Рельсовый электромагнитный ускоритель
RAIL ELECTROMAGNETIC ACCELERATOR

Изобретение относится к линейным электрическим двигателям, а более конкретно к электромагнитным (ЭМ) ускорителям рельсового типа, обеспечивающим прямое преобразование электрической энергии, запасенной в импульсном источнике, в кинетическую энергию метаемого тела. Предлагаемое изобретение может быть использовано в системах разгона макротел (массой от нескольких граммов и выше) до высоких скоростей, предназначенных для исследования уравнения состояния материалов при сверхвысоких давлениях, развиваемых при соударении метаемого тела с мишенью, физического моделирования воздействия микрометеоритов на элементы космических объектов, изучения процессов ударного термоядерного синтеза, вывода миниатюрных спутников на низкую орбиту Земли непосредственно с ее поверхности или борта летательного аппарата, а также для различных военных целей, включая создания орудий для борьбы с бронированными целями, средств противовоздушной и противоракетной обороны, дальнобойной артиллерии морского базирования и прочее. Применение предлагаемого изобретения позволит избежать резонанса, возникающего при достижении скорости метаемого тела скорости распространения волн изгиба в элементах конструкции ствола, снизить в них максимальные напряжения и перемещения и, таким образом, увеличить эффективность процесса разгона и повысить ресурс ствола. Указанная цель достигается тем, что предускоритель обеспечивает метаемому телу на входе в ствол начальную скорость, величина которой выше критического значения скорости распространения изгибных волн в рельсах.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема рельсового ЭМ ускорителя, на фиг. 2 - поперечное сечение ствола ускорителя, на фиг. 3 - схема работы рельсового ЭМ ускорителя.
Фиг. 1 схематично показывает рельсовый ЭМ ускоритель простейшей формы, который включает в свой состав импульсный источник электрической энергии 1, коммутатор 2, подводящие линии 3, ствол 4, предускоритель 5 и метаемое тело 6.
Фиг. 2 показывает поперечное сечение одного из возможных видов ствола рельсового ЭМ ускорителя, включающего токопроводящие рельсы 7, силовую оболочку 8, межрельсовые изоляторы 9, и поддерживающие вставки 10 из материала, не проводящего электрический ток.
Фиг. 3 показывает принцип работы рельсового ЭМ ускорителя.
Электромагнитный ускоритель работает следующим образом (фиг. 1, 2, 3).
В канал ствола 4, образованного рельсами 7 и межрельсовыми изоляторами 9, с помощью предускорителя 5 подается метаемое тело 6, состоящее из полезной нагрузки 11, якоря 12 и поддона 13, обеспечивающего целостность метаемого тела в процессе выстрела. Импульсный источник тока 1 через коммутирующее устройство 2 и подводящие линии 3 подключается к токопроводящим рельсам 7 и соединенным с ними электрически последовательно якорю 12 в момент электрического замыкания якорем 12 рельсов 7.
При протекании тока 14 по рельсам вокруг них индуцируется магнитное поле 15, которое взаимодействует с током, протекающем в якоре 14. В результате этого взаимодействия возникает сила Лоренца, которая действует на якорь 12, разгоняя его вместе с поддоном 13 и полезной нагрузкой 11. Величина ускоряющей силы пропорциональна квадрату тока в якоре и градиенту индуктивности рельсов.
Силовая оболочка 8, охватывающая рельсы 7, межрельсовые изоляторы 9 и поддерживающие вставки 10, составляющие основные элементы ствола 4 рельсового электромагнитного ускорителя, должна противостоять высоким механическим напряжениям, возникающим в элементах конструкции ствола, удерживать геометрические размеры канала ствола постоянными или почти постоянными в процессе выстрела и обеспечивать их восстановление до близких к начальным после выстрела, что является необходимым условием выполнения повторных выстрелов. Силовая оболочка 8 может быть изготовлена как из электропроводных, так из изоляционных материалов. Поддерживающие вставки 10 служат для электрической изоляции рельсов от оболочки, если она выполнена из металла, и для передачи усилий, возникающий в рельсах при выстреле, силовой оболочке. Якорь 12 может быть металлическим, плазменным или гибридным.
