КУМУЛЯТИВНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО

Рассматриваются электродинамические ускорители электропроводящих тел, принцип действия которых основан на взаимодействии импульсного магнитного поля с токами, наведенными в электропроводящем теле. Для увеличения импульсного поля используется принцип электромагнитной кумуляции начального магнитного поля, которое создается сверхпроводящим соленоидом.

В настоящее время определились области применения электродинамических ускорителей. Считается перспективным использование электродинамических ускорителей в качестве катапульт для сокращения пути взлета самолетов с авианосцев, в качестве стартовых ускорителей для запуска ракет, торпед и даже для прямого запуска космических аппаратов в космос.

Особый интерес представляет использование для ускорения импульсного магнитного поля, создаваемого ускоряющей катушкой, на которую разряжается конденсаторная батарея. Для увеличения магнитного поля было предложено применять сверхсильные импульсные магниты, функционирующие на принципе кумуляции начального магнитного поля. В таких конструкциях достижимое значение магнитного поля определяется его начальным значением и скоростью сжатия металлического вкладыша с начальным магнитным полем, которая, в свою очередь, зависит от скорости нарастания тока в катушке, создающей кумулятивное поле, т. е. от ее индуктивности. Начальное магнитное поле может быть создано с помощью сверхпроводящих соленоидов, возможность обеспечения достижимого значения магнитного поля путем сжатия металлического вкладыша рассматривается в данной работе.

Как показали расчетные исследования, проведенные американскими учеными, при большом аэродинамическом сопротивлении (полусферическая носовая часть) космическому аппарату массойдля достижения первой космической скорости требуется скорость запуска порядкаи энергия. Если учесть, что с помощью электромагнитной кумуляции были получены поля с индукцией магнитного поля, превышающейи предположить магнитную проницаемость материала вкладыша равной, можно определить плотность энергии магнитного поля (диффузия начального магнитного поля через стенки вкладыша при его

кумуляции — сжатии не учитывалась). Данная плотность позволяет обеспечить разгон тела массойдо первой космической скорости.

Конструкция электродинамического ускорителя.

Сверхпроводящий соленоид 1 (Рис. 1) в виде усеченного конуса через ключ 2 и резистор переменного сопротивления 3 присоединен к источнику ЭДС 4 (например, генератор постоянного тока или аккумулятор). Назначение соленоида 1 — создать начальное магнитное поле, которое в дальнейшем подвергнется электромагнитной кумуляции.Внутри соленоида 1 жестко установлена коническая ускоряющая импульсная катушка 7, выводы которой подсоединены к цепи из последовательно соединенных коммутатора 8 (разрядник) и конденсаторной батареи 9. Следует отметить, что направление намотки обмоток соленоида 1 и импульсной катушки 7 одинаковое. Это делается для того, чтобы магнитные поля, созданные соленоидом 1 и импульсной катушкой, имели одно и то же направление. Внутри ускоряющей катушки 7 с помощью байнетного соединения закреплен конический вкладыш 10 из электропроводящего материала, жестко соединенный с электропроводящим телом 11. Соленоид 1, ускоряющая катушка 7, вкладыш 10 в поперечном сечении выполнены круговыми.Соленоид 1, ключ 5 и соединительные провода между ними, которые также выполнены сверхпроводящими, помещены в криостат.Соленоид 1 подключен к источнику ЭДС 4, в состояние работы приводится и регулируется ключом 2 и реостатом 3. После установления требуемого значения тока в соленоиде 1 ключ 5 переводится в сверхпроводящее состояние. Перевод ключа 5 из нормального (резистивного) состояния в сверхпроводящее производится отключением электронагревателя 6 от питания. Ключ 2 размыкается.

Рисунок 1. Конструкция электродинамического ускорителя

Величина ускоряющей силы зависит не только от амплитуды магнитного поля но и от скорости его нарастания, последняя определяется эквивалентной индуктивностью разрядного контура. Эквивалентная индуктивность разрядного контура (в контур входят конденсаторная батарея 9, коммутатор 8 и ускоряющая катушка 7) может быть определена из выражения:

                                                (1)

где: — индуктивность контура, содержащего ускоряющую катушку и конденсаторную батарею;

 — собственная индуктивность сверхпроводящего соленоида;

 —взаимоиндуктивность между ускоряющей импульсной катушкой и сверхпроводящим соленоидом.

 — эквивалентная индуктивность, зависит откоторая состоит из индуктивности сверхпроводящего соленоида и индуктивности источника питания постоянного тока.

Было предложено чтобы уменьшить эту индуктивность переводить сверхпроводящий соленоид в режим короткозамкнутого контура с помощью ключа 5, тем самым выводя индуктивность источника из разрядного контура.

Конструкция и принцип действия магнита.

Для создания сверхсильного магнитного поля в электродинамическом ускорителе может использоваться магнит, показанный на рис. 2.

