РЕЛЬСОВЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ Российский патент 1996 года по МПК F41B6/00 

Изобретение относится к области прямого преобразования электрической энергии в кинетическую энергию метаемого твердого тела, в частности к реализации способа электромагнитного разгона твердых тел в рельсовых ускорителях кондукционного типа рельсотронах. Предлагаемое устройство может быть использовано в системах гиперскоростного разгона твердых тел.

Известен рельсотрон [1] содержащий силовой корпус с двумя парами продольно расположенных параллельных электродов, разделенных электроизоляционными стенками и подключенных к независимым системам электропитания. При этом внешняя пара электродов (подмагничивающий контур) закорочена в выходной части ускорителя, внутренняя (рабочий контур) - подвижным токовым якорем в канале ускорителя, а электроды подмагничивающего и рабочего контуров, расположенные по одну сторону от продольной оси ускорителя, подключены к одноименным клеммам систем электропитания, чем обеспечено синфазное подключение контуров. Электроды рабочего контура подключены к соответствующей системе электропитания во входной части ускорителя, а подмагничивающий контур для уменьшения омических потерь выполнен сверхпроводящим. Система электропитания рабочего контура создает ток, при взаимодействии которого с результирующим магнитным полем контуров возникает движущая якорь пондеромоторная (электромагнитная) сила. Роль подвижного токового якоря может выполнять либо само ускоряемое тело, если оно электропроводно, либо специальная электроконтактная арматура или плазмообразующая металлическая фольга, присоединяемые к диэлектрическому телу.

Недостатком этого рельсотрона является возникновение на начальной фазе разгона в электропроводящем следе якоря, образованном продуктами эрозии (абляции) рабочих поверхностей канала рельсотрона, паразитных шунтирующих перезамыканий рабочего тока. Они являются следствием уменьшения электрической прочности канала и возрастания уровня внутриканальных электрических напряжений при увеличении скорости якоря [2] Данное явление уменьшает эффективность преобразования электромагнитной энергии в кинетическую и ограничивает уровень достигнутых в рельсотроне скоростей величинами 5.7 км/c [3]
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является рельсотрон [4] содержащий помещенные в силовой корпус две пары продольно расположенных параллельных электродов, разделенных электроизоляционными стенками и подключенных к независимым системам электропитания. При этом внешняя пара электродов подключена к системе электропитания во входной части и закорочена в выходной части ускорителя, создавая таким образом контур подмагничивания. Внутренняя пара электродов закорочена подвижным токовым якорем и подключена ко второй системе электропитания в выходной части ускорителя (рабочий контур), причем электроды контуров, расположенные по одну сторону от продольной оси ускорителя, должны быть подключены к одноименным клеммам систем электропитания. Этим обеспечены противофазное включение контуров и создание ускоряющей пондеромоторной силы.

Основное отличие прототипа от аналога выбор места подключения электропитания к электродам рабочего контура для создания тока через подвижный токовый якорь. Такое подключение позволяет, в отличие от аналога, исключить возможность формирования паразитных перезамыканий рабочего тока в электропроводящем следе якоря.

Недостатком данного рельсотрона является возможность появления и развития паразитных шунтирующих перезамыканий рабочего тока в пространстве канала рельсотрона перед метаемым телом. Эти перезамыкания инициируются при больших (≥ 6 км/с), чем характерно для аналога, скоростях метания, так как обусловлены возникающей перед телом ионизирующей ударной волной в газе, заполняющем канал ускорителя [5] Развитие этих явлений можно затянуть во времени, понижая интенсивность, а значит, и ионизирующую способность ударной волны при заполнении канала легкими газами с высоким потенциалом ионизации (например, водородом, гелием), но полностью исключить эти процессы при наборе скорости нельзя. Максимальные пондеромоторная сила и ускорение метаемого тела реализуются в конструкциях аналога и прототипа в отсутствие магнитного поля в пространстве канала перед якорем, т.е. при равенстве индукций встречных магнитных полей от подмагничивающего и рабочих контуров, т.е. при где индексы в и н относятся к рабочим и подмагничивающему контурам, L', I, h соответственно погонная индуктивность, ток и межэлектродное расстояние.

