Электромагнитные ускорители
Еще в 1845 году, в Англии изобретатель Томасом Бенингфильд продемонстрировал возможность «ускорения снарядов
электричеством». Принцип ускорения снаряда магнитными катушками был разработан в 1895 году в Австрии инженером Францом
Гефтом “для полета на Луну”. Принцип действия соленоидной пушки очень простой: снаряд, ферромагнитное тело (железо например) ,
или магнит, или соленоид с током последовательно притягивается соленоидами вдоль ствола орудия, через которые проходит ток при
похождении снаряда. Исторически было принято, что если снаряд к соленоидам притягивается, то это ускоритель называется пушка
Гаусса, а если отталкивается, то это будет пушка Томпсона.
В 1901 году принцип ускорения снаряда магнитными катушками был запатентован в Норвегии профессором физики Кристиан Олаф
Бернардом Брикландом, который и построил первую действующую модель электромагнитного орудия. Оно имело калибр 65 мм, длину
ствола около 3 метров и включало 10 групп соленоидов по 300 катушек в каждой. Оно разгоняла снаряд массой 500 грамм до скорости
80 м/с.
В 1916 году французский инженер Андрэ Луи-Октав Фашон-Виллепле в рамках военного проекта сконструировал пушку, которая
разгоняла снаряд массой 50 грамм до скорости 200 м/с [1]. В России похожие проекты предлагались в 1890 году изобретателем Н.Н.
Бенардос [2] и в 1915 году изобретателями Н.Н Подольским и М.Н Ямпольским [3]. В 1890 году в США изобретатель Л.С. Гарднер также
предложил похожий проект. В 1932 году в Англии появился проект электромагнитной пушки др. Уолла и П.Л. Капицы, а в 1934 году в
США появляется «электрический пулемет» Вирджила Ригсби, в которой 17 электромагнитов, расположенных на стволе длинной 81 см,
включались особым таймером [2]. В 1936 году в США появляется орудие «для космоса», которое сконструировал Эдвин Нортруп,
профессор Принстона. Оно содержало 18 соленоидов. Достигнутая скорость не публиковалась, но оно интересно тем, что там впервые
был использован принцип бегущей магнитной волны [4]. В 1961 году появляется орудие Тома и Норвуда, где бегущая волна создавалась
катушками, подвижными и неподвижными, которые через скользящие контакты с рельсами подпитывались от источника энергии.
Конечно, его работа сопряжена с нестабильностью токоподвода и эрозией контактов на большой скорости снаряда. В 1966 году
появляется достаточно красивая идея ускорителя со схлопывающимся полем, "collapsing field accelerator" профессора Фридворта
Винтерберга. Здесь энергия распределяется вдоль ускорителя в конденсаторах постоянной емкости, которые разряжаются через
индуктивные катушки по мере того, как снаряд-цилиндр снимает энергию от каждой из них при прохождении соленоида благодаря
индуктивной коммутации. Их индуктивность уменьшается от начала к концу ускорителя. Схема интересна тем, что здесь не нужны ни
скользящие контакты, ни специальные устройства переключения катушек, которые согласовывают их питание с движением снаряда [5].
Однако, на этом принципе не было сконструировано ни одно устройство.
В ускорителе Sandia National Labs применяется система триггеров для управления током в катушках, а положение снаряда
отслеживается прецизионными датчиками (94 GHz Doppler radar) [6]. Характеристики этой системы:
вес снаряда 18 кг
калибр 120 мм
конечная скорость 420 м/с
ускорение 8020 g
длина ускорителя 2,2 м
число соленоидов 45
общий КПД 20%
Здесь приходится применять сложные схемы переключения катушек, менять частоту смены фаз в зависимости от скорости снаряда, что
требует применения датчиков движения. Низкий КПД связан с тем, что энергия рассеивается в основном в триггерах. В проекте “SPEAR
Coilgun” была реализована схема, использующая «пассивные электромагнитные переключатели», работа которых связана с
особенностями «коллапсирующего поля» [7]:
вес снаряда 2 кг
конечная скорость 1000 м/с
ускорение 5500 g
длина ускорителя 4,5 м
число соленоидов 9
напряжение 2 кВ
ток 1 МА
общий КПД 7%
Здесь энергия изначально запасается в инерционных компульсаторах, а переключение катушек производится с помощью многочисленных
тиристоров.
Для снижения потерь в таком типе ускорителей приходится применять сверхпроводники, как это предложено О’Нейлом в
экспериментальном устройстве положение снаряда отслеживается оптическими датчиками движения [8]:
вес снаряда 7-12 кг
конечная скорость 224 м/с
ускорение 200-500 g
длина ускорителя 10 м
число соленоидов 203
общий КПД 80%
Частота смены фаз меняется для разных соленоидов от 227 до 2273 Гц. Снаряд «самоцентрируется» в пусковой трубе за счет
индукционных сил, что снижает к минимуму поверхность прикосновения, а положение снаряда отслеживается оптическими датчиками
движения.
Большое внимание уделялось также исследованию линейных синхронных ускорителей, путем создания бегущей волны магнитного
поля вдоль всего ускорителя. Это упрощает его конструкцию. Однако, и здесь приходится применять датчики слежения, менять частоту
смены фаз в зависимости от скорости снаряда, что требует применения датчиков движения. С другой стороны, омические потери на на
джоулево тепло происходят на всех соленоидах ускорителя одновременно, что снижает его КПД. Здесь для снижения омических потерь
приходится увеличивать в целом материалоемкость ускорителя. Тем не менее, в похожем проекте Кольма предполагаются следующие
параметры «масс драйвера» для запуска спутников [9]:
вес снаряда 1000 кг
конечная скорость 12,3 км/с
скорость за пределами атмосферы 11 км/с
ускорение 1000 g
длина ускорителя 7800 м
потери массы на абляцию в атмосфере 3%
Общим недостатком описанных неконтактных индукционных систем является их чрезвычайная сложность (многочисленные
преобразователи энергии, коммутаторы распределения энергии и датчики слежения), что в затрудняет их конструирование. Кроме того,
очень маленькое характерное время изменения силы тока (порядка миллисекунд для скоростей менее 1 км/с), сопровождается такими
нежелательнымы явлениями, как скин-эффект, интенсивное электромагнитное излучение, и самое главное высокое индуктивное
сопротивление, которое тем выше, чем короче импульс! проблемой для всех выше перечисленных электромагнитных ускорителей это
внешний накопитель электрической энергии, которая доставляется по проводам к зоне ускорения по проводам. Это приводит к тому, что
для обычных проводников большая часть энергии неизбежно рассеивается в виде джоулева тепла, а для индукционных ускорителей
приводит к чрезмерному усложнению конструкции, что тормозит их развитие. С другой стороны, к самому источнику энергии
предьявляются высокие требования. Во первых, он должен отдавать энергию за очень короткое время, секунды и миллисекунды. Во
вторых должен обладать высокой энергоемкостью (Q, Дж/кг), сопоставимой с удельной кинетической энергией снаряда.
