МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
MULTI-STAGE RAIL ACCELERATOR

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для ускорения макротел, моделирования микрометеоритов и техногенных частиц, применяться в физике высокоскоростного удара.
Известны рельсовый электромагнитный ускоритель твердых тел, состоящий из силового корпуса, параллельных электродов, образующих внешнюю и внутреннюю пару, соединенные перемычкой, двух источников питания и двух коммутаторов (патент РФ №2066434, МПК F41B 6/00, опубл. 10.09.1996) и рельсовый кондукционный ускоритель твердых тел (патент РФ №2027971, МПК F41B 6/00, опубл. 27.01.1995).
Недостатком данных ускорителей является невозможность увеличения скорости объекта без снижения ресурса силовых электродов, вызванного эрозией последних.
Наиболее близким аналогом является резонансный рельсовый ускоритель (RU 2554054 H02K 41/00, F41B 6/00 опубл. от 18.07.2015), содержащий силовой корпус и находящиеся в нем рельсы, источник тока и подмагничивающие катушки, неполярные коммутаторы, систему управления коммутаторами, конденсаторный накопитель и источник питания накопителя. А подмагничивающие катушки выполнены в виде секций, расположенных вдоль силового корпуса оппозитно рельсам. Каждая секция подмагничивающих катушек представляет собой пару одинаковых соосных катушек, последовательно соединенных между собой, один из выводов, которой подключен напрямую к конденсаторному накопителю, а второй соединен с накопителем через неполярный коммутатор, управляющий электрод которого подключен к системе управления коммутаторами. Рельсы соединены с источником тока, синхронизирующий вывод которого подключен к системе управления коммутаторами, а конденсаторный накопитель подключен к источнику питания накопителя.
Однако он обладает рядом следующих недостатков:
Применение внешнего магнитного поля, создаваемого катушками подмагничивания позволяет снизить нагрузку на рельсовые электроды, однако собственная индуктивность контура рельсовых электродов, которая возрастает по мере движения якоря по каналу, существенно ограничивает ток, что снижает ускоряющую силу. Кроме индуктивности электродов, так же возрастает и их паразитное сопротивление, что сказывается на конечной скорости якоря в пользу уменьшения.
Поставлена задача разработать систему, позволяющую уменьшить влияние эффекта увеличения длины электродов и таким образом повысить эффективность и увеличить конечную скорость якоря.
Поставленная задача решается тем, что в многоступенчатый рельсовый ускоритель, содержащий силовой корпус и находящиеся в нем рельсы, источник тока и подмагничивающие катушки, неполярные коммутаторы, систему управления коммутаторами, конденсаторный накопитель и источник питания накопителя, согласно изобретению добавлены пролетные датчики, шина управления и система управления ускорителем, а рельсовые электроды разделены попарно на несколько последовательных секций, расположенных внутри общего корпуса и образующие единый ускорительный канал, по которому движется якорь, каждая секция разделенных рельсовых электродов, подключается к собственному источнику тока, которые по шине управления получают команды от системы управления, данные о положении якоря система управления получает от пролетных датчиков, фиксирующих пролет частицы в области между секциями рельсовых электродов, система управления ускорителем посредством шины управления соединена с устройством управления коммутатором, подключенным к управляющему контакту неполярного коммутатора, неполярный коммутатор замыкает цепь, состоящую из последовательно соединенных подмагничивающих катушек, неполярного коммутатора и конденсаторного накопителя, который подключен и заряжается от источника питания накопителя.
Сущность изобретения подтверждается структурной схемой многоступенчатого рельсового ускорителя, представленной на чертеже.
