ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ ПУШКА Российский патент 1998 года по МПК F41B6/00 

Изобретение относится к военной технике, а более конкретно к противоракетным электродинамическим пушкам, используемым в зоне действия третьего эшелона противоракетной обороны, обеспечивающего перехват боеголовок межконтинентальных баллистических ракет на среднем внеатмосферном участке траектории полета.

Известны коаксиальные электромагнитные пушки [1], принцип действия которых основан на взаимодействии электромагнитного поля, создаваемого стационарными катушками, со снарядом, несущим на себе также катушки. Недостатком этих устройств является быстрый износ щеток, через которые запитываются снарядные катушки, и возможность работы только до скоростей порядка 1 км/с. Этих недостатков лишено электромагнитное разгонное устройство (Цанг К. Д. , Миччи М.М. Расчет магнитоиндукционного двигателя с учетом разогрева рабочего тела. Аэрокосмическая техника, 1986, N 10, с.117), выбранное в качестве прототипа. Прототип состоит из ускоряющей катушки, к которой через ключ подсоединена конденсаторная батарея, и выстреливаемого электропроводящего тела (кольца).

Недостаточно быстрое нарастание тока в ускоряющей катушке, обусловленное относительно большой величиной индуктивностей конденсаторной батареи и ключа, определяет относительно невысокую эффективность работы устройства. При относительно медленном нарастании тока в ускоряющей катушке выстреливаемый снаряд успевает выйти из зоны действия магнитного поля катушки, не получив необходимой для заданной скорости разгона кинетической энергии.

Использование в прототипе для ускоряющей катушки обычных проводников не позволяет получать импульсы магнитного поля более 50 Тл, что также ограничивает скорость разгона снаряда.

Задача изобретения создание электродинамической пушки, позволяющей повысить начальную скорость выстреливаемого снаряда.

Указанная цель достигается тем, что в электродинамической пушке, содержащей ускоряющую катушку, выводы которой подсоединены к цепочке из последовательно соединенного коммутатора и конденсаторной батареи, и снаряд из электропроводящего материала, ускоряющая катушка выполнена в виде усеченного конуса, снаружи которого расположен конусный сверхпроводящий соленоид, выводы которого шунтированы сверхпроводящим ключом и цепочкой из последовательно соединенных источника ЭДС, переменного резистора, ключа, внутри ускоряющей катушки установлен конический вкладыш из электропроводящего материала, к большему основанию которого жестко прикреплен снаряд.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается выполнением ускоряющей катушки в виде усеченного конуса, наличием внешнего сверхпроводящего соленоида, снабженного сверхпроводящим ключом, и также наличием конического вкладыша из электропроводящего материала.

Отмеченные отличия позволяют увеличить амплитуду ускоряющего магнитного поля и уменьшить время нарастания последнего, что ведет к увеличению начальной скорости снаряда.

Таким образом, изобретение соответствует критерию "новизна". Отмеченная новизна заявляемого устройства исследована по его существенным признакам на соответствие критерию "изобретательский уровень", при этом были приняты во внимание источники информации в данной и родственных областях техники, а также те условия, что все существенные признаки изобретения находятся в единой логической взаимосвязи и направлены в совокупности на достижение единого результата.

Так, в источнике (Сахаров А.Д. Взрывомагнитные генераторы. Успехи физических наук, 1966, апрель, т. 88, вып.4, с. 726) выявлен взрывомагнитный генератор, который используется в исследованиях электрических, оптических и упругих свойств различных веществ в сверхсильных магнитных полях. Очевидно, что данное устройство по своей конструкции, выполняемым функциям и достигнутым результатам не эквивалентно заявляемому. Это позволяет заключить, что заявляемая электродинамическая пушка обладает новизной и отвечает критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство показано на фиг. 1.

Сверхпроводящий соленоид 1 в виде усеченного конуса через ключ 2 (например, контактор или рубильник) и переменный резистор 3 (реостат) присоединен к источнику ЭДС 4 (например, генератор постоянного тока или аккумулятор). Обмотка соленоида 1 выполнена из шинки СПНТ 2 х 3,5 или провода СНТЭ. Выводы соленоида 1 шунтированы сверхпроводящим ключом 5, снабженным управляющим нагревателем 6. Внутри соленоида 1 жестко установлена коническая ускоряющая катушка 7, выводы которой подсоединены к цепочке из последовательно соединенных коммутатора 8 (разрядник) и конденсаторной батареи 9. Внутри ускоряющей катушки 7 с помощью байонетного соединения (не показано) закреплен конический вкладыш 10 из электропроводящего материала (например, из меди или алюминия), жестко соединенный со снарядом 11. Соленоид 1, ускоряющая катушка 7, вкладыш 10 в поперечном сечении выполнены круговыми.

Соленоид 1, ключ 5 и соединительные провода между ними, которые также выполнены сверхпроводящими, помещены в криостат (не показан).

На фиг. 2 показана эквивалентная схема защиты сверхпроводящего соленоида.

Использованы следующие обозначения: 12 - резистор, имитирующий активное сопротивление сверхпроводящего соленоида, находящегося в резистивном состоянии; 13 - катушка, индуктивность которой равна индуктивности сверхпроводящего соленоида с учетом магнитной связи с ускоряющей катушкой; 14 - внешний защитный резистор; 15 и 16 - резистор и катушка, имитирующие активное сопротивление и индуктивность вкладыша; 17 - резистор, имитирующий активное сопротивление сверхпроводящего ключа в резистивном состоянии. Штриховыми линиями показаны границы криостата.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом (фиг. 1).