От этих недостатков в 1978 году попытался избавится Генри Кольм в проекте Quenchgun [9]. В нем он творчески развивает идеи
Винтерберга «коллапсирующего поля» и распределять энергию выстрела вдоль ускорителя. Запасать энергию для выстрела предлагается
в виде энергии магнитного поля заранее, в катушках соленоида сделанных из сверхпроводника. Батарея последовательно соединенных
соленоидов заряжается от внешнего источника тока, а потом с помощью термических или магнитных ключей замыкаются каждая сама на
себя. Ключи при охлаждении или снятии сверхкритического магнитного поля становятся сверхпроводящими.
Охлажденное до 80К проводящее кольцо снаряда (из алюминия или бериллия) находится в инициирующей катушке орудия , через
которую идет ток. При ее отключении в кольце наводится индукционный ток, который затухает за время меньшее, чем требуется для
ускорения снаряда, менее секунды. При этом, он притягивается впереди стоящим соленоидом . По закону Ленца ток соленоида по мере
приближения кольца полностью исчезает за счет «коммутации, вызванной движением», а ток кольца меняется незначительно. При этом
потенциальная энергия магнитного поля соленоида напрямую переходит в кинетическую энергию снаряда. Проходя через соленоид,
снаряд разрушает сверхпроводимость в соленоиде за счет действия некоего дополнительного «радиального магнитного поля» или
термического воздействия, переводя сверхпроводник соленоида в несверхпроводящее состояние.
По мысли автора, так удастся избежать обратного индукционного притяжения при удалении кольца от соленоида. Потом этот процесс
повторяется снова и снова по мере движения снаряда вдоль ствола. В этой схеме отсутствуют сложные коммутирующие устройства и
экзотические генераторы импульсного тока большой мощности, а также устранены омические потери. Однако, у этого устройства есть
недостатки. Это отсутствие «самоцентрирования» за счет индукционных сил, и собственно способа отключения использованного
соленоида. Дело в том, что после перехода в нормальное состояние сверхпроводник становится металлом, а не изолятором! По этому,
при удалении кольца в нем также будет наводится вихревой ток, и соленоид начнет притягивать снаряд обратно. Потом, он начнет
разогреваться, что крайне нежелательно для криогенной системы, в которой он находится. Эта особенность не учтена автором проекта,
что делает его техническое воплощение весьма сомнительным.
Похожую идею предлагают в российском патенте от 2009 года. В предлагаемом устройстве магнитное поле при включении
сконцентрируется между внешней катушкой и сверхпроводящим цилиндром экраном (стволом). Сверхпроводящий экран при этом
находится в предкритическом состоянии. В начале устройства стоит дополнительная катушка, при включении которой в этой области
дополнительное магнитное поле переводит ее в обычное резистивное состояние. По мысли авторов, поле от внешней катушки проникает
внутрь экрана, наводя в соленоиде-снаряде ток, который создает магнитное поле и выталкивает снаряд. В соленоиде наводится поле,
которое далее, при движении снаряда создает бегущую магнитную волну переводом сверхпроводящего экрана в резистивное состояние
при движении намагниченного снаряда-соленоида [10].
Авторы утверждают, что в рамках исследований подобных устройств они наблюдали образование бегущей магнитной волны внутри
экрана, ее распространение со скоростью до 3000 м/с в зависимости от величины намагничивающего поля и толщины экрана [11]. При
этом, 50% энергии, связанной с экраном, переходит в тепло при его переходе в резистивное состояние!
Резюмируя, можно заключить, что в целом соленоидные ускорители пока мало подходят для создания «космического орудия».
Большое количество катушек, в которые нужно закачать большое количество энергии за очень короткий срок (менее секунды) вызывают
вопросы:
1.
о природе источника тока. Часто для этого используют компульсаторы, где катушки с током приводятся во вращение от мощного
механического двигателя. Принцип действия компульсатора основан на вытеснении магнитного потока из источника в нагрузку
при изменении его геометрии и, соответственно, его индуктивности. В отличие от униполярных генераторов он способен
выдавать за короткие промежутки ток с высоким напряжением. Компульсатор устраняет потребность в катушке и переключателе
для образования импульсов [12]. Изначально энергия запасается в инерционном накопителе, супермаховике.
2.
об устройстве электроники, которая способна управлять большими токами без потерь энергии. Порой это бывают очень сложные
устройства, и пока низкий КПД ускорителей обязан именно им. Для управления большим током приходится использовать
громадные полупроводниковые транзисторы - IGBT (от англ. Insulated-gate bipolar transistor). Разогнать снаряд до высоких
скоростей в соленоидной пушке Гаусса сложно, так как это требует слишком быстрого переключения высоковольтных катушек.
3.
о снижении индуктивного сопротивления соленоидов.
