Рассмотрение возможных вариантов систем электропитания для различных типов импульсных потребителей целесообразно продемонстрировать на примере конкретной нагрузки, например для одного из перспектив-ных устройств современной техники - электромагнитного рельсового ускорителя масс.

В состав такого высокоскоростного ускорителя входит мощная система электропитания. Существующие высокоэнергетичные мощные системы электропитания характеризуются массовым удельным энергосодержа-нием ~1-10 Дж/г, что значительно ниже удельного энергосодержания химических энергоносителей
(5-10 кДж/г). Интенсивные разработки систем электропитания сосредоточены на создании мощных (10^10-10^12 Вт) энергоемких (10-100 МДж) систем с высокими удельными параметрами единичного импульса энергии (10 Дж/г) и частотным режимом работы, а также создании оборудования для автономных систем первичного энергообеспечения. Эти разработки по своему назначению выходят далеко за рамки использо-вания только в составе электромагнитных ускорителей, что и определяет их более высокий приоритет в иерархии "критических технологий". Рельсотрон - кондукционная рельсовая схема электромагнитного ускорителя - является потребителем электрической энергии и в этом смысле нагрузкой системы электро- питания. Электрический импеданс рельсотрона имеет активно-реактивный характер и изменяется по своей величине в процессе ускорения метаемого тела.

Ниже приводятся различные варианты построения автономных систем электропитания для рельсотронов.

Взрывомагнитные генераторы как системы с уменьшающейся индуктивностью оптимально согласованы
с рельсотроном. При работе ВМГ генерируются электрические токи порядка 1-10 МА. Эффективность преобразования химической энергии взрывчатого вещества в электрическую энергию в ВМГ может достигать 10%. В ряду импульсных источников электрической энергии ВМГ имеют наиболее высокие удельные параметры импульса (-50 Дж/г). Предельный уровень энергии, генерируемый в единичном модуле, достигает 100 МДж.

Источником электрического возбуждения начального магнитного потока ВМГ обычно является емкостной накопитель энергии. Удельные весовые характеристики ЕНЭ значительно хуже, чем ВМГ, поэтому ВМГ должен обеспечивать значительный коэффициент усиления начальной электрической энергии (~10^2-10^3), для того чтобы удельные параметры ЕНЭ не определяли параметры системы в целом. Такие величины коэффициента усиления энергии реализуются только в многокаскадных схемах ВМГ. Необходимо отметить, что в ряду взрывомагнитных генераторов существуют схемы, в которых достигаются еще более высокие (~10^6) значения коэффициента усиления энергии.

Взрывной МГДГ является сохраняемым взрывным источником мощных импульсов электрической энергии, может работать в частотном режиме следования импульсов. Эффективность преобразования энергии ВВ в электрическую составляет 5-10%. Предельный уровень генерируемой энергии оценивается величиной 10 МДж. Удельная энергия единичного импульса определяется параметрами магнитной системы и при использовании сверхпроводниковых компонентов составляет 0,3-0,5 Дж/г. МГДВГ обладает практически
мгновенной готовностью к производству энергии, если магнитная система сверхпроводящая. Создание систем запитки с использованием МГДВГ на энергии 1-10 МДж сопряжено с определенным риском вследствие того, что экспериментальные модели устройств отрабатывались на масштабах энергии уровня -0,1 МДж.

Емкостной накопитель (ЕНЭ) является наиболее отработанным элементом сильноточных мощных импульсных устройств. Элементная база ЕНЭ освоена и выпускается промышленностью. Не существует принципиальных проблем создания накопителей с запасаемой энергией до 10 МДж. В автономном варианте запитка нако-
пителя производится от электрогенератора с соответствующим преобразователем и выпрямителем. Электрогенератор может приводиться в действие с помощью дизеля или газотурбинного двигателя
(дизель имеет меньшую удельную мощность). Характерная частота генерации импульсов тока в частотном режиме работы ЕНЭ определяется электрической мощностью источника накачки и свойствами конденса-торов и может достигать 100 Гц. Для ЕНЭ характерна малая плотность запасаемой энергии (-0,1 Дж/г, ~0,1Дж/см3), что определяет массу, габариты и условия эксплуатации системы (условия размещения, транспортируемость и т.п.).

