РЕЗОНАНСНЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
RESONANCE 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.
Известен резонансный электромагнитный ускоритель, состоящий из диэлектрической трубки, тяговых соленоидов, силовых ключей, изолированных драйверов ключей, обратных диодов, конденсаторного накопителя энергии, системы управления, датчика тока, шины управления и силовых коммутационных шин. (Сухачев К.И., Семкин Н.Д., Калаев М.П., Телегин A.M., Родин Д.В., Пияков А.В. Патент №2466340, F41B 6/00, опубл. 10.11.2012). Недостатком данного ускорителя является невозможность достижения высокой скорости ускоряемого объекта при небольшом количестве ступеней ускорителя, что связанно с придельным приращением кинетической энергии тела приходящегося на одну ступень. Данный эффект объяснятся зависимостью ускоряющей силы, действующий на объект, от неоднородности магнитного поля по направлению движения, а не его абсолютной величины:
Также 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. (Лебедев Е.Ф., Осташев В.Е., Ульянов А.В., Фатьянов О.В. Патент РФ №2066434, МПК F41B 6/00, опубл. 10.09.1996) и рельсовый кондукционный ускоритель твердых тел (Лебедев Е.Ф., Осташев В.Е., Ульянов А.В., Фатьянов О.В. 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 является рельсовый электромагнитный ускоритель, содержащий силовой корпус и находящиеся в нем рельсы и подмагничивающие катушки соединенные последовательно с источником тока через скользящий по рельсам якорь. Подмагничивающие катушки выполнены двухслойными для уменьшения силовых нагрузок на рельсы. (Косточко Ю.П., Хорев И.Е. Патент РФ №2418350, МПК H02K 41/02, опубл. 10.05.2011)
Однако он обладает рядом недостатков:
- Недолговечность электродов из-за сильной эрозии рабочей поверхности последних. Основным механизмом эрозии рельс является пинч-эффект, который проявляется тем сильнее, чем больше ток, протекающий через динамический контакт якоря и рельс. Суть пинч-эффекта состоит в том, что значительную часть времени якорь движется на магнитном подвесе, тогда как ток течет не через периферическую часть исходной контактной поверхности, образованную скоростным скин-эффектом, а через относительно тонкую и непрерывно сжимаемую магнитном полем металлическую перетяжку, которая в конце концов взрывается, порождая углубления на рельсах. При этом ток прекращается, металлический контакт восстанавливается на большей поверхности вследствие упругого расширения материала якоря и рельс, а процесс повторяется вновь. Данный эффект будет наблюдаться до тех пор, пока не установится полностью дуговой характер контакта, вследствие уменьшения размеров якоря из-за его эрозии.
- Невозможность увеличивать энергию источника питания без уменьшения долговечности элементов конструкции рельсотрона, что накладывает ограничения на конечную скорость метаемого тела.
- Индуктивность и сопротивление подмагничивающих катушек увеличивает время нарастания тока и снижает его амплитудное значение соответственно, что неизбежно влечет снижение силы Ампера, ускоряющей якорь (перемычку с током), так как последняя зависит от тока через якорь и величины магнитной индукции, создаваемой этим же током, протекающим через рельсы и катушки:
<mrow><mi>d</mi><mover accent="true"><mi>F</mi><mo stretchy="true">→</mo></mover><mo>=</mo><mover accent="true"><mi>f</mi><mo stretchy="true">→</mo></mover><mo>×</mo><mover accent="true"><mi>B</mi><mo stretchy="true">→</mo></mover><mi>d</mi><mi>V</mi></mrow>
.
- Растянутый во времени фронт тока также негативно сказывается на долговечности рельс, так как в начальный момент при недостаточном токе для начала ускорения якоря может произойти оплавление и сваривание области контактов, также при этом снижается эффективность ускорителя в целом, так как значительная часть энергии тратится на омический нагрев элементов цепи рельсотрона.
Поставлена задача разработать ускоритель, свободный от указанных недостатков, повысить максимальную скорость якоря, упростить конструкцию установки.
Поставленная задача решается тем, что в резонансный рельсовый ускоритель, содержащий силовой корпус и находящиеся в нем рельсы, источник тока и подмагничивающие катушки, согласно изобретению добавлены неполярные коммутаторы, система 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.
Сущность изобретения подтверждается чертежами, где на фигуре 1 изображена структурная схема резонансного рельсового ускорителя, на фигуре 2 представлена конструкция, а на фигуре 3 сечение рельсотрона.
Устройство содержит силовой корпус 1, который является несущим элементом конструкции, внутри него строго параллельно закреплены проводящие рельсы 2, подсоединенные к источнику тока 3. Подмагничивающие катушки 5 разделены на несколько независимых секций 4, последовательно установленных на силовом корпусе 1 оппозитно рельсам 2, каждая секция подмагничивающих катушек 4 представляет пару одинаковых соосно закрепленных катушек 5, соединенных между собой последовательно, один из выводов которой подключен напрямую к конденсаторному накопителю 6, а второй соединен с накопителем через неполярный коммутатор 7, управляющий электрод которого подключен к системе управления коммутаторами 8, рельсы соединены с источником тока 3, синхронизирующий вывод которого подключен к системе управления коммутаторами 8, а конденсаторный накопитель 6 подключен к источнику питания накопителя 9.
