ЭТХ ускоритель часть 4
Автор: chameleonПосчитать электрическую часть системы осталось.
Но сначала немного об опасностях и возможностях физических опытов.
_________________________________________________________
Всё-таки хорошо, что в детстве моем ещё не было Ютуба. Многим “подвигам” стоит оставаться забытыми)
Однако некоторые из них несут пользу даже теперь. Хотя, казалось бы, фигня полная.
Подумаешь, решил на фоне одноклассника, сделавшего из конденсатора и ещё нескольких радиодеталей импровизированный шокер и шокирующего окружающих, тоже себе такой сделать.
Но мозгов и знаний пятиклассника хватило только взять самый мощный конденсатор из своих сокровищ - и то там не было даже микрофарада - и сунуть его выводы в розетку тройника.
Хлопок, вспышка.
Меня не задело, пробки не вышибло, даже телевизор в соседней комнате не икнул и продолжил вещать - но правый вывод кондера, согнутая проволочка в сантиметра три длиной, испарился и чо́рным цветом аккуратно покрыл розетку в тройнике и стену за ним. В основном, конечно, розетку.
Это металлическое напыление напоминало мне об этом опыте ещё лет десять, не меньше. Отчистить его, не срезав пластик, было невозможно.
Если вдруг кому надо надежный способ покраски, то рекомендую, да.
НО ПОВТОРЯТЬ ТАКОЕ НЕ НАДО!
Так вот.
Спустя много лет, раздумывая над электрической частью ЭТХ ускорителя, я вспомнил тот опыт и задолбал различных искусственных и естественных собеседников просьбами пояснить, как оно так получилось.
Потому как для ЭТХ реакции мгновенное распыление проволоки с разогревом буквально самое то, что надо.
Ещё и выглядит более простым, чем просто поджечь проволоку с конца(мы в вакууме, Карл!) или просто нагреть её электричеством до температуры вспышки.
Первое, как видно, менее эффективно, а ещё не так быстро происходит, а второе некорректно решать в приближении постоянного тока, потому как 40-мм вариант должен выдавать импульс минимум 30 раз в секунду, а это уже даёт приличные 30 Герц.
Тем не менее для испарения, точнее, сублимации путем внешнего нагрева - см. выше, всего 400 мг, из которых три четверти вода (при 200% переливе), магния только 100 мг - термодинамически нам хватит всего лишь 603 джоуля.
Запомним это число.
______________________________________________________
Собственно, сама физика процесса выглядит довольно интересно.
Это не короткое замыкание. Мгновенный ток в цепи не поднимался выше десятикратного предела тока защитного автомата (12 ампер*10 = 120 ампер) на время, большее 10-100 миллисекунд, иначе бы пробки вышибло нах.
Дело было в том, что слабый конденсатор и его согнутый буквой Г вывод образуют колебательный контур.
Малая ёмкость С, малая индуктивность L, и как результат - высокая частота 1/√(LC) и малый период колебаний √(LC) - в десяток мегагерц и сотню наносекунд соответственно.
Пиковый ток в таком колебательном контуре в момент включения может быть огромным. Он рассчитывается по формуле: I_m = U_m * √(C / L)
Для С=0.1 мкФ и L=0.1 мкГн (как выше для частоты):
I_m = 220 В * √(0.0000001 / 0.0000001) = 220 А
Вот оно.
Хотя этот ток длится буквально наносекунды (примем условно за четверть периода, 25 нс), его плотность в тонком выводе конденсатора колоссальна, дополнительно сжимаясь в тонкий приповерхностный слой, скин-слой. Мало того, энергия выделяется в точке с наибольшим сопротивлением — в месте контакта вывода с внутренней структурой конденсатора и далее по всему выводу. Это соответствует эксперименту - если бы волна шла равномерно по всему проводнику, меня бы точно обожгло, а если бы волна шла от розетки, то все напыление оказалось бы на мне.
Чистая выделившаяся в точке энергия (по верхней планке) составила Q=I_m*U_m*t=220*220*25e-9=0.00121 Дж.
А не сотни джоулей прямого нагрева всей проволоки равномерно.
И этого хватило.
Фантастика.
То есть электрической части ЭТХ ускорителя само по себе электричество ограничением является очень слабым. Нужно иметь достаточно высоковольтный источник тока - а на космическом корабле такие будут - и всё. Потреблением можно пренебречь.
Вот колебательный контур ограничением является жёстким. Нужно цеплять слабый конденсатор в самое начала канала разгона, чтоб волна пошла в нужную сторону (к полезному грузу), и обеспечить очень низкую индуктивность для проволоки - а она ведь может быть длинной, а складывать её придется компактно.
Впрочем, ответ есть - бифиллярная намотка. Её все видели - кто в электропечках, кто в вейпах... И в источнике номер 1.
А вот какой всё-таки должна быть длина проволоки?
Модель, используемая в симуляторе, использует модель топлива в виде сферических гранул одинакового размера. Их количество и размер определяет общую площадь реакции в начале. Посчитать же количество шариков можно, поделив массу всего топлива на массу одного шара.
В ЭТХ девайсе же у нас имеется цилиндрическая проволока с припаянными концами.
Как перейти от площади сфер известного количества и радиуса к площади боковой стенки цилиндра и найти его длину и радиус основания?
Легко, блин. Даже аналитически. Система уравнений в начале и кубическое уравнение в конце. :/
Но можно и простым подбором. Слева общая площадь N шариков, справа расчет площади стенки цилиндра, посередине соотношение. Это было... быстрее.
Так что для 400 мг водомагния, состоящего из сфер радиусом 480 мкм, эквивалентом по начальной площади (0,00176 м2) будет магниевая проволока радиусом 65 микрон(диаметром в 130 микрон) и длиной 433 сантиметра в 300 миллилитрах воды.
Офигительно длинный волосок.
------
Ну и напоследок ещё кое-что, как говорил один детектив. Не тянет оно на отдельную историю.
Как можно заметить по графику давления в канале, давление очень быстро падает.
Вместе с очень большими калибрами - 40-мм пылинкомет, 76-мм “девять граммов” - это проблема и одновременно намёк на её решение.
Исторически известен способ улучшения ситуации - конический ствол, уменьшающий конечный объем ствола и сжимающий снаряд.
Помните VK.3601? Этот прикольный всехбронебойный танчик? Вот у него такой же был.
К сожалению, симулятор не умеет их рассчитывать. Поэтому придется ограничиться только идеей.