Кпд гаусс пушки: Многоступенчатая пушка гаусса. Легендарная гаусс-пушка своими руками

Содержание

http://axon.at.ua — Теория и расчеты

Программа не подходит для полного расчета катушек для гаусса. Для этого можно использовать FEMM

Итак, один человек своими многочисленными вопросами заставил меня написать эту статью. Пример буду подавать по программе Gauss Gun Simulator, переведённой мною.

 Выбираем размеры ствола и снаряда

 Значит, нам нужно, для начала выбрать размеры снаряда. Здесь нужно учитывать, что при повышении диаметра снаряда КПД пушки повышается. Соотношение в снаряде диаметра к длине может колебаться от 1:2 до 1:4 — это на мой взгляд, самый оптимальный вариант соотношения. Для примера, возьмем снаряд диаметром 8мм. Откроем программу, выставим не измененные параметры конденсатора и катушки, т.е. у нас конденсатор будет объемом 1000мкФ и напряжением 400В, катушку пока оставим по стандарту. Ствол у нас будет с внутренним диаметром 8мм и внешним 10мм.

Мы видим, что при соотношении в снаряде 1:4 КПД пушки составляет 3.6%.

Теперь попробуем изменить это соотношение до 1:2…

Мы видим, что при таком соотношении КПД стал больше на 0.4% а энергия снаряда примерно на 0.3Дж.

Думаю, для каждой катушки соотношение нужно подбирать по своему и те примеры, которые я приводил, не стоит употреблять как идеальное соотношение для любой пушки.

 Выбираем размеры катушки

 Тут нам стоит потрудится. Например, мы возьмем снаряд с соотношением 1:2 при котором КПД при стандартной катушкой выше. Диаметр снаряда 8мм и длинна 16мм. Диаметры ствола остались, как и были. Главное, при моделировании катушки, достичь лучшего соотношения между силой тока, которая проходит через катушку и её индуктивностью. Сейчас мы возьмем проволоку AWG 20. Если посмотреть табличку, которая находится внизу окна, то мы увидим что AWG 20, переводя на диаметр в мм, получается 0.8мм. Это самое оптимальное сечение для 400В. Если посмотреть на скриншот повыше, то мы увидим КПД у нас 4%. Теперь попробуем уменьшить длину катушки до 24мм при не измененном количестве слоев.

Как видите, КПД у нас упал больше чем на 1%. Все дело в том, что при длинной катушке снаряд поддается разгону большее время, чем при короткой катушке. Но тут тоже нельзя злоупотреблять длинной ствола и делать катушки длинной в пол-метра.

Вот яркий пример того, что я писал выше. Мы увеличили длину катушки до 48мм это, по отношению к снаряду, получается 1:3. Можно еще попробовать по-изменять длину катушки, просто если я буду искать максимальный КПД, это будет долго. Я пытаюсь объяснить поверхностно. Так, длину катушки оставим 48мм, теперь попробуем изменить количество слоев в катушке. Тут тоже нужно руководствоваться соотношением силы тока в катушке к её индуктивности.

Максимального КПД я достиг при 22 слоях в катушке.

 Конденсатор

Конденсатор — самая важная часть пушки Гаусса. Он способен выдать высокие токи за малый промежуток времени.

Рассчитаем конденсатор. Поскольку мы брали проволоку 20 AWG, мы останемся на том-же напряжении конденсатора т.е. 400В. Попробуем поменять объем конденсатора.

Тут очень важна строка в третьей колонке с названием «Использовано энергии» нужно чтобы эта энергия расходовалась как можно больше к 100% поскольку если энергия останется и мы будем использовать тиристор для коммутации, то при прохождении середины катушки, снаряд оставшийся энергией начнет затягивать обратно, что скажется на скорости и КПД не в лучшую сторону. При 1000мкФ энергии использовано всего лишь 32% и это плохо. Процент использования энергии напрямую зависит от индуктивности катушки. Попробуем уменьшить индуктивность катушки.

