Solenoidkahur

Solenoidkahur on ferromagnetiliste kehade kiirendi, mis koosneb ühest või mitmest järjestikusest mähisest. Keha kiirendatakse mähistesse tekitatud magnetväljade abil suurte kiirusteni. Solenoidkahuriga on tugevalt seotud C. F. Gaussi nimi, kuna Gauss töötas magnetväljade kirjeldamiseks välja valemite kogumiku, mida ka solenoidkahurite analüüsimisel kasutatakse. Esimese solenoidkahuri patendi omanik on Norra füüsik Kristian Birkeland.
Lihtsaima ehitusega solenoidkahur sisaldab vaid kolme komponenti: solenoidi, trumlit ja kiirendatavat keha. Erinevalt lihtsast solenoidist on solenoidkahuri südamik liikuv ning seega on solenoidkahuri magnetiline läbitavus ajas muutuv, mitte konstantne. Mähisest voolu läbi laskmise ajal tekib solenoidi sisse magnetväli, mis südamikule magnetilist jõudu rakendab. Kuna solenoidkahuri puhul on südamik vabalt liikuv, kiirendatakse teda tekkinud elektromagneti poole. Maksimaalse kasuteguri saavutamiseks lülitatakse vool mähises välja vahetult enne südamiku solenoidi keskmesse jõudmist.
Solenoidkahur pole ainus moodus elektromagnetismi teel kehade kiirendamiseks. Teine tuntud elektromagnetiline kiirendi on nn rööbaskahur, mis erinevalt solenoidkahurist ei vaja, et kiirendatav keha oleks ferromagnetiline, sest kiirendavas jõuks on Lorenzi jõud, mitte magnetjõud.
Ehitus.
Mähised.
Solenoidkahurite mähiseid saab vastavalt kahuri tüübile jagada kahte kategooriasse: ühe- ja mitmeastmeliste kahurite mähised. Kuna üheastmeliste kahurite mähised peavad kehale kogu kiirendamiseks vajaliku energia korraga edastama, on need enamasti väga suure induktiivsusega. Keha viibib terve kiirendamise kestel ühe solenoidi magnetväljas, mis võimaldab ka suure induktiivsusega mähistele piisavalt aega, et saavutada vajalik magnetvälja tugevus.
Mitmeastmeliste kahurite mähised on enamasti väiksema induktiivsusega, sest kiirendatav keha viibib protsessi igas astmes lühikese perioodi. Suurema induktiivsusega ei jõuaks protsessi astmed piisava kiirusega vajalikke magnetvälja tugevusi tekitada.
Voolutugevuse kasvu ja maksimaalseid väärtusi piiravad südamiku magnetilised omadused, mähise takistus ja vooluallika omadused. Solenoidkahuri väljatöötamisel on eesmärgiks voolutugevuse kasvukiiruse ja tippväärtuse kõrge taseme saavutamine. Kõige lihtsam on selleni jõuda mähise takistuse vähendamise kaudu. Mähiste materjalina on välja pakutud ülijuhtivaid traate. Ülijuhtivust rakendavatel kahuritel puuduks üks peamisi kadude allikaid – mähisest eralduv soojus.
Jõuallikas.
Solenoidkahurite vooluallikatena kasutatakse enamasti elektrolüütkondensaatoreid, mille suur võimsustihedus ja võrdlemisi väike sisetakistus sobivad solenoidkahurite nõudmistega. Elektrolüütkondensaatorite võime lühikese aja jooksul korduvalt suuri vooluimpulsse taluda teeb selle lahenduse eriti sobivaks.
Suuremate kahurite puhul kasutatakse kuni 8-faradise mahtuvusega kondensaatoreid ning igale staadiumile paigaldatakse eraldi kondensaator.
Induktiivsete koormuste lülitamine tekitab enamikul juhtudel äraspidised pinged. Kuna elektrolüütkondensaatorid on polaarsed ja ei talu vale polaarsusega pingeid, tuleb solenoidkahurites kasutatavaid kondensaatoreid dioodidega vastupidise voolu eest kaitsta.
Lülitus.
Solenoidkahuri ehituse üks tähtsamaid komponente on lülitus, mis voolu mähistesse sisse ja välja lülitab. Nii ühe- kui ka mitmeastmeliste kahurite juures on voolu lülitamise ajastus suure efektiivsuse saavutamiseks hädavajalik. Õige lahenduse valik on keeruline, kuna ta peab rahuldama mitut kriteeriumi. Solenoidkahuri lülitus peab taluma kõrgeid pingeid ja voolutugevusi. Samas ei tohi lülitus ka liiga suuri kadusid põhjustada.
Valida võib mitme lülitusmehhorbiidle anismi vahel. Kõige algelisemaks lülitiks on sädemik, mis piirpingeni jõudes sädelahenduse teel kondensaatori tühjaks laeb. See lahendus on vägagi ebaefektiivne, sest täpset lülitust saavutada on raske, ning soojuse ja valguse näol läheb kaduma palju energiat.
Laialdasemalt on kasutust leidnud tahkislülitid, nagu IGBT-d, türistorid ja MOSFET-id. Eelmainitutest lubavaid vaid IGBT-d ja MOSFET-id voolu enne kondensaatori tühjenemist välja lülitada.
Magnetvooluring.
Mähistesse pinge sisse lülitamise hetkel hakkab mähist läbiv voolutugevus kasvama. Magnetvälja tugevuse suurenemine töötab aga voolutugevuse kasvamisele vastu. Voolutugevuse kasvamisele töötab vastu magnetväljatugevuse kasv. Tekkiv magnetväli magnetiseerib ferromagnetilise südamiku ning kuna solenoidi magnetväli on vastassuunaline indutseeritud magnetväljale, mõjub südamikule solenoidi keskmesse suunatud jõud.
