Центр мощной импульсной и силовой электроники.
Кафедра физики, электрического и компьютерного проектирования.
Техасский Технологический Университет.
Абстракт- представлены экспериментальные результаты по рельсотрону с распределённым источником энергии. Рельсотроны с распределённым источником энергии были впервые предложены Маршаллом в варианте асинхронной схемы и позднее Паркером в синхронном варианте. Обе схемы используют «бегущую волну возбуждения» {traveling excitation wave} для продвижения снаряда вдоль рельсов. Главные преимущества подобной схемы перед обыкновенной с питанием в казённой части {breech- fed} – более высокая эффективность по причине меньшего остатка энергии в рельсах {имеется в виду энергия, запасаемая в индуктивности рельсов} и более низкие резистивные потери в рельсах. Другое преимущество- снижение вероятности перепробоя. Однако, эти преимущества достигаются ценой большей сложности коммутационного устройства. Для подтверждения этого принципа мы сконструировали «настольный» рельсотрон с твёрдой арматурой и распределёнными источниками энергии. Взамен одиночного ёмкостного источника энергии, подведённого к казённой части, ток подавался двумя батареями накопительных конденсаторов, расположенных в разных положениях вдоль рельсов. Конфигурация коммутации, которая требует индивидуального ключа на каждый конденсатор, реализована на твёрдотельных ключах. Проводилась диагностика рельсотрона для определения характеристик и соответствующего управления ключами. В добавок, экспериментальные результаты сравнивались с расчётными.
1.ВВЕДЕНИЕ Рельсотроны с распределёнными источниками энергии, схематически показанные на рисунке 1, имеют несколько значительных преимуществ перед традиционными рельсотронами, питаемыми с казённой части. В последних {традиционных} эффективность передачи электрической энергии никогда не может быть больше 50% по причине индуктивной энергии, остающейся в рельсах. Остаточная индуктивная энергия в рельсах значительно снижена в рельсотронах с распределённой энергией.  Дополнительно, резистивные потери в рельсах рельсотрона, питаемого с казённой части, по существу, выше, так как ток протекает по всей длине рельсов, в противоположность типу с распределением, где ток протекает через секцию рельса. Наконец, если длина рельсотрона становится очень большой, как может потребоваться для космических запусков, преимущества, свойственные рельсотрону с распределением энергии, становится даже более значительными.
Пример моделирования 8ми-ступенчатой схемы синхронного рельсотрона с распределением показан на рисунке 2.
В такой схеме ключевые параметры, такие как ёмкость и внешняя индуктивность ступени, расположение ступени, энергия на ступень, масса арматуры- все взаимосвязаны для обеспечения постоянного тока на протяжении основной части импульса. Ключевое преимущество синхронной конфигурации перед асинхронной- отсутствие необходимости шунтирования {crowbar} конденсаторов.
В этой статье мы описываем конструкцию и характеристики 2х-ступенчатого асинхронного рельсотрона. Ключевые компоненты включают 80см-вый рельсотрон, три конденсаторных батареи на 5 кДж, фазоуправляемые тиристоры {SCRs} и шунтирующие диоды {crowbar diodes}.
