Пріщепенко А.Б., Третьяков Д.В.
Високогірний геофізичний інститут
Введення.
У статті розглядаються вибухові генератори, які перетворюють механічну енергію ударної хвилі, що поширюється в робочому тілі, в електромагнітну енергію. Основним елементом таких генераторів є робоче тіло, виконане з феромагнітного або з сегнетоелектричної матеріалу. Ударна хвиля в робочому тілі формується спеціальним зарядом вибухової речовини. Достоїнствами розглянутих пристроїв є компактність і повна автономність від зовнішніх джерел енергії. У залежність від співвідношення конструктивних параметрів, що генерується при спрацьовуванні електромагнітна енергія може бути використана для живлення інших споживачів або випромінювальна в навколишній простір у досить широкому діапазоні радіохвиль. Компактні і прості, ці пристрої можуть бути використані в різних областях, в тому числі, для активного впливу на атмосферні процеси.
Фізичні поцессом, що протікають при функціонуванні генератора.
Загальним результатом руху ударної хвилі по робочому тілу є зміна залишкової поляризації сегнетоелектричної матеріалу робочого тіла або залишкової намагніченості феромагнітного робочого тіла. При цьому спостерігається суттєва відмінність у роботі генераторів в залежності від напрямку руху ударної хвилі щодо вектора залишкової поляризації або залишкової намагніченості в робочому тілі. Розрізняються моделі, що описують випадки руху фронту ударної хвилі у напрямках колінеарні (аксіальне навантаження) і перпендикулярному (радіальне навантаження) напрямку залишкової поляризації або намагніченості робочого тіла. У реальному конструкції вибухового генератора напрямку руху фронту ударної хвилі і залишкової поляризації або намагніченості можуть становити кути не кратні 90 |. Однак у переважній більшості реальних випадків раціональні параметри генератора можуть бути вибрані на основі однієї з двох вищеназваних моделей. Особливе значення напрям фронту ударної хвилі має у разі сегнетоелектричної робочого тіла, так як в цьому випадку воно позначається не тільки на процесах деполяризації, а й на процесах розвитку електричного пробою в робочому тілі.
Передбачається, що ударна хвиля має досить велику інтенсивність і домінуючими процесами при конверсії механічної енергії ударної хвилі в електромагнітну енергію є відповідно процеси переходу феромагнітного стану в парамагнітний і сегнетоелектричних в параелектріческое.
Конструкція феромагнітного робочого тіла представляє собою соленоїд з сердечником з феромагнітного матеріалу.
Феромагнітне робоче тіло на принциповій електричній схемі генератора може бути представлено у вигляді послідовно з'єднаних джерела напруги й індуктивності (рис. 1). Для оціночних розрахунків величина цієї індуктивності також може бути прийнята рівною її початкового значення. Електрорушійна сила джерела напруги може бути знайдена з залежності:
при (1)
і при 
або.
де - загальна кількість витків соленоїда, - залишкова індуктивність феромагнітного матеріалу робочого тіла, - швидкість ударної хвилі в феромагнітному робочому тілі, а - площа поперечного перерізу робочого тіла. Прийнято, що довжина робочого тіла приблизно дорівнює довжині соленоїда.
при 
(2)
при 
і
де - площа контактних поверхонь сегнетоелектричної робочого тіла, - кількість сегнетоелектричних пластин в робочому тілі, - швидкість ударної хвилі в сегнетоелектричних робочому тілі, - стрибок поляризації на фронті ударної хвилі.
При відсутності значень стрибка поляризації на фронті ударної хвилі, швидкості руху фронту ударної хвилі вони наближено можуть бути замінені на, відповідно, залишкову поляризацію і швидкість звуку в матеріалі робочого тіла.
Відстань являє собою шлях ударної хвилі по сегнетоелектричними робочому тілу. Шлях ударної хвилі по пакету робочих тіл, у разі аксіального навантаження:, де 
- Відстань між контактними поверхнями сегнетоелектричних пластин. У разі поздовжнього навантаження відстань дорівнює довжині робочого тіла, у напрямку руху ударної хвилі.
Залежність (2) може бути застосована як у випадку паралельного напрямку поляризації щодо напрямку руху фронту ударної хвилі, так і у випадку перпендикулярного напрямку.
Конструкція генератора.
Розглянутий генератор є повністю автономним пристроєм. Для його спрацьовування достатньо тільки детонаційного імпульсу.
Маса заряду вибухової речовини залежно від конструкції генератора коливається в межах від 3 до 25 грам. Генератор може монтуватися в циліндричний корпус, виконаний з радіопрозорого матеріалу, наприклад, поліаміду. Зовнішній діаметр корпусу v 25-40 міліметрів. Маса укомплектованого генератора разом з корпусом складе від 80 до 200 грам.
