Способ электротермического ускорения твердых тел



Способ электротермического ускорения твердых тел
Способ электротермического ускорения твердых тел

 


Владельцы патента RU 2599309:

Ребеко Алексей Геннадьевич (RU)

Изобретение относится к способам электротермического ускорения твердых тел. В способе электротермического ускорения твердых тел разряд между рельсами-токоподводами перемещается вместе со снарядом перемычкой, что провоцирует разряд между дном снаряда и рельсами. Снаряд помещается между проводящими рельсами, заключенными в силовую оболочку. На рельсы помещается слой водородосодержащего. Дно снаряда является электропроводящим. К рельсам прикладывается высокое напряжение, вызывающее электрический пробой слоя диэлектрика между рельсами и дном снаряда. Диэлектрик испаряется, высокотемпературный газ дополнительно разогревается разрядом между дном снаряда и рельсами. Газ расширяется, давая импульс снаряду. Он движется вперед, переходя на новые слои диэлектрика, которые при его движении будут последовательно превращаться в газ. Техническим результатом изобретения является защита рельс от механической эрозии и снижение тепловых потерь. 2 ил.

 

Изобретение относится к способам электротермического ускорения твердых тел, предназначенных для разгона объектов (снарядов) до высоких, более 1 км/с скоростей, что важно для исследования термодинамических свойств материалов при высоких давлениях, для запуска малогабаритных спутников, для моделирования входа летательных аппаратов в плотные слои атмосферы, для имитации потока метеоритов и др.

Наибольшие успехи здесь демонстрируют рельсотроны (railgun), где разгоняемая электропроводная масса располагается между рельсами и приобретает ускорение под действием силы Лоренца, которая возникает при замыкании электрической цепи в возбужденном током магнитном поле. Для небольших обьектов массой в несколько грамм достигнута скорость 10 км/с (Wolfram Witt, Marcus Loftier, "The Electro-magnetic Gun - Closer to Weapon-System Status", Military Technology, 1998, No 5, p. 80-86). Одновременный рекорд по массе и скорости снаряда был достигнут в исследовательской лаборатории ВМС США (Naval Surface Warfare Center):

3 кг и 2,52 км/с ("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, Release Date: 2/1/2008)

9 кг и 2,38 км/с ("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, Release Date: 12/10/2010)

Здесь в качестве источника энергии используется инерционный накопитель, который работает как униполярный генератор

Однако для дальнейшего увеличения скорости снаряда есть существенная проблема в виде эрозии ускоряющих рельс, которая также препятствует надежному электрическому контакту, а образующийся при этом плазменный разряд крайне нестабилен в сильном магнитном поле. Согласно данным специалистов Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) достаточно надежный контакт можно обеспечить только на скорости не более порядка 2 км/с, что, видимо, и было продемонстрировано в вышеуказанных экспериментах. (Сергей Адресов "По рельсам в ад: Сверхзвуковой экспресс смерти", Популярная Механика, 2008, No 8, с. 95). Другая проблема существующих рельсотронов это потери энергии в виде джоулева тепла, что ведет к сильному нагреву рельс и низкому КПД ускорителя (порядка 10-20%). Для снижения потерь энергии можно применять сверхпроводники или последовательность секций рельсовых пар, где каждой секции соответствует свой источник энергии (СПИН, сверхпроводящий индукционный накопитель), но это, конечно, усложняет всю конструкцию (Мягких В.Д., Чернышев А.К. Система для запуска космических объектов. / Патент РФ 2381154 С1). На основе это идеи предлагается проект запуска ракетных систем:

конечная скорость 2 км/с
ускорение 54 g
длина ускорителя 3700 м
длина секций 10-20 м

