Планы Navy. Морские мины повторят судьбу легкомысленных мотыльков

Воздушные (Air Force), Военно-Морские (Navy) силы США и Агентство перспективных разработок в интересах обороны (DARPA) инвестируют сильнотоковые (моторы, генераторы, накопители электроэнергии бортового, воздушного и космического базирования) и электронные (пассивные микроволновые компоненты) сверхпроводящие разработки [1].

Navyне оставляет старых амбициозных планов создания перспективного военного корабля, оснащенного уникальным сверхпроводящим оборудованием и аппаратурой [2,3]:

• двигатели;
• магнитные "тралы" для вылавливания морских мин;
• бортовые системы питания на основе индукционного накопителя;
• радиолокатор, использующий сверхпроводящий магнит, в системе защиты корабля.

Сверхпроводящие электрическиедвигателиимеют малые габариты и вес, потребляют малую мощность. Другое важное их преимущество — в отсутствии механических движущихся деталей, что исключает обнаруживаемый акустический шум при движении корабля. Разработанный еще в 70-х годах НТСП мотор на основеNbTiв новой разработке оснащен ВТСП токовводами для экономии жидкого гелия. American Superconductor недавно испытала под нагрузкой мотор мощностью 5000 л.с., занимающий объем только 7.5м2, что в 5 раз меньше аналогичного мотора с медной намоткой. Успех этого испытания приближает революцию в судовых двигателях.. В планах — замена НТСП намотки мотора на ВТСП для работы при 30К с рефрижераторами замкнутого цикла при условии прогресса в технологии ВТСП проводов (улучшение токовых и механических характеристик, снижение стоимости). Удача в разработке ВТСП судового двигателя может сформировать ежегодный рынок в объемом 2-4 млрд. долл., оправдывая затраты на сверхпроводящие исследования.

Сверхпроводящийнакопительэлектроэнергии, хотя и не имеет очень высокой плотности запасаемой энергии, но его преимущество — быстрый разряд, может быть важен для таких применений, как пушки, катапульты, торпеды с электромагнитным запуском.

Военно-морское ведомство строит в National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL, Tallahassee, FL) большой сверхпроводящий (NbTi) соленоид — диаметр 3м, индуктивность 33.3Гн, 50МДж запасаемой энергии при пиковом токе 1700А, для испытаний сверхпроводящих материалов и мощных электронных компонентов будущего накопителя.Navyтакже имеет тестовый ВТСП (BSSCO) соленоид (диаметр 0.5м, индуктивность 12Гн, запасаемая энергия 60кДж при пиковом токе 120А) для изучения поведения ВТСП материалов в будущем накопителе. В центре соленоида достигнуто поле 7.5Тл с однородностью 1% в объеме диаметром 5см. Соленоид оптимизирован на минимальные времена сброса (6с) от 7Тл до 0 и восстановления полного поля (4мин).

Другая важная задачаNavy—очистка прибрежных вод от морских минпри подготовке десантных атак. Механизм запуска морских мин связан с их чувствительностью к магнитному образу корабля (возмущениям магнитного поля Земли под влиянием магнитной массы корабля). Небольшое судно с размещенным на нем сверхпроводящим магнитом может имитировать магнитный образ движущегося корабля. Мины плывут на магнитный сигнал имитатора, как мотыльки летят на огонек свечи, и здесь их ждет та же судьба, запрограммированная конструктором. При большом магнитном поле (как раз для этого магнит — сверхпроводящий) мины могут взрываться достаточно далеко от самого магнита, сохраняя ему жизнь. После разрушения мин военные суда могут подходить к берегу для высадки десанта.

Navyиспользует гибридную систему защиты от мин, сочетающую акустическую генерацию, имитирующую акустический сигнал, и сверхпроводящий соленоид, имитирующий магнитный сигнал приближающегося корабля. Соленоид, представляющий собой охлаждаемый двумя криокулерамиNbTiмагнит с ВТСП токовводами, закрепляется на самоуправляемом судне. Морские испытания показали эффективность такого комбинированного подхода с акустическим и магнитным имитаторами. В разработке находится и ВТСП магнит. Его главные преимущества — малые размеры, допускающие размещение на вертолете, и способность моделировать поля, имитирующие движущееся судно.

По заказу береговой службы ВМС (Naval Surface Warfare Center) фирма American Superconductor построила демонстрационный ВТСП магнит для минных ловушек воздушного базирования. Магнит состоит из однослойной ВТСП намотки (лентаBi-2223 — ток 450А при 35К) на 457мм сердечнике и заключен в вакуумный стальной контейнер диаметром 560мм и длиной 1.5м [4].

С целью обнаружения и противодействия небольшим, низколетящим ракетамNavyразрабатывает мощный ВЧ радиолокатор и, как его часть, гироклистронный усилитель на основе сверхпроводящего магнита. При взаимодействии электронного луча с магнитным полем создается электромагнитное излучение с частотой, пропорциональной магнитному полю. РазрабатываемыйNavy94ГГц радиолокатор, соответствующий атмосферному окну, требует 3.7Тл магнита. Конечно, предпочтителен более компактный ВТСП магнит с безжидкостным охлаждающим устройством. Высокие требования по точности размеров и однородности магнитного поля налагают жесткие условия на конструкцию магнита и, в свою очередь, на параметры сверхпроводящих лент. Тестовый магнит изготовлен изBi-2212 и 2223 проводников и имеет рабочую температуру 12К. Катушка длиной 10см обеспечивает 1% однородность поля в центральном отсеке диаметром 3см. Общая система магнит/дьюар потребляет 7Вт при рабочей температуре 12К.

1. Supercond. Sci. Technol., 2000, 13, pp.464-467
2. Ind. Ceram., 2001, 21, pp.103-105
3. Physica C, 2000, 341-348, pp.2525-2528
4. IEEE Trans. Appl. Supercond., 2001, 11, p.2527