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

Описание патента на изобретение RU2066825C1

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 Вж, 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; ve скорость, при которой ударная волна перед якорем инициирует шунтирующий разряд; Im - 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; Uж - электрическая прочность межэлектродного промежутка внутренней пары электродов; Ua 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 Uж.

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 Iн, обеспечивающий поле подмагничивания, а в электрическом контуре внутренней пары электродов, содержащем якорь 7, создается рабочий ток Iв. 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 Bж, 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.

Похожие патенты RU2066825C1

название год авторы номер документа
ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 1993
  • Осташев В.Е.
  • Лебедев Е.Ф.
  • Ульянов А.В.
  • Фатьянов О.В.
RU2066824C1
РЕЛЬСОВЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 1993
  • Лебедев Е.Ф.
  • Осташев В.Е.
  • Ульянов А.В.
  • Фатьянов О.В.
RU2065557C1
РЕЛЬСОВЫЙ КОНДУКЦИОННЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ 1990
  • Лебедев Е.Ф.
  • Осташев В.Е.
  • Ульянов А.В.
  • Фатьянов О.В.
RU2027971C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНИЦИИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ЯКОРЕ РЕЛЬСОТРОНА 1994
  • Осташев В.Е.
  • Лебедев Е.Ф.
  • Ульянов А.В.
  • Янковский Б.Д.
RU2072495C1
СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ РАЗРЯДА МОЛНИИ 1994
  • Биюшкин Н.П.
  • Нестеров Е.В.
  • Плаксина С.Д.
  • Черных Е.В.
  • Фортов В.Е.
RU2057370C1
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗРЯДА В ГАЗЕ (ВАРИАНТЫ) 1993
  • Кулешов Г.Д.
  • Плаксина С.Д.
  • Семенов Ю.В.
  • Шафран Л.Е.
RU2072626C1
РЕЗОНАНСНЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ УСКОРИТЕЛЬ 2014
  • Сухачев Кирилл Игоревич
  • Семкин Николай Данилович
  • Пияков Алексей Владимирович
  • Ильин Евгений Андреевич
  • Видманов Алексей Сергеевич
RU2554054C1
МНОГОВИТКОВЫЙ РЕЛЬСОТРОН, СЕКЦИОНИРОВАННЫЙ ПО ДЛИНЕ 2015
  • Кондратенко Анатолий Константинович
  • Полтанов Алексей Евгеньевич
  • Рындин Валерий Николаевич
  • Счастных Борис Сергеевич
RU2602512C1
МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ УСКОРИТЕЛЬ 2021
  • Сухачев Кирилл Игоревич
  • Дорофеев Александр Сергеевич
  • Бандяев Вячеслав Александрович
RU2761447C1
ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ УСКОРИТЕЛЬ 2013
  • Сухачев Кирилл Игоревич
  • Пияков Алексей Владимирович
  • Семкин Николай Данилович
RU2551474C1

Реферат патента 1996 года ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КОНДУКЦИОННЫЙ УСКОРИТЕЛЬ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

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.

Формула изобретения RU 2 066 825 C1

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;
Vе скорость, при которой ударная волна перед якорем инициирует шунтирующий разряд;
Im 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,
Uя электрическое напряжение на якоре;
эффективная погонная индуктивность ускорителя от начального положения якоря до точки подключения источника электропитания к электродам внутренней пары.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 1996 года RU2066825C1

Печь для непрерывного получения сернистого натрия 1921
  • Настюков А.М.
  • Настюков К.И.
SU1A1
Rashleigh S.C., Marshall R.A
Electromagnetic accebration of macroparticles to high velocity., J
Appl
Physics, 1978, v.49, p.p.418-424
Аппарат для очищения воды при помощи химических реактивов 1917
  • Гордон И.Д.
SU2A1
Фатьянов О.В., Осташев В.Е., Лебедев Е.Ф., Ульянов А.В
Электромагнитные конфигурации рельсотронов
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. 1921
  • Богач Б.И.
SU3A1

RU 2 066 825 C1

Авторы

Осташев В.Е.

Коровин Н.С.

Лебедев Е.Ф.

Ульянов А.В.

Фатьянов О.В.

Даты

1996-09-20Публикация

1993-07-08Подача