Новости науки 20.05.02. Сверхпроводимость на службе US Navy

Как известно, одним из основных заказчиков высокотехнологической продукции являются военные. Имеющая крупнейший в мире военный бюджет армия США может позволить себе тратить значительные средства на разработку высокотехнологичного оборудования. В частности, американский Военно-морской флот уделяет большое внимание практическому применению сверхпроводимости.

Американские Военно-воздушные силы, Военно-морской флот (ВМФ) и Агентство перспективных разработок в интересах обороны вкладывают средства в разработку сильноточных (моторы, генераторы, накопители электроэнергии бортового, воздушного и космического базирования) и электронных (пассивные микроволновые компоненты) сверхпроводниковых устройств.

ВМФ не оставляет старых амбициозных планов создания перспективного военного корабля, оснащенного уникальным сверхпроводящим оборудованием и аппаратурой, в числе которой - двигатели, магнитные "тралы" для вылавливания морских мин, бортовые системы питания на основе индукционного накопителя и радиолокатор в системе защиты корабля, использующий сверхпроводящий магнит.

Сверхпроводящие электрические двигатели имеют малые габариты и вес, потребляют малую мощность. Другое важное их преимущество состоит в отсутствии механических движущихся деталей, что исключает обнаруживаемый акустический шум при движении корабля. Разработанный еще в 70-х годах мотор на основе низкотемпературного сверхпроводника (НТСП) NbTi в новом варианте оснащен токовводами из высокотемпературного проводника (ВТСП) для экономии жидкого гелия. American Superconductor недавно испытала под нагрузкой мотор мощностью 5000 л.с., имеющий объем всего 7.5 м², что в 5 раз меньше объема аналогичного мотора с медной намоткой. Успех этого испытания приближает революцию в судовых двигателях. В планах - замена НТСП намотки мотора на ВТСП для работы при 30 К 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.

Сверхпроводящий накопитель электроэнергии, хотя и не имеет очень высокой плотности запасаемой энергии, но его преимущество - быстрый разряд, поэтому он может быть важен для таких применений, как пушки, катапульты, торпеды с электромагнитным запуском. Американское военно-морское ведомство строит во Флориде (National High Magnetic Field Laboratory) большой сверхпроводящий (NbTi) соленоид √ диаметр 3 м, индуктивность 33.3 Гн, 50 МДж запасаемой энергии при пиковом токе 1700 А, для испытаний сверхпроводящих материалов и мощных электронных компонентов будущего накопителя. ВМФ также имеет тестовый ВТСП соленоид (диаметр 0.5 м, индуктивность 12 Гн, запасаемая энергия 60 кДж при пиковом токе 120 А) для изучения поведения ВТСП материалов в будущем накопителе. В центре соленоида достигнуто поле 7.5 Тл с однородностью 1 % в объеме диаметром 5 см. Соленоид оптимизирован на минимальные времена сброса (6 с) от 7 Тл до 0 и восстановления полного поля (4 мин).

Другая важная задача ВМФ - очистка прибрежных вод от морских мин при подготовке десантных атак. Механизм запуска морских мин связан с их чувствительностью к присутствию 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 и срабатывают впустую. 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.

ВМФ использует гибридную систему защиты от мин, сочетающую акустическую генерацию, имитирующую акустический сигнал, и сверхпроводящий соленоид, имитирующий магнитный сигнал приближающегося корабля. Соленоид, представляющий собой охлаждаемый двумя криогенными охладитеми магнит из NbTi с ВТСП токовводами, закрепляется на самоуправляемом судне. Морские испытания показали эффективность такого комбинированного подхода. В разработке находится и ВТСП-магнит, его главные преимущества в малых размерах, допускающих размещение на вертолете, и способности моделировать поля, имитирующие движущееся судно.

По заказу береговой службы ВМФ фирма American Superconductor построила демонстрационный ВТСП-магнит для минных ловушек воздушного базирования. Магнит состоит из однослойной ВТСП-намотки (лента Bi-2223, позволяющая пропускать ток 450 А при 35 К) на 457 мм сердечнике и заключен в вакуумный стальной контейнер диаметром 560 мм и длиной 1.5 м.

С целью обнаружения и противодействия небольшим, низколетящим ракетам ВМФ разрабатывает мощный ВЧ-радиолокатор и, в качестве его части, гироклистронный усилитель на основе сверхпроводящего магнита. Разрабатываемый ВМФ 94 ГГц радиолокатор, соответствующий атмосферному окну, требует 3.7 Тл 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 из висмутовых сверхпроводников и имеет рабочую температуру 12 К. Катушка длиной 10 см обеспечивает 1 % однородность поля в центральном отсеке диаметром 3 см. Общая система магнит/дьюар потребляет 7 Вт при рабочей температуре 12 К.

перейти к началу страницы