Воздействие импульсных магнитных полей на объекты, движущиеся с высокими скоростями

намические силы взаимодействия ИМП с электропроводящим материалом объекта – силы Лоренса. [11]

Движущееся тело перемещаясь, например, над плоским индуктором, соединенным с магнитно-импульсной установкой (МИУ), испытывает электродинамическое воздействие F, возникающее в результате разряда батареи конденсаторов МИУ на индуктор. [12, 13] (рис. 1).

Возможно два вида взаимодействия ИМП с движущимся объектом: в первом случае – в каждый момент времени объект условно не подвижен, а ИМП – переменное; во втором случае – наоборот, магнитное поле постоянно, а объект движется, пересекая линии магнитного поля. В общем случае на движущийся объект действуют одновременно две силы Лоренса.

Рис. 1. Взаимодействие движущегося объекта в ИМП плоского индуктора

При первом виде воздействия переменное магнитное поле наводит в теле объекта вихревые токи, возникающие, при этом, электродинамические силы - результат взаимодействия двух полей: ИМП индуктора и магнитного поля от наведенных токов.

Во втором случае, возникающие силы Лоренса (векторная величина) зависят от угла между направлением силовых линий магнитного поля и направлением движения объекта. При совпадении направлений (синус угла равен нулю) эти силы можно не рассматривать.

Под действием ИМП движущееся тело получает электродинамического усилие F, изменяя скорость и траекторию движения. Время действия импульса пропорционально длительности разряда МИУ в диапазоне – 10-3…10-5 секунд, и должно быть согласовано с временем движения объекта над индуктором.

На рисунках 2 приведены примеры схем взаимодействия ИМП с движущимися объектами для цилиндрических индукторов: с активной цилиндрической и конической зоной воздействия.

Рассмотрим вариант взаимодействия ИМП с движущимся телом в цилиндрическом индукторе :

• -    во время движения тела от входа и до оси симметрии активной зоны индуктора вектор магнитной индукции ИМП направлен в противоположную сторону траектории движения, сообщая тормозящее усилие;

• -    при включении ИМП во время движения тела за осью симметрии активной зоны поле стремится вытолкнуть тело, сообщая ему дополнительное ускорение (рис. 2а).

В коническом индукторе (рис. 2б), возникающая сила взаимодействия F1 раскладывается на две составляющие: горизонтальную и вертикальную. Вектор горизонтальной составляющей F2 направлен в противоположную сторону траектории движения. Конический индуктор представляет собой магнитную ловушку с «зеркальным» отражением, в которой напряженность ИМП сильно и плавно возрастает, что приводит к снижению скорости движения тела в выходной горловине индуктора. Если на траектории движения разместить несколько таких индукторов, то скорость движения можно свести до минимума.

Таким образом, взаимодействие ИМП с движущимися телами зависит: от конфигурации и размеров индуктора, от напряженности и длительности ИМП, направления и скорости движения тела, физических свойств материала тела и соотношения геометрических размеров тела и активной зоны индуктора.

СИЛОВЫЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИМП С ДВИЖУЩИМСЯ ОБЪЕКТОМ

При разряде емкостного накопителя энергии МИУ на индуктор, вокруг его витков формируется ИМП с напряженностью

Н = 10⁵…10⁷ А/м и длительностью τ = 10^-3 …10^-5 сек. В электропроводном теле движущегося объекта наводятся вихревые токи I₂ = 10…100 кА, которые взаимодействуют с ИМП индуктора.

Энергия, запасенная в емкостном накопителе энергии МИУ, равна:

где С – емкость накопителя энергии; U – напря- жение заряда.

Величина электродинамической силы F, действующей на электропроводное тело в им- пульсном магнитном поле равна:

ri ' f2 F0 sina F =                   ,

2 • Jr ■ Ah

где I₁ – ток в индукторе; I₂ – наведенный ток в теле; l₀ – длина тела; ∆h – расстояние между телом и витками индуктора; α – угол между направлением движения тела и направлением силовых линий ИМП.

