Автор: Сэм Баррос
Перевод: Udi
Источник: http://www.powerlabs.org/railgun.htm
Часть 1. Техническая.
От автора перевода:
Уважаемые радиолюбители. При поверхностном чтении текст этой статьи покажется вам слишком запутанным и непонятным. Это нормально, так как некоторые технические вещи практически непереводимы с американского наречия, коим писал свой отчет Сэм Баррос. Я постаралась "причесать" перевод до такой степени, что при вдумчивом чтении все становится понятно. Для разъяснения мельчайших деталей
я могу лишь порекомендовать обратиться к первоисточнику на английском языке. Так же я буду рада любым комментариям 🙂
Введение
21 февраля 2001 года я получил электронное письмо от Сэма Парлера, директора отдела научных исследований компании Cornell Dubilier Electronics (CDE). В нем Сэм выражал свое восхищение моими экспериментами с электронными конденсаторами. Эксперименты, на которые он ссылался, были связаны с использованием таких конденсаторов, в электромагнитных объектах которых содержались импульсные заряды очень высокой величины, с целью изменения пластичности металла как в моем проекте PL Solid State Can Crusher, а также с
ускорением металлических объектов под воздействием вихревого тока электромагнитной индукции,
являющимся результатом отталкивания так же, как и в другом моем проекте PL Disk Shooter, или ферромагнитного притяжения так же, как в моих проектах Single stage gauss gun и Multi stage linear magnetic
accelerator.
Также мистер Парлер упомянул о том, что если я
задумаю какие-нибудь проекты в будущем, то есть возможность меня спонсировать на покупку новой конденсаторной батареи. Я не особенно был заинтересован в начале новых проектов по причине того, что у меня, во-первых, не было лаборатории, чтобы работать в одиночку, во-вторых, я переехал из Бразилии, чтобы пойти в колледж, и, в третьих, в связи с тем, что я выполнил все опыты, которые смог сделать с моими предыдущими конденсаторными батареями. Тем не менее, был один проект, который я попытался осуществить в 1998 году с электронной конденсаторной батареей (1,5 килоджоулей (кДж) и 4,5 киловольта (кВ)), который так и не увенчался успехом: ускорение металлического сердечника по двум электропроводящим железным рельсам под воздействием силы Лоренца.
Однако электролитический конденсатор просто не имел необходимого сопротивления и
заряда для порождения достаточной силы Лоренца,
необходимой для ускорения сердечника до того,
как он приварится к рельсам.
В своем письме мистер Парлер сослался на некоторые эксперименты, проведенные им для CDE, в которых ток силой в 40 килоампер был получен из одного электролитического конденсатора. Я сразу сообразил, что конденсаторная батарея выстроена из подобных конденсаторов, способных работать с такой же эффективностью, как и импульсные конденсаторы и быть настолько мощными, чтобы успешно ускорять сердечник в модели линейного ускорителя.
Это все равно выходило далеко за рамки моего студенческого бюджета, и, ничего не теряя, я предложил эту идею мистеру Парлеру. Он очень быстро помог мне разработать проект конденсаторной батареи, которая могла бы удовлетворить мои потребности: 3.2кВ, 16000Дж (фактически, это вдвое больше чем та энергия, на которую я мог надеяться!) и мощность импульса тока до 100 тысяч ампер. Теперь все, что мне было нужно, так это место, где я бы смог работать. Я представил на рассмотрение исследовательский план моему научному руководителю, который представил меня доктору Брэду Кингу, руководителю Michigan Technological University's Advanced Propulsion Laboratory. Брэд Кинг, после внесения в проект нескольких изменений, связанных с безопасностью и предотвращением вытекания заряда, предоставил мне необходимое лабораторное пространство. Таким образом, благодаря помощи мистера Парлера, спонсорству CDE и моим собственным средствам, под руководством доктора Кинга стартовал проект PowerLabs Linear Magnetic Accelerator (Линейный Магнитный Ускоритель), названный "Rail Gun" (электромагнитная пушка).
