Рельсовый электромагнитный ускоритель твердых тел

 

Использование: прямое преобразование электрической энергии в кинетическую энергию метаемого твердого тела, в частности электромагнитный разгон твердых 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. Параллельно им расположены электроды 4, 5, образующие внутреннюю пару. Электроды внутренней и внешней пар, расположенные по одну сторону от продольной оси ускорителя закорочены в его выходной части перемычки 6. Электроды 4, 5 внутренней пары закорочены токовым подвижным якорем 7. Все электроды разделены электроизоляционными прокладками 8, 9. Электроды 3, 4 подключены во входной части ускорителя к источнику электропитания 10 через коммутатор 11, а электроды 2, 5 - к источнику электропитания 12 через коммутатор 13. Электроды 2, 4 подключены через коммутаторы 13, 11, соответственно, к одинаковой полярности источников электропитания 12, 10, которые имеют одинаковые электрические характеристики. Геометрические размеры пар электродов и токи в них подобраны так, чтобы обеспечивать эффективный разгон и сохранение электродов ускорителя. 1 ил.

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

Известна конструкция рельсотрона [1] содержащая 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. Взаимодействие тока I в якоре с поперечным магнитным полем витка с током вызывает движущую якорь пондеромоторную (электромагнитную) силу F 0,5·L'I², где L' погонная индуктивность электродной пары. Недостатком такого рельсотрона является быстрое возникновение одной из группы паразитных плазмодинамических разрядов, шунтирующих рабочий ток I через якорь. Это приводит к диссипации электромагнитной энергии в канале, уменьшению пондеромоторной силы, воздействующей на якорь, и эффективности преобразования энергии в кинетическую. Причиной возникновения паразитных шунтирующих разрядов в следе якоря является наличие там электропроводящей среды продуктов эрозии и абляции стенок канала, а также высокого уровня внутриканальных электрических напряжений, достаточного для электрического пробоя следа. Паразитные шунтирующие плазмодинамические разряды эволюционируют в квазистацинарную форму существования, являющейся устойчивой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является рельсотрон [2] содержащий две (внутреннюю и внешнюю) пары продольно расположенных параллельных электродов, разделенных между собой электроизоляцинными стенками. Сборка из электродов и изоляционных стенок помещается в силовой корпус и при необходимости электроизолируется от него. Электроды внешней и внутренний пар, расположенные по одну сторону от продольной оси ускорителя, закорочены в его выходной части, а электроды внутренней пары закорочены токовым якорем. Рельсотрон электродами внешней пары через коммутатор подключен во входной своей части к системе электропитания.

Недостатком этого рельсотрона является возможность образования паразитного, шунтирующего рабочий ток якоря, плазмодинамического разряда в канале перед метаемым телом. Разряд может проворачиваться, например, сильной ионизирующей ударной волной, создаваемой при движении тела в канале с высокой скоростью. Эти перезамыкания рабочего тока возникают при больших по сравнению с аналогом скоростях разгона. Их формирование можно затянуть во времени, заполнив, например, канал легким газам с высоким потенциалом ионизации, но полностью исключить практически невозможно, как невозможно полностью вакуумировать канал или исключить возможность электрического пробоя по поверхностям электроионизирующих стенок внутри канала.

Предлагаемое изобретение решает задачи предотвращения паразитных перезамыканий рабочего тока в канале рельсотрона, увеличения достижимой скорости разгона тела и эффективности преобразования энергии по сравнению с конструкциями аналога и прототипа.

Сущность изобретения состоит в том, что в рельсовом электромагнитном ускорителе твердых тел, содержащем размещенные в силовом корпусе две пары разделенных электроизоляционными стенками и симметрично расположенных относительно продольной оси ускорителя параллельных электродов, из которых одна пара является внешней по отношению к другой, электроды внешней и внутренней пар, расположенные по одну сторону от продольной оси ускорителя, закорочены в его выходной части, электроды внутренней пары закорочены подвижным токовым якорем, система электропитания выполнена из двух гальванически изолированных источников электропитания с одинаковыми электрическими параметрами, подключенных к электродам ускорителя во входной его части, каждый источник подключен к электроду внешней и электроду внутренний пар, расположенным по разные стороны от продольной оси ускорителя, при этом закороченные в выходной части ускорителя электроды внешней и внутренней пар подключены к клеммам источников электропитания, имеющим одинаковую полярность, а геометрические размеры пар электродов и токи в них удовлетворяют условиям: где L' погонная индуктивность электродов; h межэлектродное расстояние в паре электродов; I ток, протекающий по электродам, B_*- индукция магнитного поля, предельно допустимая для сохранения механической прочности канала ускорителя, н, в индексы, относящиеся к электродам внешней и внутренней пар соответственно.

Таким образом осуществляется двусторонний токоподвод к якорю от двух гальванически не связанных источников электропитания, суммирование токов рабочих контуров в якоре, создание ускоряющего поля подмагничивания.