Для зниження габаритів і маси генератора може бути застосована конструкція, що включає в себе одночасно робочі тіла двох типів, сегнетоелектричних і феромагнітний. Крім своєї основної функції перетворення енергії ці робочі тіла в процесі функціонування генератора виступають в ролі ємнісного та індуктивного елементів його коливального контуру. Така конструкція генератора дозволяє більш ніж на 30% скоротити його масу в порівнянні з феромагнітним або п'єзоелектричним генераторами при збереженні величини випромінюється в навколишній простір енергії. Скорочення маси конструкції генератора є досить актуальним для багатьох областей його застосування.
Однією з можливих галузей застосування розглянутих генераторів є активний вплив на електричний потенціал атмосферних хмар. Для отримання більшого ефекту кілька сотень таких генераторів можуть бути змонтовані в спеціальному контейнері, який доставляється в хмару, наприклад, метеорологічної ракетою. Усередині хмари контейнер розпаковується і генератори рівномірно розкидаються за обсягом хмари, а потім спрацьовують. Грозове облакосостоіт з двох протилежно заряджених шарів. Основна частина електричних розрядів (блискавок) відбувається між цими шарами. Тільки 10% розрядів припадають на земну поверхню. Вплив на хмару НВЧ випромінювання провокує розряди всередині хмари і вирівнює його електричний потенціал.
Бездротовий електромагнітне випромінювання.
Спектральна щільність електромагнітної енергії, випромінюваної в навколишній простір, може бути оцінена по приводиться нижче емпіричним залежностям. Вводимо позначення величин залежать від цілочисельних індексів і 
:
і
,
де і 
- Постійна Планка і число Авогадро;.
і 
, І 
- Відповідно, щільність і маса моля речовини сегнетоелектричних і феромагнітного робочого тіла.
- Найбільше значення струму в електричному ланцюзі генератора в період часу;
- Найбільше значення напруги на сегнетоелектричної робочому тілі у період часу;
і 
- Безрозмірні емпіричні коефіцієнти.
Величини і можуть бути знайдені експериментально або розраховані по залежності (3). Коефіцієнти і для розглянутого типу генераторів знаходяться в діапазоні 0,03 v 0,09. Тоді спектральна щільність електромагнітної енергії, випромененої в навколишній простір, в залежності від частоти знаходиться за емпіричними формулами:
Для генератора з феромагнітним робочим тілом
(3)
Для генератора з сегнетоелектричних робочим тілом робочим тілом
(4)
Для генератора з двома робочими тілами - сегнетоелектричних і феромагнітним
, (5)
- Одинична функція, і 
.
-Безрозмірний коефіцієнт, що враховує відношення довжини соленоїда до його діаметра і прагне до одиниці при досить довгих соленоїда.
- Найбільше ціле число менше.
- Найбільше ціле число менше.
- - Безрозмірні емпіричні коефіцієнти. Для попередньої оцінки величини діссіпіруемой енергії коефіцієнти,, 
, Можуть бути прийняті рівними одиниці. Коефіцієнти, можуть бути в цьому випадку прийняті рівними нулю. Потім вони можуть уточнюватися в процесі експериментального відпрацювання вироби.
Типова залежність наведена на рис. 3 порівняно із значеннями спектральної щільності, заміряних експериментально.
Рис. 3
Список літератури
Adzhiev A.Kh. & Prishchepenko AB? Developpement de methodes et le moyens pour controler la formation des nuages et des divcipitations par la modification des parametres electriques du nuage |. Deuxieme Symposium International? Foudre Et Montagne |. 1 ... 5 Juin 1997 - Chamonix Mont Blanc - France. B1.10, p. 33.
Пріщепенко А.Б., Третьяков Д.В., Щелкачев М.В. Баланс енергії вибухового п'єзоелектричного генератора частоти. v Мегагауссная і мегаамперная технологія і застосування / Праці конференції v Саров, ВНІІЕФ, 1997, с.954-958.
A. Prishchepenko, D. Tretyakov. Dissipative energy losses in ferromagnetic generator of frequency. / Digest of tecchnical papers. 12th IEEE International Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999, p. 856 -862
Новицький, В.Д. Садунов Енергетичні характеристики сегнетоелектрики як робочого тіла перетворювача енергії УВ. Фізика горіння і вибуху. 1985, | 5, с. 104 - 107.
Є. Ройс Властивості магнітних матеріалів при ударному стисненні. / У книзі: Фізика високих щільностей енергії. / Под ред. П. Кальдіроли і Г. Кнопфеля / Пер. з англ. - М.; Світ, 1974. - С.143-158.
В. В. Новіков, В. М. Мінєєв Магнітні ефекти при ударному навантаженні намагнічених феро-і феримагнетики. / Фізика горіння і вибуху, 1983, | 3, с.97 -104.