EA028078B1 - Способ электропитания рельсового электромагнитного ускорителя, электромагнитная конструкция рельсотрона, рельсовый реактивный двигатель - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способу электропитания рельсового электромагнитного ускорителя, отличающемуся тем, что электрический ток в цепи рельсового электромагнитного ускорителя (4, 5, 6, 7) инициируется по меньшей мере хотя бы одним генератором (3), принудительное вращение ротора которого осуществляется крутящим моментом, передаваемым от хотя бы одного вращающегося маховика (2), причем упомянутый маховик до начала упомянутого принудительного вращения ротора генератора (3) должен быть предварительно приведен во вращательное движение вокруг своей оси крутящим моментом по меньшей мере хотя бы от одного вспомогательного привода (1). Эффективная электромагнитная конструкция рельсотрона отличается наличием средств создания дополнительного магнитного потока, пронизывающего ускоряемый проводник (7, 8). Рельсовый электромагнитный реактивный двигатель создает реактивный механический импульс за счет электромагнитного ускорения в рельсотроне и последующего отбрасывания ускоряемых тел (8).

Description

Заявляемые способ электропитания рельсового электромагнитного ускорителя, электромагнитная конструкция рельсотрона, рельсовый реактивный двигатель преимущественно относятся к способам и устройствам для электромагнитного прямолинейного ускорения масс твердых тел и плазмы без применения взрывчатого или горючего метательного заряда, в частности к электромагнитным пусковым установкам.

Явление прямолинейного ускорения масс проводников под действием электромагнитных сил, вызываемых протекающим через ускоряемый проводник электрическим током, было открыто еще в 1800 году. А.М. Ампером и в настоящее время хорошо изучено. Устройства, использующие этот электромагнитный принцип ускорения массы, носят название рельсотроны или рельсинги, и их разнообразные конструкции в настоящее время достаточно широко патентуются.

Наиболее близкие по функциональным и конструктивным особенностям к заявляемому способу электропитания рельсового электромагнитного ускорителя электромагнитной конструкции рельсотрона, рельсовому реактивному двигателю известны следующие отечественные разработки.

Разработки Научно-исследовательского центра теплофизики импульсных воздействий объединенного института высоких температур РАН:

патенты на изобретение:

КИ № 2027971 С1 от 27.01.1995. Рельсовый кондукционный электромагнитный ускоритель твердых тел.

КИ № 93013545 А от 20.01.1995.

КИ № 93019605 А от 27.11.1995.

КИ № 2066434 С1 от 10.09.1996. ки № 2065557 С1 от 20.08.1996.

Эти патенты носят название Рельсовый электромагнитный ускоритель твердых тел.

КИ № 93035306 А от 27.11.1995.

КИ № 93035307 А от 27.11.1995.

КИ № 2066824 С1 от 20.09.1996.

КИ № 2066825 С1 от20.09.1996.

Эти патенты носят название Двухступенчатый электромагнитный кондукционный ускоритель твердых тел.

В этих своих разработках ИВТАН РАН описывает теоретические основы, конструирования рельсовых электромагнитных ускорителей для гиперскоростного электромагнитного разгона твердых тел, а также различные электромагнитные конструкции рельсовых электромагнитных ускорителей рельсотронов и ускоряемых тел.

Патенты на изобретение:

КИ № 94017411 А1 от 27.02.1997.

КИ № 2072495 С1 от 27.01.1997.

Эти патенты носят название Устройство для инициирования электрического тока в высокоскоростном якоре рельсотрона.

В этих своих разработках ИВТАН РАН описывает конструкции емкостных накопителей электрической энергии и систем электропитания на основе конденсаторных батарей и кондукторов для питания рельсовых электромагнитных ускорителей твердых тел.

Разработки ФГНУ НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете: патент на изобретение:

КИ № 2119140 С1 от 20.09.1998. Коаксиальный ускоритель.

Патент на полезную модель.

КИ № 61856 И1 от 10.03.2007. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель.

В этих своих разработках ФГНУ НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете описывает конструкции устройств, создающих плазменные поршни и плазменные электрические контакты в рельсовых электромагнитных ускорителях.

Разработки НИИ тепловых процессов им. М.В. Келдыша: патент на изобретение:

КИ № 2027972 С1 от 27.01.1995. Пусковое устройство рельсотрона коаксиального типа.

В этой своей разработке НИИ тепловых процессов им. М.В. Келдыша описывает конструкцию пускового устройства, создающего плазменные поршни и плазменные электрические контакты в рельсовых электромагнитных ускорителях.

Международный патентный поиск показал, что существуют также иностранные разработки в этой области техники:

патент на изобретение И8 6502494 В2, 752218, Р41В 6/00 от 07.01.2003. Рельсовая пушка.

Этот патент США описывает способ электропитания рельсотрона при помощи стандартной трехфазной сети переменного тока и описывает электромагнитную конструкцию трехфазного рельсотрона. Рельсотрон по этому тех. решению содержит блок из 6 рельсов и питается от местной трехфазной сети переменного тока или иного источника трехфазного переменного тока. В данном патенте содержится

- 1 028078 только описание конструкции рельсотрона.

Патенты на изобретение:

ИЗ 6766793 В2, 319450, Р41В 6/00 от 12.12.2002. Электромагнитная пушка.

ИЗ 6997173 В2, 759979, Р41В 6/00 от 16.01.2004. Схема формирования импульсов для электромагнитной пушки и конденсаторный модуль.

Эти патенты США описывают конструкцию электромагнитного корабельного орудия и систему его электропитания, выполненную в виде, конденсаторных батарей, накапливающих энергию, необходимую для ускорения массы в виде электрического заряда в конденсаторных батареях. Данные патенты также описывают, по мнению авторов, наиболее целесообразную конструкцию конденсаторных батарей в виде клиновидной формы. Вся конденсаторная батарея в сборе имеет вид цилиндра, жестко конструктивно соединена с рельсотроном и синхронно поворачивается вместе с ним.

Патент на изобретение:

ИЗ 7077046 В2, 209678, Р41В 6/00 от 01.08.2002. Резонансное устройство в электромагнитной пушке.

Этот патент США описывает способ электропитания комбинированного электромагнитного ускорителя при помощи колебательного контура из емкостного накопителя и индуктивного сверхпроводника, в котором резонансным методом накапливается энергия, необходимая для работы устройства.

Патент на изобретение:

ИЗ 6142131 А, 215503, Р41В 6/00 от 07.11.2000. Электромагнитное пусковое устройство.

Этот патент США описывает способ электропитания рельсотрона при помощи многофазного многополюсного генератора переменного тока, выходы обмоток отдельных фаз которого питают отдельные ступени многоступенчатого рельсотрона. Автоматика управления системы по мере разгона ускоряемого тела своевременно подключает соответствующие выходы фаз генератора к соответствующим участкам рельсовых проводников. Этот патент, хотя и имеет ряд принципиальных отличий, обнаруживает наибольшую близость к заявляемому способу электропитания рельсового электромагнитного ускорителя масс в том, что для электропитания рельсотрона в данном патенте используется отдельный генератор.

Анализ открытой патентной документации и информации показал, что в настоящее время основным фактором, сдерживающим развитие рельсовых электромагнитных ускорителей, является техническая трудность создания больших по величине амплитуды и продолжительности импульсов электрических токов, которые подводятся к ускоряемому проводнику в рельсотроне и создании в ускоряемом проводнике сверхсильных электрических токов сверхбольшой плотности.

Для питания подобных ускорителей в настоящее время разработчики данных устройств используют большие по мощности электрогенераторы, вплоть до атомных электростанций, или большие по величине емкостные накопители электрической энергии (конденсаторные батареи). При этом в схемах питания рельсовых электромагнитных ускорителей используются довольно большие электрические напряжения. При таких способах электропитания рельсовых электромагнитных ускорителей системы получаются очень громоздкими и энергозатратными. Время зарядки конденсаторных батарей довольно продолжительное. При работе рельсотронов из-за используемых больших напряжений возникают паразитные дуговые потери энергии. КПД таких систем электромагнитных ускорителей за счет рассеивания очень больших тепловых мощностей и паразитных электродуговых и плазменных разрядов довольно низкий.

