RU2744433C1

RU2744433C1 - Electromagnetic mass accelerator

Info

Publication number: RU2744433C1
Application number: RU2019109068A
Authority: RU
Inventors: Владимир Андреевич Керножицкий; Алексей Васильевич Колычев; Роман Юрьевич Ходаков; Олег Игоревич Гнилуша; Василий Станиславович Армус
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2021-03-09

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to throwing equipment, and more specifically to electromagnetic throwers. Electromagnetic mass accelerator includes housing, rails and projectile on them. Needle-shaped emission layer of material with low work function of electrons is deposited on open surface of projectile. Anodes of electrically conductive material are arranged on mass accelerator housing opposite the rail. Anodes are electrically connected in series through the voltage source and rail to the cathode.EFFECT: cooled shell.1 cl, 1 dwg

Description

Заявляемое изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности, к электромагнитным ускорителям, способных доставить полезную нагрузку на орбиту. И может быть применена для разгона полезной нагрузки до орбитальных скоростей.The claimed invention relates to rocket and space technology, in particular, to electromagnetic accelerators capable of delivering a payload into orbit. And it can be used to accelerate the payload to orbital speeds.

Известен электромагнитный ускоритель масс по патенту США №US 8,371,205 В1. Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУ) содержит, по меньшей мере, два удлиненных высоковольтных рельса, скользящую арматуру, которая электрически контактирует с каждой шиной высокого напряжения, по меньшей мере, двумя удлиненными металлическими опорными балками, выполненными с возможностью обеспечения механической прочности ЭМУ, причем опорные балки параллельны высоковольтным рельсам и множество металлических опорных пластин, выровненных по периметру вокруг опорных балок, и по длине рельсового пути упомянутые опорные пластины, выполненные с возможностью обеспечения дополнительной механической прочности ЭМУ: при этом опорные пластины электрически изолированы друг от друга и от опорных балок.Known electromagnetic mass accelerator according to US patent No. US 8,371,205 B1. The electromagnetic mass accelerator (EMU) contains at least two elongated high-voltage rails, a sliding armature that is electrically in contact with each high-voltage bus, at least two elongated metal support beams configured to provide the mechanical strength of the EMU, and the support beams parallel to the high-voltage rails and a plurality of metal support plates aligned perimeter around the support beams, and along the length of the rail track, said support plates made with the possibility of providing additional mechanical strength to the EMU: while the support plates are electrically isolated from each other and from the support beams.

Известна арматура для электромагнитного ускорителя масс по патенту США №US 5237904А. Данное изобретение относится к арматуре / снаряду для запуска через магнитную движущую силу электромагнитного ускорителя масс и, более конкретно, к арматуре / снаряду, сконфигурированной для уменьшения концентрации тока в хвосте и распределения тока в направлении носа, чтобы уменьшить или устранить местный перегрев и внутреннее напряжение, балансируя электрически индуцированную движущую силу и инерционную силу в арматуре / снаряде.Known fittings for an electromagnetic mass accelerator according to US patent No. US 5237904A. This invention relates to an armature / projectile for launching through a magnetic motive force of an electromagnetic mass accelerator, and more specifically, to an armature / projectile configured to reduce the concentration of current in the tail and distribute the current towards the nose in order to reduce or eliminate local overheating and internal stress. balancing the electrically induced driving force and inertial force in the armature / projectile.

Недостатком аналогов является низкая надежность по причине интенсивного нагрева снаряда, вызванного механическим взаимодействием снаряда и рельс и прохождением тока высокой интенсивности.The disadvantage of analogs is low reliability due to the intense heating of the projectile caused by the mechanical interaction of the projectile and the rail and the passage of high intensity current.

Наиболее близкими к сущности заявляемого изобретения является: классический электромагнитный ускорителя масс, описанный в статье «На орбиту - на электровозе» журнала «Российский космос» (№9, 2011).Closest to the essence of the claimed invention is: a classical electromagnetic mass accelerator, described in the article "Into orbit - on an electric locomotive" of the magazine "Russian space" (No. 9, 2011).

ЭМУ состоит из 2-х параллельных элементов, называемых рельсами, подключенных к источнику постоянного тока. На рельсах располагают массу (снаряд), которую необходимо ускорить.The EMU consists of 2 parallel elements, called rails, connected to a direct current source. A mass (projectile) is placed on the rails, which must be accelerated.

Ускоритель масс по прототипу работает следующим образом, подается ток на один рельс, он проходит через этот рельс, далее через снаряд и через второй рельс возвращается к источнику постоянного тока. В результате образуется магнитное поле, которое, при взаимодействии с протекающем в снаряде электрическим током, обуславливает возникновение силы Ампера, приложенной к снаряду и приводящей его в движение с ускорением.The mass accelerator according to the prototype works as follows, current is supplied to one rail, it passes through this rail, then through the projectile and through the second rail it returns to the direct current source. As a result, a magnetic field is formed, which, when interacting with an electric current flowing in the projectile, causes the emergence of an Ampere force applied to the projectile and setting it in motion with acceleration.

