Специалисты, работающие в области создания электромагнитных разгонных устройств, на сегодняпший день видят возможность их применения для ускорения небольших масс до высоких скоростей (несколько килограмм до 3-5 км/с), а также больших масс до умеренных скоростей (десятки тонн до сотен м/с). Структура этих устройств содержит источник питания — накопитель энергии, исполнительный механизм и систему управления. Для ускорения малых масс до больших скоростей в качестве исполнительного механизма принято использовать рельсо-трон, а для ускорения больших масс до умеренных скоростей — линейные электродвигатели.

Наметившаяся в последнее время тенденция замены паровых катапульт, предназначенных для старта самолетов с палубы авианосцев, системами электромеханического преобразования энергии с линейными электродвигателями, говорит о высокой степени вероятности реализации уже сейчас этой перспективной технологии. По сравнению с паровой, электромагнитная катапульта занимает меньший объем, имеет меньшую массу, более энергоэффективна, надежна и требует меньше обслуживающего персонала. Поэтому разработки этих устройств интенсивно ведутся в США, Великобритании, Китае. Наибольших результатов добились в США. Здесь испытана полномасштабная электромагнитная авиационная ускорительная система EMALS. В 2016 году ее планируют установить на авианосец «Джеральд Форд», который должен быть введен в состав флота к 2018 году [1].

EMALS включает в качестве источника питания ряд инерционных накопителей энергии в совокупности с электромашинными генераторами. В качестве исполнительного механизма — линейный индукционный двигатель (асинхронный), а в качестве системы управления — цикло-конвертер.

Работы по созданию подобного рода устройства начаты в СССР более четверти века назад [2]. В связи с этим хотелось бы высказать ряд соображений относительно рациональности и перспективности конструкций некоторых компонент упомянутой системы. Относительно линейного двигателя. Насколько нам известно, в США рассматривали два их типа — асинхронный и синхронный с возбуждением от постоянных магнитов, а также от высокотемпературных сверхпроводников. Выбор был сделан в пользу асинхронного, в основном, по соображениям относительной простоты его конструкции.

Однако, вне поля зрения зарубежных исследователей остался двигатель постоянного тока с полупроводниковым коммутатором. [3]. Такой тип двигателя обладает по отношению к асинхронному и синхронному более высокими значениями КПД, коэффициента мощности и перегрузочной способности. Он имеет отличные пускорегулировочные характеристики, благодаря наличию следующих трех свойств. Во-первых, возможности переключать ток в секциях обмотки якоря в жесткой зависимости от положения относительно них индуктора. Во-вторых, возможности иметь по длине перемещения индуктора переменный зазор между якорем и индуктором и, таким образом, при постоянстве магнитодвижущей силы (МДС) обмотки возбуждения, изменять в процессе движения индуктора вдоль якоря по требуемому закону силу тяги. В-третьих — возможности по заданному закону менять МДС обмотки якоря. Последняя возможность обеспечивается тем, что обмотка якоря по длине статора может быть выполнена составной, то есть набранной из различного числа электрически независимых цепей. Каждая из этих цепей может иметь полупроводниковый коммутатор, выполненный по одной из трех схем — управляемого выпрямителя, инвертора тока мостового или триг-герного типа. Для обмотки якоря с коммутатором на базе управляемого выпрямителя положительным качеством является простота. Однако использование его при высоких скоростях индуктора проблематично из-за существенного уровня индуктивности коммутируемых контуров обмотки якоря. Двигатели с обмоткой якоря и коммутаторами тока триг-герного и мостового типов могут при большом числе фаз устойчиво коммутировать в любом диапазоне скоро- стей. При этом заданную силу тяги двигатель с коммутатором мостового типа может развивать при токе в два раза меньше, и напряжении, практически во столько же раз больше, чем двигатель с коммутатором триггерного типа.

Есть еще одно обстоятельство, которое свидетельствует в пользу линейного двигателя постоянного тока — возможность применения для системы возбуждения сверхпроводящей обмотки. Дело в том, что использование в обмотке возбуждения низкотемпературного сверхпроводника дает возможность в десятки раз повысить МДС индуктора по сравнению с асинхронным двигателем и тем самым получить одну и ту же силу тяги при существенно меньшем значении тока статора, а, следовательно, при значительно более высоких энергетических показателях.

Очевидно, что линейные двигатели постоянного тока с полупроводниковым коммутатором, обладающие перечисленными выше характерными особенностями и признаками, позволяют создавать разгонные устройства с весьма широкими возможностями, которых лишены линейные индукционные двигатели.

Полномасштабный макет такого двигателя был создан в 1990 году сотрудниками Харьковского политехнического института и Института атомной энергии имени И. В. Курчатова [4]. Двигатель длиной 14 м, шириной 0,6 м и высотой 0,7 м состоял из неподвижной части— статора, и перемещающегося относительно него по трем направляющим (одной нижней и двум боковым) индуктора (рис. 1).

