Перспективный
многоступенчатый магнитный ускоритель масс с
единым источником энергии
В этой статье я хочу рассмотреть
конструкцию магнитного ускорителя масс, в
котором обмотка представляет собой протяженную
обмотку с отводами, сегменты которой шунтируются
силовыми ключами (тиристорами) по мере движения
снаряда внутри ствола и срабатывания
фотодатчиков.
У данной системы есть несколько принципиальных
отличий от систем, где каждая обмотка независима
от предыдущей и имеет свой собственный
конденсатор, силовой ключ и фотодатчик.
Во первых, данная система требует лишь один общий
источник питания для всех ступеней ускорителя,
что позволяет:
1. Сделать систему достаточно простой (один
энергонакопитель)
2. Более полно расходовать запасенную в
конденсаторах энергию по сравнению с системами с
раздельным питанием ступеней
Использование единой обмотки с отводами и
одновременное задействование всех ее сегментов
со ступенчатым отключением отработавших
сегментов позволяет:
3. Избежать необходимости противостоять
индуктивностям обмоток последующих ступеней при
резком включении тока и как следствие избежать
ненужных трат времени и энергии при включении и
выключении
4. Передавать энергию, накопленную в магнитном
поле отключаемых сегментов оставшимся
работающим сегментам
5. Использование самых обычных тиристоров по
одному на каждый сегмент обмотки, без
необходимости использовать большое количество
более дорогих и сложных силовых запираемых
ключей
6. Уменьшение индуктивности обмотки и увеличение
скорости разряда конденсаторов по мере
увеличения скорости движения ускоряемого
снаряда, что потенциально грозит возможностью
высокого КПД
Рассмотрим принцип действия схемы, а затем
ее потенциальные недостатки и способы борьбы с
ними.
Схема действует следующим образом. В изначальном
состоянии «боевой» электролитический
конденсатор (справа на схеме) заряжен от
источника питания до определенного напряжения.
Все тиристоры закрыты, ключ S1 включен и к
фотодатчикам подведено питание. Так как лучи
фотодатчиков ничем не пересекаются, то фотодиоды
открыты и по первичным обмоткам соединенных с
ними последовательно трансформаторов протекает
ток постоянной величины. Так как ток не меняется,
то ток во вторичной обмотке полностью
отсутствует и напряжение на управляющих выводах
тиристоров 2-ой и третей ступени равно нулю.
Железный снаряд расположен перед началом
первого сегмента обмотки.
Когда пользователь нажимает кнопку «Fire», на
управляющий вывод первого тиристора поступает
напряжение от батарей питания управляющей схемы
и первый тиристор открывается. Через всю обмотку
начинает протекать ток, который довольно быстро
достигает некоторого относительно стабильного
значения, если рассматривать сравнительно
короткий интервал времени от начала выстрела до
срабатывания первого фотодатчика.
Снаряд, набирая скорость, достигает первого
фотодатчика и пересекает инфракрасный луч между
ИК свето- и фотодиодами. Ток через фотодиод
первого фотодатчика резко уменьшается,
уменьшение тока в первичной обмотке
трансформатора вызывает положительный импульс
тока во вторичной обмотке который через диод
поступает на управляющий вывод второго
тиристора.
Второй тиристор подключает второй отвод обмотки
к плюсу общего конденсатора. Таким образом,
первый сегмент обмотки оказывается
зашунтированным малым сопротивлением второго
тиристора и напряжение на первом сегменте
обмотки становиться очень малым.
Однако ток в первом сегменте обмотки не исчезает
моментально благодаря явлению самоиндукции и
продолжает вливаться в общий ток оставшейся
части обмотки, в которую теперь так же напрямую
поступает ток от батареи конденсаторов.
Таким образом, за счет самоиндукции отключенного
сегмента обмотки энергия из него частично
переходит в оставшуюся часть обмотки.
Но гораздо значительнее на передачу энергии,
запасенной в магнитном поле первого сегмента в
оставшуюся часть обмотки влияет взаимная
индукция обмоток. Дело в том, что сегменты
обмотки имеют довольно сильную магнитную связь.
Если ток в первом сегменте начал падать, то за
счет явления электромагнитной индукции ток в
оставшихся сегментах начинает возрастать, так
как все сегменты связаны единым магнитным
потоком. И наоборот – так как оставшийся кусок
обмотки теперь напрямую подключен к
конденсаторам, ток в нем возрастает, а в
отключенном сегменте – падает.
В итоге система достаточно быстро (но не
моментально!) приходит к состоянию, когда ток
через первый сегмент обмотки становиться
фактически нулевым, а в оставшейся обмотке
благодаря уменьшившемуся активному и
индуктивному сопротивлению ток возрос. Впрочем,
возрастание тока в оставшейся части обмотки не
будет значительным, так как напряжение на
конденсаторе (конденсаторах) к этому времени уже
несколько снизилось.
