РЕЛЬСОТРОН Российский патент 1997 года по МПК H02K41/00 H05H15/00 F41F7/00 

Изобретение относится к технике электродинамических ускорителей макротел, а более конкретно к конструкции рельсовых ускорителей кондукционного типа, рельсотронов, предназначенных для разгона твердых тел до высоких, около 1 км/с и более, скоростей, что важно для исследования термодинамических свойств веществ при высоких давлениях, при проведении лабораторных исследований по термоядерному синтезу, для запуска малогабаритных спутников, для моделирования входа летательных аппаратов в плотные слои атмосферы, для имитации потока метеоритов и др.

Известен рельсотрон, имеющий якорь, выполненный из монолитного электропроводящего материала (обычно алюминиевого или медного) в виде скобы, с пазом в хвостовой части [1]
Такая конструкция обеспечивает наличие механического контакта, между рельсами и якорем посредством прижатия "крыльев" якоря к электродам-рельсам электродинамическими силами.

Однако для данного типа рельсотронов свойственно, хотя и менее выраженное, скоростное скинирование тока в задней части контактной зоны с характерным масштабом λ

где ρ_э, ρ_я удельное электрическое сопротивление электродов рельсотрона и якоря; V скорость метания; R контактное электрическое сопротивление.

В типичных условиях, когда якорь и рельсы медные, а V ≈ 1 км/с и контактное давление достаточно велико так, что R ≈ 0, размер рассредоточения тока λ составляет несколько десятков мкм. Это обуславливает высокую плотность тока, что приводит при достижении критической скорости к взрывообразному испарению контактной зоны с формированием волны срыва металлического контакта (ВСМК).

Ввиду (1) добиться рассредоточения тока вдоль поверхности контакта при заданных материалах электродов можно, сделав якорь из материла с достаточно высоким удельным электрическим сопротивлением.

Известна конструкция рельсотрона, с рельсами-электродами и якорем, способная ускорять груз и взятая нами в качестве прототипа, в которой достигнуто эффективное увеличение значения r_я посредством выполнения якоря в виде набора спаренных чередующихся слоев, один из которых электропроводящий, а другой электроизолятор, плоскости слоев образуют в обеих половинах его конструкции, симметричных относительно продольной оси, острый угол наклона альфа с контактными поверхностями рельсов с передней по отношению к направлению метания стороны якоря [2]
Тогда для оценки скинирования тока при R ≈ 0 и малых углах укладки альфа, отсчитываемых против хода часовой стрелки, в (1) следует заменить член с отношением удельных электрических сопротивлений на величину

где ρяij

тензор удельных электрических сопротивлений композиционного материала якоря,

a, b соответственно толщины полос якоря с удельными электрическими сопротивлениями ρ_a, ρ_b, a ρ_τ и ρ_η касательная и нормальная составляющие сопротивления бинарной структуры.

В результате, если r_a≪ ρ_b(ρ_τ≪ ρ_η) можно существенно расширить зону локализации тока на контакте по сравнению со случаем монолитной арматуры, изготовленной из материала a-фазы, что уменьшает потери энергии на джоулев нагрев якоря.

Однако при этом нагрев якоря остается существенно неравномерным, так как электрический ток распределяется по проводящий пластинам (a-фаза) и не течет по изоляционным проставкам (b-фаза). В результате неоднородного распределения температуры возникают большие термические напряжения в якоре, которые с течением времени могут приводить к его разрушению, ограничивая достижимые скорости метания, снижая КПД и ресурс рельсотрона.

Техническим результатом изобретения является увеличение скорости метания, повышение КПД и ресурса рельсотрона.

Этот результат достигнут за счет того, что в известном рельсотроне, содержащем рельсы-электроды, подключенные к источнику тока, между которыми размещен якорь, состоящий из набора спаренных чередующихся слоев, один из которых электропроводящий, а плоскости слоев образуют угол наклона с контактными поверхностями рельсов, предложено второй слой выполнить также из электропроводящего материала, при этом проводимости обоих слоев отличаются не менее чем на порядок, а удельное электрическое сопротивление материла слоя с меньшей проводимостью превышает удельное электрическое сопротивление материала электродов рельсотрона, причем плоскости слоев, обращенных в сторону переднего торца якоря, составляют тупой угол.