Существуют индукционные способы ускорения, концептуально выраженные в пушках Гаусса и Томпсона, где магнитно-активное тело притягивается или, наоборот, отталкивается соленоидами, которые последовательно размещены вдоль траектории движения ускоряемого тела. Здесь импульсный ток пропускается через каждый соленоид отдельно по мере движения снаряда. Эта задача решается разными способами. Например, применением скользящих контактов, как в способе Thorn and Norwood (Phil Putman, "Chapter 1 - Milestones in Cannon Launch to Space", EM Launch Competitors' Guide, LIFEBOAT FOUNDATION, 2006, March, p. 4), что, конечно, сопряжено с нестабильностью токоподвода и эрозией контактов на большой скорости снаряда. В бесконтактном ускорителе Sandia National Labs применяется система триггеров для управления током, а положение снаряда отслеживается прецизионными датчиками (94 GHz Doppler radar). Характеристики этой системы:

вес снаряда 18 кг
конечная скорость 420 м/с
ускорение 8020 g
длина ускорителя 2,2 м
число соленоидов 45
оценочное время одного импульса тока
коэффициент полезного действия (КПД) 20%

(В.N. Turman D. Nguyen М. Crawford P. Magnotti R.J. Kaye, "EM Mortar Technology Development for Indirect Fire", Conference paper, Sandia National Labs., November 2006). Одним из недостатков данного способа является очень короткое время импульса тока, который проходит через каждый соленоид. Большое внимание уделялось также исследованию линейных синхронных ускорителей, которые объединяют оба принципа, Гаусса и Томпсона, 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 джоулево тепло происходят на всех соленоидах ускорителя одновременно, что снижает его КПД. Здесь для снижения омических потерь приходится увеличивать в целом материалоемкость ускорителя. В проекте Джеральда О'Нейла (William R. Snow and Henry H. Kolm, "Electromagnetic Launch of Lunar Material", NASA SP-509, Volume 2, Energy, Power and Transport, 1992, pp. 117) предполагаются следующие параметры «масс драйвера» для запуска спутников:

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%

Для снижения потерь в таком типе ускорителей приходится применять сверхпроводники, как это предложено О'Нейлом (Gerard K. O'Neill, Henry Н. Kolm, "High Acceleration Mass Driver", Acta Astronautica, 1980, Volume 7, pp. 1229-1238) в экспериментальном устройстве со следующими характеристиками:

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. Однако в этом устройстве приходится применять сверхпроводники, что неудобно для практического использования.

В проекте SPEAR Coilgun, The University of Texas at Austin (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) была реализована схема, использующая «пассивные электромагнитные переключатели», работа которых связана с особенностями «коллапсирующего поля»:

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
время одиночного импульса тока <0,2 мс
общий КПД 7%

Здесь энергия изначально запасается в инерционных компульсаторах, а переключение катушек производится с помощью многочисленных тиристоров.

Общим недостатком описанных неконтактных индукционных систем является их чрезвычайная сложность (многочисленные преобразователи энергии, коммутаторы распределения энергии и датчики слежения), что затрудняет их конструирование. Кроме того, очень маленькое характерное время изменения силы тока (порядка миллисекунд для скоростей менее 1 км/с) сопровождается такими нежелательными явлениями, как скин-эффект и интенсивное электромагнитное излучение.

Основной проблемой для большинства перечисленных индукционных электромагнитных ускорителей является сложная система управления магнитным полем, где силовые переключатели тока представляют собой обычно полупроводниковые элементы. И отличает высокое удельное сопротивление по сравнению с металлами, на 5-6 порядков больше. Максимальная плотность тока (отношение величины тока к площади сечения проводника), которую они способны выдержать, на два-три порядка меньше, чем у металлов и сверхпроводников. Поэтому их применение делает такие устройства крайне громоздкими и дорогими. Кроме того, они требуют дополнительно промежуточные преобразователи, огромное количество проводов, коммутаторов и датчиков слежения.

