Способ магнитодинамического ускорения твердых тел
METHOD OF MAGNETIC-DYNAMIC 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 C1). На основе этой 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 компульсаторов, 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 наводится 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.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании способа магнитодинамического ускорения снаряда, при котором возможно индукционное ускорение снаряда, для которого бы не требовались какие-либо промежуточные преобразователи тока, коммутаторы, датчики слежения и лишние переключатели полупроводникового типа.
Как и в проекте Quenchgun, решение поставленной задачи осуществляется тем, что энергия для выстрела ускорителя распределяется в батарее ускоряющих колец-соленоидов 1, расположенных вдоль ускорителя (рис 1). Они могут быть как сверхпроводящими, так и из обычного металла. В отличие от проекта Quenchgun, ускоритель содержит сверхпроводящий соленоид-накопитель 2, который является аккумулятором энергии для выстрела.
Соленоид, накопитель энергии 2 располагается коаксиально над ускоряющими кольцами 1. В отличие от схемы Quenchgun, здесь для зарядки системы не обязательно пропускать большой ток, который необходим для зарядки ускоряющих сверхпроводящих колец-соленоидов орудия. Это может быть многовитковый соленоид, через который пропускается весьма небольшой ток, но который создает магнитное поле (МП) высокой напряженности. При этом для зарядки ускоряющих сверхпроводящих соленоидов 1 уже не нужно применять т.н. «термические» или «магнитные» ключи, что упрощает схему зарядки устройства. Накопление энергии происходит во внешнем соленоиде 2 путем подачи в него постоянного тока относительно небольшой величины через токоподводы 3. Это упрощает его зарядку от внешней сети.
Решение проблемы отключения ускоряющего соленоида при прохождении через него ускоряемого кольца с током 4 решается тем, что сам ускоряющий соленоид 1 выполнен в виде кольца с разрезом 5, который замыкается электропроводящей или сверхпроводящей перемычкой 6. Перемычка 6 расположена на гибкой и подвижной металлической мембране 7 (рис. 2 и 3). Мембрана крепится на внутренней стороне колец через изолирующие прокладки 8 и проходит вдоль всего ускорителя, отсекая внутренний объем 9 от внешнего 10. Если ускоряющие кольца выполнены из обычного металла, то диэлектрик может быть жидкий фреон, например. Если они сделаны из сверхпроводника, то диэлектрик может быть жидкий гелий с электрической прочностью на пробой 25-30 кВ/мм (Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам криогеники. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 162). Ускоряющие кольца разделены между собой слоем прочного диэлектрика 11. В процессе зарядки для данного способа ускорения ускоряющие кольца 1 разомкнуты путем создания давления во внешнем объеме 10. При этом перемычка 6 отодвигается от кольца с разрезом 5 (рис. 3).
2
Перед выстрелом ускоряющие кольца 1 снова замыкаются перемычкой 6 путем подачи давления во внутренний объем 9 (рис. 2). Соленоид накопитель 2 размыкается, и во внутренних ускоряющих кольцах 1 наводится ток. Энергия МП теперь связана с ними. После зарядки ускоряющего кольца через перемычку 6 течет ток большой величины, который под действием силы Ампера надежно прижимает ее к кольцу 1. Параметры работы ускоряющих колец из обычного металла выбирают такими, чтобы давление перемычки на поверхность и сила тока были меньшими, чем те, которые могут привести к контактной сварке металла. Например, для меди и алюминия допустимые рабочие параметры будут менее 600 А/мм и 1000 атм (Чулошников П.Л. Контактная сварка. - М.: Машиностроение, 1977, с. 25). Для сверхпроводников, судя по опыту создания соединительных муфт для силовых кабелей, такой проблемы не существует (Шавкин С.В. Повышение градуса холода в пользу энергетики. // В мире науки, 2014, №12, с. 70).
До момента выстрела во внешнем объеме 10, который заполнен жидким диэлектриком, создается гидростатическое давление, которое меньше, чем магнитодинамическое давление, оказываемое силой Ампера на перемычку 6. Понятно, что гидростатическое давление должно создаваться «чуть позже», чем сила Ампера надежно прижмет перемычку 6. Это возможно сделать, если при разрядке соленоида накопителя 2, например, будет заряжен специальный соленоид, который создаст усилие на всю гидростатическую систему с жидким диэлектриком. Сила Ампера прижимает перемычки 6 к ускоряющим кольцам 1 мгновенно, а волна давления в жидком диэлектрике распространяется с опозданием, так как скорость звука в жидком гелии и фреоне очень низка, порядка 200 м/с (Малков М.П. и др. Справочник по физико-техническим основам криогеники. М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 178).
Непосредственно в момент выстрела в кольце ускоряемого снаряда 4 создается ток, например, путем размыкания специального «заряжающего» соленоида с током 12 (рис. 1). После этого кольцо с током 4 притягивается к ускоряющему кольцу 1, забирая у него энергию за счет магнитной коммутации, вызванной движением.
