СПОСОБ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО УСКОРЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
METHOD OF ELECTROTHERMAL ACCELERATION OF SOLID BODIES

Изобретение относится к способам электротермического ускорения твердых тел, предназначенных для разгона объектов (снарядов) до высоких, более 1 км/с скоростей, что важно для исследования термодинамических свойств материалов при высоких давлениях, для запуска малогабаритных спутников, для моделирования входа летательных аппаратов в плотные слои атмосферы, для имитации потока метеоритов и др.
Наибольшие успехи здесь демонстрируют рельсотроны (railgun), где разгоняемая электропроводная масса располагается между рельсами и приобретает ускорение под действием силы Лоренца, которая возникает при замыкании электрической цепи в возбужденном током магнитном поле. Для небольших обьектов массой в несколько грамм достигнута скорость 10 км/с (Wolfram Witt, Marcus Loftier, "The Electro-magnetic Gun - Closer to Weapon-System Status", Military Technology, 1998, No 5, p. 80-86). Одновременный рекорд по массе и скорости снаряда был достигнут в исследовательской лаборатории ВМС США (Naval Surface Warfare Center):
3 кг и 2,52 км/с ("U.S. Navy Demonstrates World's Most Powerful EMRG at 10 Megajoules", press release from Office of Naval Research Public Affairs, United States Navy, http://www.navy.mil, Release Date: 2/1/2008)
9 кг и 2,38 км/с ("Navy Sets New World Record with Electromagnetic Railgun Demonstration", press release from By Geoff Fein, Office of Naval Research Public Affairs, United States Navy, http://www.navy.mil, Release Date: 12/10/2010)
Здесь в качестве источника энергии используется инерционный накопитель, который работает как униполярный генератор
Однако для дальнейшего увеличения скорости снаряда есть существенная проблема в виде эрозии ускоряющих рельс, которая также препятствует надежному электрическому контакту, а образующийся при этом плазменный разряд крайне нестабилен в сильном магнитном поле. Согласно данным специалистов Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) достаточно надежный контакт можно обеспечить только на скорости не более порядка 2 км/с, что, видимо, и было продемонстрировано в вышеуказанных экспериментах. (Сергей Адресов "По рельсам в ад: Сверхзвуковой экспресс смерти", Популярная Механика, 2008, No 8, с. 95). Другая проблема существующих рельсотронов это потери энергии в виде джоулева тепла, что ведет к сильному нагреву рельс и низкому КПД ускорителя (порядка 10-20%). Для снижения потерь энергии можно применять сверхпроводники или последовательность секций рельсовых пар, где каждой секции соответствует свой источник энергии (СПИН, сверхпроводящий индукционный накопитель), но это, конечно, усложняет всю конструкцию (Мягких В.Д., Чернышев А.К. Система для запуска космических объектов. / Патент РФ  2381154 С1). На основе это идеи предлагается проект запуска ракетных систем:
конечная скорость
2 км/с
ускорение
54 g
длина ускорителя
3700 м
длина секций
10-20 м
Существуют индукционные способы ускорения, концептуально выраженные в пушках Гаусса и Томпсона, где магнитно-активное тело притягивается или, наоборот, отталкивается соленоидами, которые последовательно размещены вдоль траектории движения ускоряемого тела. Здесь импульсный ток пропускается через каждый соленоид отдельно по мере движения снаряда. Эта задача решается разными способами. Например, применением скользящих контактов, как в способе Thorn and Norwood (Phil Putman, "Chapter 1 - Milestones in Cannon Launch to Space", EM Launch Competitors' Guide, LIFEBOAT FOUNDATION, 2006, March, p. 4), что, конечно, сопряжено с нестабильностью токоподвода и эрозией контактов на большой скорости снаряда. В бесконтактном ускорителе Sandia National Labs применяется система триггеров для управления током, а положение снаряда отслеживается прецизионными датчиками (94 GHz Doppler radar). Характеристики этой системы:
вес снаряда
18 кг
конечная скорость
420 м/с
ускорение
8020 g
длина ускорителя
2,2 м
число соленоидов
45
оценочное время одного импульса тока
коэффициент полезного действия (КПД)
20%
