Пoрельсам вад: сверхзвуковой экспресс смерти
- Замечательный стационарный рельсотрон функционирует в лаборатории Maxwell Labs (Сан-Диего, Калифорния) с 1986 года. Благодаря революционным конденсаторам громадной емкости Maxwell разработчикам в первый раз удалось выстроить орудие, в котором высокая скорость и надёжность перезарядки конденсаторных совокупностей сочетается с энергией выстрела, ранее достижимой лишь посредством громадных униполярных генераторов и взрывомагнитных источников тока.
- Сейчас компания Maxwell считается ведущим производителем самых замечательных и правильных промышленных и лабораторных конденсаторов в Соединенных Штатах
Справка из книжки Направление линий магнитного поля определяется по правилу правого буравчика: в случае если ток течет в направлении от наблюдателя, линии поля направлены по часовой стрелке.
- Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки: в случае если расположить руку по направлению течения тока так, дабы линии магнитного поля входили в ладонь, громадный палец укажет направление силы
Сверхпроводящий соленоид громадного адронного коллайдера, выстроенного Европейской организацией по ядерным изучениям, запечатлен перед охлаждением до температуры 20 К (-253?С)
В погоне за магнитным полем Одна из альтернатив рельсотрона — индукционная пушка, которую чаще именуют пушкой Гаусса в честь ученого Карла Фридриха Гаусса, изучившего физические правила электромагнетизма. В базе ее конструкции лежит серия соленоидов, надетых поверх диэлектрического ствола. При подаче электрического импульса на соленоид железный боеприпас устремляется к его центру.
- В момент подлета к центру катушки питание переключается на следующий соленоид. В погоне за движущимся магнитным полем боеприпас разгоняется до сопоставимых с рэйлганом скоростей. К неоспоримым преимуществам пушки относится самолевитация боеприпаса в ствола и, как следствия, отсутствие утрат на трение и минимальная абляция ствола.
- Но центровка боеприпаса в стволе и скоростная коммутация катушек при таковой скорости и силе тока преобразовываются в настоящие конструктивные неприятности. Гауссова пушка проигрывает рельсотрону и по энергетической эффективности.
Один в поле не солдат В экспериментальных рельсотронах университета ГНЦ РФ ТРИНИТИ вместо одной пары рельсов используется пара.
- Равномерное распределение силы тока, трения и тепловой нагрузки между рельсами многовиткового рельсотрона существенно увеличивает ресурс и энергетическую эффективность всей конструкции. Под действием электромагнитного поля U-образный толкатель разжимается и плотнее прижимается к рельсам, снабжая надежный железный контакт
Метеорит в лаборатории Рекордные по скорости полета боеприпаса рельсотроны трудятся в лабораториях по изучению скоростного удара.
- В таких установках боеприпас имеет массу менее 1 г и преодолевает расстояние в считанные миллиметры до столкновения с объектом изучения. Но, двигаясь на протяжении рельс, разгоняемая частица успевает развить скорость до 15 км/с. Рельсотрон разрешает смоделировать условия попадания микрометеоритов в обшивку космического аппарата
Скорость боеприпаса, вылетающего из ствола огнестрельного орудия, теоретически ограничена тепловой скоростью молекул сгорающего пороха — около двух километров/с. Кроме того в случае если все молекулы разом забудут о броуновском перемещении и организованно ринутся толкать боеприпас, он не полетит стремительнее. На практике результаты в 1,2−1,5 км/с для классических видов оружий уже считаются выдающимися.
Опробования электромагнитной пушки в исследовательской лаборатории ВМС США в Далгрене, состоявшиеся 31 января этого года, прогремели на всю землю. Самый замечательный в мире рельсотрон (он же рэйлган — данный британский термин знаком любому поклоннику компьютерных игр и фантастических фильмов) разогнал боеприпас массой более трех килограмм до скорости 2,52 км/с. Энергия выстрела составила 10,64 мегаджоуля, и это лишь треть от номинального энергетического потенциала орудия.
2,5 км/с — далеко не предел для электромагнитного оружия. В теории рельсотроны смогут разгонять тела до десятков километров в секунду. Лабораторные установки для изучения скоростного удара отправляют в цель частицы массой менее 1 г со скоростью до 15 км/с.
