Электромагнитная пушка: рельсотрон и его перспективы.
Высокий показатель рельсотронного разгона обусловлен работой электромагнитных сил Лоренца в механизме пушки. Они возникают и начинают действовать на снаряд при коротком замыкании двух параллельных токонесущих (со знаком минус и со знаком плюс) направляющих рельсов после подачи на них очень мощного, но очень короткого импульса тока. В качестве токозамыкательного элемента используется специальная арматура со встроенным в нее снарядом или сам снаряд, лежащий на рельсах и их замыкающий. Силы Лоренца направлены так, чтобы вытолкнуть снаряд из пушки, и он вылетает из ствола с гиперзвуковой скоростью. Разгону снаряда также способствует давление плазмы, которая образуется за снарядом от действия мощного дугового разряда. Плазма со скоростью 50−100 км/ч действует на снаряд, как своеобразная мощная реактивная струя.
Рельсы — дорогие и уязвимые
В американских опытах по созданию электромагнитного оружия в качестве арматуры, как правило, используется специальной формы «башмак», в котором закреплен снаряд. Такая конструкция исключает контакт снаряда с рельсами. Направляющие, изготовленные из бескислородной меди с серебряным покрытием, сильно подвержены износу от трения и эрозии. При использовании металлических снарядов, выполняющих замыкание своим «телом», замена рельсов требуется после двух-трех выстрелов.
Название «рельсотрон» в 50-е годы прошлого века придумал академик Л. Арцимович, мировой специалист в области термояда и физики высокотемпературной плазмы. Изобретенный им ускоритель плазмы был выдвинут на Нобелевскую премию, но СССР снял кандидатуру ученого с обсуждения из-за секретности разработки.
Сам снаряд изготавливают из тугоплавкого вольфрама. Высокая плотность этого металла позволяет даже тяжелый снаряд сделать малогабаритным, что решает проблему размещения боеприпасов в ограниченных объемах зарядных отделений или снарядных погребов.
Однако не только быстрый износ рельсов мешает рельсотрону превратиться в супероружие, есть и другие препятствия. Прежде всего это источники питания. Рельсотрон требует мощной системы электропитания в виде униполярных генераторов, компульсаторов, мегаваттных конденсаторов-ионисторов. Эти устройства позволяют формировать очень мощный короткий электрический импульс, передаваемый на рельсы. В лабораторных условиях можно мириться с солидными по размеру и весу блоками аппаратуры. На флоте фактор веса и объема тоже не столь существен: у корабля вполне хватит водоизмещения, чтобы упаковать 130 т оборудования вдобавок к самим стволам пушек.
Рейлган Blitzer производства компании General Atomics (США) размещен на двух трейлерах — на одном собственно пушка, на другом — энергетическая установка. Разработка ЭМП началась в 2005 году и завершилась в 2011-м.
Для наземных же армейских рельсотронов проблема представляется более сложной. Если разместить оборудование на танковых шасси, пришлось бы вести в бой 78-тонного монстра. Выходом стало распределение установки между двумя автомобильными трейлерами (на одном сама пушка, на другом — «энергетика»), этот вариант был реализован в американской армейской пушке Blitzer. Еще один тягач с прицепом отдали станции управления. Для питания корабельных рельсотронов (на напичканных хай-теком эсминцах проекта Zumwalt их предположительно будет два) предусмотрен запас мощности судовой установки (зарезервированный только для рельсотронов) не менее 35−45 МВт. Энергии должно хватить, чтобы обеспечить разгон снаряда до 2000−2500 м/с. Тогда он, получив дульную энергию в 64 МДж, сможет улететь на расстояние до 400 км и, сохранив 20 МДж энергии, поразить цель мощным кинетическим ударом. Уже подсчитано, что попадание такого снаряда весом 18−20 кг в авианосец произведет эффект ядерного удара.
32 «Гольфа» по цели
У армейских пушек меньшая дальность стрельбы — 80−160 км, отчего «энергетики» на выстрелы потребуется примерно вдвое меньше корабельной. Для справки: энергией 1 МДж обладает легковой Golf при скорости 160 км/ч. Снаряд рельсотрона весом 10 кг с дульной энергией 32 МДж при скорости 2500 м/с способен пробить три бетонные стенки или шесть 12-миллиметровых стальных листов, что по эффекту равносильно взрыву 150 кг тротила.
Серьезными препятствиями на пути широкого использования рейлганов являются резонансные явления в рельсовой системе и эффект расталкивания рельсов от действия сил Лоренца, электромагнитная совместимость с электронными системами пушки, необходимость охлаждения ствола и блоков электроники и др.
В процессе натурных испытаний была выявлена также необходимость в быстром перезаряжании пушки для увеличения темпа стрельбы по крайней мере до 6−10 выстрелов в минуту. В этом году работающая в кооперации с американским ВПК британская компания BAE Systems провела огневые испытания на полигоне ВМС США в штате Виргиния. Как заявляют британцы, они рассчитывают в ближайшие пару лет увеличить скорострельность своей установки до 10 выстрелов в минуту при весе снаряда 16 кг, так что эта проблема постепенно находит решение.
Снаряд имеет наиболее приемлемую для гиперзвука коническую удлиненную форму с небольшим затуплением носка — это своего рода заостренный стержень. Стабилизатор в хвостовой части позволяет удерживать снаряд на траектории полета. Создание такого боеприпаса — это еще одна проблемная область рельсотронной программы.
США с 2012 года ведет разработку унифицированного гиперзвукового снаряда HVP, сегодня он уже проходит испытания стрельбой. Унифицированный он потому, что будет использоваться не только в рельсотронах, но и в обычных корабельных пушках разных калибров, которые хотят оставить в смешанном составе с рельсотронами на эсминцах Zumwalt. Эти же боеприпасы будут применяться и в наземных пушках.
Чтобы HVP подходил для пушек разных калибров, его будут изготавливать в вариантах подкалиберных выстрелов со снарядом в поддоне под каждый конкретный калибр. Поддон при вылете сборки из ствола разбивается на части, дальше летит только снаряд. В испытаниях 2015 года стреляли HVP калибром 90 мм и длиной 609 мм. Собственно снаряд весит 12,7 кг, а вся сборка — 18,5 кг. Остальные 5,8 кг — это поддон.