(В.N. Turman D. Nguyen М. Crawford P. Magnotti R.J. Kaye, "EM Mortar Technology Development for Indirect Fire", Conference paper, Sandia National Labs., November 2006). Одним из недостатков данного способа является очень короткое время импульса тока, который проходит через каждый соленоид. Большое внимание уделялось также исследованию линейных синхронных ускорителей, которые объединяют оба принципа, Гаусса и Томпсона, путем создания бегущей волны магнитного поля вдоль всего ускорителя. Это упрощает его конструкцию. Однако и здесь приходится применять датчики слежения, менять частоту смены фаз в зависимости от скорости снаряда, что требует применения датчиков движения. С другой стороны, омические потери на джоулево тепло происходят на всех соленоидах ускорителя одновременно, что снижает его КПД. Здесь для снижения омических потерь приходится увеличивать в целом материалоемкость ускорителя. В проекте Джеральда О'Нейла (William R. Snow and Henry H. Kolm, "Electromagnetic Launch of Lunar Material", NASA SP-509, Volume 2, Energy, Power and Transport, 1992, pp. 117) предполагаются следующие параметры «масс драйвера» для запуска спутников:
вес снаряда
1000 кг
конечная скорость
12,3 км/с
скорость за пределами атмосферы
11 км/с
ускорение
1000 g
длина ускорителя
7800 м
потери массы на абляцию в атмосфере
3%
Для снижения потерь в таком типе ускорителей приходится применять сверхпроводники, как это предложено О'Нейлом (Gerard K. O'Neill, Henry Н. Kolm, "High Acceleration Mass Driver", Acta Astronautica, 1980, Volume 7, pp. 1229-1238) в экспериментальном устройстве со следующими характеристиками:
вес снаряда
7-12 кг
конечная скорость
224 м/с
ускорение
200-500 g
длина ускорителя
10 м
число соленоидов
203
общий КПД
80%
Частота смены фаз меняется для разных соленоидов от 227 до 2273 Гц. Снаряд «самоцентрируется» в пусковой трубе за счет индукционных сил, что снижает к минимуму поверхность прикосновения, а положение снаряда отслеживается оптическими датчиками движения. Однако в этом устройстве приходится применять сверхпроводники, что неудобно для практического использования.
В проекте SPEAR Coilgun, The University of Texas at Austin (D.A. Bresie, J.L. Bacon, S.K. Ingram, "SPEAR Coilgun", 7th EML Symposium on Electromagnetic Launch Technology, San Diego, California, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 31, NO. I, JANUARY 1995, pp. 467-472) была реализована схема, использующая «пассивные электромагнитные переключатели», работа которых связана с особенностями «коллапсирующего поля»:
вес снаряда
2 кг
конечная скорость
1000 м/с
ускорение
5500 g
длина ускорителя
4,5 м
число соленоидов
9
напряжение
2 кВ
ток
1 МА
время одиночного импульса тока
<0,2 мс
общий КПД
7%
Здесь энергия изначально запасается в инерционных компульсаторах, а переключение катушек производится с помощью многочисленных тиристоров.
Общим недостатком описанных неконтактных индукционных систем является их чрезвычайная сложность (многочисленные преобразователи энергии, коммутаторы распределения энергии и датчики слежения), что затрудняет их конструирование. Кроме того, очень маленькое характерное время изменения силы тока (порядка миллисекунд для скоростей менее 1 км/с) сопровождается такими нежелательными явлениями, как скин-эффект и интенсивное электромагнитное излучение.
Основной проблемой для большинства перечисленных индукционных электромагнитных ускорителей является сложная система управления магнитным полем, где силовые переключатели тока представляют собой обычно полупроводниковые элементы. И отличает высокое удельное сопротивление по сравнению с металлами, на 5-6 порядков больше. Максимальная плотность тока (отношение величины тока к площади сечения проводника), которую они способны выдержать, на два-три порядка меньше, чем у металлов и сверхпроводников. Поэтому их применение делает такие устройства крайне громоздкими и дорогими. Кроме того, они требуют дополнительно промежуточные преобразователи, огромное количество проводов, коммутаторов и датчиков слежения.
Существуют достаточно простые электротермические пушки, где в камере сгорания электрический разряд между электродами создает плазму, которая толкает снаряд. Этим методом удалось разогнать снаряд массой 1 кг до скорости свыше 1 км/с, а также снаряд массой 50 г до скорости 1,8 км/с и снаряд массой 3 г до скорости 2 км/с (Wolfram Witt, Marcus Loffler. The Electro-magnetic Gun - Closer to Weapon-System Status. Military Technology, 1998, No 5, p. 80-86). Однако, как и в традиционных пушках, скорость разгона снаряда здесь ограничивается температурой и молекулярной массой газа, который вынужден догонять снаряд по мере его удаления от камеры сгорания, попутно затрачивая энергию на разгон самого газа (Дорофеев А.А. Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей). М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999 г., Гл. 3).
