КОАКСИАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
COAXIAL ELECTROMAGNETIC ACCELERATOR

Изобретение относится к области электротехники, к разделу импульсной техники, разделу мощной импульсной энергетики, для ускорения макротел, в частности для ускорения снарядов, для исследовательских целей в физике твердого тела при изучении взаимодействия материалов при высоких скоростях столкновения, для впрыскивания дейтерия в импульсный термоядерный реактор.
r
Известно (Кнопфель Г. Сверхсильные сильные магнитные поля. Пер. с англ. - М.: Мир, 1972, стр.143), что на электропроводящее тело (далее снаряд), помещенное на торец катушки, на которую разряжается конденсаторная батарея, действует сила Лоренца F=M.dB/dr, которая выталкивает его из катушки. В начальный момент ускорение тела может достигать значительной величины (Андреев А.Н., Бондалетов В.Н. Индукционное ускорение проводников и скоростной привод. Электричество, 1973, №10, с.36-40). Однако эффективность ускорения резко падает при удалении тела от торца катушки, так как магнитное поле быстро (на расстоянии порядка радиуса катушки) спадает, поэтому разовый импульс не способен разогнать тело до высокой скорости. Если разовый импульс будет очень большим, сила Лоренца может разрушить снаряд. Кроме этого, из-за большой доли рассеянных магнитных полей, большой величины размагничивающего фактора КПД устройства мало. Недостатки: 1) работает только торец катушки, поэтому используют короткие катушки, их размагничивающий фактор велик, КПД установки мало, 2) в качестве источника энергии для запитки током толкающей катушки применяются конденсаторные батареи (КБ), их удельная запасаемая энергия на порядок меньше, чем в сверхпроводящих индуктивных накопителях - соленоидах, 3) снаряд эффективно ускоряется только в начальный момент.
Чтобы разогнать тело до более высокой скорости, предложен способ ускорения снаряда последовательностью магнитных импульсов, создаваемой системой катушек, расположенных вдоль разгонного пути (Winterberg F. Magnetic acceleration of superconducting solenoid to hypervelocities // Plasma Phys(1966), V.8, p.544).
При этом необходимо разряжать конденсаторные батареи на толкающие катушки точно в момент нахождения ускоряемого тела внутри этих катушек. Каждая толкающая катушка имеет свою систему заряда и разряда, ускоритель в целом имеет сложную систему синхронизации запуска разрядников. Катушки расположены друг от друга на расстоянии толщины катушки для снижения влияния соседних катушек на процесс ускорения, так как импульс имеет восходящую и нисходящую ветви. При этом увеличивается длина разгонного пути установки. По мере движения снаряда вдоль разгонного пути к катушкам необходимо прикладывать все более мощные импульсы тока, чтобы сохранить постоянный темп ускорения. Это требует целого ряда все более мощных и высоковольтных первичных источников тока. Недостатки: 1) за счет применения большого количества КБ и высоковольтной коммутирующей аппаратуры устройство громоздко, снижается его надежность, 2) необходима сложная система синхронизации, 4) применение коротких ускоряющих катушек с высоким коэффициентом рассеяния снижает КПД.
сн
к
В устройстве «Электродинамическая пушка» (Гамаюнов А.В., Ким К.К. Патент РФ №2116604) ускорение снаряда производится так же импульсом магнитного поля, возникающим при разряде конденсаторной батареи на толкающую катушку. Для увеличения времени взаимодействия ускоряющего импульса поля со снарядом, снаряд прикреплен к коническому вкладышу, который вставлен в катушку конической формы. Недостаток этого устройства состоит в том, что 1) на сжатие толкающей катушки и вкладыша тратится значительная энергия, за счет этого снижается КПД устройства, 2) часть устройства разрушается (толкающая катушка, вкладыш), 3) при разряде на толкающую катушку конденсаторной батареи ускоряемый конический вкладыш выходит из ускоряющей катушки, коэффициент электромагнитной связи между ними резко уменьшается (К~S/S - отношение площади сечения снаряда к площади сечения ускоряющей катушки), уменьшается сила Лоренца, устройство осуществляет фактически разовый кратковременный толчок, КПД устройства в целом мало.
Известно, что "Более высокие скорости движения снаряда могут быть достигнуты путем резонансного ускорения с помощью движущийся магнитной волны, если бы конфигурация поля следовала за снарядом со скоростью, равной скорости снаряда в каждый момент времени на всем разгонном пути"(Кнопфель Г. Сверхсильные сильные магнитные поля. Пер. с англ. - М.: Мир, 1972, стр.143).
Прототипом заявляемого устройства может быть устройство для получения бегущей магнитной волны (Вяткин В.С., Дорофеев Г.Л., Куроедов Ю.Д. Способ получения бегущей магнитной волны и устройство для реализации способа. Патент РФ №2219685, опублик. 20.12.2003).