Снаряд помещается между двух токопроводящих рельсов. Арматура защищает рельсы от непосредственного соприкосновения со снарядом
Снаряды HVP планируют сделать корректируемыми в полете, для чего их оснастят модулем точного наведения, работающим с системой GPS. Американцы заявили, что у них уже имеются работоспособные электронные системы управления, выдерживающие перегрузки 30 000 — 40 000 g при разгоне, воздействие плазмы температурой 20 000 — 25 000 градусов и электромагнитные поля сверхвысокой мощности. Есть данные об успешных испытаниях подобных снарядов в 2016 году. Ожидается, что полная отработка HVP завершится к 2020 году, а в серию они будут переданы к 2025 году. Блок управления приведет к удорожанию снаряда, который и в исходном (без электроники) варианте стоит 25 тысяч долларов. Но все равно это существенно дешевле корабельных управляемых ракет ценой 0,5−1,5 млн.
Три грамма чудовищной мощи
Особенность американского подхода к разработке рельсотрона состоит в поэтапном наращивании возможностей с последовательным достижением улучшенных параметров: скорости разгона снаряда от 2000 до 3000 м/с, дальности стрельбы с 80−160 до 400−440 км, дульной энергии снаряда от 32 до 124 МДж, веса снаряда от 2−3 до 18−20 кг, скорострельности от 2−3 выстрелов в минуту до 8−12, мощности источников энергии от 15 до более чем 40−45 МВт, ресурса ствола от промежуточных 100 выстрелов к 2018 году до 1000 выстрелов к 2025 году, длины ствола от начальной 6 м до конечной 10 м.
Подобных сведений официально в России не публикуют, однако в прошлом году первый заместитель председателя Комитета Совета Федерации по обороне Франц Клинцевич за-явил, что в нашей стране активно ведутся работы в области создания электромагнитного оружия.
Хорошо известны успешные испытания рельсотрона (правда, не боевого, а лабораторного класса) в подмосковной Шатуре, которые провели в филиале Объединенного института высоких температур РАН под руководством академика В. Фортова. Рельсотрон с длиной ствола 2 м стрелял пульками массой в единицы-десятки граммов. Российское ноу-хау — предварительный разгон снаряда перед подачей в ствол — позволяет получать дульные скорости выше американских. Так, в январе 2017 года снаряд из плотного пластика весом 15 г был разогнан до скорости 3000 м/с и пробил мишень из металла толщиной во много сантиметров. Несколько раньше снаряд весом 3 г был разогнан до скорости 6250 м/с (почти первая космическая) и при попадании в стальную мишень попросту ее испарил.
Китай, по сообщениям прессы, находится на стадии НИР и НИЭР, которые сосредоточены в специально созданной корпорации CASIC в научном центре Ухань (WUHAN). Представители КНР заявили, что разрабатывают наземный рельсотрон наподобие американского Blitzer и обещают по проекту 055А к 2020 году создать орудие калибра 130 мм.
Статья «Магнитные войны» опубликована в журнале «Популярная механика» (№7, Июль 2017).
Электромагнитая пушка Гаусса
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (трубка). В один из концов ствола вставляется металлический снаряд. При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. Так как в момент прохождения снаряда через середину соленоида ток отключается, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола.
Для наибольшего эффекта импульс тока в катушке должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. Простейшие одноступенчатые Coilgun можно собрать самому, а вот многоступенчатые уже намного сложнее.
История создания
Впервые данный вид винтовки появился еще в первой части «Сталкера», которая называлась «Тень Чернобыла». На предпоследней локации «Припять» игрока встречали множественные силы противника, они были везде, даже на крышах заброшенных домов, с которых по нам и вели огонь из Гаусса. Винтовка сама по себе невероятно редкая, а если вы правильно не убили «Монолитовца», то смело можем заявить, что вы ее больше в игре не потрогаете. Также есть вероятность того, что труп данного бойца упадет, но патронов к винтовке совсем не будет. Все это обуславливается тем, что разработка первой части велась в невероятной спешке, многие виды оружия были вырезаны, не говоря уже про локации, машины и многое другое.
Если говорить про упоминания о данной винтовке, то на локации «Темная Долина» мы прямо напротив базы бандитов могли спасти сталкера от кровососа, за что он нас благодарит информацией, мол, на свиноферме продают пушку Гаусса всего за 800 рублей. Мы туда приходим, отдаем сталкерам 800 рублей, которые в самом начале игры могут изменить многое, но взамен нам ничего не дают, а даже больше: нас выгоняют с территории свинофермы, т.к. у них никакой винтовки Гаусса нет, а эти деньги пойдут на благотворительность. После этого можно спокойно их убить, а со сталкера «Упырь» выпадет специальная бесшумная винтовка «Гадюка».
Это все происходило в первой части, но вот уже во второй, название которой «Чистое Небо», можно вполне легко найти данную винтовку. Право на ее приобретение дается игрокам, чьи поступки являются безупречными (статистику можно смотреть в ПДА), после чего каждый торговец с радостью вам продаст Гаусс и экзоскелет первого поколения.
«Зов Припяти» попытался быть максимально похожим на первую часть, что, собственно, и получилось, ведь в данной части винтовка достается опять же с крыши и опять же с трупа павшего бойца «Монолит». После ее поднятия активируется специальный квест, о котором мы расскажем чуточку позже.
Принцип действия
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд, сделанный из ферромагнетика. При протекании электрического тока в соленоиде возникает электромагнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит, так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому, что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы большой ёмкости и с высоким рабочим напряжением.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.
Кинетическая энергия снарядаE=mv22
m
— масса снарядаv
— его скоростьЭнергия, запасаемая в конденсатореE=CU22
U
— напряжение конденсатораC
— ёмкость конденсатораВремя разряда конденсаторов
Это время за которое конденсатор полностью разряжается:
Это время, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.
Стоит заметить, что в представленном виде две последние формулы не могут применяться для расчетов пушки Гаусса, хотя бы по той причине, что по мере движения снаряда внутри катушки, её индуктивность все время изменяется.
Применение
Теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту, так как при стационарном использовании есть возможность иметь большой источник энергии. Основное применение — любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность)
Преимущества и недостатки
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надёжность и, в теории, износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.
Первая и основная трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27 %. В основном в любительских установках энергия, запасённая в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют IGBT модули) для размыкания катушки (правило Ленца).
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД).
Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.
Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи-конденсаторы.
Пятая трудность — с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.
В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.
Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. Теоретически, перспективы, конечно, возможны, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности.