Решаемая предлагаемым изобретением задача заключается в повышении эффективности преобразования энергии в рельсотроне по сравнению с аналогом и прототипом за счет обеспечения устойчивости подвижного токового якоря по отношению к возможным перезамыканиям тока в канале рельсотрона как позади, так и перед метаемым телом.

Сущность изобретения состоит в том, что рельсовый электромагнитный ускоритель твердых тел, содержащий размещенные в силовом корпусе две пары разделенных электроизоляционными стенками и симметрично расположенных относительно продольной оси ускорителя параллельных электродов, при этом одна пара электродов является внешней по отношению к другой паре, а также первую и вторую гальванически изолированные системы электропитания, внешняя пара электродов закорочена в выходной части ускорителя и подключена через коммутатор к первой системе электропитания во входной части ускорителя, внутренняя пара закорочена подвижным токовым якорем, геометрические размеры электродов и токи в них удовлетворяют условию где индексы в и н относятся соответственно к внутренней и внешней парам электродов, L' - погонная индуктивность электродной пары, I ток в электрическом контуре каждой системы электропитания, h межэлектродное расстояние для пары электродов, дополнительно содержит третью гальванически изолированную систему электропитания, при этом электрические характеристики второй и третьей систем электропитания одинаковы, входная клемма одного электрода внутренней пары и выходная клемма другого электрода внутренней пары подключены через коммутатор ко второй системе электропитания, оставшиеся клеммы этих электродов подключены через коммутатор к третьей системе электропитания таким образом, что полярности каждого электрода внутренней пары совпадают с полярностью расположенного рядом электрода внешней пары, геометрические размеры электродных пар и токи в них должны дополнительно удовлетворять условию где B_* предельно допустимая по условию механической прочности индукция магнитного поля, остальные обозначения те же, что и в первом соотношении.

Такое подключение систем электропитания с одинаковыми электрическими характеристиками к электродам внутренней пары образует два рабочих контура, в которых протекают одинаковые токи I_в1 I_в2 I_в, а общим элементом является якорь. Порядок подключения электродов к системам электропитания и выполнение условия обеспечивают суммирование в якоре токов от каждой системы электропитания, а также суммирование (сложение) индукций магнитных полей контура подмагничивания и рабочего контура в пространстве канала позади якоря и полную компенсацию магнитного поля перед якорем. Условие означает существование ограничений на рост механических напряжений в токонесущих элементах конструкции рельсотрона от действия сил магнитного давления. Величина B_* соответствует, прежде всего, минимальным механическим напряжениям в токонесущих элементах, приводящим к интенсивному пластическому течению материала таких элементов в сильных магнитных полях (≥ 30 Тл). При больших величинах индукций магнитного поля произойдет разрушение токонесущих и силовых элементов конструкции рельсотрона.

В предлагаемом устройстве повышение запаса по устойчивости якоря достигнуто также стабилизирующим влиянием омического сопротивления электродов, благодаря меньшим на величину падения напряжения в одном из электродов значениям внутрикальных электрических напряжений в наиболее опасных для конструкций аналога и прототипа зонах: позади якоря в аналоге и перед в прототипе.

Техническим результатом данного изобретения будет преодоление ограничений на длительность существования режима разгона тел в рельсотронах без шунтирующих перезамыканий рабочего тока в канале и, как следствие, возможность достижения скоростей метания порядка 10 км/с и более.

Обозначенный технический результат может быть достигнут только при соблюдении одновременно всех существенных отличительных и ограничительных признаков заявляемой конструкции.

