Электромагнитные ускорители масс

Электромагнитные ускорители масс — специальные электронные устройства, позволяющие разогнать снаряды с помощью электромагнитных сил. Потребность в них постепенно возникла в середине прошлого столетия, и причина этого состоит вот в чем:

Снаряд, вылетевший из огнестрельного оружия, на самом деле имеет свою предельную скорость, зависящую от свойств пороха, длины и геометрии ствола. Она примерно равна 2–2.5 км/сек. А ведь от скорости полета пули зависит ее точность и дальность полета, бронебойность и многие другие важные характеристики, повышение которых может быть достигнуто посредством её увеличения. Именно для увеличения скорости полета пули свыше предельной используют электромагнитные ускорители.

Итак, существует два основных их вида:

1)     Ускорители, построенные по принципу “Рельсотрона”

2)     Ускорители, построенные по принципу пушки Гаусса или пушки Томпсона.

Поговорим про первый вид пушек. Он основан на действии силы Ампера, которая возникает в проводниках, находящихся во внешнем магнитном поле. Такие пушки состоят из двух проводников (рельсов), подключенных к источнику большого постоянного напряжения. На рельсы ставится проводящее электрический ток тело и приобретает ускорение под действием силы Ампера, о которой было упомянуто ранее.

Сам термин Рельсотрон был предложен нашим соотечественником — Львом Арцимовичем в 1950-м году для замены существовавшего тогда громоздкого названия “электродинамический ускоритель масс”, который в то время существовал только в теории. Первый прототип такой пушки был сконструирован в 1970-м году и построен Джоном Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом Маршаллом из Новой Зеландии.

Из закона Био — Савара — Лапласа следует, что для бесконечно длинного провода , где l — сила тока в цепи, B(s) — зависимость магнитного поля от расстояния S (расстояния от бесконечного провода до данной точки).

Складывая вектора магнитных полей обоих проводников, получим: , где r — расстояние между проводниками.

Пусть d — диаметр рельсов (в приближении, что у рельсов цилиндрическая форма), (при d<<r).

По закону Ампера, магнитная сила на проводе с током I, предполагая ширину снаряда — проводника r, мы получим:

Итого, если разгоночная длина ствола = L, ускорение (пренебрегая различными другими силами) ,vo — начальная скорость снаряда перед разгоном, vк (конечная скорость снаряда при выходе из ствола орудия) будет вычисляться так:

(м/с)

Как видно из формул, импульс электрического тока должен быть настолько большим, чтобы придать телу наибольшую силу и ускорение, и достаточно малым, чтобы не испарить тело совсем. Также проводящее тело и рельсы должны иметь наилучшую проводимость, чтобы в системе протекал наибольший ток, снаряд должен обладать как можно меньшей массой, чтобы при заданных параметрах работы электромагнитного поля придать снаряду максимально возможную скорость, а также наибольшей теплоемкостью, чтобы проводить через себя большие токи. Наконец, источник тока должен обладать как можно большей мощностью, чтобы в системе протекал наибольший ток, и наименьшей индуктивностью, чтобы уменьшить величину обратного тока.

Стрелять из такого орудия можно двумя снарядами: проводящим и не проводящим телом. Случай с проводящим телом уже был объяснен ранее и понятен, но вот случай с непроводящим телом рассмотрен не был. Дело в том, что если, например, положить на такие рельсы снаряд, проводящий электрический ток, но с малой теплоемкостью, он испарится и постепенно превратится в проводящую ток плазму — ионизованные испарения проводника, которая далее также продолжит разгоняться. Таким образом Рельсотрон может стрелять и плазмой, но она неустойчива и быстро исчезает в нашей среде. Но такое поведение плазмы в Рельсотроне можно применить по-другому, можно поставить на рельсы непроводящее тело (диэлектрик) а сзади него тем или иным образом зажечь дуговой разряд — плазменную токопроводящую дугу, которую сила Ампера будет прижимать к задней части диэлектрика, которая, активно испаряясь, создаст реактивную струю, под действием которой тело придет в движение.