Короткое время работы ускорителя уже противоречит идее применения многовитковых соленоидов. Индуктивное сопротивление обратно
пропорционально времени прохождения тока. Идеальным вариантом был бы ускоритель Кольма, где запасенная магнитная энергия
распределена вдоль ствола в одновитковых сверхпроводящих соленоидах. Снаряд, сверхпроводящий соленоид, снимал бы с них
последовательно энергию при прохождении, если бы… Если бы устройство работало! Этот вариант кажется более привлекательным, чем
идея Винтерберга, где энергия также распределена вдоль ствола ускорителя в конденсаторах. Сверхпроводящие соленоиды способны
накопить на два-три порядка больше энергии, чем конденсаторы. Плотность энергии, которую запасает магнитное поле, определяется
уравнением:
где B это индукция магнитного поля, μo это магнитная постоянная, μ это относительная магнитная проницаемость. Максимальная
магнитная индукция для соленоида из сверхпроводника Nb3Sn определяется критическим полем этого материала, B = 25Тл. Это означает,
что для такого соленоида максимально возможная плотность энергии в вакууме равна 2,5*108 Дж/м3. Для «медленных»
электрохимических конденсаторов это 2,4*107 Дж/м3 [13], для быстро разряжающихся электролитических всего 8,5*105 Дж/м3 [14].
Интересно, что здесь тоже появляются разумные идеи заранее запасти и распределить энергию вдоль ствола орудия, «поближе
к снаряду», чтобы не доставлять ее издали от источников питания и избежать паразитных токоподводов и управляющих систем.
Всех вышеперечисленных недостатков лишен исключительно простой электромагнитный ускоритель, который называется
рельсотроном (railgun), был придуман и испытан также французом Фашон-Виллепле [12]. Практически это одновитковый соленоид
переменного сечения, который состоит из двух рельс, источника питания и проводящей перемычки между рельсами. При прохождении
постоянного тока большой силы между рельсами появляется сильное магнитное поле, из-за которого на перемычку с током действует
сила Ампера, которая разгоняет снаряд. На рельсы тоже действует сила Ампера, из за чего их приходится стягивать прочным
«корсетом». По аналогии с пушечными ускорителями можно сказать, что роль пороховых газов здесь исполняет магнитное поле, скорость
распространения которого равна скорости света!
В 1944 г. в Германии инженер Иоахим Ханслер спроектировал и построил 10-мм (по другим данным – 20-мм) рельсотрон, который
имел длину ствола 2 м. Ханслеру удалось разогнать 10-граммовый алюминиевый «снаряд» цилиндрической формы до скорости 1080 м/с,
а соединив последовательно секции из двух ускорителей, удалось получить скорость 1210 м/с [12]. После 45-го года рельсотроны
интенсивно исследовались во многих странах мира. Для разгона снаряда не обязательно использовать металлическую перемычку, это
может быть и плазма разряда. Таким образом, удавалось разогнать саму плазму и небольшие снаряды из диэлектрика плазменным
поршнем до 10 - 15 км/с во многих экспериментах. Но для разгона более массивных тел такой способ не подходит, так как у плазменного
поршня большое сопротивление, которое создает падение напряжения порядка 400В, что резко снижает КПД всего устройства. Кроме
того, возникает опережения толкателя дугой или возникновения вторичной дуги за снарядом (и даже обратное движение дуги в вакууме).
В плазменном поршне теряется значительная доля энергии. В рельсотронах ТРИНИТИ применение специального U-образного якоря-
перемычки создает надежный «квазиметаллический контакт», который раздвигается под действием электромагнитного поля, с силой
прижимаясь к рельсам. Благодаря этому в ходе экспериментов удается удерживать напряжение на толкателе в пределах 50 В. Для
снижения омического сопротивления самих рельс используется т.н. многовитковая схема, в которых вместо одной рельсовой пары
используется одновременно несколько пар. Параллельные рельсы позволяют равномерно распределить между ними ток и трение,
соответственно снизив приходящуюся на каждый из них нагрузку. Обычно на экспериментальных установках рельс хватает в лучшем
случае на несколько выстрелов, а зачастую их приходится менять после каждого запуска. По мере роста скорости снаряда и разрушения
рельс нарушается контакт между ними, напряжение падает, а вместе с ним падает и сила Лоренца. В итоге скорость оказывается намного
меньше расчетной величины. При увеличении скорости между рельсами и снарядом неизбежно возникает электрическая дуга, которая
резко повышает паразитное падение напряжение, и может провоцировать ненужный разряд до и после снаряда [15][16]. При достижении
определенной скорости наблюдается «кризис» металлического контакта, после которого ускорение снаряда становится проблемным [17].
Одновременный рекорд по массе и скорости снаряда был достигнут в исследовательской лаборатории ВМС США (Naval Surface
Warfare Center) [18][19]:
2 января 2008
3 кг и 2,52 км/с
12 октября 2010
9 кг и 2,38 км/с
Но совершенно очевидно, что предел скорости, на которой сегодня нельзя преодолеть кризис контакта, это 2,5 км/с.
Тем не менее, ТРИНИТИ предлагает свой проект «электрического космодрома», где полетная сборка представляет собой собственно
космический аппарат и пару разгонных ступеней, заключенных в аэродинамический обтекатель. Обтекатель устанавливается внутри
первой разгонной секции на специальные опоры, за ним располагается металлический толкающий якорь. В момент запуска на разгонные
секции длиной 10−20 м каждая подается ток. Секции включаются по очереди по мере продвижения полетной сборки. Каждую из них
питает собственный сверхпроводящий индукционный накопитель энергии, СПИН, что позволяет отказаться от длинных высоковольтных
токопроводов, в которых неизбежны энергетические потери. Общая длина разгонной системы достигает 3,7 км. После того как полетная
сборка покидает рельсотрон на скорости 2 км/с, аэродинамический обтекатель раскрывается и отделяется от космического аппарата.
Включается двигатель разгонной ступени, и аппарат выводится на орбиту. Изюминка проекта это попытка снизить омическое
сопротивление рельс заменой их на последовательные секции, распределив одновременно источники энергии вдоль ускорителя
[15][20]. Похожие проекты, типа «Маглева» для АКС есть у НАСА [4].
Недостатком рельсотрона является скинирование, так как снаряд проходит рельсы за очень маленькое время , и ток начинает течь по
поверхности. Так, для характерного времени 0,001 с толщина скин-слоя для меди составляет всего 2 мм, что приводит к увеличению
омического сопротивления [21].Поэтому токоподводы приходится делать многослойными, и толщина скин-слоя будет уменьшаться при
увеличении скорости снаряда. Еще одним недостатком рельсотрона является то, что он не может ускорять снаряд самостоятельно, «с
нуля». Для того, что бы он заработал, снаряд должен влететь между рельс со скоростью порядка 200-300 м/с с помощью порохового пред-
ускорителя [16].