На фиг.1 схематически показано продольное сечение предлагаемого рельсотрона. Устройство содержит силовой корпус 1, в котором вдоль его продольной оси расположены параллельные электроды 2 и 3, образующие внешнюю пару электродов. Параллельно им расположены электроды 4 и 5, образующие внутреннюю пару электродов. Электроды 2 и 3 закорочены в выходном сечении рельсотрона перемычкой 6, в совокупности образуя контур подмагничивания рельсотрона. Электроды 4 и 5 закорочены подвижным токовым якорем 7. Все электроды разделены электроизоляционными прокладками 8 и 9 (прокладки 9 находятся вне сечения). Электроды 2, 3 подключены во входной части рельсотрона к системе электропитания 10 через коммутатор 11. Электроды 4 и 5 внутренней пары подключены к системам электропитания 12 и 13 через коммутаторы 14 и 15 следующим образом: входная (расположенная во входной части рельсотрона) клемма электрода 4 и выходная клемма электрода 5 через коммутатор 14 подключены к системе электропитания 12, а оставшиеся клеммы этих электродов через коммутатор 15 к системе электропитания 13. При этом входные и выходные клеммы электродов внутренней пары и входная клемма электродов внешней пары, расположенные по одну сторону от продольной оси рельсотрона (т.е. электродов 2 и 3 или 3 и 5), должны быть подключены к одноименным полюсам соответствующих систем электропитания 12, 13 и 10. Электроды 4 и 5, подвижный токовый якорь 7 и системы электропитания 12 и 13 вместе с коммутаторами 14 и 15 образуют два рабочих контура. При этом системы электропитания 12 и 13 должны иметь одинаковые электрические характеристики для обеспечения равных по амплитудам и временам разрядных токов I_в1 и I_в2, протекающих в их цепях при одновременном срабатывании коммутаторов 14 и 15, и гальванически изолированы. Это обеспечивает суммирование магнитных полей контуров позади якоря 7 и вычитание их перед якорем, а также суммирование токов I_в1 и I_в2, протекающих через якорь. Пондеромоторная сила будет определяться током через якорь и магнитным полем в якоре.

Устройство работает следующим образом. При срабатывании коммутатора 11 в контур подмагничивания подается электрический ток от системы электропитания 10, вызывающий появление в канале рельсотрона внешнего по отношению к рабочим контурам магнитного поля возбуждения. В максимуме этого тока производится одновременное срабатывание коммутаторов 14 и 15, приводящее к разряду запасенной в системах электропитания 12 и 13 электроэнергии в рабочие контуры. При этом рабочие контуры имеют общим элементом только якорь 7, в котором суммируются токи от этих контуров, т.е. (I_в1 + I_в2). Взаимодействие этого тока с поперечным магнитным полем приводит к появлению пондеромоторной (электромагнитной), движущей якорь силы и определяет величину сообщаемого метаемому телу ускорения.

При этом параметры систем электропитания с учетом геометрических размеров электродных пар контуров должны обеспечивать выполнение описанных выше условий:
1) I_в1 I_в2 I_в;
2)
3) 2L′Ih^-1≅ B_*.
Невыполнение первых двух условий приведет к уменьшению ускоряющей пондеромоторной силы и эффективности преобразования энергии в рельсотроне, а несоблюдение третьего условия к разрушению электродов или межэлектродной перемычки рельсотрона.

Макет предлагаемого устройства длиной 0,8 м был испытан при разрядных токах в рабочих и подмагничивающем контурах до 300 кА. Испытание показало, что скорость метания пластиковых макрочастиц массой 0,7-1,5 г была примерно на 10-15% выше, чем в макете прототипа при тех же условиях по величине ускоряющей пондеромоторной силы. Полученная скорость, однако, оказалась не достаточной для возникновения в макете прототипа перед метаемым телом электрических перезамыканий, шунтирущих разрядный ток через якорь.

