Способ магнитоиндукционного ускорения твердых тел
METHOD OF MAGNETO-INDUCTIVE ACCELERATION OF SOLIDS

Изобретение относится к способам магнитодинамического 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 объектов массой в несколько грамм достигнута скорость 10 км/с (Wolfram Witt, Marcus Loffler, "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 существенные 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 Апресов, "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 RU 2381154 С1). На основе это идеи предлагается проект стартового 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 Thom 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. Наилучшие результаты были достигнуты 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).
Общим недостатком всех неконтактных индукционных систем является их чрезвычайная сложность: громоздкие накопители типа конденсаторов и маховиков, малоэффективные преобразователи энергии типа униполярных генераторов и ком пульсаторов, коммутаторы распределения энергии и датчики слежения. 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. Трудно себе представить столь сложные схемы для быстрого ввода и распределения огромной энергии (порядка 100 ГДж) за доли секунды для разгона снаряда весом в 2000 кг до скорости 10 км/с.
Достаточно разумную схему «космического ускорителя» предложил в 1966 г. Фридворт Винтерберг (collapsing field accelerator), где энергия заранее запасается и распределяется вдоль ускорителя в конденсаторах постоянной емкости, которые разряжаются через индуктивные катушки по мере того, как снаряд-цилиндр снимает энергию от каждой из них при прохождении соленоида благодаря индуктивной коммутации (F. Winterberg. Magnetic acceleration of a superconducting solenoid to hypervelocities. / Plasma Physics (Journal of Nuclear Energy Part C) 1966, Vol. 8, pp. 541 to 553).
Позже, в 1978 г., эта идея была развита Генри Кольмом в концепции ускорителя Quenchgun, который по своим признакам является наиболее близким к предложенному способу (William R. Snow and Henry H. Kolm, "Electromagnetic Launch of Lunar Material", NASA SP-509, Volume 2, Energy, Power and Transport, 1992, pp. 117). В нем предложено запасать энергию для выстрела в виде энергии магнитного поля заранее в сверхпроводящих соленоидах, расположенных вдоль ускорителя. В сравнении с конденсаторами сверхпроводящие соленоиды способны аккумулировать больше энергии на 3-4 порядка.
В этом ускорителе снаряд, содержащий кольцо с током, притягивается впереди стоящим соленоидом. По закону Ленца ток соленоида по мере приближения кольца полностью исчезает за счет «коммутации, вызванной движением», а ток кольца меняется незначительно. При этом вся потенциальная энергия магнитного поля соленоида переходит в кинетическую энергию снаряда. Проходя через соленоид, снаряд разрушает сверхпроводимость в соленоиде за счет действия дополнительного «радиального магнитного поля» или термического воздействия, переводя сверхпроводник соленоида в несверхпроводящее состояние. По мысли автора, так удастся избежать обратного индукционного притяжения при удалении кольца от соленоида. Этот процесс должен повторяться снова и снова по мере движения снаряда вдоль ствола. В этой схеме отсутствуют сложные коммутирующие устройства и экзотические генераторы импульсного тока большой мощности, а также устранены омические потери. Однако в этом ускорителе нет собственно способа отключения использованного соленоида. Дело в том, что после перехода в нормальное состояние сверхпроводник становится металлом, а не изолятором! Поэтому при удалении кольца в нем также будет наводиться вихревой ток, и соленоид начнет притягивать снаряд обратно. Потом он начнет разогреваться, что крайне нежелательно для криогенной системы, в которой он находится. Эта особенность не учтена автором проекта, что делает его техническое воплощение невозможным.
