, испарению и последующей ионизации образующихся паров плазмообразующего вещества, т.е. к образованию высокотемпературной и интенсивно излучающей плазмы. В этот момент времени излучение плазмы выходит из источника через кварцевую пластину 5.

Особенность описанного процесса формирования плотной излучающей плазмы состоит в том, что не вся масса плазмообразующего вещества переходит в плазменное состояние, значительная ее доля остается в капельной фазе.

Далее ударная волна разрушает кварцевую пластину 5 и струя плазмы истекает из выходного отверстия каждого из рабочих каналов источника в атмосферу. Процесс истечения сопровождается ударным торможением струи на атмосферном воздухе и трансформацией направленной кинетической энергии плазмы во внутреннюю энергию ударно нагретой плазмы, что приводит к повышению ее температуры и давления.

Истечение плазмы сопровождается оттеснением воздуха из области, прилегающей к выходному отверстию рабочего канала источника, и формированием контактной границы «плазма-воздух». При этом в воздухе образуется ударная волна и прослойка ударно сжатого газа, на которой происходит торможение истекающей из выходного отверстия рабочего излучающего канала плазменной струи.

Осевое движение ударно сжатой плазмы сопровождается ее радиальным расширением, причем в начальный период торможения скорость радиального расширения близка к продольной скорости контактной границы. Радиальный разлет плазмы приводит к уменьшению ее температуры, конкурирующим с точки зрения выхода излучения процессом является рост геометрических размеров тела свечения. В результате в первые 3взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 8 мкс истечения мощность излучения, регистрируемая с фронта струи, монотонно возрастает. Яркостные температуры излучения в первом максимуме составляют 12взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 15 кК при характерных размерах тела свечения 10взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 15 см.

Длительность импульса излучения на полувысоте, соответствующая первой высокотемпературной стадии процесса, составляет 5взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 10 мкс для ультрафиолетового излучения и 10взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 25 мкс для видимого излучения. На этой, быстрой, стадии течения достигаются максимальные яркостные температуры и мощности излучения - осевая сила излучения составляет ~300 кВт/ср для одноканального и ~2 МВт/ср для семиканального варианта исполнения источника..

К концу быстрой стадии в результате динамической суперпозиции осевого и радиального движений плазмы контактная граница приобретает характерную «грибовидную» форму, при этом в полости «шляпки гриба» создается разреженность. Это приводит к возникновению обратного движения, последующей закрутке газа на периферии и, в конечном итоге, к формированию крупномасштабного тороидального плазменного вихря (фиг.4).

Одновременно с формированием вихревого течения продолжается истечение из выходного отверстия рабочего канала источника парокапельного потока, который индуцированным полем вихря захватывается в циркуляционное движение. При взаимодействии с кислородом воздуха, также захватываемым в вихрь, мелкодисперсные капли алюминия окисляются, а выделяемая при этом дополнительная тепловая энергия трансформируется в энергию вращательного движения и энергию излучения. В результате формируется долгоживущее (несколько десятков миллисекунд) плазменно-вихревое образование, которое интенсивно излучает световую энергию с яркостной температурой 3,5взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 6 кК. Длительность существования такого излучающего плазменно-вихревого образования достигает 10взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 20 мс.

Приведенные на фиг.5 характерные осциллограммы импульсов излучения относятся к одноканальному варианту выполнения взрывного плазменно-вихревого источника излучения. На осциллограммах хорошо видно наличие двух стадий импульса излучения: «быстрой» и «медленной».

Приведенное описание работы взрывного плазменно-вихревого источника излучения и достижение заявленного технического результата имеет место при условии соблюдения определенных взаимосвязей между конструктивными параметрами устройства.

Так, в двойном неравенстве (1) при взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 <r уменьшается плотность энергии взрыва на единицу поверхности трубки плазмообразующего вещества, как следствие, снижается эффективность кумулятивного процесса сжатия и нагрева плазмообразующего вещества, уменьшается скорость кумулятивной плазменной струи и снижается пиковая мощность излучения источника.

При взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 >2r уменьшается эффективность использования массы, а следовательно, энергии ВВ из-за того, что растет относительная массовая доля ВВ, не участвующая в кумулятивном процессе, а разлетающаяся от оси в радиальном направлении.

В неравенстве (2) при l<10r в кумулятивном канале не успевает сформироваться устойчивое газодинамическое течение и не достигаются вследствие этого необходимые для оптимального режима генерации оптического излучения газотермодинамические параметры плазменного потока - среднемассовая скорость, температура и плотность вещества.

При l>30r увеличиваются потери энергии высокоскоростного плазменного потока на стенках канала (потери на трение и теплоотвод) и возрастает тормозное влияние присоединенной массы воздуха, в результате уменьшается эффективность преобразования энергии ВВ в кинетическую энергию плазменного потока, уменьшается его среднемассовая скорость, что приводит к снижению яркости и мощности оптического излучения, генерируемого в быстрой стадии рабочего процесса взрывного источника.

В соотношении (3) при

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

реализуется режим не оптимально высоких удельных энергетических нагрузок на единицу массы плазмообразующего вещества. При этом несмотря на то, что обеспечиваются достаточно большие пиковые мощности излучения источника, но из-за малой массы плазмообразующего вещества, находящейся в микрокапельной фазе, уменьшается вклад плазмохимических процессов, протекающих в тороидальном вихре, т.е. уменьшается роль второй, медленной стадии рабочего процесса. В результате этого существенно уменьшаются длительность светового импульса, полный энергетический выход излучения и кпд источника в целом.