Максимальная пондеромоторная сила достигается при использовании источников электропитания с одинаковыми электрическими параметрами, что обеспечивает равенство токов в тождественных рабочих контурах I_н I_в I, и подборе геометрических размеров пар электродов, обеспечивающих выполнение условия . Последнее соотношение означает равенство индукций магнитных полей от электрических контуров внешней и внутренней пары электродов, в результате чего поле перед якорем будет отсутствовать.

Вследствие ограниченной прочности канала рельсотрона индукция магнитного поля позади якоря также должна быть ограничена: Величина В_* 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.

Такое выполнение предлагаемого устройства обеспечит преодоление существующих ограничений на длительность существования в нем устойчивого режима разгона тел без образования шунтирующих перезамыканий рабочего тока в канале и возможность достижения скоростей метания порядка 10 км/с и более.

На фиг.1 схематически показано продольное сечение предлагаемого рельсового электромагнитного ускорителя твердых тел. Устройство содержит корпус 1, в котором вдоль его продольной оси расположены параллельные электроды 2 и 3, образующие внешнюю пару электродов. Параллельно им распложены электроды 4 и 5, образующие внутреннюю пару. Электроды внутренней и внешней пар, расположенные по одну сторону от продольной оси рельсотрона (т.е. поз. 2, 4 и 3,5) закорочены в его выходной части перемычками 6. Электроды 4 и 5 внутренней пары закорочены токовым подвижным якорем 7. Все электроды разделены электроизоляцинными прокладками 8 и 9 (прокладки 9 находятся вне сечения). Электроды 3 и 4 подключены во входной части ускорителя к источнику электропитания 10 через коммутатор 11, а электроды 2 и 5 тоже во входной части ускорителя к источнику электропитания 12 через коммутатор 13. Электроды 2 и 4 подключены через коммутаторы 13 и 11 соответственно к клеммам одинаковой полярности источников электропитания 12 и 10, а электроды 3 и 5 подключены к другим клеммам одинаковой полярности этих источников электропитания. При этом источники электропитания 10 и 12 должны быть независимыми друг от друга иметь одинаковые электрические характеристики для обеспечения равных разрядных токов I_н I_в, протекающих в электрических цепях при одновременном срабатывании коммутаторов 11 и 13.

Рельсовый электромагнитный ускоритель твердых тел работает следующим образом. При срабатывании коммутаторов 11 и 12 осуществляется разряд запасенной в системах электропитания 10 и 12 электрической энергии в соответствующие электрические цепи рельсотрона, общим элементов которых является якорь 7. Взаимодействие тока якоря с поперечным магнитным полем контуров приводит к появлению продольной электромагнитной (пондеромоторной) силы, ускоряющей якорь. При этом параметры систем электропитания с учетом допустимого по условиям прочности канала устройства магнитного поля и геометрических размеров электродных пар должны удовлетворять соотношениям
2)2ILʹh^-1≅ B_*.
Невыполнение первого условия приведет к уменьшению ускоряющей пондеромоторной силы и эффективности преобразования энергии в рельсотроне, а несоблюдение второго к разрушению электродов рельсотрона.

Испытание макета предлагаемого устройства длиной 1 м при разрядных токах до 350 кА показало, что скорость метания пластиковых макрочастиц граммовой массы была в среднем на 20% выше, чем в макете прототипа.

При регистрации магнитными зондами эволюции токовых структур и разрядных токов поясами Роговского было установлено, что искусственно созданные перезамыкания тока перед и позади якоря в макете предлагаемого устройства затухают, а перезамыкания рабочего тока в выходной части канала макета прототипа развиваются и практически полностью перехватывают ток, подводимый к каналу ускорителя.

Проведенные испытания подтвердили качественное отличие в характере эволюции плазмодинамических разрядов в заявляемом устройстве и прототипе, что позволяет утверждать, что в предлагаемом устройстве осуществим режим гиперскоростного электромагнитного разгона твердых тел, благодаря предотвращению образования паразитных шунтирующих перезамыканий в канале ускорителя.

Формула изобретения

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 является внешней по отношению к другой паре, электроды внешней и внутренней пар, расположенные по одну сторону от продольной оси ускорителя, закорочены в его выходной части, электроды внутренней пары закорочены подвижным таковым якорем, и систему электропитания, подключенную к электродам ускорителя во входной его части, отличающийся тем, что система электропитания выполнена из двух гальванически изолированных источников электропитания с одинаковыми электрическими параметрами, каждый из которых подключен к электроду внешней и электроду внутренней пар, расположенным по разные стороны от продольной оси ускорителя, при этом закороченные в выходной части ускорителя электроды внешней и внутренней пар подключены к клеммам источников электропитания, имеющим одинаковую полярность, а геометрические размеры пар электродов и токи в них удовлетворяют условиям
;
2IL'h^-1≅B_*,
где L' погонная индуктивность электродов;
h межэлектродное расстояние в паре электродов;
I ток, протекающий по электродам;
B_* индукция магнитного поля, предельно допустимая для сохранения механической прочности конструкции;
н, в индексы, относящиеся к электродам внешней и внутренней пар соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1