Методы и средства ускорения частиц естественного и техногенного происхождения

Н. Д. Сёмкин, К. И. Сухачёв, А. С. Дорофеев

Аннотация


Анализируются различные типы ускорителей твёрдых макрочастиц естественного и техногенного происхождения. Рассмотрены конструкции и принципы работы ускорителей микронного и миллиметрового диапазона с центром распределения по скоростям около 20 км/с: электростатические, электродинамические, импульсные, pельсовые электромагнитные, катушечные электромагнитные и электроразрядные газодинамические, комбинированные установки. Проведён обзор легкогазовых, взрывных, газоразрядных и электромагнитных ускорителей с различными принципами действия. Основное внимание уделено электромагнитным методам ускорения, которые наиболее перспективны для ускорения макротел до сверхвысоких скоростей. Указаны достоинства и недостатки различных типов ускорителей твёрдых тел. Проведён анализ пригодности различных конструкций ускорителей для имитации столкновений орбитальных метеоритных частиц и элементов космического мусора с поверхностью космического аппарата. Определены  проблемы, возникающие при построении и работе ускорителей различного типа, и приведены решения этих проблем. Приведены результаты экспериментов по ускорению твёрдых тел микронного и миллиметрового диапазона на ускорителях различного типа и методы оптимизации конструкций ускорителей макрочастиц с целью увеличения их КПД и скорости ускоряемого тела. Приведена эволюция ускорителей и основные направления их дальнейшего совершенствования. 


Ключ. слова


Рельсотрон; катушечный ускоритель; резонансный ускоритель; электроразрядный ускоритель; метание частицы естественного и техногенного происхождения; высокоскоростное ускорение твёрдых макрочастиц; ускорители; принцип работы; конструкция; эффективность

Полный текст:

PDF

Список литературы

1. Манзон Б.М. Ускорение макрочастиц для управляемого термоядерного синтеза // Успехи физических наук. 1981. Т. 134, № 4. С. 611-639. doi: 10.3367/UFNr.0134.198108b.0611

2. Harrison E.R. Alternative Approach to the Problem of Producing Controlled Thermonuclear Power // Physical Review Letters. 1963. V. 11, Iss. 12. P. 535-537. doi: 10.1103/physrevlett.11.535

3. Friichtenicht J.F. Two-million-Volt electrostatic accelerator for hypervelocity research // Review of Scientific Instruments. 1962. V. 33, Iss. 2. P. 209-212. doi: 10.1063/1.1746548

4. Hasegawa S., Fujiwara A., Morishige K., Yano H., Nishimura T., Sasaki S., Hamabe Y., Ohashi H., Nogami K., Kawamura T., Iwai T., Kobayashi K., Shibata H. Microparticle acceleration for hypervelocity experiments by A 3.75MV van de Graaff accelerator and a 100KV electrostatic accelerator in Japan // International Journal of Impact Engineering. 2001. V. 26, Iss. 1-10. P. 299-308. doi: 10.1016/s0734-743x(01)00098-7

5. Friichtenicht J.F. Micrometeoroid simulation using nuclear accelerator techniques // Nuclear Instruments and Methods. 1964. V. 28, Iss. 1. P. 70-78. doi: 10.1016/ 0029-554x(64)90351-9

6. Becker D.G., Friichtenicht J.F. Measurement and Interpretation of the Luminous efficiencies of Iron and Copper Simulated micrometeors // The Astrophysical Journal. 1971. V. 166. P. 699-716. doi: 10.1086/150994

7. Becker D.G., Friichtenicht J.F., Hamermesh B., Langmuir R.V. Variable-Ferquence Radially-Stable Micrometoroid Accelerator // Review of Scientific Instruments. 1965. V. 36, Iss. 10. P. 1480-1481. doi: 10.1063/1.1719360

8. Сухачев К.И., Сёмкин Н.Д., Пияков А.В. Импульсный ускоритель пылевых частиц // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2013. Т. 16, № 2. С. 70-78.

9. Сухачев К.И., Сёмкин Н.Д., Пияков А.В. Импульсный ускоритель твёрдых частиц: патент РФ № 2523666; опубл. 20.07.2014; бюл. №20.