На волне интереса
Не смотря на то, что сила Ампера, положенная в базу работы рельсотрона, известна физикам с середины XIX века, более ста лет никто кроме того не помышлял о аналогичной конструкции и тем более о ее применении для практических целей (из-за отсутствия достаточно замечательных импульсных источников энергии). Лишь в первой половине 50-ых годов двадцатого века доктор наук Университета Тафтса, американец Уинстон Бостик, разместил статью, в которой обрисовал формирование «плазмоидов» — плазменных колец, появляющихся при разряде между двумя титановыми электродами, насыщенными водородом, и выталкиваемых из пластиковой трубки магнитным полем.
Не смотря на то, что схема этого устройства была весьма далека от современного рельсотрона, возможно заявить, что это было первой ласточкой (во второй половине 50-ых годов двадцатого века газета New York Times посвятила первую страницу «плазменной пушке» Бостика, не смотря на то, что сам он именовал это устройство «пуговицей»). В 1955 году по другую сторону Атлантики, в СССР, юный ученый Алексей Морозов (будущий разработчик электроракетных плазменных двигателей — см. «ПМ» № 12’2005) отослал в Издание экспериментальной и теоретической физики (ЖЭТФ) статью «Об ускорении плазмы магнитным полем».
Во второй половине 50-ых годов XX века она была опубликована и позвала громадной интерес в опытных кругах. В данной статье был обрисован ускоритель плазмы, складывающийся из двух проводников (между которыми формировалась дуга), находящихся в постоянном магнитном поле.
А через полгода в ЖЭТФ вышла статья Льва Арцимовича «Электродинамическое ускорение сгустков плазмы», в которой он предлагал применять собственное магнитное поле проводников для разгона плазмы — схема, которую на данный момент и принято именовать рельсотроном. О разгоне больших весов в виде жёстких тел обращение не заходила еще пара десятков лет.
В начале 1980-х в Австралии показался импульсный униполярный генератор, что разрешил выстроить действующий пример замечательного рельсоторона. С того времени в Соединенных Штатах систематично проходят интернациональные симпозиумы, посвященные электромагнитным ускорителям. В 1980-х возможности электромагнитного оружия казались бескрайними.
В лабораториях различных государств друг за другом строились опытные образцы, демонстрирующие все более впечатляющие результаты. Изучениями в данной области интересовались специалисты и учёные космической отрасли, но больше всех, само собой разумеется, вдохновились армейские. Неудивительно, что столь интенсивная экспериментальная деятельность достаточно скоро привела разработчиков электромагнитного оружия к технологическому барьеру.
Все принципиальные результаты по соотношению массы и скорости боеприпаса были взяты до середины 1990-х. военных и Ожидания учёных по предстоящему росту показателей не оправдались, и исследователи фактически прекратили опыты, перейдя к систематизации и изучению физики процесса, отработке и моделированию отдельных технических ответов. Им удалось добиться определенного успеха.
Любопытно, что в сравнении с результатами опытов до 1995 года показатели пушки из Далгрена не выглядят революционными. Скорее орудие возможно назвать обобщением прошлого опыта, выполненным на весьма большом техническом уровне. Чему же мы обязаны таким грандиозным шоу, облетевшим все мировые СМИ? Все весьма легко: электромагнитными ускорителями снова действительно заинтересовались армейские.
В марте 2006 года Пентагон заключил 5,5-миллионный договор с американским подразделением корпорации BAE Armament Systems на строительство и разработку прототипа артиллерийской совокупности с энергией выстрела 32 МДж. По окончании успешных опробований компания установит для себя следующую планку — 64 МДж. Ожидается, что скорость боеприпаса массой в пара килограммов, выпущенного из данной артиллерийской установки, будет достигать 6 км/с.
Кинетическая смерть
Преимущества орудий с высокой дульной скоростью очевидны. Дальность поражения корабельной электромагнитной пушки, которую ВМС США собираются установить на эсминец нового поколения DD (X), обещает составить около 500 км. Возрастет и точность стрельбы: в том месте, где для огнестрельной пушки приходилось рассчитывать важную баллистическую поправку, из рэйлгана возможно будет стрелять фактически прямой наводкой.
Влияние случайных факторов, таких как порывы ветра, кроме этого понижается пропорционально росту скорости. Но основное преимущество скоростного боеприпаса — высокая пробивная свойство, обусловленная его большой кинетической энергией. При скорости 3 км/с 1 кг боеприпаса несет в себе энергию, эквивалентную 1 кг тротила.
