一种高能微波近场聚焦碎裂冻土装置及方法与流程

本发明涉及一种高能微波近场聚焦碎裂冻土装置及方法，属于冻土碎裂领域。

背景技术：

冻土是一种在零下温度时，土体中的水分转化为结晶(结冰)，该结晶胶结成固体颗粒，使土质的硬度加大后的一种土体，由于土体的物理、化学、力学性质发生了一定的复杂变化，土体的粘塑性和强韧性加强，这种特殊属性决定了冻土粘聚性要比非冻土的强度大。

我国的多年冻土占中国国土面积的22.3％，季节性冻土占国土面积52.7％，位居世界第三，主要分布在高海拔的青藏高原地区与高纬度的东北地区，这些地区处于严寒地带，其气候原因形成了永久性的冻土。由于冻土内冰结构与土之间易形成高强度界面，使其机械性能表现为硬脆特性，极难被破坏，已成为高寒地带工事施工经年未解决的瓶颈难题。传统的工事施工手段(如钻孔、挖壕等装备)及蒸汽和红外碎裂方法，具有碎裂深度较浅、碎裂速度慢、碎裂时间较长、碎裂耗能较高、能量利用率较低的特点，在面对多年冻土的硬脆特性时均无法满足野战部队作战的要求，高寒地带的工事施工亟需新的冻土解构理论和方法来牵引和支撑。以往研究表明，冻土的性质很大程度上受到内部冰与土之间界面结合力的影响。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高能微波近场聚焦碎裂冻土装置，该高能微波近场聚焦碎裂冻土装置可高效、快速进行冻土碎裂。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供的一种高能微波近场聚焦碎裂冻土装置，包括微波辐射器；所述微波辐射器通过多级波导可转动安装在立柱上，立柱固定在底盘上，有微波源固定于底盘并微波传输连接于微波辐射器。

所述多级波导为两级，分别为相互可转动连接的右传输波导和左传输波导。

所述立柱垂直于底盘固定。

所述微波辐射器吊装于多级波导端部并在重力作用下垂直朝下。

所述微波辐射器位于底盘后方，底盘为货车底盘。

有短液压缸端部可转动固定在右传输波导上，短液压缸另一端安装在立柱上。

有长液压缸端部可转动固定在左传输波导上，长液压缸另一端安装在立柱上。

所述立柱底部装有旋转盘。

所述微波源上装有冷却系统。

本发明还提供一种高能微波近场聚焦碎裂冻土的方法，采用可上下移动且方向朝下的定向微波辐射器，进行冻土解冻和击碎，应用于对永久性冻土进行碎裂。

本发明的有益效果在于：能量利用率高，碎裂速度快、耗时短，便于快速移动，操作简单，具有快速、安全、可靠性高、人工干预少的特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1另一视角的结构示意图；

图3是本发明的工作原理示意图。

图中：1-底盘，2-微波源，3-立柱，4-右传输波导，5-左传输波导，6-短液压缸，7-长液压缸，8-微波辐射器，9-旋转盘，10-冷却系统，11-销轴，12-电源，13-磁控管，14-波导，15-可升降旋转装置。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1、图2所示的一种高能微波近场聚焦碎裂冻土装置，包括微波辐射器8；微波辐射器8通过多级波导可转动安装在立柱3上，立柱3固定在底盘1上，有微波源2固定于底盘1并微波传输连接于微波辐射器8。

多级波导为两级，分别为相互可转动连接的右传输波导4和左传输波导5。

立柱3垂直于底盘1固定。

微波辐射器8吊装于多级波导端部并在重力作用下垂直朝下。

微波辐射器8位于底盘1后方，底盘1为货车底盘。

有短液压缸6端部可转动固定在右传输波导4上，短液压缸6另一端安装在立柱3上。

有长液压缸7端部可转动固定在左传输波导5上，长液压缸7另一端安装在立柱3上。

立柱3底部装有旋转盘9。

微波源2上装有冷却系统10。

本发明最终目的在于提供一种高能微波近场聚焦碎裂冻土的方法，采用可上下移动且方向朝下的定向微波辐射器，进行冻土解冻和击碎，应用于对永久性冻土进行碎裂。

实施例1

采用上述方案，微波源和冷却系统各自集成到一个长方体的装置中，微波源和冷却系统靠近底盘车头处固定安装，冷却系统安装于微波源后方，微波源、冷却系统的底部与底盘固定连接，立柱底端与旋转盘连接，旋转盘与底盘固定连接在后方，立柱可在旋转盘上360°旋转，右传输波导和立柱的末端连接，另一端与左传输波导连接，左传输波导的另一端与一个楔形角喇叭形的微波辐射器连接，立柱与可回转传输波导之间、右传输波导和左传输波导之间有液压油缸连接，短液压缸为可回转传输波导的俯仰提供动力，长液压缸为左传输波导的俯仰提供动力。