Устройство содержит силовой корпус 1, который является несущим элементом конструкции. Внутри него строго параллельно расположены несколько секций пар рельсовых электродов 2, 3, 4 - первая, вторая и третья секция соответственно (количество секций может быть изменено в зависимости от необходимых параметров системы). Все секции рельсовых электродов образуют единый ускорительный канал, по которому движется якорь 5. Каждая секция рельсовых электродов, подключается и получает питание от собственного источника тока 6. Источники тока имеют вход управления по сигналу управления, на котором они генерируют импульс тока. Все управляющие входы источников тока 6 соединены с системой управления ускорителем 7 по шине управления 8. Данные о положении якоря 5 система управления ускорителем 7 получает от пролетных датчиков 9 (например, оптических), фиксирующих пролет якоря 5 контролируемой области. Пролетные датчики закреплены в силовом корпусе 1 в областях между секциями рельсовых электродов 2, 3, 4. Система управления ускорителем так же управляет и неполярным коммутатором 10 посредством устройства управления коммутатором 11, который выступает в роли драйвера, генерирующего управляющий импульс, необходимый для перехода в проводящее состояние неполярного коммутатора 10, который в свою очередь замыкает цепь системы подмагничивания. Она состоит из последовательно включенных подмагничивающих катушек 12, конденсаторного накопителя 13 и, упомянутого выше неполярного коммутатора 10. Конденсаторный накопитель 13 заряжается от источника питания накопителя 14.
Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени система управления ускорителем 7 посылает управляющий сигнал на устройство управления коммутатором 11, которое генерирует импульс, переводящий неполярный коммутатор 10 в открытое состояние. При этом через подмагничивающие катушки 12 начинает протекать ток разряда конденсаторного накопителя 13, который был предварительно заряжен от источника питания накопителя 14. После чего система управления накопителя 7 выдерживает временную задержку, необходимую для того, что бы магнитное поле, создаваемое подмагничивающими катушками 12, достигло необходимой величины и генерирует сигнал, запускающий один из источников тока 6, соединенный с первой секцией рельсовых электродов. Запускающий сигнал к источникам тока приходит по шине управления 8. После подачи тока на рельсовые электроды первой секции 2, где в начальный момент времени и находится якорь 5, на него начинает действовать ускоряющая сила, приводящая якорь в движение по ускорительному каналу, образованному рельсовыми электродами каждой секции и силовым корпусом 1. По мере движения якоря вдоль рельсовых электродов, индуктивность контура возрастает, за счет увеличения длины активного участка рельс. А так же увеличивается сопротивление рельс и их температура, что так же приводит к увеличению сопротивления. Эти факторы как раз и ограничивают амплитуду тока протекающего по рельсам, что и послужило причиной разделения рельс на секции. Каждая новая секция будет обнулять накопившиеся негативные факторы предыдущей ступени. Система подмагничивания в приведенной на фигуре 1 схеме, представлена только для первой ступени, так как именно в начальный момент движения якоря 5, рельсовые электроды имеют максимальную токовую нагрузку. Все остальные секции рельс находятся в более легком режиме работы. Хотя применение системы подмагничивания и для остальных секций, несомненно, позволит повысить конечную скорость якоря. После того как якорь разогнался и покинул первую секцию рельсовых электродов, он пролетает область первого пролетного датчика 9, который посылает системе управления ускорителем 7 сигнал, она выдерживает необходимую временную задержку и запускает следующий источник тока 6, соединенный со второй секцией рельсовых электродов 3. Аналогичный процесс повторяется столько раз, сколько рельсовых секций (ступеней) содержится в ускорителе. Следует заметить, что под источниками тока, питающими секции рельсовых электродов, понимаются конденсаторные накопители (самое распространенное решение для рельсовых электромагнитных накопителей), или любой другой источник питания, где индуктивность контура нагрузки существенным образом влияет на амплитуду тока.
Применение предложенного технического решения позволяет увеличить конечную скорость метаемого тела при той же энергетике системы. Так как ускорение происходит более эффективно за счет поддержания индуктивности контура в пределах, при которых ток достаточно высок для эффективного преобразования электрической энергии в кинетическую энергию якоря. Кроме того, многоконтурная система позволяет увеличить энергетику системы, сохранив токовую нагрузку на рельсы на прежнем уровне, что увеличит ресурс системы. Так же стоит заметить, что максимальному износу будет подвержена только первая пара электродов, а остальные значительно меньше, за счет того, что якорь в них уже имеет начальную скорость, эта особенность облегчит обслуживание установки.
Таким образом, предлагаемая система ускорения позволяет повысить выходную скорость ускоряемого объекта без снижения ресурса рельс и обладает более высокой эффективностью преобразования электрической энергии в кинетическую энергию метаемого тела.