Причем энергия возрастает пропорционально квадрату скорости.
Очевидно, точность и дальность стрельбы рельсотрона — далеко не предел для современных управляемых ракет. А сопоставимые с кинетическим ударом разрушения смогут нанести боеприпасы с классическими боеголовками. Однако как раз в простоте боеприпаса, что представляет собой всего-навсего вольфрамовую болванку массой пара килограммов, кроется одно из основных преимуществ рельсотрона как оружия.
В отличие от ракет и многих вторых современных снарядов, цельнометаллический боеприпас предельно несложен в изготовлении и компактен. А это значит, что, скажем, эсминец, оснащенный электромагнитным оружием, сможет нести большой боезапас и возьмёт неоспоримое преимущество перед соперником по количеству выстрелов.
На данный момент работа над боевыми рельсотронами ведется в нескольких направлениях. самоё реальное из них, в котором дальше всех продвинулись американцы, — это артиллерия и стационарные пушки морского базирования. Дульная скорость боеприпаса в рельсотроне прямо пропорциональна длине рельсов и подаваемому на них току, исходя из этого до тех пор пока что боевой рельсотрон является орудием длиной до десяти метров и энергетическую совокупность, которую возможно разместить разве что на огромном корабле.
Британцы делают ставку на наземные мобильные совокупности. В частности, рельсотрон идеально вписывается в актуальную концепцию всецело электрического танка. Но изучения упираются в отсутствие источников энергии, талантливых не только обеспечить перемещение автомобили в течении боя, но и передать на орудие импульс в десятки мегаджоулей в необходимый момент.
Стоит ли сказать, что ручные рэйлганы, столь популярные в компьютерных играх, на сегодня полностью нереализуемы. Может, это и к лучшему: так как с ростом скорости пули увеличится и отдача. Дабы вооружить «рельсой» каждого пехотинца, было нужно бы изобретать особое устройство для нейтрализации отдачи либо уменьшать массу пули пропорционально росту скорости.
Ускользающий контакт
Принцип устройства рельсотрона предельно несложен. На рельсы подается сильный электрический ток, между ними находится подвижный проводящий боеприпас. Текущий по проводнику ток формирует около него магнитное поле. Линии магнитного поля направлены против часовой стрелки около плюсового рельса и по часовой стрелке около минусового.
В следствии между рельсами создается общее однонаправленное вертикальное магнитное поле. На проводник, находящийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно линиям и движению тока магнитного поля. В следствии боеприпас, что выполняет роль проводника, начинает разгоняться на протяжении рельсов.
Данный несложный принцип достаточно сложно реализовать на практике. Довести силу Лоренца до требуемой величины возможно, лишь удлиняя рельсы либо увеличивая ток. Протяженность рельсов, в большинстве случаев, ограничена конструктивно, исходя из этого приходится иметь дело с сотнями тысяч ампер. трение и Нагревание приводят к очень стремительному разрушению рельс.
На современных экспериментальных установках рельс хватает в лучшем случае на пара выстрелов, а обычно их приходится поменять по окончании каждого запуска. По мере разрушения скорости и роста снаряда рельс нарушается контакт между ними, напряжение падает, а вместе с ним падает и сила Лоренца. В итоге скорость оказывается значительно меньше расчетной величины.
Существует пара подходов к улучшению контакта между снарядом и рельсами. В рельсотронах с плазменным поршнем боеприпас закрепляется в диэлектрическом толкателе. При подаче напряжения между рельсами образуется электрическая дуга, на которую кроме этого действует сила Лоренца. Она и движет диэлектрический толкатель вперед.
На Западе главные результаты взяты на рельсотронах с плазменным поршнем. Но у них имеется последовательность недочётов, основной из которых — возможность опережения толкателя дугой либо происхождения вторичной дуги за боеприпасом. Помимо этого, плазменный поршень еле справляется со боеприпасом громадной массы.
В нем теряется большая часть энергии, и для разгона килограммового боеприпаса требуется ток в миллионы ампер.
Русские разработчики, в частности эксперты Троицкого университета инновационных и термоядерных изучений (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), предпочитают иметь дело с железным контактом, что достаточно надежен на скоростях до двух километров/с. На высоких скоростях он делается квазиметаллическим: между толкателем и рельсами появляются микродуги.