Формула (2) справедлива для случая, если размер тела в направлении действия электродинамической силы F, больше глубины проникновения ИМП в материал тела, т.е больше величины скин-слоя – ∆:

∆ = , (3) ^” f^o f где ρ0 – удельное электрическое сопротивление материала тела; f – частота разрядного тока в индукторе; μ0 = 4π·10-7 – постоянная магнитная проницаемость.

(a)

Рис. 2. Схема взаимодействия ИМП с движущимся объектом при использовании: а) цилиндрического индуктор; б) конусного индуктора

ИМП

На рисунке 3 показана форма разрядного тока МИУ в индукторе, которая, в большинстве случаев, принимает форму затухающей синусоиды.

Рис. 3. Характер разрядного тока цепи: МИУ – индуктор – тело:

I_1max – амплитуда 1 ^го полупериода тока,

I_3max – амплитуда 3 ^го полупериода, Т – период колебаний)

Затухание тока характеризуется декрементом затухания δ и определяет характер силового воздействия на движущийся объект во времени:

δ = |^ ^imar ,                (4)

Ьтм

Как видно из рисунка 3, наибольший вклад на величину электродинамической силы F оказывает амплитуда первой полуволны тока – I1max, поэтому, при значительном декременте затухания тока влиянием последующих полупериодов можно пренебречь. Эффективная длительность импульса воздействующего на тело для колебательного характера разряда с небольшой погрешностью принимается равной периоду колебаний тока – Т.

Таким образом, электродинамическая сила, действующая на движущееся электропроводное тело, пропорциональна напряженности ИМП, т.е. величине тока в индукторе, длине тела и обратно пропорциональна расстоянию между телом и витками индуктора (зазору между ними).

МЕТОДИКА ПОИСКОВОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

Цель поискового эксперимента – проверка практической реализации предложенного технического решения и оценка его эффективности.

На рисунке 4 приведена схема экспериментального стенда.

Рис. 4. Схема экспериментального стенда

Экспериментальный стенд, включает: МИУ с запасаемой энергией 10 кДж; высокоскоростную цифровую видеокамеру; импульсный источник света; бесконтактные оптические дат-

Рис. 5. Внешний вид измерительного комплекса чики синхронизации; датчик импульсного тока; цифровой запоминающий осциллограф и блок задержки запуска МИУ с регулируемой задержкой в диапазоне 10-5…10-3 секунд (рис. 5).

В эксперименте в качестве движущегося тела использовалась медная и свинцовая пуля, выпущенная из пневматического ружья. Начальная скорость пули: 150…170 м/сек. Медная пуля выполнена в виде цилиндра Ø4 мм, длиной 10 мм. Свинцовая пуля из стандартного комплекта ружья с размерами Ø4 х 8 мм.

Для воздействия ИМП на пулю использовались плоский (рис. 6) и цилиндрический (рис. 7) индукторы.

Рис. 6. Плоский индуктор

Плоский индуктор выполнен в виде спирали Архимеда и содержит 10 витков токопровода из медной шины 4 х 8 мм. Наружный диаметр индуктора 80 мм.

Цилиндрический индуктор представляет собой полую катушку, намотанную из 5 витков медной шины с внутренним диаметров 50 мм и рабочей зоной 30 мм.

Рис. 7. Цилиндрический индуктор

Ружье закреплялось жестко, обеспечивая стабильное направление полета пули над вит- ками плоского индуктора и по оси цилиндрического индуктора.

Траектория полета пули над плоским индуктором регистрировалось цифровой видеокамерой «Cordin 505» со скоростью 9000 кадров в секунду в режиме «отраженного света». Длительность свечения импульсной лампы подсветки – 3·10-3 сек.

Изменение траектории полета пули оценивалось по величине отклонения следа от пули на мишени. Изменение скорости пули сквозь цилиндрический индуктор рассчитывалось по обработке покадровой кинограммы на входе и выходе из индуктора.

На рисунке 8 представлен алгоритм управления аппаратурой стенда.