Источником энергии для рельсотрона могут являться:
1.
конденсаторы. Их недостатки очевидны.
2.
инерционные накопители, которые разряжаются через низковольтный униполярный генератор. Именно его создание в Австралии
Р.Маршаллом и Д. Барбером позволило начать эксперименты с рельсотронами [4][12]. Плотность энергии супермаховиков из
карбона составляет порядка 3*109 Дж/м3 , из стали намного меньше [22]. Маховики в связке с униполярными генераторами
предполагается устанавливать на «электрических эсминцах», чтобы дешевыми гиперзвуковыми снарядами заменить дорогие
крылатые ракеты [23].
3.
сверхпроводящие индукционные накопители энергии, СПИНы. Они очень удобны для аккумуляции дешевой электрической
энергии, но судя по всему будут дорогими из-за применения сверхпроводников, и находятся пока в стадии разработок.
Помимо рельсотронов и соленоидных пушек существуют еще гибридные электротермические пушки, в которых разряд в орудии
создает плазму, которая толкает снаряд [12]. Но находятся все еще на ранней стадии разработки. Электротермическая пушка разгоняла
снаряд массой 50 г до скорости 1,8 км/с. Электротермическая пушка фирмы "Рейн-металл" разгоняла снаряд массой 3 г до скорости 2
км/с [12]. В работе [24] электротермичесвая пушка разгоняла снаряды весом 1- 12 г до скорости 3,4 – 1,5 км/с. Их КПД составляет
менее 30%.
В целом можно заключить, что электромагнитные ускорители сегодня мало подходят для создания космической пушки, которая
могла бы самостоятельно выводить грузы в космос. Но они могут быть использованы для начального ускорения ракетных и АКС
систем на целью снизить их стартовую массу.
ССЫЛКИ.
1.
Ian. R. McNab. Early electric gun research. IEEE Transactions on magnetic, V 35, No 1, Jannuary 1999
2.
Рельсотронная артиллерия. Техномания, 2012-10-12. http://texnomaniya.ru/voennaya-texnika/relsotronnaja-artillerija.html
3.
Технологии: Предшественники рельсотрона. Братишка, Май 2013 года. http://www.bratishka.ru/archiv/2013/05/2013_5_15.php
4.
Phil Putman. Chapter 1 — Milestones in Cannon Launch to Space. LIFEBOAT FOUNDATION. March 2006 .
https://lifeboat.com/em/chapter.1.pdf
5.
F. WINTERBERG. MAGNETIC ACCELERATION OF A SUPERCONDUCTING SOLENOID TO HYPERVELOCITIES. Plasma Physics
(Journal of Nuclear Energy Par1 C) 1966, Vol. 8, pp. 541 to 553.
6.
B. N. Turman D. Nguyen M. Crawford P. Magnotti R. J. Kaye, “EM Mortar Technology Development for Indirect Fire", Conference paper,
Sandia National Labs., November 2006.
http://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=em%20mortar%20technology%20development%20for%20indirect%20fire&source=web&cd=1&
ved=0CBwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.dtic.mil%2Fcgi-
bin%2FGetTRDoc%3FAD%3DADA481646&ei=r9IVVKONGsSBywPw8IDoCw&usg=AFQjCNEMFlj8gyR_8VqCmr6G-
heKPyoQDQ&sig2=iDa4gXpMWVV2JZTBUapDGg&bvm=bv.75097201,d.bGQ&cad=rjt
7.
D. A. Bresie, J. L. Bacon, S. K. Ingram. SPEAR COILGUN.7th EML Symposium on Electromagnetic Launch Technology, San Diego,
California, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 31, NO. I , JANUARY 1995, pp. 467-472
https://www.utexas.edu/research/cem/IEEE/PR%20198%20Bresie%20Publications.pdf
8.
Gerard K. O’Neill, Henry H. Kolm, “High Acceleration Mass Driver”, Acta Astronautica, 1980, Volume 7, pp. 1229-1238
http://www.askmar.com/Massdrivers/High%20Acceleration%20Mass%20Drivers.pdf
9.
By Henry Kolm, MASS DRIVER UP-DATE. From L5 News, September 1980. National Space Society.
http://www.nss.org/settlement/L5news/1980-massdriver.htm
10.
Куроедов Ю. Д., Дорофеев Г. Л., Вяткин В. С. КОАКСИАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ/ Патент RU 2406279,
09.06.2009
11.
Куроедов Ю.Д., Дорофеев Г.Л., Вяткин B.C. Физические предпосылки применения сверхпроводников в импульсной энергетике
микросекундного диапазона. Прикладная физика 5, 2005, стр.115-121
12.
Wolfram Witt, Marcus Loffler. The Electro-magnetic Gun - СCloser to Weapon-System Status.Military Technology, 1998, No 5, p. 80-86.
Переводчик Степанова Н.Ф., Редактор к.т.н. Вахрушев И.Ф. http://btvt.narod.ru/1/em_pyshki.htm
13.
Суперконденсаторы. http://www.electrosad.ru/Electronics/SuperCon.htm
14.
Основные параметры высоковольтных конденсаторов. http://trakonta.ax3.net/con_a.html
15.
Сергей Апресов. Пo рельсам в ад: Сверхзвуковой экспресс смерти. "Популярная механика" Август 2008.
http://www.popmech.ru/technologies/7863-po-relsam-v-ad-sverkhzvukovoy-ekspress-smerti/#full
16.
Галанин М.П., Лотоцкий А.П., Уразов С.С., Халимуллин Ю.А.Математическое моделирование эрозии металлических контактов в
рельсотронном ускорителе. ИПМ им. М.В.Келдыша РАН. Москва, 2003 . http://www.keldysh.ru/papers/2003/prep79/prep2003_79.html
17.
М.П. Галанин. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ КОНВЕРТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ И
КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. ЗАДАЧИ И МОДЕЛИ.ИПМ им. М.В.Келдыша РАН. Москва http://www.keldysh.ru/e-
biblio/jj/INF1/INF1.html
18.
