Электрофизические процессы в импульсной

1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО НАУЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ
(ФАНО РОССИИ)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный
институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)
Принято на Ученом совете
ОИВТ РАН
Протокол №2 от 29.06.2015
«Утверждаю»
Директор ОИВТ РАН
______________ академик Фортов В.Е.
«______»______________2015 год
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
«Электрофизические процессы в импульсной энергетике»
направление подготовки: «Математика и механика» код 01.06.01
(направленность – Механика жидкости газа и плазмы)
Квалификация
Исследователь, преподаватель-исследователь
Москва
2015
2
ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ.
Вариативная часть, в т.ч.:
Лекции
3 зач. ед.
32 часа
Практические занятия
нет
Лабораторные работы
нет
Индивидуальные занятия с преподавателем
нет
Самостоятельные занятия
52 часа
Итоговая аттестация
зачет 2 курс – 8 часов,
экзамен 3 курс – 16 часов
ВСЕГО
3 зач. ед., 108 часов
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цель дисциплины – Целью освоения дисциплины «Электрофизические процессы в
импульсной энергетике» является изучение методов реализации новейших достижений
сверхмощной импульсной электрофизики для создания экстремальных состояний вещества.
Задачами данного курса являются:



изучение принципов и схем временной компрессии импульсов электрического тока с
целью повышения мощности на нагрузке до предельных значений;
изучение различных методов накопления и преобразования энергии различных видов в
электрическую с задачей создания предельно мощных систем (взрывные МГДгенераторы, взрывомагнитные генераторы, пороховые МГД-генераторы, индуктивные
и емкостные накопители, химические источники тока);
применение мощных источников тока для создания сверхсильных магнитных полей,
высокотемпературных плазменных потоков и ускорителей конденсированных тел;
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП АСПИРАНТУРЫ
Дисциплина «Электрофизические процессы в импульсной энергетике» относится к
вариативной части цикла Б.1.В.ОД.5 кода УЦ ООП и принадлежит к типу «b» по характеру
освоения, т.е. должна быть освоена аспирантом обязательно, но не обязательно в период обучения, отмеченный в базовом учебном плане.
3. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Освоение дисциплины «Электрофизические процессы в импульсной энергетике»
направлено на формирование следующих универсальных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций:
а) универсальные (УК):
 способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений,
генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том
числе в междисциплинарных областях (УК-1)
 готовность участвовать в работе российских и международных исследовательских
коллективов по решению научных и научно-образовательных задач (УК-3).
 способность планировать и решать задачи собственного профессионального и
личностного развития (УК-5).
б) общепрофессиональные (ОПК)
3
 способность самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий (ОПК-1)
в) профессиональные (ПК)
 способность к самостоятельному проведению научно-исследовательской работы и получению научных результатов, удовлетворяющих установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по направленности «Механика жидкости газа и
плазмы» (ПК-1)
4. КОНКРЕТНЫЕ ЗНАНИЯ, УМЕНИЯ И НАВЫКИ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения дисциплины «Электрофизические процессы в импульсной энергетике» обучающийся должен:
1. Знать:




фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики;
порядки численных величин, характерные для различных разделов физики;
методы и средства получения экстремально высоких токов и напряжений;
экспериментальные методы применения сверхмощных токов для создания предельных
магнитных полей, высокоскоростных плазменных потоков и конденсированных сред;
2. Уметь:
 абстрагироваться от несущественного при моделировании реальных физических ситуаций;
 пользоваться своими знаниями для решения фундаментальных, прикладных и технологических задач;
 делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента;
 производить численные оценки по порядку величины;
 делать качественные выводы при переходе к предельным условиям в изучаемых проблемах;
 видеть в технических задачах физическое содержание;
 работать на современном, в том числе и уникальном экспериментальном оборудовании;
 воспользоваться знаниями экспериментальных методов для получения экстремально высоких токов и напряжений для создания экспериментальных стендов;
3.
Владеть:
 навыками освоения большого объема информации;
 навыками самостоятельной работы в лаборатории и Интернете;
 навыками грамотной обработки результатов экспериментов и сопоставления с теоретическими и литературными данными;
 навыками проектирования и оценочного моделирования электрофизических установок;
5. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Структура дисциплины
Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам
№ темы и название
1. Уравнения магнитной гидродинамики
Количество
часов
28
4
2. Магнитостатика и магнитогидродинамические течения
25
3. МГД-течения в каналах
31
ВСЕГО (часов)
84
Вид занятий
Лекции:
№
п.п.