Однако интерес к проектированию подобных электромагнитных систем достаточно высок в силу того, что, по сравнению с классическими способами ускорения, например с помощью взрыва, возгораемого заряда, реактивным, гаусс-электромагнитным, рельсовые электромагнитные токовые ускорители рельсотроны - обладают замечательными свойствами - это бесшумность и незаметность работы, очень большие развиваемые силовые мощности, а главное то, что эти электромагнитные устройства не имеют предела развиваемых скоростей и сообщаемых ускоряемым телам кинетических энергий. Теоретически, возможные получаемые скорости ускоряемых масс в подобных устройствах, реализованных в условиях вакуума, с использованием поддерживающих ускоряемую массу систем типа магнитная подушка и электрического контакта типа плазменный шнур или плазменный поршень ограничиваются только скоростью света.

Ускорение масс в рельсовых электромагнитных ускорителях носит преимущественно плавный и равномерный характер (наблюдается плавное, равноускоренное поступательное движение массы на протяжении всего импульса ускорения).

Задачей настоящего изобретения является создание работоспособного, экономичного и надежного способа электропитания рельсового электромагнитного ускорителя.

Поставленная задача электропитания рельсового электромагнитного ускорителя решена следующим образом (см. фиг. 1).

Заявляемый способ электропитания рельсового электромагнитного ускорителя заключается в импульсном электропитании рельсотрона при помощи механическо-электромагнитной системы, состоящей по меньшей мере хотя бы из одного генератора 3, хотя бы одного маховикового накопителя энергии 2 и хотя бы одного вспомогательного привода вращения упомянутого маховикового накопителя энергии 1, отличающийся тем, что электрический ток I в цепи рельсового электромагнитного ускорителя иниции- 2 028078 руется по меньшей мере хотя бы одним генератором 3, принудительное вращение ротора которого осуществляется крутящим моментом, передаваемым от хотя бы одного вращающегося маховикового накопителя энергии 2, причем упомянутый маховиковый накопитель энергии приводится во вращательное движение вокруг своей оси крутящим моментом по меньшей мере хотя бы от одного вспомогательного привода 1.

Маховиковый накопитель энергии 2 преимущественно выполняется в виде вращающегося маховика с расчетными геометрическими размерами, параметрами массы и полярного момента инерции.

Генератор 3 предпочтительно выполнен по электромагнитной конструкции униполярного генератора постоянного электрического тока.

Вспомогательный привод 1 в заявляемом способе может быть выполнен произвольным образом, это может быть любой двигатель с необходимой для постепенного раскручивания маховика мощностью (ручной привод, храповик, кикстартер, гидромотор, пневмодвигатель, электродвигатель, двигатель внутреннего сгорания, паровая машина, турбина, реактивный двигатель и т.д.).

Рельсовый электромагнитный ускоритель с заявленным способом электропитания содержит также коммутационные устройства 4, проводники 5 и собственно рельсовый электромагнитный ускоритель 6, 7 массы 8, в котором энергия, необходимая для ускорения массы 8, преобразуется во вспомогательном приводе вращения маховикового накопителя энергии 1 во вращательное движение маховика 2, постепенно накапливается в маховике в виде кинетической энергии вращающегося маховика 2, а затем расходуется в импульсном режиме во время цикла ускорения массы путем преобразования накопленной кинетической энергии вращательного движения маховика 2 в электрический ток в генераторе 3 с последующей подачей электрического тока посредством коммутационных устройств 4 и проводников 5 к рельсовому электромагнитному ускорителю 6, 7 и получением в последнем с помощью развиваемых электромагнитных сил, механической тяги 9, приводящей ускоряемую массу 7, 8 в поступательное ускоренное движение.

При такой конструкции ускорителя энергия, необходимая для ускорения массы, аккумулируется в виде кинетической энергии вращающегося маховика 2 и расходуется для ускорения массы 8 посредством кратковременных импульсов механического крутящего момента, передаваемого ротору генератора 3. В генераторе 3 крутящий момент преобразуется в электрический ток сверхбольшой величины и плотности, который подводится к рельсовому электромагнитному ускорителю 6, 7 и, проходя через ускоряемую массу 7, 8 во время цикла ее ускорения, преобразуется в механическую силу 9, поступательно перемещающую ускоряемое тело 8 в пространстве.

В заявляемом способе электропитания рельсового электромагнитного ускорителя использование способа механического аккумулирования энергии в виде кинетической энергии вращающегося маховика позволяет получить приемлемые величины развиваемых выходных механических сил, бесшумность и безопасность работы системы при ускорении массы, простую и надежную конструкцию, приемлемые энергетические и массогабаритные параметры системы, удовлетворительные показатели величин питающих рельсовый ускоритель импульсных электрических токов сверхбольшой величины и плотности при довольно продолжительных длительностях импульсов ускорения.

Как сказано выше, генератор в заявляемом способе электропитания рельсового электромагнитного ускорителя предпочтительно использовать конструкции униполярного электрического генератора. Для питания рельсотронов необходимы импульсы сверхсильных постоянных электрических токов. Конструкция униполярного генератора постоянного тока наиболее полно отвечает требованиям электропитания рельсотронов.

Для понимания процесса создания сверхсильных электрических токов необходимо ознакомиться с принципом действия униполярной машины постоянного тока.

Действие униполярной машины основано на принципе электромагнитной индуции, открытом еще Фарадеем.

Прообраз униполярной машины - это диск Фарадея или так называемое колесо Берлоу - вращающийся под действием протекающих токов диск, выполненный из электропроводящего материала, который расположен во внешнем однородном магнитном поле.

Описание различных конструкций униполярных машин встречается в работах различных физиков и изобретателей. В частности, конструкцию униполярного генератора можно встретить в работах известного изобретателя Н. Тесла, в патенте № 406968 ΌΥΝΑΜΘ ЕЬЕСТЫС ΜΑί'ΉΙΝΕ от 16.07.1889. Этот изобретатель описывает подобный класс электрических динамо-машин как униполярные, в которых вращающийся диск или цилиндрический проводник установлен между магнитными полюсами, приспособленными для того, чтобы произвести приблизительно однородное магнитное поле. Во вращающемся диске наводятся электрические токи, которые текут от центра к периферии или, наоборот, от периферии к центру, в зависимости от направления вращения дисков и направления силовых линий магнитного поля, в зависимости от расположения знаков магнитных полюсов. Кстати, Н. Тесла на вопрос: Какое самое главное изобретение было в вашей жизни? указал именно на этот, на первый взгляд, простой и странный патент.

- 3 028078

Униполярные электрические динамо-машины являются обратимыми, т.е. при протекании электрических токов через дисковые якоря, которые находятся во внешнем однородном магнитном поле, диски начинают вращаться, и мы имеем уже униполярные электродвигатели, известные как диски или цилиндры Фарадея или диски Берлоу.

Интерес к исследованию униполярных генераторов наблюдался в конце XIX в начале XX века. Многие исследователи и изобретатели внесли свой вклад в исследование униполярной индукции и предлагали свои варианты униполярных машин, например: Форбс-1886 г, Леру - 1888 г, Тесла - 1889 г., Тюри - 1900 г, Цендер и Юнгстрем - 1900 г., Ламме - 1906 г., Штейнметц - 1907 г., Томпсон - 1907 г., Барбур 1911 г., Пуарсон - 1937 г, Сомед - 1941 г., русский профессор Б. Угримов - 1908 г. исследовал жидкометаллический скользящий ртутный контакт в униполярных машинах. В 1954 г. в СССР Ю. Каунас провел исследования различных жидкометаллических скользящих электрических контактов на основе легкоплавких металлов, металлоидов и эвтектических расплавов, таких как ртуть, галлий, цезий, натрий, калий, рубидий, литий, селен, олово, свинец и т.д. в униполярных машинах.

В настоящее время повышенный интерес к созданию униполярных машин наблюдается в США, Англии, Германии, Австралии, к сожалению, в СССР не обратили на эту научную тематику должного внимания и не создали промышленных образцов униполярных машин. На сегодняшний день не удалось отыскать информации об отечественных промышленных образцах униполярных генераторов.

На фиг. 2 изображен простейший вариант униполярной машины. Токопроводящий диск 10 приводится во вращательное движение при помощи внешнего привода 11 в однородном магнитном поле, созданном кольцевыми магнитами 12. Кольцевые магниты 12 создают однородное магнитное поле, пронзающее, перпендикулярно торцу, всю торцевую поверхность и тело диска 10. Вышеуказанные кольцевые магниты 12, в зависимости от конструкции униполярных машин, могут быть как постоянными магнитами, так и электромагнитами внешнего возбуждения (кольцевыми катушками). В современных униполярных машинах эти кольцевые магниты 12, как правило, выполнены в виде кольцевых катушек электромагнитов. Диск 10 принято называть якорем униполярной машины. В диске 10 под действием электромагнитных сил, по правилу правой руки, возникает радиально растекающийся электрический ток. Носители электрического заряда смещаются, в зависимости от направления вращения диска 10 и расположения полюсов магнитов 12 (направления силовых линий внешнего магнитного поля), либо к периферии диска 10, либо к центру диска 10. В результате этого смещения носителей электрического заряда, появляется разность потенциалов между осевой и периферической областями диска 10.

