Абстракт. Военно-морская Исследовательская Лаборатория (NRL) начала программу, сосредоточенную на науке о материалах для канала рельсотронов. Цель программы- изучить условия в стволе рельсотрона большой мощности во время запуска. Рельсотрон с первичной энергией 11 МДж, шестиметровой длины, с каналом пятисантиметрового диаметра строится для испытаний. Этот лабораторный пускатель будет использован для изучения скользящих контактов в условиях экстремального тока, температуры и давления, встречающихся в мощном рельсотроне. Диагностика в режиме реального времени в сочетании со всесторонним анализом материалов после выстрела будет использована для понимания действия рельсотрона. Результаты буду сравнены с другими мощными рельсотронами.

1.ВВЕДЕНИЕ

Военно-морская Исследовательская Лаборатория начала программу по изучению аспектов материаловедения для запусков из рельсотрона большой мощности. Для этого была создана новая Установка Испытания Материалов {Materials Testing Facility, MTF}. Лаборатория содержит новый 11МДж-ный шестиметровый рельсотрон, сконструированный для гибкости эксперимента и удобной диагностики. Параметры конструкции нового рельсотрона описаны ниже. Эксперименты должны начаться к весне 2006г и к октябрю 2006г рельсотрон будет полностью готов к эксплуатации. В этой статье будет представлена конструкция новой лаборатории и рельсотрона. Положение лаборатории и первые результаты будут представлены на симпозиуме.

2.НАКОПИТЕЛЬНАЯ БАТАРЕЯ

Ёмкостной накопитель энергии, показанный на рисунке 1, был сконструирован для пропускания тока более 1 МА через шестиметровый рельсотрон. Батарея включает в себя 22 0,5МДж-ных модуля. Каждый 500кДж-ный модуль содержит 4 конденсатора 2040 мкФ*11 кВ, каждый с последовательным предохранителем, набор соединённых {похоже, последовательно} АВВ-тиристоров и короткозамыкающих диодов {crowbar diodes, судя по рисунку- диоды обратной полярности, установленные параллельно шинам каждого модуля} и последовательно присоединённый цилиндрический индуктор на 80 мкГн.

Каждый модуль сконструирован так, чтобы обеспечить импульс тока амплитудой 100 кА. 22 модуля, разделённые накопительными индукторами {energy storage inductors}, могут быть приведены в действие независимо для обеспечения контроля за формой сигнала. Накопительные модули присоединены коаксиальным кабелем к коллектору тока в казённой части рельсотрона. Был испытан отдельный 0,5МДж-ный модуль системы. Было найдено, что форма сигнала согласуется с предсказанной расчётом {code prediction}.

3.КОНСТРУКЦИЯ РЕЛЬСОТРОНА

Критерий конструкции рельсотрона NRL был двойственным. Во первых, внешняя несущая конструкция {containment} пушки должна быть способна противостоять току до 2 МА, протекающему через 5см-вый квадратный канал рельсотрона шестиметровой длины. Во-вторых, эта конструкция должна позволять значительный доступ для диагностики и быструю сборку/разборку для удобства проведения экспериментов. Устройство несущей конструкции показано на рисунке 2.

Внешний корпус {outer containment} cобран из нержавеющей стали, С-образные оболочки стянуты болтами. Клинья из нержавеющей стали (не показаны) использованы для обеспечения контролируемой предварительной нагрузки на рельсы и для выравнивая метровых секций несущей конструкции. Несущая конструкция с размерами 43*27 см обеспечивает прямоугольное пространство с размерами 22*15 см для размещения рельсов и изоляторов. Доступ для диагностики возможен вдоль центра несущей конструкции и через боковины. 5-7 сантиметровые каналы, квадратный, прямоугольный или круглый комплекты рельс- изолятор могут быть установлены внутри несущей конструкции с использованием жёстких изоляторов или листовых металлических конструкций, служащих для заполнения пространства между рельсами и несущими стенками. С-образные несущие конструкции были спроектированы таким образом, чтобы противостоять давлениям, возникающим при запуске с током до 2 МА. Была выбрана сплошная {solid} конструкция поперечного сечения, а не листовая, для получения возможности испытания рельсов и изоляторов разных форм и размеров. Пятисантиметровый квадратный канал будет иметь градиент индуктивности приблизительно 0,4 мкГн/м, включая компонент обратного тока {return current}, обусловленного несущей конструкцией. Сплошные стенки уменьшают индуктивность на единицу длины примерно на 15 % по сравнению с непроводящей несущей конструкцией, из-за обратных токов, наводимых в структуре. Рисунок 3 показывает структуру магнитного поля рельсотрона NRL, рассчитанного по методу конечных элементов с использованием Finite Element Method Magnetics code [1]. Расчёт был сделан для тока 1 МА, медных рельсов и несущей конструкции из нержавеющей стали при форме волны, соответствующей 10 кГц-ам (симуляция времени нарастания импульса 25 мкС). Амплитуда поля на оси была примерно 85 кГс.