Существуют достаточно простые электротермические пушки, где в камере сгорания электрический разряд между электродами создает плазму, которая толкает снаряд. Этим методом удалось разогнать снаряд массой 1 кг до скорости свыше 1 км/с, а также снаряд массой 50 г до скорости 1,8 км/с и снаряд массой 3 г до скорости 2 км/с (Wolfram Witt, Marcus Loffler. The Electro-magnetic Gun - Closer to Weapon-System Status. Military Technology, 1998, No 5, p. 80-86). Однако, как и в традиционных пушках, скорость разгона снаряда здесь ограничивается температурой и молекулярной массой газа, который вынужден догонять снаряд по мере его удаления от камеры сгорания, попутно затрачивая энергию на разгон самого газа (Дорофеев А.А. Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей). М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999 г., Гл. 3).

Наиболее близким по своим признакам к предложенному способу, где была предпринята попытка решить указанные проблемы, является «гибридная электромагнитная система». В ней разряд между центральным электродом в дне камеры сгорания и поверхностью ствола равномерно распределяется вплоть до дна снаряда (Сивков А.А. Гибридная электромагнитная система метания твердых тел. Прикладная механика и техническая физика, 2001, т. 42, №1, с. 3). «Гибридная» электротермическая пушка разгоняла снаряды весом 1-12 г до скорости 3,4-1,5 км/с. Недостаток этой системы в том, что плазма вызывает эрозию ствола, для стабилизации разряда типа Z-пинч нужен дополнительный соленоид, а сам разряд ограничен длиной 340-350 мм. Это максимальное удаление дна снаряда от дна камеры сгорания, при котором прекращается ускорение. Это ограничивает его возможности увеличить скорость удлинением ствола. КПД устройства не превышает 30%.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа электротермического ускорения снаряда, при котором электрический разряд, создающий плазму, не зависит от движения снаряда, от его удаления от дна ствола и не вызывает эрозию самого ствола. При этом создаваемые разрядом газы не должны догонять дно снаряда, как это происходит в традиционных ускорителях и пушках, что должно позволить достигать очень высоких скоростей.

Решение поставленной задачи осуществляется тем, что снаряд помещается между проводящими рельсами 1, которые заключены в силовую оболочку 2 подобно тому, как это предлагается в традиционных рельсотронах. На рельсы помещается слой водородосодержащего диэлектрика 3 (полиэтилен, полистирол). Дно снаряда 4 является электропроводящим в отличие от остальных его частей (Рис. 1). Для большей эффективности оно может быть клиновидным или конусообразным (Рис. 2). В этом случае оно образует с рельсами и силовой оболочкой реактивное сопло, основание которого 5 проводит электрический ток (Рис. 2). К рельсам прикладывается высокое напряжение, которое вызывает электрический пробой слоя диэлектрика между рельсами и дном снаряда. При этом диэлектрик испаряется, и высокотемпературный газ дополнительно разогревается разрядом между дном снаряда и рельсами. Газ расширяется, давая импульс снаряду. Он движется вперед, переходя на новые слои диэлектрика, которые при его движении будут последовательно превращаться в газ. Поскольку напряжение пробоя в газе на порядок меньше, чем в диэлектрике, то предполагается, что установившийся фронт разряда при движении будет представлять собой наклонную к рельсам поверхность. Тангенс угла наклона предположительно будет равен отношению напряжению пробоя в газе к напряжению пробоя диэлектрика. В этом случае клиновидное или конусообразное дно снаряда представляется более подходящим. При наличии реактивного сопла реализуется модель линейного реактивного двигателя, предложенного Войтенко (Войтенко А.Е. Основные энергетические характеристики линейного реактивного двигателя. Прикладная механика и техническая физика, 1990 г., №2, с. 118-120). Но в отличие от него движение снаряда не связано с кинетикой горения химического топлива, а определяется исключительно подводом электрической энергии в реактивное сопло. В отличие от традиционных рельсотронов у предлагаемого способа есть два преимущества:

1. Рельсы защищены от механической эрозии слоем диэлектрика, который является рабочим телом этого теплового двигателя.

2. Высокое напряжение разряда позволяет снизить силу тока в рельсах, что резко снижает потери в виде джоулева тепла в рельсах. Работа здесь совершается при разряде в газе, в отличие от рельсотрона, где работа совершается силой Ампера.