Вот такой парадокс, КПД уменьшается, а скорость увеличивается и это при одном и том-же конденсаторе. Тут, как говорится, нужно выбирать по душе: или большой КПД, или большую скорость.

 Завершение

 Результаты не утешающие — мы пожертвовали КПД ради скорости. Опять-же повторюсь, что скорость и КПД можно сделать выше, для этого нужно подобрать все части Гаусс пушки. В моем проекте все ориентировалось на мобильность и КПД

Вот параметры первой ступени

КПД будет выше, поскольку ступеней будет 5.


Удачных расчетов!!! Все вопросы в форум.
PS извините за кривизну перевода программы (что-то вроде активного сопротивления конденсатора).
Данная программа рекомендуется только для поверхностных расчетов, поскольку не показывает реальные данные. Для более точных вычислений я рекомендую использовать FEMM.

Ссылка на программу

Презентация «Пушка Гаусса»

Пушка Гаусса

(англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс.

Пушка названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.

Ванюшин Семён,

ученик 9 класса МОУ «СОШ №56» г. Чебоксары

2010 год

Фотографии Discovery Channel

http://www.coilgun.info/discovery/photos.htm

Название детали

В 1-ой пушке

Количество слоёв

во 2-ой пушке

5

Диаметр

Длина соленоида

8

0,5 мм

Кол-во витков

3,5 см

0,5 мм

4,5 см

325

720

Материал

Диаметр, форма

Железо

Длина

Обтекаемая, цилиндрическая

Масса

32 мм

2,45г

Схема.

Исходные данные

Дальность полёта , s

17 м

Высота полёта, h

1,2 м

Ёмкость конденсатора, C

800 мкФ

Напряжение сети, U

220 В

Экспериментальные данные

Энергия, запасаемая в конденсаторе, Е

19,36 Дж

Время разряда конденсатора, Т раз

1,63 мс.

Время работы катушки индуктивности, Т

3,2 мс.

Индуктивность соленоида, L

13,4 мГн.

Время полёта, t

0,45 с

Скорость вылета снаряда,𝑣

34,3 м/с

Кинетическая энергия снаряда, E

1,48Дж

КПД

7,6%

Преимущества:

Недостатки:

отсутствие гильз

большой расход энергии

неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса.

низкий КПД установки (пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию)

возможность бесшумного выстрела без смены ствола и боеприпаса.

большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности

относительно малая отдача.

большая надежность и износостойкость.

возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

Существующие образцы .

  • На данный момент пушку Гаусса используют только в качестве игрушки или проводят с ней различные испытания. Так, в феврале 2008 года ВМС США поставили на эсминец в качестве корабельного оружия рельсотрон, разгоняющий снаряд до 2520 м/с Лабораторные установки для исследования высокоскоростного удара отправляют в цель частицы массой менее 1 г со скоростью до 15 км/с.

Работа установки

Принцип работы.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Coilgun_animation.gif

Список литературы:

Принцип работы Гаусс пушки — Гаусс пушка своими руками

Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — 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.
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.

Принцип работы пушки гаусса (англ. Coil gun) наиболее наглядно объясняется следующим рисунком


Ферромагнитный снаряд «засасывается» внутрь катушки (соленоида) с определенным ускорением. По достижении середины пуля продолжает двигаться по инерции. Однако теперь сила магнитного поля тянет ее обратно к центру. Таким образом, мы подходим к первой проблеме – при достижении разгоняемым телом середины магнитного поля катушки это поле начинает препятствовать дальнейшему движению и должно отключаться. Понятно, что чем выше будет напряжение и сила тока, прикладываемого к катушкам, тем сильнее будет воздействие магнитного поля на снаряд. И здесь кроется вторая проблема – быстрое переключение заряда между катушками. Не смотря на сотни любительских сайтов и десятки тысяч возможных конструкций пушек гаусса, эффективного и технологически простого механизма переключения до сих пор не создано. Главная проблема – при высоких значениях силы и напряжения тока перегорают кремниевые элементы. Механическое же переключение либо очень неточно, либо крайне сложно в изготовлении. Источником питания во всех имеющихся на сегодня моделях ускорителей подобной конструкции служат блоки конденсаторов. При этом, КПД преобразования энергии магнитного поля катушки в кинетическую энергию снаряда не превышает 2%. Лучшие образцы самодельных спиральных пушек (coilgun) имеют энергию пули при выстреле в 5-6 Дж. Это в несколько раз меньше, чем у спортивного пневматического пистолета.