Liikuma hakates kogeb südamik muutuvat magnetvälja, mis indutseerib südamikus keerisvoole, mis omakorda tekitavad välisele magnetväljale vastu töötava magnetvälja. Enamasti on vastu töötava magnetvälja suurus piisavalt väike, et teda võib arvestamata jätta. Väga suure efektiivsuse saavutamiseks konstrueeritakse südamik nii, et keerisvoolud oleksid takistatud.
Pinge väljalülitamisel hakkab solenoidi magnetvälja tugevus langema. Magnetvälja salvestatud energia muudetakse tagasi elektrienergiaks. Kuna magnetvälja muutuse suund on seekord vastupidine, on ka tekitatud pinge vastupidine. Suure induktiivsusega mähistes võib see pinge küündida mitme tuhande voldini.
Rakendused.
Rakendused robootikas.
Lisaks rakendustele, mis kahuri südamikke trumlist välja lennutavad, kasutatakse solenoidkahurit ka lahendustes, kus südamik pärast tulistamist algpositsiooni tagasi tõmmatakse. Selliseid süsteeme nimetatakse lööjateks ja neid kasutatakse mitteferromagnetilistele kehadele impulsi andmiseks. Eriti populaarsed on eespool kirjeldatud löögisüsteemid robootikavõistlustel, näiteks RoboCup ja Robotex.
Solenoidkahurid on selles kontekstis atraktiivsed tänu nende võrdlemisi lihtsale ehitusele, suurele kasutegurile ja üleüldisele võimekusele. Enamasti kasutatakse löögimehhanismi jõuallikana suure mahtuvusega, kõrgepingelisi kondensaatoreid. Tüüpilise löögimehanismi jõuallikasse on salvestatud umbes 200 J energiat. Sajaprotsendilise efektiivsuse ja jõuallika täieliku tühjendamise juures jätkuks sellest energiast tavalisele golfipallile üle 100 m/s hetkekiiruse andmiseks. Nii kadude kui ka ohutuskaalutluste pärast jäävad võistlusolukordades löödavate pallide kiirused alla 10 m/s .
Rakendused kosmosetehnoloogias.
NASA on välja pakkunud idee kasutada massiivseid solenoidkahureid süstikute või satelliitide kosmosesse lennutamiseks. Eelkõige loodetakse selles kontekstis solenoidkahureid kasutada päikesesüsteemi siseste kolooniate varustamiseks. Selle lahenduse eelisena tavaliste orbiidile saatmise meetodite ees nähakse solenoidkahurite töökindlust ja põlevkütuse puudumist. Põlevkütuseid kasutavate rakettide üheks suurimaks puuduseks on, et suur osa tõstejõust kasutatakse kütuse tõstmiseks. Solenoidkahuri põhine süstik saab võrreldes traditsiooniliste rakettidega suurema osa oma tõstejõust kasutada nimikoormuse orbiidile saatmiseks. 70-protsendilise töömahu juures suudaks üks massiivne 192-megavatine solenoidkahur 1,1 Mt materjali aastas Kuult orbiidile saata.
Mõnevõrra keerulisem oleks rakendada sellist süsteemi inimeste kosmosesse lennutamiseks, sest solenoidkahuril põhinevad süsteemid peavad kogu vajaliku kineetilise energia paokiiruse saavutamiseks süstikule edasi andma enne õhku tõusmist. Inimestele talutava kiirenduse (kuni 30 meetrit sekundi ruudu kohta) juures vajaks üks solenoidkahur 1000–1500 km pikkust rada madala orbiidi jaoks vajaliku kiiruse saavutamiseks.
Eespool nimetatud projektide suuruse ja keerukuse tõttu suudaksid vähesed riigid neid toetada. Siiani pole nendest ükski rahastust leidnud.
Rakendused militaarvaldkonnas.
Ferromagnetiliste kehade suurte kiirusteni kiirendamisest on kõige rohkem huvitatud sõjavägi ning sellest johtuvalt on ka militaarsete rakenduste uurimist kõige rohkem rahastatud. Välja on töötatud erinevaid lahendusi alates püssidest kuni suurtükkide ja raketiheitjateni. Antud rakenduse eeliseks tavaliste põlevkütuste kasutamise ees loetakse sähvatuse puudumist, lihtsalt varieeritavalt lasketugevust ning teoreetiliselt suuremat laskekiirust ja efektiivsust.
Nõukogude Liidu teadlane Bondaletov saavutas 1978. aastal üheastmelise solenoidkahuriga ja 2-grammise lendkehaga 5000 m/s hetkekiiruse. Selle süsteemi kasutegur on ligikaudu 90%. Reaalselt kasulikud rakendused kasutavad rohkemaastmelisi lahendusi. DARPA välja töötatud suurtüki 45-astmeline kiirendi on suuteline 22% efektiivsuse juures mürsule edastama kuni 1,6 megadžauli kineetilist energiat.
Lockheed Martin MS2 on ka välja töötanud solenoidkahuril põhineva raketiheitja, mis on suuteline kiirendama TOMAHAWK tüüpi raketti 12 meetrini sekundis. Selle süsteemi hinnanguline efektiivsus oli umbes 17%.
Solenoidkahuril põhinevate lahendustelahenduste laialdast kasutuselevõttu takistab madal konkurentsivõime võrreldes olemasolevate lahendustega. Enamasti on olemasolevad lahendused laiemalt levinud, kompaktsemad ja kaalult kergemad.