Рис. 8. Алгоритм работы экспериментального стенда

Синхронизация аппаратуры обеспечивалась оптическим датчиком в момент пересечения светового потока датчика летящей пулей с необходимыми задержками. Регулируя время задержки включения видеокамеры, регистрировались фрагменты полета пули на разном временном этапе. Одновременно измерялись электрические параметры силового воздействия: напряженность магнитного поля и разрядный ток в индукторе.

Запасаемая энергия МИУ регулировалась в пределах 2…5 кДж. Заряд накопителя энергии МИУ до заданного уровня осуществлялся заранее, затем МИУ находилась в ждущем режиме. Команда на разряд подавалась автоматически от компьютера с необходимой задержкой на время подлета пули к индуктору. Временная диаграмма работы основных элементов стенда показана на рисунке 9.

Рис. 9. Временная диаграмма работы экспериментального комплекса

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

На рисунках 10 и 11 представлены фрагменты покадровой киносъемки траектории полета пули при воздействии импульсным магнитным полем плоского и цилиндрического индукторов.

Конечный результат эксперимента можно оценить по следам пули на мишени на рисунках

Рис. 10. Фрагменты киносъемки траектории полета пули с плоским индуктором под воздействием ИМП

На рисунке 11 фрагменты киносъемки полета пули сквозь внутреннюю полость цилиндрического индуктора

Направление полета пули

Рис. 11. Фрагменты киносъемки траектории полета пули с цилиндрическим индуктором

Мишень

Рис. 12. Схема изменения траектории полета пули и ее взаимодействие с мишенью

Рис. 13. Следы пули на мишени, установленной на расстоянии 1000 мм от индуктора (а) – без воздействия ИМП;

(б, в) – с воздействием ИМП)

В экспериментах с цилиндрическим индуктором скорость полета пули возрастала со 150 м/ сек до 180 м/сек при энергии заряда МИУ – 3,5 кДж.

При использовании конусного индуктора зафиксировано замедление полета пули.

Кроме того, как видно из кадров видеозаписи воздействие ИМП не только изменяет скорость и траекторию движения тела, но вызывает его вращение вокруг центра масс, как результат неравномерности распределения магнитного поля вдоль траектории полета, а также возможного исходного смещения центра тяжести пули.

ВЫВОДЫ

Возможные направления использования управляемого воздействия ИМП на движущиеся с высокими скоростями объектов:

Для защиты особо важных объектов с возможностью быстрого автоматического многократного воздействия, бесшумного регулирования степенью воздействия, применение в закрытых помещениях и др. [14]

Применение в различного рода испытательной технике на динамическую нагрузку. [15]

В устройствах технологического применения: импульсная клепка, дорнование, пробивка отверстий и др. [2…4]

При создании средств обеспечения защиты летательных аппаратов от внешних летящих с высо -кими скоростями тел (осколков, микрометеоритов).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

• 1.    Подтвержден факт эффективности влияния импульсного магнитного поля на скорость и траекторию быстро-перемещающихся электропроводных тел.

• 2.    Установлен эффект сопутствующего влияния ИМП на перемещающееся тело – придание вращательного движения, из-за неравномерности поля в индукторе и смещения центра масс тела.

• 3.    Определены основные факторы управления магнитно-импульсным воздействием на быстро перемещающиеся тела: энергия разряда МИУ; кинематика движения; физические свойства тел; длительность импульса воздействия; напряженность магнитного поля и др.

• 4.    Определены области применения метода воздействия ИМП на быстро перемещающиеся тела.

Отклонение траектории движения медного цилиндра с размерами Ø4 х 10 мм, перемещающегося со скоростью 150 м/сек над поверхностью плоского индуктора под воздействием импульсного магнитного поля напряженностью 105 А/м, составило 200 мм на расстоянии 1000 мм от индуктора.

При движении сквозь цилиндрический индуктор «на обжим» скорость движения тела увеличилась со 150 м/сек до 180 м/сек при энергии воздействия 3,5 кДж.

При использовании индуктора с конусной активной зоной «на обжим» с углом конусности α = 20^о, скорость полета пули на выходе снизилась на 20 м/сек.