Токосъем в подобных униполярных машинах осуществляется щеточными узлами 13. Щеточные узлы 13 в униполярных машинах находятся в контакте с теми областями диска, между которыми наблюдается разность потенциалов: один щеточный узел - у центра диска, второй щеточный узел - на периферии диска.

При замыкании ключа 14 внешней цепи (ключ 14 и внешняя электрическая цепь изображены для наглядности тонкими линиями) в замкнутом электрическом контуре начнет течь электрический ток. Направление электрического тока зависит от направления вращения диска и направления силовых линий внешнего магнитного поля пронзающего тело диска. Направление электрического тока на фиг. 2 условно обозначено стрелками.

Напряжение и вырабатываемый электрический ток в униполярных машинах пропорциональны диаметру диска якоря, угловой скорости его вращения и напряженности магнитного потока возбуждения диска якоря машины.

Основной рабочий режим внешних электрических цепей, питающихся униполярными генераторами - это режим короткого замыкания.

Из-за очень малого, практически ничтожного внутреннего электрического сопротивления якоря униполярного генератора электрические токи в цепях в режимах короткого замыкания ограничиваются только угловой скоростью вращения якоря и крутящим моментом на валу ротора униполярного генератора.

В настоящее время в мире разработаны и промышленно выпускаются различные варианты униполярных генераторов и двигателей. Как правило, эти электрические машины используются в системах с небольшими (до 600 В) постоянными напряжениями и сверхбольшими (до величин тысяч КА) постоянными токами.

Униполярные генераторы постоянных электрических токов обладают наибольшим из известных на сегодняшний день электрических машин КПД. КПД униполярных генераторов и двигателей более 98%. Униполярные генераторы по показателям КПД являются самыми экономичными, на сегодняшний день из известных преобразователей механического вращательного движения в постоянный электрический ток сверхбольшой величины и наоборот.

Из-за сверхбольших величин выходного тока, составляет определенную трудность осуществить надежный скользящий электрический контакт 13 с поверхностью вращающегося якоря 10. В современных униполярных генераторах используются контактные щеточные узлы с использованием жидких металлов (ртуть, эвтектические расплавы натрия и калия, галлия др. в среде инертных газов - аргон, азот), а также щеточные узлы с использованием низкотемпературной плазмы.

- 4 028078

В настоящее время для вращения роторов униполярных генераторов сверхсильных постоянных токов в непрерывных режимах работы используются двигатели сверхбольшой мощности, которая равна максимальной мощности униполярной машины (десятки МВт).

В силу определенной специфики (низкие напряжения и сверхбольшие токи) униполярные генераторы в настоящее время используются, в основном, для питания специальных низковольтных и сверхсильноточных электрических систем - электромагниты, электролитические ванны, ванны расплавов металлов, ускорители элементарных частиц, плавильные печи, химические процессы и производства и т.д.

В современных моделях униполярных генераторов разработчиками достигнуты показатели удельного веса генератора на киловатт производимой мощности порядка 1-1,3 кг/кВт. Это значит, что униполярные генераторы номинальной мощностью 10 МВт весят в среднем 10000 кг. Это вполне приемлемые массогабаритные показатели для использования униполярных генераторов в качестве источников сверхбольших токов в заявляемом способе электропитания рельсового электромагнитного ускорителя масс.

При работе униполярных генераторов в импульсных режимах производства сверхсильного тока можно снизить удельный вес генератора на 1 кВт производимой мощности до значений 0,3-0,5 кг/кВт. Эти показатели удельного веса, при проведении соответствующих научноисследовательских работ (далее по тексту НИР) в данной области, могут быть достигнуты за счет разработки эффективной электромагнитной конструкции, применения эффективного охлаждения узлов генератора и применения в щеточных узлах съема сверхсильного тока с якоря в качестве проводящей среды низкотемпературной плазмы. Применение низкотемпературных плазменных шнуров в качестве проводников в щеточных узлах импульсных униполярных генераторов значительно упростит их конструкцию, повысит безопасность работы, и радикально снизит вес этих электрических машин. Так, импульсный униполярный генератор усовершенствованной конструкции номинальной импульсной мощностью 10-12 МВт может весить менее 3000 кг.

В рельсовом электромагнитном ускорителе режим работы всей системы импульсно - циклический. Цикл работы системы состоит из импульса ускорения массы и времени подзарядки системы. Работа системы в режиме импульса ускорения занимает очень небольшое время (от долей секунд до нескольких секунд). А время подзарядки системы по длительности значительно больше - от долей минуты до нескольких минут. Поэтому при таком режиме не имеет смысла использовать привод вращения униполярного генератора с мощностью равной максимальной мощности униполярного генератора.

Так как униполярные машины в силу своего высокого КПД в режиме холостого хода потребляют очень небольшую от своей максимальной мощности энергию в пределах 0,1-0,5%, то для поддержания вращения униполярного генератора в режиме холостого хода во время подзарядки системы можно использовать вспомогательные двигатели сравнительно небольшой мощности.

Так, например, для модели униполярного генератора максимальным выходным током 300 кА, выходным напряжением 40 В, максимальной выходной импульсной мощностью 12 МВт и номинальной частотой вращения ротора 3000 об/мин вращение ротора на номинальных скоростях в режиме холостого хода можно поддерживать двигателем мощностью всего 10 кВт. В то же время при подключении номинальной нагрузки в постоянном режиме к вышеуказанному униполярному генератору для принудительного вращения его ротора необходим привод с мощностью, которая будет в состоянии обеспечить крутящий момент на валу генератора, при его номинальной мощности (т.е. 12 МВт).

Как показано на фиг. 3, в заявляемом способе электропитания рельсового электромагнитного ускорителя энергию для ускорения массы, накапливают и получают в, так называемой, механическоэлектромагнитной системе содержащей маломощный вспомогательный привод 15, механический аккумулятор кинетической энергии в виде массивного вращающегося маховика 16 и источник постоянного сверхсильного электрического тока 17, выполненный в виде униполярного генератора сверхсильных постоянных электрических токов.

Система работает в импульсном режиме. Вспомогательный привод малой мощности 15 (в зависимости от максимальной импульсной мощности всей системы и времени подзарядки механического аккумулятора его мощность может составлять от нескольких ватт до сотен киловатт) постепенно, в течение некоторого времени, раскручивает массивный маховик 16 механического аккумулятора энергии до номинальных оборотов. После того как достигнута номинальная скорость вращения маховика 16, маховик 16 имеет необходимый запас кинетической энергии и система может произвести импульс сверхсильного электрического тока.

Маховик 16 (в данном примере реализации системы) конструктивно жестко закреплен на валу униполярного генератора сверхсильных постоянных электрических токов 17. Во время импульса ускорения массы, когда электрическая цепь - генератор, рельсовый ускоритель, ускоряемая масса замкнута и в этом контуре течет сверхсильный электрический ток, раскрученный маховик 16, за счет сил инерции, в течение короткого времени вращает вал униполярного генератора 17 с очень большим крутящим моментом, отдавая свою накопленную кинетическую энергию для производства импульса сверхсильного электрического тока, при этом он теряет свою накопленную кинетическую энергию (уменьшает свою угловую скорость вращения).

- 5 028078

Параметры маховика 16 - геометрическая форма, материал изготовления, геометрические размеры, полярный момент инерции, масса, номинальная угловая скорость вращения - выбираются из расчета необходимой запасаемой механическим аккумулятором кинетической энергии.

Во время подзарядки системы вспомогательный привод небольшой мощности 15 восстанавливает заряд кинетической энергии механического аккумулятора (раскручивает маховик 16 до номинальных значений угловых скоростей).

При такой конструкции вся система в совокупности потребляет очень небольшую мощность, по сравнению со своей максимальной отдаваемой импульсной мощностью.

Маховиковый накопитель энергии (маховик) в различных конструкциях системы может выполняться как в качестве отдельной детали, так и в качестве конструктивно связанной с ротором генератора неотъемлемой части генератора. При этом маховик и ротор генератора составляют одно целое. В таких конструкциях достигается большая жесткость и надежность работы системы.