Усовершенствованная автоматическая винтовка Гаусса
Винтовка Гаусса – это оружие, способное стрелять ферромагнитными снарядами. Для ускорения пули используется не давление пороховых газов, а магнитное поле. Принцип ее работы довольно прост: вдоль ствольного канала располагаются несколько электромагнитных катушек. Первая пуля попадает в канал ствола механическим способом. Затем первая катушка начинает подтягивать ее. Следующая катушка включается после того, как пуля достигает середины предыдущей. В теории, цепочка из нескольких катушек может разогнать пулю до произвольных скоростей.
Данная технология вызывает интерес у конструкторов из-за нескольких особенностей. Во-первых, из-за практически полного отсутствия нагрева подобное оружие может обладать чрезвычайно высокой скорострельностью. Во-вторых, нет необходимости использовать гильзы, что значительно упрощает казенную часть оружия. В-третьих, нет зависимости между ускорением и диаметром пули, поэтому можно вести стрельбу тонкими и узкими пулями с повышенной пробивной способностью. Кроме того, это электрическое оружие с простой схемой и почти полным отсутствием движущихся частей.
Однако у винтовки Гаусса есть один существенный недостаток – она не работает. Точнее до недавнего времени не было компактной и легкой модели, которая стреляла бы приемлемыми пулями с приемлемой скоростью.
Но недавно специалисты инженерного бюро Delta V Engineering представили прототип рабочей пятнадцатизарядной автоматической винтовки Гаусса. Ее скорострельность — 7,7 выстрелов в секунду. Вес оружия, получившего название CG-42, составляет 4,17кг. Оно использует патроны калибра 6,5×50мм.
Представители бюро не сообщили, какие технологии были использованы при создании винтовки, показав только конечный результат. И хотя их винтовка Гаусса уступает обычным винтовкам, инженерам удалось добиться значительного улучшения всех параметров. Самое главное – удалось добиться увеличения скорости пули в 3.4 раза, а точности – в 2.7 раз. По словам представителей научного бюро, в будущем винтовка Гаусса превзойдет обычное стрелковое оружие.
Рельсотрон — оружие будущего
Рельсотрон (Railgun), или в простонародье «рельса» — импульсный электродный ускоритель масс, принцип действия которого объясняется с помощью силы Лоренца, превращающей электрическую энергию в кинетическую. Является перспективным оружием, имеющим ряд преимуществ перед классической компоновкой на базе химического взрыва. И боевые испытания этой красавицы уже не за горами.
Принцип действия и ограничения
Рельсовая пушка использует электромагнитную силу, называемую силой Лоренца, чтобы разогнать электропроводный снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы. Ток I, идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле B между ними, перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда под действием силы F.
Одна из проблем рельсотрона заключается в том, что для изготовления его снарядов необходим материал с максимально возможной проводимостью, т.к. для создания движущей силы по рельсам пускается очень мощный моментальный разряд тока. Если материал снаряда обладает недостаточной проводимостью, он может испариться в рельсотроне под воздействием силы тока еще до выхода из пушки.
Второй ограничитель — источник питания. В ближайшее время ВМФ США планируют провести испытания рельсотрона на базе корабля (только корабль на сегодняшний день может выдержать выстрел из этого оружия). Для залпа из современного рельсотрона требуется импульс в 25 (!) мегаватт. Один из кораблей ВМФ США, который проектировался специально с учетом возможности комплектации рельсотроном, оснащен силовыми установками на 78 мегаватт, а самым распространенным значением эл. мощности установки на корабле является цифра в 9 мегаватт. Для одного выстрела рельсотрона требуется почти 30% мощности установки спец. корабля флота. Об использовании данного типа вооружения на рядовых судах и думать не стоит.
Видео с экспериментальной установки ВМС США:
Вопрос в зал: откуда взялась огненная вспышка на выходе? 🙂
Иногда, для придания снаряду рельсотрона наибольшей начальной скорости, при наличии которой выстрел будет более эффективен, производят химический взрыв (детонация пороха, к примеру). Утрируя, рельсотрон можно использовать как «ускоряющую насадку» для орудий, повышающую скорость снаряда на выходе. Но я бы не рискнул пропускать такой ток через взрывчатку.
Не путать с пушкой Гаусса
Пушку Гаусса и рельсотрон очень часто путают. Причина тому сходная природа работы этих устройств, но они используют разные подходы и электро-физические законы для разгона снаряда. В рельсотроне реализовано использование силы Лоренца или реактивной струи, а в пушке Гаусса — использование электромагнитных полей. Снаряд из ферромагнетика разгоняется по диэлектрической трубке через ряд соленоидов, при включении образующих магнитное поле, которое «проталкивает» снаряд из ферромагнетика вперед.
Пушка Гаусса имеет КПД значительно ниже, чем рельсотрон, поэтому военными данный принцип для создания оружия не рассматривается.
Так почему же такой сложный рельсотрон такой вкусный для военных?
Все до банального просто — деньги. «Рельса» способна вести огонь на дистанцию до 180 км уже сегодня, а в будущем планируется выход на показатели до 400 км. На подобные расстояния вести огонь возможно только при помощи ракет, каждая из которых стоит миллионы долларов, плюс ко всему с ними умеют бороться. Рельсотрон уже сейчас может вести огонь снарядами массой 2-3 кг, что при скорости до 2000-2500 м/с приводит к колоссальным разрушениям. Сам же снаряд стоит порядка $20-25 тыс, по сравнению со стоимостью ракет — бесплатно, а транспортировка и эксплуатация подобных боеприпасов — одно удовольствие: боекомплект не сдетонирует, никаких проблем с погрузкой, никаких ЧП из-за человеческого фактора (если, конечно, кто-нибудь ее не уронит себе на ногу).
Ученым осталось решить вопрос только с источником питания, т.к. строить корабли конкретно под «рельсу» очень затратно (энергоустановка в 70 мегаватт — это энергопотребление небольшого города). Как только будет решен вопрос питания мы сможем увидеть рельсотроны на вооружении. И как бороться с трехкилограммовой болванкой, летящей на скорости в 7 Махов и способной потопить корабль — не понятно.
Гаусс пушка своими руками
Доброго времени суток, уважаемые самоделкины. В этой статье Константин, мастерская How-todo, покажет как сделать портативную пушку Гаусса.
Проект делался просто по фану, так что цели установить какие-либо рекорды в Гауссо-строении не было.
На самом деле Константину даже стало лень рассчитывать катушку.
Давайте для начала освежим в памяти теорию. Как вообще работает пушка Гаусса.
