Абстракт. Институту перспективных технологий недавно был присуждён грант US Air Force Office of Scientific Research на проведение исследований в области гиперскоростей и плазменного электромагнитного запуска. Эта статья описывает наш технический подход для достижения скорости 7 км/с при ускорениях, меньших, чем типичные для плазменных пускателей. Наш подход к управлению плазменным перепробоем {plasma restrike} и образованием вторичных дуг состоит в снижении выделения испаряемого {ablated} материала в канале пушки через использование усиления {augmentation} и керамических боковых стенок. В добавок, используется предварительный разгон до 1 км/с для обеспечения начальной скорости запускаемого модуля, при создании минимальной плотности холодного газа, поскольку, такой газ тоже может способствовать перепробою. Эта статья описывает «железо» {hardware}, которое было установлено для этого эксперимента.

1.ВВЕДЕНИЕ

1980 е годы были продуктивным периодом для исследований по гиперскоростному электромагнитному запуску. Американское исследовательское сообщество в то время включало в себя полдюжины действующих промышленных и национальных лабораторий, и это было задание исключительно для поддержки Стратегической Оборонной Инициативы. Однако, в середине 1980х годов стало очевидно, что скорости, достижимые на рельсотронах с плазменной арматурой, были ограничены невозможностью контролировать перепробойные дуги {restrike arcs} [1]. По причине отсутствия простого решения этой проблемы, и по причине смещения интересов финансирующих организаций от стратегических к тактическим задачам, финансирование исследований по гиперскоростным запускам было прервано к середине 1990х годов.

После десятилетнего бездействия на этом направлении, снова появилась программа, цель которой- демонстрация гиперскоростного запуска из плазменного рельсотрона. Работа была проведена в Институте Перспективных Технологий как одно из нескольких заданий по вновь утверждённой Air Force Multi- University Research Initiative (MURI) [2]. Мы непрерывно разрабатываем и производим стадии эксперимента с целью продемонстрировать следующее:

- дульные скорости 7 км/с при умеренном ускорении

- способы генерации и удержания стабильной плазменной арматуры

- способы контроля перепробойных дуг.

Эксперимент был проведён на установке электромагнитного пуска IAT, исследования были проведены специалистами, которые работали над этой проблемой в Лос-Аламосской Национальной Лаборатории, в Westinghouse Science and Technology Center, и по программе «Thunderbolt» в конце 1980хх годов.

2.ТЕХНИЧЕСКИЙ ПОДХОД

Наша программа по демонстрации скорости 7 км/с в длинном пускателе с умеренным ускорением началась на той стадии, где закончились исследования 1990хх годов. Главная причина ухудшения характеристик в пускателях с плазменной арматурой заключается в веществе, испаряемом в канале от излучения плазмы [1]. Условия эксплуатации рельсотрона без испарения были обсуждены в [1], [3] и [4]. Технология, которой было уделено наибольшее внимание, и которая показала наиболее обещающие результаты, сочетает три стратегии. Вот они:

- использование предварительного ускорения для предотвращения испарения материалов канала при низких скоростях

- использование высокочистых алюминиевых изоляторов {имеется в виду, изоляторов из оксида алюминия- см. дальше} для повышения стойкости канала к испарению

- использование магнитного усиления для снижения рассеяния энергии в плазме.

Эксперименты, проведённые в Westinghouse Science and Technology Center в начале 1990хх годов, показали, что возможно, используя трёхсоставный подход {см.три тезиса выше}, эксплуатировать рельсотрон без испарения. Более того, неиспаряющие арматуры кажутся по существу своему стабильными и не показывающими признаков зарождения вторичных дуг или перепробоя до 4 км/с [3].

Получив относительно скромное финансирование, мы решили работать с уже существующим «железом» на нашей ЭМ-пусковой установке, а не строить новую. Пускатель среднего калибра (MCL) и источник питания, показанные на рисунке 1, установлены непосредственно для этих исследований. 

Остаток статьи описывает, как мы планируем изменить конфигурацию пускателя для использования его в качестве усиленной {augmented} конструкции с квадратным каналом для ускорения снарядов весом 5- 10 г до 7 км/с. Мы начнём с описания, как мы достигли соответствия требованиям эксплуатировать плазменный пускатель ниже порога испарения. Затем обсудим, как MCL может быть переделан из простого рельсотрона, сконструированного для исследований с твёрдой арматурой, в усиленный рельсотрон с независимым питанием для исследований с плазменной арматурой.

Наконец, мы опишем наш предварительный инжектор и систему зажигания плазмы.

А.Рассмотрение уровней системы.

Одна из целей программы- демонстрация гиперскоростного запуска при умеренных уровнях ускорениях. Наша цель- ограничить максимальное ускорение на уровне меньше 500 тыс. g. Хотя это значение велико для пускателей с твёрдой арматурой (которые обычно эксплуатируют при 50-150 тыс. g, в зависимости от размера пускателя), оно малО для гиперскоростных пускателей, которые обычно эксплуатируют при 1- 2 млн. g. Существуют две трудности, связанные с эксплуатацией при 500 тыс. g. Первая- при этом ускорении трудно избежать нестабильностей, к которым чувствительны пускатели с плазменной арматурой. Одна из гипотез, которую мы проверили- это та, что контролируя испарение возможно подавить большинство этих нестабильностей.