Соленоид 1 запитывается от источника ЭДС 4. Начало запитки и ее регулирование осуществляются ключом 2 и переменным резистором 3. После установления требуемого значения тока в соленоиде 1 ключ 5 переводится в сверхпроводящее состояние. Перевод ключа 5 из нормального резистивного состояния в сверхпроводящее производится отключением нагревателя 6 (схема питания нагревателя 6 не показана). Ключ 2 размыкается.

Эквивалентная индуктивность разрядного контура (в контур входят конденсаторная батарея 9, коммутатор 8 и ускоряющая катушка 7) равна

где
- индуктивность контура, содержащего ускоряющую катушку и конденсаторную батарею, L₂ - собственная индуктивность сверхпроводящего соленоида, M - взаимоиндуктивность между ускоряющей катушкой и сверхпроводящим соленоидом.

После срабатывания коммутатора 8 конденсаторная батарея 9 разряжается на ускоряющую катушку 7. Возникшее импульсное поле индуцирует токи в проводящих стенках вкладыша 10. Взаимодействие этих токов с импульсным полем обуславливет возникновение электродинамической силы, сжимающей вкладыш 10 с захваченным начальным полем, созданным соленоидом 1. Причем время достижения стенками вкладыша 10 скорости порядка 1 км/с уменьшено за счет уменьшения индуктивности разрядного контура. Это уменьшение обусловлено выведением источника ЭДС из цепи соленоида 1 до разряда конденсаторной батареи 9.

Из-за конической формы вкладыша 10 при его сжатии импульс магнитного поля движется в сторону электропроводящего снаряда, индуцируя в нем токи, результатом взаимодействия которых с импульсным полем является возникновение электродинамической силы, приводящей снаряд в движение.

Появившееся импульсное магнитное поле также воздействует на сверхпроводящий соленоид 1, который в результате этого переходит в резистивное состояние. Чтобы избежать аварийной ситуации, которая заключается в выделении энергии сверхпроводящего соленоида 1 на нем самом, предлагается использовать известную схему защиты, показанную на фиг. 2.

Система защиты работает следующим образом.

Появившееся магнитное поле воздействует на сверхпроводящий ключ 5 (фиг. 1) и сверхпроводящий соленоид 1, в результате чего у обоих появляются сопротивления, которые (фиг. 2) имитируются резисторами 17 и 12, и сверхпроводящий соленоид 1 (фиг.1), обладающий активным сопротивлением и индуктивностью, которые (фиг. 2) имитируются резистором 12 и катушкой 13, разряжается на внешний защитный резистор 14, находящийся вне криостата. Из-за магнитной связи между сверхпроводящим соленоидом 1 (фиг. 1) и вкладышем 10 вывод энергии на внешний защитный резистор 14 (фиг. 2) также сказывается на состоянии стенок вкладыша 10, обладающего сопротивлением и индуктивностью, которые на фиг. 2 имитируются резистором 15 и катушкой 16. Уменьшается нагрев стенок, т. е. отсутствуют преждевременное разрушение стенок и потеря части начального потока, созданного сверхпроводящим соленоидом 1 (фиг. 1).

Как можно заметить, использование устройства, работающего на принципе сжатия магнитного потока, позволяет получить ускоряющее поле значительной амплитуды (> 50 Тл) и с малым временем нарастанию (наносекудного диапазона), что приводит к увеличению начальной скорости снаряда.

Изобретение относится к военной технике, а именно к противоположным электродинамическим пушкам, используемым в зоне действия третьего эшелона противоракетной обороны. Соленоид 1 запитывается от источника ЭДС4. Начало запитки и ее регулировка осуществляются ключом 2 и реостатом 3. После установления требуемого значения тока в соленоиде 1 ключ 5 переводится в сверхпроводящее состояние. Перевод ключа 5 из нормального резистивного состояния в сверхпроводящее производится отключением нагревателя 6. Ключ 2 размыкается. Затем конденсаторная батарея 9 после срабатывания коммутатора 8 разряжается на ускоряющую катушку 7. Возникшее импульсное поле индуцирует токи в проводящих стенках вкладыша 10. Взаимодействие этого тока с импульсным полем обуславливает возникновение электродинамической силы, сжимающей вкладыш 10 с захваченным начальным полем, созданным соленоидом 1. Из-за конической формы вкладыша 10 импульс магнитного поля движется в сторону электропроводящего снаряда, индуцируя в нем токи, результатом взаимодействия которых с импульсным полем является возникновение электродинамической силы, приводящей снаряд в движение. Выполнение устройства такой конструкции позволяет повысить начальную скорость выстреливающего снаряда за счет увеличения амплитуды и уменьшения времени нарастания ускоряющего магнитного поля. 2 ил.

Электродинамическая пушка, содержащая ускоряющую катушку, выводы которой подсоединены к цепочке из последовательно соединенных коммутатора и конденсаторной батареи, и снаряд из электропроводящего материала, отличающаяся тем, что ускоряющая катушка выполнена в виде усеченного конуса, снаружи которого расположен конусный сверхпроводящий солеиноид, выводы которого шунтированы сверхпроводящим ключом и цепочкой из последовательно соединенных источника ЭДС, переменного резистора, ключа, внутри ускоряющей катушки установлен конический вкладыш из электропроводящего материала, к большему основанию которого жестко прикреплен снаряд.