Недостаток прототипа - интенсивный нагрев снаряда, что приводит к низкой надежности электромагнитного ускорителя масс, снижению дальности и скорости на выходе у метаемого объекта.The disadvantage of the prototype is the intense heating of the projectile, which leads to low reliability of the electromagnetic mass accelerator, a decrease in the range and speed at the exit from the projectile.

Техническая задача, вытекающая из критики аналогов и прототипа: увеличение надежности ЭМУ.A technical challenge arising from criticism of analogs and prototype: increasing the reliability of the EMU.

Указанная техническая задача решается тем, что на открытой поверхности снаряда нанесен эмиссионный слой из материала с низкой работой выхода электронов, поверхность которого имеет игольчатую форму. Снаряд и эмиссионный слой образуют собой катод. На внутренней поверхности корпуса ЭМУ, напротив всей длины рельс установлены аноды, выполненные из электропроводящего материала, которые электрически последовательно через источник напряжения, рельс и снаряд связаны с эмиссионным слоем.This technical problem is solved by the fact that on the open surface of the projectile is applied an emission layer of a material with a low work function of electrons, the surface of which has an acicular shape. The projectile and the emission layer form the cathode. On the inner surface of the EMU body, opposite the entire length of the rail, there are anodes made of an electrically conductive material, which are electrically connected in series with the emission layer through the voltage source, the rail and the projectile.

Технический эффект, достигаемый при реализации изобретения заключается в том, что за счет охлаждения массы снаряда существенно снижаются температурные напряжения и деформация снаряда при нагреве и вследствие этого повышается надежность и долговечность. Также это позволяет повысить точность, скорострельность и скорость на выходе из ускорителя.The technical effect achieved with the implementation of the invention lies in the fact that by cooling the mass of the projectile, the temperature stresses and deformation of the projectile during heating are significantly reduced and, as a result, the reliability and durability are increased. It also improves accuracy, rate of fire and speed at the exit from the accelerator.

Заявляемое изобретение представлено на чертеже.The claimed invention is shown in the drawing.

Устройство электромагнитного ускорителя включает в своем составе: снаряд 1, рельсы 2а, 2б, эмиссионный слой 3 (в игольчатой формы со стороны открытой поверхности), анод 4, источник напряжения 5, источник постоянного тока 6, тоннель 7.The device of the electromagnetic accelerator includes: projectile 1, rails 2a, 2b, emission layer 3 (needle-shaped from the side of the open surface), anode 4, voltage source 5, direct current source 6, tunnel 7.

Снаряд 1, предназначен для получения ускорения под действием силы Ампера, рельсы 2а, 2б, служат для обеспечения направленного движения снаряда, эмиссионный слой 3 (игольчатой формы со стороны поверхности) предназначен для обеспечения высокой эмиссии электронов при нагреве и при высоком напряжении, причем снаряд 1 и эмиссионных слой 3 образуют катод. Анод 4, служит для восприятия всех электронов, вышедших из эмиссионного слоя, источник напряжения 5, который обеспечивает направленное движение электронов от катода к аноду, источник постоянного тока 6, выделяет ток, необходимый для разгона снаряда, тоннель 7 нужен для фиксации рельс, выполнен из непроводящего материала. Игольчатая форма слоя способствует усилению электрического поля, за счет скопления на их концах заряда, что увеличивает разность потенциалов между анодом и катодом.Projectile 1, designed to obtain acceleration under the action of the Ampere force, rails 2a, 2b, serve to ensure the directional movement of the projectile, the emission layer 3 (needle-shaped from the surface) is designed to ensure high emission of electrons during heating and at high voltage, and the projectile 1 and the emission layer 3 form the cathode. Anode 4, serves to perceive all the electrons that have come out of the emission layer, a voltage source 5, which ensures the directed movement of electrons from the cathode to the anode, a constant current source 6, releases the current necessary to accelerate the projectile, tunnel 7 is needed to fix the rail, made of non-conductive material. The acicular shape of the layer enhances the electric field, due to the accumulation of charge at their ends, which increases the potential difference between the anode and cathode.