Для проверки качественных отличий в характере развития плазмодинамических разрядов в каналах заявляемого устройства и прототипа были искусственно созданы электрические перезамыкания тока как позади, так и перед метаемым телом. Времяпролетные регистрограммы эволюции токовых структур, полученные с помощью магнитных зондов, совместно с регистрацией разрядных токов поясами Роговского показали, что искусственные перезамыкания в предлагаемом устройстве затухают, а в макете прототипа фронтальные перезамыкания развиваются и практически полностью перехватывают рабочий ток якоря.

Проведенные испытания подтвердили качественное отличие в характере эволюции плазмодинамических разрядов в предлагаемом устройстве и в прототипе. Результаты испытаний позволяют утверждать, что благодаря предотвращению возможности образования паразитных шунтирующих перезамыканий в канале рельсотрона в заявляемом устройстве осуществим режим гиперскоростного электромагнитного разгона твердых тел до скоростей порядка 10 км/с и более.

Использование: преобразование электрической энергии в кинетическую энергию метаемого твердого тела, в частности электромагнитный разгону тверды тел в рельсотронах. Сущность изобретения: рельсовый электромагнитный ускоритель твердых тел содержит силовой корпус 1, в котором вдоль его продольной оси расположены параллельные электроды 2, 3, образующие внешнюю пару электродов и закороченные в выходном сечении рельсотрона. Параллельно им расположены электроды 4, 5, образующие внутреннюю пару электродов и закороченные подвижным якорем 7. Все электроды разделены электроизоляционными прокладки 8, 9. Электроды 2, 3 подключены во входной части рельсотрона к системе электропитания 10 через коммутатор 11. Входная клемма электрода 4 и выходная клемма электрода 5 через коммутатор 14 подключены к системе электропитания 12, а оставшиеся клеммы этих электродов через коммутатор 15 - к системе электропитания 13. При этом входные и выходные клеммы электродов 4, 5 внутренней пары и входная клемма электродов 2, 3 внешней пары, расположенные по одному сторону от продольной оси рельсотрона, должны быть подключены к одноименным полюсам соответствующих систем электропитания 12, 13, 10. Системы электропитания 12 и 13 должны иметь одинаковые электрические характеристики. Такое выполнение рельсотрона обеспечивает суммирование магнитных полей контуров позади якоря 7 и вычитание их перед якорем, а также суммирование токов, протекающих через якорь 7. 1 ил.

Рельсовый электромагнитный ускоритель твердых тел, содержащий размещенные в силовом корпусе две пары разделенных электроизоляционными стенками и симметрично расположенных относительно продольной оси ускорителя параллельных электродов, при этом одна пара электродов является внешней по отношению к другой паре, а также первую и вторую гальванически изолированные системы электропитания, внешняя пара электродов закорочена в выходной части ускорителя и подключена через коммутатор к первой системе электропитания во входной части ускорителя, внутренняя пара закорочена подвижным токовым якорем, геометрические размеры электродов и токи в них удовлетворяют условию где индексы "в" и "н" относятся соответственно к внутренней и внешней парам электродов, L'- погонная индуктивность электродной пары, I ток в электрическом контуре каждой системы электропитания, h межэлектродное расстояние для пары электродов, отличающийся тем, что дополнительно содержит третью гальванически изолированную систему электропитания, при этом электрические характеристики второй и третьей системы электропитания одинаковы, входная клемма одного электрода внутренней пары и выходная клемма другого электрода внутренней пары подключены через коммутатор ко второй системе электропитания, оставшиеся клеммы этих электродов подключены через коммутатор к третьей системе электропитания таким образом, что полярности каждого электрода внутренней пары совпадают с полярностью расположенного рядом электрода внешней пары, геометрические размеры электродных пар и токи в них должны дополнительно удовлетворять условию где В_* предельно допустимая по условию механической прочности индукция магнитного поля, остальные обозначения те же, что и в первом соотношении.