Як зробити рельсотрон

Як зробити рельсотрон.

Найбільш простий приклад електромагнітної прискорює системи-так званий "рельсотрон", добре відомий фізикам-експериментаторам вже десятки років (1.20].

Ідея рельстрона (або електромагнітної пушкі- "рейлгана") досить проста (рис. 1). До двох паралельних (або коаксіальним) токонесущим шинам-рейках прикладається напруга від джерела живлення. Якщо замкнути контур, помістивши на шини, наприклад, рухливу візок, котра проводить струм і володіє хорошими контактами з шинами, то виникає електричний струм індукує магнітне поле. Це поле створює тиск Р, що дорівнює Н ** 2 # x2F; 8Pi, яке прагне розсунути провідники, що утворюють контур. Масивні шини-рейки закріплені. Єдиним рухомим елементом є візок, яка під дією тиску починає рухатися по рейках так, чтобби обсяг, яку він обіймав магнітні полем, зростав, тобто у напрямку від джерела живлення. Прискорення візка триватиме, поки діє магнітне тиск. Гранична швидкість, до якої розженеться візок, визначається співвідношенням.

де S-довжина розгону, а-ефективне прискорення. Для його оцінки обчислимо тиск магнітного поля. Покладемо Н = 10 ** 5 Гс. Тоді Р = Чх1О ** 8 дин # x2F; см ** 2 = 400 атм. Нехай ефективна товщина візки дорівнює 10 г # x2F; см ** 2, тоді прискорення складе 4x10 ** 5 м # x2F; с ** 2 або 4x10 ** 4g. При таких умовах швидкість 10 км # x2F; з досягається на довжині 125 м, а швидкість 20 км # x2F; з-на рость 20 км # x2F; с, -то їм відповідає довжина розгону 200 м. Такі типові лінійні розміри електромагнітних прискорювачів. Час розгону одно v # x2F; а, що становить для типових значень параметрів прискорювачів соті частки секунди. Зауважимо, що від повної маси візка наведені вище значення не залежать; повна маса позначається тільки на сумарних енерговитратах.

Удосконалення електромагнітних гармат направлено на підвищення кінцевої швидкості. Збільшення лінійних розмірів до кілометрових масштабів навряд чи можливо. Для збільшення прискорення необхідно або підвищення магнітного тиску, або зменшення ефективної маси снаряда.

Збільшення тиску магнітного поля не може бути безмежним-прі тисках близько 1000 атмосфер (тобто 150-160 кгаусс) досягається поріг механічної стійкості. Подібну систему дуже довгих шин, розпирає внутрішнім тиском, важко зробити жорсткою і міцною. Якщо механічну міцність ще можна спробувати забезпечити збільшенням м аке збільшення маси не допоможе проти втрати теплової стійкості.

При тривалості токового імпульсу порядку сотих часток секунди товщина скін-шару в міді становить 1 см. Магнітного полю 120 кгаусс в цьому випадку відповідає щільність струму 100 кА # x2F; см ^. Це призводить до теплових втрат в матеріалі близько 400 Дж # x2F; см ^ при тривалості імпульсу струму 20 мс (мідь нагрівається до 120 ° С). При цьому відповідна пло ня в точності дорівнює кінетичної енергії снаряда. Таким чином, ККД рельстрона дорівнює 1 # x2F; 3. З урахуванням того, що ККД джерела електроенергії не перевищує ЗО # x25 ;, повний ККД виявляється близько 10 # x25 ;, як уже згадувалося вище.

Тепловий нагрів шин обмежує скорострільність системи, а будь-який теплове ушкодження погіршує відтворюваність характеристик пострілів.

Бажаність зменшення маси снаряда з метою збільшення його кінцевої швидкості вступає в протиріччя з необхідністю мати перехоплювачі з досить складною системою самонаведення, маса яких не може бути зменшена безперешкодно.

Крім того, існує проблема завершення розгону. Щоб снаряд відірвався від плазмового поршня, останній повинен зникнути або сповільнитися. У розглянутій простою схемою уповільнення неможливо, а для зникнення плазмового поршня потрібно розрив електричного кола.

Розрив потужнострумової електричного кола, як відомо, призводить до великих перенапряжениям і пробоїв. В результаті снаряд може отримати додатковий випадковий імпульс, що володіє перпендикулярної складової, що різко погіршує кутову точність стрільби.

Нарешті, сам рух плазмового поршня схильне до дії численних плазмових нестійкостей, які важко передбачити і усунути заздалегідь.

Можливий безконтактний спосіб прискорення, заснований на використанні, наприклад, різновиди індукційного лінійного мотора. В такому моторі замкнутий виток виштовхується в область з меншим значенням магнітного поля. Виток рухається уздовж осьової лінії ланцюжка зовнішніх котушок, на які по черзі в фазі з рухом витка подається напруга. Єльне кількість речовини (до сотні кг за постріл) і забезпечував би при цьому високу кутову точність (близько мікрорадіана). Недоліком такої системи є порівняно невелике ефективне прискорення (100g) і, отже, значні лінійні розміри (десятки км!).

І все ж самої, мабуть, серйозною проблемою для електромагнітних систем виявляється енергетика. Типовими джерелами енергії для електромагнітних систем в даний час є уніполярні генератори (маховики) з енергоємністю до 10 Дж # x2F; г (10 МДж # x2F; т) [1-22]. Якщо від системи потрібна висока скорострільність, то енергія повинна запасатися.

Отже, електромагнітних системах (з використанням тиску магнітного поля) властиві два основних недоліки:

- значні лінійні розміри, що ускладнює перенацеливание (з урахуванням компенсації віддачі) і, отже, знижує скорострільність, а також збільшує вразливість;

- непомірно велика маса енергосистем.

Тому електромагнітні системи, орієнтовані поки що в основному на досягнення "надшвидкостей", на сучасному рівні розвитку представляються малоподходящей для того, щоб стати головним засобом для запуску самонавідних перехоплювачів (потрібно врахувати ще величезні перевантаження, властиві таким системам, вони можуть утруднити створення.

Доцільність застосування індивідуальних балістичних перехоплювачів такого типу, навіть володіють досить високою швидкістю, поки видається сумнівною, принаймні для великих дальностей ураження в зв'язку з невизначеністю кутовий точності стрільби.