Ускорители масс – от скоростного метро до космического полета

Рассмотренная недавно рельсовая пушка являлась одним из видов так называемых ускорителей масс (англ. Mass driver). Ускорение в магнитном поле за счет силы Лоренца используется не только в экспериментальных пушках, но и в широком спектре промышленных и научных устройств. Сегодня рассмотрим ближайшего родственника рельсовой пушки – пушку Гаусса и ее более мирные производные.

Наверняка многие помнят серию игр Fallout, где оружие под названием Gauss rifle стреляло небольшими пульками, имея самый большой из всех видов легкого оружия показатель урона и пробивную силу. Винтовка была прорисована с несколькими последовательно расположенными катушками на стволе. Эти катушки – электромагниты — и разгоняли пули в стволе.

Принцип работы пушки гаусса (англ. Coil gun) наиболее наглядно объясняется следующим рисунком

Ферромагнитный снаряд «засасывается» внутрь катушки (соленоида) с определенным ускорением. По достижении середины пуля продолжает двигаться по инерции. Однако теперь сила магнитного поля тянет ее обратно к центру. Таким образом, мы подходим к первой проблеме – при достижении разгоняемым телом середины магнитного поля катушки это поле начинает препятствовать дальнейшему движению и должно отключаться.

Понятно, что чем выше будет напряжение и сила тока, прикладываемого к катушкам, тем сильнее будет воздействие магнитного поля на снаряд. И здесь кроется вторая проблема – быстрое переключение заряда между катушками. Не смотря на сотни любительских сайтов и десятки тысяч возможных конструкций пушек гаусса, эффективного и технологически простого механизма переключения до сих пор не создано. Главная проблема – при высоких значениях силы и напряжения тока перегорают кремниевые элементы. Механическое же переключение либо очень неточно, либо крайне сложно в изготовлении.

Источником питания во всех имеющихся на сегодня моделях ускорителей подобной конструкции служат блоки конденсаторов. При этом, КПД преобразования энергии магнитного поля катушки в кинетическую энергию снаряда не превышает 2%. Лучшие образцы самодельных спиральных пушек (coilgun) имеют энергию пули при выстреле в 5-6 Дж. Это в несколько раз меньше, чем у спортивного пневматического пистолета.

Ничего лучше, из того, что можно носить руками, не смогли создать и научные учреждения. По все тем же причинам – невозможность своевременного переключения зарядов между катушками, отсутствие небольших источников питания, невозможность точного отключения поля при прохождении его середины. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, на существующей технологической базе мировой науке создать ничего толкового не удалось.

Устройства, которые разрабатывались как военные, не смогли даже приблизиться по эффективности к огнестрельному оружию. Так что о винтовках из Fallout можно забыть. Ближайший вариант электромагнитной пушки – упоминавшийся Railgun.

Зато у подобных ускорителей огромный потенциал гражданского применения. Более того, он давно реализован в промышленности и транспортной сфере. В более узком понимании это устройство известно как соленоид и линейный двигатель. Такие двигатели широко применяются в высокоскоростных поездах. Конструктивно линейный двигатель представляет из себя все те же ротор и статор обычного электромотора. Но обмотки ротора неподвижны на пути следования транспортного средства, а обмотки статора вмонтированы в него. В результате при приложении электрического тока ротор, будучи прикреплен, например, к поезду, движет его вдоль рельс – статоров. Живой пример – поезд на магнитной подушке Maglev.

Еще более распространенная сфера применения линейных двигателей – высокоточные манипуляторы в станках, современных автоматических дверях и других схожих устройствах. В целом – везде, где есть необходимость преобразования электроэнергии в прямолинейное движение определенных объектов. Автолюбители могут вспомнить часто выходящие из строя соленоиды би-ксеноновых фар. Да-да, там тоже есть миниатюрные электромагнитные катушки, а шторка линзылампа двигается втягиванием в них ферромагнитного цилиндра. Возвращение в исходный «ближний» свет обеспечивает механическая пружина.

