Способ ускорения макрочастиц
METHOD OF ACCELERATING MACROPARTICLES

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач.
Известен аналог предлагаемого - патент [1]: RU 2 523 439 на «Способ ускорения макрочастиц», при котором ускоряют макрочастицу до сверхвысоких скоростей, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. В данном способе первичный разгон осуществляют газодинамическим способом до скорости, соответствующей скорости инжекции в спиральный волновод, и окончательно ускоряют градиентом поля бегущего по виткам спирального волновода импульса напряжения. В качестве макрочастиц используют плоский конденсатор. При этом ускоренную макрочастицу используют в качестве выходной частицы способа.
Недостатками данного способа являются сложность конструкции и значительная трудоемкость настройки оборудования. Кроме того, масса ускоряемых частиц недостаточна для решаемых задач.
Известен также аналог предлагаемого - патент [2]: RU 2 456 782 на «Способ ускорения макрочастиц», при котором ускоряют макрочастицу до сверхвысоких скоростей, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. При этом макрочастицы намагничивают и ориентируют магнитным полем в направлении продольной оси, заряжают электрически, и ускоряют электростатическим полем. При этом ускоренную макрочастицу используют в качестве выходной частицы способа.
Недостатками данного способа также являются сложность конструкции и значительная трудоемкость технологии монтажа. Кроме того, масса ускоряемых частиц недостаточна для решаемых задач.
В качестве прототипа - наиболее близкого к предлагаемому решению, выбран способ разгона частиц [3]: "Protection manual, Inter-Agency Space Debris Coordination Committee, ver. 4.0, April 12, 2011, pp.22, 145-149 (http://iadc-online.org/Documents/ ProtectionManualnVer4nApr11.pdf)", при котором с помощью двухступенчатой легкогазовой пушки ускоряют макрочастицу до сверхвысоких скоростей, что совпадает с существенными признаками предлагаемого. Двухступенчатая легкогазовая пушка типично ускоряет макрочастицу до скоростей от 2 до 7 км/сек, используя гелий или водород как рабочий газ на второй стадий. И эту же ускоренную макрочастицу используют в качестве выходной частицы способа.
Недостаток прототипа состоит в том, что скорости до 10 км/с недостижимы для частиц массой М>0.01 г. Следует отметить, что указанные на фиг. 1 данные для модифицированной ДЛП пока имеют статус прогнозируемых, не подтвержденных экспериментально. Эксперименты с кумулятивным зарядом не могут использоваться для проводимых работ по защите космического аппарата (КА) от метеороидов и космического мусора (М/КМ), поскольку свойства получаемой кумулятивной струи не соответствуют свойствам М/КМ в околоземном космосе, а также не соответствуют стандартам испытаний, принятым, например, в Роскосмосе и NASA, для тестирования защиты КА от М/КМ. Поэтому доступная в настоящее время методика получения макрочастиц в задачах защиты космических аппаратов от космического мусора состоит в применении двухступенчатой легкогазовой пушки в соответствии со схемой, представленной на фиг. 2.
Список фигур чертежей:
Фиг. 1. Скорости частиц в зависимости от их массы, получаемые с помощью различных типов ускорителей.
Фиг. 2. Функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Фиг. 3. Схема эксперимента по исследованию взаимодействия ударника с сеточными экранами.
Фиг. 4 (не представлена). Фотография ударника и сетки с размерами типичными для наших экспериментов. Ударник - шарик 6.35 мм и сетка с диаметром проволоки 0.6 мм и апертурой (видимое на просвет расстояние между проволоками) - 2 мм.
На фиг. 1-3 использованы обозначения: 1 - ресивер со сжатым воздухом; 2 - поршень; 3 - гелий; 4 - ствол первой ступени; 5 - узел сжатия; 6 - ударник; 7 - ствол второй ступени; 8 - расширительная камера; 9 - отсекатель поддона; 10 - откачка воздуха; 11 - баллистическая траектория; 12 - предметная камера; измеритель скорости; 14 - мишень; 15 - струи фрагментов; 16 - головные части струй фрагментов со скоростью до 10 км/с.
На фиг. 1 представлены возможности реализуемых современными методами способов разгона частиц. В частности, видно, что для прототипа - двухступенчатой легкогазовой пушки (ДЛП) скорость 10 км/с недостижима для частиц массой М>0.01 г. На фиг. 2 представлена схема ДЛП, а на фиг. 3 - схема эксперимента с мишенью - сеточным экраном.
Для преодоления недостатков известных способов предложен способ разгона частиц, при котором ускоряют ударник до скоростей от 4 до 7 км/с, направляют его на мишень, при ударной перфорации которой формируют струи фрагментов, головные части которых используют в качестве ускоренных макрочастиц, отличающийся тем, что мишень выполнена в виде сеточного или многослойного струнного экрана с числом слоев от 2 до 3, расположенного под углом от 0° до 90° к линии выстрела, а макрочастицы массой до 0.1 г ускоряются до 10 км/с.