И все вроде бы хорошо – мы отключили ненужный
сегмент обмотки за снарядом, сохранив при этом
тянущее магнитное поле, сохранили в оставшейся
части обмотки ток большой величины и все это
умудрились сделать одним обычным тиристором! Но
тут есть один, но весьма серьезный подводный
камень. Дело в том, что несмотря на все
предпосылки к отключению зашунтированного
тиристором сегмента обмотки его отключение
будет происходить вовсе не так быстро, как
хотелось бы!
В момент отключения гвоздь практически целиком
находиться внутри первой обмотки и за счет
высокой магнитной проницаемости железа
индуктивность первого сегмента обмотки в
несколько раз выше индуктивности всей
оставшейся обмотки, а, следовательно, велика и
самоиндукция, не позволяющая току в обесточенном
сегменте исчезнуть быстро! По мере движения
гвоздя индуктивность первого сегмента обмотки
будет уменьшаться, а индуктивность последующих
сегментов – расти. При этом возникнет ситуация,
когда зона максимального магнитного поля,
которое, собственно, и придает снаряду желаемое
ускорение, находиться не впереди снаряда, где ей
в идеале следует находиться, а фактически в близи
центра снаряда и не производит заметной работы!
Конечно, в реальности фронт нарастания
магнитного поля будет-таки чуточку опережать
центр снаряда и повышать КПД ускорения данной
системы по сравнению с аналогичной
одноступенчатой, но факт наличия железного
снаряда работает против идеи Светлого
Коммунистического Будущего. Убрать бы этот
дурацкий железный гвоздь нафиг, но не судьба :-)
Аналогичным образом происходит перекоммутация
системы когда гвоздь достигает второго
фотодатчика и открывается последний тиристор.
При этом первый сегмент обмотки уже давным-давно
отключен и его как бы нет и вовсе, поэтому
рассматриваются лишь два последних сегмента
обмотки – отключаемый 2ой и оставшийся 3ий.
Предполагается, что система сделана таким
образом, что к моменту достижения снарядом
середины последнего, третьего сегмента обмотки
конденсатор разрядиться и ток будет минимальным.
Этому так же способствует грамотное
распределение размеров сегментов обмотки, когда
размеры последнего сегмента значительно меньше
размеров предыдущих сегментов и остаток заряда
конденсаторов вытечет через него максимально
быстро. Подробнее об этом будет сказано ниже.
А теперь еще раз трезвым взглядом окинем
рассматриваемую систему и подумаем, что же за
хренотень мы получили и есть ли вообще смысл ее
делать? С моей точки зрения рассматриваемая
система с позиции теории наиболее близка не
многоступенчатой, а одноступенчатой системе с
динамически изменяющимися параметрами. Думаю,
всем достаточно хорошо известно, что
индуктивность обмотки помимо напряжения и
емкости конденсаторов так же зависит от скорости
полета гвоздя (времени разгона) и чем она
(скорость) выше, тем меньше должна быть
индуктивность обмотки для достижения
максимального КПД ускорения.
Так же известно, что по мере движения гвоздя его
скорость увеличивается и при стрельбе из
обычного, одноступенчатого гаусса в точке
максимального ускорения (положение гвоздя, когда
при его смещении происходит наиболее сильное
изменение индуктивности – обычно это самый
центр обмотки) гвоздь находиться лишь мгновение.
Зато гвоздь довольно долго простаивает в начале
обмотки, где его ускорение только начинается. Т.е.
имеет место быть совершенно уродская ситуация:
место максимального ускорения гвоздь пролетает
на полной скорости, но увеличивать магнитное
поле в этой точке просто так вот никак нельзя –
так как сразу по прохождению этой самой точки
ускорение принимает отрицательный характер и
магнитное поле к этому времени в идеале следует
отключить. А вот когда гвоздь движется медленно и
далеко от центра – приходиться в прямом смысле
слова кочегарить обмотку вхолостую – толку мало,
но другого пути всосать гвоздь в зону более
эффективного разгона нет. Поэтому чуть ли не
единственным выходом для одноступенчатых систем
подобной схемы является использование
сфероконических градиентных обмоток,
рассчитанных таким образом, чтобы магнитное поле
было бы максимальным при половинном втягивании
гвоздя в обмотку – в этом положении разгонять
гвоздь при помощи одноступенчатых систем
наиболее рационально.
В общем, область обмотки одноступенчатой
системы, в которой можно хорошо разогнать гвоздь,
представляет собой весьма малый участок длины
обмотки вблизи первой ее четверти. Во всех прочих
местах обмотки разгонять гвоздь либо
неэффективно, либо чревато его эффективным, но
уже не разгоном, а торможением.
Использование системы с постепенным отключением
отработавших сегментов обмотки позволяет
СУЩЕСТВЕННО увеличить время и место разгона
гвоздя внутри обмотки. Это нетрудно видеть из
описательной части рассматриваемой мной схемы.
Возвращаясь к частично затронутому вопросу о
недостатках данной системы и принимая во
внимание сказанное по поводу одноступенчатых
ускорителей, хочу описать систему магнитного
ускорителя на основе обмотки с отключаемыми
сегментами более детально.