В рельсотронах «ТРИНИТИ» используется толкатель U-образной формы, что раздвигается под действием электромагнитного поля, с силой прижимаясь к рельсам. Именно поэтому на протяжении опытов удается удерживать напряжение на толкателе в пределах 50 В — это хороший показатель если сравнивать с плазменным поршнем, где напряжение доходит до 400 В. Кстати, сильные магнитные поля стремятся оттолкнуть друг от друга и сами рельсы. Свойство конструкции рельсотрона удержать их в заданном положении — еще одна важная задача для разработчиков.
Основное ноу-хау университета ТРИНИТИ — это так именуемые многовитковые рельсотроны, в которых вместо одной рельсовой пары употребляется в один момент пара пар. Параллельные рельсы разрешают равномерно распределить между ними трение и ток, соответственно снизив приходящуюся на любой из них нагрузку. В лаборатории университета возможно заметить неповторимый маленький пятивитковый рельсотрон длиной всего 0,5 м, что разгоняет 1,1-кг боеприпас до 1 км/с.
Наряду с этим рабочий ток установки образовывает всего 350 кА.
Как прокормить рэйлган
абляция и Эрозия (испарение) рельсов, неприятности конструктивной прочности и скользящего контакта — это сущие мелочи если сравнивать с отсутствием источников энергии, талантливых оперативно дать в распоряжение стрелка импульс в много тысяч ампер. Этой проблеме мы обязаны тем, что рэйлганы до сих пор не стоят на вооружении.
Сейчас самый популярный импульсный источник энергии — батарея конденсаторов. Конденсаторы, используемые в экспериментальных установках, являются огромные цилиндры количеством в пара кубов. Они смогут часами накапливать электрическую энергию (время заряда зависит от мощности ее источника), дабы после этого разом направить ее на рельсы.
Довольно компактный источник импульсного тока в поле — генератор постоянного тока, либо униполярный генератор. В импульсном генераторе энергия накапливается в форме кинетической энергии вращающегося массивного проводящего ротора. Он неспешно разгоняется до большой скорости, позже включается внешнее магнитное поле (поле возбуждения генератора), и в цепи появляется импульс тока.
Вращение ротора быстро замедляется, а его кинетическая энергия переходит в кинетическую энергию боеприпаса. Для униполярного генератора характерно очень скромное выходное напряжение, но большой выходной ток — то что нужно для рельсотрона.
Взрывомагнитный генератор, применяющий энергию взрывчатых веществ для создания замечательного электрического импульса, может использоваться для питания рельсотрона только в экспериментальных целях, потому что ему свойственны все эксплуатационные недочёты огнестрельного оружия, с которыми призваны бороться электромагнитные ускорители.
самый перспективный источник энергии для рэйлгана именуется СПИН — сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии. Энергия в нем запасается в виде магнитного поля, появляющегося в ходе циркуляции постоянного тока в катушке из сверхпроводника. Главные компоненты СПИН — сверхпроводящая катушка, совокупность индуктивной зарядки/разрядки и совокупность охлаждения, поддерживающая в катушке критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости.
Утраты энергии при зарядке/разрядке СПИН не превышают 5% — это рекордный показатель. Но определенное количество энергии расходуется на работу замечательной совокупности охлаждения. К примеру, критическая температура для обмоточных сверхпроводников на базе сплава NbTi либо NbTri образовывает около 10 К (-263?С).
Использование высокотемпературных сверхпроводников может снизить энергетические затраты на охлаждение — им требуется температура в районе -100?С. Но цена самого СПИН в этом случае радикально возрастет, поскольку высокотемпературные проводники являются сложные многоэлементные керамики, из которых очень непросто изготовить многокилометровый провод для катушки. Особенные требования предъявляются к прочности конструкции СПИН: на сверхпроводник кроме этого действует сила Лоренца, которая пытается практически порвать катушку на части.
Рельсы в космос
К сожалению, с давних пор русские армейские не привыкли радовать граждан феерическими шоу наподобие опробований рельсотрона в Далгрене. Исходя из этого о степени готовности нашей страны достойно выступить в электрических войнах возможно лишь догадываться. Но мы довольно далеко продвинулись в вопросе применения рельсотрона в мирных целях.
Федеральный центр двойных разработок «Альянс», университет ТРИНИТИ, НИИФА имени Ефремова и Курчатовский университет консолидировали силы для совокупности предварительного электродинамического разгона ракеты для вывода нужного груза на околоземную орбиту.