Униполярный генератор 17 является обратимой электрической машиной, т.е. при прохождении через якорь генератора электрического тока от внешнего источника ЭДС на ротор генератора от развиваемых электромагнитных сил начинает действовать крутящий момент и ротор начинает вращаться. В таком режиме униполярный генератор становится униполярным электродвигателем постоянного тока. Это свойство униполярной электрической машины можно использовать для постепенного раскручивания маховика. При этом отпадает необходимость во вспомогательном приводе вращения маховика 15. В такой конструкции генератор 17 и вспомогательный привод 15 конструктивно являются одной электрической машиной, а именно, механическо-электромагнитная система имеет в своем составе средства переключения генератора в режим электродвигателя, и использования последнего в качестве вспомогательного привода 15 маховикового накопителя энергии 16.

Объединив все три составляющие механическо-электромагнитной системы: маховик, униполярный генератор и вспомогательный привод можно сконструировать один импульсный энергетический модуль в виде одной униполярной электрической машины с массивным маховиковым ротором. При таком подходе можно значительно снизить массогабаритные характеристики импульсного источника электропитания рельсотрона.

Конструирование на основе настоящего заявленного способа электропитания рельсового ускорителя механическо-электромагнитных систем, предпочтительно, должно производиться с четным количеством маховиков и униполярных генераторов в одном энергетическом модуле. Пары маховиков и униполярных генераторов одного энергетического модуля должны иметь одинаковые механические и электрические параметры и вращаться в противоположные стороны. Это связано с тем, что маховики, как правило, обладают значительной массой и большим полярным моментом инерции. При криволинейном движении всего модуля в пространстве (например, при расположении на летательном аппарате, судне или движущейся наземной механической платформе) маховики будут, прецессируя, развивать значительные гироскопические моменты, влияющие на движение и положение всего модуля в пространстве.

При жестком закреплении встречно вращающихся парных маховиков с одинаковыми параметрами на одной раме, платформе или станине их гироскопические моменты будут взаимно компенсироваться.

Кроме того, во время импульса ускорения массы при генерации сверхсильных токов в униполярных генераторах возникают значительные динамические механические реакции ротор-статор (ротор генератора резко затормаживается). Эти механические силы могут, за счет накопленной кинетической энергии маховика, привести к механическому перемещению (опрокидыванию) всего модуля в пространстве. При конструировании модулей с парными одинаковыми и встречно вращающимися маховиками эти динамические механические реакции также взаимно компенсируются.

Все детали энергетических модулей: маховики, валы, подшипники, а также рамы и станины должны конструироваться с учетом возникающих динамических изгибающих или скручивающих нагрузок от гироскопических моментов вращающихся масс маховиков и механических реакций ротор-статор униполярных машин во время цикла ускорения массы.

На фиг. 4 схематично изображен вариант конструкции импульсного энергетического модуля питания рельсового электромагнитного ускорителя с двумя парными, встречно вращающимися вспомогательными приводами вращения маховиков 18, маховиками 19 и униполярными генераторами 20.

Электрические выходы парных униполярных машин 20 соединены параллельно с помощью токовых шин большого сечения 21.

Вся конструкция жестко закреплена на общей раме 22, при этом взаимно компенсируются скручивающие гироскопические нагрузки от маховиков 19 и изгибающие динамические нагрузки от механических реакций ротор-статор во время импульса ускорения массы, возникающие от электромагнитных сил, резко затормаживающих якоря в униполярных генераторах 20.

Следует немного сказать о конструировании маховиковых накопителей энергии. Вращающиеся маховики обладают, по сравнению с другими накопителями энергии, очень большим показателем накапливаемой удельной энергии на единицу вращающейся массы. При выполнении маховиков из металлов (в частности стали) показатели удельной энергии составляют порядка 20-30 кДж/кг массы маховика. Это значит, что маховик весом в 5000 кг, выполненный из соображений механической прочности из легиро- 6 028078 ванной термо- и механически обработанной стали (например, стальной кованый и закаленный маховик) может накопить порядка 150 МДж кинетической энергии.

При выполнении маховиков из более легких материалов показатели удельной энергии значительно вырастают. Так, при выполнении маховика из стеклопластика показатель удельной энергии равен порядка 150 кДж/кг. При выполнении маховика из современных углерод-углеродных и металл-углеродных композитов можно достичь показателей удельной энергии 300 кДж/кг. Наноструктурированные материалы, в силу своей суперпрочности (в настоящее время заявлено о создании наноструктурированных материалов в 15 раз прочнее стали на разрыв и малой удельной плотности), позволяют выполнить маховики с показателями удельной энергии свыше 4000-5000 кДж/кг массы маховика. Такой маховик из наноструктуированных композитных материалов весом в 100 кг может накапливать до 500 МДж кинетической энергии. Соответствующие НИР в этой области позволят создавать легкие и суперэнергоемкие маховики из композитных наноструктурированных материалов с необходимыми удельными показателями накапливаемой кинетической энергии.

Справочно, сравним показатели накапливаемой удельной энергии на 1 кг веса накопителя в механических маховиковых накопителях энергии и в альтернативных накопителях: конденсаторных и сверхпроводниковых индуктивных. Остальные накопители (электрохимические, гидравлические, пневматические и т.д.) не рассматриваются, так как они обладают большой инерционностью (не в состоянии мгновенно отдать большую мощность).

Современные конденсаторные накопители энергии имеют показатели предельной накапливаемой удельной энергии на уровне 3-5 кДж/кг массы конденсатора. К тому же, конденсаторные накопители энергии большой энергоемкости, как правило, выполняются высоковольтными и требуют большого времени для накапливания энергии.

Современные индуктивные сверхпроводниковые накопители энергии, без учета веса криогенных систем создания условий сверхпроводимости, имеют показатели накапливаемой предельной удельной энергии на уровне 30-40 кДж/кг массы сверхпроводника индуктивности. С учетом веса вспомогательных криогенных систем создания условий сверхпроводимости этот показатель оценочно снижается до уровня 1-3 кДж/кг. Кроме того, накопители энергии на основе сверхпроводниковых индуктивных накопителей очень сложны по конструкции, обладают большими габаритами и опасны в эксплуатации. При аварии выход сверхпроводника из состояния сверхпроводимости происходит мгновенно и приводит к мгновенному выделению всей накопленной в сверхпроводнике энергии в виде теплоты, что в мощных системах с большим количеством накопленной энергии равносильно взрыву.

Из этого сравнения видно, что при современном уровне развития техники и технологий механические маховиковые накопители энергии являются самыми выгодными, простыми, безопасными, надежными и наиболее емкими накопителями энергии для питания систем, требующих импульсных воздействий сверхсильными токами, в частности, рельсовых электромагнитных ускорителей.

Заявляемый способ электропитания рельсового электромагнитного ускорителя масс обладает очень хорошими показателями КПД. Приблизительные оценочные значения КПД всей системы получаются при разных конструктивных реализациях рельсотрона не ниже 0,74-0,95. Это значительно выше, чем в механических, гидравлических и некоторых электромагнитных трансмиссиях. При этом вся система за счет плавности разгона ускоряемого тела и отсутствия ограничений по получаемым максимальным скоростям ускоряемого тела обладает выходными импульсными силовыми параметрами, которые недостижимы никакими другими на сегодняшний день известными способами.

На фиг. 5 представлена диаграмма показателей КПД всей импульсной рельсовой механическоэлектромагнитной системы ускорения масс и каждого ее элемента в отдельности.

Самый худший показатель КПД наблюдается в собственно рельсовом электромагнитном ускорителе. Следует сказать, что КПД преобразования энергии импульса сверхсильного электрического тока в механическую тягу в рельсотроне, при проведении соответствующих НИР и реализации его высокоэффективных электромагнитных конструкций, может иметь значение такое же, как и в электромеханических преобразователях (электродвигателях) порядка 90-95%.

Если в рельсотронах использовать поддерживающие ускоряемую массу устройства типа магнитная подушка и электрические контакты типа плазменный шнур или плазменный поршень, то КПД рельсового ускорителя может составить значение порядка 99%. НИР в этой области особенно актуальны, потому что величина энергии импульса сверхбольшого тока при современном уровне развития техники имеет предельные значения, максимально возможные полученные импульсные сверхтоки составляют порядка 1800-2000 КА при длине импульса 10 с. Рациональное расходование энергии импульса электрического тока сверхбольшой величины на этом этапе преобразования энергии имеет первостепенное значение.

В заключение описания способа электропитания рельсового электромагнитного ускорителя, в качестве иллюстрации, приводится приблизительный расчет одноступенчатого варианта рельсового электромагнитного ускорителя с заявленным способом электропитания.