Устройство работает следующим образом. В начальный момент времени источник тока 3 и конденсаторный накопитель 6 накапливают необходимую энергию. Причем конденсаторный накопитель 6 заряжается источником питания накопителя 9. При достижении необходимого уровня на синхронизирующем выходе источника тока 3 появляется сигнал о готовности к пуску, который поступает в систему управления коммутаторами 8. По данному сигналу система управления генерирует импульс на управляющем электроде первого неполярного коммутатора 7 (в качестве коммутаторов удобнее всего использовать различные типы управляемых разрядников, например тригатроны), который переводит коммутатор в проводящее состояние, и по цепи: конденсаторный накопитель 6, первая секция подмагничивающих катушек 4 и первый неполярный коммутатор 7, начинает протекать ток разряда накопителя. Параметры цепи выбраны таким образом, чтобы характер переходного процесса, вызванного коммутацией накопителя на первую пару подмагничивающих катушек 5 (первую секцию), носил периодический характер. В то время как ток в описанной цепи достигает определенного уровня, источник тока 3 генерирует мощный импульс на рельсы 2, в цепи рельс возникает ток, который порождает магнитное поле, совпадающее по направлению с локальным магнитным полем, возникающим в пространстве между двумя подмагничивающими катушками 5 первой секции 4, по которым течет ток конденсаторного накопителя 6. В результате взаимодействия суммарного магнитного поля и тока, протекающего через ускоряемый объект, возникает сила Ампера, которая и ускоряет объект по каналу рельсотрона. Необходимым условием работы предложенной системы ускорителя является многократное превышение длительности импульса тока, протекающего по рельсам 2, над полупериодом переходного процесса в цепи катушек подмагничивания. Это необходимо потому, что катушки подмагничивания описываемой системы работают подобно тяговым соленоидам в резонансном электромагнитном ускорителе. Каждая секция катушек 4 вместе с конденсаторным накопителем 6 образует колебательный контур, который отрабатывает только один полупериод резонансного переходного процесса и выключается. Выключение происходит при нулевом токе и максимальном напряжении на накопителе, одновременно с этим система управления коммутаторами 8 генерирует запускающий импульс, поступающий на следующий коммутатор 7, и процесс повторяется вновь, но уже на второй паре подмагничивающих катушек 5. Следует обратить внимание на то, что подмагничивающие катушки должны быть сфазированы таким образом, чтобы периодическая природа переходного процесса не сказывалась на направлении вектора магнитной индукции поля, поочередно создаваемого всеми секциями 4 подмагничивающих катушек 5, в противном случает система подмагничивания будет только снижать эффективность ускорения и конечную скорость ускоряемого объекта. Проще всего это выполнить сменой направления намотки каждой следующей секции 4. Таким образом, описанная структура системы подмагничивания создает бегущее вдоль ускорительного канала локальное магнитное поле с энергетикой, максимальной для используемого накопителя 6, так как каждый полупериод происходит перезаряд накопителя, и через каждую секцию 4 подмагничивающих катушек протекает весь ток перезаряда, а значит, при достаточном количестве секций можно добиться максимально полного использования энергии накопителя. Очевидным является то, что максимальная эффективность ускорения будет достигаться при согласовании движения области подмагничивания, создаваемой катушками 5, и движения ускоряемого объекта по вдоль рельс.
Применение предложенного технического решения позволяет добиться ряда преимуществ по сравнению с аналогами. Как и в прототипе, внешнее магнитное поле снижает механическую нагрузку на рельсы (явление магнитного подвеса), но также позволяет увеличить количество энергии подводимое к системе, а следовательно, увеличить конечную скорость метаемого объекта, без снижения ресурса рельс. Это достигается благодаря увеличению магнитного поля действующего в области ускоряемого объекта благодаря сложению полей, создаваемых рельсами и внешними источниками магнитного поля - подмагничивающими катушками. А так как катушки питаются от независимого конденсаторного накопителя, при увеличении его энергетики ток через рельсы не увеличивается, а следовательно, описанный пинч-эффект (основной механизм деградации рельсовых электродов) остается на таком же уровне, если бы дополнительного (внешнего) источника энергии не было. В прототипе магнитное поле системы подмагничивания создается во всей области рельс, в то время как реально на ускорение влияет небольшая часть пространства в области подвижной перемычки с током (ускоряемый объект), в результате большая часть энергии магнитного поля расходуется впустую и лишь ухудшает электрические характеристики контура ускорителя. Предлагаемая система подмагничивания обладает более высокой эффективностью и свободна от указанного недостатка. Это достигается благодаря резонансному переключению подмагничивающих катушек, а также тому, что создаваемое ими магнитное поле имеет локальный характер, следовательно, обладает большей плотностью энергии. При правильном согласовании моментов переключения катушек и движения объекта вдоль рельс, область повышенного магнитного поля движется синхронно с объектом, что позволяет повысить эффективность подмагничивания, а следовательно, и эффективность ускорения системы. При большом количестве подмагничивающих секций можно добиться большей точности совпадения области подмагничивания и движущейся перемычки с током, а также максимально полно использовать энергию конденсаторного накопителя. Сочетание резонансного метода, используемого в резонансном электромагнитном ускорителе, и рельсотрона позволяет избавиться от главного недостатка катушечных ускорителей (невозможность передать большую энергию за одну ступень), так как ускорение происходит посредством силы ампера, в уравнении которой присутствуют только абсолютные величины тока и магнитного поля, поэтому, изменяя энергетику накопителей, можно влиять на конечную скорость метаемого тела.
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.