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 вызовет нагрев снаряда в результате наведенных токов, и если мы нагреем его до точки плавления, снаряд распадется, что сделает его гораздо менее полезным как оружие или того хуже: он взорвется, унеся с собой кусок вашего корабля.

Допустим, наш койлган эффективен на 99%, и из 1% энергии, которую он тратит, 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 18 км/с , независимо от чего-либо еще 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 точки плавления: ~300К для научно-фантастической комнаты температура» сверхпроводника, например. Несверхпроводящие снаряды будут подвергаться большему нагреву!)

Давайте представим, что ваш снаряд теперь имеет SHC более 1 кДж/кг·К и температуру плавления 3000К. 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 иметь 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 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. /m 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 разумным 0.5GJ, для 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 ~0,074 м 3 , что для 20-мм снаряда соответствует стволу длиной 236 м.

Снаряд калибра 30 мм позволил бы вам уместить ваше орудие со скоростью 100 км/с в первоначальный предел длины 100 м, но:

  • Ваши катушки теперь больше и мощнее, и им требуется больший ток для достижения той же мощности.
  • у вашего снаряда теперь хуже отношение 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 бюджет кинетической энергии узкого пенетратора. Бесплатного обеда здесь не бывает!


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

Рейлганы дают вам гораздо больше энергии для ствола той же длины, 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 пули, так что вы можете найти рельсотрон, который отлично работает на скорости 3 км/с (при по крайней мере, на некоторое время) разобьется на скорости 10 км/с и сильно взорвется на скорости 30 км/с.

У койлганов

нет проблем с износом, так как снаряд может левитировать в стволе и быть полностью бесконтактным, и не возникает необходимости в дуговом разряде. У них все еще есть проблемы с масштабированием: вы должны отключить катушку в тот момент, когда снаряд находится в середине, и трудно просто исчезнуть поле 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 катушки и б) достаточно быстро их охладить, чтобы затем снова выстрелить из пушки. 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.

научно обоснованных — что более жизнеспособно, футуристическое пехотное оружие, рельсовые / винтовые пушки или лазерные винтовки?

Это зависит. Все вооруженные силы используют различные виды оружия для различных целей.Как говорят в армии, «всегда диктует ситуация». Откровенно говоря, химические снаряды, скорее всего, по-прежнему актуальны в реалистичном будущем из-за их:

  1. Чрезвычайно низкая частота отказов
  2. Простота использования
  3. Простота ремонта

Вот почему почти на протяжении всей истории человечества, несмотря на поразительные достижения, мы использовали (и до сих пор используем) разновидности остроконечных палок, чтобы убивать друг друга, потому что они работают большую часть времени, требуют небольшой подготовки и их легко поддерживать в рабочем состоянии. экстремальные среды.

(Можно возразить, что пули — это всего лишь еще одна разновидность заостренной палки. Лазеры — это просто еще одна форма сжигания людей. Оба несут те же опасности и преимущества тогда, что и сейчас. Но это не главное.)

В будущем управляемые боеприпасы, такие как пуля с электронным приводом, скорее всего, как те, что используются в «Пятом элементе», изображенном ниже, будут использоваться для поражения цели позади Зорга:

ZF-1, используемый в этой сцене, представляет собой многоцелевое оружие, в котором используются многоцелевые боеприпасы и которое интегрировано с другими системами оружия, такими как дротики, огнемет и замораживающее ружье, а также для других летальных и нелетальных применений.