Рисунок 2. Магнит

Его отличительной чертой является отсутствие конденсаторной батареи. Так же как и в первой конструкции, коаксиально полому металлическому вкладышу 5 расположена внешняя импульсная катушка 4. Сверхпроводящий соленоид 3 подключен к источнику постоянной ЭДС. Соленоид, катушка и вкладыш в поперечном сечении —круговые. Сверхпроводящий ключ 9 в сверхпроводящем состоянии шунтирует соленоид 8.

Импульсная катушка 4 своими выводами подсоединена параллельно участку 6 обмотки соленоида 8. Рядом с участком 6 обмотки жестко закреплен электронагреватель 7, который подсоединен к источнику питания (не показан).

Магнит работает следующим образом. Сверхпроводящий первичный соленоид 3 подключен к источнику ЭДС 5. После установления требуемого значения тока в соленоиде ключ 8 переводится из нормального состояния в сверхпроводящее (отключается питание нагревателя 9). Ключ 7 размыкается. Часть магнитного поля, созданного соленоидом 3, сцепляется с металлическим вкладышем 1. Затем включается нагреватель 11, под действием тепловыделений которого участок 10 обмотки сверхпроводящего соленоида 3 переходит в резистивное состояние. В результате сказанного на участке 10 появляется напряжение, которое из-за параллельности соединения участка 10 и импульсной катушки 2 также прикладывается к катушке 2. Импульсное магнитное поле катушки 2 индуцирует в стенках вкладыша 1 вихревые токи. В результате взаимодействия поля катушки 2 и вихревых токов в стенках вкладыша появляется электродинамическая сила, сжимающая последний вместе с частью магнитного поля соленоида 3.

Способ защиты сверхпроводящего соленоида.

При разработке рассмотренных конструкций одной из основных задач является достижение максимального КПД (обычно не превышает 25 %) в преобразовании энергии, запасенной в сверхпроводящем соленоиде 1 и в импульсной катушке, в энергию механического движения электропроводящего тела. Часть энергии, не участвующая в этом процессе, выделяется в виде тепла на конструктивных элементах ускорителя, в том числе и на сверхпроводящем соленоиде. Отмеченный факт приводит к резкому переходу сверхпроводника в нормальное (резистивное) состояние с последующим выделением всей оставшейся энергии сверхпроводящего соленоида на возникшем активном сопротивлении данного соленоида, «пережогу» сверхпроводника, резкому вскипанию хладагента и разрушению всей конструкции.В связи с этим был исследован способ эвакуации энергии сверхпроводящего соленоида на внешнее защитное сопротивление при переходе первого в нормальное состояние. Эквивалентная схема системы защиты приведена на рис. 3.

Рисунок 3. Эквивалентная схема защиты сверхпроводящего соленоида

Рассмотрим распределение тепловыделений на элементах схемы (рис. 3). Процесс вывода энергии из сверхпроводящего соленоида описывается следующим образом:

                 (1)

Получим дифференциальные уравнения, решить которые не представляет особого труда, например, классическим методом.

где  — ток в сверхпроводящем соленоиде до его перехода в нормальное состояние; корни характеристического уравнения  рассчитываются по выражениям:

Токи, проходящие через и  определяются следующим образомТепловыделение на каждом элементе схемы находилось по закону Джоуля-Ленца.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Таким образом, импульсное сжатие магнитного поля можно эффективно использовать для электродинамического разгона проводящих тел. Внешние сопротивления, используемые для защиты сверхпроводящих соленоидов при переходе последних в нормальное состояние под действием импульсного магнитного поля, имеют оптимальное значение, при котором эвакуируемая в защитное сопротивление энергия максимальна.

Список литературы:
1.    Андреев А.Н.. Бондалетов В.Н. Индукционное ускорение проводников и высокоскоростной привод//Электричество. 1973. № 10. С. 36—41.
2.    Колесников П.М., Колесникова Н.С., Гаврис И.Б. Об индукционном ускорении проводников и плазмы//Инженерно-физический журнал. 1971. № 6. С. 48—52.
3.    Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972.
4.    Ломов А., Аринин Т. Электромагнитные ускорители в военном деле// Зарубежное военное обозрение. 1986. № 5. С. 21.
5.    Сахаров А.Д. Взрывомагнитные генераторы//Успехи физических наук. 1966. Т. 88. Вып. 4. С. 725—730.
6.    Херлах Ф. Сильные и сверхсильные поля и их применения. М.: Мир, 1988. С. 392.
7.    А. с. 1551151 СССР, МКИ3 Н 01 F 7/22. Сверхсильный импульсный магнит / К.И. Ким, К.К. Ким// Б.И. 1988. № 13.
8.    Пат. 2116604 РФ, МКИ3 F 41 В 6/00. Электродинамическая пушка / А.В.Гамаюнов, К.К. Ким// Б.И.. 1998. № 21.
9.    Пат. 2136070 РФ, МКИ3 Н 01 F 6/00. Сверхсильный импульсный магнит / К.К. Ким// Б.И. 1999. № 24.