Кпд гаусс пушки: Gauss gun – сказание о 3% КПД / Хабр

Gauss gun – сказание о 3% КПД / Хабр

Как-то на просторах интернета я нашел статью про Гаусс пушку и задумался над тем, что неплохо было бы заиметь себе одну (или даже две). В процессе поиска наткнулся я на сайт gauss2k и по простейшей схеме собрал супер-крутую-мега-гаусс-пушку.

Вот она:

И немного пострелял:

И взяла меня тут грусть-печаль сильная о том, что не супер-крутая пушка у меня, а так – пукалка, каких много. Сел я и начал думать, как же мне кпд повысить. Долго думал. Год. Прочитал весь гаусс2к и пол евойного форума. Придумал.

Оказывается, есть программа, написанная учеными заморскими, да нашими умельцами под гаусс пушечку допиленная, и зовется она не иначе как FEMM.

Скачал я с форума .lua скрипт да программу заморскую 4.2 версии и приготовился удариться в расчеты научные. Но не тут-то было, не захотела программа заморская запускать скрипт русский, ибо скрипт под 4.0 версию сделан был. И открыл я инструкцию (у них мануалом она зовется) на языке буржуинском и воскурил ее полностью.

Открылась мне истина великая о том, что в скрипт, окаянный, нужно вначале добавить строку хитрую.

Вот она:

setcompatibilitymode(1) -- включаем режим совместимости с версией femm 4.2

И засел я за расчеты долгие, загудела машина моя счетная, и получил описание я ученое:

Описание

Емкость конденсатора, микроФарад= 680
Напряжение на конденсаторе, Вольт = 200
Сопротивление общее, Ом = 1.800147899376892
Внешнее сопротивление, Ом = 0.5558823529411765
Сопротивление катушки, Oм = 1.244265546435716
Количество витков в катушке = 502.1193771626296
Диаметр обмоточного провода катушки, милиметр = 0.64
Длина провода в катушке, метр = 22.87309092387464
Длина катушки, милиметр = 26
Внешний диаметр катушки, милиметр = 24
Индуктивность катушки с пулей в начальном положении, микроГенри= 1044.92294174225

Внешний диаметр ствола, милиметр = 5
Масса пули, грамм = 2. 450442269800038
Длина пули, милиметр = 25
Диаметр пули, милиметр = 4
Расстояние, на которое в начальный момент вдвинута пуля в катушку, милиметр = 0
Материал из которго сделана пуля = № 154 Экпериментально подобранный материал (простое железо)
Время процесса (микросек)= 4800
Приращение времени, микросек=100
Энергия пули Дж = 0.2765589667129519
Энергия конденсатора Дж = 13.6
КПД гауса(%)= 2.033521814065823
Начальная скорость пули, м/с = 0
Скорость пули на выходе из катушки, м/с= 15.02403657199634
Максимальная скорость, которая была достигнута, м/с = 15.55034094445013

И тут я сел реализовывать сие колдунство в реальность.

Взял трубку от антенны (одна из секций D = 5mm) и сделал в ней пропил (болгаркой), ибо трубка это замкнутый виток в котором будут наводиться токи окаянные, вихревыми зовущиеся, и будут эту самую трубку нагревать, снижая КПД, который и так невысок.

Вот что получилось: прорезь ~ 30 мм

Начал мотать катушку. Для этого вырезал из фольгированного стеклотекстолита 2 квадрата (30х30 мм) да с отверстием в центре (D = 5мм) и дорожки на нем вытравил хитрые, чтобы к трубке припаять (она то хоть и блестит как железка, но на самом деле латунная).

Со всем этим добром сел мотать катушку:

Намотал. И по все той же схеме собрал сей хитрый девайс.

Вот как это выглядит:

Тиристор и микрик были из старых запасов, а вот конденсатор я достал из компьютерного БП (там их два). Из того же БП впоследствии использовались еще диодный мост и дроссель переделанный в повышающий трансформатор, ибо от розетки заряжаться опасно, да и нет ее в чистом поле, а потому нужен преобразователь построением которого я и занялся. Для этого взял ранее собранный генератор на NE555:

И подключил его к дросселю:

у которого было 2 обмотки по 54 витка 0,8 проводом. Питал я все это от АКБ на 6 вольт. И вот ведь колдунство какое – вместо 6 вольт на выходе (обмотки то одинаковые), я получил целых 74 вольта. Выкурив еще пачку мануалов по трансформаторам я узнал:

— Как известно, ток во вторичной обмотке тем больше, чем быстрее изменяется ток в первичной обмотке, т.е. пропорционален производной от напряжения в первичной обмотке. Если производная от синусоиды тоже является синусоидой с такой же амплитудой (в трансформаторе величина напряжения умножается на коэффициент трансформации N), то с прямоугольными импульсами дело обстоит иначе. На переднем и заднем фронте трапециевидного импульса скорость изменения напряжения очень высока и производная в этом месте тоже имеет большое значение, отсюда и возникает высокое напряжение.

Gauss2k.narod.ru “Портативное устройство для зарядки конденсаторов.” Автор ADF

Немного подумав, я пришел к выводу: раз выходное напряжение у меня 74 вольта, а надо 200 то – 200/74 = в 2,7 раза нужно увеличить количество витков. Итого 54*2,7 = 146 витков. Перемотал одну из обмоток более тонким проводом (0,45). Количество витков увеличил до 200 (про запас). Поигрался с частотой преобразователя и получил вожделенные 200 вольт (по факту 215).

Вот как это выглядит:

Некрасиво, но это временный вариант потом будет переделываться.

Собрав все это добро, я немного пострелял:

Постреляв, решил измерить, что за ТТХ у моей пушки. Начал с измерения скорости.

Посидев вечерком с бумагой и ручкой, вывел формулу, которая позволяет по траектории полета вычислить скорость:

С помощью сей хитрой формулы я получил:

расстояние до цели, x = 2,14 м
отклонение по вертикали, y (среднее арифметическое 10 выстрелов) = 0,072 м
Итого:

Я сначала не поверил, но впоследствии собранные пробивные датчики, подключенные к звуковой карте, показали скорость 17,31 м/с

Мерить массу гвоздика я поленился (да и нечем) поэтому взял массу, которую насчитал мне ФЕММ (2,45 грамма). Нашел КПД.

Энергия запасаемая в конденсаторе = (680 * 10^-6 * 200^2)/2 = 13,6 Дж
Энергия пули = (2,45 * 10^-3 * 17,3^2)/2 = 0,367 Дж
КПД = 0,367/13,6*100% = 2,7%

Вот в принципе и все что связано с одноступенчатым ускорителем. Вот как он выглядит:

ИЗУЧЕНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО УСКОРИТЕЛЯ МАСС

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Быстров  Д.Д. 1Арзамазов  Д.А. 1

---

1МКОУ Жигаловская СОШ №1 им. Г.Г. Малкова

Галичина  Л.М. 1

---

1МКОУ Жигаловская СОШ №1 им. Г.Г. Малкова

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Введение

На просторах Интернета немало различной информации о пушке Гаусса. Подобные пушке Гаусса конструкции часто встречаются в видеоиграх, но почему же мы не видим их применения в реальной жизни? Барьер практического применения пушки Гаусса – это низкий КПД установки? Этот вопрос нас и интересует: что влияет на КПД пушки Гаусса?

Гипотеза:

1)Если увеличить ёмкость конденсатора, то КПД пушки Гаусса увеличится.

2)Если увеличить индуктивность катушки, то КПД пушки Гаусса увеличится.

Цель работы:

Опытным путём определить, как возможно увеличивать или уменьшать коэффициент полезного действия пушки Гаусса.

Объект исследования: электромагнитный ускоритель масс(пушка Гаусса).

Предмет исследования:КПД пушки Гаусса.

Задачи:

1) Определить, как ёмкость конденсатора влияет на КПД пушки Гаусса?

2) Определить, как индуктивность катушки влияет на КПД пушки Гаусса?

3) Определить, как зависит КПД от массы снаряда?

Краткое описание пушки Гаусса.

Мы знаем, что электрический ток, проходя то проводникам, создает вокруг них электромагнитное поле. Таким образом, ток, проходящий через катушку, создает мощное магнитное поле, если поместить ферромагнитное вещество в полость катушки (снаряд, изготовленный из железа) , то оно втянется в её середину магнитным полем. Движение снаряда после прекращения действия магнитного поля продолжается по инерции. На этом и основано действие пушки Гаусса.

