Электромагнитный ускоритель масс
ELECTROMAGNETIC MASS ACCELERATOR

Заявляемое изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности, к электромагнитным ускорителям, способных доставить полезную нагрузку на орбиту. И может быть применена для разгона полезной нагрузки до орбитальных скоростей.
Известен электромагнитный ускоритель масс по патенту США №US 8,371,205 В1. Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУ) содержит, по меньшей мере, два удлиненных высоковольтных рельса, скользящую арматуру, которая электрически контактирует с каждой шиной высокого напряжения, по меньшей мере, двумя удлиненными металлическими опорными балками, выполненными с возможностью обеспечения механической прочности ЭМУ, причем опорные балки параллельны высоковольтным рельсам и множество металлических опорных пластин, выровненных по периметру вокруг опорных балок, и по длине рельсового пути упомянутые опорные пластины, выполненные с возможностью обеспечения дополнительной механической прочности ЭМУ: при этом опорные пластины электрически изолированы друг от друга и от опорных балок.
Известна арматура для электромагнитного ускорителя масс по патенту США №US 5237904А. Данное изобретение относится к арматуре / снаряду для запуска через магнитную движущую силу электромагнитного ускорителя масс и, более конкретно, к арматуре / снаряду, сконфигурированной для уменьшения концентрации тока в хвосте и распределения тока в направлении носа, чтобы уменьшить или устранить местный перегрев и внутреннее напряжение, балансируя электрически индуцированную движущую силу и инерционную силу в арматуре / снаряде.
Недостатком аналогов является низкая надежность по причине интенсивного нагрева снаряда, вызванного механическим взаимодействием снаряда и рельс и прохождением тока высокой интенсивности.
Наиболее близкими к сущности заявляемого изобретения является: классический электромагнитный ускорителя масс, описанный в статье «На орбиту - на электровозе» журнала «Российский космос» (№9, 2011).
ЭМУ состоит из 2-х параллельных элементов, называемых рельсами, подключенных к источнику постоянного тока. На рельсах располагают массу (снаряд), которую необходимо ускорить.
Ускоритель масс по прототипу работает следующим образом, подается ток на один рельс, он проходит через этот рельс, далее через снаряд и через второй рельс возвращается к источнику постоянного тока. В результате образуется магнитное поле, которое, при взаимодействии с протекающем в снаряде электрическим током, обуславливает возникновение силы Ампера, приложенной к снаряду и приводящей его в движение с ускорением.
Недостаток прототипа - интенсивный нагрев снаряда, что приводит к низкой надежности электромагнитного ускорителя масс, снижению дальности и скорости на выходе у метаемого объекта.
Техническая задача, вытекающая из критики аналогов и прототипа: увеличение надежности ЭМУ.
Указанная техническая задача решается тем, что на открытой поверхности снаряда нанесен эмиссионный слой из материала с низкой работой выхода электронов, поверхность которого имеет игольчатую форму. Снаряд и эмиссионный слой образуют собой катод. На внутренней поверхности корпуса ЭМУ, напротив всей длины рельс установлены аноды, выполненные из электропроводящего материала, которые электрически последовательно через источник напряжения, рельс и снаряд связаны с эмиссионным слоем.
Технический эффект, достигаемый при реализации изобретения заключается в том, что за счет охлаждения массы снаряда существенно снижаются температурные напряжения и деформация снаряда при нагреве и вследствие этого повышается надежность и долговечность. Также это позволяет повысить точность, скорострельность и скорость на выходе из ускорителя.
Заявляемое изобретение представлено на чертеже.
Устройство электромагнитного ускорителя включает в своем составе: снаряд 1, рельсы 2а, 2б, эмиссионный слой 3 (в игольчатой формы со стороны открытой поверхности), анод 4, источник напряжения 5, источник постоянного тока 6, тоннель 7.
Снаряд 1, предназначен для получения ускорения под действием силы Ампера, рельсы 2а, 2б, служат для обеспечения направленного движения снаряда, эмиссионный слой 3 (игольчатой формы со стороны поверхности) предназначен для обеспечения высокой эмиссии электронов при нагреве и при высоком напряжении, причем снаряд 1 и эмиссионных слой 3 образуют катод. Анод 4, служит для восприятия всех электронов, вышедших из эмиссионного слоя, источник напряжения 5, который обеспечивает направленное движение электронов от катода к аноду, источник постоянного тока 6, выделяет ток, необходимый для разгона снаряда, тоннель 7 нужен для фиксации рельс, выполнен из непроводящего материала. Игольчатая форма слоя способствует усилению электрического поля, за счет скопления на их концах заряда, что увеличивает разность потенциалов между анодом и катодом.
Устройство, представленное на чертеже изобретение, работает следующим образом: из источника постоянного тока (6) в цепи рельс (2а) - снаряд (1) - рельс (2б) -подается ток на один рельс (2а), он проходит через этот рельс (2а), далее через снаряд (1) и через второй рельс (2б) возвращается к источнику постоянного тока (5). В результате образуется магнитное поле, которое, при взаимодействии с протекающем в снаряде электрическим током, обуславливает возникновение силы Ампера, приложенной к снаряду и приводящей его в движение с ускорением. Под действием силы Ампера снаряд (1) начинает движение с ускорением, при этом за счет трения и выделения Джоуля тепла он и эмиссионный слой (3) (катод) начинают греться до температуры, при которой с поверхности эмиссионного слоя (3) начинают выходить горячие электроны. Одновременно в цепи анод (4) - источник напряжения (5) - рельс (2а) - снаряд (1) - эмиссионный слой (3) подается напряжение из источника напряжения (5). Между катодом и анодом (4) возникает разница потенциалов и начинает протекать термоавтоэлектронная эмиссия, то есть с эмиссионного слоя начинают выходить электроны, забирая с собой большое количество тепла, в результате снаряд (1) охлаждается. После попадания на анод (4) электроны направляются в источник напряжения (5) и далее в рельс 2а, снаряд (1) и эмиссионный слой (3). И цикл охлаждения снаряда (1) повторяется. При выходе электронов из эмиссионного слоя на них действует сила Лоуренса, образующаяся от движения тока по рельсам, и сила Кулона, действующая за счет разности потенциалов между катодом и анодом. При этом сила Кулона существенно больше силы Лоуренса по причине высокой разницы потенциалов между катодом и анодом. Поэтому электроны беспрепятственно попадают с катода на анод.
Одновременно происходит нагрев снаряда до высоких температур, что в ансамбле с приложенным напряжением приводит к одновременному возникновению термоэлектронной (испускание электронов при нагреве) и автоэлектронной эмиссии (испускание электронов под действием электростатического поля). В этом случае электроны выходят из катода, охлаждая его. От катода вышедшие электроны по полю переходят на анод и воспринимаются им. Затем они через источник напряжения идут в рельс и далее в катод.
Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, заключается в том, что появляется возможность увеличить скорость снаряда на выходе, скорострельность ЭМУ и надежность всей системы за счет обеспечения электронного охлаждения снаряда при термоавтоэлектронной эмиссии, снижения температуры и температурных напряжений, возникающих в снаряда при движении в ЭМУ, увеличивается ресурс ЭМУ. При этом не требуется сложной системы охлаждения, которая увеличивала бы массу снаряда. Таким образом, решается сложная проблема охлаждения снаряда при движении в ЭМУ, которая характеризуется минимальной добавочный массой при более высокой эффективности.