Як зробити рельсотрон Найпростіший приклад електромагнітної прискорювальної системи
Як зробити рельсотрон
Найбільш простий приклад електромагнітної системи, що прискорює, - так званий "рельсотрон", добре відомий фізикам-експериментаторам вже десятки років (1.20].
Ідея рейкотрона (або електромагнітної гармати-"рейлгана") досить проста (рис. 1). До двох паралельних (або коаксіальних) токонесучих шин-рейок прикладається напруга від джерела живлення. Якщо замкнути контур, помістивши на шини, наприклад, рухомий візок, що проводить струм і має хороші контакти з шинами, то електричний струм, що виникає, індукує магнітне поле. Це поле створює тиск P, що дорівнює H**2/8Pi, який прагне розсунути провідники, що утворюють контур. Масивні шини-рейки закріплені. Єдиним рухомим елементом є візок, який під впливом тиску починає рухатися рейками те щоб обсяг, займаний магнітним полем, зростав, тобто . у напрямку від джерела живлення. Прискорення візка продовжуватиметься, доки діє магнітний тиск. Гранична швидкість, до якої розженеться візок, визначається співвідношенням
де S-довжина розгону, a-ефективне прискорення. Для його оцінки обчислимо тиск магнітного поля. Покладемо H = 10 5 Гс. Тоді P=4х10**8 дін/см**2 = 400 атм. Нехай ефективна товщина візка дорівнює 10 г/см**2, тоді прискорення становитиме 4x10**5 м/с**2 або 4x10**4g. За таких умов швидкість 10 км/с досягається на довжині 125 м, а швидкість 20 км/с-на рости 20 км/с, їм відповідає довжина розгону 200 м. Такі типові лінійні розміри електромагнітних прискорювачів. Час розгону дорівнює v/а, що становить типових значень параметрів прискорювачів соті частки секунди. Зауважимо, що від повної маси візки наведенівище значення не залежить; Повна маса позначається лише на сумарних енерговитратах.
Удосконалення електромагнітних гармат спрямовано підвищення кінцевої швидкості. Збільшення лінійних розмірів до кілометрових масштабів навряд чи можливе. Для збільшення прискорення необхідно підвищення магнітного тиску, або зменшення ефективної маси снаряда.
Збільшення тиску магнітного поля не може бути безмежним; при тисках близько 1000 атмосфер (тобто 150-160 кгаус) досягається поріг механічної стійкості. Подібну систему дуже довгих шин, що розпираються внутрішнім тиском, важко зробити жорсткою та міцною. Якщо механічну міцність ще можна спробувати забезпечити збільшенням м яке збільшення маси не допоможе проти втрати теплової стійкості.
При тривалості струмового імпульсу порядку сотих часток секунди товщина скін-шару в міді становить 1 см. Магнітному полю 120 кгаус в цьому випадку відповідає щільність струму 100 кА/см. Це призводить до теплових втрат у матеріалі близько 400 Дж/см при тривалості імпульсу струму 20 мс (мідь нагрівається до 120°С). При цьому відповідна пло ща в точності дорівнює кінетичній енергії снаряда. Таким чином, ККД рельсотрону дорівнює 1/3. З огляду на те, що ККД джерела електроенергії вбирається у ЗО%, повний ККД виявляється близько 10%, як згадувалося вище.
Теплове нагрівання шин обмежує скорострільність системи, а будь-яке теплове пошкодження погіршує відтворюваність характеристик пострілів.
Бажаність зменшення маси снаряда з метою збільшення його кінцевої швидкості набуває суперечності з необхідністю мати перехоплювачі з досить складною системою самонаведення, маса яких не може бути зменшена безперешкодно.
Ще одним наслідком великих струмів,яких йшлося вище, є те, що контактний візок (перетин якого менший за переріз шин) повинен розплавитися, випаруватися і частково перетворитися на плазму. Така плазмова хмара стає своєрідним поршнем для снаряда, який має бути електрично ізольований від плазми. У зв'язку з цим у цій хмарі з шинами.
Крім того, існує проблема завершення розгону. Щоб снаряд відірвався від плазмового поршня, останній повинен зникнути або сповільнитись. У розглянутій простій схемі уповільнення неможливо, а зникнення плазмового поршня потрібен розрив електричної ланцюга.
Розрив сильноточного електричного ланцюга, як відомо, призводить до великих перенапруг і пробій. В результаті снаряд може отримати додатковий випадковий імпульс, що має перпендикулярну складову, що різко погіршує кутову точність стрільби.
Нарешті, сам рух плазмового поршня схильний до дії численних плазмових нестійкостей, які важко передбачити та усунути заздалегідь.
Можливий безконтактний спосіб прискорення, заснований на використанні, наприклад різновиду індукційного лінійного мотора. У такому двигуні замкнутий виток виштовхується в область з меншим значенням магнітного поля. Виток рухається вздовж осьової лінії ланцюжка зовнішніх котушок, на які по черзі у фазі з рухом витка подається напруга. кількість речовини (до сотні кг за постріл) і забезпечував би при цьому високу кутову точність (порядку мікрорадіана). Недоліком такої системи є порівняно невелике ефективне прискорення (100g) та, отже, значні лінійні розміри (десятки км!).
І все ж таки, мабуть, серйозною проблемою для електромагнітних систем виявляється енергетика. Типовими джерелами енергіїдля електромагнітних систем нині є уніполярні генератори (маховики) з енергоємністю до 10 Дж/г (10 МДж/т) [1-22]. Якщо від системи потрібна висока скорострільність, то енергія має запасатися
Отже, електромагнітним системам (з використанням тиску магнітного поля) властиві дві основні недоліки:
- значні лінійні розміри, що ускладнює перенацілювання (з урахуванням компенсації віддачі) і, отже, знижує скорострільність, а також збільшує вразливість;
- Надмірно велика маса енергосистем.
Тому електромагнітні системи, орієнтовані поки що в основному на досягнення "надшвидкостей", на сучасному рівні розвитку є малопідходящими для того, щоб стати головним засобом для запуску самонавідних перехоплювачів (потрібно врахувати ще величезні навантаження, властиві таким системам; вони можуть ускладнити створення
Доцільність застосування індивідуальних балістичних перехоплювачів такого типу, що навіть мають дуже високу швидкість, поки видається сумнівною, принаймні для великих дальностей ураження у зв'язку з невизначеністю кутової точності стрільби.