“U.S. Navy Demonstrates World's Most Powerful EMRG at 10 Megajoules”, press release from Office of Naval Research Public Affairs,
United States Navy, http://www.navy.mil/search/display.asp?story_id=34718 , Release Date: 2/1/2008 .
19.
“Navy Sets New World Record with Electromagnetic Railgun Demonstration”, press release from By Geoff Fein, Office of Naval Research
Public Affairs, United States Navy, http://www.navy.mil/search/display.asp?story_id=57690 , Release Date: 12/10/2010 .
20.
Мягких В. Д, Чернышев А. К. Система для запуска космических обьектов. / Патент РФ RU 2381154 C1. 21.10.2008
21.
Скин-эффект. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Том 4 курса системы открытого образования "Физика в техническом университете", Том 4
курса системы открытого образования "Физика в техническом университете", 3.3 Скин-эффект. http://fn.bmstu.ru/data-
physics/library/physbook/tom4/ch3/texthtml/ch3_3.htm
22.
Гулиа Н. В. Супермаховики — из суперкарбона! «Изобретатель — рационализатор» : 2005, № 12,672.
23.
Стрелы Бога: кинетическое оружие пробивает стену недоверия. "Око планеты". 8-11-2010, 16:52. http://oko-
planet.su/politik/politikarm/52226-strely-boga-kineticheskoe-oruzhie-probivaet-stenu.html
24.
Sivkov A.A. HYBRID ELECTROMAGNETIC SYSTEM FOR ACCELERATION OF SOLIDS. Journal of Applied Mechanics and
Technical Physics, Vol. 42, No. 1, pp. 1-9, 2001.
В ускорителе Sandia National Labs применяется система триггеров для управления током в катушках, а положение снаряда
отслеживается прецизионными датчиками (94 GHz Doppler radar) [6]. Характеристики этой системы:
вес снаряда 18 кг
калибр 120 мм
конечная скорость 420 м/с
ускорение 8020 g
длина ускорителя 2,2 м
число соленоидов 45
общий КПД 20%
Здесь приходится применять сложные схемы переключения катушек, менять частоту смены фаз в зависимости от скорости снаряда, что
требует применения датчиков движения. Низкий КПД связан с тем, что энергия рассеивается в основном в триггерах. В проекте “SPEAR
Coilgun” была реализована схема, использующая «пассивные электромагнитные переключатели», работа которых связана с
особенностями «коллапсирующего поля» [7]:
вес снаряда 2 кг
конечная скорость 1000 м/с
ускорение 5500 g
длина ускорителя 4,5 м
число соленоидов 9
напряжение 2 кВ
ток 1 МА
общий КПД 7%
Здесь энергия изначально запасается в инерционных компульсаторах, а переключение катушек производится с помощью многочисленных
тиристоров.
Для снижения потерь в таком типе ускорителей приходится применять сверхпроводники, как это предложено О’Нейлом в
экспериментальном устройстве положение снаряда отслеживается оптическими датчиками движения [8]:
вес снаряда 7-12 кг
конечная скорость 224 м/с
ускорение 200-500 g
длина ускорителя 10 м
число соленоидов 203
общий КПД 80%
Частота смены фаз меняется для разных соленоидов от 227 до 2273 Гц. Снаряд «самоцентрируется» в пусковой трубе за счет
индукционных сил, что снижает к минимуму поверхность прикосновения, а положение снаряда отслеживается оптическими датчиками
движения.
Большое внимание уделялось также исследованию линейных синхронных ускорителей, путем создания бегущей волны магнитного
поля вдоль всего ускорителя. Это упрощает его конструкцию. Однако, и здесь приходится применять датчики слежения, менять частоту
смены фаз в зависимости от скорости снаряда, что требует применения датчиков движения. С другой стороны, омические потери на на
джоулево тепло происходят на всех соленоидах ускорителя одновременно, что снижает его КПД. Здесь для снижения омических потерь
приходится увеличивать в целом материалоемкость ускорителя. Тем не менее, в похожем проекте Кольма предполагаются следующие
параметры «масс драйвера» для запуска спутников [9]:
вес снаряда 1000 кг
конечная скорость 12,3 км/с
скорость за пределами атмосферы 11 км/с
ускорение 1000 g
длина ускорителя 7800 м
потери массы на абляцию в атмосфере 3%
Общим недостатком описанных неконтактных индукционных систем является их чрезвычайная сложность (многочисленные
преобразователи энергии, коммутаторы распределения энергии и датчики слежения), что в затрудняет их конструирование. Кроме того,
очень маленькое характерное время изменения силы тока (порядка миллисекунд для скоростей менее 1 км/с), сопровождается такими
нежелательнымы явлениями, как скин-эффект, интенсивное электромагнитное излучение, и самое главное высокое индуктивное
сопротивление, которое тем выше, чем короче импульс! проблемой для всех выше перечисленных электромагнитных ускорителей это
внешний накопитель электрической энергии, которая доставляется по проводам к зоне ускорения по проводам. Это приводит к тому, что
для обычных проводников большая часть энергии неизбежно рассеивается в виде джоулева тепла, а для индукционных ускорителей
приводит к чрезмерному усложнению конструкции, что тормозит их развитие. С другой стороны, к самому источнику энергии
предьявляются высокие требования. Во первых, он должен отдавать энергию за очень короткое время, секунды и миллисекунды. Во
вторых должен обладать высокой энергоемкостью (Q, Дж/кг), сопоставимой с удельной кинетической энергией снаряда.
От этих недостатков в 1978 году попытался избавится Генри Кольм в проекте Quenchgun [9]. В нем он творчески развивает идеи
Винтерберга «коллапсирующего поля» и распределять энергию выстрела вдоль ускорителя. Запасать энергию для выстрела предлагается
в виде энергии магнитного поля заранее, в катушках соленоида сделанных из сверхпроводника. Батарея последовательно соединенных
соленоидов заряжается от внешнего источника тока, а потом с помощью термических или магнитных ключей замыкаются каждая сама на
себя. Ключи при охлаждении или снятии сверхкритического магнитного поля становятся сверхпроводящими.