Для наибольшего эффекта импульс тока в катушке должен быть непродолжительным и мощным. В нашем случае источником этого импульса будут два электролитических конденсатора рассчитанные на напряжение 150вольт каждый, емкостью 2000 мкФ каждый.

Теоретические обоснования, расчётные характеристики для пушки Гаусса.

Энергия, накапливаемая в конденсаторах:

_{C— Ёмкость конденсатора}

_{U— Напряжениена конденсаторе}

_{Мощность активных потерь:}

_{Сопротивление проводников:}

— удельное сопротивление проводника[Ом/м]

_{l— длина проводника[м]}

_{S— площадь поперечного сечения проводника [м2]}

_{Потенциальная энергия снаряда:}

_{m— масса снаряда[м]}

_{h— максимальная высота снаряда[м]}

_{Индуктивность катушки – L[Гн]:}

N– число витков

_{-магнитная постоянная 4π*10^(-7)Гн/м}

_{Энергия магнитного поля катушки индуктивности:}

_{I-сила тока в проводнике[А]}

_{L— индуктивность катушки[Гн].}

_{Все единицы измерения выражены в системе СИ}

Практическая часть

Электромагнитный ускоритель масс состоит из:

лампочки-индикатора, которая показывает заряд конденсаторов

полупроводникового диода

двух последовательно соединённых конденсаторов эквивалентных напряжению 250В и емкостью 1000мкФ каждый

катушки, намотанной на стеклянную трубку

кнопки

вилки для подачи питания

Мы комбинировали в модели разные конденсаторы, отличающиеся емкостью и напряжением, катушки разной индуктивности, а также снаряды разной массы и диаметра.

_{КПД установки:}

_{Проведя опыты и измерения, мы пришли к выводу, что между ёмкостью конденсаторов ииндуктивностью катушки должна быть определённая зависимость.}

_{Мы работали с несколькими конденсаторами, соответственно могли включать в электрическую цепь два конденсатора, три, четыре, пять последовательно. Тем самым, изменяя ёмкость. Возможности подключить один конденсатор не было, так как напряжение обкладок одного конденсатора было меньше подаваемого напряжения, а трансформатора мы не имели.}

_{Индуктивность катушек меняли за счет изменения числа витков и площади поперечного сечения провода.}

_{Нами было установлено, что если взять конденсатор избыточной ёмкости или катушку с недостаточной индуктивностью, то это отрицательно воздействует на эффективность установки. Из соответствующей литературы мы узнали, что оставшаяся энергия, не разрядившихся конденсаторов, приводит к обратному втягиванию снаряда и его торможению. Если же взять конденсатор с недостаточной ёмкости или катушку избыточной индуктивности, то для разгона снаряда не хватает энергии. При увеличении длины катушки, оставляя длину провода неизменной, эффективность катушки уменьшается.}

_{Что же касается массы снаряда, то снаряд слишком большой массы имеет малую скорость и дальность полёта его невелика.}

_{По закону сохранения энергии — энергия конденсаторов переходит в энергию электромагнитного поля катушки, а затем в механическую энергию снаряда. Часть энергии теряется на сопротивлении катушки индуктивности. Эта часть настолько велика, что энергия, перешедшая в энергию снаряда, оказывается не больше 3% от энергии электрического поля конденсаторов.}

_{При включении двух конденсаторов последовательно их общая ёмкость равна 1000 мкФ. Её можно рассчитать по формуле: .}

_{Измерили напряжение на конденсаторах (оно оказалось 250В так как после выпрямления тока произошло увеличение напряжения). Рассчитываем энергию конденсаторов по формуле:}

_{, получаем 31,25 Дж.}

_{Рассчитываем индуктивность катушки по формуле:}

_{, получаем 43,6мкГн.}

_{Рассчитаем потенциальную энергию снаряда}

_{. Опыт повторён пять раз. Средняя высота подъёма снаряда массой 9 грамм составляет 6.5 метров. Потенциальна энергия снаряда равна 0,59 Дж.}

_{Рассчитаем коэффициент полезного действия по формуле:} .

КПД нашей пушки Гаусса составляет 1,9%.

Заключение:

Выполняя данную исследовательскую работу, мы опытным путём определили:

1) При увеличении ёмкости конденсатора увеличивается энергия электрического поля, но при включении трёх, четырёх конденсаторов последовательно увеличения КПД не происходит, так как результирующая ёмкость уменьшается.

2) При увеличении индуктивности катушки энергия магнитного поля увеличивается. Используя для катушки проволоку разной толщины, сделали вывод: что при увеличении площади поперечного сечения проволоки -индуктивность катушки увеличивается, так как сопротивление проводника катушки уменьшается. Увеличение индуктивности катушки приводит к увеличению КПД.

3) При увеличении массы снаряда дальность полёта снаряда уменьшается.

4) В результате проделанных опытов, было установлено, что для достижения максимального КПД установки необходимо найти оптимальное соотношение характеристик пушки Гаусса: индуктивности катушки и ёмкости конденсаторов. Нами было установлено, что максимальный КПД данной установки достигается при включении двух конденсаторов и катушки с проволокой меньшей площадью поперечного сечения. Следовательно, между ёмкостью конденсатора и индуктивностью катушки существует определённая зависимость ,которую мы определили опытным путём.

5) В результате проведенных опытов и вычислений, мы убедились, что КПД пушки Гаусса небольшой из-за больших потерь энергии в катушке индуктивности.

Следовательно, большая эффективность пушки Гаусса в видеоиграх не имеет под собой никаких оснований. Добиться столь большого КПД можно лишь при использовании сверхпроводника, а температура при которой вещество переходит в сверхпроводящее состояние очень низкая. Соответственно либо пушка, либо хотя бы катушка должны находиться в холодильнике?

Приложение:

Список используемой литературы:

1) Г.Я Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин Физика 10 класс Базовый уровень 2014 Москва «Просвещение» стр.321-329

2) Г.Я Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин Физика 11 класс Базовый уровень 2010 Москва «Просвещение» стр. 43-52

3) Зубков Б.В., Чумаков С.В. энциклопедический словарь юного техника 1980 Москва «Педагогика» стр.159, 173, 454-455, 173,178-179, 289, 291.

4) Кабардин О.Ф. Физка справочные материалы 1985 Москва «Просвещение» стр.127, 160, 129.