Мы заряжаем конденсатор высоким напряжением и разряжаем его на катушку из медного провода, находящуюся на стволе.
При протекании по ней тока создается мощное электромагнитное поле. Пуля из ферромагнетика втягивается внутрь ствола. Заряд конденсатора расходуется очень быстро и, в идеале, ток через катушку перестает течь в момент, когда пуля находится посередине.
После чего она продолжает лететь по инерции.
Читайте также: Обогреватель 12 вольт своими руками: инструкция по изготовлению простейших конструкций
Перед тем, как перейдём к сборке следует предупредить, что работать с высоким напряжением нужно очень аккуратно.
Особенно, при использовании таких больших конденсаторов, это может быть весьма опасно.
Будем делать одноступенчатую пушку.
Во-первых, из-за простоты. Электроника в ней практически элементарна.
При изготовлении многоступенчатой системы нужно как-то коммутировать катушки, рассчитывать их, устанавливать датчики.
Во-вторых, многоступенчатый девайс просто бы не поместился в задуманный форм-фактор пистолета.
Ибо даже сейчас корпус забит полностью. За основу были взяты подобные переломные пистолеты.
Корпус будем печатать на 3D принтере. Для этого начинаем с модели.
Делаем его во Fusion360 все файлы будут в описании, если вдруг кто захочет повторить.
Постараемся как можно компактнее уложить все детали. Кстати, их совсем немного. 4 аккумулятора 18650, в сумме дающие примерно 15В. В их посадочном месте в модели предусмотрены углубления для установки перемычек.
Которые сделаем из толстой фольги. Модуль, повышающий напряжение аккумуляторов до примерно 400 вольт для зарядки конденсатора.
Сам конденсатор, а это банка 1000 мкФ 450 В.
И последнее. Собственно катушка.
Остальные мелочи типа тиристора, батарейки для его открытия, кнопки пуска можно расположить навесом или приклеить к стенке.
Так что отдельных посадочных мест для них не предусмотрено. Для ствола понадобится немагнитная трубка.
Будем использовать корпус от шариковой ручки. Это значительно проще, чем допустим печатать его на принтере и затем шлифовать.
Наматываем на каркас катушки медный лакированный провод диаметром 0,8 мм, прокладывая между каждым слоем изоляцию. Каждый слой должен быть жестко зафиксирован.
Читайте также: Собираем Лабораторный блок питания 0-30В 0-3А Сборка. Заключительная часть.
Мотаем каждый слой максимально плотно, виток к витку, слоев делаем столько, сколько поместится в корпус.
Рукоять сделаем из дерева.
Модель готова, можно запускать принтер.
Почти все детали сделаны соплом 0,8 мм и только кнопка, удерживающая ствол, сделана соплом 0,4 мм.
Печать заняла около семи часов, так вышло что остался только розовый пластик. После печати аккуратно очищаем модель от поддержек. В магазин покупаем грунт и краску.
Использовать акриловую краску не получилось, но она отказалась нормально ложится даже на грунт. Для покраски PLA пластика существуют специальные спреи и краски, которые будут прекрасно держаться и без подготовки. Но такие краски не нашлись, получилось корявенько конечно.
Красить пришлось наполовину высунувшись в окно.
Скажем мы что неровная поверхность — это такой стиль, и вообще так и планировалось. Пока идет печать и сохнет краска, займемся рукоятью. Дерева подходящей толщины не нашлось, поэтому склеим два куска паркета.
Когда он просох, придаем ему грубую форму при помощи лобзика.
Немного удивимся, что аккумуляторный лобзик без особых трудностей режет 4см древесины.
Далее при помощи дремеля и насадки скругляем углы.
Из-за малой ширины заготовки, наклон рукояти получается не совсем такой, как хотелось.
Сгладим эти неудобства эргономичностью.
Затираем неровности насадкой с наждачкой, вручную проходимся 400-й.
После зачистки покрываем маслом в несколько слоев.
Крепим рукоять на саморез, предварительно просверлив канал.
Финишной наждачкой и надфилями подгоняем все детали друг к другу, чтобы все закрывалось, держалось и цеплялось, как нужно.
Можно переходить к электронике. Первым делом устанавливаем кнопку. Примерно прикинув так, чтобы она в будущем не особо мешалась.
Далее собираем отсек для аккумуляторов. Для этого нарезаем фольгу на полоски и приклеиваем ее под контакты батарей. Батареи соединяем последовательно.
Все время проверяем чтобы был надежность контакта. Когда с этим покончено, можно подключить высоковольтный модуль через кнопку, а к нему конденсатор.
Читайте также: Как сделать вентилятор улитку своими руками: крыльчатки, лопасти
Можно даже попробовать его зарядить. Выставляем напряжение около 410 В, чтобы разряжать его на катушку без громких хлопков замыкающихся контактов, нужно использовать тиристор, который работает как выключатель.
А чтобы он замкнулся, достаточно небольшого напряжения в полтора вольта на управляющем электроде.
К сожалению оказалось, что повышающий модуль имеет среднюю точку, а это не позволяет без особых ухищрений брать управляющее напряжение с уже установленных аккумуляторов.
Поэтому берем пальчиковую батарейку.
А маленькая тактовая кнопка служит курком коммутирая через тиристор большие токи.
На этом все бы и закончилось, но два тиристора не выдержали таких издевательств. Так что пришлось подбирать тиристор помощнее, 70TPS12, он выдерживает 1200-1600В и 1100А в импульсе.
Раз проект все равно заморозился на недельку, докупим еще и детали для того, чтобы сделать индикатор заряда. Он может работать в двух режимах, зажигая только один диод, сдвигая его, либо поочередно зажигая все.
Второй вариант выглядит более красиво.
Схема достаточно простая, но на али можно купить уже готовый такой модуль.
Добавив пару мегаомных резисторов на вход индикатора, можно подключать его прямо на конденсатор. Новый тиристор, как и планировалось, с легкостью пропускает мощные токи.
Единственное, он не закрывается, то есть перед выстрелом нужно выключить зарядку дабы конденсатор мог полностью разрядиться, и тиристор перешел в исходное состояние.
Этого можно было избежать, будь преобразователь с одно-полупериодным выпрямителем. Попытки переделать имеющейся успехов не принесли.
Можно приступать к изготовлению пули. Они должны магнититься.
Можно взять вот такие чудные дюбель-гвозди, они имеют диаметр 5,9 мм.
И идеально заходят ствол, остается лишь отрезать шляпку, и чуток заострить.
