Производство рельсов

TL;DR

  • Назначение: Алюминиевые направляющие для электромагнитного разгона
  • Материал: Криогенный алюминий (охлаждение до -180°C)
  • Масса: ~70 т на МД* (полый профиль, 1 км трек)
  • Износ: Замена каждые 3-6 месяцев (100-140 т/год на 1 МД)

*При удлинении: 2 км (~140 т), 3 км (~210 т).

Обзор

Рельсы масс-драйвера — это алюминиевые направляющие, по которым движется снаряд (контейнер с зеркалом). Рельсы служат одновременно: - Направляющими для снаряда - Проводниками электрического тока - Частью электромагнитного контура

Конструкция рельса

Параметр Значение
Материал Алюминий 99.5% чистоты
Сечение 200×300 мм (полый профиль, стенка 15 мм)
Длина одного сегмента 10 м
Количество сегментов на трек 100* (для трека 1 км)
Пара рельсов (2 шт) ~70 т Al на МД*

*При удлинении: 2 км (200 сегм., ~140 т), 3 км (300 сегм., ~210 т).

Профиль рельса

        300 мм
   ┌──────────────┐
   │ ┌──────────┐ │ ← Стенка 15 мм
   │ │          │ │
   │ │   NaK    │ │ 200 мм  (полость для охлаждения)
   │ │          │ │
   │ └──────────┘ │
   └──────────────┘

Сечение стенок: 14 100 мм² (0.0141 м²)
На 2 рельса × 1 км: 28.2 м³ Al → ~76 т

Производство рельсов

Процесс изготовления

Этап Оборудование Выход
Литьё заготовок с сердечником МНЛЗ-Al с керамическим сердечником Слитки 100×100 мм с каналом Ø50 мм
Прокат до профиля Прокатный стан Профиль 200×300 мм с каналом
Резка на сегменты Плазменная резка Сегменты 10 м
Термообработка Индукционная печь Снятие напряжений
Полировка поверхности Шлифовальный стан Ra <1 мкм

Примечание: Канал охлаждения формируется при литье с использованием керамического сердечника (MgO), который затем удаляется.

Подробнее: Прокатный стан, Шлифовка

Криогенное охлаждение

Проблема: Алюминий имеет проводимость 60% от меди при комнатной температуре.

Решение: Охлаждение до -180°C увеличивает проводимость алюминия в 6×.

Материал Проводимость +20°C Проводимость -180°C
Медь 100% 400%
Алюминий 60% 360%

Вывод: Криоалюминий при -180°C имеет проводимость почти как медь при комнатной температуре.

Система охлаждения

Параметр Значение
Теплоноситель NaK (натрий-калиевый сплав)
Температура теплоносителя -150°C
Расход NaK 100 л/мин на трек
Радиаторы Направлены в тень (-180°C)
Мощность насосов 100 кВт

Износ рельсов

Причины износа

Причина Вклад Последствия
Электрическая дуга 40% Эрозия поверхности
Механическое истирание 30% Выработка канавок
Термоциклирование 20% Микротрещины
Окисление 10% Потемнение, коррозия

Усугубляющий фактор: 1275g ускорение создаёт очень высокие механические нагрузки за короткое время (0.4 сек).

Срок службы

Режим эксплуатации Запусков Срок службы
Интенсивный (600/день) ~50 000 3 месяца
Средний (300/день) ~50 000 6 месяцев
Лёгкий (100/день) ~50 000 1.5 года

Материальный баланс

На 1 МД (новый, 1 км трек):

Компонент Масса Al Производство
Рельсы (2 шт × 1 км) ~70 т 42 т/день → 1.7 дня

Замена (износ, 1 МД/год):

Режим Замен/год Расход Al/год
Интенсивный 4 280 т
Средний 2 140 т
Лёгкий 0.7 ~50 т

При 1000 МД (интенсивный режим): 280 000 т Al/год только на замену рельсов.

Контроль качества

Параметр Контроль Норма Действие при отклонении
Проводимость Замер сопротивления (4-точечный) >95% IACS Переплавка
Плоскостность Измерительный щуп (touch probe) ±0.5 мм Шлифовка
Микротрещины Визуальный (камеры) + нагрузочный тест Нет видимых дефектов Отбраковка
Чистота поверхности Визуальный (камеры) Ra <1 мкм Полировка

Монтаж рельсов на трек

Этап Время Роботы
Подготовка траншеи 2 недели 10 Кротов-М
Укладка каркаса 1 неделя 20 Кентавров-М
Монтаж рельсов (100 сегментов) 1 неделя 20 Кентавров-М
Сварка стыков 3 дня 10 Кентавров-М
Подключение охлаждения 3 дня 10 Кентавров-М
Калибровка 1 день Автоматика

ИТОГО: ~4 недели от траншеи до готовых рельсов.

См. также