Ускорение соленоидов-снарядов методом бегущей магнитной волны предлагается также в устройстве, которое состоит из двух сверхпроводящих коаксиальных цилиндров (Куроедов Ю.Д., Дорофеев Г.Л., Вяткин В.С. Коаксиальный электромагнитный ускоритель / Патент RU 2406279, 09.06.2009). По цилиндрам текут противоположные по направлению токи. Это обеспечивает взаимную компенсацию магнитных полей до нулевого значения внутри цилиндра с малым диаметром. По нему течет сверхпроводящий ток с плотностью, близкой к критическому значению. При выстреле на соленоиде-снаряде наводится ток, магнитное поле которого увеличивает плотность тока внутреннего цилиндра до критического. При этом сверхпроводник становится металлом, и поле внутреннего цилиндра быстро исчезает. Это нарушает взаимную компенсацию полей, и поле от внешнего цилиндра вталкивает соленоид внутрь цилиндра с малым диаметром. Продвижение соленоида вдоль цилиндра последовательно разрушает его сверхпроводящее состояние, что создает бегущую магнитную волну. Но при этом примерно 50% энергии сверхпроводящего накопителя переходит в тепло, а скорость бегущей волны не превышает 3000 м/с (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). Задача данного изобретения состоит в том, чтобы создать магнитодинамический ускоритель, в котором было бы возможно ускорение снаряда-соленоида с помощью бегущей магнитной волны без недостатков вышеперечисленных прототипов.
Задача решается следующим образом. Энергия для выстрела ускорителя распределяется в батарее ускоряющих сверхпроводящих соленоидов (УС) 1 (Рис 1). Они расположены вдоль ускорителя соосно стволу орудия 2 и заключены в криостат с жидким гелием 3. Перед выстрелом они запитываются током от питающей линии 4 от внешнего источника тока. Снаряд-соленоид (СН) 5 находится под заряжающей катушкой индуктивности (ЗКИ) 6, в которой течет ток. СН может представлять собой катушку индуктивности, или просто цилиндр. Он может быть сделан как из сверхпроводника, так и из простого металла. Токоподводы 7 от питающей линии к каждому соленоиду замкнуты сверхпроводящей ключом-перемычкой (КП) 8 (Рис 2). Сама КП сделана из сверхпроводника, у которого напряженность критического поля (Нc) намного меньше такового материала провода УС. Например, если провод УС сделан из станнида ниобия с Нс=230 (Т=4.2К), то провод КП может быть сделан из ниобий-титанового сплава с Нс=90 (Т=4.2К). КП находится на некотором удалении от соленоида вдоль направления движения снаряда. Она размешается на таком расстоянии, чтобы переходила в резистивное состояние при выходе СН из УС.
До выстрела все ключи-перемычки соленоидов находятся в резистивном состоянии. Это возможно при нагревании их выше критической температуры или наложении на них магнитного поля с напряженностью выше критической величины. После зарядки УС ключ переводится в сверхпроводящее состояние, что вызывает замыкание соленоидов самих на себя. После этого направление тока во внешней линии токоподвода меняется на противоположное, и через КП 8 уже идет суммарный ток от соленоида 1 и токоподвода 7 (Рис 3).
1
2.
Непосредственно в момент выстрела в СН создается ток путем размыкания ЗКИ с током 6. Направление тока в СН совпадает с таким в УС (Рис 4: верхняя часть СН, обращенная к зрителю, заштрихована серым цветом). После этого СН притягивается к ускоряющему соленоиду 1, забирая у него энергию за счет магнитной коммутации, вызванной движением. Вектор напряженности поля УС обозначен индексом H, вектор напряженности поля СН обозначен индексом H
В момент прохождения снаряда через УС 1 сила тока в нем падает до нулевого значения. И в этот момент на перемычку 3 начинает действовать магнитное поле от СН, переводя ее в резистивное состояние (Рис. 5). Из за этого в соленоид 1 снова поступает ток от внешней линии токоподводов 2, но уже в противоположном направлении тому, что было при зарядке до выстрела. И проходящее мимо соленоида 1 кольцо с током 6 уже испытывает отталкивание от него, но не притяжение (Рис. 6).
После того как СН покидает УС, эта процедура повторяется последовательно со всеми ускоряющими соленоидами по мере его движения. При этом снаряд ускоряется, а соленоиды ускорителя перезаряжаются. Но направление тока в них будет уже противоположно тому, что было перед выстрелом. Для повторения выстрела индуктивное кольцо (или соленоид) нового СН в момент нового выстрела должно быть заряжено током противоположного направления по вышеуказанной процедуре. Таким образом, данный ускоритель способен разгонять снаряды без сложных схем слежения и переключения. Что особенно актуально при работе с большим током сверхпроводников.