Вес пульки получился 7,8 г.
Скорость, к сожалению, сейчас замерить нечем.
Заканчиваем сборку проклейкой корпуса и катушки.
Можно тестировать, эта игрушка неплохо дырявит алюминиевые банки, пробивает картонки, да и вообще чувствуется мощь.
Хотя многие утверждают, что Гаусс-пушки бесшумные, она немного хлопает при выстреле, даже без пули.
При прохождении больших токов через провод катушки, хоть это и происходит в доли секунды, она нагревается и немного расширяется. Если пропитать катушку эпоксидной смолой, можно частично избавиться от этого эффекта.
Препарируем ценности
Для формирования мощного электрического импульса как нельзя лучше подходит батарея конденсаторов (в этом мнении мы солидарны с создателями самых мощных лабораторных рельсотронов). Конденсаторы хороши не только большой энергоемкостью, но и способностью отдать всю энергию в течение очень короткого времени, до того как снаряд достигнет центра катушки. Однако конденсаторы необходимо как-то заряжать. К счастью, нужное нам зарядное устройство есть в любом фотоаппарате: конденсатор используется там для формирования высоковольтного импульса для поджигающего электрода вспышки. Лучше всего нам подходят одноразовые фотоаппараты, потому что конденсатор и «зарядка» — это единственные электрические компоненты, которые в них есть, а значит, достать зарядный контур из них проще простого.
Знаменитый рэйлган из игр серии Quake с большим отрывом занимает первое место в нашем рейтинге. В течение многих лет виртуозное владение «рельсой» отличало продвинутых игроков: оружие требует филигранной точности стрельбы, однако в случае попадания скоростной снаряд буквально разрывает противника на куски.
Разборка одноразового фотоаппарата — это этап, на котором стоит начать проявлять осторожность. Вскрывая корпус, старайтесь не касаться элементов электрической цепи: конденсатор может сохранять заряд в течение долгого времени. Получив доступ к конденсатору, первым делом замкните его выводы отверткой с ручкой из диэлектрика. Только после этого можно касаться платы, не опасаясь получить удар током. Удалите с зарядного контура скобы для батарейки, отпаяйте конденсатор, припаяйте перемычку к контактам кнопки зарядки — она нам больше не понадобится. Подготовьте таким образом минимум пять зарядных плат. Обратите внимание на расположение проводящих дорожек на плате: к одним и тем же элементам схемы можно подключиться в разных местах.
Снайперское орудие из зоны отчуждения получает второй приз за реализм: сделанный на основе винтовки LR-300 электромагнитный ускоритель сверкает многочисленными катушками, характерно гудит при зарядке конденсаторов и насмерть поражает противника на колоссальных расстояниях. Источником питания служит артефакт «Вспышка».
Gauss Gun на АлиЭкспресс
Двухступенчатая пушка Гаусса
- Медные эмалированные обмоточные провода диаметром 0.8 мм
- Два тиристора типа SCR
- Блок оптического переключателя
- Установлены конденсаторы 450 В 1000 мкФ
- Трубки диаметром 8 мм и длинной 200 мм
- Цена около 1000 руб.
Четырёх ступенчатая пушка Гаусса
- Внешний диаметр трубки 10 мм и внутренний 8 мм
- Нужна 12 В литиевая батарея и 70 Вт мощность питания
- Полный набор контроля напряжения, зарядки и разрядки, литиевая батарея и встроенное зарядное.
- Цена около 10000 руб.
Многоступенчатая пушка Гаусса
- Самые мощные экземпляры, имеющие 6 ступеней и разгоняющие металлический снаряд до предельно разрешённой законодательством энергии в 7 Дж.
- Суммарная ёмкость накопительных конденсаторов может превышать 10000 микрофарад.
- Цена около 12000 руб.
Предупреждение! Устройство запрещено к продаже и использованию людьми в возрасте до 16 лет, только для взрослых. Нельзя стрелять в людей и животных. Не прикасаться к элементам схемы — высокое напряжение.
В литературе
Довольно часто в литературе научно-фантастического жанра упоминается пушка Гаусса. Она выступает там в роли высокоточного смертоносного оружия.
Примером такого литературного произведения являются книги из серии «S.T.A.L.K.E.R.», написанные по серии игр S.T.A.L.K.E.R., где Гаусс-пушка была одним из мощнейших видов оружия, не считая РПГ-7. В свою очередь, идея такого оружия во вселенной серии было позаимствовано из серии игр Fallout.
Но первым в научной фантастике пушку Гаусса воплотил в реальность Гарри Гаррисон в своей книге «Месть Стальной Крысы». Цитата из книги: «Каждый имел при себе гауссовку — многоцелевое и особо смертоносное оружие. Его мощные батареи накапливали впечатляющий заряд. Когда нажимали на спуск, в стволе генерировалось сильное магнитное поле, разгоняющее снаряд до скорости, не уступающей скорости снаряда любого другого оружия с реактивными патронами. Но гауссовка имела то превосходство, что обладала более высокой скорострельностью, была абсолютно бесшумной и стреляла любыми снарядами, от отравленных иголок до разрывных пуль».
Электромагнитная пушка: оружие будущего
Поколебать монополию пороха смогло электричество. Идея создания электромагнитной пушки зародилась практически одновременно в России и Франции в разгар Первой мировой войны. В ее основу легли труды немецкого исследователя Йоганна Карла Фридриха Гаусса, который разработал теорию электромагнетизма, воплотившуюся в необычное устройство — электромагнитную пушку.
Опережая время
Гаусс-пушка
Преимущества электромагнитной пушки Гаусса по сравнению с другими видами оружия — возможность гибко варьировать начальную скорость и энергию снаряда, а также бесшумность выстрела. Есть и недостаток — низкий КПД, составляющий не более 27 % и связанные с этим крупные затраты энергии. Поэтому в наше время пушка Гаусса имеет перспективы скорее в качестве любительской установки. Однако, идея может получить вторую жизнь в случае изобретения новых компактных и сверхмощных источников тока.
Рельсовая электромагнитная пушка
Принцип действия рельсотрона
Порох на большее не способен
Рельсовые пушки – больше не фантазия
Наш ответ
Залп из рельсотрона
В России и сейчас ведутся подобные разработки. Свое видение рельсотрона недавно продемонстрировал коллектив одного из филиалов Объединенного института высоких температур РАН. Для разгона заряда был разработан электромагнитный ускоритель. Пулю весом в несколько грамм здесь удалось разогнать до скорости около 6,3 км/сек.
