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

Изобретение относится к области прямого преобразования электрической энергии в кинетическую, в частности к проблеме 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, в котором расположен внутренний канал ускорителя, состоящий из двух разделенных электроизоляционными стенками параллельных продольно расположенных электродов, подключенных через коммутатор во входной части ускорителя к системе электропитания. Электроды закорочены подвижным токовым якорем.

Недостатком аналога является неустойчивость электромагнитного режима ускорения, выражающаяся в переходе исходной системы через ограниченное время развития процесса к электрогазодинамическому режиму, при котором скорость метания ограничена предельной скоростью потока плазмы, ускоряемого пондеромоторной силой. Неустойчивость электромагнитного режима обусловлена ограниченной электрической прочностью канала ускорителя и проявляется в формировании шунтирующих разрядов в следе якоря.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является рельсотрон [2] содержащий две пары продольно расположенных параллельных электродов (внутреннюю и внешнюю), разделенных между собой электроизолирующими стенками. Сборка из электродов и изоляционных стенок помещается в силовой корпус и при необходимости электроизолируется от него. Пары электродов подключены к независимым источникам электропитания. При этом внешняя пара электродов образует контур подмагничивания: в выходной части ускорителя она закорочена, а во входной присоединена к источнику электропитания. Внутренняя пара электродов закорочена токовым якорем и подключена к другому источнику электропитания в выходной части ускорителя (рабочий контур). Электроды контуров, расположенные по одну сторону от продольной оси ускорителя, подключены к одноименным клеммам источников электропитания, чем обеспечивается противофазное включение контуров и создание ускоряющей пондеромоторной силы заданного направления.

Недостатком прототипа является возможность возникновения шунтирующих перезамыканий тока в рабочем контуре перед якорем, инициируемых ионизирующей ударной волной на его фронте.

Предлагаемое изобретение решает задачи увеличения достижимой скорости разгона тел и эффективности преобразования электромагнитной энергии в рельсотроне за счет предотвращения паразитных перезамыканий рабочего тока в канале и увеличения длительности электромагнитного режима работы ускорителя.

Сущность изобретения состоит в том, что в двухступенчатом электромагнитном кондукционном ускорителе твердых тел, содержащем размещенные в силовом корпусе две пары разделенных электроизолирующими стенками и симметрично расположенных относительно продольной оси ускорителя параллельных электродов, при этом одна пара является внешней по отношению к другой, электроды внешней пары закорочены в выходной части ускорителя, электроды внутренней пары закорочены подвижным токовым якорем, и систему электропитания, состоящую из двух гальванически изолированных источников электропитания, один из которых подключен через коммутатор к электродам внешней пары во входной части ускорителя, а второй к электродам внутренней пары, при этом электроды внешней и внутренней пар, находящиеся по одну сторону от продольной оси ускорителя, подключены к одноименным клеммам источников электропитания, а геометрические характеристики пар электродов и токи в них (h, L', I) удовлетворяют условию

отличающемся тем, что источник электропитания контура электродов внутренней пары подключен к ним на расстоянии l₁ от начального положения якоря ; оптимальная длина участка ускорителя l₂, находящегося по ходу движения якоря за областью подключения источника электропитания к электродам внутренней пары, должна составлять а геометрические характеристики электродных пар, токи в них, индукция магнитного поля В_ж, предельно допустимая по условиям прочности конструкции канала, связаны соотношением

где L' погонная индуктивность электродов; h межэлектродное расстояние для пары электродов; I ток, протекающий по электродам; н, в индексы, относящиеся к электродам внешней и внутренней пар; v_e скорость, при которой ударная волна перед якорем инициирует шунтирующий разряд; I_m - амплитудное значение рабочего тока; m масса якоря; f₁, f₂ - параметры осреднения профилей рабочих токов; эффективная погонная индуктивность рельсотрона от начального положения якоря до точки подключения источника электропитания к электродам внутренней пары; эффективная погонная индуктивность рельсотрона от точки подключения источника электропитания к электродам внутренней пары до выхода рельсотрона; U_ж - электрическая прочность межэлектродного промежутка внутренней пары электродов; U_a электрическое напряжение на якоре.

Данные неравенства получены из соображений ограничения длины первой ступени рельсотрона от начального положения якоря до точки подключения источника электропитания к контуру электродов внутренней пары величиной, при которой ударная волна перед телом еще не провоцирует шунтирование рабочего тока в этой области; длина второй ступени рельсотpона от точки подключения источника электропитания к электродам внутренней пары до выхода из канала ограничена электрической прочностью канала U_ж.

Выполнение условия

обеспечивает максимальные значения ускоряющей силы и эффективности преобразования подводимой к рельсотрону энергии при заданном поле внешнего подмагничивания.

Выполнение условия

во второй ступени ускорителя обеспечивает его сохраняемость при механическом нагружении.

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение устойчивости электромагнитного режима разгона твердых тел и возможность достижения скоростей их метания более 10 км/с. Достоинства схемы заключаются в осуществлении высокоскоростного электромагнитного предразгона якоря в первой ступени, непрерывности перехода якоря из одной ступени ускорителя в другую без проблем, связанных с механическим сочленением ступеней ускорителя и с необходимостью инициирования разряда в якоре при его входе во вторую ступень при высокой скорости, стабилизирующем воздействии на якорь внешнего магнитного поля во второй ступени, а также в простоте электропитания контура электродов внутренней пары обоих ступеней от одного источника.