В одноступенчатых магнитных ускорителях
начинать отключать магнитное поле следует сразу
по прохождению середины снаряда первой четверти
обмотки. Таким образом, к моменту достижения
снарядом середины обмотки магнитное поле будет
минимальным. В нашей, «полумногоступенчатой»
системе, соответственно, начинать процесс
отключения первого сегмента обмотки следует в
момент достижения снаряда четверти от общей
обмотки и одновременно середины первого
сегмента обмотки. Второй сегмент необходимо
отключат в момент достижения снаряда середины
второго сегмента и четверти куска обмотки из
второго и третьего сегментов. Т.е. длины
сегментов при общем количестве сегментов 3
должны соотноситься как 2:1:1.
Впрочем, такое соотношение не совсем оправданно.
Если обмотка будет настолько протяженной, то
плотность магнитного поля будет недостаточно
высока, особенно в начальный момент выстрела
когда задействована вся обмотка, да и магнитная
связь между сегментами будет не очень высока. И к
тому же в отличие от сегментов гвоздь имеет
постоянную длину и сегментами различной длины
будет втягиваться совершенно по разному.
С моей точки зрения важно выдержать не сколько
соотношения длин сегментов, сколько соотношения
их индуктивностей, которые в случае с вариациями
длины соотносятся точно так же. Т.е. можно сделать
все сегменты одинаковой длины, согласованной с
длиной гвоздя, но вот число витков первого
сегмента примерно в 1,4 раза больше, чем число
витков равных между собой 2-ого и 3-его сегментов.
Это обеспечит индуктивность первого сегмента
равную индуктивности второго и третьего
сегментов включенных вместе.
Такой способ распределения индуктивностей между
сегментами необходим так же с целью увеличения
скорости отключения отработавших сегментов. При
включении очередного тиристора сопротивление
оставшегося подключенного участка (как активное,
так и реактивное!) будет в два раза меньше
сопротивления обмотки вместе с подключенным
сегментом и тем охотнее ток «захочет» течь через
короткий участок обмотки и исчезнуть внутри
отключенного сегмента, чему так же будет активно
способствовать явление индукции между
сегментами.
Но как высчитать параметры обмотки более
конкретно? Не вдаваясь в попытки теоретического
обоснования, попробую дать интуитивный совет
относительно обмоток. Предположим, у тебя есть
обыкновенный одноступенчатый гаусс –
конденсаторы, тиристор, сфероконическая обмотка.
И ты решил сделать описываемую мной систему на
основе этих же конденсаторов. Обмотка исходной
системы у тебя более менее оптимизирована и ее
параметры известны. Так вот, первый сегмент
предлагаемой мной системы должен иметь точно
такие же параметры, как параметры обмотки
одноступенчатой пулялки.
Чтобы усилить эффект отключения сегментов
(потому, что на самом деле отключения сегментов
обмотки как такового нет, есть их шунтирование
меньшим сопротивлением оставшейся части
обмотки) желательно по мере приближения к
последним, более коротким сегментам,
использовать более мощные тиристоры,
рассчитанные на больший ток и имеющие меньшее
внутреннее сопротивление. Фактически, на
последнем сегменте обмотки следует поставить
примерно такой же тиристор, который следовало бы
использовать при создании на основе данных
конденсаторов одноступенчатого ускорителя, а на
предыдущих участках использовать более мелкие и
более дешевые тиристоры, так как:
1. по ним будет протекать меньший ток вследствие
большего куска включенной обмотки
2. большее внутреннее сопротивление мелких
тиристоров хорошо способствует скорости
исчезновения тока в подсоединенных к ним
сегментах
Существенно повысить характеристики системы
можно, если применить принудительное отключение
отработавших сегментов, однако это значительно
усложнит довольно простую изначальную
конструкцию. Для отключения могут быть применены
силовые реле либо мощные МОП транзисторы. При
этом КПД системы будет заметно выше, так как при
быстром отключении сегмента обмотки магнитное
поле внутри него будет быстро меняться, создавая
положительный импульс тока в оставшейся,
подключенной части обмотки существенно уменьшая
время перекоммутации и позволяя повторно
использовать энергию магнитного поля
отключенных сегментов. Да и фронт магнитного
поля будет больше тянуть снаряд, чем
притягиваться к нему сам за счет высокой
магнитной проницаемости железа. Для повышения
магнитной связи между сегментами обмотки
намотку сегментов стоит делать с некоторым
нахлестом, а главным мешающим элементом при
намотке будут являться места для установления
фотодатчиков – ведь достоверно проверять
положение гвоздя через обмотку пока никто не
научился.
Собрав подобную систему мы получим не
последовательность одноступенчатых систем,
которую представляют собой «классические»
многоступки с раздельными обмотками и
раздельными конденсаторами и дающая некоторый
выигрыш в КПД лишь за счет увеличения скорости
полета гвоздя, а фактически одноступенчатую
систему, в которой участок эффективного разгона
снаряда значительно увеличен.
13.11.2003 ADF
|