10. Сёмкин Н.Д., Пияков А.В., Воронов К.Е., Помельников Р.А. Ускоритель высокоскоростных твёрдых частиц: патент РФ 2205525; опубл. 27.05.2003; бюл. № 15.

11. Сёмкин Н.Д., Пияков А.В., Пияков И.В., Сухачев К.И. Ускоритель высокоскоростных твёрдых частиц: патент РФ 2447626; опубл. 10.04.2012; бюл. №10.

12. Сёмкин Н.Д., Пияков А.В., Пияков И.В., Каштанов Е.В. Циклический ускоритель пылевых заряженных частиц: патент РФ 2456781; опубл. 20.07.2012; бюл. № 20.

13. Акишин А.И., Новиков Л.С. Методика и оборудование имитационных испытаний материалов космических аппаратов. М.: Московский университет, 1990. 90 с.

14. Сёмкин Н.Д., Пияков А.В., Воронов К.Е., Богоявленский Н.Л., Шепелев С.М. Инжектор заряженных пылевых частиц // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 3. С. 154-159.

15. Сёмкин Н.Д., Пияков А.В., Брагин В.В., Видманов А.С., Сухачев К.И. Источник заряженных пылевых частиц: патент на РФ 136668; опубл. 10.01.2014; бюл. № 1.

16. Holland L.D. The DES railgan facility at CEM-UT // IEEE Transaction on Magnetics. 1984. V. 20, Iss. 2. P. 256-269. doi: 10.1109/tmag.1984.1063047

17. Сёмкин Н.Д., Воронов К.Е., Телегин А.М., Изюмов М.В., Сухачев К.И. Моделирование частиц космического мусора с помощью электромагнитного и электроплазменного ускорителя // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2011. Т. 14, № 1. С.79-85.

18. Fowler C.M., Peterson D.R., Caird R.S., Erickson D.J., Freeman B.I., King J.C. Explosive flux compression for railgun power sources // IEEE Transaction on Magnetics. 1982. V. 18, no. 1. P. 64-67. doi.org/10.1109/tmag.1982.1061778

19. Анисимов А.Г., Башкатов Ю.Л., Швецов Г.А. Взрывомагнитные генераторы для питания рельсотронных ускорителей // Физика горения и взрыва. 1986. Т. 22, № 4. С. 76-82.

20. Cowan M. Pulsed power for electromagnetic launching // IEEE Transaction of Magnetics. 1982. V. 18, Iss. 1. P. 145-150. doi: 10.1109/tmag.1982.1061774

21. Ford R.D., Jankins D., Lupton W.H., Vitkovitsky J.M. Pulsed High-Voltage and high-current outputs from Homopolar Energy Storage System // Review Scientific instruments. 1981. V. 52, no. 5. P. 694-697. doi: 10.1063/1.1136665

22. Koltern W.J., Jamet F. Electric Energy Gun technology: Status of the French-German-Netherlands Programme // IEEE Transaction on Magnetics. 1999. V. 35, no. 1. P. 25-39. doi: 10.1109/20.738370

23. Rashleigh S.C., Marshall R.A. Electromagnetic accelerator of macroparticles to high velocities // Journal of Applied Physics. 1978. V. 48, no. 4. P. 2540-2552. doi: 10.1063/1.325107

24. Delsasso L.A. Japanese Experiments with the Electromagnetic Gun // U.S. Army Technical Intelligence. 1946. V. 17. P. 123-186.

25. Швецов Г.А., Титов В.М., Анисимов Г.А. Рельсотронные ускорители макрочастиц Ч. 1. Общие характеристики // Доклады четвертой международной конференции по генерации мегагауссных полей и родственным экспериментам. США. Санта-Фе, 1986. С. 98-123.

26. Дробышевский Э.М., Жуков Б.Г., Куракин Р.О., Розов С.И., Белобородый М.В., Латыпов В.Г. Роль пинч-эффекта в высокоскоростном металлическом контакте с большим током // Письма в Журнал технической физики. 1999. Т. 25, № 6. С. 89-94.