Охлажденное до 80К проводящее кольцо снаряда (из алюминия или бериллия) находится в инициирующей катушке орудия , через
которую идет ток. При ее отключении в кольце наводится индукционный ток, который затухает за время меньшее, чем требуется для
ускорения снаряда, менее секунды. При этом, он притягивается впереди стоящим соленоидом . По закону Ленца ток соленоида по мере
приближения кольца полностью исчезает за счет «коммутации, вызванной движением», а ток кольца меняется незначительно. При этом
потенциальная энергия магнитного поля соленоида напрямую переходит в кинетическую энергию снаряда. Проходя через соленоид,
снаряд разрушает сверхпроводимость в соленоиде за счет действия некоего дополнительного «радиального магнитного поля» или
термического воздействия, переводя сверхпроводник соленоида в несверхпроводящее состояние.
По мысли автора, так удастся избежать обратного индукционного притяжения при удалении кольца от соленоида. Потом этот процесс
повторяется снова и снова по мере движения снаряда вдоль ствола. В этой схеме отсутствуют сложные коммутирующие устройства и
экзотические генераторы импульсного тока большой мощности, а также устранены омические потери. Однако, у этого устройства есть
недостатки. Это отсутствие «самоцентрирования» за счет индукционных сил, и собственно способа отключения использованного
соленоида. Дело в том, что после перехода в нормальное состояние сверхпроводник становится металлом, а не изолятором! По этому,
при удалении кольца в нем также будет наводится вихревой ток, и соленоид начнет притягивать снаряд обратно. Потом, он начнет
разогреваться, что крайне нежелательно для криогенной системы, в которой он находится. Эта особенность не учтена автором проекта,
что делает его техническое воплощение весьма сомнительным.
Похожую идею предлагают в российском патенте от 2009 года. В предлагаемом устройстве магнитное поле при включении
сконцентрируется между внешней катушкой и сверхпроводящим цилиндром экраном (стволом). Сверхпроводящий экран при этом
находится в предкритическом состоянии. В начале устройства стоит дополнительная катушка, при включении которой в этой области
дополнительное магнитное поле переводит ее в обычное резистивное состояние. По мысли авторов, поле от внешней катушки проникает
внутрь экрана, наводя в соленоиде-снаряде ток, который создает магнитное поле и выталкивает снаряд. В соленоиде наводится поле,
которое далее, при движении снаряда создает бегущую магнитную волну переводом сверхпроводящего экрана в резистивное состояние
при движении намагниченного снаряда-соленоида [10].
Авторы утверждают, что в рамках исследований подобных устройств они наблюдали образование бегущей магнитной волны внутри
экрана, ее распространение со скоростью до 3000 м/с в зависимости от величины намагничивающего поля и толщины экрана [11]. При
этом, 50% энергии, связанной с экраном, переходит в тепло при его переходе в резистивное состояние!
Резюмируя, можно заключить, что в целом соленоидные ускорители пока мало подходят для создания «космического орудия».
Большое количество катушек, в которые нужно закачать большое количество энергии за очень короткий срок (менее секунды) вызывают
вопросы:
1.
о природе источника тока. Часто для этого используют компульсаторы, где катушки с током приводятся во вращение от мощного
механического двигателя. Принцип действия компульсатора основан на вытеснении магнитного потока из источника в нагрузку
при изменении его геометрии и, соответственно, его индуктивности. В отличие от униполярных генераторов он способен
выдавать за короткие промежутки ток с высоким напряжением. Компульсатор устраняет потребность в катушке и переключателе
для образования импульсов [12]. Изначально энергия запасается в инерционном накопителе, супермаховике.
2.
об устройстве электроники, которая способна управлять большими токами без потерь энергии. Порой это бывают очень сложные
устройства, и пока низкий КПД ускорителей обязан именно им. Для управления большим током приходится использовать
громадные полупроводниковые транзисторы - IGBT (от англ. Insulated-gate bipolar transistor). Разогнать снаряд до высоких
скоростей в соленоидной пушке Гаусса сложно, так как это требует слишком быстрого переключения высоковольтных катушек.
3.
о снижении индуктивного сопротивления соленоидов.
Короткое время работы ускорителя уже противоречит идее применения многовитковых соленоидов. Индуктивное сопротивление обратно
пропорционально времени прохождения тока. Идеальным вариантом был бы ускоритель Кольма, где запасенная магнитная энергия
распределена вдоль ствола в одновитковых сверхпроводящих соленоидах. Снаряд, сверхпроводящий соленоид, снимал бы с них
последовательно энергию при прохождении, если бы… Если бы устройство работало! Этот вариант кажется более привлекательным, чем
идея Винтерберга, где энергия также распределена вдоль ствола ускорителя в конденсаторах. Сверхпроводящие соленоиды способны
накопить на два-три порядка больше энергии, чем конденсаторы. Плотность энергии, которую запасает магнитное поле, определяется
уравнением:
где B это индукция магнитного поля, μo это магнитная постоянная, μ это относительная магнитная проницаемость. Максимальная
магнитная индукция для соленоида из сверхпроводника Nb3Sn определяется критическим полем этого материала, B = 25Тл. Это означает,
что для такого соленоида максимально возможная плотность энергии в вакууме равна 2,5*108 Дж/м3. Для «медленных»
электрохимических конденсаторов это 2,4*107 Дж/м3 [13], для быстро разряжающихся электролитических всего 8,5*105 Дж/м3 [14].
Интересно, что здесь тоже появляются разумные идеи заранее запасти и распределить энергию вдоль ствола орудия, «поближе
к снаряду», чтобы не доставлять ее издали от источников питания и избежать паразитных токоподводов и управляющих систем.
Всех вышеперечисленных недостатков лишен исключительно простой электромагнитный ускоритель, который называется
рельсотроном (railgun), был придуман и испытан также французом Фашон-Виллепле [12]. Практически это одновитковый соленоид
переменного сечения, который состоит из двух рельс, источника питания и проводящей перемычки между рельсами. При прохождении
постоянного тока большой силы между рельсами появляется сильное магнитное поле, из-за которого на перемычку с током действует
сила Ампера, которая разгоняет снаряд. На рельсы тоже действует сила Ампера, из за чего их приходится стягивать прочным
«корсетом». По аналогии с пушечными ускорителями можно сказать, что роль пороховых газов здесь исполняет магнитное поле, скорость
распространения которого равна скорости света!