Наиболее близким по своим признакам к предложенному способу, где была предпринята попытка решить указанные проблемы, является «гибридная электромагнитная система». В ней разряд между центральным электродом в дне камеры сгорания и поверхностью ствола равномерно распределяется вплоть до дна снаряда (Сивков А.А. Гибридная электромагнитная система метания твердых тел. Прикладная механика и техническая физика, 2001, т. 42, №1, с. 3). «Гибридная» электротермическая пушка разгоняла снаряды весом 1-12 г до скорости 3,4-1,5 км/с. Недостаток этой системы в том, что плазма вызывает эрозию ствола, для стабилизации разряда типа Z-пинч нужен дополнительный соленоид, а сам разряд ограничен длиной 340-350 мм. Это максимальное удаление дна снаряда от дна камеры сгорания, при котором прекращается ускорение. Это ограничивает его возможности увеличить скорость удлинением ствола. КПД устройства не превышает 30%.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа электротермического ускорения снаряда, при котором электрический разряд, создающий плазму, не зависит от движения снаряда, от его удаления от дна ствола и не вызывает эрозию самого ствола. При этом создаваемые разрядом газы не должны догонять дно снаряда, как это происходит в традиционных ускорителях и пушках, что должно позволить достигать очень высоких скоростей.
Решение поставленной задачи осуществляется тем, что снаряд помещается между проводящими рельсами 1, которые заключены в силовую оболочку 2 подобно тому, как это предлагается в традиционных рельсотронах. На рельсы помещается слой водородосодержащего диэлектрика 3 (полиэтилен, полистирол). Дно снаряда 4 является электропроводящим в отличие от остальных его частей (Рис. 1). Для большей эффективности оно может быть клиновидным или конусообразным (Рис. 2). В этом случае оно образует с рельсами и силовой оболочкой реактивное сопло, основание которого 5 проводит электрический ток (Рис. 2). К рельсам прикладывается высокое напряжение, которое вызывает электрический пробой слоя диэлектрика между рельсами и дном снаряда. При этом диэлектрик испаряется, и высокотемпературный газ дополнительно разогревается разрядом между дном снаряда и рельсами. Газ расширяется, давая импульс снаряду. Он движется вперед, переходя на новые слои диэлектрика, которые при его движении будут последовательно превращаться в газ. Поскольку напряжение пробоя в газе на порядок меньше, чем в диэлектрике, то предполагается, что установившийся фронт разряда при движении будет представлять собой наклонную к рельсам поверхность. Тангенс угла наклона предположительно будет равен отношению напряжению пробоя в газе к напряжению пробоя диэлектрика. В этом случае клиновидное или конусообразное дно снаряда представляется более подходящим. При наличии реактивного сопла реализуется модель линейного реактивного двигателя, предложенного Войтенко (Войтенко А.Е. Основные энергетические характеристики линейного реактивного двигателя. Прикладная механика и техническая физика, 1990 г., №2, с. 118-120). Но в отличие от него движение снаряда не связано с кинетикой горения химического топлива, а определяется исключительно подводом электрической энергии в реактивное сопло. В отличие от традиционных рельсотронов у предлагаемого способа есть два преимущества:
1. Рельсы защищены от механической эрозии слоем диэлектрика, который является рабочим телом этого теплового двигателя.
2. Высокое напряжение разряда позволяет снизить силу тока в рельсах, что резко снижает потери в виде джоулева тепла в рельсах. Работа здесь совершается при разряде в газе, в отличие от рельсотрона, где работа совершается силой Ампера.
С другой стороны, применение смеси диэлектрика с энергонасыщенными материалами (например, смесь нитрата аммония с полистиролом) позволяет конструировать гибридные ускорители, которые используют в качестве источника энергии одновременно и химическое топливо, и электроэнергию, что позволит оптимизировать конструирование такого устройства. Например, применение химического топлива в составе диэлектрика позволит снизить мощность разряда, что уменьшит эрозию рельс под действием электроразряда, а также снизить электропотребление устройства.