Применение предускорителя 5 решает несколько задач. Так в работе [1] показано, что за счет теплового потока из плазменного якоря 12: 1) контактная поверхность рельсов 7 в процессе разгона сильно прогревается и частично проплавляется, 2) наиболее существенно оплавляются участки рельсов 7 на входе в ствол 4, 3) с увеличением начальной скорости метаемого тела 6 положение максимума проплавленного материала смещается по направлению к дульному срезу, а глубина расплава уменьшается с 60 мкм при нулевой начальной скорости до 20 мкм при начальной скорости 2000 м/с и 4) повышение начальной скорости выше 2000 м/с существенно не сказывается на распределение температуры в рельсах 7. Следовательно, применение предускорителя 5, обеспечивающего метаемому телу 6 некоторую начальную скорость на входе в ствол, позволяет снизить воздействие плазменного якоря на поверхность канала и таким образом повысить ресурс ствола. Такое решение подходит при разгоне тел 6 массой в несколько граммов, когда в качестве якоря 12, шунтирующего рельсы 7, используется плазма. При разгоне метаемых тел 6 массой в сотни граммов и выше обеспечение начальной скорости порядка 2000 м/с предускорителем 5 представляет самостоятельную задачу.
Известно техническое решение [2], в котором для избавления процесса разгона метаемого тела от возможных динамических последствий его взаимодействия с элементами канала ствола, связанные с образованием щелей между рельсами и межрельсовыми изоляторами и уменьшения расстояния между рельсами, предлагается обеспечить на входе в ствол метаемому телу скорость предускорения выше 500 м/с. Величина скорости получается из результатов сложных расчетов динамического поведения ствола и метаемого тела при выстреле и не имеет аналитического выражения, связывающего величину начальной скорости с характеристиками канала ствола.
При движении фронта давления (в пороховых пушках) или фронта электромагнитного давления (в ЭМ ускорителях), связанных с движением метаемого тела, по стволу в элементах, образующих канал, генерируются и распространяются волны изгиба. При достижении метаемым телом скорости распространения волн изгиба наступает резонанс, приводящий к значительному усилению напряжений и деформаций в элементах конструкции. Это может привести к ускоренному износу или даже к разрушению ствола ускорителя, нарушению характера протекания тока на границе якорь - рельсы и, таким образом, уменьшить ресурс рельсового ускорителя и ухудшить его характеристики.
cr
Выражение для критической скорости (V) получается из уравнения колебания рельса в приближении балки, покоящейся на упругом основании, при движении по ней нагрузки с постоянной скоростью и имеет вид [3]:
o
o
o
o
3
где: Е, ρ - модуль Юнга и плотность материала рельса, соответственно, F - площадь поперечного сечения рельса, I - момент инерции сечения на поворот, k - модуль упругости основания. Модуль упругости основания аналогичен модулю объемного сжатия материала основания и может быть записан в виде k=В=Е/(3-6μ) [4], где Е, μ - модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала основания соответственно. Для прямоугольного сечения момент инерции каждого рельса I=bh/12, при соответствующей площади поперечного сечения F=bh, где b - ширина рельса, h - его высота. Тогда выражение для критической скорости примет вид:
-8
4
-4
2
3
3
cr
Поперечное сечение одного из возможных видов ствола рельсового ЭМ ускорителя показано на фиг. 2. Пусть рельс имеет следующие геометрические размеры [3]: ширина рельса b=0,0762 м, толщина рельса h=0,0125 м. Тогда момент инерции поперечного сечения 1=1,240×10 м, а площадь F=9,525×10 м соответственно. Пусть рельсы выполнены из алюминия с модулем Юнга Е=69 ГПа и плотностью ρ=2750 кг/м. Если поддерживающая вставка выполнена из фибергласса (материала типа текстолит), то значение модуля упругости основания k=4,72 ГПа [3]. Тогда величина критической скорости согласно уравнения (2) равна V=1239 м/с. Для рельсов из литой стали модуль Юнга Е=197 ГПа, а плотность ρ=7830 кг/м. Такое изменение материала рельса снизит величину критической скорости до 955 м/с. Если в качестве материала рельса снова взять алюминий, а поддерживающую вставку выполнить из керамики, то величина модуля упругости основания к вырастит до 154 ГПа [3], а значение критической скорости до 2961 м/с. Также величина критической скорости может быть увеличена или уменьшена за счет изменения формы или размеров поперечного сечения рельсов.