Наружная поверхность якоря может быть покрыта оболочкой, изготовленной из материала с удельным электрическим сопротивлением, большим по сравнению с удельным электрическим сопротивлением материала рельсов, причем прочность материала оболочки выше прочности материала слоя, имеющего более высокую проводимость.

В одной из модификаций рельсотрона удельное электрическое сопротивление слоев с более высокой проводимостью убывает в направлении движения якоря, а в хвостовой центральной части якоря выполнен паз.

На чертеже изображена конструктивная схема рельсотрона, продольный разрез.

Рельсотрон состоит из параллельных рельсов-электродов 1, подключенных к источнику тока и размещенного между ними якоря 2, ускоряющего груз 3. Якорь может быть снабжен в хвостовой центральной части пазом 4 и выполнен из чередующихся спаренных слоев с высокой 5 и более низкой 6 электропроводностью. Угол наклона слоев альфа тупой. Наружная поверхность якоря может быть покрыта оболочкой 7, а удельное электрическое сопротивление слоев 5 убывает в направлении метания.

В результате применения описанной конструкции рельсотрона уменьшается плотность электрического тока в якоре, его распределение приближается к равномерному и повышается таким образом его прочность, уменьшаются локальные тепловые нагрузки и, как следствие, увеличивается при заданном рабочем токе I время старта ВСМК и достигаются более высокие скорости метания в режиме квазиметаллического контакта. Как показывают оценки по (1), (2) и численные расчеты двумерной электродинамической задачи, для эффективного сглаживания распределения тока на контакте в километровом диапазоне скоростей метания величина порядка отношения удельных электрических сопротивлений материалов спаренных слоев не менее 10. Тогда электрический ток течет по всем компонентам бинарной структуры ядра якоря, повышается однородность распределения в нем тока и температуры, уменьшаются термические напряжения и повышается прочность его конструкции при метании. Однако переориентация спаренных (бинарных) слоев ядра якоря требует при его изготовлении тщательной полировки поверхностей, контактирующих с рельсами электродинамического ускорителя с целью уменьшения трения при скольжении и защиты рельсов от повреждений от микровыступов бинарных слоев, способных при данной ориентации вонзаться в них при метании якоря. Кроме того, даже при соблюдении тщательной технологии разработки якоря, в процессе метания возможно образование локальных повреждений в зоне скольжения, например вследствие замыкания тока на контакте через альфа пятна, где может произойти оплавление наиболее легкоплавкой составляющей бинарной структуры и, как следствие, сформируются направленные при метании в рельсы выступы конструкции якоря.

Наружная поверхность якоря покрывается оболочной 7, изготовленной из материала с удельным электрическим сопротивлением, большим по сравнению с удельным электрическим сопротивлением материала рельсов, причем прочность материала оболочки выше прочности материала слоя, имеющего более высокую проводимость, и тогда дополнительно повышается прочность якоря как путем ослабления скоростного скинирования ввиду (1), так и за счет укрепления якоря прочным каркасом. В результате электрический ток распределяется более однородно по всему якорю, уменьшается его нагрев и термические напряжения, а рельсы защищены при вероятных технологических дефектах изготовления композитной бинарной структуры от возможного поражения выступающими при метании в их сторону бинарными слоями.

Дальнейшее ослабление скоростного скинирования достигается, когда производится профилирование проводимости материалов якоря так, что удельное электрическое сопротивление слоев с более высокой проводимостью убывает в направлении движения якоря. При этом отношение максимального сопротивления, отвечающего задней кромке якоря, к минимальному сопротивлению, соответствующему передней стороне якоря при линейном профилировании, оценивается по формуле

где l длина якоря в направлении метания, h межрельсовое расстояние. Оценочные расчеты по (3) показывают, что при типичных бронзовых рельсах (ρ_э= 2•10^-7Ом•м), ρ_min= ρ_э и километровых скоростях метания для сглаживания тока на длине l 13 мм необходимо ρ_max/ρ_min≥ 8 Более точные же расчеты двумерной электродинамической задачи требуют несколько большего отношения сопротивлений, порядка 50. Однако это относится к случаю, когда эта модификация применяется самостоятельно. Комбинация же отмеченных в совокупности усовершенствований позволяет уменьшить требуемое отношение сопротивлений до 5. Кроме того, здесь не рассматривается вопрос об оптимальном законе профилирования, что могло бы также снизить ограничения на электрофизические параметры контактной пары.