С другой стороны, применение смеси диэлектрика с энергонасыщенными материалами (например, смесь нитрата аммония с полистиролом) позволяет конструировать гибридные ускорители, которые используют в качестве источника энергии одновременно и химическое топливо, и электроэнергию, что позволит оптимизировать конструирование такого устройства. Например, применение химического топлива в составе диэлектрика позволит снизить мощность разряда, что уменьшит эрозию рельс под действием электроразряда, а также снизить электропотребление устройства.

Способ электротермического ускорения снаряда, отличающийся тем, что на параллельные электропроводящие рельсы-токоподводы, находящиеся под высоким напряжением и расположенные в силовой оболочке, наносят диэлектрик, который превращается в газ при движении снаряда - токовой перемычки благодаря электрическому пробою диэлектрика между дном снаряда и рельсами, при этом газ, расширяясь, дает импульс снаряду.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для ускорения макротел, моделирования микрометеоритов и техногенных частиц, применяться в физике высокоскоростного удара.

Изобретение относится к электромагнитным пусковым установкам. Ускоритель содержит силовой корпус и находящиеся в нем рельсы, источник тока и подмагничивающие катушки, неполярные коммутаторы, систему управления коммутаторами, конденсаторный накопитель и источник питания накопителя.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Резонансный ускоритель пылевых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, мишень.

Электромагнитное оружие имеет сферический, или параболический, или эллиптический в продольном сечении отражатель электромагнитных волн, который имеет постоянный кронштейн или несколько сменных кронштейнов, на котором в фокусе отражателя крепится взрывной электромагнитный заряд.

Изобретение относится к области оружия и предназначено, в частности, для полного и быстрого уничтожения живой силы противника (или обращение его к бездействию) на любом расстоянии в зоне прямой видимости.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Резонансный электромагнитный ускоритель содержит ферромагнитный ускоряемый объект, цилиндрическую немагнитную трубку с соосно закрепленными на ней и последовательно расположенными тяговыми соленоидами, средства коммутации обмоток соленоидов по сигналам управляющего устройства, силовые шины коммутации и конденсаторный источник энергии, силовые ключи, изолированные драйверы, обратные диоды, датчик тока, шину управления, главный коммутатор, основной драйвер и импульсный блок питания.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Каскадный импульсный ускоритель твердых частиц содержит инжектор, индукционные датчики, усилители, цилиндрические электроды, резисторы делителя, колонны разделительных сопротивлений, высоковольтные конденсаторы, неуправляемые разрядники, управляемые разрядники, систему управления, датчик тока, источник высокого напряжения, шину данных, мишень, согласующее устройство, электронно-вычислительную машину.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для решения научных и прикладных задач. Ускорение макрочастиц в данном способе осуществляют градиентом поля бегущего по спиральной структуре электрического импульса.

Изобретение относится к области ускорительной техники и может быть использовано для моделирования микрометеоритов и техногенных частиц. Свободно осциллирующий электромагнитный ускоритель содержит ферромагнитный ускоряемый объект, цилиндрическую немагнитную трубу, резонаторы, блоки питания резонаторов, цепи обратной связи и систему просчета фазы колебаний.