5)http://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса

6)http://gauss2k.narod.ru/calc.htm

7)http://m/geektimes.ru/post

12

Просмотров работы: 360

Гаусс ган как оружие

jpg»>Самодельный гаусс ган как оружие. Автор ADF Очень много людей занимаются конструированием электромагнитных пушек, начиная от военных, занимающимися многомиллиондолларовыми разработками и заканчивая неимоверным количеством маньякофанатов — радиолюбителей. В то время, как военные помешаны на сбивании снарядами из магнитных ускорителей баллистических ракет, любители, как правило, доводят свою систему до состояния действующего экспериментального прототипа, на чем и бросают. Но ведь изначально идея гауссовки подразумевала именно создание оружия, а не просто настольно – лабораторного образца, демонстрирующего интересный способ применения электромагнетизма! Данная статья предназначена для тех, кому мало сделать гауссовку лишь для того, чтобы убедится, что железные предметы действительно вылетают из катушки, а хочется продолжить свой путь в “гауссостроении”. Ведь сделать магнитный ускоритель масс и оружие на его основе – совершенно разные вещи! Оружие, помимо определённой мощности выстрела, которую тоже необходимо обеспечить, подразумевает так же определённую компоновку элементов системы, простоту эксплуатации, надежность и заданные тактико-технические характеристики (ТТХ). Наиболее остро в конструировании магнитных ускорителей масс, как всегда, стоит проблема получения большой кинетической энергии снаряда – точнее – повышение КПД гауссовки. С этого и начнем. Как правило, магнитные ускорители масс имеют КПД не боле 1% — т.е. лишь 1 сотая часть энергии конденсаторов переходит в кинетическую энергию снаряда. Поэтому достаточной для оружия энергией обладают лишь большие стационарные пушки, общей массой от 50 и более килограмм, которые, естественно, совершенно непригодны для использования в качестве ручного оружия. Создатели таких тяжеловесных систем любят снимать на видео процесс пробивания многосантиметровых досок, разнесения в пыль кирпичей, а потом с гордостью показывать это всем кому не попадя, пытаясь показать какое мощное оружие гаусс ган. Но стоит вспомнить о массе пушки, как все восхищение от мощности моментально отпадает! Гауссовка массой 50 кг метает железный гвоздь с кинетической энергией не более 100Дж, в то время, как наш “родной” Пистолет Макарова имеет энергию пули 300Дж, а весит вместе с полным магазином 850 грамм! И это при том при всем, что патроны ПМ-а безнадежно устарели и считаются слабыми, а современные пистолетные патроны придают пуле энергию аж в 450-500Дж!… А что уж там говорить о снайперских винтовках!… Снайперская винтовка СВД с расстояния в 100 метров пробивает на вылет до 36 сосновых досок, толщиной 2,5 см каждая, а полный вес винтовки едва достигает 4 кг. Поэтому при проектировании ручной гауссовки не рассчитывайте на энергию пули как у огнестерла. Рассчитывать вы можете на мощность, аналогичную мощности российских пневматических винтовок – т.е. примерно от 4 до 7 джоулей. Правда не стоит особо расстраиваться – этого вполне достаточно для отстрела мелких птичек и битья бутылок с расстояния до 10-15 метров. И так, как же получить эти 4-7 джоулей? Можно просто взять побольше конденсаторов, с общей энергоемкостью достаточной для придания гвоздю энергии в 4Дж при КПД 1% и на этом успокоится. Однако масса такой пушки будет достигать 4-5 Кг, что как-то не очень способствует созданию на основе этого ручного оружия. Поэтому, естественно, было бы очень хорошо поработать над повышением КПД устройства. На одноступенчатой системе вполне реально получить КПД 4,5%, что значительно лучше. Как широко известно, КПД магнитного ускорителя тем выше, чем лучше согласованы параметры соленоида с параметрами конденсаторов и параметрами гвоздя. Т.е. при выстреле к моменту подлета гвоздя к середине обмотки ток в катушке уже близко к нулю и магнитное поле отсутствует, не препятствуя снаряду вылетать из соленоида. Однако на практике получить такое удается редко – малейшее отклонение от теоретического идеала резко снижает КПД. Остальная энергия конденсаторов, как известно, теряется на активном сопротивлении проводов, а так как удельное сопротивления меди ограничено и постоянно, то уменьшить потери на активном сопротивлении практически нельзя, но все таки возможно за счет варьирования параметров катушки. Как известно, мощность потерь растет пропорционально квадрату тока. Снаряд ускоряет магнитное поле, величина которого определяется током и индуктивностью катушки. Так как увеличивать ток очень нехорошо, но требуется мощное магнитное поле, да ещё и ограниченное по времени существования, то можно поступить следующим образом. Длину соленоида можно увеличить, при этом возрастет количество витков и его индуктивность, но так как длина соленоида станет больше, время импульса тоже можно увеличить. При меньшем токе величина магнитного поля будет больше. Если кому-то трудно представить общий вид ситуации в целом, попробую описать ситуацию на примере крайностей. Наиболее высокий КПД имеет соленоид, намотанный тонким проводом во много витков, с большим диаметром и большой массой сердечника (или снаряда). Такую конструкцию имеют все электромагнитные ударники, использующиеся в скрепкозабивателях и прочих электроинструментах и обладают КПД от 25 до 50%. Естественно, что для использования в магнитном ускорителе эта штука не подходит по той причине, что снаряд обладает большой массой и низкой скоростью полета, несмотря на существенную кинетическую энергию. Другая крайность – обмотка малого диаметра из толстого провода в несколько витков и сердечник размером с обрезок иголки. КПД такой штуки чрезвычайно низок, зато иголка при выстреле приобретает огромную скорость. Именно в эту крайность и упираются магнитные ускорители масс! Примечательно то, что в обоих случаях длина обмотки особой роли, как ни странно, не играет – решающую роль играет толщина проводов и количество витков, которые, в сущности, взаимосвязаны. Увеличивая диаметр провода с целью уменьшить его сопротивление, мы неизбежно сталкиваемся с увеличением диаметра обмотки, что нехорошо сказывается на плотности магнитного поля в её середине. Из всего вышесказанного вытекает, что экспериментировать надо не только с параметрами обмотки и конденсаторов, но и с параметрами метаемого тела. Есть смысл делать диаметр снаряда больше, правда за счет этого так же возрастет его масса, что отрицательно скажется на его скорости полета. А ведь для стрелкового оружия важна не только мощность, но и настильность траектории. Очень хорошо на КПД гауссовки может сказаться использование накладок из магнитопроводящего материала – это даст возможность при увеличении толщины провода и соответственно геометрических размеров катушки сохранить плотность магнитного потока внутри соленоида постоянной. Для этого очень эффективно использовать ферритовые чашечки, которые продаются в любых радиотехнических магазинах. И так, предположим, проблема КПД более менее решена и устройство развивает необходимую мощность. В таком случае следует переходить к созданию на основе магнитного ускорителя оружия. Во первых, разберемся на чем намотана обмотка твоего гаусса? Было бы очень хорошо в качестве ствола использовать гладкую фторопластовую или пластиковую трубу, а не металлическую с пропилом. При чем снаряд должен как можно более плотно прилегать к стенкам трубки, а длина свободного конца после обмотки должна быть больше длины снаряда – все это необходимо для получения высокой точности стрельбы. Что касается стабилизации направления ориентации гвоздя в полете – то тут сказывается интересное свойство гауссовки к стабилизации направления снаряда – дело в том, что в отличие от огнестрельного оружия при вылете из ствола на снаряд действует уже НЕ ускоряющая сила (в огнестреле это газы, вырывающиеся из ствола вслед за пулей), а тормозящая. А так как тормозящая сила приложена к задней части снаряда, то вращение гвоздя в полете оказывается минимальным и на дальностях прицельной стрельбы им можно и вовсе пренебречь. Однако, если гвоздь будет уж очень плотно прилегать к стенкам ствола, то такого эффекта стабилизации наблюдаться не будет. Если вы уже экспериментировали с гауссовками и стреляли из них, то наверняка обращали внимание, что несмотря на отсутствие каких-либо устройств для стабилизации направления ориентации гвоздя в полете, последний, тем не менее, летит довольно ровно и не кувыркается, при чем соосность направления полета и продольной оси гвоздя столь велика, что даже при упругом ударе о препятствие гвоздь часто отскакивает с той же пространственной ориентацией, в которой прилетел – т. е. совершенно не кувыркаясь! Так же при создании оружия необходимо изготовить источник питания для заряда конденсаторов, а источником первичного электропитания легко послужит небольшая батарея Ni-Cd аккумуляторов из 4-6 банок. При малой массе и габаритах (не более 12х8х2 см) она сможет обеспечивать скорость зарядки конденсаторов на энергию до 150 Дж в течение 5-10 секунд, а их ёмкости хватит на несколько сотен выстрелов! И забудь про автомобильные аккумуляторы – они здесь совершенно неоправданны. Сами конденсаторы необходимо оснастить индикаторным светодиодом для контроля их заряда. Нет смысла при эксплуатации пушки постоянно контролировать напряжение конденсаторов при помощи вольтметра, если известно максимальное напряжение преобразователя и время полного заряда конденсаторов. Кроме того, было бы дуростью не использовать такое преимущество гауссовки, как бесшумность выстрела. Это предполагает обязательное использование для коммутации конденсаторов на катушку полупроводниковых ключей, так же необходима хорошая фиксация обмотки на амортизирующую основу. Кроме того, в качестве триггера (спускового крючка) можно использовать не микропереключатель, а сенсорную кнопку. А для достижения АБСОЛЮТНОЙ бесшумности снаряд необходимо покрыть либо слоем густого масла, либо каким-либо лаком так, чтобы в полете он не звенел, что особенно характерно для снарядов с большой длиной. В итоге ты получишь самое бесшумное в мире оружие, у которого нет даже звука от работы ударно-спускового механизма (наличествующего практически у всех современных огнестрелов) который, к слову говоря, в темное время суток слышно аж на 50 метров. Из гауссовки же можно будет выстрелить из кустов в 1 метре от человека и он ничего не заметит, кроме звука от попадания снаряда в препятствие. Правда, при высокой скорости полета снаряд будет создавать довольно слышимый свист, а при сверхзвуковой скорости и того хуже – грохот как у огнестрела. Грохот от баллистической волны, генерируемой сверхзвуковыми пулями, создает больше половины (!!!) того шума, который возникает при выстреле из огнестрельного оружия! К списку статей

(C) 2002 Gauss2k.narod.ru

Катушка | Военная Вики | Fandom

«Пушка Гаусса» перенаправляется сюда. О вымышленном оружии этого типа см. Электромагнитные метательные устройства (вымысел) .

