ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ УСКОРИТЕЛЬ
PULSED 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 рельсовый электромагнитный ускоритель твердых тел, состоящий из силового корпуса, параллельных электродов, образующих внешнюю и внутреннюю пары, соединенные перемычкой, а также двух источников питания и двух коммутаторов. (Патент РФ №2066434, МПК F41B 6/00. Опубликован 10.09.1996). Недостатком данного ускорителя является невозможность увеличения скорости объекта без снижения ресурса силовых электродов.
Также известен рельсовый кондукционный ускоритель твердых тел (Патент РФ №2027971, МПК F41B 6/00. Опубликован 27.01.1995), обладающий аналогичными недостатками.
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. (Патент РФ №2418350, МПК H02K 41/02. Опубликован 10.05.2011)
Однако он обладает рядом недостатков:
- недолговечность электродов из-за сильной эрозии рельсовых электродов в начальный момент ускорения якоря;
- невозможность увеличивать энергию источника питания без уменьшения долговечности элементов конструкции рельсотрона, что накладывает ограничения на скорость якоря.
Поставлена задача разработать ускоритель, свободный от указанных недостатков, повысить максимальную скорость якоря, упростить конструкцию установки.
Поставленная задача решается тем, что в ускорителе, содержащем силовой корпус и находящиеся в нем рельсы и подмагничивающие катушки соединенные с источником тока через скользящий по рельсам якорь, согласно изобретению добавлены как минимум два импульсных накопителя энергии, состоящие из высоковольтных конденсаторов, управляемых разрядников, разделительных резисторов, драйверы управляемых разрядников, неуправляемые разрядники, блоки питания, датчик тока и система управления, выход каждого блока питания соединен с соответствующим незаземленным входом импульсного накопителя, первый конденсатор которого через управляемый разрядник соединен со вторым конденсатором, соединенным с блоком питания через разделительный резистор, выход импульсного накопителя подключен к электроду первого неуправляемого разрядника с напряжением пробоя ниже, чем у разрядника, к которому подключен второй импульсный накопитель, вторые электроды неуправляемых разрядников объединены и подключены к первой подмагничивающей катушке, соединенной с рельсовым электродом, который через скользящий якорь, второй рельсовый электрод и подмагничивающую катушку соединен с землей, управляющие электроды каждого управляемого разрядника подключены к соответствующим выходам драйверов разрядников, на входы которых поступает управляющий сигнал с системы управления, соединенной с датчиком тока, установленным в разрыв силовой цепи рельсовых электродов и якоря.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображен общий вид двухступенчатого импульсного рельсового ускорителя.
Устройство содержит проводящий якорь 1, рельсовые электроды 2, подмагничивающие катушки 3, датчик тока 4, неуправляемые разрядники 5, конденсаторы импульсного накопителя 6, управляемые разрядники 7, разделительные резисторы импульсного накопителя 8, блоки питания 9, драйверы управляемых разрядников 10, систему управления 11. Проводящий якорь 1 скользит по рельсовым электродам 2, соединенным через соответствующие подмагничивающие катушки 3 один к земле другой к силовому выводу датчика тока 4, второй силовой вывод которого подключен к первым электродам неуправляемых разрядников 5, второй электрод которых соединен с соответствующими конденсаторами импульсного накопителя 6, включенными последовательно через управляемые разрядники 7, конденсаторы импульсного накопителя подключены через разделительные резисторы импульсного накопителя 8 к блокам питания 9, поджигающий электрод управляемых разрядников подключен к выходу драйверов управляемых разрядников 10, входы которых соединены с системой управления 11, подключенной к датчику тока.
Устройство работает следующим образом. Конденсаторы импульсного накопителя 6 заряжаются от соответствующих источников питания 9 каждый до определенного напряжения, причем напряжение конденсаторов одного накопителя должно быть выше напряжения другого, а в случае многоступенчатой конструкции напряжение конденсаторов каждого следующего накопителя должно быть выше предыдущего. Разница в напряжении между соседними импульсными накопителями должна быть достаточной, чтобы не вызывать срабатывание неуправляемого разрядника 5 следующего накопителя при срабатывании предыдущего. После заряда конденсаторов 6 происходит инициация пробоя в управляемом разряднике 7 по сигналу системы управления 11. Драйвер 10 нужен, чтобы преобразовать сигнал системы управления в импульс, способный вызвать пробой управляемого разрядника. Конденсаторы накопителя оказываются соединенными последовательно через управляемый разрядник, что вызывает скачкообразное увеличение напряжения на неуправляемом разряднике выше пробивного напряжения. Таким образом, происходит замыкание силовой цепи и через подмагничивающие катушки, рельсовые электроды и проводящий якорь начинает протекать импульсный ток разряда накопителя, создающий магнитное поле, которое, взаимодействуя с током скользящего якоря, вызывает его ускорение. После разряда первого накопителя, энергия которого должна быть ниже, чем энергия последующего, якорь приобрел некоторую начальную скорость и продолжает движение по рельсам. Датчик тока фиксирует нулевой ток в силовой цепи, в результате чего система управления посылает сигнал на управляемый разрядник второго накопителя, усиленный соответствующим драйвером. Происходят аналогичные процессы, что протекали в первом накопителе, но с большей энергетикой, более мощный импульс тока вызывает большее ускорение якоря. Накопителей может быть больше чем два, максимальное количество ограничено только длиной рельсовых электродов.
Применение предложенного технического решения позволяет снизить эрозию рельсовых электродов, что достигается благодаря распределению токовой нагрузки на всю длину рельс, причем первая ступень работает на пониженном токе относительно следующей. Это позволяет уменьшить эффект выгорания электродов в начале движения якоря, и основную энергию направить в рельсотрон при уже разогнанном до определенной скорости якоре, следовательно, можно уменьшить время воздействия, увеличив амплитуду тока. Амплитуду тока позволяет увеличить применение импульсного накопителя, который при той же запасенной энергии способен отдать вдвое больший ток с более крутыми фронтами в меньший интервал времени. Предложенное техническое решение позволяет увеличивать выходную скорость якоря благодаря более эффективному и плавному режиму ускорения, кроме того, дает возможность увеличивать суммарную энергию накопителя, не изменяя параметров рельсовых электродов и подмагничивающих катушек, не ухудшая при этом параметров долговечности, что достигается благодаря наращиванию числа ступеней, работа которых строго разделена во времени. Эта особенность дает возможность сочетать конденсаторы разных типов и параметров, группируя одинаковые конденсаторы в отдельные накопители, что было невозможно сделать в классической схеме рельсотрона. Следует отметит, что управление рельсотроном осуществляется управляемыми разрядниками, рассчитанными на вдвое меньшее напряжение, чем выходное напряжение накопителей, что позволяет снизить стоимость установки в целом. Таким образом, импульсный рельсовый ускоритель позволяет увеличить выходную скорость метаемого якоря, повысить долговечность рельсовых электродов и снизить стоимость установки.