В рассматриваемую конструкцию якоря вводится паз 4 в центральной части якоря с тыльной по отношению к направлению метания стороны. При этом, как показывают расчеты [1] дополнительно ослабляется скоростное скинирование и одновременно улучшается обтюрация за счет прижима крыльев якоря к рельсам электродинамическими силами.

В качестве примера конкретного выполнения устройства, например для медных рельсов, могут быть рекомендованы титан-алюминиевые композиции якоря.

Основной положительный эффект предлагаемого устройства заключается в повышении КПД рельсотронного ускорения, прочности его конструкции и в возможности получения более высоких скоростей при сохранении квазиметаллического контакта. Достигается этот эффект путем ослабления скоростного скинирования тока в зоне скользящего металлического контакта и обеспечением однородного протекания электрического тока через якорь.

Преимущество предлагаемой конструкции и ее модификаций в эффективности рассредоточения тока вдоль контакта апробированно при численном решении двумерной электродинамической задачи на основе уравнений Максвелла.

Источники информации
1. Глинов А.П. Курилов А.В. Препринт ИАЭ им. И.В. Курчатова N 5478 1, М. 1992.

2. Glinov A. P. Farkova N.A. About influence of contact resistance on current skin in railgun / Proc. of 5-th European Symp. on EMLT, Toulouse, France, 10-13 April 1995, pp. 14.1-14.8.

3. Glinov A.P. Kotova L.G. Halimullin Yu.A. About crisis of high speed metal contact in railgun / там же с. 6.1-6.8.

4. Long G. C. Limits to the Velocity of Solid Armatures in Rail guns /IEEE Trans. on Magn. vol. 25, No 1. Jan. 1989, pp. 347-352.

Использование: электрофизика, при разработке рельсотронов. Сущность изобретения: рельсотрон содержит рельсы-электроды, подключенные к источнику тока, между которыми размещен якорь, состоящий из набора спаренных электропроводящих чередующихся слоев. Плоскости слоев, обращенные в сторону движения, образуют тупой угол наклона с контактными поверхностями рельсов. Проводимости обоих слоев отличаются не менее чем на порядок, а удельное электрическое сопротивление материала слоя с меньшей проводимостью превышает удельное электрическое сопротивление материала электродов рельсотрона. Конструкция позволяет добиться увеличения скорости метания, повышения КПД и ресурса рельсотрона, обеспечивая более равномерное распределение электрического тока в якоре. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Рельсотрон, содержащий рельсы-электроды, подключенные к источнику тока, между которыми размещен якорь, состоящий из набора спаренных чередующихся слоев, один из которых электропроводящий, плоскости слоев образуют угол наклона с контактными поверхностями рельсов, отличающийся тем, что наклон слоев осуществлен таким образом, что плоскость слоя, обращенная в сторону переднего торца якоря, составляет тупой угол, второй слой выполнен также из электропроводящего материала, при этом проводимости обоих слоев отличаются не менее, чем на порядок, а удельное электрическое сопротивление материала слоя с меньшей проводимостью превышает удельное электрическое сопротивление материала электродов рельсотрона. 2. Рельсотрон по п.1, отличающийся тем, что наружная поверхность якоря покрыта оболочкой, изготовленной из материала с удельным электрическим сопротивлением, большим по сравнению с удельным электрическим сопротивлением материала рельсов, причем прочность материала оболочки выше прочности материала слоя, имеющего более высокую проводимость. 3. Рельсотрон по пп.1 и 2, отличающийся тем, что удельное электрическое сопротивление слоев с более высокой проводимостью убывает в направлении движения якоря. 4. Рельсотрон по пп.1 3, отличающийся тем, что в его хвостовой центральной части выполнен паз.