Кроме того, направляющие струнных экранов расположены под углом от 0° до 90° друг к другу.
Технический результат достигается за счет устранения указанных недостатков в предлагаемом способе и состоит в повышении скорости разгона макрочастиц массой до 0.1 г со скоростью до 10 км/с и выше, а также в более простой технической реализации, повышении надежности и уменьшении стоимости устройства, реализующего предлагаемый способ.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
Фиг. 1. Скорости частиц в зависимости от их массы, получаемые с помощью различных типов ускорителей по п. 1 формулы.
Фиг. 2. Функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
Фиг. 3. Схема экспериментов по исследованию взаимодействия ударника с сеточными экранами.
На фиг. 1 представлены зависимости скоростей частиц от их массы, получаемые с помощью различных типов ускорителей. Видно, что с увеличением массы разгоняемых частиц их скорость падает.
На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, согласно которой макрочастица из легкогазовой пушки последовательно проходит через ствол второй ступени, устройство отделения ударника от поддона, попадает в предметную (испытательную) камеру, где проходит через измеритель скорости, и попадает на мишень в виде сеточного экрана.
На фиг. 3 представлена схема экспериментов по исследованию взаимодействия ударника с сеточными экранами, где показано, что при перфорации мишени ударником возникают ускоренные струи фрагментов ударника, головные части которых используются как ускоренные до заданной скорости макрочастицы.
Существо предлагаемого способа состоит в том, что, используя меньшие скорости ударника, облегчают режим эксплуатации оборудования, снижают стоимость и повышают надежность оборудования, а необходимое повышение скорости выходной макрочастицы обеспечивают за счет формирования ускоренных струй фрагментов ударника после его взаимодействия с мишенью.
В наших экспериментах разгон ударника осуществляется с помощью легкогазовой пушки калибра 15-25 мм. По каналу ствола ударник перемещается в неразрезном ведущем поддоне, который изготавливается из полимерного материала. Отделение ударника от поддона производится с использованием специального устройства, размещенного на срезе ствола. Далее, ударник, попадает в предметную (испытательную) камеру, где, пройдя блок электроконтактных датчиков измерения скорости, взаимодействует с мишенью в виде сеточного/струнного экрана.
В качестве ударника в экспериментах использовался шарик из алюминиевого сплава АМГ6 или АД1 диаметром 6.35 мм - 15.0 мм массой 0.36 г. - 4.78 г, или шарик из полиэтилена диаметром 15 мм массой 1.68 г.
В качестве экранов (мишеней) в экспериментах были использованы стальные (сталь 3) сетки или струнные экраны (струнный экран - это система лежащих в одной плоскости параллельных натянутых проволок). Скорость соударения ударника с экраном составляла - 4…7 км/с. В эксперименте удар осуществлялся нормально к поверхности экрана. Испытательная камера, в которой происходил полет ударника и размещался испытываемый экран, вакуумировались.
Предложенный способ ускорения макрочастиц позволяет частицы массой до ~ 0.1 г. ускорять до скоростей ~ 10 км/с и реализуется в эксперименте, схема которого показана на фиг. 2 - фиг. 3. Алюминиевый сферический ударник диаметром 6.35 - 15 мм весом 0.36 - 4.78 г, разогнанный в легкогазовой баллистической установке до скоростей 7 км/с, ударяет по мишени, например, стальной сетке. При разрушении ударника на сетке формируются струи (цепочки) фрагментов, у которых скорости головных частей могут значительно превышать начальную скорость ударника. В экспериментах получены скорости разгона фрагментов до 10 км/сек. Максимальный коэффициент увеличения скорости составил: в экспериментах - 1.38, при численном моделировании - 1.5.
Покажем, что технический результат обеспечивается за счет существенных признаков предлагаемого.
То, что ускоряют ударник до скоростей от 4.0 км/сек до 7.0 км/сек, направляют его на мишень, при ударной перфорации которой формируют струи фрагментов, головные части которых используют в качестве ускоренных макрочастиц, а мишень выполняют в виде сеточного или многослойного струнного экрана с числом слоев от 2 до 3, расположенного под углом от 0° до 90° к линии выстрела, обеспечивает оптимизацию процесса фрагментации ударника и ускорения его фрагментов при перфорации экрана ударником, таким образом позволяет увеличить массу разгоняемых макрочастиц до 0.1 г и их скорость до 10 км/с при простой технической реализации. Этим же обеспечивается уменьшение стоимости устройства, реализующего предлагаемый способ, и повышение его надежности. Заданное число слоев многослойного струнного экрана также обеспечивает необходимые условия для достижения технического результата.
То, что направляющие струнных слоев многослойного экрана расположены под углом от 0° до 90° друг к другу, также обеспечивает условия для оптимизации процесса фрагментации ударника и необходимого ускорения его головных частей струй, т.е. обеспечивает вышеуказанный технический результат.
Предлагаемое техническое решение является простым по конструкции, технологичным в изготовлении и эксплуатации.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Проведенные эксперименты и численные расчеты подтвердили возможность его практической реализации.