См. также: Рейлган

Упрощенная схема многоступенчатого койлгана с тремя катушками, стволом и ферромагнитным снарядом линейный двигатель, который разгоняет ферромагнитный или проводящий снаряд до высокой скорости. ^[1] Практически во всех конфигурациях койлгана катушки и ствол расположены на одной оси. Название Пушка Гаусса иногда используется для таких устройств в связи с Карлом Фридрихом Гауссом, который сформулировал математическое описание магнитного эффекта, используемого магнитными ускорителями.

Катушки обычно состоят из одной или нескольких катушек, расположенных вдоль ствола, так что траектория ускоряющегося снаряда лежит вдоль центральной оси катушек. Катушки включаются и выключаются в точно рассчитанной последовательности, в результате чего снаряд быстро ускоряется вдоль ствола за счет магнитных сил. Катушки отличаются от рельсотронов тем, что направление ускорения в рельсотроне находится под прямым углом к ​​центральной оси петли тока, образованной проводящими рельсами. Кроме того, рельсотроны обычно требуют использования скользящих контактов для пропускания большого тока через снаряд или башню, но для койлганов не обязательно требуются скользящие контакты. ^[2] В то время как в некоторых простых концепциях койлганов могут использоваться ферромагнитные снаряды или даже снаряды с постоянными магнитами, большинство конструкций для высоких скоростей фактически включают связанную катушку как часть снаряда. Первый действующий койлган был разработан и запатентован норвежским физиком Кристианом Биркеландом.

В 1934 году американский изобретатель разработал пулемет, похожий по своей концепции на койлган. За исключением фото в нескольких публикациях, о нем известно очень мало. ^[3]

Содержание

• 1 Конструкция
  • 1.1 Катушки для ферромагнитных снарядов
  • 1.2 Переключение
  • 1.3 Сопротивление
  • 1.4 Магнитопровод
  • 1,5 Насыщение ферромагнитного снаряда
  • 1.6 Намагниченность снаряда и время реакции
• 2 Индукционные койлганы
• 3 Возможное использование
• 4 См. также
• 5 Каталожные номера
• 6 Внешние ссылки

Конструкция

Существует два основных типа или комплектаций койлгана: одноступенчатый и многоступенчатый. Одноступенчатый койлган использует один электромагнит для движения снаряда. Многоступенчатый койлган использует несколько электромагнитов последовательно для постепенного увеличения скорости снаряда.

Катушки для ферромагнитных снарядов

Для ферромагнитных снарядов одноступенчатый койлган может быть образован проволочной катушкой, электромагнитом, с ферромагнитным снарядом, расположенным на одном из его концов. Этот тип койлгана имеет форму соленоида, используемого в электромеханическом реле, то есть катушку с током, которая протягивает ферромагнитный объект через свой центр. Через катушку с проволокой пульсирует сильный ток, и образуется сильное магнитное поле, притягивающее снаряд к центру катушки. Когда снаряд приближается к этой точке, электромагнит должен быть выключен, чтобы предотвратить остановку снаряда в центре электромагнита.

В многоступенчатой ​​конструкции дополнительные электромагниты затем используются для повторения этого процесса, постепенно ускоряя снаряд. В обычных конструкциях койлганов «ствол» пистолета состоит из гусеницы, по которой движется снаряд, с приводом в магнитные катушки вокруг гусеницы. Питание на электромагнит подается от какого-либо быстроразрядного накопителя, обычно от батареи или высоковольтных конденсаторов большой емкости, предназначенных для быстрого разряда энергии. Диод используется для защиты чувствительных к полярности компонентов (таких как полупроводники или электролитические конденсаторы) от повреждения из-за обратной полярности напряжения после выключения катушки.

Файл:EM15-2.jpg

Типичный однокаскадный койлган

Многие любители используют недорогие рудиментарные конструкции для экспериментов с койлганами, например, используя конденсаторы для фотовспышек от одноразовой камеры или конденсатор от стандартного телевизора с электронно-лучевой трубкой в ​​качестве источник энергии и катушка с низкой индуктивностью для движения снаряда вперед. ^{[4] [5]}

Некоторые конструкции имеют неферромагнитные снаряды, такие как алюминий или медь, с якорем снаряда, действующим как электромагнит с внутренним током, индуцируемым импульсами катушек ускорения. ^{[6] [7]} Сверхпроводящий койлган, называемый гасящим пистолетом , может быть создан путем последовательного гашения линии соседних коаксиальных сверхпроводящих катушек, образующих ствол пушки, генерируя волну градиента магнитного поля, движущуюся с любой желаемой скоростью. Можно сделать бегущую сверхпроводящую катушку, которая будет кататься на этой волне, как доска для серфинга. Устройство будет массовым приводом или линейным синхронным двигателем с движущей силой, хранящейся непосредственно в катушках привода. ^[8] Другим методом были бы несверхпроводящие катушки ускорения и энергия движения, хранящаяся вне их, но снаряд со сверхпроводящими магнитами. ^[9]

Хотя стоимость переключения питания и другие факторы могут ограничивать энергию снаряда, заметное преимущество некоторых конструкций койлганов по сравнению с более простыми рельсотронами заключается в том, что они избегают внутреннего ограничения скорости из-за физического контакта на высокой скорости и эрозии. Когда снаряд тянется к центру катушек или левитирует внутри него по мере его ускорения, физического трения со стенками канала ствола не происходит. Если отверстие представляет собой полный вакуум (например, трубка с плазменным окном), трения вообще нет, что способствует длительному повторному использованию. ^{[9] [10]}

Переключение

Одним из основных препятствий в конструкции койлгана является переключение питания через катушки. Существует несколько распространенных решений. Самым простым (и, вероятно, наименее эффективным) является искровой разрядник, который высвобождает накопленную энергию через катушку, когда напряжение достигает определенного порога. Лучшим вариантом является использование полупроводниковых переключателей; к ним относятся IGBT или силовые полевые МОП-транзисторы (которые можно отключить в середине импульса) и тиристоры (которые высвобождают всю накопленную энергию перед выключением). ^[11]

Быстрый и грязный метод переключения, особенно для тех, кто использует вспышку для основных компонентов, заключается в использовании самой вспышки в качестве переключателя. Подключив его последовательно с катушкой, он может бесшумно и неразрушающим образом (при условии, что энергия в конденсаторе поддерживается ниже безопасных рабочих пределов лампы) пропускать большой ток через катушку. Как и в любой импульсной лампе, ионизация газа в трубке высоким напряжением вызывает ее срабатывание. Однако большое количество энергии будет рассеиваться в виде тепла и света, и, поскольку трубка представляет собой искровой разрядник, трубка перестанет проводить ток, как только напряжение на ней упадет достаточно, оставив некоторый заряд на конденсаторе.

Многокаскадный койлган

Сопротивление

Электрическое сопротивление катушек и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) источника тока являются одними из других ограничений эффективности койлгана.

Магнитная цепь

В идеале 100 % магнитного потока, создаваемого катушкой, должно доставляться и воздействовать на снаряд, но это часто далеко не так из-за обычной конструкции соленоида с воздушным сердечником большинства койлганов, которые обычно представляют собой относительно простые и неэффективные конструкции, созданные любителями.

В простом соленоиде с воздушным сердечником большая часть магнитного потока не передается снаряду из-за высокого сопротивления магнитной цепи. Несвязанный поток создает магнитное поле, которое накапливает энергию в окружающем воздухе. Энергия, хранящаяся в этом поле, не просто исчезает из магнитной цепи после разрядки конденсатора, а возвращается в электрическую цепь койлгана. Поскольку электрическая цепь койлгана по своей сути аналогична LC-генератору, неиспользованная энергия возвращается в обратном направлении («звон»), что может серьезно повредить поляризованные конденсаторы, такие как электролитические конденсаторы.

Обратную зарядку можно предотвратить с помощью диода, подключенного обратно-параллельно к клеммам конденсатора; в результате ток продолжает течь до тех пор, пока диод и сопротивление катушки не рассеют энергию поля в виде тепла. Хотя это простое и часто используемое решение, оно требует дополнительного дорогого мощного диода и хорошо спроектированной катушки с достаточной тепловой массой и способностью рассеивания тепла, чтобы предотвратить выход компонента из строя.

В некоторых конструкциях предпринимается попытка восстановить энергию, запасенную в магнитном поле, с помощью пары диодов. Эти диоды, вместо того, чтобы рассеивать оставшуюся энергию, перезаряжают конденсаторы с соблюдением полярности для следующего цикла разрядки. Это также позволит избежать необходимости полной перезарядки конденсаторов, что значительно сократит время зарядки. Однако практичность этого решения ограничена результирующим высоким током перезарядки из-за эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) конденсаторов; ESR будет рассеивать часть тока перезарядки, выделяя тепло внутри конденсаторов и потенциально сокращая срок их службы.