В качестве прототипа для сравнения эффективности заявленного, способа электропитания возьмем наиболее мощную из известных на сегодняшний день рельсовых электромагнитных систем - Корабель- 7 028078 ную рельсовую электромагнитную систему ВМФ США с максимальной заявленной выходной кинетической энергией ускоряемого тела, порядка 36 МДж и максимальной заявленной горизонтальной дальностью стрельбы порядка 200 км.

О поражающей способности данной системы можно судить из простого теплотехнического расчета. Простая латунная болванка весом в 5 кг (теплоемкость латуни 390 Дж/кг-К, удельная теплота плавления 175 кДж/кг) выпущенная из подобной электромагнитной системы с энергией 36 МДж при встрече с неподвижным суперпрочным препятствием за счет сжатия и деформации преобразует всю свою кинетическую энергию в теплоту, и ориентировочно разогреется до температуры 18 000°С, что вызовет мгновенное испарение снаряда и препятствия на его пути. За счет сил инерции возникнет направленный взрыв, разрушающий на своем пути даже самые современные сверхпрочные оборонительные системы. На сегодняшний день это наиболее мощное артиллерийское вооружение в мире.

О способе электропитания данного электромагнитного ускорителя ничего не известно, указывается только, что на борту корабля по косвенным данным имеется автономная ядерная энергетическая установка.

Альтернативный пример конструкции электромагнитного, рельсового ускорителя с заявленным способом электропитания приведен на фиг. 6 и представляет собой импульсный энергетический модуль питания, состоящий из двух вспомогательных приводов 23, двух маховиков 24, двух униполярных генераторов 25, соединенных параллельно с помощью шин 26, размещенных на одной платформе 27, соединительных электрических шин 28, устройства коммутации 29 и простейшего рельсового электромагнитного ускорителя, состоящего из двух параллельных рельсов 30, ускоряемого проводника 31 при помощи развиваемой электромагнитной силы 32, толкающего ускоряемую массу 33.

В качестве источников постоянного тока для питания рельсового ускорителя выбираем модель компактного униполярного генератора фирмы Α11ΐδ СНа1шег5 США (модель 1962г. выпуска). Данная модель униполярного генератора выпускалась в США на разные скорости вращения ротора от 3000 до 7200 об/мин и разные максимальные токи от 30 до 500 кА.

Данная модель униполярного генератора может использоваться как в непрерывном режиме, так и в импульсном режиме производства сверхсильных электрических токов, (до 300-500 кА).

Приблизительные параметры одной из моделей данного униполярного генератора приведены в табл. 1.

Таблица 1

№ п/п	Наименование параметра униполярного генератора	Ед. изм	Зна- чение
1	Выходное напряжение	Вольт	40
2	Номинальный рабочий ток	КА	60
2	Максимальный импульсный ток	КА	300
3	Номинальная электрическая мощность	МВт	2,4
4	Максимальная импульсная мощность	МВт	12
5	Номинальная мощность катушек возбуждения	кВт	2,4
6	Максимальная мощность катушек возбуждения Максимальная вспомогательная потребляемая	кВт	12
7	генератором мощность (возбуждение, охлаждение, циркуляция расплава)	кВт	15
8	Максимальная длина импульса тока	сек	3
9	Время достижения максимального тока	сек	1
10	Неравномерность максимального тока	%	1
11	Номинальная частота вращения ротора	Об/мин	3 000
12	Вес собственно генератора	кг.	3200
13	Общий вес с учетом вспомогательных механизмов	кг	5000
14	Относительный вес на ед. мощности	Кг/кВт	1,3

Данный униполярный генератор имеет очень простую конструкцию, и выполнен по электромагнитной схеме дисковой униполярной машины Форбса 1886 г.. Два стальных кованых якоря расположены на одной стальной оси и охвачены двумя массивными стальными статорами. В статорах генератора расположены две кольцевых катушки возбуждения. Магнитные потоки от катушек возбуждения пронзают стальные якоря ротора и направлены навстречу друг другу, тем самым исключается осевое смещение ротора при рабочем режиме протекания через якоря сверхсильного электрического тока.

- 8 028078

Ротор с установленными на нем якорями закреплен в герметичном корпусе с помощью радиальных шарикоподшипников. Съем тока с наружной и внутренней поверхностей вращающихся якорей осуществляется струйным методом с помощью подачи струи эвтектического расплава металлов: Натрия -56% и калия 44% (температура плавления расплава - минус 12°С). Эвтектический расплав в данной конструкции униполярного генератора подается к вращающемуся якорю через форсунки в специальные канавки якоря.

В данной конструкции униполярного генератора эвтектический расплав металлов ΝαΚ циркулирует по вспомогательному герметичному замкнутому контуру: насос для жидкого металла, трубопроводы, форсунки, якорь, картер генератора и попадает опять в насос для жидкого металла. При этом с помощью струй расплава истекающих из форсунок на вращающийся якорь устанавливается надежный электрический контакт с якорем униполярного генератора и струя расплава не оказывает значительного механического сопротивления вращению якоря.

Электрическая коммутация (включение-выключение) электрической цепи в данных моделях униполярного генератора осуществляется управлением струями эвтектического расплава ΝαΚ, подаваемыми через форсунки на якорь генератора.

Якорь генератора и эвтектический расплав ΝαΚ в процессе работы генератора нагреваются. Для охлаждения якоря и расплава генератор оборудован системой жидкостного охлаждения якоря и эвтектического расплава.

Генератор имеет компактную конструкцию, герметичный корпус, заполненный под избыточным давлением инертным газом (осушенный азот).

Данный униполярный генератор был разработан в 1962 г. и серийно выпускался американской машиностроительной фирмой по производству сельхозмашин Άίΐίδ Сйа1шег8 по заказам научноисследовательских центров ΝΛ8Λ. В основном вышеописанный униполярный генератор использовался в непрерывных режимах работы для выработки сверхсильных токов в течение продолжительного времени в испытательных установках по получению сверхсильных магнитных полей. Подобные, а также более мощные униполярные машины (до токов 2000 кА) выпускает также компания ΟΕΝΈΚΑΕ ЕЬЕСТШС, США.

В других странах также производятся подобные сверхсильноточные униполярные электрические машины, к примеру в Германии подобные генераторы выпускает компания 8ΙΕΜΕΝ8. В настоящий день в мире производятся и эксплуатируются в научных учреждениях и различных производствах разных стран различные конструкции униполярных генераторов постоянного сверхсильного тока на максимальные токи от 10 до 2000 кА.

К сожалению, не удалось найти данных об отечественных образцах подобных униполярных генераторов.

Современные импортные образцы униполярных генераторов обладают достаточно приемлемыми массогабаритными и энергетическими параметрами.

Самое главное, как уже отмечалось выше, униполярные электрические машины обладают самым высоким КПД среди электрических динамо-машин (более 98%), что делает их на сегодняшний день незаменимыми в качестве экономичных импульсных преобразователей кинетической энергии вращения в импульсный электрический ток сверхбольшой величины.

Для рассматриваемого примера выбираем два вышеописанных униполярных генератора.

В качестве механического аккумулятора энергии, накапливающего энергию, необходимую для работы импульсного электромагнитного ускорителя, используем два стальных маховика, по форме выполненных в виде дисков. Маховики, из соображений механической прочности, выполнены из легированной конструкционной стали с габаритными параметрами, приведенными в табл. 2.

Примечание: Расчет как маховиков, так и остальных узлов системы носит приблизительный характер и приведен в качестве примера. В расчете не учитывались динамические нагрузки и запасы прочности деталей.

- 9 028078

Таблица 2

В качестве вспомогательного электропривода вращения механического аккумулятора энергии можно использовать любые двигатели, например, внутреннего сгорания, дизельные, турбины, электродвигатели - коллекторные, синхронные, асинхронные, шаговые и т.д., а также и сам униполярный генератор, в режиме работы униполярного электродвигателя, с расчетными параметрами мощности, скорости вращения вала и крутящего момента на валу.

В качестве примера для вспомогательного привода выбираем два высокоскоростных двигателя постоянного тока концерна δΙΕΜΕΝδ Германия. Модель двигателя ЮО6-228 мощностью 230 кВт. Характеристики электродвигателей вспомогательного электропривода приведены в табл. 3.