Если считать, что эффективность преобразования электромагнитной энергии в кинетическую в рельсотроне составляет 10-20%, то предельные значения кинетической энергии, обеспечиваемые системой "ЕНЭ-рельсотрон" составляют 1-2 МДж, что соответствует ускорению до скоростей 6-8 км/с совокупной массы ударника до 0,1 кг.

Индуктивный накопитель энергии (ИНЭ) из всех накопительных систем является самым мощным, высокоэнергетичным (10^8-10^9 Дж), имеет высокие удельные параметры (10 Дж/г и более). Накопление энергии в ИНЭ осуществляется при помощи источника накачки. В общем случае не каждый из возможных источников накачки обеспечивает согласованный с электрической нагрузкой ток и не любая обмотка накопителя допускает накачку до произвольных значений тока. Чтобы согласовать по значениям тока потребности электрической нагрузки, возможности источника накачки и обмотки накопителя, может быть использована одна из схем умножения тока ИНЭ.

Существуют следующие варианты построения СЭС с использованием индуктивных накопителей энергии.

Резистивный ИНЭ (время хранения энергии ~1 с) может быть запитан от ударного униполярного генера-тора (УУГ). УУГ как первичный источник накачки согласован с ИНЭ по энергоемкости (10 МДж и более), эффективно преобразует кинетическую энергию в электрическую (-60%) за времена -0,1-0,01 с, обеспе-чивает токи накачки ~10 МА, имеет высокие удельные параметры. Время накопления энергии в УУГ определяется мощностью привода (электро или турбо-), ресурс работы УУГ - сохранностью скользящих токосъемных элементов. Поскольку при энергосъеме УУГ тормозится лишь частично, то накачка (раскрутка маховика) на последующие за первым импульсы производится за более короткое время. При работе УУГ имеют место механические вибрации, гироскопические моменты (препятствующие перемещению этих систем по углу), вращающие моменты, приложенные к опорам крепления при торможении маховых масс УУГ.

ИНЭ (теплый, крио) может быть запитан от:

• компрессионного генератора (КГ), являющегося генератором периодических импульсов энергии (-100 Гц) с регулируемой скважностью, поэтому на основе применения КГ может быть построена система частотно-периодического действия. В сравнении с электромашинными генераторами единичных импульсов КГ имеет невысокие (в ряду ЭМН) удельные параметры (-0,1 Дж/г). Малая в сравнении с потребностями рельсотрона амплитуда генерируемых КГ импульсов тока (~10 кА) заставляет создавать системы его умножения;

• электромашинного агрегата на основе синхронного электрического генератора (СГ), работающего в режиме динамического торможения с характерным временем реализации энергии 1-5 с. СГ характеризуется высоким уровнем накапливаемой энергии (~10^9 Дж), мощностью в единичном агрегате ~100-200 МВт, удельной энергией ~5 Дж/г. Для согласования с рельсотроном ток, генерируемый СГ, должен быть преобра-зован в постоянный. Необходимо также создать систему умножения тока от генерируемых 10 кА до 1-2 МА.

ИНЭ (крио) может быть запитан также от электрогенератора (ЭГ):

• прямая накачка накопителя при достаточной мощности привода ЭГ. В этом случае в качестве мощного и сильноточного ЭГ может быть использован униполярный генератор. Тогда униполярная машина используется только как преобразователь энергии, но не как накопитель;

• высокооборотные ЭГ постоянного тока с единичной электрической мощностью ~10 МВт и высоким значением удельной мощности (-5 кВт/кг).

Перечисленные выше системы накачки индуктивных накопителей имеют в своем составе преобразователи механической энергии в электрическую. Механическая энергия производится в результате преобразования энергии первичного энергоисточника в двигателе. В качестве двигателя может быть эффективно использо- ван газотурбинный (~10 кВт/кг). Двигатель внутреннего сгорания имеет худшие удельные параметры (~1 кВт/кг). В качестве первичного энергоисточника могут быть использованы органические топлива, а также водород, разогретый в ядерном реакторе специальной конструкции.