27. Швецов Г.А., Титов В.М., Анисимов Г.А. Рельсотронные ускорители макрочастиц Ч. 2. Общие характеристики // Доклады четвертой международной конференции по генерации мегагауссных полей и родственным экспериментам. США. Санта-Фе, 1986. С. 140-156.

28. Barton R.J., Goldstein S.A., Tidman D.A., Wang S.G., Winsor N.K., Witherpoon F.D. EMET Technology for Rail Launchers // IEEE Transaction of Magnetics. 1986. V. 22, no. 6. P. 1410-1415. doi: 10.1109/tmag.1986.1064670

29. Башкатов Ю.Л., Швецов Г.А. Общие энергетические соотношения в рельсотронных ускорителях твёрдых тел // Прикладная механика и техническая физика. 1987. Т. 28, № 2 (162). С. 166-171.

30. Чистяков В.П., Швецов Г.А. О критической плотности тока в рельсотронных ускорителях с плазменным поршнем // Прикладная механика и техническая физика. 1988. Т. 29, № 1 (167). С. 20-27.

31. Носов Г.В. Определение параметров рельсотронов. Ч. 1. Расчёт при постоянной плотности тока // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 322, № 4. С. 65-69.

32. Носов Г.В. Определение параметров рельсотронов. Ч. 2. Расчёт при синусоидальном токе // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 322, № 4. С. 70-74.

33. Носов Г.В., Лусс А.А. Определение параметров рельсотронов. Ч. 3. Расчёт при периодических не синусоидальных токах // Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 323, № 4. С. 95-100.

34. Davidson R.F., Cook W.A., Robem D.A., Schnurr N.S. Predicting Bore Deformation and Launcher Stresses in Railgun // IEEE Transaction of Magnetics. 1986. V. 22, no. 6. P. 1435-1440. doi: 10.1109/tmag.1986.1064668

35. Kotas J.F., Buderjahn C.A., Littman F.D. A Parametric Evalution of Railgun Augmentation // IEEE Transaction of Magnetics. 1987. V. 22, no. 6. P.1573-1577. doi: 10.1109/tmag.1986.1064729

36. Peterson D.R., Weeks D.A., Zowarka R.S., Cook R.W., Weldon W.F. Testing of a High Performance, Precision-Bore Railgun // IEEE Transaction of Magnetics. 1986. V. 22, no. 6. P. 1662-1668. doi: 10.1109/tmag.1986.1064655

37. Marshall R.A. Structure of Plasma Armature of Railgun // IEEE Transaction of Magnetics. 1986. V. 22, no. 6. P. 1609-1612. doi: 10.1109/tmag.1986.1064672

38. Kawashima N., Yamori A., Kohno M., Kubo H., Teii S., Himeno S. Electrothermal Accelerators A brief overview on the work performed within the trilateral European Electric Gun Program // Proceedings of 5th Europian Symposium on Electromagnetic Launch Technology. 1995. V. 2. P. 293-301.

39. Parker J.V. Why Plasma Armature Railguns don't work (and what can be done about it) // IEEE Transaction of Magnetics. 1989. V. 25, no. 1. P. 418-424. doi: 10.1109/20.22574

40. Postnikov B.V., Fomichev V.P., Fomin V.M. Two-Stage Railgun Pinched Plasma Armature // IEEE Transactions on Magnetics. 2002. V. 39, no. 1. P. 4-11.

41. Shurupov A.V., Lebedev E.F., Luzganov S.N., Ostashev V.E., Polistchuk V.P., Fortov V.E. Extreme Regimes of Railgun Launcher with Plasma Armature // IEEE Transactions on Magnetics. 2002. V. 28, no. 2. P. 36-41.

42. Жуков Б.Г., Куракин Р.О., Сахаров В.А., Бобашев С.В., Поняев С.А., Резников Б.И., Розов С.И. Малогабаритный рельсовый ускоритель диэлектрических твёрдых тел mm-размера // Письма в ЖТФ. 2013. Т. 39, № 12. С. 63-70.

43. Карцев В.П. Магнит за три тысячелетия. М.: Энергоатомиздат, 1988. 268 с.

44. Kapiza P., Kostenko M. Electrical Impuls Generator: British patent no. 254, 349. Application date: Dec. 30, 1924. Complite accepted: June 20. 1926.