Из экзотических способов применения ускорителей на основе соленоидов стоит отметить концепцию запуска объектов в космос без помощи ракет. Предполагается, что, построив многокилометровый тоннель из одного или нескольких соленоидов, можно обеспечить достаточную для преодоления земного притяжения скорость разгона тела. При этом, в отличие от рельсовой пушки или обычного выстрела на основе теплового расширения газов, запускаемому объекту обеспечивается сравнительно плавное ускорение. Это делает возможной отправку не только сложного и хрупкого научного оборудования, боящегося перегрузок, но так же и человека. Причем, живого! 🙂

Ускорение в подобных установках можно контролировать увеличением напряжения и силы тока. Ну и фрагментарно отключать поле на многокилометровой установке значительно легче, чем в небольших установках с высокими стартовыми скоростями снаряда. Например, когда разгоняемая капсула достигнет заданной скорости, она не обязательно сделает это в середине тоннеля. Отключение можно произвести на определенном участке, до входа в противоположный магнитный полюс соленоида. Также не исключается возможность применения нескольких катушек и переключения тока между ними.

В обычных условиях располагать подобные комплексы планируется либо глубоко под землей, с направлением шахты строго вверх, либо вдоль склонов высоких гор. В обоих случаях решается проблема опоры гигантских металлических конструкций. Сколько весит многокилометровая катушка медного кабеля и ее опоры, даже не хочется считать. Желающие могут подержать в руках трансформатор, сравнив соотношение веса к размеру 🙂

Стоит заметить, что более перспективным считается строительство подобных космических ускорителей на нашем естественном спутнике – Луне. Практическое отсутствие атмосферы и низкая гравитация + низкая окружающая температура открывают фантастические перспективы для сверхпроводящих магнитов.  Монорельсовый ускоритель на основе линейного мотора либо тоннель из соленоидов планируется размещать горизонтально на поверхности Луны под небольшим углом. Питаться установка может либо от солнечных батарей, либо от привезенных на Луну ядерных реакторов. Таким образом, космическому аппарату сообщалась бы высокая начальная скорость, а дальше в дело вступают ионные двигатели.

Луна в таком виде превратилась бы в перевалочную базу для дальнейшего освоения Солнечной системы. Или даже в первый земной космопорт. Это, кстати, является одной из причин приоритетного освоения нашего спутника. Если вспомнить, что на Луне практически доказано существование в реголите (лунном грунте) большого количества гелия-3, то все это даже обретает смысл. Поясню для тех, кто не в курсе: Гелий-3 интересен в качестве топлива для управляемого термоядерного синтеза. В земных условиях гелий-3 распространен очень слабо, в атмосфере его содержится 0,000137 %. На Земле гелий-3 добывают только путем искусственного синтеза. Годовой объем производства составляет всего несколько десятков граммов. В то же время в реголите содержание этого изотопа составляет 0,04% или 0,01 грамма на тонну. Чтобы понять энергетическую ценность, достаточно сказать, что при реакции 1 тонны гелия-3 с 0,67 тоннами  дейтрия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн. тонн нефти. Принципиальная возможность управляемого термоядерного синтеза на основе гелия-3 подтверждена, однако строительство коммерческого реактора не имеет смысла, поскольку понадобятся сотни килограмм этого топлива, которые при текущих объемах синтеза взять ближайшие 100-200 лет будет негде.

Несложно представить, что гигантские ускорители, питаемые термоядерными реакторами, будут способны разгонять космические аппараты до скоростей, при которых путешествие к отдаленным планетам будет занимать месяцы, а не годы. А если вспомнить, что ускорителю не обязательно быть прямым и тоннель можно построить спиральным, с окончанием в произвольную сторону, то возможности получаются действительно революционными.

В общем, подобное преобразование электроэнергии в кинетическую имеет массу применений, помимо военного. И, возможно, к концу 2020-х годов мы даже это увидим.