Изобретение относится к области сильноточной импульсной электротехники. Технический результат - повышение эффективности использования электрической энергии, запасенной в индуктивном накопителе блока электропитания.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для защиты Земли и космических аппаратов (КА) от астероидно-кометной опасности (АКО). Выводят на орбиту КА со средствами аппаратуры наблюдения (АН) на базе телескопов, первичной обработки изображений и непрерывной прямой двусторонней радиосвязи, устанавливают АН на Луне, синхронизируют КА-телескопы по шкале единого времени, размещают главную оптическую ось АН каждого КА в точках Лагранжа, поочередно сканируют и получают изображения участков небесной сферы, определяют координаты и блеск наблюдаемых небесных объектов (НО), принимают и обрабатывают на наземном пункте управления изображения с зафиксированными новыми НО, с помощью информационно-аналитического центра мониторинга АКО собирают, обрабатывают, анализируют, систематизируют, каталогизируют и хранят информацию об объектах АКО, строят динамику перемещений НО во времени и пространстве, вычисляют орбиты НО, регулярно обновляют и передают потребителям информацию об уточненных параметрах НО, оценивают степень угрозы математическим методом, основанным на критерии минимума среднего риска и зависящим от стоимости ложной тревоги, вероятности отсутствия столкновения, условной вероятности ложной тревоги, весового множителя, стоимости ущерба при столкновении, вероятности столкновения, условной вероятности пропуска столкновения, плотности вероятности положения КА или Земли в пространстве, отношения правдоподобия, плотности вероятности положения опасных космических объектов в пространстве, принимают решения о дальнейших действиях.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для разрушения фрагментов космического мусора (КМ). Запускают к фрагменту КМ космический перехватчик, закрепляют на поверхности на фрагменте КМ гелеобразное взрывчатое вещество, производят взрыв с помощью управляемого детонатора.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для защиты Земли от опасных космических объектов (КО). Осуществляют мониторинг космического пространства, выявляют и анализируют опасный КО, оценивают вероятность, место и время столкновения опасного КО с Землёй и действующими космическими аппаратами (КА), по предварительной информации с учётом критерия минимума среднего риска оперативно доводят до центров управления космических систем, комплексов и правительств стран о возникающей угрозе.
Изобретение относится к сфере космических исследований и технологий. Способ ночного освещения Марса характеризуется тем, что на поверхность, по меньшей мере, одного спутника Марса помещают люминофор.

Изобретение относится к методам снижения угрозы для Земли от опасных космических объектов (ОКО): астероидов, комет и т.п. Способ включает посылку к ОКО космического аппарата с оборудованием для разрушения ОКО и посадку на ОКО.
Изобретение относится к средствам и методам управления траекторией движения космических объектов, в частности астероидов. Способ заключается в том, что на поверхность астероида локально наносят по меньшей мере одно вещество в твердом или жидком состоянии.

Изобретение относится к космонавтике и может быть использовано для защиты Земли от космических объектов (КО). Формируют линию воображаемой окружности на поверхности КО и равномерно по поверхности воображаемого купола, опирающегося на эту окружность, устанавливают группы зарядов, воздействуют на КО последовательно серией, согласованной с геометрическими размерами и плотностью КО, взрывов, отделяющихся от космических перехватчиков с системой управления, двигателями коррекции траектории полета, двигателями выравнивания скоростей и устройством наведения на цель, пространственно распределенных групп ядерных или термоядерных зарядов взрывчатых веществ с детонатором, жидкостью и дистанционным устройством одновременного подрыва всех зарядов группы в приповерхностных слоях метеоритно-кометного вещества, при этом в вершине воображаемого купола производят взрыв зарядов большей, или равной, или меньшей мощностей, а остальные взрывы производят зарядами равной мощности.
Изобретение относится к области модификации параметров космической среды и, в частности, атмосферы Марса. Оно может быть использовано для экспериментальной наземной отработки данной технологии в искусственно созданной среде.

Изобретение относится к космонавтике и может быть использовано для защиты Земли от опасных космических объектов (КО). Устройство космического аппарата (КА) с зарядом взрывчатого вещества для газодинамического воздействия на опасный КО содержит основной заряд взрывчатого вещества (ВВ), отсек с выпускаемыми блоками с дополнительным зарядом ВВ, систему управления, систему самонаведения, блоки движения и ориентации, систему детонации основного заряда ВВ, блок синхронизации времени, приемо-передающую аппаратуру связи с блоками с дополнительным зарядом ВВ и программой выпуска и построения блоков с дополнительными зарядами ВВ в формацию вокруг КА.

Изобретение относится к области исследования устройств на герметичность и может быть использовано для контроля герметичности корпуса космического аппарата (КА) и поиска места течи из его отсеков в условиях орбитального полета или в процессе вакуумных испытаний.
Наверх