Описание проекта и основные показатели
Главными целями этого проекта являлись: успешная разработка и построение линейной электромагнитной пушки, которая использовала электрический импульс высокой величины для того, чтобы толкать металлический сердечник вдоль по двум параллельным электропроводящим рельсам под воздействием Силы Лоренца, образующейся после импульсного толчка. Простое схематическое изображение результатов представлено
выше: электрический ток движется вверх по первому рельсу сквозь сердечник, который находится перпендикулярно к рельсам, и вниз по другому рельсу.
Результатом является магнитное поле, возникающее между двумя рельсами (B = 2 (u0/2pi) (I/r)) и переменное магнитное поле около сердечника. Рельсы отталкивают друг друга (F = u0I1I2L/2piR) и они оба отталкивают сердечник (F = ILB). После того, как оба рельса закреплены, конечным результатом является движущая сила, возникающая на сердечнике, который будет двигаться с ускорением
(а=ILB/M). Это отличается от свойств большинства обычных ускорителей. Здесь, в отличие от обычных электромагнитных ускорителей, не используется сгораемое топливо, а так же он отличается характерным "хвостом" позади снаряда.
Ускоряющая сила между рельсами и сердечником зависит от существующего магнитного поля (которое, в свою очередь возникает в пространстве между двумя рельсами под воздействием тока, который течет по этим рельсам), и в этом пространстве магнитное поле действует вполне стандартно.
Пространство между рельсами (рельсы были разведены
на двойное расстояние электрического пробоя воздуха
при пиковой мощности напряжения питания) принимается
в сухом воздухе STP=6 мм. Двойной резерв безопасности был выбран в связи с серьезным вниманием к утечке диэлектрика.
То, как важен текущий импульсный ток, может
быть видно при возникновении высокого
ускорения (ОЧЕНЬ высокий ток в свою очередь
требует очень высокого напряжения для того,
чтобы полное сопротивление цепи могло быть
полностью охваченным и мог порождаться
необходимый ток). Конечной целью является точка, где наивысшие напряжение создает самый высокий ток за счет увеличения расстояния между рельсами.
Стандартная разработка потребляет в пределах 4-10 Киловольт (кВ), с высоким напряжением которое начинает использоваться при высокой мощности. Мой проект требует импульс в 100 Килоампер (кА), который сопровождается 3,2 Киловольтами (кВ). Большинство попыток многочисленных поклонников Rail Gun найти секреты оружия в Интернете неудачны потому, что мощностей их оборудования не
хватает для снабжения девайса достаточной силой тока; даже небольшая военная разработка потребляет ток более 300 Килоампер (кА), а некоторые серьезные модели оружия потребляют больше десяти мегаампер на импульс.
В определенной точке сопротивление становится выше, чем ускоряющая сила, и снаряд
просто приваривается под воздействием нагревания из-за возникающего сопротивления. В то же время, очень высокий ток служит причиной колоссальной эрозии рельса и потере сопротивления. Понижение тока через формирование импульсов индукторов исследовалось в этом проекте для уменьшения этих потерь, и, возможно, увеличения эффективности ускорения.
Достигнув нормального ускорения мы можем
исследовать и настраивать следующие важные
параметры:
1. Характеристика мощности; а именно на что похожа форма кривой тока, какое количество тока на самом деле доставлено, и какое количество тока растрачено понапрасну в электролите Back-EMF. Если произошел отказ конденсатора, то причина, вероятно, в магнетической силе вне пределов конденсатора, в соприкосновении диэлектрических соединений. В таком случае необходимо определить, при каком токе это происходит, для того чтобы определить критический предел для подачи энергоснабжения (у
меня в случае таких аварий доступны 3 запасных конденсатора). К тому же, емкостное сопротивление конденсаторов рассчитано с таким запасом, что при возрастании катодной анодизации их ESR будет возрастать до распада получающегося водорода на электролит. Оба этих фактора пагубны для работы ускорителя. Условие долговечности их действия измеряется при помощи замера ESR конденсаторной батареи и прежнего емкостного сопротивления для каждой разрядки. Их графическое изображение будет вычерчено на графике функций (на кривой) для того, чтобы можно было примерно предсказать период нормальной эксплуатации.