В момент прохождения снаряда через ускоряющее кольцо 1 сила тока в нем падает до значения, когда магнитодинамическое давление, оказываемое силой Ампера на перемычку, уравновешивается гидростатическим. После этого перемычка 6 отрывается от ускоряющего кольца 1, и оно становится непроводящим, а в зазор 5 между перемычкой и кольцом проникает жидкий диэлектрик (рис. 3). После этого кольцо с током 4 удаляется от разряженного кольца 1, в котором по закону Ленца наводится ЭДС, не способное вызвать ток в кольце из-за слоя жидкого диэлектрика в его разрезе. И поэтому оно не притягивается обратно, в отличие от описанной системы Quenchgun.
Далее оно притягивается к следующему заряженному кольцу 1 и последовательно снимает энергию ускоряющих колец до тех пор, пока не покинет ускоритель. Снаряд с индуктивным кольцом летит в трубе из диэлектрика 13, которая отделяет его от батареи ускоряющих колец. Центрировать снаряд в трубе можно с помощью сменных рельс из пластика.
Таким образом, необходимое «коллапсирующее магнитное поле» в данной схеме создается с помощью магнитомеханических переключателей тока, которые отключают индуктивные кольца ускорителя (разрывают электрическую цепь кольца) под действием гидростатического давления жидкого диэлектрика при прохождении через него ускоряемого снаряда.
Данная схема интересна тем, что снаряд с кольцом может не только притягиваться ускоряющими кольцами, но и выталкиваться полем внешнего соленоида 2, если в него быстро подать ток необходимой величины. Тогда по закону Ленца на ускоряющих кольцах 1 создается ток, который компенсирует до минимума значение напряженности МП внутри ускоряющих колец. Здесь возникшее МП внешнего соленоида 2 в принципе может само по себе заряжать кольцо снаряда 4 без заряжающего соленоида 12. Кольцо снаряда 4 выталкивается в область с минимальным значением напряженности МП. Сам процесс ускорения аналогичен тому, как это было описано ранее. С тем отличием, что по мере разрядки ускоряющих колец поле внешнего соленоида проникает внутрь самих ускоряющих колец. В этом случае центрирование снаряда возможно за счет неоднородности напряженности МП около разряжаемого кольца 1.
Можно оценить параметры «космического ускорителя» для разгона малогабаритных спутников в Космос по второму способу ускорения, где соленоид-накопитель 2 совмещен с батареей ускорительных колец 1 и трубой ускорителя 13. Ствол ускорителя выполнен в виде трубы круглого профиля из немагнитного непроводящего материала, кевлара или углепластика. Соленоид и ускорительные кольца помещены в прочный силовой кожух из кевлара 14, который одновременно является и стенками сосуда Дьюара.
Диаметр соленоида примем D=1 м, диаметр трубы составляет 0,6 м. Накопитель-соленоид и ускоряющие кольца сделаны из сверхпроводника и заключены в прочный контейнер-дюар, армированный кевларом. Длина трубы и соленоида
Снаряд имеет диаметр 0,5 м и массу 500 кг. Он должен быть разогнан до скорости 12,5 км/с, для чего нужна энергия 40 ГДж.
2
Возьмем типичную рабочую плотность тока для сверхпроводящего материала типа Nb3Sn 2000 А/мм. Индуктивность L, магнитная индукция B и энергия E длинного конечного соленоида определяются по формулам
где μ - магнитная постоянная, i - сила тока в соленоиде, S - площадь витка в соленоиде.
сп
сп
кевл
кевл
3
9
3
Из этой системы уравнений можно оценить магнитную индукцию поля соленоида накопителя В=6Т, толщину плоских проводов из сверхпроводника h=6 мм, необходимый объем и соответственно массу сверхпроводящего материала M=180 т (плотность материала 8,9 т/м). Для простоты примем, что масса ускоряющих колец из сверхпроводника будет примерно такой же. Суммарная сила тока соленоида составит J=10 ГА, а магнитодинамическое давление, которое оказывает сила Ампера на соленоид составит Pmagn=600 атм. Учитывая прочность на разрыв кевлара Q=3,6⋅10 Па, можно легко оценить минимальную толщину армированных стенок Дьюара соленоида h=50 мм и массу всей силовой конструкции из кевлара М=240 т (плотность материала 1,5 т/м). С учетом двухкратного запаса прочности это составит 480 т.
Из этих параметров можно оценить минимальную стоимость ускорителя, учитывая примерные цены на самые дорогие материалы:
Цена кевлара - 60000$/т, масса материала 480 т, суммарно 30$ млн. Сверхпроводник - 226000$/т, масса материала 360 т, суммарно 80$ млн.
То есть ускоритель, способный запускать снаряды массой 500 кг на лунную и геостационарную орбиту, будет стоить больше 110$ млн. Предполагая, что вся накопленная энергия при запуске переходит в кинетическую энергию снаряда, можно посчитать минимальную стоимость запуска грузов в Космос. Исходя из среднемировой стоимости электроэнергии 0,1 USD/кВт⋅ч, получается 2$/кг для достижения начальной скорости 12,5 км/с.