Устройство, представленное на чертеже изобретение, работает следующим образом: из источника постоянного тока (6) в цепи рельс (2а) - снаряд (1) - рельс (2б) -подается ток на один рельс (2а), он проходит через этот рельс (2а), далее через снаряд (1) и через второй рельс (2б) возвращается к источнику постоянного тока (5). В результате образуется магнитное поле, которое, при взаимодействии с протекающем в снаряде электрическим током, обуславливает возникновение силы Ампера, приложенной к снаряду и приводящей его в движение с ускорением. Под действием силы Ампера снаряд (1) начинает движение с ускорением, при этом за счет трения и выделения Джоуля тепла он и эмиссионный слой (3) (катод) начинают греться до температуры, при которой с поверхности эмиссионного слоя (3) начинают выходить горячие электроны. Одновременно в цепи анод (4) - источник напряжения (5) - рельс (2а) - снаряд (1) - эмиссионный слой (3) подается напряжение из источника напряжения (5). Между катодом и анодом (4) возникает разница потенциалов и начинает протекать термоавтоэлектронная эмиссия, то есть с эмиссионного слоя начинают выходить электроны, забирая с собой большое количество тепла, в результате снаряд (1) охлаждается. После попадания на анод (4) электроны направляются в источник напряжения (5) и далее в рельс 2а, снаряд (1) и эмиссионный слой (3). И цикл охлаждения снаряда (1) повторяется. При выходе электронов из эмиссионного слоя на них действует сила Лоуренса, образующаяся от движения тока по рельсам, и сила Кулона, действующая за счет разности потенциалов между катодом и анодом. При этом сила Кулона существенно больше силы Лоуренса по причине высокой разницы потенциалов между катодом и анодом. Поэтому электроны беспрепятственно попадают с катода на анод.The device shown in the drawing of the invention works as follows: from a direct current source (6) in the rail circuit (2a) - projectile (1) - rail (2b) - current is supplied to one rail (2a), it passes through this rail ( 2a), then through the projectile (1) and through the second rail (2b) it returns to the direct current source (5). As a result, a magnetic field is formed, which, when interacting with an electric current flowing in the projectile, causes the emergence of an Ampere force applied to the projectile and setting it in motion with acceleration. Under the action of the Ampère force, the projectile (1) begins to move with acceleration, while due to friction and the release of Joule heat, it and the emission layer (3) (cathode) begin to heat up to a temperature at which hot electrons begin to leave the surface of the emission layer (3) ... At the same time, voltage is supplied from the voltage source (5) in the circuit anode (4) - voltage source (5) - rail (2a) - projectile (1) - emission layer (3). A potential difference arises between the cathode and anode (4) and thermionic emission begins to flow, that is, electrons begin to leave the emission layer, taking with them a large amount of heat, as a result the projectile (1) is cooled. After hitting the anode (4), the electrons are directed to the voltage source (5) and then to the rail 2a, the projectile (1) and the emission layer (3). And the cycle of cooling the projectile (1) is repeated. When electrons leave the emission layer, they are affected by the Lawrence force, which is generated by the movement of the current along the rails, and the Coulomb force, which acts due to the potential difference between the cathode and the anode. In this case, the Coulomb force is significantly greater than the Lawrence force due to the high potential difference between the cathode and anode. Therefore, electrons freely get from the cathode to the anode.

Одновременно происходит нагрев снаряда до высоких температур, что в ансамбле с приложенным напряжением приводит к одновременному возникновению термоэлектронной (испускание электронов при нагреве) и автоэлектронной эмиссии (испускание электронов под действием электростатического поля). В этом случае электроны выходят из катода, охлаждая его. От катода вышедшие электроны по полю переходят на анод и воспринимаются им. Затем они через источник напряжения идут в рельс и далее в катод.At the same time, the projectile is heated to high temperatures, which in an ensemble with an applied voltage leads to the simultaneous occurrence of thermionic (emission of electrons during heating) and field emission (emission of electrons under the action of an electrostatic field). In this case, electrons leave the cathode, cooling it. Electrons escaping from the cathode go through the field to the anode and are perceived by it. Then they go through the voltage source to the rail and then to the cathode.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, заключается в том, что появляется возможность увеличить скорость снаряда на выходе, скорострельность ЭМУ и надежность всей системы за счет обеспечения электронного охлаждения снаряда при термоавтоэлектронной эмиссии, снижения температуры и температурных напряжений, возникающих в снаряда при движении в ЭМУ, увеличивается ресурс ЭМУ. При этом не требуется сложной системы охлаждения, которая увеличивала бы массу снаряда. Таким образом, решается сложная проблема охлаждения снаряда при движении в ЭМУ, которая характеризуется минимальной добавочный массой при более высокой эффективности.The technical result obtained as a result of the implementation of the invention consists in the fact that it becomes possible to increase the speed of the projectile at the exit, the rate of fire of the EMU and the reliability of the entire system by providing electronic cooling of the projectile during thermoelectric emission, reducing the temperature and temperature stresses arising in the projectile when moving EMU, the resource of the EMU increases. This does not require a complex cooling system, which would increase the mass of the projectile. Thus, the complex problem of cooling the projectile when moving in the EMP is solved, which is characterized by a minimum additional mass with a higher efficiency.

Claims

An electromagnetic mass accelerator, which includes a body, rails connected through a direct current source and a projectile on them, characterized in that a needle-shaped emission layer made of a material with a low work function of electrons is applied to the open surface of the projectile, and the projectile and the emission layer form a cathode, on the body of the mass accelerator opposite the rail there are anodes made of an electrically conductive material, and the anodes are electrically connected in series through the voltage source and the rail to the cathode, while the body is made of an electrically non-conductive material.