ИНЭ с накачкой от МГД-генераторов различного типа.

Жидкометаллический МГДГ является униполярным генератором линейной геометрии с жидкометалличес-ким рабочим телом, механическая энергия которого преобразуется в электрическую при его торможении пондеромоторными силами в магнитном поле. Первичным энергоисточником в ЖМГДГ обычно является пороховой заряд, поэтому мобильность запуска этого генератора достаточно высока (~10-100 мс). При замене пороховых зарядов и реверсе рабочего тела генератор может работать в частотно-периодическом режиме (~1 Гц). Как и УУГ, ЖМГДГ можно использовать для накачки резистивных ИНЭ. Рельсотрон может быть запитан непосредственно от нескольких ЖМГДГ при последовательном соединении и синхронной работе каналов. Практический опыт создания и эксплуатации ЖМГДГ ограничивается исследованиями на экспериментальных стендах лабораторного масштаба с генерируемой энергией до 100 кДж.

МГД-генераторы кратковременного действия (МГДКД) на основе специальных плазмообразующих топлив характеризуются высокими значениями генерируемой электрической мощности в единичном агрегате (15-500 МВт) и удельных параметров (~10 кВт/кг, ~10 кДж/кг), а также малым временем готовности к выдаче импульса энергии (~1-10 с). Продолжительность единичного импульса энергии около 2-5 с, ресурс канала 3-5 пусков. Частотность последующих запусков определяется продолжительностью процесса ох-
лаждения МГД-канала, а также временами установки нового заряда, накопления энергии в системе началь-ного возбуждения, приведения в готовность системы коммутации и других вспомогательных систем. Отличи-тельной эксплуатационной особенностью МГДКД является наличие большого продольного механического импульса отдачи и значительных дымных выбросов, зависящих от величины расхода топлива (при генери-руемой мощности 500 МВт расход топлива составляет 10^3 кг/с).

Перспективы совершенствования и развития МГДКД-генераторов связаны в основном с совершенствованием топлива (повышением его удельной энергоемкости, улучшением плазмофизических параметров продуктов сгорания, обеспечением возможности гибкого регулирования мощности), повышением ресурса непрерывной и повторной работы МГД-каналов и уменьшением затрат на самовозбуждение (обычно составляют до 80% генерируемой мощности). МГДКД секундного диапазона работы могут быть эффективно использованы для накачки крио- и резистивных индуктивных накопителей. Уровень генерируемых МГДКД токов составляет ~200 кА. В сравнении с УУГ МГДКД является источником электропитания генераторного типа, что определяет высокую мобильность запуска системы при отсутствии мощных внешних электрических сетей.

ИНЭ (теплый, крио) с накачкой от импульсного электроаккумулятора (ЭАИ). Если удельные характеристи-ки ЭАИ достигают ~10 Дж/г и 10 Вт/г, то масса его на энергию 100 МДж составит порядок 10 т, и накачка ИНЭ с энергоемкостью 100 МДж может быть осуществлена за время менее 1 с. Такая система накачки ИНЭ достаточно проста, обладает высокой степенью готовности к выдаче энергии, обеспечивает необходимое значение тока накачки, что позволяет обойтись без системы умножения тока в ИНЭ. На фазе подзарядки ЭАИ характеризуется высокой степенью автономности, так как подзарядка - процесс периодический и не требующий значительной мощности (ЭАИ рассматривается здесь как первичный источник энергоснабжения, а не как накопитель в системе преобразования энергии).