Чтобы уменьшить размер компонентов, вес, требования к долговечности и, что наиболее важно, стоимость, магнитная цепь должна быть оптимизирована, чтобы доставлять больше энергии снаряду при заданной подводимой энергии. В некоторой степени это было решено за счет использования заднего и торцевого железа, которые представляют собой куски магнитного материала, которые окружают катушку и создают пути с меньшим сопротивлением, чтобы улучшить величину магнитного потока, вводимого в снаряд. Результаты могут сильно различаться в зависимости от используемых материалов; в проектах для любителей могут использоваться, например, материалы, варьирующиеся от магнитной стали (более эффективная, с меньшим сопротивлением) до видеопленки (небольшое улучшение сопротивления). Более того, дополнительные куски магнитного материала в магнитной цепи потенциально могут усугубить вероятность насыщения магнитного потока и другие магнитные потери.

Насыщение ферромагнитного снаряда

Другим существенным ограничением койлгана является возникновение магнитного насыщения ферромагнитного снаряда. Когда поток в снаряде находится на линейной части кривой B(H) его материала, сила, приложенная к сердечнику, пропорциональна квадрату тока катушки (I) — поле (H) линейно зависит от I, B линейно зависит от H, а сила линейно зависит от произведения BI. Эта связь продолжается до тех пор, пока ядро ​​не будет насыщено; как только это произойдет, B будет лишь незначительно увеличиваться с H (и, следовательно, с I), поэтому прирост силы является линейным. Так как потери пропорциональны I ² , увеличение тока выше этой точки в конечном итоге снижает эффективность, хотя может увеличить силу. Это устанавливает абсолютный предел того, насколько данный снаряд может быть ускорен за одну ступень с приемлемой эффективностью.

Намагниченность снаряда и время реакции

Помимо насыщения, зависимость B(H) часто содержит петлю гистерезиса, и время реакции материала снаряда может быть значительным. Гистерезис означает, что снаряд становится постоянно намагниченным, и часть энергии будет потеряна в виде постоянного магнитного поля снаряда. С другой стороны, время реакции снаряда заставляет снаряд неохотно реагировать на резкие изменения B; поток не будет расти так быстро, как хотелось бы, пока подается ток, и после того, как поле катушки исчезнет, ​​появится хвост B. Эта задержка уменьшает силу, которая была бы максимальной, если бы H и B находились в фазе.

Индукционные койлганы

В большинстве работ по разработке койлганов в качестве сверхскоростных пусковых установок использовались системы с воздушным сердечником, чтобы обойти ограничения, связанные с ферромагнитными снарядами. В этих системах снаряд разгоняется подвижной катушкой «якорь». Если якорь сконфигурирован как один или несколько «закороченных витков», то в результате изменения во времени тока в катушке (или катушках) статической пусковой установки возникнут наведенные токи.

В принципе, койлганы также могут быть сконструированы, в которых подвижные катушки питаются током через скользящие контакты. Однако практическая конструкция таких устройств требует обеспечения надежных высокоскоростных скользящих контактов. Хотя подача тока на якорь с многовитковой катушкой может не требовать таких больших токов, как те, которые требуются в рельсотроне, устранение необходимости в высокоскоростных скользящих контактах является очевидным потенциальным преимуществом индукционного койлгана по сравнению с рельсотроном.

Системы с воздушным сердечником также имеют недостаток, заключающийся в том, что могут потребоваться гораздо более высокие токи, чем в системе с «железным сердечником». В конечном счете, однако, при условии обеспечения источников питания с соответствующими характеристиками, системы с воздушным сердечником могут работать с гораздо большей напряженностью магнитного поля, чем системы с «железным сердечником», так что, в конечном счете, должны быть возможны гораздо более высокие ускорения и силы.

Возможное применение

Минометный выстрел M934 адаптирован для экспериментального пуска из койлгана с конформным хвостовым комплектом арматуры для выстрела через ствол, состоящий из коротких соленоидальных электромагнитов, установленных один за другим.

Большая концепция койлгана, коаксиальная электромагнитная пусковая установка, запускающая снаряды на орбиту.

Небольшие койлганы изготавливаются любителями для развлечения, обычно с энергией снаряда от нескольких джоулей до десятков джоулей (последняя сравнима с дульной энергией типичного пневматического оружия и на порядок меньше, чем у огнестрельного оружия), в то время как в диапазоне от менее одного процента до нескольких процент эффективности. ^[12]

Гораздо более высокая эффективность и энергия могут быть получены при использовании более дорогих и сложных конструкций. В 1978, Бондалетов в СССР добился рекордного ускорения с помощью одной ступени, разогнав 2-граммовое кольцо до 5000 м/с на 1 см длины, но самые эффективные современные конструкции, как правило, включают много ступеней. ^[13] Эффективность выше 90% оценивается для некоторых значительно более крупных концепций сверхпроводимости для космических запусков. ^[10] Экспериментальный 45-ступенчатый койлганный миномет DARPA имеет КПД 22% и 1,6 мегаджоулей КЭ на выстрел. ^[14]

Хотя койлганы и сталкиваются с проблемой конкурентоспособности по сравнению с обычными пушками (а иногда и альтернативами рельсотронам), койлганы исследуются как оружие. ^[14]

Программа электромагнитного миномета DARPA является примером потенциальных преимуществ, если можно решить практические проблемы, такие как достаточно низкий вес. Койлган был бы относительно тихим, и его положение не выдавало бы дыма, хотя снаряд койлгана все равно создавал бы звуковой удар, если он был сверхзвуковым. Регулируемое, но плавное ускорение снаряда по всему стволу может обеспечить несколько более высокую скорость с прогнозируемым увеличением дальности на 30% для 120-мм ЭМ миномета по сравнению с обычной версией аналогичной длины. Исследователи предполагают, что без отдельных метательных зарядов скорострельность увеличится примерно вдвое. ^{[14] [15]}

В 2006 году 120-мм прототип находился в стадии разработки для оценки, хотя время до развертывания в полевых условиях, если такое произойдет, оценивалось Национальными лабораториями Сандия в 5-10+ лет. ^{[14] [15]} В 2011 году было предложено разработать 81-мм миномет с винтовой пушкой для работы с гибридно-электрической версией будущей совместной легкой тактической машины. ^{[16] [17]}

Электромагнитные авиационные катапульты планируются, в том числе на борту будущих американских авианосцев класса Gerald R. Ford. Экспериментальная индукционная версия электромагнитной ракетной установки (EMML) была испытана для запуска ракет Tomahawk. ^[18] Система активной защиты танков на основе койлгана находится в стадии разработки в HIT в Китае. ^[19]

Потенциал койлгана не ограничивается военным применением. Сложные и соответствующие величине капитальных вложений, которые могли бы легко финансировать лишь немногие организации, гигантские койлганы с массой снаряда и скоростью в масштабе гигаджоулей кинетической энергии (в отличие от мегаджоулей или меньше) до сих пор не были разработаны, но такие были предложены в качестве пусковых установок с Луны или с Земли:

• Амбициозное предложение по созданию лунной базы, рассмотренное в рамках исследования НАСА 1975 года, включало бы 4000-тонный койлган, отправляющий 10 миллионов тонн лунного материала на L5 для поддержки массовой колонизации космоса (совокупно за годы, используя большую 9900-тонную силовую установку). ). ^[20]
• Исследование НАСА, проведенное в 1992 году, подсчитало, что 330-тонная лунная сверхпроводящая огнетушительная пушка может ежегодно запускать 4400 снарядов весом 1,5 тонны каждый и в основном жидкий кислород, используя относительно небольшую мощность, в среднем 350 кВт. ^[21]
• После того, как НАСА Эймс оценило, как удовлетворить аэротермические требования к теплозащитным экранам при запуске с наземной поверхности, Национальные лаборатории Сандия исследовали электромагнитные пусковые установки на орбиту, в дополнение к исследованиям других приложений EML, как рельсотронов, так и койлганов. В 1990 году для запуска малых спутников был предложен километровый койлган. ^{[22] [23]}
• Более поздние исследования в Сандии включали в 2005 году исследование концепции StarTram для чрезвычайно длинного койлгана, одна из версий которого была задумана как вывод пассажиров на орбиту с приемлемым для выживания ускорением. ^[24]