Ограничение линий магнитной индукции {flux lines} внутри структуры несущей конструкции показывает, что в стали протекают обратные токи. Несущая конструкция конфигурируется на длину 2, 4 или 6 м. Пушка смонтирована на лафете из усиленного пластика, показанном на рисунке 2. Структура {лафета} спроектирована таким образом, чтобы удалить все металлические опорные детали из зоны действия рельсов для сохранения симметрии магнитного поля. За дулом рельсотрона расположена вакуумная труба длиной 3-6 м, диаметром 30 см, которая заканчивается камерой мишени диаметром 1,5 м. Транспортная линия и камера мишени должны быть отделены от атмосферы для подавления дуги и удержания обломков от удара. Камера мишени расположена в бетонном бункере 45см-вой толщины для удержания обломков от удара, если они вылетят из камеры мишени.

4.УСТАНОВКА ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ

Рельсотрон расположен в лаборатории площадью 3000 кв. футов, в Военно-Морской Исследовательской лаборатории, в Вашингтоне. Лаборатория содержит накопители, рельсотрон и вспомогательные установки. 48-канальная система оцифровки пригодна для записи данных выстрела. Рельсотрон управляется компьютерной системой с обратной связью в режиме реального времени для предотвращения аварий. Двухлучевая импульсная рентгеновская система, расположенная в транспортной секции, пригодна для получения изображения снаряда во время его движения. Датчики магнитного поля, давления и температуры будут использованы для наблюдения запуска, наряду с оптической записью изображения и спектральной диагностикой в канале и по пути выстрела. Анализы рельсов и изоляторов после выстрела будут выполнены на установках, расположенных по всей Военно-Морской Исследовательской Лаборатории. Эта диагностика включает профилометрию поверхности, оптическую микроскопию высокого разрешения, сканирующую электронную микроскопию, энергорассеивающую спектроскопию {energy dispersive spectroscopy}, рентгенофлуоресцентный анализ, рентгеновскую дифракцию скользящего луча, измерение объёмной и поверхностной твёрдости, и другие. Эти анализы обеспечат изобилие информации о материалах канала [2, 3]. Дополнительные установки для исследования статических контактов [4], запуска из рельсотрона малой мощности, и свойств материалов, также расположены в лаборатории.

5.МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАПУСКА НА РЕЛЬСОТРОНЕ NRL

Рисунок 4 показывает сделанное на данный момент моделирование запуска из рельсотрона NRL.

Расчёт связывает 22 0.5МДж импульсных модуля с произвольным временем задержки срабатывания на снаряд, предполагая идеализированную связь через градиент индукции ствола. Это обеспечивает наилучший случай прогноза характеристик пускателя и успешно предсказывает параметры запуска для других рельсотронов. 1 кг-вая пусковая упаковка выбрана для этого моделирования с расчётным градиентом индуктивности 0,4 мкГн/м. 13 из 22 накопителей, заряженных на полные 11 кВ, срабатывают в момент времени t=0, оставшиеся 9 накопительных модулей срабатывают с задержкой более 1 мс для создания формы импульса тока, показанной на рисунке. Ток накопителя достигает максимума 1,35 МА когда снаряд расположен на 2х метрах {надо полагать, расстояние смещения с начальной точки}. Ток в системе снижается соответственно с переходом {электрической} энергии в кинетическую энергию снаряда. Ток снижается до 720 кА при выходе {снаряда} из дула, где резистивный дульный дугогаситель {resistive muzzle arc suppressor} поглощает остающуюся индуктивную энергию. В этих условиях испытания 1 кг-вый снаряд покидает ствол со скоростью 1,7 км/с. Расчёт показывает, что контроль формы импульса, последовательности стрельбы и массы снаряда позволяет проводить испытания в некотором диапазоне токов, скоростей и профилей ускорения. Открытая геометрия ствола позволит устанавливать рельсы и изоляторы различных форм и размеров. Задача пускателя- изучение материалов ствола в условиях высокой нагрузки.

6.РЕЗЮМЕ И ВЫВОДЫ

Военно-морская Исследовательская лаборатория готова начать целевую программу по материалам для рельсотрона. Анализы в режиме реального времени и после выстрела обеспечат информацию о поверхности соприкосновения рельс- арматура. Надеемся, что эта информация приведёт к пониманию и масштабным соотношениям для будущих рельсотронов.

Источник: http://emlsymposium.org

Перевод: Котофеич