2. Благодаря короткому периоду разрядки, большая часть взаимодействий рельс и сердечника происходит на очень малых отрезках. В этот короткий промежуток времени будет рассеиваться большое количество тока и поэтому при повышении поверхностной температуры участка до точки металлического выпаривания ожидаются большие потери. Эрозия (разъедание) рельсов
нужно вычислить для точного определения периода нормальной эксплуатации и средств минимизации рельсовой эрозии (разное строение сердечника, проводящие смазочные вещества, другие покрытия обшивки, меньшие импульсы тока и т.д.). Все это будет в последствии продумано и изучено.
3. В плазменном сердечнике для ускорения будет использоваться непроводящий материал (стекловолокно, тефлон (фторопласт), поликарбонат, керамика или другие доступные вещества). Теоретически плазменный сердечник должен быть более
эффективным, так как у него меньшие потери,
хотя в его использовании есть и свои
проблемы.
4. Мега-кнопка будет сделана для включения пропускания тока по рельсам после того, как пуля полностью войдет в контакт с ними.
5. Неодимовой-железный-борный супермагнит будет использован для обеспечения внешнего магнитного поля между рельсами.
Изучим действие этого дополнительного поля на
эффективность ускорения и действие поля рельсов на срок полезного действия магнита.
Электроснабжение
Электроснабжение состоит из 32-х конденсаторов Cornell-Dubilier Inverter Grade. В этих конденсаторах используются последние технологии в конструировании электролитических конденсаторов для аккумулирования 640Джоулей (Дж). Каждый имеет заряд 6300uF и 400 Вольт (В). Рабочая температура колеблется от -40C до +95C. Размеры каждого 3 x 5,63 дюйма, весом 900 грамм. Для сравнения: электролитический конденсатор, который я использовал в моем проекте Single stage gauss gun аккумулировал 151 Джоуль (Дж) и имел точно такие же физические параметры (размер и вес), а конденсаторы Phillips Inverter Grade, которые я использовал в моем проекте Multi stage linear magnetic accelerator, аккумулировали такую же энергию, будучи почти в два раза больше по физическим параметрам. Конденсаторы собраны из сменных батарей по
порядку скрепленных проводом. Каждая батарея состоит из 4-х параллельно соединенных конденсаторов с номинальным зарядом 3200 вольт, 3,6 Киловольт максимального заряда и 3150uF. Таким образом запас энергии (1/2CV^2) составляет незначительных 16 Килоджоулей (кДж) у номинального и 20 Килоджоулей (кДж) у максимального заряда. Каждый отдельный конденсатор обладает сопротивлением 50 Килоом (кОм) и десятиваттной фазовой катушкой сопротивления для выравнивания зарядов, а также для службы в качестве предохранительного клапана для предотвращения нежелательного увеличения заряда в случае непредвиденной остановки подачи энергии.
ESR в этих конденсаторах в среднем составляет 7,3 милиОм (мОм), а средний ESL (расчетный срок службы) составляет 500nH. Замена батарей планируется с помощью программы Генетического алгоритма которая соответствует отдельно измеренной величине емкостного сопротивления в такой форме, в которой общее емкостное сопротивление только на 0,02% отличается от общего среднего емкостного сопротивления между каждой замененной батареей. Номинальный ток составляет 100
Килоампер (кА) на батарее, соответственно 25 Килоампер (кА) на конденсаторе, с теоретической минимальной длиной импульса, рассчитанной от 56uS, придающей импульсу эквивалентную частоту приблизительно (1s/(56uSx2))
9 кГц. Это предполагает то, что ток будет течь только по внешнему кругу медного кольца (66/sqrt9000)= 0.7mm внутри соединительных шинных барьеров, необходимых для поверхностного эффекта, связанного с потерями. Таким образом, чтобы посчитать этот поверхностный эффект, конденсаторы соединяют так, что у них получается большая площадь соприкосновения поверхностей (30in^2) со свободными кислородными медными пластинками, каждая толщиной 0.064 (1.6mm). Фактическая длительность импульса в устройстве равна 63.4uS. Целое сопротивление конденсаторной батареи рассчитывается (7.3/4 x 8) = 14.6mOhms (милиОм), а индуктивность (500/4 x 8) = 1uH. Сопротивления шинного барьера и электромагнитной пушки слишком малы, чтобы быть измеренными RCL счетчиком, и поэтому начальное измерение длительности импульса проводиться через осциллограф.
