2.1. Взрывомагнитные генераторы

Взрывомагнитные генераторы (ВМГ) - устройства одноразового действия, реализующие предельные возможности современной техники генерации мощных импульсов электромагнитной энергии. В классической схеме ВМГ продукты детонации взрывчатого вещества, воздействуя на цилиндрический металлический лайнер, расширяют его поперек силовых линий созданного заранее магнитного поля, совершая тем самым работу против пондеромоторных сил этого все возрастающего по величине магнитного поля. Накопленная магнитная энергия импульсного тока передается в нагрузку при быстром размыкании индуктивного контура, образованного в конце процесса сжатия лайнера и вытеснения магнитного потока. Плотность генерируемой электрической энергии в ВМГ может достигать ~10^2 Дж/г, а удельная мощность 10^13-10^14 Вт/м3. Удельные параметры всей системы электропитания на основе ВМГ (с системой запуска и первичной запитки магнитным полем) примерно на порядок хуже. С использованием ВМГ получены импульсные токи до ~300 МА и освоен энергетический диапазон 10^7-10^8 Дж при пиковой мощности 10^11 Вт. Разработанные методы
пространственно-временного преобразования энергии позволяют изменять форму токового импульса в нагрузке и его длительность от 10-6 до 10-3-10-2 с.

Неудобство пользования ВМГ, связанное с взрывным характером его действия, может не являться определя-ющим фактором для ряда приложений. Если для предотвращения бризантного действия ВМГ помещается в защитной металлической или стеклопластиковой взрывной камере, то с учетом ее массы удельные параметры системы в целом ухудшаются до ~1 Дж/г.

По условиям электрического согласования ВМГ является оптимальной системой электропитания для нагрузок с возрастающим во времени импедансом, например, электромагнитных ускорителей, Z-пинчей.

2.2. Взрывные плазменные МГД-генераторы

Взрывные плазменные МГД-генераторы (МГДВГ) в отличие от ВМГ - сохраняемый преобразователь химической энергии взрывчатого вещества. В классической схеме МГДВГ расширяющиеся продукты детонации проталкивают электропроводную плазму, образованную за головной ударной волной, через поперечное магнитное поле МГД-канала. Электроды МГД-канала соединяются с нагрузкой. Быстрое расширение газообразных продуктов детонации позволяет использовать сохраняемые МГД-канал и взрывную камеру. Неразрушаемость конструкции МГДВГ позволяет реализовать частотно-периодический режим работы устройства. В лабораторных экспериментах на установках малого масштаба освоен уровень мощностей ~10^9 Вт и токов ~0,5 МА. Удельные энергетические параметры МГДВГ значительно ниже, чем у ВМГ, но достижимые величины удельной энергии до 1 Дж/г делают МГДВГ конкурентоспособными.

2.3. Жидкометаллические МГД-генераторы

Жидкометаллические МГД-генераторы (ЖМГДГ) используют, как правило, пороховой заряд в качестве химического топлива. ЖМГДГ - неразрушаемая в каждом пуске электрическая машина замкнутого цикла (по жидкометаллическому рабочему телу), работающая в частотном режиме (до 1 Гц) при замене порохового заряда. Характерная длительность импульса тока от 10-3 до 10-1 с. Маневренность запуска системы определяется временем разгона рабочего тела и составляет ~10-3 с, т.е. ЖМГДГ - система высокого уровня готовности. Вследствие малого уровня диссипативных потерь в канале ЖМГДГ может работать в режиме с самовозбуждением, что определяет высокую степень его автономности (коэффициент усиления электрической энергии в одноступенчатой схеме генератора ~10). В существующих проектах на энергию 1-10 МДж, не оптимизированных по весам установок, удельные энергетические характеристики ЖМГДГ составляют 0,1-0,2 Дж/г при коэффициенте преобразования химической энергии пороха в электрическую до 10%. Характерной особенностью ЖМГДГ являются низкие генерированные напряжения 0,1-1 кВ.

2.4. МГД-генераторы кратковременного действия

МГД-генераторы кратковременного действия (МГДКД) - это МГД-установки открытого цикла, работающие на продуктах сгорания специальных твердых топлив. Они имеют высокие удельные параметры (удельная мощность свыше 0,5 МВт на тонну конструкции, расход топлива 25-70 кг/с, удельный энергосъем 0,7 МДж на килограмм топлива). Характерное время генерации электрического импульса в таких установках 2-10 с. Возможность работы в режиме с самовозбуждением обусловливает высокую степень автономности этого энергоисточника. Эксплуатационными особенностями работы таких установок являются: ограниченный ресурс МГД-канала (несколько пусков), экологические проблемы (при генерируемой мощности -1 ГВт расход топлива с легкоионизирующей присадкой ~2 т/с), наличие значительного продольного импульса отдачи (необходимо надежное крепление к фундаменту). Характерной особенностью МГДКД являются низкие (порядка единиц киловольт) генерируемые напряжения.

Усилиями отечественных ученых и инженеров создана серия установок на базе МГДКД мощностью от 10 до 600 МВт, которые нашли широкое применение в геофизических исследованиях структуры земной коры для прогноза землетрясений и поиска полезных ископаемых.

Энергетические характеристики импульсных МГД-генераторов приведены на рисунке:

а - энергомощностные, б - электрические, в - удельные энергетические

Электромашинные преобразователи