Вторая трудность- обеспечение необходимой движущей силы при одновременном ограничении излучаемой плазмой энергии на приемлемом уровне. Для придания массе в 7 г ускорения 500 тыс. g нужна сила 33 кН. В простом рельсотроне эта сила соответствует плазменной арматуре, излучающей мощность около 80 МВт, что в три раза больше, чем пороговый тепловой поток для контролируемого испарения изоляторов из высокочистого оксида алюминия в нашем пускателе. Одновитковый рельсотрон с последовательным усилением {series-augmented} некоторым образом улучшили, снизив мощность в канале ствола до двойного порога {абляции, надо полагать}, но ещё не достаточно для эксплуатации без испарения. Решение- обеспечить параллельное усиление {parallel augmentation} таким образом, что разгонная сила прикладывается посредством слабого тока в сочетании с сильным магнитным полем.

Для достижения желаемой выходной скорости без испарения изоляторов необходимо создавать бОльшую часть магнитного поля в канале за счёт витков усиления. Как показано на рисунке 2, амплитуда тока в витках усиления 800 кА, тогда как амплитуда тока в первичных рельсах 160 кА. По существу, витки усиления обеспечивают около 4/5 движущей силы. Рисунок 3 показывает, что эти условия запуска удовлетворяют требованию, чтобы излучаемая мощность в канале была ниже критической величины испарения для изоляторов из оксида алюминия, 12 MWs1/2/m2 {не знаю, что за размерность} всё время.

Источник питания в нашей лаборатории и 7ми метровый MCL предоставляет нам удобную конструкцию, применимую в разных областях. Амплитуда давления в канале- 100 МПа (15 ksi) соответствует менее 1/3 амплитуды допустимой нагрузки для MCL. Мы можем превысить 7 км/с, заряжая 18 батарей (15 батарей для питания витков усиления и три для питания первичных рельсов) менее, чем до половины их номинального напряжения.

В.Конструкция основной части.

Мы далеко продвинулись в области конструирования и анализа сердцевины рельсотрона. Наша конструкция отражает различные замыслы, включающие:

- контроль стоимости путём использования, где возможно, существующего «железа» MCL и ограничения объёма станочной обработки керамических и других компонентов

- обеспечение достаточной (но не чрезмерной) предварительной нагрузки для сохранения герметичности канала при ожидаемой амплитуде давления плазмы 100 МПа (15 ksi)

- минимизация растягивающей нагрузки на керамические плитки

- достижение вакуума 1-10 торр

- создание конструкции, которая в сборе будет длиной 7 метров.

Рисунок 4 показывает поперечный разрез сердцевины. Рельсы усиления {augmenting rails} и крышка, днище и боковые изоляторы из G-10 {по непроверенным данным, разновидность стеклопластика}- основные компоненты MCL. Внутренние рельсы сделаны из 8 ммовых (5/16 дюйма) медных шин со ступеньками, выфрезерованными на боках. Поскольку рельсы поступили длиной 3,7 метра (12 футов), мы разработали сварное соединение внахлёст для получения рельсов длиной 7,6 метров (25 футов). Керамические изоляторы представляют собой плитки из оксида алюминия 8*25,4*152 мм (5/16*1*6 дюймов). Это явно составило наибольшую стоимость материала. Изоляторы внутренних рельсов, которые служат для центровки канала и электрической изоляции внутренних рельсов от рельсов усиления, вырезаны из листов G-10 толщиной 3 мм (1/8 дюйма).

Внутренняя часть сердцевины заключена в полиолефиновую термоусадочную трубу. Термоусадка служит нескольким целям. Она позволяет вакуумировать канал, она является электрической изоляцией между внутренними рельсами и рельсами усиления, и помогает удерживать внутреннюю часть во время сборки. Поскольку у нас не было доступа к достоверным данным по деформации термоусадочной трубы под нагрузкой высоким давлением, мы получили кривую растяжения- сжатия по испытанию образцов материала на гидравлическом прессе, оснащённым датчиками нагрузки и смещения.

Мы проанализировали конструкцию, используя программуCOSMOS/DesignSTAR (расчёт по методу конечных элементов). Нашей первой целью было определить, какой величины смещение необходимо для достижения предварительной нагрузки такой, чтобы канал мог удержать плазму с давлением 100 МПа. Мы проанализировали это приложением давления 100 МПа к каналу, зафиксировав наружный периметр сердцевины. Результирующее смещение керамических изоляторов и внутренних рельсов составило 0,287 мм (0,0113 дюймов) и 0,275 мм (0,0108 дюймов), соответственно, как показано на четверть-симметричной {quarter-symmetry} модели на рисунке 5.