На чертеже схематически показаны продольное и поперечное (в точке энергоподвода) сечения предлагаемого рельсотрона. Устройство содержит силовой корпус 1, в котором вдоль его продольной оси расположены параллельные электроды 2 и 3, образующие внутреннюю пару. Электроды внешней пары 2 и 3 закорочены в выходной части ускорителя перемычкой 6. Электpоды 4 и 5 внутренней пары закорочены токовым подвижным якорем 7. Все электроды разделены электроизолирующими прокладками 8 и 9. Электроды 2 и 3 подключены во входной части ускорителя к источнику электропитания 10 через коммутатор 11, а электроды 4 и 5 к источнику электропитания 12 через коммутатор 13 в сечении, удаленном от начального положения токового якоря на расстоянии l₁.

Источники электропитания 10 и 12 должны быть независимыми и гальванически изолированными друг от друга, электроды 2 и 4 подключены к одноименным клеммам источников электропитания через коммутаторы 13 и 11 соответственно, а электроды 3 и 5 к другим клеммам этих источников. Геометрические характеристики электродных пар и разрядные токи в цепях должны удовлетворять условию

обеспечивающему максимальное значение пондеромоторной силы и эффективности преобразования энергии в рельсотроне при заданной индукции поля подмагничивания.

Двухступенчатый электромагнитный кондукционный ускоритель твердых тел работает следующим образом. При одновременном или последовательном срабатывании коммутаторов 13 и 11 осуществляется подключение систем электропитания 12 и 10 к соответствующим электрическим цепям рельсотрона. При этом в электрическом контуре внешней пары электродов создается электрический ток I_н, обеспечивающий поле подмагничивания, а в электрическом контуре внутренней пары электродов, содержащем якорь 7, создается рабочий ток I_в. Взаимодействие этого тока с полным полем подмагничивания приводит к появлению продольной пондеромоторной силы, ускоряющей якорь. При этом токи в электрических контурах не должны создавать нагрузки, разрушающие канал рельсотрона, что может быть выражено условием

на величины разрядных токов (I), геометрические характеристики электродных пар (h, L'), магнитное поле B_ж, допустимое по условиям механической прочности канала.

Оптимальные длины ступеней электромагнитного ускорителя должны составлять соответственно

и

При больших длинах эффективность разгона снижается в связи с образованием паразитных шунтирующих перезамыканий рабочего тока в канале рельсотрона как перед якорем на ступени электромагнитного предускорения, так и позади него на второй ступени ускорения.

Использование: изобретение относится к прямому преобразованию электрической энергии в кинетическую энергию метаемого твердого тела, в частности к электромагнитному разгону твердых тел в рельсотронах. Сущность изобретения: двухступенчатый электромагнитный кондукционный 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 выходной части ускорителя перемычкой 6. Параллельно им расположены электроды 4, 5, образующие внутреннюю пару, закороченную подвижным якорем 7. Все электроды разделены электроизолирующими прокладками 8, 9. Электроды 2, 3 подключены во входной части ускорителя к источнику электропитания 10 через коммутатор 11, а электроды 4, 5 - к источнику электропитания 12 через коммутатор 13 в сечении, удаленном от начального положения токового якоря 7. Источники электропитания 10, 12 гальванически изолированы друг от друга, электроды 2, 4, расположенные по одну сторону ускорителя, подключены к их одноименным клеммам через коммутаторы 13, 11 соответственно, а электроды 3, 5 - к другим клеммам. Длины участков от начального положения коря 7 до точки подключения источника электропитания 12 и от этой точки до выхода ускорителя подобраны так, чтобы обеспечить эффективный разгон, а геометрические характеристики электродных пар и величины разрядных токов подобраны так, чтобы не создавать нагрузки, разрушающей канал ускорителя. 1 ил.

Двухступенчатый электромагнитный кондукционный ускоритель твердых тел, содержащий размещенные в силовом корпусе две пары разделенных относительно продольной оси ускорителя параллельных электродов, при этом одна пара является внешней по отношению к другой, электроды внешней пары закорочены в выходной части ускорителя, электроды внутренней пары закорочены подвижным токовым якорем, и систему электропитания, состоящую из двух гальванически изолированных источников электропитания, один из которых подключен через коммутатор к электродам внешней пары во входной части ускорителя, а другой к электродам внутренней пары, при этом электроды внешней и внутренней пар, находящиеся по одну сторону от продольной оси ускорителя, подключены к одноименным клеммам источников электропитания, а геометрические характеристики пар электродов и токи в них удовлетворяют условию отличающийся тем, что источник электропитания рабочего контура подключен к электродам внутренней пары на расстоянии от начального положения якоря оптимальная длина участка, находящегося по ходу движения якоря за областью подключения источника электропитания к электродам внутренней пары, должна составлять а геометрические характеристики пар, токи в них, индукция магнитного поля B_*, предельно допустимая по условиям прочности конструкции канала, связаны соотношением

где L^' погонная индуктивность электродов;
h межэлектродное расстояние в паре электродов,
I ток, протекающий по электродам;
н, в индексы, относящиеся к электродам внешней и внутренней пар;
V_е скорость, при которой ударная волна перед якорем инициирует шунтирующий разряд;
I_m амплитудное значение рабочего тока;
m масса якоря;
f₁, f₂ параметры осреднения профилей рабочих токов;
эффективная погонная индуктивность ускорителя от точки подключения источника электропитания к электродам внутренней пары до выхода ускорителя;
U_* электрическая прочность межэлектродного промежутка внутренней пары электродов,
U_я электрическое напряжение на якоре;
эффективная погонная индуктивность ускорителя от начального положения якоря до точки подключения источника электропитания к электродам внутренней пары.