Известно техническое решение [5], которое наиболее близко к предлагаемому изобретению и взято за прототип, в котором за счет изменения конструкции ствола рельсового ускорителя обеспечивается непрерывное повышение величины критической скорости в осевом направлении от казенной части до дульного среза. Тогда метаемое тело при своем движении по каналу ствола не достигнет критической скорости. Это можно выполнить повышая от казенной части до дульного среза ствола соотношения, входящие в выражение для критической скорости (1) и зависящих от свойств материалов  геометрии рельса  и модуля упругости основания к. На наш взгляд технически это принципиально возможно (за счет применения сегментированных рельсов и изоляторов, набранных из материалов с различными плотностями и модулем Юнга рельсов и с изменяющимся видом поперечного сечения по длине ствола), но канал усложниться конструктивно, встанет вопрос о росте джоулевых потерь, так как придется применять материалы с плохой электропроводностью. Кроме того, величина критической скорости слабо (как корень четвертой степени) зависит от материала и геометрии рельсов и ограничено по величине: трудно представить реальную конструкцию, в которой величина критической скорости могла бы достичь 4000 м/с.
Целью предлагаемого изобретение является обеспечение безрезонансного процесса разгона метаемого тела и, таким образом, повышения выходных характеристик ЭМ рельсового ускорителя и его ресурса.
Указанная цель достигается тем, что предускоритель обеспечивает метаемому телу на входе в ЭМ ствол начальную скорость, величина которой выше критического значения скорости распространения волн изгиба в рельсах. В результате метаемое тело будет в процессе разгона в стволе рельсового ЭМ ускорителя всегда обгонять фронт волны распространения волны изгиба в рельсе, предотвращая, таким образом, наступление резонанса, что, в свою очередь, приведет к уменьшению максимальных напряжений и перемещений элементов конструкции ствола ЭМ рельсового ускорителя в процессе выстрела. Величина начальной скорости метаемого тела, обеспеченная работой предускорителя, определяется аналитически (1), используя физические характеристики рельса и его геометрические размеры.
Цитируемые источники
1. Жигар Т.А., Кудрявцев А.В., Кучерявая И.Н., Плеханов А.В., Подольцев А.Д., Чемерис В.Т., «Математическое моделирование электромеханических и тепловых переходных процессов в магнито-плазменном ускорителе», Теплофизика высоких температур, 1991, том 29, №2, стр. 360-364.
2. Hum T.W., D'Aoust J., Sevier L., Jonson R., Wesley J., "Development of an advanced electromagnetic gun barrel", IEEE Transaction on Magnetics, 1993, vol. 29, no. 1, pp. 837-842.
3. Nechitailo N.V., Lewis K.B., "Critical velocity for rails in hypervelocity launchers", International Journal of Impact Engineering, 2006, vo. 33, pp. 485-495
th
4. Timoshenko S., "Method of analysis of statical and dynamic stress in rail". Proc. 2 Int. Congress of Applied Mechanics, Zurich, 1927, pp. 1-12.
5. Nechitailo N.V., Lewis K.B., Rails for electromagnetic hypervelocity launcher. US Patent No. 7 409 900, August 12, 2008.