См. также

• Рейлган
• Массовый привод
• Электромагнитный движитель
• Edwin Fitch Northrup

Ссылки

1. ↑ Леви, Э.; Он, Л., Забар, Х. и Биренбаум Л. (январь 1991 г.). «Руководство по проектированию койлганов синхронного типа». стр. 628–633.
2. ↑ Колм, Х.; Монжо, П. (март 1984 г.). «Основные принципы технологии соосного запуска».
3. ↑ «Бесшумные пулеметы стреляют электромагнитами», 19 июня.33, Популярная механика
4. ↑ Компактный койлган. Проверено 8 мая 2011 г.
5. ↑ Инструкции к набору пистолета с катушкой из одноразовой камеры. Проверено 8 мая 2011 г.
6. ↑ MAGCAN1 — Магнитная ударная пушка. Проверено 8 мая 2011 г.
7. ↑ Coilgun Technology в Центре электромеханики Техасского университета в Остине. Проверено 8 мая 2011 г.
8. ↑ «Электромагнитные пушки». http://www.coilgun.info/theorymath/electroguns.htm. Проверено 13 февраля 2009 г.
9. ↑ ^{9.0 9.1} Звездный трамвай. Проверено 8 мая 2011 г.
10. ↑ ^{10.0 10.1} Расширенное исследование двигателей. Проверено 8 мая 2011 г.
11. ↑ «Комната 203 Технология». Пистолет для катушки . http://philstechnologyblog.blogspot.com/. Проверено 20 октября 2007 г.
12. ↑ Мировой Арсенал Винтовки. Проверено 9 мая 2011 г.
13. ↑ Многоступенчатое импульсное индукционное ускорение. Проверено 11 мая 2011 г.
14. ↑ ^{14,0 14.1 14.2 14.3} Разработка технологии минометов EM для стрельбы с закрытых позиций. Проверено 9 мая 2011 г.
15. ↑ ^{15.0 15.1} Армейские времена: Электромагнитная технология может революционизировать миномет. Проверено 9 мая 2011 г.
16. ↑ Национальная ассоциация оборонной промышленности: 46-я ежегодная конференция по оружейным и ракетным системам. Проверено 9 мая 2011 г.
17. ↑ Универсальная электромагнитная минометная установка для JLTV-B. Проверено 9 мая 2011 г.
18. ↑ Sandia National Laboratories / Электромагнитная ракетная установка Lockheed Martin. Проверено 9 мая 2011 г.
19. ↑ IEEE Spectrum, июль 2007 г. Проверено 11 мая 2011 г.
20. ↑ Космические поселения: исследование дизайна. Проверено 9 мая 2011 г.
21. ↑ NASA SP-509, Электромагнитный запуск лунного материала. Проверено 9 мая 2011 г.
22. ↑ L5 News, сентябрь 1980 г. Проверено 9 мая 2011 г.
23. ↑ Лаборатория говорит, что электромагнетизм может запускать спутники. Проверено 9 мая 2011 г.
24. ↑ Трансформационные технологии для ускорения доступа в космос. Проверено 9 мая 2011 г.

Внешние ссылки

• Coilgun на DMOZ
• Coilgun Информация и Галерея проектов
• coilgun.info

На этой странице используется лицензированный Creative Commons контент из Википедии (просмотреть авторов).

оружий — Какова реальная максимальная скорость снаряда койлгана со 100-метрового ствола?

Для грубой идеи вы можете использовать приближение Люка Кэмпбелла для характеристик койлгана, которое в основном представляет пистолет как трубку энергии в форме магнитного поля, которое выметается снарядом, превращающим его в кинетическую энергию. Вы можете предположить, что любые цифры, которые это дает, чрезмерно оптимистичны, но это неплохая верхняя граница для производительности койлгана.

Были некоторые ошибки в расчете длины ствола для более раннего проекта этого ответа, которые с тех пор были исправлены.

---

Первое, о чем мы заботимся, это эффективность … наш койлган неизбежно приведет к нагреву снаряда в результате наведенных токов, и если мы нагреем его до точки плавления, снаряд распадется, сделав его намного менее полезен в качестве оружия или еще хуже: он взорвется, унеся с собой часть вашего корабля.

Допустим, наш койлган эффективен на 99%, и из 1% энергии, которую он тратит впустую, половина идет на снаряд. Если у нас есть 200-граммовый снаряд с удельной теплоемкостью стали (500 Дж/кг·К) и температурой плавления стали (скажем, 1800 К), мы можем увидеть, что температура снаряда повысится на 1 К на каждые 100 Дж потерянной энергии. Если мы волшебным образом запустим его при 0K, мы увидим, что он может поглотить не более 180 кДж. Работая в обратном направлении, это дает нам максимальную кинетическую энергию ~ 35 МДж и, таким образом, максимальную начальную скорость 18км/с , независимо от всего остального в нашем орудии .

Очевидно, это плохо для ваших надежд и мечтаний. Большой снаряд вам не поможет; вам нужен один с более высокой температурой плавления, большей теплоемкостью, и более эффективным койлганом, чтобы получить желаемые скорости.

(Обратите внимание, что будут другие пределы температуры снаряда… например, сверхпроводящие снаряды нельзя нагревать выше их критической температуры, и это будет намного ниже их температуры плавления: ~300К для научной фантастики) «сверхпроводник комнатной температуры», например. Несверхпроводящие снаряды будут подвергаться большему нагреву!)

Давайте представим, что ваш снаряд теперь имеет SHC более 1 кДж/кгK и температуру плавления 3000K. Теперь вы можете нагреть его примерно на 3 МДж/кг вместо 900 кДж/кг. Мы обеспечим вашему койлгану КПД 99,9%, а половина потерь пойдет на повторный нагрев снаряда. Теперь мы можем получить максимальную дульную энергию около 1,2 ГДж, что для 200-граммового снаряда дает нам начальную скорость почти 110 км/с .

Это немного лучше, но помните: это максимум , независимо от чего-либо еще, например, длины ствола, напряженности поля или веса снаряда. Вы не можете получить ничего лучше, если не используете волшебные материалы или волшебные сверхэффективные койлганы (а этот пример уже совсем волшебный). Очевидно, ваша история, ваши руки, чтобы махать, но это важно помнить, если вы хотите жесткий научный сеттинг.

Есть, возможно, и другие вещи, которые вы могли бы сделать, например, поместить свой снаряд в охлаждающую жидкость, которая плавится и испаряется для охлаждения снаряда по мере его ускорения. Это может немного помочь, но создает некоторую паразитную массу, которая будет ограничивать начальную скорость снаряда (и превращает расчет конечной скорости в какое-то ужасное дифференциальное уравнение, которое я не буду решать за вас).

---

Сила магнитного поля ограничена кучей неудобных вещей. Вы можете рассчитать требуемые токи для данного размера сверхпроводника, ограниченного критическим током материала, но вместо этого давайте возьмем 200 Тл. Это хорошее круглое число, и оно не исключает сверхпроводящих снарядов, поскольку оно должно быть ниже критической напряженности поля футуристических высокотемпературных сверхпроводников (см. здесь некоторый анализ YBCO, одного из лучших реальных сверхпроводников).

Интересующее нас магическое число — это плотность энергии, которую может иметь охватываемый объем… это $\frac{1}{2\mu_o}$ (где μ ₀ — проницаемость свободного пространства) или около 400 кДж/м ³ /T ² , умноженное на квадрат напряженности магнитного поля. В случае нашего гипотетического койлгана на 200Т это дает нам максимальную плотность энергии 16 ГДж/м ³ .

Если диаметр вашего снаряда 20 мм, а длина ствола 100 м, количество энергии в охватываемом объеме будет составлять разумные 0,5 ГДж при начальной скорости 70км/с . Чтобы получить 1,2 ГДж, которые мы хотим для нашего супер-койлгана со скоростью 100 км/с, нам нужно, чтобы снаряд разметал примерно 0,074 м ³ , что для 20-мм снаряда соответствует стволу длиной 236 м.

30-миллиметровый снаряд позволил бы вам вместить ваше орудие со скоростью 100 км/с в первоначальный предел длины в 100 м, но:

• ваши катушки теперь больше и мощнее, и им требуется больший ток для достижения той же мощности.
• ваш снаряд теперь имеет худшее соотношение длины к ширине, что делает его менее эффективным при пробитии защиты цели.

Вы могли бы использовать толстый башмак низкой плотности, который приводит в движение тонкий плотный снаряд, но башмак представляет собой паразитный вес, который съедает кинетический энергетический баланс узкого проникающего снаряда. Бесплатного обеда здесь не бывает!