如图3所示，微波源装置可以产生微波场，微波场同介质中的极性分子相互作用而产生微波能量,微波能量通过可回转传输波导后进入微波辐射器，微波辐射器离地面具有一定的距离，该距离可以通过可升降旋转装置15(如短液压缸和长液压缸)的伸缩改变，冻土在微波场中吸收微波能量给自身加热，产生热应力从而达到碎裂的效果。

操作时，打开开关，电源12为整个装置提供动力源，电源的电压可调，也就是整个电路的功率可以调节，也就改变了外加电场的强度大小。磁控管13产生微波并发射传递到波导14，微波辐射器底端有辐射孔，微波通过辐射孔能够辐射穿过冻土，冻土的加热解冻在发明内容章节已作叙述。撤收时，只需要旋转盘9绕着中心轴旋转，右传输波导和左传输波导俯仰使得微波辐射器放在底盘上。

立柱、右传输波导、左传输波导、微波辐射器的可转动固定方式均为铰接。

碎裂微波能量的传输路线为底盘—>微波源—>可回转传输波导—>微波辐射器—>冻土，微波源产生微波场经过传输波导传输至微波辐射器，微波辐射器对着需要碎裂的冻土，冻土在微波场中吸收微波能量给自身加热，从而达到碎裂的效果。装置包括底盘、微波源、立柱、右传输波导、左传输波导、短液压缸、长液压缸、微波辐射器、旋转盘、冷却系统、销轴。微波源装置中装有电源和磁控管，磁控管与电源连接，本发明采用了短液压缸和长液压缸对辐射器与地面的高度进行调节，微波电源的功率可调，以此调节微波场的强度，磁控管可将微波信号发射出去，与微波辐射器连接入口管内有若干的波导。微波辐射器底端有辐射孔，微波通过这些孔辐射进入冻土，冷却系统用于底盘和微波源热量进行冷却，防止装置过热。

磁控管的阳极块表面是由很多谐振腔组成，每一个谐振腔相当于高频发射机中电感线圈与电容器组成的谐振回路。当磁控管工作时，相邻谐振腔感应的高频电场方向彼此相反，其翼片上高频电场的方向亦相反。当电子在作用空间作轮摆线运动掠过谐振腔口时，若高频电场的方向恰好与电子运动的主方向相同，则电子受阻，速度减小，根据经典电动力学.当带电粒子被加速时，就有电磁波辐射，因此电子作减速运动时，便把它从直流电场获得的能量以辐射的形式交给高频电场。当电子运动与高频电场变化同步时.电子就把自身从直流电场获得的动能不断地交给高频电场，直到电子随运动打到阳极上产生电流为止。阴极不断地发射电子，电子又不断把能量带给谐振腔中的高频电场，使谐振腔中的高频电场能量(即微波能)通过天线发射出去，再通过波导管传到辐射器辐射，微波辐射到冻土，冻土中含有水等极分子，这些分子的正负电荷不重合，它的带电模型相当于一个电偶极子。由于极分子的热运动是无序的，电偶极子的电矩取向也是无序的，在微波外场的作用下，有极分子的电矩转向外电场。若外电场的方向改变，那么有极分子的电矩方向随之改变，冻土中的有极分子与周围的分子发生碰撞，将势能转化热能。

基于上述，在实际操作中：

①采用易于取得和控制液压力的动力源，可以对冻土碎裂装置无极变速控制；

②采用微波能量对冻土进行碎裂，在相同的功耗下，微波碎裂冻土的用时较少，解冻速度较快，解冻速度是蒸汽的3-20倍，节省能源8-40倍，微波能源利用率是是红外的4倍；

③采用车载微波装置的形式，能够快速移动到需碎裂的冻土位置处；

④与传统的爆破碎裂冻土相比，具有快速、安全、可靠性高、人工干预少的特点；

⑤运动结构只有左波导、由波导以及旋转盘，波导的变幅采用的液压油缸驱动，旋转盘的旋转采用液压马达驱动，具有操作简单的特点；

⑥采用冷却系统对微波源进行冷却，防止微波源过热而导致内部元器件参数漂移，保证了性能和高可靠性。