В 1944 г. в Германии инженер Иоахим Ханслер спроектировал и построил 10-мм (по другим данным – 20-мм) рельсотрон, который
имел длину ствола 2 м. Ханслеру удалось разогнать 10-граммовый алюминиевый «снаряд» цилиндрической формы до скорости 1080 м/с,
а соединив последовательно секции из двух ускорителей, удалось получить скорость 1210 м/с [12]. После 45-го года рельсотроны
интенсивно исследовались во многих странах мира. Для разгона снаряда не обязательно использовать металлическую перемычку, это
может быть и плазма разряда. Таким образом, удавалось разогнать саму плазму и небольшие снаряды из диэлектрика плазменным
поршнем до 10 - 15 км/с во многих экспериментах. Но для разгона более массивных тел такой способ не подходит, так как у плазменного
поршня большое сопротивление, которое создает падение напряжения порядка 400В, что резко снижает КПД всего устройства. Кроме
того, возникает опережения толкателя дугой или возникновения вторичной дуги за снарядом (и даже обратное движение дуги в вакууме).
В плазменном поршне теряется значительная доля энергии. В рельсотронах ТРИНИТИ применение специального U-образного якоря-
перемычки создает надежный «квазиметаллический контакт», который раздвигается под действием электромагнитного поля, с силой
прижимаясь к рельсам. Благодаря этому в ходе экспериментов удается удерживать напряжение на толкателе в пределах 50 В. Для
снижения омического сопротивления самих рельс используется т.н. многовитковая схема, в которых вместо одной рельсовой пары
используется одновременно несколько пар. Параллельные рельсы позволяют равномерно распределить между ними ток и трение,
соответственно снизив приходящуюся на каждый из них нагрузку. Обычно на экспериментальных установках рельс хватает в лучшем
случае на несколько выстрелов, а зачастую их приходится менять после каждого запуска. По мере роста скорости снаряда и разрушения
рельс нарушается контакт между ними, напряжение падает, а вместе с ним падает и сила Лоренца. В итоге скорость оказывается намного
меньше расчетной величины. При увеличении скорости между рельсами и снарядом неизбежно возникает электрическая дуга, которая
резко повышает паразитное падение напряжение, и может провоцировать ненужный разряд до и после снаряда [15][16]. При достижении
определенной скорости наблюдается «кризис» металлического контакта, после которого ускорение снаряда становится проблемным [17].
Одновременный рекорд по массе и скорости снаряда был достигнут в исследовательской лаборатории ВМС США (Naval Surface
Warfare Center) [18][19]:
2 января 2008
3 кг и 2,52 км/с
12 октября 2010
9 кг и 2,38 км/с
Но совершенно очевидно, что предел скорости, на которой сегодня нельзя преодолеть кризис контакта, это 2,5 км/с.
Тем не менее, ТРИНИТИ предлагает свой проект «электрического космодрома», где полетная сборка представляет собой собственно
космический аппарат и пару разгонных ступеней, заключенных в аэродинамический обтекатель. Обтекатель устанавливается внутри
первой разгонной секции на специальные опоры, за ним располагается металлический толкающий якорь. В момент запуска на разгонные
секции длиной 10−20 м каждая подается ток. Секции включаются по очереди по мере продвижения полетной сборки. Каждую из них
питает собственный сверхпроводящий индукционный накопитель энергии, СПИН, что позволяет отказаться от длинных высоковольтных
токопроводов, в которых неизбежны энергетические потери. Общая длина разгонной системы достигает 3,7 км. После того как полетная
сборка покидает рельсотрон на скорости 2 км/с, аэродинамический обтекатель раскрывается и отделяется от космического аппарата.
Включается двигатель разгонной ступени, и аппарат выводится на орбиту. Изюминка проекта это попытка снизить омическое
сопротивление рельс заменой их на последовательные секции, распределив одновременно источники энергии вдоль ускорителя
[15][20]. Похожие проекты, типа «Маглева» для АКС есть у НАСА [4].
Недостатком рельсотрона является скинирование, так как снаряд проходит рельсы за очень маленькое время , и ток начинает течь по
поверхности. Так, для характерного времени 0,001 с толщина скин-слоя для меди составляет всего 2 мм, что приводит к увеличению
омического сопротивления [21].Поэтому токоподводы приходится делать многослойными, и толщина скин-слоя будет уменьшаться при
увеличении скорости снаряда. Еще одним недостатком рельсотрона является то, что он не может ускорять снаряд самостоятельно, «с
нуля». Для того, что бы он заработал, снаряд должен влететь между рельс со скоростью порядка 200-300 м/с с помощью порохового пред-
ускорителя [16].
Источником энергии для рельсотрона могут являться:
1.
конденсаторы. Их недостатки очевидны.
2.
инерционные накопители, которые разряжаются через низковольтный униполярный генератор. Именно его создание в Австралии
Р.Маршаллом и Д. Барбером позволило начать эксперименты с рельсотронами [4][12]. Плотность энергии супермаховиков из
карбона составляет порядка 3*109 Дж/м3 , из стали намного меньше [22]. Маховики в связке с униполярными генераторами
предполагается устанавливать на «электрических эсминцах», чтобы дешевыми гиперзвуковыми снарядами заменить дорогие
крылатые ракеты [23].
3.
сверхпроводящие индукционные накопители энергии, СПИНы. Они очень удобны для аккумуляции дешевой электрической
энергии, но судя по всему будут дорогими из-за применения сверхпроводников, и находятся пока в стадии разработок.
Помимо рельсотронов и соленоидных пушек существуют еще гибридные электротермические пушки, в которых разряд в орудии
создает плазму, которая толкает снаряд [12]. Но находятся все еще на ранней стадии разработки. Электротермическая пушка разгоняла
снаряд массой 50 г до скорости 1,8 км/с. Электротермическая пушка фирмы "Рейн-металл" разгоняла снаряд массой 3 г до скорости 2
км/с [12]. В работе [24] электротермичесвая пушка разгоняла снаряды весом 1- 12 г до скорости 3,4 – 1,5 км/с. Их КПД составляет
менее 30%.
