Как сделать pельсотpон
Наиболее простой пример электромагнитной ускоряющей системы-так называемый "рельсотрон", хорошо известный физикам-экспериментаторам уже десятки лет (1.20].
Идея рельсотрона (или электромагнитной пушки-"рейлгана") довольно проста (рис. 1). К двум параллельным (или коаксиальным) токонесущим шинам-рельсам прикладывается напряжение от источника питания. Если замкнуть контур, поместив на шины, например, подвижную тележку, проводящую ток и обладающую хорошими контактами с шинами, то возникающий электрический ток индуцирует магнитное поле. Это поле создает давление P, равное H**2/8Pi, которое стремится раздвинуть проводники,образующие контур. Массивные шины-рельсы закреплены. Единственным подвижным элементом является тележка, которая под действием давления начинает двигаться по рельсам так, чтоббы объем, занимаемый магнитны полем, возрастал, т.е . по направлению от источника питания. Ускорение тележки будет продолжаться, пока действует магнитное давление. Предельная скорость, до которой разгонится тележка, определяется соотношением
V**2=2aS
где S-длина разгона, a-эффективное ускорение. Для его оценки вычислим давление магнитного поля. Положим H = 10**5 Гс. Тогда P=4х10**8 дин/см**2 = 400 атм. Пусть эффективная толщина тележки равна 10 г/см**2, тогда ускорение составит 4x10**5 м/с**2 или 4x10**4g. При таких условиях скорость 10 км/с достигается на длине 125 м, а скорость 20 км/с-на рость 20 км/с,-то им соответствует длина разгона 200 м. Таковы типичные линейные размеры электромагнитных ускорителей. Время разгона равно v/а, что составляет для типичных значений параметров ускорителей сотые доли секунды. Заметим, что от полной массы тележки приведенные выше значения не зависят; полная масса сказывается только на суммарных энергозатратах.
Совершенствование электромагнитных пушек направлено на повышение конечной скорости. Увеличение линейных размеров до километровых масштабов вряд ли возможно. Для увеличения ускорения необходимо либо повышение магнитного давления, либо уменьшение эффективной массы снаряда.
Увеличение давления магнитного поля не может быть безграничным-при давлениях порядка 1000 атмосфер (т.е. 150-160 кгаусс) достигается порог механической устойчивости. Подобную систему очень длинных шин, распираемых внутренним давлением, трудно сделать жесткой и прочной. Если механическую прочность еще можно попытаться обеспечить увеличением м акое увеличение массы не поможет против потери тепловой стойкости.
При длительности токового импульса порядка сотых долей секунды толщина скин-слоя в меди составляет 1 см. Магнитному полю 120 кгаусс в этом случае соответствует плотность тока 100 кА/см^. Это приводит к тепловым потерям в материале порядка 400 Дж/см^ при длительности импульса тока 20 мс (медь нагревается до 120°С). При этом соответствующая пло няя в точности равна кинетической энергии снаряда. Таким образом, КПД рельсотрона равен 1/3. С учетом того, что КПД источника электроэнергии не превышает ЗО%, полный КПД оказывается около 10%, как уже упоминалось выше.
Тепловой нагрев шин ограничивает скорострельность системы, а любое тепловое повреждение ухудшает воспроизводимость характеристик выстрелов.
Желательность уменьшения массы снаряда с целью увеличения его конечной скорости вступает в противоречие с необходимостью иметь перехватчики с довольно сложной системой самонаведения, масса которых не может быть уменьшена беспрепятственно.
Еще одним следствием больших токов, о которых речь шла выше, является то, что контактная тележка (сечение которой меньше сечения шин) должна расплавиться, испариться и частично превратиться в плазму. Такое плазменное облако становится своеобразным поршнем для снаряда, который должен быть электрически изолирован от плазмы. В связи с этим в пос го облака с шинами.
Кроме того, существует проблема завершения разгона. Чтобы снаряд оторвался от плазменного поршня, последний должен исчезнуть или замедлиться. В рассмотренной простой схеме замедление невозможно, а для исчезновения плазменного поршня требуется разрыв электрической цепи.
Разрыв сильноточной электрической цепи, как известно, приводит к большим перенапряжениям и пробоям. В результате снаряд может получить дополнительный случайный импульс, обладающий перпендикулярной составляющей, что резко ухудшает угловую точность стрельбы.
Наконец, само движение плазменного поршня подвержено действию многочисленных плазменных неустойчивостей, которые трудно предусмотреть и устранить заранее.
Возможен бесконтактный способ ускорения, основанный на использовании, например, разновидности индукционного линейного мотора. В таком моторе замкнутый виток выталкивается в область с меньшим значением магнитного поля. Виток движется вдоль осевой линии цепочки внешних катушек, на которые поочередно в фазе с движением витка подается напряжение. ельное количество вещества (до сотни кг за выстрел) и обеспечивал бы при этом высокую угловую точность (порядка микрорадиана). Недостатком такой системы является сравнительно небольшое эффективное ускорение (100g) и, следовательно, значительные линейные размеры (десятки км!).