- 10 028078

Таблица 3

№ п/п	Наименование параметров вспомогательного электропривода	Ед. изм	Зна- чение
1	Мощность одного электродвигателя вспомогательного привода	кВт	230
2	Минимальная частота вращения вала	Об/мин	1500
3	Максимальная частота вращения ротора электродвигателя	Об/мин	3000
4	Крутящий момент на валу двигателя	Н*м	1500
5	Масса электродвигателя	Кг.	300
	Количество электродвигателей вспомогательного привода	ШТ	2
6	Минимальное время первоначального разгона неподвижных маховиков до номинальной частоты вращения 3000 об/мин	мин	8
7	Время подзарядки механического аккумулятора после одного цикла ускорения массы с номинальной с энергией 12 МДж	сек.	40
8	Время подзарядки механического аккумулятора после одного цикла ускорения массы с энергией 36 МДж	сек	120

Примечание: Мощность вспомогательного привода может быть значительно снижена до 15-20 кВт, в этом случае увеличится время подзарядки маховикового накопителя энергии (до 15 мин.)

Электрическая коммутация сильноточных цепей устройства осуществляется средствами управления униполярным генератором. С помощью управления форсунками генератора (включением и выключением струй эвтектического расплава ΝαΚ).

Все остальные элементы системы: проводники, собственно рельсовый ускоритель, ускоряемое тело, станины, кронштейны, электрические шины должны быть выполнены с помощью стандартных методик расчета механической и электрической прочности. И должны иметь стандартные расчетные параметры, исходя из допустимых значений механической прочности материалов и конструкции. Токопроводящие шины должны иметь расчетное сечение, исходя из максимальных допустимых плотностей тока в применяемых материалах.

Приблизительные расчетные выходные силовые параметры и общие технические характеристики данного примера реализации заявленной одноступенчатой системы импульсного рельсового механическо-электромагнитного ускорителя масс приведены в табл. 4.

- 11 028078

Таблица 4

№ п/п	Наименование параметра Импульсного ускорителя	Ед. изм	Значение
1	Номинальная энергия ускорителя	МДж	12
2	Максимальная энергия ускорителя	МДж	36
3	Максимально возможная энергия ускорителя	МДж	50
4	Приблизительная оценочная максимальная дальность горизонтального полета снаряда	КМ	300-350
5	Общая максимальная потребляемая электрическая мощность всей системы	кВт	420
6	Номинальная длина импульса ускорения	сек	1
7	Максимальная длина импульса ускорения	сек	6
	Номинальная частота вращения маховика
8	(механический аккумулятор полностью заряжен и	Об/мин	3000
	система готова к ускорению)
	Минимальная частота вращения маховика
9	(механический аккумулятор частично разряжен после одного цикла ускорения с энергией 36 МДж) Время подзаряда механического аккумулятора	Об/мин	2600
10	энергии (раскручивания маховика после одного цикла ускорения с энергией 12МДж) Время подзаряда механического аккумулятора	сек	40
11	энергии (раскручивания маховика после одного цикла ускорения с энергией ЗбМДж) Приблизительное минимальное время приведения системы в готовность к циклу ускорения, время первоначального заряда	сек	120
12	механического аккумулятора (время раскручивания полностью остановленного маховика до номинальной частоты его вращения 3000 об/мин)	мин	8
	Приблизительный общий вес системы 1 Вспомогательный привод- 2 х 300кг
13	2 Маховики 2 х 3000кг 3 Униполярные генераторы 2 х 5000кг 4 рельсовый ускоритель 1000кг. 5 Вспомогательные устройства и станина 5000кг	кг.	22 600

Примечание к п.5 табл. 4: Общая максимальная потребляемая мощность всей системы может быть значительно снижена (до 20 кВт). В этом случае в системе значительно увеличится время подзарядки механического аккумулятора - раскручивания маховиков до величин порядка 15 мин.

Примечание к п.13 табл. 4: Общий максимальный вес системы за счет использования маховиков из современных композитных материалов, использования специально разработанных для подобных целей импульсных комбинированных униполярных машин и эффективной конструкции всей системы в целом ориентировочно может быть снижен до 5000 кг.

Как видно из табл. 4 общих технических характеристик приведенного в качестве примера одноступенчатого варианта импульсного рельсового механическо-электромагнитного ускорителя масс система при очень хороших выходных силовых характеристиках (максимальная энергия ускорения 50 МДж) обладает достаточно приемлемыми характеристиками энергопотребления и массогабаритными параметрами, позволяющими размещать такие системы не только на морских судах, но и на летательных аппаратах, а также передвижных сухопутных платформах.

Совместно со способом электропитания рельсового электромагнитного ускорителя также заявляется эффективная электромагнитная конструкция рельсотрона.

- 12 028078

Для увеличения КПД преобразования электрического тока в механическую тягу рельсовый электромагнитный ускоритель должен конструироваться со средствами создания внешнего магнитного поля с силовыми линиями, расположенными преимущественно перпендикулярно движению электрического тока в ускоряемом проводнике и направлению движения ускоряемого проводника вдоль токопроводящих рельсов. Это позволит значительно снизить питающие рельсотрон электрические токи при одинаковых выходных силовых параметрах систем и, тем самым, увеличить КПД рельсотронов до значений КПД коллекторных электродвигателей постоянного тока.

Как известно, механическая сила, действующая на проводник с электрическим током во внешнем магнитном поле при перпендикулярном расположении проводника с током к магнитным силовым линиям, прямо пропорциональна силе тока в проводнике и величине магнитной индукции.

Так, к примеру, при магнитной индукции внешнего магнитного поля в 1 Вб/кв.м, длине проводника (расстояние между рельсами) 0,15 м и силе тока в ускоряемом проводнике 300 кА только от внешнего магнитного возбуждения получается дополнительное тяговое усилие в рельсотроне порядка 45 кН или 4600 кГс.

Для сравнения, индукция магнитного поля от собственно направляющего контактного рельса с током в 300 кА при традиционной реализации электромагнитной конструкции рельсотрона во время импульса ускорения составит порядка 1 Вб/кв.м. Таким образом, видно, что силовые параметры рельсотрона с внешним магнитным возбуждением значительно улучшаются.

В настоящее время промышленностью выпускаются методом порошковой металлургии сверхсильные бор-неодимовые ферромагнетики (Νά-Ре-В). Эти постоянные магниты выдерживают нагрев до температуры 330°С без ухудшения своих магнитных свойств и практически не размагничиваются внешним магнитным полем. Такие постоянные магниты могут создавать значительные постоянные магнитные поля в рельсотронах и с успехом применяться в их электромагнитных конструкциях.

Поставленная задача создания эффективной электромагнитной конструкции рельсотрона решена следующим образом.

Эффективная электромагнитная конструкция рельсотрона содержит параллельные токопроводящие рельсы с расположенным между ними по меньшей мере одним ускоряемым проводником, электрически контактирующим с упомянутыми рельсами и средства создания внешнего магнитного поля с силовыми линиями, расположенными преимущественно перпендикулярно движению электрического тока в упомянутом ускоряемом проводнике и направлению движения упомянутого ускоряемого проводника вдоль токопроводящих рельсов, отличающаяся тем, что поступательное движение упомянутого ускоряемого проводника вдоль токопроводящих рельсов получают за счет развиваемой в конструкции механической силы, действующей на ускоряемый проводник при протекании через него электрического тока и развиваемой за счет электромагнитного взаимодействия электрического тока в ускоряемом проводнике и суммарного внешнего магнитного поля, созданного упомянутыми средствами создания внешнего магнитного поля и рельсовыми проводниками с электрическим током.

На фиг. 7 приведен, вариант электромагнитной конструкции рельсотрона с дополнительным магнитным возбуждением, выполненным при помощи постоянного магнита 33, расположенного вдоль направляющих рельсов 34, с одной из сторон (в данном случае снизу) от плоскости, содержащей направляющие рельсы, и формирующего в пространстве между рельсами преимущественно перпендикулярный току в ускоряемом проводнике 35 и направлению движения ускоряемого проводника 35 магнитный поток В (обозначено пунктирными линиями-эллипсами). Магнит 33 может быть выполнен как в виде одной детали, так и в виде детали, составленной из отдельных магнитов с соблюдением правильной ориентации полюсов для создания однородного магнитного потока одной полярности.

Под действием электромагнитных сил Р, развиваемых от взаимодействия протекающего в ускоряемом теле электрического тока I и суммарного магнитного потока В (от рельсов с током и средств создания внешнего магнитного потока), на ускоряемое тело 35 начинает действовать механическая сила Р, под действием которой тело 35 поступательно перемещается ν вдоль рельсов 34 с ускорением.

Правило, по которому развивается механическая сила, схематично показано на фиг. 7 в виде Правой руки. Проводник с током I (ускоряемое тело) условно расположен вдоль пальцев правой руки, магнитная индукция перпендикулярна ладони и выходит из нее, при таком взаимодействии магнитной индукции и текущего электрического тока развивается механическая сила Р электромагнитной природы, которая направлена вдоль отогнутого большого пальца правой руки.