2.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Рельсотрон, показанный на рисунке 3, длиной 80 см с поперечным сечением канала 1,27*1,27 см. Сами рельсы изготовлены из 1,27*2,54 см медной заготовки (марка меди 110 Н04). В качестве изолятора использован стеклотекстолит G10. Алюминиевые (6061- Т6) плиты предназначены для удержания рельсов и компонентов изолятора. Примечательно, что углы, где сходятся алюминиевые и стеклотекстолитовые детали, скошены. Это было сделано для получения вертикального и горизонтального сжатия.  Модули конденсаторной батареи, показанные на рисунке 4, включают в себя 10 конденсаторов, ёмкостью 1,5мФ {МИЛИфарад} и с максимальным напряжением 440 В. Следовательно, каждый модуль вмещает 1,4 кДж энергии. Модуль также включает в себя фазоуправляемый тиристор, подобный Powerex T9G0, который посылает ток в рельсотрон, и шунтирующий диод {crowbar diode} для предотвращения «звона» {ringing} в электролитических конденсаторах. Рисунок 4 также показывает выходной ток на нагрузку индуктивностью 10 мкГн при разных зарядных напряжениях.  Как часть проекта, было необходимо разработать и сделать управляющую схему для контроля срабатывания тиристоров. Драйвер вырабатывает раздельные сигналы для тиристоров. Вместе с соответствием электрическим требованиям, в конструкции также минимизированы общий размер, количество деталей, стоимость. Выбранная топология схемы и разводка платы {board layout} допускает различные режимы эксплуатации. Конструкция драйвера гибкая, экономичная и надёжная. Внешний вид и упрощённая диаграмма схемы показана на рисунке 5. Было определено, что для получения значительного ускорения 3г-вого снаряда необходимо несколько модулей конденсаторных батарей. Это было сделано параллельным соединением 4х модулей конденсаторных батарей, как показано на рисунке 6. Такая сборка обеспечивает накопление 5,5 кДж энергии. Изображение системы рельсотрона показано на рисунке 7. Изображение показывает рельсотрон, 8 модулей конденсаторных батарей первой ступени с индуктором формирования импульса (10 мкГн), и 4 модуля конденсаторных батарей второй ступени с индуктором 1,5 мкГн. Первичная диагностика составляла две Пирсоновские катушки {Pearson coils} для отслеживания тока и несколько разрывающихся проволочек {break wires}, расположенных в разных местах рельотрона для определения положения {снаряда} и скорости. 3.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
В начале рельсотрон был испытан с одной 8ми-модульной сборкой конденсаторов, заряженных до 300 В (энергия 10,4 кДж). Сборка была подключена к казённой части. Использованная арматура была выточена из алюминиевой заготовки с U-образным каналом и имела массу примерно 3,8 г. Выходные скорости, полученные по разрыванию проволочек, составили 60- 65 м/с. Форма волны тока, показанная на рисунке 8, из эксперимента сравнивалась с PSpice- моделированием.  Все PSpice- модели для описания рельсотрона использовали простую индуктивность и сопротивление, которые изменялись в соответствии с положением арматуры.
Также была собрана двухступенчатая конфигурация рельсотрона. Она включала 8ми-модульную конденсаторную батарею, подключённую к казённой части, и 4х-модульную конденсаторную батарею, подключённую на расстоянии 40 см от места подключения казённой части, на половине длины рельсотрона. Обе батареи были заряжены до 300 В, что даёт начальный запас энергии 16,2 кДж. Экспериментальный и расчётный ток рельсотрона показан на рисунке 9.  Вторая ступень приводилась в действие через разрывные проволочки, расположенные на половине длины рельсов, в том же положении, где подключена 4х-модульная конденсаторная батарея. Замечательно небольшое отсутствие непрерывности на экспериментальной кривой тока между 7 и 8 мс. Это совпадает с выходом арматуры из рельсотрона и прерыванию тока.
Измерения скорости были сделаны с разрывными проволочками, расположенными в нескольких местах внутри рельсотрона. Такая конфигурация использует 2 пары разрывных проволочек. Каждая разрывная проволочка в паре расположена на расстоянии 2,54 см от другой. Одна пара расположена на расстоянии 40 см от конца казённой части; другая пара расположена на расстоянии 2,54 см от дула. Типичный отклик с этих разрывных проволочек показан на рисунке 10.  Для этого выстрела скорость 65 м/с была зарегистрирована на первой паре разрывных проволочек, и 110 м/с на разрывных проволочках, расположенных рядом с дулом. Заключительным этапом диагностики было получение изображения арматуры, покидающей рельсотрон, показанного на рисунке 11, с помощью ПЗС-камеры.
Это отдельное изображение было сделано через 4 мс после того, как арматура преодолела последнюю разрывную линию. Арматура находилась приблизительно на расстоянии 40 см от выхода. 4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Здесь мы доложили об успешном приведении в действие двухступенчатого асинхронного рельсотрона с распределёнными накопителями энергии. Планы на будущее- продемонстрировать пятиступенчатый асинхронный и пятиступенчатый синхронный рельсотроны с распределёнными источниками энергии.
Источник: http://teslaart.ru/2013-09-05-17-16-17/2013-09-05-17-17-00/56-nastolnyj-relsotron-s-raspredeljonnymi-istochnikami-energi | 
