339УДКx

УДК533.6.078.5
МОДЕЛЬ РЕЛЬСОВОГО УСКОРИТЕЛЯ
Авторы: Квашнин Юрий Викторович, Чекмарев Евгений Николаевич
Научный руководитель: Окунева Валентина Семеновна
Хакасский технический институт- филиал ФГАОУ ВПО «Сибирский Федеральный университет»
Актуальность исследования. Выбору темы исследования способствовали три фактора:
1)На региональной Олимпиаде была представлена задача про рельсотрон, заинтересовавшая студентов;
2) Разработками рельсотрона многие заинтересованы, т.к. по мнению военных,
рельсотрон- оружие XXІ века, способное заменить традиционную артиллерию.
Разработки рельсотрона в США:
 Первый крупный рельсотрон был спроектирован и построен в 1970-х годах
Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А.
Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук
Австралийского национального университета.
 В феврале 2008 года ВМС США продемонстрировали рельсотрон с дульной
энергией 10 МДж и дульной скоростью 2520 м/с (9000 км/час).
 10 декабря 2010 года в Центре разработки надводного вооружения ВМС США в
Дальгрене, штат Вирджиния было проведено успешное испытание рельсотрона
с дульной энергией 33 МДж.
 В феврале 2012 года близкий к серийному образцу прототип промышленного
рельсотрона от BAE Systems был доставлен в Далгерн (Dahlgren, Virginia) и испытан на 32 мегаджоулях. Серийный образец этой системы должен иметь дальность до 180 км, а в перспективе — до 400 км; инженеры разрабатывают системы автоматической подачи снарядов, охлаждения и питания установки.
 К 2018 году планируется произвести первые испытания на воде.
 К 2020 году эти орудия должны поступить на вооружение строящихся в США
эсминцев типа «Замволт», их модульная конструкция и электрическая трансмиссия рассчитывались с учетом перспективного ЭМ-вооружения.
 К 2025 году планируется достичь дульной энергии 64 МДж.
Разработки рельсотрона в России:
Рыночные реформы в России резко затормозили работы по созданию рельсотрона.
Несмотря на сокращение финансирования военных разработок электромагнитного
оружия, отечественная наука также не стоит на месте. Свидетельством тому – си-
стематическое появление русских фамилий в материалах ежегодной международной конференции по электромагнитному разгону EML Technology Symposium.
Испытания в Шатуре также свидетельствуют о нашем движении вперед в этом направлении. О сравнительном соотношении возможностей России и США в этой области
можно судить по конкретным показателям испытаний. Трехкилограммовый снаряд
американцы разогнали до 2,5 километра в секунду (что близко к пороховому ускорителю). Наш снаряд в тысячу раз меньше (3 грамма), но его скорость в два с половиной
раза выше (6,25 км,/сек.)
По-разному звучат и оценки перспектив. «На современных кораблях и американских, и
российских использовать такое оружие нельзя. Для него просто не хватит энергии. Потребуется создание нового поколения кораблей с энергетической системой, которая
обеспечит как двигатели судов, так и их оружие», — говориться в опубликованном в
печати заявлении управления вооружения и эксплуатации ВМФ РФ
3) Необходимость развития навыков творчества у студентов подвигла на создание модели рельсотрона.
Теоретическая часть. Рельсовый ускоритель состоит из батареи конденсаторов,
подсоединенной к двум параллельным прямым проводникам- «рельсам», замыкаемым
между собой скользящим по ним проводящим «снарядом. Рельсотрон использует силу
Лоренца F. Ток I, идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле В в рельсах и якоре. В результате под действием силы F якорь выталкивается из магнитного поля рельсов, и снаряд разгоняется. Вся система спроектирована так чтобы скорость снаряда на
выходе из рельсотрона была максимально возможной.
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Преимущества и недостатки рельсотрона:
С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен
быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел испариться и разлететься, но
возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперед. На снаряд или плазму действует сила Лоренца, поэтому сила тока важна для достижения необходимой индукции
магнитного поля и важен ток, протекающий через снаряд перпендикулярно силовым
линиям индукции магнитного поля. При протекании тока через снаряд, материал снаряда (часто используется ионизированный газ сзади легкого полимерного снаряда) и
рельса должны обладать:

как можно более высокой проводимостью,

снаряд — как можно меньшей массой,

источник тока — как можно большей мощностью и меньшей индуктивностью.[1]
Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей (скорость снаряда в огнестрельном оружии
ограничивается кинетикой проходящей в оружии химической реакции). На практике
рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, может использоваться полимер
в сочетании с проводящей средой, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов которая заряжается от генератора Маркса,
ударных униполярных генераторов, компульсаторов, и прочих источников электрического питания с высоким рабочим напряжением, а самому снаряду перед вхождением
на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для
этого пневматические или огнестрельные пушки. В тех рельсотронах, где снарядом является проводящая среда, после подачи напряжения на рельсы снаряд разогревается и
сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким
образом, рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости
она быстро дезинтегрируется. При этом необходимо учитывать, что движение плазмы,
точнее, движение разряда (катодные, анодные пятна), под действием силы Лоренца
возможно только в воздушной или иной газовой среде не ниже определенного давления, так как в противном случае, например, в вакууме, плазменная перемычка рельсов
движется в направлении обратном силе Лоренца — т. н. обратное движение дуги. При
использовании в рельсотронных пушках непроводящих снарядов, снаряд помещается
между рельсами, сзади снаряда тем или иным способом между рельсами зажигается
дуговой разряд, и тело начинает ускоряться вдоль рельсов. Механизм ускорения в этом
случае отличается от вышеизложенного: сила Лоренца прижимает разряд к задней части тела, которая, интенсивно испаряясь, образует реактивную струю, под действием
которой и происходит основное ускорение тела.[1]
Практическая часть. Модель рельсотрона состоит из двух параллельных электродов
(медных проводов), подключенных к батарейке постоянного тока. Разгоняемый снаряд
(кусок медного провода), располагается между двумя параллельными электродами, замыкая электрическую цепь, и приобретает ускорение под действием силы Лоренца, которая возникает при замыкании цепи в возбужденном нарастающим током магнитном
поле.
Характеристики модели рельсотрона:
Общая емкость конденсаторов- 16тыс. мкФ.
Выходное напряжение- 6В.
Масса снаряда (металлической фольги) ~ 0,05г.
Расстояние между рельсами- 0,05м.
Пролет снаряда-0,8м.
Рис.4
Рис.5
Список литературы:
1. Электронный режим доступа: http://svpressa.ru/society/article/40331/
2. Электронный режим доступа: http://ru.wikipedia.