На фиг. 8 приведен вариант электромагнитной конструкции рельсотрона с дополнительным магнитным возбуждением, выполненным при помощи постоянного магнита 36, расположенного вдоль направляющих рельсов 37, с одной из сторон от плоскости, содержащей направляющие рельсы 37 (в данном случае сверху), и формирующий преимущественно перпендикулярный току I и направлению движения ускоряемого тела 38 магнитный поток В, пронизывающий ускоряемое тело 38 в пространстве между рельсами 37 с расположением силовых линий преимущественно перпендикулярно плоскости, содержащей направляющие рельсы 37. Работа системы и правила создания механических сил на фиг. 8 аналогичны работе системы, описанной на фиг. 7.

- 13 028078

На фиг. 9 приведен вариант электромагнитной конструкции рельсотрона с дополнительным магнитным возбуждением, выполненным при помощи постоянных магнитов 39, расположенных вдоль направляющих рельсов 40, с двух сторон от плоскости, содержащей направляющие рельсы 40, сверху и снизу, и формирующие преимущественно перпендикулярный току I и направлению движения ускоряемого тела 41 магнитный поток В в пространстве между рельсами.

В данной электромагнитной конструкции рельсотрона, в отличие от электромагнитных схем, изображенных на фиг. 7 и 8, внешний магнитный поток В создается двумя магнитами 39, расположенными сверху и снизу от ускоряемого тела 41. При этой конструкции получается более равномерный и в два раза более сильный магнитный поток В, пересекающий ускоряемое тело 41. В остальном работа системы и правила создания механической силы на фиг. 9 аналогичны работе систем, описанных на фиг. 7 и 8.

На фиг. 10 приведен вариант электромагнитной конструкции рельсотрона с дополнительным магнитным возбуждением, выполненным при помощи постоянных магнитов 42, расположенных вдоль направляющих рельсов 43, с двух сторон от них в плоскости, содержащей направляющие рельсы 43, и формирующих магнитный поток В, пронизывающий ускоряемое тело 44 в пространстве между рельсами 43 с расположением силовых линий преимущественно перпендикулярно плоскости, содержащей направляющие рельсы 43.

В остальном работа системы на фиг. 10 аналогична работе системы, описанной на фиг. 9.

Во всех вышеописанных на фиг. 7-10 электромагнитных конструкциях рельсотронов постоянные магниты могут быть конструктивно объединены с направляющими рельсами и представлять собой конструктивно одну деталь рельсотрона (рельс специальной конфигурации, например, может выполняться биметаллическим с намагниченными участками).

На фиг. 11 приведен вариант электромагнитной конструкции рельсотрона со средствами создания дополнительного магнитного возбуждения, выполненными в виде электромагнита 45, расположенного вдоль направляющих рельсов 46, с одной из сторон от плоскости, содержащей направляющие рельсы 46 (в данном случае сверху) и формирующего магнитный поток, пронизывающий ускоряемое тело 47 в пространстве между рельсами 46 с расположением силовых линий, преимущественно, перпендикулярно плоскости, содержащей направляющие рельсы 46.

Как показано на фиг. 11, по рельсам 46 через тело 47 течет сверхбольшой электрический ток I. Последовательно с электрической цепью рельсового ускорителя включена катушка электромагнита 45. Катушка 45 расположена сверху ускоряемого тела 47 параллельно рельсам 46. Катушка 45, а также рельсы 46 при протекании через них электрического тока I создают вокруг себя, по правилу буравчика, магнитное поле В (обозначено пунктирными линиями-эллипсами). В промежутке между рельсами и катушкой при такой электромагнитной конструкции рельсотрона магнитное поле В получается однородным вдоль всего рельсотрона. Силовые линии магнитного поля В пронизывают ускоряемое тело 47 и расположены преимущественно перпендикулярно направлению тока I и перпендикулярно направлению движения ускоряемого тела 47 вдоль рельсов. На ускоряемое тело 47 начинает действовать электромагнитная сила Р, которая сообщает телу 47 механический импульс, продвигая тело 47 в пространстве вдоль направляющих рельсов 46 с ускорением.

После того как ускоряемое тело 47 вылетает из ускорителя, электрическая цепь разрывается, электрический ток прекращается и магнитный поток В от катушки 45 и рельсов 46 исчезает.

При замыкании электрической цепи следующим телом 47 цикл ускорения повторяется.

На фиг. 12 приведен вариант электромагнитной конструкции рельсотрона со средствами дополнительного магнитного возбуждения, выполненными в виде электромагнита 48, расположенного вдоль направляющих рельсов 49, с одной из сторон от плоскости, содержащей направляющие рельсы 49 (в данном случае снизу) и формирующего магнитный поток, пронизывающий ускоряемое тело 50 в пространстве между рельсами 49 с расположением силовых линий, преимущественно перпендикулярно плоскости, содержащей направляющие рельсы 49.

Правило создания механической силы и работа рельсотрона, показанного на фиг. 12, аналогичны работе рельсотрона, показанного на фиг. 11.

На фиг. 13 приведен вариант электромагнитной конструкции рельсотрона с дополнительным магнитным возбуждением, выполненным при помощи электромагнитов 51, расположенных вдоль направляющих рельсов 52, с двух сторон от плоскости, содержащей направляющие рельсы 52, сверху и снизу, и формирующие преимущественно перпендикулярный току I в ускоряемом проводнике (теле) 53 и направлению движения ускоряемого тела 53 магнитный поток В в пространстве между рельсами.

В данной электромагнитной конструкции рельсотрона, в отличие от электромагнитных схем, изображенных на фиг. 11 и 12, внешний магнитный поток В создается двумя электромагнитами 51, расположенными сверху и снизу от ускоряемого тела 53. При этой конструкции получается более равномерный и в два раза более сильный магнитный поток В, пересекающий ускоряемое тело 53. В остальном работа системы и правила создания механических сил на фиг. 13 аналогичны работе систем, описанных на фиг. 11 и 12.

На фиг. 14 приведен вариант электромагнитной конструкции рельсотрона с дополнительным магнитным возбуждением, выполненным при помощи электромагнита 54, катушка которого расположена

- 14 028078 вдоль направляющих рельсов 55, в плоскости, содержащей направляющие рельсы 55, и формирующая магнитный поток В, пронизывающий ускоряемое тело 56 в пространстве между рельсами 55 с расположением силовых линий, преимущественно, перпендикулярно плоскости, содержащей направляющие рельсы 55. В остальном работа системы на фиг. 14 аналогична работе системы, описанной на фиг. 11-13.

Во всех вышеописанных на фиг. 11-14 электромагнитных конструкциях рельсотронов электромагниты могут быть включены как последовательно в цепь ресотрона, так и параллельно ей. Также вспомогательные электромагниты могут иметь питание от отдельного источника ЭДС. Электромагниты для оптимизации магнитного потока предпочтительно должны иметь сердечники (магнитопроводы) из магнитомягкой электротехнической стали, композиционных магнитомягких материалов или сплавов с большими показателями магнитной проницаемости (например, супермалой) сердечники могут быть конструктивно объединены с направляющими рельсами и представлять собой конструктивно одну деталь рельсотрона.

Основной проблемой при конструировании собственно рельсовых электромагнитных ускорителей рельсотронов является обеспечение надежного электрического контакта подвижного ускоряемого проводника (ускоряемого тела), уменьшение паразитных дуговых потерь от скользящего электрического контакта рельс - ускоряемый проводник. Также проблемой является электродуговое приваривание ускоряемой массы к рельсу и разрушение неподвижных электродов (рельсов) от воздействия больших токов в процессе эксплуатации системы.

Оптимальные и возможные способы обеспечения надежного электрического контакта достаточно хорошо исследованы и многократно описаны в специальной литературе и патентах. В настоящем описании эти технические решения подробно не рассматриваются.

Заявленные электромагнитные конструкции рельсовых ускорителей могут иметь как одноступенчатую, так и многоступенчатую конструкции. При одноступенчатой конструкции ускорение происходит за счет энергии одного импульсного энергетического модуля, питающего одну ступень ускорителя.

При многоступенчатой конструкции ускоряемое тело приобретает первоначальный разгон на первой ступени и в дальнейшем ускоряется на последующих ступенях. При многоступенчатой конструкции могут быть достигнуты более высокие скорости ускоряемых масс, вплоть до космических. Можно реализовать более плавный процесс ускорения. В многоступенчатых ускорителях, по сравнению с одноступенчатыми, можно ускорять значительно большие массы за счет сообщения им гораздо больших кинетических энергий. При многоступенчатой конструкции в целом повышается эффективность работы системы и значения КПД.

