Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель является электроэрозийным ускорителем, так как рабочий материал нарабатывается электроэрозийным путем с поверхности ускорительного канала [4, 6]. На рисунках 1, 2 представлены упрощенные модели коаксиальных магнитоплазменных ускорителей (КМПУ). Для описания процессов происходящих в КМПУ представим их как электромеханические устройства, считая, что масса и сопротивление плазмы R постоянны, с емкостью C и напряжением U0. Сгусток представляется как недеформируемая проводящая перемычка, ускоряемая силами магнитного давления собственных токов, протекающих в ускорителях через перемычку.
Методика
Будем считать, что плазменный сгусток локализован и устойчив в процессе ускорения его как единого целого. Индуктивность индуктора L0 рассчитана на основе расчета энергии магнитостатического поля [1, 5]. Индуктивность плазменного жгута 
записана в виде линейной функции координаты распространения, где погонная индуктивность была рассчитана на основе [2, 3].
Рис. 1. Модель №1 с параметрами: C=30·10-3 Ф, L0=8,764·10-7 Гн, =4,6·10-7 Гн, U0=3кВ
Рис. 2. Модель №2 с параметрами: C=12·10-3 Ф, L0=1,722·10-7 Гн, =4,6·10-7 Гн, U0=3кВ
Экспериментальная часть
Для сравнения двух используемых моделей, приведем значения вклада кинетических энергий Wкин в исходную энергию системы W0 (рис. 3).
а
б
Рис. 3. Вклад кинетической энергии в исходную энергию системы в сравнении:
а) модель №1 – Wкин·100% / W0=8,3%; б) модель №2 – Wкин·100% / W0=20,2%
Таким образом, из полученных графиков можно сделать следующий вывод. С увеличением индуктивности индуктора увеличивается поперечная составляющая скорости, что положительно влияет на эрозию металлов и получение ультрадисперсных порошков, уменьшается скорость изменения тока, стабилизируется ток и плазма в ускорительном канале. С уменьшением индуктивности индуктора увеличивается кинетическая энергия системы, тем самым увеличивая скорость плазменного сгустка.
Ниже на рисунке 4 представлено влияние индуктивности индуктора КМПУ на вклад кинетической энергии в исходную энергию системы.
а
б
Рис. 4. Влияние индуктивности индуктора КМПУ на вклад кинетической энергии в исходную энергию системы в сравнении, где Wk0= Wкин·100% / W0, L0min=1,05·10-9 Гн:
а) модель №1; б) модель №2
Из рисунка видно, что оптимальное значение индуктивности индуктора для двух моделей КМПУ равно L0=6·10-7 Гн. При этом значении величина кинетической энергии для модели №1 КМПУ достигает максимального значения Wкин=8,86%, а для модели №2 – Wкин=20,89%. Таким образом, для модели №1 оптимальное значение индуктивности индуктора позволит повысить скорость плазменной струи на срезе ускорительного канала с 4,3 км/с до 4,8 км/с, для модели №2 – с 9,5 км/с до 9,93 км/с [5].
Снижение кинетической энергии в диапазоне индуктивности L0=(1,05·10-9 - 6·10-7) Гн обусловлена тем, что при значительном уменьшении индуктивности индуктора увеличивается скорость изменения, неустойчивость плазмы. Высокочастотные составляющие тока проявляются при величине индуктивности меньше минимально допустимого значения L0min=1,05·10-9 Гн. Величина минимальной индуктивности определялась из условия отсутствия высокочастотных составляющих тока при расчете баланса энергии вариационным методом.
На рисунке 5 представлен дисбаланс энергии, при котором проявляются высокочастотные составляющие тока, где: W(t) - общая энергия системы, WC(t) - электрическая энергия конденсатора, WL(t) - магнитная энергия катушки, WR(t) - омическая энергия потерь, Wкин(t) - кинетическая энергия, UЭф(t) - эффективная потенциальная энергия [5].
Рис. 5. Дисбаланс, при котором проявляются высокочастотные составляющие тока W(t) 
WC(t)+ WL(t)+ WR(t)+ Wкин(t)+UЭф(t)
Ниже приводится таблица сравнения экспериментальных и расчетных данных.
Таблица 1
Сравнение экспериментальных и расчетных данных
|
Величина |
Эксперимент |
Теория |
|
Индуктивность L0, Гн |
(2-9)·10-7 |
6·10-7 |
|
Скорость |
4,3-9,5 |
4,8-9,93 |
|
Временная длительность процесса t, мкс |
240 |
250 |
, км/с
Таким образом, модель правильно отражает тенденцию изменения процесса.
Рассчитана минимально допустимая величина индуктивности индуктора КМПУ, ниже которой проявляются высокочастотные составляющие тока. Показано положительное и отрицательное влияние величины индуктивности на скорость плазменной струи.
Дано полное представление об относительных вкладах различных видов энергий в формирование процесса и влиянии различных типов диссипации энергии, процессов переноса и трансформаций одного вида энергии в другой.
Результаты
Разработанный алгоритм численно-аналитического моделирования позволяет оптимизировать электромагнитную систему и показать возможность повышения кинетических параметров плазменного течения, скорости плазменной струи в свободном пространстве, скорости закалки при распылении материала за счет изменения величины индуктивности соленоида при прочих равных условиях.
Сравнительные численные эксперименты показали необходимость уменьшить величину индуктивности внешнего соленоида модели №1 и увеличить величину индуктивности модели №2 для повышения скорости плазменной струи на срезе ускорительного канала. Повышение начальной скорости плазменной струи при ее истечении в объем с азотной атмосферой может обеспечить получение нанодисперсного порошка с уменьшенным средним размером частиц.
Рецензенты:
Лукутин Б.В., д.т.н., заведующий кафедрой ЭПП ЭНИН ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск;
Курец В.И., д.т.н., профессор кафедры ЭСиЭ ЭНИН ФГБОУ ВПО «НИ ТПУ», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, г. Томск.