4.4. Попытка исследования ионной кинетики в ударно-сжатых газах: неожиданно получился плохой МГД-генератор

4.4. Попытка исследования ионной кинетики в ударно-сжатых газах: неожиданно получился плохой МГД-генератор

Идея заключалась вот в чем: известно, что в сильных ударных волнах происходит ионизация газа, более того, там существуют свободные электроны, потому что газ нагревается и все отрицательные ионы диссоциируют. Значит, если в столбе такого газа (рис. 4.13) разместить электроды и приложить к ним напряжение, то сначала из столба будут «вытянуты» электроны, а потом — не исключено, что осциллограф зарегистрирует нечто подобное «треугольнику» от тока нейтрализуемого объемного заряда положительных ионов. Данные о кинетике ионов при экстремальных состояниях газа, какие можно получить в мощной ударной волне, в литературе не встретились (потому-то они и вызвали интерес), но я совершенно не представлял даже порядки концентраций носителей заряда. В справочнике подробно описывались газодинамические параметры ударных волн в различных газах (скорость, плотность, давление, температура) и можно было самому рассчитать концентрацию заряженных частиц, используя уравнение Саха, но я допустил ошибку, занизив на много порядков результат. Если бы не она, возможно, не проводились бы и взрывные опыты: совсем недавно приходилось оценивать влияние пространственного заряда на дрейф ионов в трубке — там оно было пренебрежимым[48]. Те же плотности заряда, которые на самом деле существовали в мощной ударной волне, делали бессмысленными попытки полного разделения носителей разного знака, но выяснилось это позже.

На кафедре боеприпасов МВТУ старого знакомого встретили радушно, определили дни, когда можно было проводить опыты во взрывной камере, не мешая проведению лабораторных работ. По эскизам выточили на станке ввод высокого напряжения в камеру, на машине кафедры доставили из НИИВТ сборки (рис. 4.14), баллоны с благородными газами, а также «подарки»: изоляторы из особо прочной керамики, стеклянные сферы[49].

…Как это обычно бывает, полученные во взрывных опытах осциллограммы токов совершенно не походили на те, которые предполагалось увидеть, и вообще — свидетельствовали о «чуде»: конденсатор довольно большой емкости не разряжался при ионизации газового промежутка, к которому он был подключен, а заряжался (рис. 4.16), причем заметно! Серию из несколько десятков опытов завершили, получив очень качественные, но совершенно непонятные осциллограммы. Для МВТУ опыты были необычны тем, что в них изучались электрические, а не газодинамические явления при взрывах. Нетривиальные результаты вызвали интерес, неоднократно опыты приходили посмотреть профессор В. Соловьев, старший научный сотрудник В. Селиванов. Отличный специалист по скоростной съемке, В. Брыков, снял взрывающиеся сборки (рис. 4.17) и сходящуюся детонационную волну в заряде (рис. 4.18). Не остался в долгу и гость. Я узнал о трудностях, которые испытывали аспиранты, проводившие модельные опыты: надо было подорвать небольшой(несколько граммов) шар из взрывчатого вещества, но так, чтобы детонационная волна была сферической, то есть — инициировать взрыв точно в центре шара.

Обычный детонатор для этого не подходил: им формировался импульс, направленный по оси (рис. 4.19). Вспомнив детство, написал список веществ, которые надо было купить в ближайшей аптеке. Когда посланный студент вернулся с двумя пакетиками и склянкой, на глазах «изумленной публики» было синтезировано несколько граммов довольно мощного взрывчатого вещества. Это вещество детонировало даже от слабой искры, поэтому, поместив в его центр простейший разрядник, сделанный из тонкой керамической трубочки, обрезка провода и куска фольги, можно было добиться именно того, что требовалось — точечного инициирования заряда. Последней проблемой было изготовление шара из полученного порошка, но и ее решили: взрывчатку смочили бензином, в котором была растворена жевательная резинка. Через некоторое время бензин испарился и осталась клейкая взрывчатая масса, способная принимать любую желаемую форму.