При

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

удельных энергетических нагрузок, вкладываемых в единицу массы плазмообразующего вещества, недостаточно для эффективного нагрева и ускорения плазмы, среднемассовые скорости газоплазменного потока малы, значительная доля массы плазмообразующего вещества истекает в атмосферу в виде крупных капель расплавленного металла, которые не захватываются в вихревое движение и не участвуют в протекающих в вихре плазмохимических процессах. В результате существенно уменьшаются как яркости и пиковые мощности, так и энергетический выход излучения и эффективность преобразования химической энергии ВВ в оптическое излучение.

В результате выполнения указанных соотношений создаются условия для самоподдержания устойчивого плазменно-вихревого образования, излучение которого формирует вторую «медленную» стадию результирующего импульса излучения предложенного источника излучения.

Таким образом, заявленная в формуле изобретения совокупность существенных признаков обеспечивает при работе предложенного взрывного плазменно-вихревого источника излучения протекание таких физических процессов, которые приводят к двухстадийному характеру образующейся излучающей плазмы и, соответственно, к двухстадийному импульсу излучения. Наличие 2-й «медленной» стадии на порядок увеличивает общий высвет излучения и КПД источника по отношению к энергии, запасенной в заряде взрывчатого вещества.

Максимальная достигнутая в экспериментах мощность излучения для одноканального варианта исполнения составила около ~300 кВт/ср при энергетическом выходе ~400 Дж/ср. При увеличении массы плазмообразующего вещества путем размещения в полости цилиндрической трубки дополнительного вкладыша из пористого алюминия достигнуто увеличение угловой плотности излученной энергии до 600 Дж/ср (при максимальной мощности излучения ~65 кВт/ср).

Если предположить, что энергия излучается изотропно в телесный угол 4взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 , то эффективность преобразования химической энергии ВВ в излучение составляет 5,0взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 7,5%, что существенно выше КПД прототипа и других известных взрывных источников излучения. Удельный энергосъем излучения при этом достигает значений 250взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 380 Дж с одного грамма массы ВВ.

Предложенный взрывной плазменно-вихревой источник излучения может быть использован, например, для проверки и калибровки различных фотоприемников с одновременной регистрацией работоспособности сравнительно быстропротекающих и медленнопротекающих процессов.

Кроме того, такая уникальная форма выходного импульса излучения позволяет применить предложенный источник для имитации специальных воздействий, например излучения воздушного ядерного взрыва.

Кроме того, предложенный взрывной плазменно-вихревой источник излучения может быть использован в качестве средства для создания помех (противодействия) различным оптическим и оптико-электронным приборам наведения, разведки и целеуказания.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, содержащий корпус с выходным окном, заряд бризантного взрывчатого вещества, устройство подрыва на основе электродетонатора и плазмообразующее вещество, отличающийся тем, что в корпусе выполнены один или несколько одинаковых рабочих излучающих каналов, в каждом из которых заряд бризантного взрывчатого вещества выполнен в виде полого цилиндра, установленного в отверстии корпуса, плазмообразующее вещество в виде полой трубки размещено в полости цилиндрического заряда, при этом параметры источника выбраны из соотношений:

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008

где r - радиус внутренней полости заряда взрывчатого вещества, равный наружному радиусу трубки плазмообразующего вещества;

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 - толщина стенки полого цилиндрического заряда взрывчатого вещества;

l - длина внутренней полости заряда взрывчатого вещества, равная длине трубки плазмообразующего вещества;

М0 - масса плазмообразующего вещества;

МВВ - масса взрывчатого вещества;

взрывной плазменно-вихревой источник оптического излучения, патент № 2462008 ВВ - удельная энергоемкость взрывчатого вещества, кДж/г;

Qсубл - удельная энергия сублимации плазмообразующего вещества, кДж/г.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что взрывчатое вещество содержит добавку плазмообразующего вещества в виде мелкодисперсной фракции с массовой долей до 30%.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри полости трубки плазмообразующего вещества установлен вкладыш из высокопористого плазмообразующего вещества.

4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что в качестве плазмообразующего вещества выбран алюминий.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство подрыва выполнено с временным замедлителем.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходное окно выполнено в виде металлической фольги, закрывающей отверстие в корпусе, или в виде пластины из прозрачного в рабочей области спектра оптического материала, установленной в отверстии корпуса.


Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2462008

patent-2462008.pdf
Патентный поиск по классам МПК-8:

Класс H05H1/24 генерирование плазмы

Патенты РФ в классе H05H1/24:
нагнетательное насосное устройство с диэлектрическим барьером и способ формирования такого устройства -  патент 2516002 (20.05.2014)
способ формирования самонакаливаемого полого катода из нитрида титана для системы генерации азотной плазмы -  патент 2513119 (20.04.2014)
устройство, препятствующее карбонизации -  патент 2508067 (27.02.2014)
генератор плазмы (варианты) -  патент 2503079 (27.12.2013)
устройство для возбуждения высокочастотного факельного разряда -  патент 2499373 (20.11.2013)
генератор широкоаппертурного потока газоразрядной плазмы -  патент 2496283 (20.10.2013)
плазменный источник энергии -  патент 2485727 (20.06.2013)
устройство и способ управления потоком плазмы на задней кромке аэродинамического профиля -  патент 2474513 (10.02.2013)
способ организации рабочего процесса в камере лазерного ракетного двигателя и лазерный ракетный двигатель -  патент 2468543 (27.11.2012)
способ получения нанодисперсных порошков в плазме свч-разряда и устройство для его осуществления -  патент 2455061 (10.07.2012)

Класс F21K5/00 Источники света, использующие заряды горючего материала, например вспышки для освещения





Наверх