Теперь рассмотрим механизм работы пушки Гаусса

Пушка Гаусса состоит из соленоида — катушки с небольшой индуктивностью, внутри которой находится ствол из диэлектрика, в который с одной стороны вставляется снаряд из ферромагнетика. При протекании через соленоид внутри него создается электромагнитное поле, которое начинает действовать на ферромагнетик, “затягивая” тот внутрь. Однако в устройстве такой катушки состоит еще одна особенность — при прохождении снарядом середины катушки, соленоид продолжает тянуть снаряд к середине катушки и тормозит снаряд. Это надо учитывать при расчетах. Для придачи большой кинетической энергии снаряду необходим кратковременный мощный импульс тока. С такой задачей справляется конденсатор, ведь основная его функция — накопление и быстрая отдача энергии системе. В любительской установке обычно стоит не больше 1–2 катушек с подключенными к каждой персонально конденсаторами, но при сборке полноценных Пушек Гаусса проводятся расчеты для большой системы конденсаторов (3–5 штук) таким образом, чтобы все они синхронно работали один за другим, делается это следующим образом:

Поле внутри катушки сначала (до прохода снарядом середины катушки) разгоняет снаряд, а затем тормозит его. Для синхронизации всех катушек необходимо знать L — длину катушки, T1- время разряда конденсаторов, T2- время работы катушки индуктивности.

, , где L –индуктивность катушки, C-емкость конденсаторов.

Для того чтобы полностью реализовать потенциал электромагнитных ускорителей, перед ускорением в полость, через которую проходит снаряд при ускорении в электромагнитных ускорителях масс прежде выстреливают из огнестрельного или пневматического орудия;

Преимущества и недостатки таких ускорителей:

Преимущества:

‒          большая дульная энергия в сравнении с огнестрельными орудиями (и все преимущества, из этого вытекающие)

‒          гораздо меньший износ орудия в сравнении с огнестрельными прототипами

‒          меньшая отдача при стрельбе и возможность бесшумной стрельбы

‒          возможность работы в любых условиях

‒          низкая стоимость снаряда в таких установках

‒          Основная трудность работы таких установок: низкий КПД, редко когда он доходит до ~27 %

‒          вытекающий из первого пункта большой расход энергии

‒          большой вес и габариты при малой эффективности

‒          большая стоимость качественно собранной установки

Из показаний преимуществ и недостатков установки становится понятно, что массово производить такие пушки невозможно, но их выгодно будет разместить на космических станциях, так как в условиях невесомости отсутствие отдачи при стрельбе становится чрезвычайно важным. Также, используя такие установки, можно разогнать снаряды до первой и даже второй космической скорости, что открывает перспективы использования полностью баллистического способа выхода на орбиту.

Итак, перспективы у такого типа орудий существуют, но не в плане стрелкового оружия, а в плане способа транспортировки физических тел на орбиту земли.

Литература:

1.      Носов Г. В. Генерирование мощных импульсов тока электромашинными источниками с изменяющейся индуктивностью // Известия Томского политехнического университета. — 2005. — Т. 308. — № 7. — С. 68–70.
2.      Татур Т. А. Основы теории электромагнитного поля. — М.: Высшая школа, 1989. — 271 с.
3.      Д. В. Сивухин. Общий курс физики, Электричество т. 3, М.: Наука, 1977, 704 с.
4.      Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 488 с.
5.      Электротехнический справочник: в 3 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. проф. МЭИ В. Г. Герасимова и др. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 488 с.
6.      Железный В. Б., Лебедев А. Д., Плеханов А. В. Воздействие на динамику ускорения якоря в РЭУ // II Всес. семинар по динамике сильноточного дугового разряда в магнитном поле: Материалы. — Новосибирск, 4–6 декабря 1991 г. — Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 1992. — С. 16–32.
7.      Иродов. Электромагнетизм. Основные законы_2009, 7-е изд, 319с