Но учитывая ваш первоначальный вопрос.

С лазерным оружием :

Плюсы:

  • Они могут легко повредить незащищенную плоть
  • Быть безопасным для использования в случаях, когда пробоина корпуса (если речь идет о космических кораблях) вызывает беспокойство
  • Должен быть достаточно большим, чтобы иметь источник питания и лазерный диод
  • Источник питания можно адаптировать
  • Нет отдачи

Минусы:

  • Легко преломляется или рассеивается (дымом или материалами) в окружающей среде (погода, броня, дым)
  • Ремонт в полевых условиях практически невозможен
  • Война по своей природе грязна, лазеры должны стрелять через чистые линзы для максимальной эффективности
  • Сопутствующий ущерб вызывает серьезную озабоченность из-за способности поджигать предметы и неспособности предупредить об осечке
  • Если бы существовал закон, аналогичный Женевской конвенции, сжигание людей до смерти могло бы стать юридической проблемой в соответствии с пунктом
  • о «необычайной жестокости».

На рельсовых пушках :

Плюсы:

  • Может пробить различную броню
  • Не легко отклоняется
  • Снаряд не повлиял на атмосферу

Минусы:

  • Должен использоваться в вакууме, потому что отдача в ручном оружии либо смертельна…

  • Или отдача настолько сильная, что нужна вспомогательная система для компенсации… Не количество «технологий» может объяснить огромное количество импульса, поэтому должна быть какая-то система

  • Рельс должен быть идеально чистым, иначе бочка смертельно взорвется
  • Боеприпасы ограничены, даже если их можно сделать очень маленькими

A ОГРОМНЫЙ кон для обоих видов оружия:

  • Оба восприимчивы Восприимчивы к ЭМИ

Но если они использовались в пехотном отделении:

  • Лазеры, предпочтительнее там, где важно пробитие корпуса, или в качестве дополнительного оружия
  • Рейлган, противопехотное/легкобронированное оружие, стандартное наземное оружие

Если есть специальная оружейная рота/взвод, как в современных вооруженных силах, которая занимается минометами, взрывчаткой и пулеметами, то такая оружейная секция может лучше подходить для обращения с оружием специального назначения, в то время как пехотные стрелки несут надежные химические метательное оружие.

Это позволит группе рельсотронов разместить огневую поддержку, а также нести необходимое оборудование для борьбы с отдачей; и лазерная команда для переноски батарей и оборудования для очистки линз для лазера.

Лазеры/рейлганы могут быть самых разных размеров, как и современные вооруженные силы: некоторые предназначены для пешего патрулирования, а другие предназначены для защиты базы или поддержки на большом расстоянии.

Не забудьте признать, что технически продвинутые военные должны не только иметь возможность убивать палками или голыми руками, но также знать, как использовать передовое коммуникационное/навигационное оборудование, которого у нас в настоящее время нет, и знать, как действовать, если это оборудование вышло из строя или повреждено.(Например, знания по ремонту или ad hoc.)

Катушка | Военная Вики | Fandom

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

Упрощенная схема многоступенчатого койлгана с тремя катушками, стволом и ферромагнитным снарядом. или доведение снаряда 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 строго синхронизированной 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]

Строительство

Существует два основных типа койлганов: одноступенчатые и многоступенчатые. 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 катушкой проволоки, электромагнитом, с ферромагнитным снарядом, размещенным 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 для повторения этого процесса используются дополнительные электромагниты, постепенно ускоряющие 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] В другом методе используются несверхпроводящие ускоряющие катушки 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 позволяют избежать 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.