Понравился пост? Есть что сказать? Присоединяйтесь:
Кто осилит производство эффективных и экономически оправданных рельганов, тот и будет доминировать в мире. Не надо никаких ПРО, скорость снаряда из рельгана даже в условиях плотности тропосферы может достигать второй космической. Мешок шариков из вольфрамового сплава или даже обедненного урана всяко дешевле, чем стоимость МБР. В стационарном варианте сама "пусковая" так же дешевле стартового комплекса МБР. И намного. Только вот с теорией как то вяло. В соседних Галактиках ВСЕ понятно, только осталось еще выяснить, что же есть на САМОМ деле электричество и магнетизм.
Ловчиков подсказывает правильную дорогу.
Это аналог по продольным волнам вакуума
штаты сидят на " пороховой бочке " В прямом смысле
Ну не важно что с физикой у американцев хорошо вот. Снаряд массой 23-кг вылетал из ствола со скоростью, превышающей 2200 м/сек, что позволило бы поражать цели на расстоянии до 160 км. ну с враньем у них прекрасно американцы уже на Луну. в павильоне слетали,билеты в космос продают и так далее с фантазией хорошо!
Ну теперь векрнемся к нашим баранам /пушке/ ну примем вранье за правду НУ УЛЕТЕЛ СНАРЯД вопреки физике на 160 км ПУСТЬ ПУСТЬ. Черт с ним со снарядом. А вес то всего-то —-вес снаряда так средней пушченки,а сколько денег стоит этот один выстрел?На один выстрел энергии надо столько сколько средний город за месяц не сожгет.
Представляете море все пропитано влагой солями,а соленая вода прекрасный проводник!А это корозия а какая защита нужна! И представляете что-то отсырело и БАБАХ молния на корабле или вообще шаровая родится и летает летает по кораблю. Ну пусть допустим стрельнули и. полетел этот сраняд туда,не знаю куда!Ну вообщем куда-то туда! И на таком расстоя
"На один выстрел энергии надо столько сколько средний город за месяц не сожгет. "
Зачем тиражировать подобную глупость?
И на таком расстоянии куда матушка природа с ее ветрами отклонит снаряд и куда он прилетит?Вопрос большой вопрос.
Ну плывет это электронное корыто стрельнуть хочет ,а тут как назло Миг 24 образца далекого прошлого века,пррилетел и поступил с этим грозным кораблем с электронной пушкой ну как с Куком что Дональд ,которого оглушил ослепил один российский самолетик —А он ДАЖЕ не СТРЕЛЯЛ —А ЕСЛИ БЫ СТРЕЛЬНУЛ?То Кук вместе с экипажем сейчас трудился над вскармливанием и развитии рыб на Черном море. Ну это тот Кук что Дональд с которого треть экипажа обделавшись резко решили не служить Америке и бросили службу-не так они представляли их встречу и героизм весь . ушел в дерьмо.Ну привыкли с прериях с обезьянами воевать а тут вот так сразу раз и "мордой в грязь".А другой вариант американцы тоже не рассматривают ну плывет это электронное корыто опастное только для себя и личного состава,а там где-то за тридевять земель где-нибудь в кущерях сидит себе Сатана или кто-нибудь из ее меньши
а там где-то за тридевять
земель где-нибудь в кущерях сидит себе Сатана или кто-нибудь из ее меньших братьев ,Калибр например -вот вот что-то из
этого чертового семейства взлетело и полетело и. пока чудо гения американской мысли подползает к пресловутым 160 км
чтобы шмальнуть из пушки. а тут раз чертов Калибр пролетел 3000 км к примеру БАЦ. и все НЕТУ НИ ПУШКИ НИ КОРАБЛИКА !
Да обидно так гордо хвалились и опять . в такое дерьмо.
Все эти идеи американцев не страшны они предсказуемы и как всегда попахивают идиотизмом так что будем ждать-с.
А с идеей электронных пушек носились с момента познания электричества,а с тех пор ничего не изменилось теже медные провода ,
теже катушки и теже попытки использовать свойства обычных электромагнитов!Ну а огромной элктромагнитной энергией что делать, ну часть будет затрачена на выплевывание заряда-снаряда,а как известно магнитное поле расспросстраняется во все стороны ,внешнее излучение куда девать экранировать?
Вызовет страшный нагрев и приведет к тому что весь корпус со всеми причендалами станет одной заряженной пластиной конденсатора,а что будет второй пластиной? И в таком мощном поле все оборудование корабля "прикажет долго жить" И потом излучение будет в широком поле частот и к каким последствиям это приведет?Там и СВЧ будет стрельнул и как-будто побывал в эпицентре ядерного взрыва!
Это в кабинете хорошо поставил на стол мощный магнит запитал от розетки через выключатель поставил препятствие
чистота стерильная ни тебе соленой воды ,ни влаги играйся не хочу!
А там черт сырая совсем сырая морская соленая вода ,а она ток проводит и на корабле эта сырость везде а тут еще такие токи,значит электролитом будет морская вода и кораблик будет гигантским аккумулятором с огрмными токами утечки и вопрос за сколько времени сам по себе нигде не воюя сгниет это чудо гения американской мысли?
Как работает магнитная пушка
- Главная
- ПУШКА ГАУССА – ОРУЖИЕ ИЛИ ИГРУШКА?
ПУШКА ГАУССА – ОРУЖИЕ ИЛИ ИГРУШКА?
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Введение
Пушка Гаусса принадлежит к недостаточно исследованному виду электромагнитного оружия. Многие учёные пытаются усовершенствовать её принцип действия, но до сих пор характеристики большинства образцов оставляют желать лучшего. Электромагнитный способ приведения физического тела в движение был предложен еще в начале 19 столетия, но отсутствие надлежащих средств накапливания электрической энергии мешало его реализации. Последние разработки привели к значительному прогрессу в накоплении электрической энергии, таким образом, значительно возросла возможность появления систем с электромагнитными пушками. Сейчас, пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия:
— отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса;
— возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса;
— относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей);
— большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.
Я предположил, что пушку Гаусса можно применять в различных сферах, связанных с жизнедеятельностью человека. Важную роль могут сыграть новые материалы или различные варианты конструкций. Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, может явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе.
