Двухступенчатый электромагнитный ускоритель твердых тел

 

Использование: прямое преобразование электрической энергии в кинетическую энергию метаемого твердого тела, в частности к электромагнитному разгону твердых тел в рельсотронах. Сущность изобретения: двухступенчатый электромагнитный ускоритель твердых тел содержит силовой корпус 1, в котором вдоль его продольной оси расположены параллельные электроды 2, 3, образующие внешнюю пару электродов, закороченную в сечении энергоподвода перемычкой 6. Параллельно им расположены электроды 4, 5, образующие внутреннюю пару, закороченную токовым 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 токового якоря 7. Источники электропитания 10, 12 гальванически изолированы, электроды 2, 4, находящиеся по одну сторону ускорителя, подключены к одноименным клеммам источников электропитания через коммутаторы 13, 11, а электроды 3, 5 - к другим клеммам. Длины участков от начального положения якоря 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.

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 возникновении паразитных разрядов, шунтирующих рабочий ток якоря и уменьшающих эффективность преобразования подводимой к рельсотрону энергии.

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 создает 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. Для канала, заполненного воздухом при атмосферном давлении, ударная волна становится ионизирующей при скоростях ≥ 6 км/с.

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 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 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 (h, L', I) удовлетворяют условию отличающемся тем, что на расстоянии от начального положения якоря к внутренней паре электродов подключен источник электропитания и закорочены электроды внешней пары; оптимальная длина участка ускорителя, находящегося по ходу движения якоря за областью подключения источника электропитания к электродам внутренней пары, а геометрические характеристики электродных пар, токи в них, индукция магнитного поля В_ж, предельно допустимая по условиям механической прочности канала, связаны соотношениями 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; L'₁ эффективная погонная индуктивность рельсотрона от начального положения якоря до точки подключения источника электропитания к электродам внутренней пары; U_ж - электрическая прочность межэлектродного промежутка внутренней пары электродов; U_я электрическое напряжение на якоре.

Данные соотношения получены из следующих условий. Пусть для простоты рабочий ток в первой ступени рельсотрона (от начального положения якоря до точки подключения источника электропитания к внутренней паре электродов) I const. Тогда из уравнения движения m·dv/dt 0,5·L'₁·I² следует v 0,5L'₁I²t/m и х 0,25L'₁I²/m или х (v/I)²·m/L'₁, где t, v, x - время разгона; скорость, сообщенная телу массой m толкающим якорем, и пройденный путь. Для произвольного профиля рабочего тока с максимальным амплитудным значением I_m переход к эквивалентному профилю при I const осуществляется из условия равенства интегралов действия тока . Параметр осреднения профилей рабочих токов f ≃ 1,3-1,5. В зависимости от рода и давления газа, заполняющего рабочий канал рельсотрона, можно указать скорость движения макротела v_e и соответствующую ей базу разгона
превышение которых приводит к возникновению ионизирующей ударной волны перед телом и инициирование ею электрического разряда, шунтирующего ток в якоре (здесь f₁ параметр f для первой ступени).

Длина второй ступени ускорителя l₂ расположенной по ходу движения якоря за областью подключения источника электропитания к электродам внутренней пары, по условиям работы без образования паразитных перезамыканий рабочего тока в следе якоря должна составлять l₂ ≅ f₂·(U_ж U_я)²·m/(L'_в·I_m)³·I_m,
где U_я зависит от типа якоря и скорости движения. Для плазменного якоря U_я ≃ 2·10⁴·h, где h расстояние между электродами.

Для вывода этого неравенства рассмотрим рельсотрон-аналог. Он представляет собой электрическое устройство, характеризуемое предельной электрической прочностью U_ж. Электрические перезамыкания в канале рельсотрона не возникают, если действующие электрические напряжения U_д < U_ж. Для такого рельсотрона при постоянном рабочем токе I и погонный индуктивности рельсов L' имеем: U_д L'·I·v + U_я и , где L'·I·v противоЭДС, связанная с движением якоря с током в поперечном магнитном поле. Отсюда х (U_д - U_я)²·m/(L'·I)³·I.

Переходя к конструкции второй ступени предлагаемого рельсотрона с учетом максимально допустимого электрического напряжения U_ж и произвольным профилем рабочего тока, получим следующие зависимости:

Отсюда
При действующее внутриканальное электрическое напряжение U_д превысит допустимое (U_ж). При этом возникнет электрический разряд вблизи точки энергоподвода, шунтирующий ток в якоре и резко снижающий эффективность электромеханического преобразования энергии.

Таким образом, заявляемая конструкция представляет собой рельсотрон с двумя ступенями электромагнитного ускорения при одном источнике электропитания контура рабочего тока с якорем, независимым подмагничиванием в первой ступени, сплошными электродами и непрерывном процессе перехода из одной ступени ускорителя в другую.

Первая ступень является гиперскоростным электромагнитным предускорителем на основе рельсотрона с обращенным токоподводом к якорю [2] Ее длина ограничена условием образования паразитного шунтирующего разряда во фронтальной части канала. Выполнение условия

обеспечивает равенство нулю индукции магнитного поля в канале перед якорем, максимальное значение пондеромоторной силы и эффективности преобразования подводимой к рельсотрону энергии при заданном поле внешнего подмагничивания.

Вторая ступень является электромагнитным доускорителем на основе рельсотрона с прямым токоподводом к якорю [2] Переход в эту ступень осуществляется непрерывно при пролете якорем сечения подвода тока к электродам рабочего контура. Продолжительность (длина l₂) этой стадии разгона определяется, в основном, временем развития паразитных шунтирующих перезамыканий рабочего тока в следе якоря.

Выполнение условий I·L'·h^-1 ≅ B, в областях канала с максимальными значениями индукций магнитных полей в каждой ступени (позади якоря) обеспечивает сохраняемость конструкции канала при его нагружении.

Предлагаемое устройство обеспечивает повышение устойчивости электромагнитного режима разгона твердых тел и возможность достижения скоростей их метания более 10 км/с.

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 внешнюю пару электродов. Параллельно им расположены электроды 4 и 5, образующие внутреннюю пару. Электроды 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 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 внешнего поля подмагничивания, кроме того, длина второй ступени рельсотрона не должна превышать l₂.

Двухступенчатый электромагнитный ускоритель твердых тел работает следующим образом. При одновременном или последовательном срабатывании коммутаторов 13 и 11 осуществляется разряд запасенной в системах электропитания 12 и 10 электрической энергии в соответствующие электрические цепи рельсотрона. При этом в электрическом контуре внешней пары электродов создается электрический ток I_н, обеспечивающий внешнее 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 условиями


на величины разрядных токов (I), геометрические характеристики электродных пар (h, L'), допустимое по условиям прочности индуцированное токами магнитное поле В_ж.

Оптимальные длины ступеней электромагнитного ускорителя должны составлять соответственно


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

Формула изобретения

Двухступенчатый электромагнитный ускоритель твердых тел, содержащий 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 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 на расстоянии

от начального положения якоря к внутренней паре электродов подключен источник электропитания и закорочены электроды внешней пары, оптимальная длина участка ускорителя, 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 B_*, предельно допустимая по условиям прочности конструкции канала, связаны соотношениями


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_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;
погонная индуктивность участка ускорителя от начального положения якоря до точки подключения источника электропитания к внутренней паре электродов;
U_* электрическая прочность межэлектродного промежутка внутренней пары электродов;
U_я электрическое напряжение на якоре.

РИСУНКИ

Рисунок 1