Как да си направим релса Най-простият пример за електромагнитна ускоряваща система
Как да си направим релсова пушка
Най-простият пример за електромагнитна ускоряваща система е така наречената "релсова пушка", добре позната на експерименталните физици от десетилетия (1.20).
Идеята за релса (или електромагнитна "релса") е доста проста (фиг. 1). Напрежението се прилага към две успоредни (или коаксиални) тоководещи релси от източник на захранване. Ако веригата се затвори, като върху шините се постави например подвижна количка, която провежда ток и има добри контакти с шините, тогава полученият електрически ток индуцира магнитно поле. Това поле създава налягане P равно на H**2/8Pi, което се стреми да раздалечи проводниците, които образуват веригата. Фиксирани са масивни гуми-релси. Единственият подвижен елемент е количката, която под въздействието на натиск започва да се движи по релсите, така че обемът, зает от магнитното поле, се увеличава, т.е. далеч от източника на захранване. Ускоряването на количката ще продължи, докато е в сила магнитното налягане. Максималната скорост, до която ще ускори количката, се определя от отношението
където S е дължината на ускорението, a е ефективното ускорение. За да го оценим, изчисляваме налягането на магнитното поле. Нека зададем H = 10**5 G. Тогава P=4x10**8 dynes/cm**2 = 400 atm. Нека ефективната дебелина на количката е 10 g/cm**2, тогава ускорението ще бъде 4x10**5 m/s**2 или 4x10**4g. При такива условия на дължина от 125 м се постига скорост от 10 km/s, а на разстояние от 20 km/s се постига скорост от 20 km/s, което съответства на дължина на ускорение от 200 м. Това са типичните линейни размери на електромагнитните ускорители. Времето за ускорение е v/a, което е стотни от секундата за типичните параметри на ускорителя. Имайте предвид, че от общата маса на талигата намаленатагорните стойности са независими; общата маса влияе само върху общата консумация на енергия.
Подобряването на електромагнитните пушки е насочено към увеличаване на крайната скорост. Увеличаването на линейните размери до километрични мащаби едва ли е възможно. За увеличаване на ускорението е необходимо или увеличаване на магнитното налягане, или намаляване на ефективната маса на снаряда.
Увеличаването на налягането на магнитното поле не може да бъде неограничено - при налягане от порядъка на 1000 атмосфери (т.е. 150-160 kgauss) се достига прагът на механична стабилност. Такава система от много дълги гуми, пръснати от вътрешно налягане, е трудно да се направи твърда и здрава. Ако механичната якост все още може да бъде постигната чрез увеличаване, такова увеличение на масата няма да помогне срещу загубата на термична стабилност.
При продължителност на токовия импулс от порядъка на стотни от секундата, дебелината на скин-слоя в медта е 1 см. В този случай магнитно поле от 120 kgauss съответства на плътност на тока от 100 kA/cm^. Това води до топлинни загуби в материала от порядъка на 400 J/cm^ при продължителност на импулса на тока 20 ms (медта се нагрява до 120°C). В този случай съответната равнина е точно равна на кинетичната енергия на снаряда. По този начин ефективността на релсата е 1/3. Като се има предвид факта, че ефективността на източника на енергия не надвишава 30%, общата ефективност е около 10%, както беше споменато по-горе.
Термичното нагряване на гумите ограничава скоростта на стрелба на системата, а всякакви термични повреди нарушават възпроизводимостта на характеристиките на изстрелите.
Желанието да се намали масата на снаряда, за да се увеличи крайната му скорост, противоречи на необходимостта от прехващачи с доста сложна система за насочване, чиято маса не може да бъде лесно намалена.
Друга последица от големи токове, окоето беше обсъдено по-горе, е, че контактната кола (чието напречно сечение е по-малко от напречното сечение на шината) трябва да се стопи, изпари и частично да се превърне в плазма. Такъв плазмен облак се превръща в нещо като бутало за снаряда, който трябва да бъде електрически изолиран от плазмата. В тази връзка, в поз та облаци с гуми.
Освен това има проблем с завършването на овърклок. За да може снарядът да се откъсне от плазменото бутало, последното трябва да изчезне или да се забави. В разглежданата проста схема забавянето е невъзможно и изчезването на плазменото бутало изисква прекъсване на електрическата верига.
Прекъсването на електрическа верига с голям ток, както знаете, води до големи пренапрежения и аварии. В резултат на това снарядът може да получи допълнителен случаен импулс, който има перпендикулярна компонента, което рязко влошава ъгловата точност на огъня.
И накрая, самото движение на плазменото бутало е подложено на действието на множество плазмени нестабилности, които е трудно да се предвидят и отстранят предварително.
Възможен е безконтактен метод за ускоряване, базиран на използването, например, на вариант на индукционен линеен двигател. В такъв двигател затворен контур се избутва в зона с по-ниско магнитно поле. Намотката се движи по централната линия на верига от външни намотки, които се захранват последователно във фаза с движението на намотката. голямо количество вещество (до стотици кг на изстрел) и в същото време би осигурил висока ъглова точност (от порядъка на микрорадиан). Недостатъкът на такава система е сравнително малко ефективно ускорение (100 g) и следователно значителни линейни размери (десетки километри!).
И все пак може би най-сериозният проблем за електромагнитните системи е енергията. Типични енергийни източнициза електромагнитни системи в момента са униполярни генератори (маховици) с енергиен капацитет до 10 J/g (10 MJ/t) [1-22]. Ако системата изисква висока скорост на огън, тогава енергията трябва да се съхранява
И така, електромагнитните системи (използващи налягането на магнитното поле) имат два основни недостатъка:
- значителни линейни размери, което затруднява пренасочването (като се вземе предвид компенсацията на отката) и следователно намалява скоростта на огън, а също така увеличава уязвимостта;
- неоправдано голяма маса от енергийни системи.
Следователно електромагнитните системи, фокусирани досега главно върху постигането на "свръхскорости", на сегашното ниво на развитие изглеждат неподходящи да се превърнат в основно средство за изстрелване на насочващи се прехващачи (трябва също да се вземат предвид огромните претоварвания, присъщи на такива системи; те могат да затруднят създаването
Възможността за използване на отделни балистични прехващачи от този тип, дори и тези с много висока скорост, все още е съмнителна, поне за големи разстояния поради несигурността в ъгловата точност на огъня.