Мой интерес к реконструкции пушки Гаусса вызван простотой сборки и доступностью материалов, простота в использовании с одной стороны и большая энергозатратность с другой, что и определило основную проблему исследования. Недостаточно изучен спектр применения электромагнитного ускорителя в повседневной жизни. Создать модель ускорителя масс, на основе анализа экспериментальных данных выяснить, где можно использовать пушку Гаусса, в каких сферах жизнедеятельности человека.
Данные противоречия актуализировали и обусловили выбор темы исследования:
«Пушка Гаусса-оружие или игрушка?».
Почему я выбрал эту тему? Я заинтересовался устройством пушки и решил создать модель такой пушки Гаусса, т.е. любительскую установку. Её можно использовать как игрушку. Но, создавая модель, я стал задумываться, где же ещё можно применять пушку Гаусса и как сконструировать более мощную пушку, что же для этого нужно?! Как можно увеличить бегущее электромагнитное поле?
Цель работы: Создать и исследовать различные варианты конструкций пушки Гаусса при изменении физических параметров частей пушки.
Задачи исследования:
1. Создать действующую модель пушки Гаусса для демонстрации на уроках физики явления электромагнитной индукции.
2. Исследовать эффективность работы пушки Гаусса от ёмкости конденсатора и индуктивности соленоида.
3. На основе результатов исследования предложить новые области применения пушки в сфере жизнеобеспечения человека.
Предмет исследования – явление электромагнитной индукции.
Объект исследования – модель Пушка Гаусса.
Методы исследования:
1. Анализ научной литературы.
2. Материальное моделирование, конструирование.
3. Экспериментальные методы исследования
4. Анализ, обобщение, дедукция, индукция.
Практическая значимость: Данный прибор можно использовать для демонстрации на уроках физики, что будет способствовать лучшему усвоению учащимися данных физических явлений.
Основная часть
Глава 1. Теоретические основы исследования
1. 1.Электромагнитные пушки. Пушки катушечного типа.
Электромагнитные пушки – это общее название установок, предназначенных для ускорения предметов (объектов) с помощью электромагнитных сил. Такие устройства называются электромагнитными ускорителями масс.
Электромагнитные пушки разделяют на следующие виды:
1. Рельсотрон – это устройство представляет собой электродный импульсный ускоритель масс. Работа этого прибора заключается в передвижении снаряда между двух электродов – рельс — по которым течет ток. Благодаря этому электромагнитные пушки такого типа и получили свое название – рельсотрон. В таких приборах источники тока подключаются к основанию рельс, в результате ток течет «вдогонку» движущемуся объекту. Магнитное поле создается вокруг проводников, по которым протекает ток, оно сосредоточено за движущимся снарядом. В результате объект, по сути, является проводником, который помещен в перпендикулярное магнитное поле, создаваемое рельсами. Согласно законам физики, на снаряд воздействует сила Лоренца, которая направлена в противоположную сторону от места подключения рельс и ускоряет объект.
2. Электромагнитные пушки Томпсона – это индукционные ускорители масс. В основу работы индукционных пушек заложены принципы электромагнитной индукции. В катушке устройства возникает быстро нарастающий ток, он вызывает в пространстве магнитное поле переменного характера. Обмотка намотана вокруг ферритового сердечника, на конце которого находится токопроводящее кольцо. Благодаря воздействию магнитного потока, который пронизывает кольцо, возникает переменный ток. Он создает магнитное поле, имеющее противоположную полю обмотки направленность. Проводящее кольцо своим полем отталкивается от противоположного поля обмотки и, ускоряясь, слетает с ферритового стержня. Скорость и мощность вылета кольца напрямую зависят от силы импульса тока.
3. Электромагнитная пушка Гаусса – магнитный ускоритель масс. Назван в честь математика-ученого Карла Гаусса, который внес огромный вклад в изучение свойств электромагнетизма. Основным элементом пушки Гаусса является соленоид. Он наматывается на диэлектрическую трубку (ствол). В один конец трубки вставляется ферромагнитный объект. В момент появления в катушке электрического тока в соленоиде возникнет магнитное поле, под действием которого разгоняется снаряд (в направлении центра соленоида). При этом на концах заряда образуются полюса, которые ориентированы соответственно полюсов катушки, в результате чего, после прохождения снаряда через центр соленоида, он начинает притягиваться в противоположном направлении (тормозится). Схема электромагнитной пушки показана на фото. Современная наука значительно продвинулась в области изучения ускорения и накопления энергии, а также образования импульсов. Можно предположить, что в ближайшем будущем человечество столкнется с новым типом оружия — электромагнитные пушки. Для развития этой технологии требуется огромная работа во всех аспектах ускорителей масс, включая снаряды и энергоснабжение. Важнейшую роль сыграют новые материалы. Для реализации такого проекта потребуются мощные и компактные источники электрической энергии. А также высокотемпературные сверхпроводники.
1.2.История пушки Гаусса
Доктор Вольфрам Витт является начальником координации научно- исследовательских программ фирмы "Рейн/металл". Вместе с Маркусом Леффлером в настоящее время занимаются исследованиями в области сверхмощных электрических устройств ускорения. В их статье приведены факты по разработке и использованию электромагнитных пушек. Они отмечают, что в1845 такая пушка катушечного типа била использована для запуска металлического стержня длиной около 20 м.
Кристиан Беркеленд, профессор физики в университете в Осло (работавший с 1898 по 1917г.), за период с 1901 по 1903г. получил три патента на свою "электромагнитную пушку". В 1901г. Беркеленд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал ее для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с. С помощью второй большой пушки, созданной в 1903г. и выставленной в настоящее время в норвежском техническом музее в г. Осло, он достигал разгона снаряда массой 10 кг до скорости примерно 100 м/с. Калибр пушки 65 мм, длина10 м.
Весной 1944г. доктор ИоахимХэнслер и главный инспектор Бунзель выполнили исследования по пушке катушечного типа. На Хиллерслебенском испытательном полигоне в Магдебурге, в тщательно отгороженном гараже, они провели испытания стрельбой малокалиберного (10 мм) устройства, предположительно состоящего из множества катушек, стрельба велась по броневым плитам. Источники энергии включали автомобильные аккумуляторные батареи, конденсаторы (емкости) и электрогенераторы. Но испытания были безуспешными и через полгода были прекращены.
Работа по всем решающим узлам электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. Современные успехи, что касается ускорителя, накопления энергии и образования импульсов, явствуют о вероятности того, что системы вооружения через поколение (вскоре после начала века) будут оснащены электромагнитными пушками.
Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, должна явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе.
1.3 Пушка Гаусса
Пушка Гаусса (англ. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс.
Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.
1.4 Принцип действия пушки Гаусса
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.
Кинетическая энергия снаряда
— масса снаряда — его скорость
Энергия, запасаемая в конденсаторе
Время разряда конденсаторов
Это время, за которое конденсатор полностью разряжается: — индуктивность — ёмкость
Время работы катушки индуктивности
Это время, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.Т = 2π — индуктивность — ёмкость
Стоит заметить, что в представленном виде две последние формулы не могут применяться для расчетов пушки Гаусса, хотя бы по той причине, что по мере движения снаряда внутри катушки, её индуктивность все время изменяется.
Глава 2. Создание макета пушки Гаусса
2.1 Расчет комплектующих
Основой конструирования Пушки Гаусса являются конденсаторы, параметры которых определяют параметры будущей магнитной пушки. Анализируя научную литературу и информационные источники, расскажу о конструировании параметров своей модели.
Конденсатор характеризуется электрической емкостью и максимальным напряжением, до которого его можно заряжать. Кроме того, конденсаторы бывают полярные и неполярные – практически все конденсаторы большой емкости, используемые в магнитных ускорителях, электролитические и являются полярными. Т.е. очень важно правильное его подключение – положительный заряд подаем к выводу “+”, а отрицательный к “-”.
Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение можно найти энергию, которую может накапливать этот конденсатор.
Зная энергию конденсатора можно найти ориентировочную кинетическую энергию снаряда – или попросту мощность будущего магнитного ускорителя.
Как правило, КПД пушки примерно равен 1,7% — т.е. раздели на 100 энергию конденсаторов можно найти кинетическую энергию снаряда. Однако при оптимизации гаусса его КПД можно будет поднять до 4-7%, что уже существенно.
Зная кинетическую энергию снаряда и его массу (m), вычисляем его скорость полета.
V= 2𝐸/𝑚 [мс], переводим её в километры в час.
Далее рассчитаем примерную длину обмотки соленоида. Она равна длине снаряда. Обмотка должны быть такова, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к её середине ток в ней уже был бы минимален и магнитное поле не мешало бы вылетать снаряду с другого конца обмотки. Система конденсаторы – катушка это колебательный контур. Найдем его период колебаний. Время первого полупериода колебаний равно времени, которое гвоздь летит от начала обмотки до её середины, а т.к. гвоздь изначально покоился, то примерно это время равно длине обмотки разделить на скорость полета гвоздя.
Т = 2π В нашей системе колебания будут вовсе не свободными, поэтому период колебаний будет несколько больше этого значения. Впрочем, мы это учтем позже, когда будем рассчитывать непосредственно саму обмотку. Время полупериода колебаний известно, емкость конденсаторов тоже – осталось лишь выразить из формулы индуктивность катушки.
На практике индуктивность катушки возьмем несколько меньше в связи с тем, что период колебаний из-за наличия в цепи активного сопротивления будет больше. Раздели индуктивность на 1,5 – думаю, для оценочного расчета это примерно так.
Теперь найдем через индуктивность и длину параметры катушки – число витков ит.д.Индуктивность соленоида находится по формуле
Где m – относительная магнитная проницаемость сердечника, m0 – магнитная проницаемость вакуума = 4π10 -7 , S – площадь поперечного сечения соленоида, l – длина соленоида, N-число витков.
Найти площадь поперечного сечения соленоида довольно просто – зная параметры будущего снаряда, который мы уже использовали в расчете, ты наверняка уже приглядел трубку, на которой собрался наматывать соленоид. Диаметр трубки легко измерить, примерно прикинь толщину будущей намотки и рассчитай площадь поперечного сечения [м 2 ]. Индуктивность у нас взята с учетом наличия внутри катушки снаряда. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьмем примерно 100-500(больше можно, меньше нельзя!) хотя можешь посмотреть по справочнику и разделить это значение на два (снаряд не все время находится внутри соленоида). Кроме того, что диаметр обмотки больше диаметра снаряда, поэтому значение m взятое из справочника можно разделить еще раз на 2.
Зная длину соленоида, площадь поперечного сечения, магнитную проницаемость сердечника из формулы индуктивности легко выразим количество витков.
Теперь оценим параметры самого провода. Как известно, сопротивление провода рассчитывается как удельное сопротивления материала умножить на длину проводника и разделить на площадь поперечного сечения проводника. Удельное сопротивление меди намоточного провода, кстати, несколько больше табличного значения, данного для ЧИСТОЙ меди. Чем меньше сопротивление, тем лучше. Т.е. вроде как провод большего диаметра предпочтителен, однако это вызовет увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину.
В общем случае типичным для “домашних” гауссов, на энергию порядка 100-500Дж и напряжение 150-400в медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым.
Кстати, мощность активных потерь находится по формуле
Где: I – ток в амперах, R – активное сопротивление проводов в омах.
Как правило, 50% энергии конденсаторов ВСЕГДА теряется на активном сопротивлении гауссовки. Зная это, найти максимальный ток катушки можно довольно просто. Энергия катушки равна квадрату тока умноженную на индуктивность и разделённую на 2, по аналогии с конденсатором.
2.2 Создание и отладка работы Пушки Гаусса
Простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов даже при школьных знаниях физики.
Внимание!
Заряженные конденсаторы большой ёмкости могут быть очень опасны! Будьте аккуратны!
Начнем сборку пушки с соленоида (катушка индуктивности без сердечника). Стволом катушки является кусок пластиковой соломинки длиной 40 см. Аккуратно наматываем на нее медный провод, виток к витку,- от качества сборки будет зависеть дальность стрельбы нашего орудия. Всего надо намотать 9 слоев. На практике я установил, что лучше два слоя обмотки возбуждения намотать проводником в полихлорвиниловой изоляции, которая в этом случае не должна быть слишком толстой (диаметром не более 1,5 мм). Затем можно все разобрать, снять шайбы и надеть катушку на стержень от фломастера, который будет служить стволом. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: она действует как электромагнит. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. Далее выполняем сборку электрической цепи, закрепляем ее элементы на неподвижной подставке. Можно пушке придать форму пистолета, поместив детали цепи в корпус пластиковой детской игрушки. Но я поместил цепь в корпус картонной коробки.
В соответствии с описанной технологией я создал две действующие модели. Я проводил параллельный эксперимент, соответственно изменяя систему конденсаторов (во второй модели несколько конденсаторов, в первой – один), количество витков соленоида, различные типы соединения участков цепи.