Трудоёмкость
в зач. ед.
(количество
часов)
Темы
1
Введение в импульсную энергетику
2
Первичные виды энергии, используемые в импульсных преобразователях
2
2
3
Классификация импульсных источников энергии
2
4
Емкостные накопители
3
5
Индуктивные накопители
Импульсные преобразователи химической энергии в электрическую
МГД-взрывные генераторы
3
Электромагнитные преобразователи механической энергии в электрическую
3
Мощные системы преобразователь-накопитель
Обострители электрических импульсов (преобразователи мощности)
3
11
Электрохимический источник тока ( аккумулятор)
3
Обобщенные энергетические характеристики импульсных генераторов
3
12
6
7
8
9
10
ВСЕГО (часов)
3
2
3
32 часа
Лабораторные занятия: нет
Самостоятельная работа:
№ п.п.
Темы
Трудоёмкость
(количество часов)
1
- изучение теоретического курса – выполняется самостоятельно каждым студентом по итогам каждой из
лекций, результаты контролируются преподавателем на
лекционных занятиях, используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной
программой, методические пособия.
32 часа
2
- решение задач по заданию преподавателя– решаются
задачи, выданные преподавателем по итогам лекцион-
20 часов
5
ных занятий и сдаются в конце семестра, используются
конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, а также сборники задач,
включая электронные, учебно-методические пособия.
3
-подготовка к зачету и экзамену
24 часа
ВСЕГО (часов)
76 часов
Содержание дисциплины
№ Название
п/п модулей
1
2
3
I
Импульсные
источники
энергии
Разделы и
темы лекционных
занятий
Содержание
Введение в
Введение в импульсную энергетику.
Общие понятия. Диапазон параметров.
импульсную энер- История развития, современные тенденции. Уникальные установки для примегетику
нения в научных исследованиях и технических приложениях.
Первичные
Расчетные формулы для удельноговиды энер- энергосодержания Ядерная энергия (рагии,
ис- диоизотопы, деление ядер, синтез ядер).
пользуемые Химическая энергия (взрывчатые вещев импульс- ства, жидкие топлива, атомарный водоных преоб- род, метастабильный гелий). Тепловая
разователях энергия (литий, гидрид лития, бериллий)
Упругая энергия (стальная пружина, резина, сжатые газы). Механическая энергия (маховики из стали и композитных
материалов). Гравитационнаянергия (разгонные тележки). Электростатическая
энергия (конденсаторы). Электромагнитная энергия (индуктивные сверхпроводящие и теплые катушки). Разрешенные
варианты непосредственного превращения одного первичного вид энергии в
другой.
КлассифиНакопители энергии (атомные реактокация им- ры, химические топлива, нагретые тела,
пульсных
сжатые газы и пружины, движущиеся
источников объекты, электрические конденсаторы
энергии
ииндуктивности). Преобразователи энергии (окисление, горение и взрыв, термоэлектрические и термоэмиссионные, турбоэлектрогенераторы, гидрогенераторы,
МГД-генераторы и другие).
Объем
Ауди- Самоторная стояработа тельная
(зачет- работа
ные
(зачетедининые
цы/час единиы)
цы/час
ы
2
4
2
4
2
5
6
4
5
6
7
8
9
10
Емкостные
накопители
ИндуктивII
НАКОПИ- ные накоТЕЛИ И пители
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ЭНЕРГИИ
Импульсные преобразователи
химической энергии в электрическую
Емкостные накопители. Устройство
конденсаторов с высокими удельными
параметрами. Схемы коммутации на
нагрузку, коммутаторы (механические,
взрывные, разрядные). Проблемы создания сверхмощных и сверхбыстрых батарей. Предельные энергетические характеристики.
Индуктивные накопители. Механические и электрические ограничения.
Конструкции катушек. Схемы запитки и
разряда на нагрузки. Предельные коэффициенты преобразования энергии. Размыкатели индуцированных токов (взрывные, плазмоэрозионные). Предельные
удельные характеристики. Проблемы создания сверхмощных и сверхэнергоемких
индуктивных накопителей. Генераторы
тока для первичнойзапитки. Сверхпроводящие индуктивные накопители.
Обобщенная схема преобразователя.
Параметры движущихся электропроводящих тел и магнитных полей. Основные
уравнения генерации энергии и передачи
в нагрузку. Магнитная кумуляция. Взрывомагнитные генераторы (ВМГ).
