Электродинамическое ускорение макротел
Задачи преобразования электромагнитной и кинетической энергии возникают в проблеме достижения уникальных скоростей макротел, а также преобразования электромагнитного импульса за счет введения промежуточного этапа передачи энергии ускоряемому телу и ее последующего возвращения путем резкого торможения в магнитном поле. В обоих случаях необходимо обеспечить разгон некоторого достаточно массивного тела в электродинамическом ускорителе до значительных скоростей.
Современные широко распространенные пороховые ускорители макротел массой от 1 г до 1 кг обладают скоростью, ограниченной величиной 1-1,8 км/с. Электродинамический ускоритель свободен от этих ограничений. Поэтому, с точки зрения научной и технической, такие ускорители представляют значительный интерес.
Простейшая схема ускорителя показана на рис. 26. По направляющим рельсотрона (рельсам) протекает электрический ток, замыкающийся через подвижную проводящую перемычку - якорь. Созданное магнитное поле взаимодействует с током в якоре и порождает силу Лоренца, выталкивающую якорь из магнитного поля. В результате происходит ускорение якоря.
В другом классе систем проводник (лайнер) разгоняется за счет импульса тока длительностью около 100 мкс, а затем тормозится в сильном магнитном поле за время менее 1 мкс. Отданная им во внешнюю электрическую цепь энергия будет сосредоточена в коротком импульсе, давая тем самым гигантскую мощность. На этом принципе основано действие магнитного компрессора - элемента установки МОЛ ("Магнитное обжатие лайнеров"), создаваемой для отработки узлов проектируемой установки "Байкал" [130]. В магнитном компрессоре используется механизм генерации выходного импульса тока, аналогичный принципу работы взрывомагнитных генераторов.
На рис. 27 показаны распределения полей для расчета эксперимента по ускорению свободного лайнера в компрессоре. При этом по лайнеру протекают только токи, наведенные магнитным полем, созданным током индуктора (видного в форме прямоугольника).
В задачах преобразования энергии обязательным является выбор моделей, адекватным образом описывающих энергетику процесса. Это проявляется как на уровне дифференциальных моделей, так и на уровне конечномерных. Данное требование предполагает использование консервативных и полностью консервативных разностных или конечно-элементных схем. Вторым отличием является применение методов, однородных по подобластям с резко неоднородными характеристиками методов.
Построенные модели позволяют описывать преобразование электромагнитной и кинетической энергии самосогласованным образом. Проведенные вычисления позволили получить ряд важных качественных и количественных характеристик процесса ускорения, которые использованы при оптимизации реальных конструкций [131,132].