Статор включает в себя каркас, ферромагнитный экран и обмотку якоря. Для якоря принята восьмифазная обмотка сосредоточенного типа. В состав каждой фазы входит по две последовательно включенные группы, каждая из которых состоит из четырех параллельно соединенных секций. Конструктивно обмотка якоря выполнена в виде прямоугольных катушек, размещенных вдоль обеих сторон разгонной части статора и закрепленных на немагнитном фиксирующем элементе. В качестве индуктора предусматривались сверхпроводящий и криорезистивный варианты.

Криорезистивный индуктор представлял собой собранный из нержавеющей стали на основе жесткой силовой рамы азотный криостат общей толщиной 50 мм. Его внутренний азотный резервуар выполнен в соответствии с формой и размерами обмотки возбуждения. Помещаемая внутрь азотного резервуара обмотка возбуждения в виде катушки, содержащей 180 витков медной шины, размещалась на каркасе из стеклотекстолита. К силовой раме прикреплены направляющие ролики, шторка датчика положения индуктора и щеточные брикеты. Обмотка возбуждения питалась от источника постоянного напряжения посредством скользящего контакта электрографитных щеток с размещенными на нижней плоскости каркаса статора токосъемными шинами.

Конструкция сверхпроводящего индуктора, предложенная Е.Ю.Клименко, обеспечивала его работоспособность при многократном воздействии кратковременных механических перегрузок до 50 g. На время рабочего цикла сверхпроводящая обмотка жестко фиксировалась относительно внешней оболочки предварительно охлажденными зажимами с низкой теплопроводностью. В перерывах между рабочими циклами зажимы отключались, и теплоприток к обмотке был весьма малым. Обмотка работала с замороженным током и не нуждалась в подключении к источнику тока. Запас жидкого гелия возобновлялся один раз в сутки. Сверхпроводящая обмотка, содержала 180 витков ниобий — оловянного провода массой 25 кг. Была достигнута МДС 144 кА [5]. 

При испытаниях на макете с предельно допустимым ускорением достигалась скорость движения индуктора 30 м/с. По специально разработанной методике макет позволяет моделировать и исследовать электромагнитные процессы, протекающие в якорных обмотках при скоростях движения индуктора до 150 м/с.

Теперь о другом компоненте системы электромеханического преобразования энергии — о накопителе энергии, который целесообразно использовать в качестве импульсного источника мощности для старта самолета.

Из рассматриваемых в настоящее время четырех типов накопителей электрической энергии (двухслойных конденсаторов, литиево-ионных аккумуляторов, инерционных электромеханических и сверхпроводящих индуктивных— СПИН) для разгона больших масс до умеренных скоростей используются лишь инерционные электромеханические. Но, судя по приведенным в таблице показателям, в качестве перспективного устройства вполне можно рассматривать и СПИН. Помимо того, что он обладает рядом преимуществ по габаритным, энергетическим показателям, а также надежности, сверхпроводящий накопитель — статическое устройство, в то время как инерционный содержит ротор, вращающийся со скоростями несколько тысяч оборотов в минуту.

Возникает вопрос— почему при наличии такого количества преимуществ система электромеханического преобразования энергии с использованием сверх-

проводящих устройств до сих пор не доведена до практической реализации?

Возможно потому, что в научно-техническом сообществе существует некая предубежденность относительно применения низкотемпературной сверхпроводимости. В качестве контраргументов приводятся такие показатели как высокая стоимость, сложность и неопределенность в смысле надежности, потребность в дополнительных устройствах инфраструктуры. Но опыт внедрения Японией технологии Maglev свидетельствует о несостоятельности этих опасений. Разумеется, что электромагнитные разгонные устройства не имеют такого уровня безальтернативности, какой есть у системы электродинамического подвеса, направления и тяги высокоскоростного маг-нитолевитирующего транспорта Maglev. Тем не менее, практической реализацией разгонных устройств с использованием сверхпроводимости необходимо заниматься уже сегодня, так как очевидно, что за этой технологией будущее. И здесь бесценным является приобретение опыта не только в области создания транспортных сверхпроводящих устройств, но и других составляющих системы электромеханического преобразования энергии для разгона летательных аппаратов на взлетно-посадочных полосах ограниченной длины.

Литература

1.   http://compulenta.computerra.ru/archive/weapon/584012/

2.ДзензерскийВ.А., ОмельяненкоВ.И., Сергеев С. А. и др. Высокоскоростной магнитный транспорт с электродинамической левитацией..-Изд-во Наукова думка: Киев..-2001.-С. -489.

3.Омельяненко В. И. Линейныедвигатели постоянного тока с тиристорным коммутатором,- Изд-во Основа: Харьков.-1994.-С. -74.

4.Klimenko E.Yu., Omelyanenko V.I., SergeevS.A et al Laboratory Installation for Testing Full-scale Magnetic Levitation Modules//The First Japan-CIS Joint Seminar on Fiectromagnetomechanics in Structures-Tokyo: Japan.-January 1992.-P. 122-125.

5.Klimenko E.Yu., Omelyanenko V.I., SergeevS.A. et al. Supercoducting Magnets for Transport//IEEE Trans, on Magnetics.-1992.-28, № l.-P. 470-473.

Ю. П. Чудный,

к-т техн. наук,

главный инженер технопарка

«Высокие технологии» Белгородского

государственного национального

исследовательского университета