МГД-взрывные генераторы (МГДВ),
МГД-генераторы на ракетном топливе
(МГДРТ). Основные уравнения преобразования энергии и ограничения эффективности преобразования.
Синхронные электрогенераторы в
Электромагнитные режиме ударного торможения. Высокопреобразо- скоростные снаряды в магнитных полях.
ватели ме- Основные соотношения, ограничения и
ханической удельные энергетические соотношения.
энергии в
электрическую
МГД на ракетном топливе с индукМощные
III
ОБОСТРИ системы
тивным накопителем. Региональная элек-ТЕЛИ,
преобразо- тросеть со сверхпроводящим индуктивАКным накопителем.
вательКУМУЛЯ- накопитель
ТОРЫ,
ОбостритеПринцип работы обострителей (э.д.с.
ХАиндукции).
Размыкатели различных тили
элекРАКТЕпов и их ограничения (на основе продуктрических
РИимпульсов тов взрыва, высокомолекулярных проСТИКИ
дуктов абляции диэлектриков, взрыва
(преобраМГДвзрывные
генераторы
3
6
3
4
3
3
2
3
3
4
3
4
3
5
7
ИМПУЛЬСНЫХ
ГЕНЕРАТОРОВ
11
12
зователи
мощности)
электропроводников и фольг, плазменноэрозионного эффекта, явлений накопления заряда в твердых полупроводниках).
Химические реакции при заряде и
Электроразряде.
Предельные возможности при
химический
ис- импульсном съеме энергии.
точник тока ( аккумулятор)
Введение в импульсную энергетику.
Обобщенные энер- Общие понятия. Диапазон параметров.
гетические История развития, современные тенденхарактери- ции. Уникальные установки для приместики им- нения в научных исследованиях и технических приложениях.
пульсных
3
5
3
5
генераторов
6. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
№
п/
п
1
2
3
4
Вид занятия
Форма проведения занятий
лекция
Изложение теоретического материала
интерактивная лекция
лекция
Изложение теоретического материала с помощью презентаций
решение задач по заданию (индивидуальному где требуется) преподавателя– решаются
задачи, выданные преподавателем по итогам лекционных занятий и сдаются в конце
изучения темы, используются учебники, рекомендуемые данной программой
Подготовка к применению полученных знаний в НИР студента, подготовка к экзамену
самостоятельная работа студента
Цель
получение теоретических знаний по дисциплине
повышение степени понимания материала
осознание связей между
теорией и практикой, а
также взаимозависимостей разных дисциплин
повышение степени понимания материала
7. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,
ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Контрольно-измерительные материалы
1.
2.
3.
4.
Перечень контрольных вопросов для сдачи зачета и экзамена.
Предельные токи и напряжения в природе и в экспериментах.
Перечень импульсных накопителей и преобразователей, принцип работы.
Первичные виды энергии, используемые в импульсных преобразователях.
Классификация накопителей энергии.
8
5. Классификация преобразователей энергии.
6. Емкостные накопители с высокими удельными параметрами.
7. Индуктивные накопители и предельные коэффициенты преобразования энергии.
8. Проблемы создания сверхмощных и сверхэнергоемких индуктивных накопителей.
9. Импульсные преобразователи химической энергии в электрическую.
10. Взрывомагнитные и МГД-взрывные генераторы.
11. Электромагнитные преобразователи механической энергии в электрическую.
12. МГД на ракетном топливе с индуктивным накопителем.
13. Размыкатели тока, принципы действия и применение.
14. Электрохимический источник тока, химические реакции при заряде и разряде.
15. Предельные генерируемые мощности и энергии.
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютер и мультимедийное оборудование (проектор, звуковая система)
9. НАИМЕНОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
Учебным планом не предусмотрены
10. ТЕМАТИКА И ФОРМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ РАБОТЫ
Учебным планом не предусмотрены
11. ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ РАБОТ
Учебным планом не предусмотрены
12. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература.
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Том VIII. Электродинамика сплошных сред. М.: Физматлит, 2003.
2. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Интеллект, 2009.
Дополнительная литература.
1. Диагностика плазмы. Под ред. Хаддлстоуна, 1977, М.: ИЛ, 360 с.
2. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: ФМГИЗ, 1976. 521 с.
3. Нестерихин Ю.Е., Солоухин Р.И., Методы скоростных измерений в газодинамике и физике плазмы, М.: Наука, 1967, 96 с.
Программу составил
________________профессор, д.т.н.
«___»__________2015 г.
Е.Ф.Лебедев,