Как поведал нам эксперт ГНЦ РФ ТРИНИТИ Анатолий Константинович Кондратенко, проектный пример разгонной секции, предложенный университетом, представляет собой огромный многовитковый рельсотрон с размерами канала 1,5х2 м. Ускорительный комплекс будет складываться из комплекта секций длиной по 10−20 м, к каждой из них будет подводиться коммутируемый импульс от накопителя СПИН. Неспециализированная протяженность комплекса составит до 3,7 км.
Рельсотроны будут разгонять космический аппарат, заключенный в особый обтекатель, до скорости 2 км/с. Это как раз та скорость, до которой сохраняется надежный железный контакт, нужный для разгона тяжелой полетной сборки.
Главное препятствие на пути применения совокупностей предварительного разгона — это большие перегрузки (до 60 g), действующие на космический аппарат. Выдержать такие перегрузки не смогут не только люди, но и ракетные двигатели. И все же игра стоит свеч: предварительный разгон полетной сборки до двух километров/с обещает в два раза снизить цена доставки 1 кг груза на орбиту.
Цепная реакция Маркса
- Продвинутая версия конденсаторной батареи — генератор Маркса, названный в честь его изобретателя, инженера Эрвина Отто Маркса
В нем энное количество конденсаторов, соединенных параллельно, заряжаются до заданного напряжения, по окончании чего все они включаются последовательно и напряжение возрастает в n раз. Переключение осуществляется посредством разрядников. Когда срабатывает первый разрядник, напряжение на втором возрастает в два раза, исходя из этого и в нем появляется искра.
Так по цепочке срабатывают все разрядники, выстраивая конденсаторы в последовательную цепь. В большинстве случаев суммарное напряжение оказывается немного меньше простого из-за задержек зажигания. Дабы уменьшить переключение, электроды разрядников покрывают радиоактивными изотопами цезий-137 либо никель-63 и располагают так, дабы УФ-излучение от срабатывающего разрядника падало на остальные.
Генератор Маркса питает самый замечательный в мире генератор рентгеновского излучения Z machine в национальной лаборатории Sandia, созданный для моделирования условий ядерного взрыва. К сожалению, схема Маркса не пригодна для питания рэйлгана: в ней приоритет отдается высокому напряжению, рельсотрону же нужен громадный ток.
Плавучая электростанция
Многоцелевой эсминец нового поколения DD (X), работы над которым ведут компании Northrop Grumman Shipbuilding и Bath Iron Works, обещает стать совершенной энергетической платформой для рельсовых пушек. Концепция единой энергетической сети предполагает, что все электрические совокупности корабля питаются от генераторов, приводимых двумя газотурбинными двигателями Rolls-Royсe Marine Trent-30. Вся мощность совокупности (78 милионов ватт) может перераспределяться между разными потребителями в произвольных пропорциях.
К примеру, в случае если кораблю не угрожает опасность, всю мощность возможно направить на повышение скорости перемещения. Самые громадные в мире электродвигатели с постоянным магнитом выстроены компанией Northrop Grumman. При необходимости всю энергию возможно перенаправить на рэйлганы: неподвижный эсминец будет долгое время вести постоянный пламя с частотой до 12 выстр./мин. Постройка одного корабля нового поколения обойдется в $3,2 млрд.
Еще $4 млрд уйдет на обслуживание эсминца в течение его жизни.
Электрический космодром
- По проекту ГНЦ РФ ТРИНИТИ огромный рельсотрон будет выводить спутники на орбиту
Полетная сборка представляет собой фактически космический аппарат и несколько разгонных ступеней, заключенных в аэродинамический обтекатель. Обтекатель устанавливается в первой разгонной секции на особые опоры, за ним находится железный толкающий якорь. В момент запуска на разгонные секции длиной 10−20 м любая подается ток.
Секции включаются попеременно по мере продвижения полетной сборки. Каждую из них питает личный накопитель СПИН, что разрешает отказаться от долгих высоковольтных токопроводов, в которых неизбежны энергетические утраты. Неспециализированная протяженность разгонной совокупности достигает 3,7 км.
По окончании того как полетная сборка покидает рельсотрон на скорости 2 км/с, аэродинамический обтекатель раскрывается и отделяется от космического аппарата. Включается двигатель разгонной ступени, и аппарат выводится на орбиту.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№70, август 2008).
<
h4>