---

Наконец, вы должны заметить, что я рассматривал здесь койлганы, а не рейлганы.

Рельсотроны дают вам гораздо больше энергии для той же длины ствола, но, к сожалению, стрельба из них приводит к повреждению рельсов в результате сверхгорячей плазменной дуги, которая образуется позади снаряда.

Это означает, что у рельсотрона проблемы с масштабированием. .. вы не можете стрелять из него слишком много, прежде чем рельсы потребуют замены, а повреждение рельсов увеличивается с начальной скоростью, поэтому вы можете найти рельсотрон, который отлично работает на скорости 3 км/с ( по крайней мере, некоторое время) разобьется на скорости 10 км/с и сильно взорвется на скорости 30 км/с.

Катушки не имеют проблем с износом, так как снаряд может левитировать в стволе и быть полностью бесконтактным, и нет необходимости в дуговом разряде. У них все еще есть проблемы с масштабированием: вам нужно отключить катушку мгновенье снаряд находится посередине, и трудно просто исчезнуть полем очень мощного магнита! Один из способов сделать это — использовать сверхпроводящие катушки и нагреть их, чтобы сбросить сверхпроводимость (иногда называемую гасящим пистолетом), но это превратит энергию поля в тепло, и много тепла. Таким образом, скорострельность будет ограничена, и конечная скорость также будет ограничена вашей способностью: а) достаточно быстро погасить ваши катушки и б) достаточно быстро охладить их, чтобы затем снова выстрелить из ружья. Однако теоретических ограничений на длину ствола или начальную скорость пули не существует, так что если вы хотите >10 км/с, вам почти наверняка нужен койлган.

Обзор технологического прогресса в системе электромагнитной катушки – IJERT

Обзор технологического прогресса в системе электромагнитной катушки

Обзор технологического прогресса в системе электромагнитной катушки

Sai Chaithanya, Vineeth Kumar P. K2

2

123 Технологический институт Шри Дхармастхала Манджунатешвара, Уджире, Карнатака, Индия

2 Департамент электротехники и электроники

Наземная пусковая установка с электрическим приводом может значительно снизить сложность и стоимость космических запусков для полезной нагрузки умеренной массы. В данной работе представлены результаты исследования по оценке требуемых параметров. Это исследование основано на технологии электромагнитной пушки, которая ограничена коаксиальной геометрией, чтобы использовать преимущества эффективности тесно связанных катушек. Каждая катушка срабатывает последовательно по мере движения снаряда по каналу ствола. Гибридная силовая электронная система использовалась для стрельбы снарядом без каких-либо химических веществ, без громкого шума и без возгорания. Было предположение, что эта статья участвовала в этом исследовании. Имея это в виду, в данной статье скромно представлена ​​жемчужина электронного оружия, которое произвело великую революцию в области передовых систем вооружения в нашей стране и вызывает у нас гордость.

1. ВВЕДЕНИЕ

   Катушка или винтовка Гаусса — это тип ускорителя снаряда, состоящий из одной или нескольких катушек, используемых в качестве электромагнитов в конфигурации линейного двигателя, которые разгоняют ферромагнитный или проводящий снаряд до высокой скорости. Почти во всех конфигурациях винтовых пушек катушки и ствол пушки расположены на общей оси. Это не винтовка, так как ствол не нарезной. Название ГАУСС связано с именем Карла Фридриха Гаусса, который сформулировал математическое описание магнитного эффекта, используемого магнитными ускорителями.

   Разработка винтовой пушки со снарядами массой от 10 г до 5 кг и скоростью до 1 км/с. Были проведены исследования по увеличению скорости и конструктивных особенностей. Это подходит для военных целей и имеет будущее в передовом вооружении следующего поколения.

   Катушка-пушка — это электромагнитная пушка, использующая силу Лоренца [1] () для ускорения снаряда с проводящим снарядом. Он состоит из катушек, расположенных вдоль ствола, поэтому путь разгоняющегося снаряда лежит по центральной оси катушек. Катушки включаются и выключаются в точно рассчитанной последовательности, в результате чего снаряд быстро ускоряется вдоль ствола за счет магнитных сил. При срабатывании через катушку протекает переменный ток, создавая переменное магнитное поле. Поле намагничивает железо, что индуцирует окружной переменный ток в кольце. Этот ток отталкивается магнитным полем, заставляя кольцо отскакивать от ядра на расстояние нескольких метров.

   как пулемет. Он приводился в действие большим электродвигателем и генератором. Он появился во многих современных научных публикациях, но никогда не вызывал интереса у каких-либо вооруженных сил. Подобный принцип используется в различных областях, таких как линейные двигатели, поезда на магнитной подвеске, американские горки и т. Д. Катушка использует электромагнетизм для движения снаряда, а не заряд взрывчатого вещества.

   Отсюда его можно назвать бесшумным ружьем или бесшумным пулеметом. Пистолет с катушкой требует высокого напряжения, большой силы тока и высокоскоростных электрических переключателей. Мы можем иметь более высокую максимальную скорость снаряда. Мощные переключатели чередуют электромагнитные полюса в катушках привода по мере того, как снаряд проходит через катушки. Большинство обычного огнестрельного оружия работает за счет действия расширяющихся газов, выталкивающих снаряд из ствола на высокой скорости. Движущей силой этих систем является детонация пороха, которая вызывает взрыв позади снаряда, расположенного в трубе. Системы, работающие на порохе, очень громкие и оставляют следы в стволе и затворе, что делает их склонными к неисправности и требует значительных усилий по очистке для дальнейшего использования. Благодаря новым исследованиям и инновациям в области электронных оружейных систем порох может вскоре уйти в прошлое. В этом отчете мы знакомимся с конструкцией, работой, аспектами дизайна и применением винтовки Гаусса.

2. СТРОИТЕЛЬСТВО И РАБОТА

   Катушка состоит из катушки с проволокой, электромагнита и ферромагнитного снаряда [2], размещенного на одном из ее концов. Катушка этого типа имеет форму соленоида, используемого в электромеханическом реле [3], т. е. катушку с током, которая протягивает ферромагнитный объект через свой центр. Через катушку с проволокой пульсирует сильный ток, и образуется сильное магнитное поле, притягивающее снаряд к центру катушки. Когда снаряд приближается к этой точке, электромагнит должен быть выключен, чтобы предотвратить остановку снаряда в центре электромагнита, для этой части используются фоточувствительные датчики [4] или инфракрасные датчики [5]. Датчик подключен к цепи. Как только снаряд втягивается в катушку, датчик обнаруживает снаряд, и цепь отключается.

   Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем больше индукционные токи в кольце, что приводит к большей силе. Как гласит история, первый действующий винтовой пистолет был разработан и запатентован норвежским ученым Кристианом Биркеландом в 1904 году. В 1933 году техасский изобретатель Вирджил Ригсби разработал стационарный винтовой пистолет, предназначенный для использования в

   году.

   Рис.1. Схема геометрии спирального пистолета.

   Таким образом ферромагнитный снаряд выбрасывается наружу. Снаряд расположен на одном конце катушки и притягивается к ее центру за счет магнитной индукции. При отключении тока снаряд движется вперед по стволу, вылетает из орудия и движется к намеченной цели. Сила, приложенная к снаряду, пропорциональна изменению индуктивности катушки относительно изменения положения снаряда и тока, протекающего через катушку. Силы характеризуются током и изменением взаимной индуктивности между снарядом и катушками. Более продвинутые конструкции ружей с катушками включают в себя несколько последовательностей переключений катушек акселератора по мере движения снаряда по стволу. Сердцем этого проекта является миниатюра беспожарного и бесшумного пистолета.

   Для увеличения скорости снаряда есть две основные установки для винтовки: одноступенчатая и многоступенчатая. Одноступенчатая пушка с катушкой использует один электромагнит для движения снаряда. Многоступенчатая пушка с катушкой использует несколько электромагнитов последовательно для постепенного увеличения скорости снаряда. Это увеличивает скорость снаряда во много раз.

3. АСПЕКТЫ ДИЗАЙНА

   При разработке пистолета с катушкой необходимо контролировать некоторые аспекты. Поскольку катушка пушки работает по принципу индукции и отталкивания. Природа тока, магнитного поля и т. д. должны быть разработаны. Это следующие факторы, которым следует уделить особое внимание при разработке пистолета с электромагнитной катушкой.