Устройство содержит подключенную к источнику тока первичную обмотку-соленоид, внутри которой расположен магнитный экран, выполненный в виде сверхпроводящий трубы, на одном конце трубы размещена дополнительная обмотка, подключенная к импульсному источнику тока. Накопление магнитной энергии происходит в зазоре между соленоидом и экраном. Образование бегущей магнитной волны внутри экрана происходит при подаче импульса тока на дополнительную катушку, который переводит часть экрана, индуктивно связанную с ней, в резистивное состояние; магнитное поле соленоида проникает внутрь экрана, а затем распространяется вдоль его оси за счет разрушения сверхпроводимости экрана, вызванного превышением его критического тока на фронте магнитной волны.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является возможность плавно разгонять снаряд в течение длительного времени до необходимой скорости, снизить массу и габариты устройства за счет применения соленоида в качестве источника электромагнитной энергии, повысить надежность устройства за счет исключения многоэлементной высоковольтной аппаратуры и системы синхронизации.
Для этого предложен коаксиальный электромагнитный ускоритель, состоящий из первичной обмотки в виде сверхпроводящего соленоида, подключенной к источнику постоянного тока, внутри которой коаксиально размещен магнитный экран в виде трубы из сверхпроводящего материала, подключенной к блоку охлаждения, на конце трубы размещена дополнительная обмотка, подключенная к источнику импульсного тока, при этом внутри трубы под дополнительной обмоткой или на трубе рядом с ней размещен снаряд, выполненный из электропроводящего материала.
мин
макс
Кроме того, магнитная постоянная соленоида плавно изменяется по длине от α со стороны дополнительной катушки до α с другой стороны.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства, на фиг.2 представлены токи, магнитные поля, токи в соленоиде, экране и снаряде.
Предлагаемое устройство состоит из первичной обмотки - катушки в виде длинного соленоида 1, подключенной к источнику постоянного тока 2, внутри которой коаксиально размещена труба 3 из сверхпроводящего материала, подключенная к блоку охлаждения 4, на конце трубы размещена дополнительная обмотка 5, подключенная к источнику импульсного тока 6, внутри трубы (или снаружи около нее) под обмоткой 5 размещен снаряд 7, выполненный из электропроводящего материала.
мин
макс
Соленоид 1 может быть выполнен из сверхпроводящего материала, источник постоянного тока 2 может быть шунтирован сверхпроводящей перемычкой для обеспечения режима постоянной готовности к пуску устройства. По всей длине магнитной системы соленоид - экран, в зазоре между ними, могут быть расположены дистанционирующие кольца. Магнитная постоянная соленоида может быть переменной по длине от α до α для обеспечения необходимого темпа ускорения снаряда.
сн
CH
сн
r
Устройство работает следующим образом: устанавливают снаряд 7 в трубу 3 под дополнительной обмоткой 5, охлаждают трубу ниже температуры сверхпроводящего перехода с помощью блока охлаждения 4, подключают первичную обмотку 1 к источнику постоянного тока 2 и заряжают ее током до величины I, внутри обмотки возникает магнитное поле "В=α·I", см. фиг.2, при этом в сверхпроводящей трубе 3 возникают сверхпроводящие кольцевые токи, экранирующие область внутри трубы 3, включают импульсный источник тока 6, при этом в дополнительной обмотке возникает импульс поля, наводящий ток I в снаряде 7 (его магнитный момент М=S·I) и дополнительный ток в трубе 3 под катушкой 5, сумма дополнительного тока и экранирующего тока превышает критический ток экрана под катушкой 5, его экранирующая способность нарушается, и магнитное поля из зазора соленоид - экран проникает внутрь экрана, возникающее поле Br, взаимодействуя с наведенным током в снаряде, толкает снаряд вдоль трубы с силой Лоренца F=M·dB/dr. Намагниченный снаряд, двигаясь по трубе, переводит участок трубы рядом с ним в резистивное состояние, магнитное поле за ним проникает внутрь трубы и толкает снаряд дальше вдоль трубы, осуществляется автосинхронизация движения снаряда и фронта магнитного поля, т.е. осуществляется режим резонансного ускорения снаряда с помощью движущийся (бегущей) магнитной волны
мин
макс
Использование изобретения позволит реализовать способ непрерывного ускорения с помощью бегущей магнитной волны, ускорять снаряд плавно, в течение длительного времени, достигать необходимой скорости снаряда путем увеличения длины устройства и применения экрана с большей плотностью критического тока, накапливать электроэнергию в сверхпроводящей магнитной системе от маломощного источника, обеспечивать режим высокой готовности пуска заряженного устройства при закоротке соленоида сверхпроводящей перемычкой после достижения необходимого тока. Синхронизация скорости тела и скорости фронта магнитной волны осуществляется самим телом. Вопрос подвода большей мощности по мере увеличения скорости тела решается путем применении катушки-соленоида с переменной по длине магнитной постоянной от В на начальном участке до В в конце соленоида.
По данному техническому решению на предприятии разработано, изготовлено и испытано несколько устройств для генерации бегущей магнитной волны, выполненных на основе тонкостенных сверхпроводящих труб диаметром 10-14 мм из ниобий-титанового сплава. Испытания устройств подтвердили образование бегущей магнитной волны внутри экрана, ее распространение со скоростью до 3000 м/с в зависимости от величины намагничивающего поля и толщины экрана (Куроедов Ю.Д., Дорофеев Г.Л., Вяткин B.C. Физические предпосылки применения сверхпроводников в импульсной энергетике микросекундного диапазона. Прикладная физика №5, 2005, стр.115-121).