Эти значения представляют минимальные смещения наружных поверхностей по координатам х и у, необходимые для противостояния давлению 100 МПа, приложенному к каналу. Наибольшее смещение происходит на термоусадочной трубе. Мы проводили второй анализ, в котором сжимали сердцевину на 0,3 мм (0,012 дюймов) по координатам х и у, и который подтвердил, что канал сохраняет герметичность при приложении к нему давления 100 МПа.

Мы анализировали внутренние рельсы и керамические плитки на максимальную нагрузку. Условия, при которых максимальна нагрузка на критическую поверхность раздела рельс- керамика и максимален изгиб керамических плиток- это когда канал предварительно нагружен, и внутри отсутствует давление плазмы. Наличие давления плазмы снижает максимальные значения этих нагрузок. Для предварительного сжатия, обсуждённого выше, 0,3 мм в обоих х и у- направлениях, максимальная нагрузка на внутренние рельсы приходится на горизонтальную полку, где рельсы поддерживают керамические плитки, как показано на рисунке 6. Средняя нагрузка 220 МПа (32 ksi). Локальные нагрузки ниже предела текучести для меди (около 350 МПа или 50 ksi) больше, чем на 94х % площади. Практически, небольшая область пластической деформации, в сочетании с механическим упрочнением {нагартовкой} рельса, ослабляет максимальные нагрузки без воздействия на весь объём.

Проводили эксперименты по сжатию керамических плиток- поперечной и вертикальной нагрузкой- и по прогибу от вертикальной нагрузки. Плитки испытывали среднее напряжение сжатия 160 МПа (23 ksi). Все сжимающие нагрузки были заметно ниже прочности на сжатие для оксида алюминия 2,50 ГПа (360 ksi). Плитки испытывали максимальную нагрузку на растяжение 20 МПа (3 ksi), которая ниже допустимой нагрузки на растяжение 250 МПа (36 ksi). Нагрузка на растяжение может быть полностью исключена увеличением предварительного сжатия по горизонтали с 0,3 до 0,38 мм (с 0,012 до 0,015 дюймов). Это не увеличит максимальное напряжение {механическое} в меди, которое обусловлено вертикальной нагрузкой.

Верхний и нижний изоляторы из G-10 защищают от непреднамеренной чрезмерной нагрузки, прикладываемой к сердцевине при наталкивании на рельсы усиления, и ограничивают силу, которая может быть приложена к внутренним рельсам и изоляторам. Критические размеры в этой конструкции и, соответственно, максимальные напряжения {механические}, могут быть подогнаны когда пушка будет смонтирована вставкой майларовых прокладок для достижения желаемой нагрузки.

С.Плазменный инжектор.

Предварительное ускорение необходимо в пускателях с плазменной арматурой потому, что действие медленно движущихся дуг вполне разрушительно для компонентов канала. Фактически, эксплуатация без испарения невозможна ниже определённой пороговой скорости, которая зависит от используемых материалов. Несмотря на то, что легкогазовая пушка, использованная в [4], успешно разгоняла поликарбонатный снаряд до 1 км/с, это имело непреднамеренным последствием введение существенных количеств холодного гелия из инжектора в плазменную арматуру. Физический механизм был проанализирован и обсуждён в [6]. Во избежание этого последствия, мы предпочли использовать плазменный инжектор вместо одноступенчатой легкогазовой пушки. Плазменный инжектор может сообщить снаряду такую же энергию, как и легкогазовая пушка, в то же время вводя значительно меньше газа в канал пускателя.

Наш плазменный инжектор подобен плазменным капиллярным генераторам {plasma-source capillary generators}, применяемым в электротермохимических пускателях. Он состоит из кварцевой трубки длиной 50 см, внутренним диаметром 20 мм со стальной оболочкой. Взрывающаяся проволока инициирует разряд, который испаряет контролируемое количество полиэтилена из тонкого цилиндрического вкладыша. Для достижения 1 км/с газ должен расшириться почти в 3 раза по сравнению с исходным объёмом. Вместо того чтобы попытаться удержать плазму в таком состоянии, что она могла бы служить арматурой, мы формируем плазменную арматуру позади снаряда, вошедшего в казённую часть рельсотрона, используя вторую взрывающуюся проволоку, вставленную в одну из керамических плиток.

3.КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ДАЛЬНЕЙШЕГО РАЗВИТИЯ

В настоящее время мы на первом году пятилетней программы. Мы достигли основных целей этого первого года, которые заключались в разработке и сборке главных компонентов для эксперимента. На втором году мы будем испытывать компоненты индивидуально, собирать подсистемы, и начнём испытания со свободнобегущими дугами {free-running arcs}, как описано в [7]. Третий год посвящён испытанию с поликарбонатными снарядами. Мы начнём с низких энергий и проделаем наш путь до целевой скорости 7 км/с.

Источник: http://emlsymposium.org

Перевод: Котофеич