   1. Магнитная цепь

      На ток, протекающий в магнитном поле, действует сила (уравнение для определения этой силы получено из экспериментальных работ Ампера и Био-Савара). Два проводника с токами, текущими в одном направлении, притягиваются друг к другу, а два проводника с токами, текущими в противоположном направлении, отталкиваются друг от друга. То же самое относится к двум параллельным проводникам в форме кольца. Использование токов, которые текут в одном направлении, заставляет их притягиваться друг к другу. Использование токов, которые текут в противоположных направлениях, заставляет их нейтрализовать друг друга. Это принцип отталкивания аппарата. Ток в катушке противоположен наведенному току в снаряде, в результате чего к нему приложена сила. Но действительно ли ток от катушки противоположен наведенному току? Переменный ток, подаваемый на катушку, создает в сердечнике переменный магнитный поток, прямо пропорциональный току, и индуцирует переменный ток, опережающий /4 от источника тока. Итак, результирующая сила отталкивающая через полпериода и притягивающая

      в другой половине. Если бы силы отталкивания и притяжения были одинаковой величины, снаряд оставался бы неподвижным или колебался вокруг точки из-за уравновешенного результирующего эффекта. Более тщательный анализ показывает, что этого не происходит. Кольцо фактически запущено, поэтому полученный эффект не может быть уравновешенным. На самом деле силы отталкивания сильнее сил притяжения, создавая общую силу отталкивания. Независимо от трения ускорение [6] снаряда в ведомой катушке равно:

      Где,

      Fp = электромагнитная сила, испытываемая снарядом. m = масса снаряда (в кг).

      V 1 = скорость снаряда в момент времени t1. V2 = скорость снаряда в момент времени t2.

   2. Электрическая цепь

      Электропитание подается на электромагнит от какого-либо быстроразрядного накопителя, обычно от батареи, или от высоковольтных конденсаторов большой емкости (по одному на электромагнит), предназначенных для быстрого разряда энергии. Диод используется для защиты чувствительных к полярности компонентов (таких как полупроводники или электролитические конденсаторы) от повреждения из-за обратной полярности напряжения после выключения катушки.

      Рис. 2. Принципиальная схема каскада катушки пушки.

      Катушки на пистолете с катушкой должны быть подключены в соответствии со схемой, показанной выше. Эта схема была получена из домена Google Images. SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​[6] используется для управления высоким напряжением, подаваемым на катушку, он действует как переключатель. Обычные выключатели или реле использовать нельзя, так как они обычно сжигают в них контакты из-за высокого напряжения и тока. Когда на его затвор подается напряжение через небольшую батарею, диод активируется, и катод и анод могут быть подключены к катушке, как обычный диод. Переключатель, который управляет напряжением затвора, подаваемым на SCR, по сути, управляет током, идущим к катушке, и действует как наш триггер для пушки катушки. При соединении конденсаторов и катушек следует использовать медные провода большого сечения.

   3. Цепь переключения

   Одним из основных препятствий в конструкции пистолета с катушками является переключение питания через катушки. Есть несколько общих решений; самым простым является искровой разрядник, который высвобождает накопленную энергию через катушку, когда напряжение достигает определенного порога.

   Лучшим вариантом является использование твердотельных переключателей; к ним относятся IGBT [7] или силовые МОП-транзисторы [8] и SCR. Время срабатывания отдельных катушек в орудии зависит от положения якоря снарядов, а не от заранее запрограммированного времени. Однако, как только будет определено правильное положение для данной катушки, будет задержка, пока ток не потечет из конденсаторной батареи этой катушки.

4. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАБОТУ КАТУШКОВОГО ПИСТОЛЕТА.

   1. Эффективность

      Общий КПД преобразования энергии определяется отношением приращения кинетической энергии [9] и первоначальной энергии электроэнергии в конденсаторах. Уравнение

      Где,

      Wm = Приращение кинетической энергии,

      Wc = Исходная электрическая энергия, запасенная в конденсаторах.

      м = масса снаряда (в кг).

   2. Повышение температуры змеевика

      Повышение температуры любого змеевика можно рассчитать по следующему уравнению (3).

      Где, Повышение температуры в градусах Цельсия.

      R = сопротивление катушки.

      = Удельная теплоемкость материала катушки.

      = Масса катушки.

      Как теплоемкость, так и удельное сопротивление [10] зависят от температуры, что может потребоваться учитывать, когда неизбежен большой нагрев, в противном случае их можно считать постоянными.

      Вообще говоря, пропорционально

      .. (4)

      Где I = ток в катушке.

      N = количество витков катушки.

      B = Плотность магнитного потока в катушке.

      Это означает, что при заданном ускорении [11] повышение температуры зависит только от геометрии катушки и подводимой энергии, а не от количества витков. Время разряда обычно слишком мало, чтобы отводить тепло во время разряда. Принудительное охлаждение воздухом, водой или маслом можно использовать только для отвода тепла между выстрелами.

5. ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

   Системы электромагнитных катушек работают очень тихо, когда снаряды летят со скоростью ниже скорости

   .

   звучат и требуют минимального обслуживания. Наиболее обычное огнестрельное оружие, которое легко конструируется и имеет высокие характеристики во время боя. Эти пистолеты для катушек очень универсальны по своей природе, поэтому их можно адаптировать или адаптировать для самых разных областей применения. Эта концепция катушки пушки имеет обширную область применения, которая включает даже запуск спутников и ракет. Можно навсегда отказаться от использования взрывоопасных порохов.

   Существует также проблема пиковой мощности, горючие материалы [12] могут выдавать большое количество энергии за короткое время, а для этого с электричеством нужны хорошие конденсаторы, поскольку батарея или генератор не смогут выдать достаточную мгновенную мощность. Пользователь может быть поражен электрическим током. Прежде чем работать с напряжением более высоких номиналов, необходимо принять во внимание надлежащие изоляционные меры безопасности. На выстрелы, сделанные после первого короткого замыкания, может повлиять накопление тепла на рельсах и сделать металл более податливым, что может привести к увеличению погрешности, когда огневая задача требует точности.

6. ПРИМЕНЕНИЕ ИЛИ ВОЗМОЖНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

   • Гораздо более высокая эффективность и энергия могут быть получены при использовании более дорогостоящих и сложных конструкций. В 1978 году Бондалетов в СССР добился рекордного ускорения с помощью одной ступени, разогнав 2-граммовое кольцо до 5000 м/с на 1 см длины, но самые эффективные современные конструкции, как правило, включают много ступеней.

   • Планируется

     электромагнитных авиационных катапульты, в том числе на борту будущих американских авианосцев класса Gerald R. Ford. Экспериментальная версия электромагнитной ракетной установки (EMML) с индукционной катушкой была испытана для запуска ракет «Томагавк».

   • В HIT в Китае разрабатывается система активной защиты для танков на основе спиральной пушки.

   • самолета НАСА для создания ракеты-носителя на основе катушки для запуска малого спутника.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Пистолет с катушкой — это простое применение закона Лоренца[13]. Тип ускорителя снаряда, состоящий из одной или нескольких катушек, используемых в качестве электромагнитов в конфигурации линейного двигателя, которые разгоняют ферромагнитный или проводящий снаряд до высокой скорости. Были кратко представлены физические принципы, управляющие его работой. Также были приведены некоторые детали конструкции.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Я хотел бы выразить глубокую благодарность профессору Виниту Кумару П.К. за его терпеливое руководство, восторженную поддержку и полезную критику этой исследовательской работы. Я также хотел бы поблагодарить г-на Судхира ПАИ за его советы по своевременному обновлению меня. Я также благодарен г-ну Санджаю за помощь в расчете питания, необходимого для питания катушки. Наконец, я хочу поблагодарить моих родителей за их поддержку и ободрение на протяжении всего моего исследования.

ССЫЛКИ

[1] Сила Лоренца: сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся со скоростью через электрическое и магнитное поле. Вся электромагнитная сила на заряженных материалах (железе) образует постоянные магниты. [2] Ферромагнитный снаряд: материал (железо), который можно легко намагнитить, подав на него ток. [3] Электромеханическое реле: это электромеханический переключатель, используемый для управления, защиты и управления различными цепями или системами. [4] Фоточувствительный датчик: он наиболее чувствителен к интенсивности окружающего освещения и обычно используется для определения яркости и интенсивности окружающего освещения. [5] Инфракрасный датчик: он используется для определения определенных характеристик окружающей среды путем излучения или обнаружения инфракрасного излучения. [6] Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR): полупроводниковое устройство, функционирующее как переключатель с электрическим управлением. [7] IGBT: биполярный транзистор с изолированным затвором -3-контактный силовой полупроводниковый прибор, используемый в основном в качестве электронного переключателя.