В целом можно заключить, что электромагнитные ускорители сегодня мало подходят для создания космической пушки, которая
могла бы самостоятельно выводить грузы в космос. Но они могут быть использованы для начального ускорения ракетных и АКС
систем на целью снизить их стартовую массу.
ССЫЛКИ.
1.
Ian. R. McNab. Early electric gun research. IEEE Transactions on magnetic, V 35, No 1, Jannuary 1999
2.
Рельсотронная артиллерия. Техномания, 2012-10-12. http://texnomaniya.ru/voennaya-texnika/relsotronnaja-artillerija.html
3.
Технологии: Предшественники рельсотрона. Братишка, Май 2013 года. http://www.bratishka.ru/archiv/2013/05/2013_5_15.php
4.
Phil Putman. Chapter 1 — Milestones in Cannon Launch to Space. LIFEBOAT FOUNDATION. March 2006 .
https://lifeboat.com/em/chapter.1.pdf
5.
F. WINTERBERG. MAGNETIC ACCELERATION OF A SUPERCONDUCTING SOLENOID TO HYPERVELOCITIES. Plasma Physics
(Journal of Nuclear Energy Par1 C) 1966, Vol. 8, pp. 541 to 553.
6.
B. N. Turman D. Nguyen M. Crawford P. Magnotti R. J. Kaye, “EM Mortar Technology Development for Indirect Fire", Conference paper,
Sandia National Labs., November 2006.
http://www.google.ru/url?sa=t&rct=j&q=em%20mortar%20technology%20development%20for%20indirect%20fire&source=web&cd=1&
ved=0CBwQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.dtic.mil%2Fcgi-
bin%2FGetTRDoc%3FAD%3DADA481646&ei=r9IVVKONGsSBywPw8IDoCw&usg=AFQjCNEMFlj8gyR_8VqCmr6G-
heKPyoQDQ&sig2=iDa4gXpMWVV2JZTBUapDGg&bvm=bv.75097201,d.bGQ&cad=rjt
7.
D. A. Bresie, J. L. Bacon, S. K. Ingram. SPEAR COILGUN.7th EML Symposium on Electromagnetic Launch Technology, San Diego,
California, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 31, NO. I , JANUARY 1995, pp. 467-472
https://www.utexas.edu/research/cem/IEEE/PR%20198%20Bresie%20Publications.pdf
8.
Gerard K. O’Neill, Henry H. Kolm, “High Acceleration Mass Driver”, Acta Astronautica, 1980, Volume 7, pp. 1229-1238
http://www.askmar.com/Massdrivers/High%20Acceleration%20Mass%20Drivers.pdf
9.
By Henry Kolm, MASS DRIVER UP-DATE. From L5 News, September 1980. National Space Society.
http://www.nss.org/settlement/L5news/1980-massdriver.htm
10.
Куроедов Ю. Д., Дорофеев Г. Л., Вяткин В. С. КОАКСИАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ УСКОРИТЕЛЬ/ Патент RU 2406279,
09.06.2009
11.
Куроедов Ю.Д., Дорофеев Г.Л., Вяткин B.C. Физические предпосылки применения сверхпроводников в импульсной энергетике
микросекундного диапазона. Прикладная физика 5, 2005, стр.115-121
12.
Wolfram Witt, Marcus Loffler. The Electro-magnetic Gun - СCloser to Weapon-System Status.Military Technology, 1998, No 5, p. 80-86.
Переводчик Степанова Н.Ф., Редактор к.т.н. Вахрушев И.Ф. http://btvt.narod.ru/1/em_pyshki.htm
13.
Суперконденсаторы. http://www.electrosad.ru/Electronics/SuperCon.htm
14.
Основные параметры высоковольтных конденсаторов. http://trakonta.ax3.net/con_a.html
15.
Сергей Апресов. Пo рельсам в ад: Сверхзвуковой экспресс смерти. "Популярная механика" Август 2008.
http://www.popmech.ru/technologies/7863-po-relsam-v-ad-sverkhzvukovoy-ekspress-smerti/#full
16.
Галанин М.П., Лотоцкий А.П., Уразов С.С., Халимуллин Ю.А.Математическое моделирование эрозии металлических контактов в
рельсотронном ускорителе. ИПМ им. М.В.Келдыша РАН. Москва, 2003 . http://www.keldysh.ru/papers/2003/prep79/prep2003_79.html
17.
М.П. Галанин. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ КОНВЕРТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ И
КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ. ЗАДАЧИ И МОДЕЛИ.ИПМ им. М.В.Келдыша РАН. Москва http://www.keldysh.ru/e-
biblio/jj/INF1/INF1.html
18.
“U.S. Navy Demonstrates World's Most Powerful EMRG at 10 Megajoules”, press release from Office of Naval Research Public Affairs,
United States Navy, http://www.navy.mil/search/display.asp?story_id=34718 , Release Date: 2/1/2008 .
19.
“Navy Sets New World Record with Electromagnetic Railgun Demonstration”, press release from By Geoff Fein, Office of Naval Research
Public Affairs, United States Navy, http://www.navy.mil/search/display.asp?story_id=57690 , Release Date: 12/10/2010 .
20.
Мягких В. Д, Чернышев А. К. Система для запуска космических обьектов. / Патент РФ RU 2381154 C1. 21.10.2008
21.
Скин-эффект. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Том 4 курса системы открытого образования "Физика в техническом университете", Том 4
курса системы открытого образования "Физика в техническом университете", 3.3 Скин-эффект. http://fn.bmstu.ru/data-
physics/library/physbook/tom4/ch3/texthtml/ch3_3.htm
22.
Гулиа Н. В. Супермаховики — из суперкарбона! «Изобретатель — рационализатор» : 2005, № 12,672.
23.
Стрелы Бога: кинетическое оружие пробивает стену недоверия. "Око планеты". 8-11-2010, 16:52. http://oko-
planet.su/politik/politikarm/52226-strely-boga-kineticheskoe-oruzhie-probivaet-stenu.html
24.
Sivkov A.A. HYBRID ELECTROMAGNETIC SYSTEM FOR ACCELERATION OF SOLIDS. Journal of Applied Mechanics and
Technical Physics, Vol. 42, No. 1, pp. 1-9, 2001.