На фиг. 15 схематично показан вариант многоступенчатой системы электромагнитного ускорителя. Каждая ступень многоступенчатой системы ускорителя содержит собственный импульсный энергетический модуль питания 57 и рельсовый электромагнитный ускоритель 58. Ускоряемое тело 59, последовательно проходя ступени, собой замыкает электрические цепи рельсовых ускорителей 58 на каждой ступени, приобретает за счет развиваемых электромагнитных сил порцию кинетической энергии и, равномерно ускоряясь, плавно продвигается вдоль всей многоступенчатой системы ускорителя. Тем самым достигаются большие по времени многоступенчатые циклы ускорения.

Как отмечалось выше, у данных устройств отсутствует предел ограничения развиваемой скорости (скорость ограничивается по теории относительности только скоростью света).

Область применения такого рода систем достаточно широка. На основе подобных систем можно конструировать любые многоуровневые и многоступенчатые системы ускорения/торможения масс.

Это могут быть двигательные системы мирного назначения, например для наземного, в частности, железнодорожного транспорта, системы ускорения и транспортирования масс в технологических процессах.

На основе таких систем можно строить системы военного назначения, например системы ускорения - пусковые аппараты (катапульты) для летательных и космических аппаратов, ракет, торпед, артиллерийские орудия, легкое стрелковое оружие и т.д., системы торможения - различные электромагнитные ловушки и т.д.

Конструируя такого рода многоуровневые и многоступенчатые ускорители масс, можно легко достичь скоростей, эквивалентных космическим и, тем самым, значительно облегчить вывод космических аппаратов на орбиту, не затрачивая при этом огромных средств на построение и обслуживание мощных грузовых ракет-носителей и космодромов. В частности, разместив такие многоступенчатые рельсовые ускорители на самолетах, можно получить кинетические энергии, значительно облегчающие вывод легких космических аппаратов с высоколетящих самолетов на орбиту.

На основе заявленного способа электропитания рельсового электромагнитного ускорителя и электромагнитной конструкции рельсотрона можно также конструировать мощные наземные и частично подземные пусковые многоступенчатые электромагнитные установки шахтного типа.

К примеру, разместив многоступенчатый ускоритель, изображенный на фиг. 15, в вертикальной (наклонной по ходу вращения Земли) подземной шахте либо на склоне горы, можно использовать данный ускоритель для запуска относительно небольших тел с сообщенными им кинетическими энергиями, значительно облегчающими вывод этих тел на орбиту.

- 15 028078

Так как максимальные скорости ускоряемых тел в подобных системах ограничиваются только скоростью света, то на основе заявленного способа, электропитания ускорителя можно также конструировать пусковые установки, расположенные в ближнем космосе, работающие в условиях вакуума и невесомости для запуска тел в вакууме с очень высокими скоростями, недостижимыми на Земле традиционными, уже известными, методами (в частности, с помощью взрыва или реактивной тяги химического или химическо-ионного реактивного двигателя). При запуске с таких пусковых установок телам в рельсовых ускорителях с использованием магнитных подушек можно сообщать начальное ускорение очень больших величин. Тем самым, можно значительно сократить затраты на запуск зондов для дальнего космического зондирования а также сократить время проведения операций по дальнему космическому зондированию.

На основе заявляемого способа электропитания рельсового электромагнитного ускорителя и электромагнитной конструкции рельсотрона можно конструировать простейшие импульсные электромагнитные реактивные двигатели.

Заявляется также импульсный рельсовый электромагнитный реактивный двигатель, закрепленный на объекте, состоящий по меньшей мере хотя бы из одного рельсового электромагнитного ускорителя со способом электропитания по п.1 и по меньшей мере одного тела, обладающего массой, отличающийся тем, что реактивный импульс приобретается упомянутым объектом за счет ускорения в упомянутом рельсовом ускорителе упомянутого тела с последующим отбрасыванием последнего от упомянутого объекта.

На фиг. 16 изображен вариант такого (в частности, двухступенчатого) импульсного электромагнитного реактивного двигателя, который может быть сконструирован на основе заявляемых способа электропитания рельсового электромагнитного ускорителя и электромагнитной конструкции рельсотрона.

Как показано на фиг. 16, автономный аппарат 60, находясь в слабом внешнем гравитационном поле, имеет на борту импульсный (например, двухступенчатый) рельсовый электромагнитный ускоритель масс, питающийся от солнечной батареи 61. На борту аппарата имеется запас тел 62, которые расходуются по мере надобности. Когда нужно сообщить аппарату механический импульс ускорения для придания ему поступательного прямолинейного движения либо маневра, ускоритель подключается к солнечной батарее. В солнечной батарее 61 энергия солнечного излучения преобразуется в электрическую энергию, во вспомогательном приводе вращения маховиков электрическая энергия преобразуется в механическую кинетическую энергию вращения масс маховиков, кинетическая энергия вращающихся маховиков преобразуется в униполярных генераторах в электрический импульс и электрический импульс преобразуется в рельсовом электромагнитном ускорителе в кинетическую энергию поступательного движения массы 63 ускоряемого тела. Ускоряемое тело приобретает в рельсовом электромагнитном ускорителе кинетическую энергию и прямолинейно двигается вдоль рельс ускорителя. Во время плавного и равноускоренного движения тела 63 автономный аппарат 60 приобретает реактивный импульс К и также плавно и равноускоренно двигается в противоположную направлению движения ускоряемого тела сторону. Тело 63, ускоряясь в рельсовом ускорителе, с высокой скоростью отбрасывается за борт аппарата 60. При этом сам аппарат во время ускорения тела в рельсовом ускорителе приобретает реактивный механический импульс К с кинетической энергией, равной половине кинетической энергии импульса ускорения отбрасываемого тела. С помощью этих реактивных импульсов К аппарат может последовательно прямолинейно ускоряться или замедляться в пространстве либо совершать маневр У_К. Гироскопы 64 на борту аппарата своей кинетической энергией стабилизируют положение аппарата в пространстве во время цикла ускорения массы 63 и компенсируют неравномерность распределения массы на борту аппарата 60.

В результате автономный аппарат при помощи солнечной энергии и с помощью заявляемого ускорителя приобретает активную кинетическую подвижность в пространстве без использования традиционных, активного - химического реактивного и пассивного, с помощью внешних гравитационных полей способов изменения скорости и траектории движения.

Используя подобный простейший метод создания реактивной тяги с помощью электромагнитных полей, можно значительно повысить удельную энергетическую мощность, надежность и безопасность работы двигательных систем различных автономных аппаратов.

Ускоряя и отбрасывая малые массы с очень большими кинетическими энергиями, можно достичь более высоких показателей удельной реактивной кинетической энергии на единицу отбрасываемой массы, чем в традиционных химических реактивных двигателях. При этом сама двигательная установка не несет в себе запаса энергии и использует лучевую энергию солнца.

Как известно, химические реактивные двигатели имеют предел скорости отбрасываемой массы и, как следствие, в химических реактивных двигателях существует предел значений получаемой удельной кинетической энергии на единицу отбрасываемой массы. Это связано с тем, что существуют предельные значения энергий запасенных в химических формулах топлива реактивных двигателей, предельные безопасные значения скорости протекания химических реакций окисления топлива в реактивных двигателях и из-за явлений трения и вязкости любой среды существуют предельные скорости движения отбрасываемой массы окисленного топлива в соплах традиционных химических реактивных двигателей.

- 16 028078

В заявленных конструкциях импульсных электромагнитных ускорителей, работающих в условиях вакуума при использовании магнитных средств поддержания положения ускоряемой массы типа магнитная подушка и способов создания электрического контакта с помощью плазмы (плазменных поршней), теоретически может быть достигнута предельная скорость разгона ускоряемого тела, равная скорости света, при общем КПД преобразования энергии во всей системе не хуже 0,95. Поэтому при проведении соответствующих НИР в этой области возможно создание высокоэффективных конструкций подобных электромагнитных реактивных двигателей с показателями значений сообщаемой удельной кинетической энергии на единицу отбрасываемой массы значительно превышающими традиционные реактивные и реактивно-ионные двигатели.

Создание на основе заявляемых способа электропитания рельсового электромагнитного ускорителя, электромагнитных конструкций рельсотронов и импульсного электромагнитного реактивного двигателя различных двигательных систем и ускорителей является очень перспективным направлением развития современной техники.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Применение рельсового электромагнитного ускорителя в качестве двигателя, развивающего реактивную тягу посредством отбрасывания тела, обладающего массой.