^{Рис. 4.13. Схема устройства для измерения скоростей дрейфа ионов в ударно-сжатом газе}

^{Рис. 4.14. Внешний вид сборки для дрейфовых исследований в ударно-сжатом газе}

^{Рис. 4.15. Слева — искровая теневая фотография взрыва стеклянной сферы. 1 — трубка для наддува сферы газом (к моменту опыта — пережатая); 2 — разбитая сфера; 3 — турбулентное течение воздуха, наполнявшего сферу; 4 — фронт ударной волны. Справа — искровая теневая фотография обтекания плоской ударной волной 1 жесткого клина 2. Видны отраженная ударная волна 3 и вихревое движение воздуха 4.}

^{Рис. 4.16. Осциллограмма тока в столбе ударно-сжатого аргона. Разряд конденсатора соответствует положительной полярности тока. Стрелкой показан участок осциллограммы, соответствующий зарядке конденсатора электродвижущей силой МГД-эффекта}

^{Рис. 4.17. Взрыв сборки, показанной на рис. 4.14, снятый высокоскоростной камерой}

^{Рис. 4.18. Детонация кольцевого заряда взрывчатого вещества, снятая скоростной камерой. Взрыв возбуждается при одновременном срабатывании восьми детонаторов. В местах столкновения волн давление и температура газа заметно выше, поэтому наблюдаются светящиеся области. Видно, что детонатор внизу справа сработал чуть позже остальных, поэтому область схождения детонационной волны в данном случае будет смещена в сторону «опоздавшего» детонатора}

Компетентных специалистов по электродинамике взрывных явлений не было не только в МВТУ, но и в НИИВТ, так что обсудить возникновение «обратного тока» во взрывной сборке было не с кем. Я стал искать соответствующих специалистов по публикациям и выбрал теоретиков И. Якубова и В. Воробьева, работавших в Институте высоких температур (ИВТАН). Ими ошибка в расчетах концентрации носителей заряда была обнаружена и определена причина зарядки конденсатора: магнитогидродинамический (МГД) эффект. При начальной ионизации ток создавал радиальное магнитное поле, линии которого были направлены но правилу штопора (рис. 4.20). Чтобы определить действие МГД эффекта, надо было «направить» эти линии поля вдоль пальцев в ладонь правой руки и тогда большой палец укажет искомое направление. ЭДС была направлена против движения штопора, т. е. против тока разряда.

Собеседники расспросили друг друга и о других интересных результатах. Выяснилось, что Якубов ранее написал статью о кластерах в плотных газах, интересовался процессами их образования. Услышав о кластерах в гелии-3, он позитивно отнесся к просьбе быть оппонентом на защите диссертации. Оба теоретика посоветовали выступить на семинаре по МГД — генераторам, сказав, что, возможно, данные опытов в МВТУ пригодятся для создания генераторов тока, и тогда можно будет рассчитывать на положительный отзыв ИВТАН о диссертации. Это было предложение, от которого я «не смог отказаться».

^{Рис. 4.19. Взрыв детонатора (снимок сделан по прошествии 30 микросекунд после коммутации тока)}

^{Рис. 4.20. Направление ЭДС МГД-эффекта — векторного произведения тока и магнитной индукции — в сборке, схема которой приведена на рис. 4.13 можно определить по правилу «штопора в правой руке»}

Во вступлении я сказал, что занимаюсь дрейфовыми исследованиями, и что взрывные опыты также были неудачной попыткой в этой области. Эти слова участники семинара через минуту забыли, начали обсуждать схему «МГД — генератора», задавать вопросы, ответы на которые я не мог дать, за меня на них отвечали другие, но все сошлись во мнении, что «генератор» никуда не годится: кпд — ниже всякой критики. Когда избиение закончилось, припомнив, что и сам иногда в аналогичном стиле указывал оппонентам на ошибки, я поблагодарил за критику, которую «весьма высоко оценил». В этих словах не было сарказма: я получил представление, что могло случиться при защите диссертации, если бы в ней были упомянуты результаты взрывных опытов.