Сверхпроводящий ИНЭ, как и импульсный электроаккумулятор, позволяет хранить электрическую энергию в течение достаточно длительного времени при относительно малых затратах электрической мощности на компенсацию диссипативных потерь в системе. Возможность длительного хранения электри-ческой энергии в СПИНЭ позволяет рассматривать эту систему как мощную систему энергоснабжения с высоким уровнем автономности и мобильности запуска. По существующим оценкам, удельная энергия, обеспечиваемая на основе СПИНЭ, может достигать 10-50 Дж/г. Отличительной особенностью ИНЭ на сверхпроводниковых элементах состоит в том, что наиболее распространенные в настоящее время проводники транспортируют токи уровня ~10-20 кА, что заставляет создавать системы умножения тока до необходимых для нагрузки величин. В зависимости от условий эксплуатации (базирование, транспортиров-ка, режим готовности, мобильность запуска) СПИНЭ может быть запитан от следующих энергоисточников:

• электросеть с соответствующим преобразователем;

• электрогенератор, приводимый в действие газотурбинным
двигателем или дизелем;

• электроаккумулятор, резервные гальванические элементы и
молекулярный накопитель энергии;

• электрохимический генератор;

• термоэмиссионный преобразователь;

• фотоэлектрический преобразователь.

Из представленных материалов следует, что при выборе системы электропитания необходимо принимать во внимание не только необходимые электрические характеристики, но также учесть весь комплекс эксплуа-тационных и технических требований.

Возвращаясь к проблеме запитки конкретной нагрузки - рельсотрона, следует указать, что в проектных разработках использовались ЕНЭ, ИНЭ, ЭМН, ВМГ. Экспериментальные исследования проводились с помощью ЕНЭ, ИНЭ и ВМГ.

ПРОГНОЗ РАЗВИТИЯ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Анализ энергомощностных характеристик всего комплекса мощных импульсных ИЭЭ показывает, что наиболее энергоемкими в настоящее время являются синхронные и ударные униполярные генераторы, а также твердотопливные МГД-генераторы. В перспективе следует ожидать значительного роста энергии сверхпроводниковых накопителей энергии различных модификаций.

По мощностным характеристикам на современном уровне развития науки, техники и технологии лидируют взрывомагнитные генераторы, а также емкостные накопители, работающие в режиме длинной линии. Одной из ведущих тенденций развития импульсных ИЭЭ будет рост абсолютных значений генерируемой устрой-ствами мощности, однако ВМГ и ДЛ, по-видимому, будут по-прежнему определять предельные величины достигнутых уровней мощности.

Наибольшей удельной энергоемкостью среди рассматриваемых классов и типов ИЭЭ обладают и, повидимо-му, будут обладать в будущем, химические источники тока, среди которых можно отметить высокотем- пературные сернолитиевые ХИТ. Наибольшей удельной мощностью характеризуются взрывомагнитные генераторы. С точки зрения современного уровня развития науки пока не обозначились их конкуренты по данному показателю.

Энергоисточники кратковременного действия (время работы более 1 с) могут быть использованы в качестве предварительных каскадов в составе систем энергоснабжения высокой мощности, работающих в импульс-ном и частотно-периодическом режимах.

Таким образом, уровень энергии 10^8-10^9 Дж с мощностью порядка 10^10 Вт и более может быть обеспечен на основе индуктивных накопителей различных типов: 10^7-10^8 Дж - взрывомагнитным
генератором, 10^7 Дж и ниже - емкостным накопителем и взрывным МГДГ. В частотном режиме следования импульсов энергии могут работать компрессионный генератор, МГДВГ, ЖМГДГ, а также накопители в режиме частичного сброса энергии при наличии соответствующих коммутаторов. Автономные системы могут
быть построены на основе электромашинных накопителей энергии различных типов (УГ, УУГ, КГ, СГ), МГДГ кратковременного действия (МГДКД,), МГДВГ, высокоэнергетичных СПИНЭ, химических источников тока (импульсных электроаккумуляторов, молекулярных накопителей и др.), турбоэлектрогенераторов, ядерных энергетических установок с преобразователями тепловой энергии в электрическую.

Типичные значения удельной энергии мощных неразрушаемых систем обычно не превышают уровня ~1 Дж/г. Энергонапряженные системы ограниченного ресурса, разрушаемые или частично разрушаемые, характери-зуются более высокими значениями удельной генерируемой энергии (~10 Дж/г). Перспективы совершен-ствования параметров и удельных характеристик энергоустановок связаны прежде всего с использованием новых материалов и технологий.