45. Snow W.R., Dunbar R.S., Kulby J.A., O’Neil G.R. Mass driver two: A status report // IEEE Transaction of Magnetics. 1982. V. 18, no. 1. P. 127-134. doi: 10.1109/tmag.1982.1061777

46. Liao M., Zabar Z., Gzarkowski D., Levi E., Birenaum L. On the Design of a Coilgun as a papid-Fire Grenade Launcher // IEEE Transaction of Magnetics. 1999. V. 35, no. 1. P. 148-153. doi: 10.1109/20.738393

47. Васильев Е.В. Многоступенчатый ускоритель с бегущим переключением соленоидов: патент РФ № 2267074; опубл. 27.12.2005; бюл. № 36.

48. Сухачев К.И., Сёмкин Н.Д., Пияков А.В., Воронов К.Е. Резонансный электромагнитный ускоритель: патент РФ № 2466340; опубл. от 10.11.2012; бюл. № 31.

49. Сухачев К.И., Сёмкин Н.Д., Пияков А.В. Повышение эффективности резонансного электромагнитного ускорителя // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2013. Т. 16, № 4. С. 63-68.

50. Сухачев К.И., Сёмкин Н.Д. Анализ возможностей катушечного электромагнитного ускорителя для разгона ферромагнитных частиц // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2013. № 3(41), ч. 1. С. 235-247.

51. Сухачев К.И., Сёмкин Н.Д., Пияков А.В., Воронов К.Е. Резонансный метод ускорения немагнитных материалов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С.П. Королёва (национального исследовательского университета). 2012. № 2(33). С. 126-132.

52. Bresie D.A., Bacon J.L., Kennington K.S., Ingram S.K., Weeks A.A. SPEAR coilgun // IEEE Transaction of Magnetics. 1995. V. 31, no. 1. P. 467-472. doi: 10.1109/20.364645

53. Weh H., May H. Electromagnetic accelerator in flat coil arrangement: Patent US № 5294850. Mar. 15. 1994.

54. Kolm H., Mongean P. Basic principles of coaxial launch technology // IEEE Transaction of Magnetics. 1984. V. 20, no. 2. P. 227-230. doi: 10.1109/tmag.1984.1063050

55. Stollenwerk E.J., Perry R.W. Preliminary planning for a hypervelocity aerolallistic range at AEPC // AGAPDograph. 1959. V. 32. P. 200.

56. Физика быстропротекающих процессов. Т. 2 / под ред. Н.А. Златина. М.: Мир, 1971. 252 c.

57. Massey D.W., Tidman D.A., Goldstein S., Napier P. Experiments with a 0,5 Megajoule Electric Gun System for fairing hypervelocity Projectiles from plasma cartridges // Final Report GTD 86-1. GT-Devices. Alexandria. VA. 1986. P. 150-154.

58. Техника гиперзвуковых исследований: сб. статей. М.: Мир, 1964. 524 c.

59. Говелл В.Ж., Орр В.Р., Крилл А.М. Использование электрических разрядов в лёгком газе для увеличения скорости движения модели, сообщаемой ей газовой пушкой. М.: Машиностроение, 1965. 384 c.

60. Герасимов Д.Ю., Сивков А.А. Коаксиальный магнитоплазменный ускоритель: патент РФ № 2498542; опубл. 10.11.2013; бюл. № 31.

61. Сивков А.А. Гибридная электромагнитная система метания твёрдых тел // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т. 42, № 1(245). С. 3-12.

62. Hawke R.S., Dixon W.R., Kang S.W., McCallen R.C., Susoeff A.R., Assay J.R., Shahinpoor M. The Importance of high injection velocity to reduce plasma armature growth and drag in hypervelocity railguns // Proceedings of the 14th international conference on Plasma science. Arlington. VA. USA. 1987. P. 122-143.

63. Hamilton G. Electromagnetic Launcher Facility Begins Operation in California // Aviation Week and Space Technology. 1986. V. 124, no. 4. P. 92-112.


DOI: http://dx.doi.org/10.18287/2412-7329-2015-14-4-171-191

Ссылки

  • Ссылки не определены.


 

Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License.

 

ISSN: 2541-7533