Многоступенчатый койлган

Сопротивление

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

Магнитопровод

В идеале 100 % магнитного потока, создаваемого катушкой, должно доставляться к снаряду и воздействовать на него, но это часто далеко не так из-за обычной конструкции соленоида с воздушным сердечником большинства койлганов, которые обычно относительно просты и неэффективные конструкции, сделанные 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 для передачи большего количества энергии снаряду при заданной потребляемой 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

Еще одним существенным ограничением койлгана является возникновение магнитного насыщения в ферромагнитном снаряде. 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. Поскольку потери пропорциональны I 2 , увеличение тока выше этой точки в конечном итоге снижает эффективность, хотя и 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 использование

Минометный снаряд M934 адаптирован для экспериментального пуска из койлгана с конформным хвостовым комплектом арматуры для стрельбы через ствол, состоящий из коротких соленоидальных электромагнитов, установленных встык.

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 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. [13] Эффективность выше 90% оценивается для некоторых значительно более крупных концепций сверхпроводимости для космических запусков. [10] Экспериментальный 45-ступенчатый миномет DARPA с койлганом имеет КПД 22% при 1.6 мегаджоулей КЭ доставлено в раунд. [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-миллиметровый прототип находился в стадии разработки для оценки, хотя время до развертывания в полевых условиях, если такое произойдет, оценивалось Национальными лабораториями Сандии 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 авиакатапульты 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 компании 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 о лунной базе, рассмотренное в рамках исследования НАСА 1975 года, включало бы 4000-тонную койлган, отправляющую 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, 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

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», июнь 1933 г., Popular Mechanics.
  4. ↑ Компактный койлган. Проверено 8 мая 2011 г.
  5. ↑ Инструкции к комплекту 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 огня с закрытых позиций. Проверено 9 мая 2011 г.
  15. 15.0 15.1 Army Times: ЭМ-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

Будет ли у гаусс-пушки отдача?

Вопрос задан: Ребека Майерт
Оценка: 4,5/5 (11 голосов)

В обычной винтовке взрыв быстро ускоряет пулю, и вы получаете отдачу.У гаусс-винтовки ускорение будет чуть ниже , но на чуть большее время (на всю длину ствола), так что при той же начальной скорости точно так же можно будет рассчитать отдачу.

Будет ли у рельсотрона отдача?

Теперь в обычном оружии есть быстро горящий/взрывающийся порох, вызывающий отдачу. Но у рельсотрона, похоже, нет никакого заряда, отталкивающего стрелка .

У Гаусса есть отдача?

Поскольку в винтовке Гаусса ничего не движется, кроме снаряда, и не используются пороха, в винтовке Гаусса такая же «отдача», как и в лазере. Рассматриваемый снаряд даже не касается «ствола», представляющего собой ряд магнитов. Во всяком случае, отдача была бы крайне нелогичной и разрушила бы подлинность.

В чем разница между винтовкой Гаусса и рельсотроном?

Койлган не является винтовкой, так как ствол гладкоствольный (не нарезной)…. Катушки отличаются от рельсотронов тем, что направление ускорения в рельсотроне перпендикулярно центральной оси контура тока, образованного проводящими рельсами.

В чем разница между рейлганом и койлганом?

Рейлган имеет две параллельные токопроводящие рейки со скользящей арматурой между ними. Якорь приводится в движение током большой амплитуды — иногда более миллиона ампер. Койлган представляет собой серию электромагнитных катушек, уложенных один за другим, которые притягивают снаряд по их центральной линии.

28 связанных вопросов найдено

Рельсотроны громкие?

Снаряды рельсотрона

не взрывоопасны и более безопасны в производстве, транспортировке и хранении. … На 100 ярдах звук рельсотрона не громче . 30-06 Стрельба из винтовки .

Есть ли у китайцев рельсотрон?

Китай проводит испытания корабельного рельсотрона , способного поражать цель на расстоянии 124 мили на скорости до 1.6 миль в секунду», — сообщает CNBC со ссылкой на анонимные источники, знакомые с отчетом. … «Китайский рельсотрон был впервые замечен в 2011 году и прошел испытания в 2014 году», — сообщили источники CNBC.

Рейлганы незаконны?

Ну нет . Военные США могут определять ствол как угодно, но это не означает, что его определение «урегулировано» для целей уголовного права США. Гигантская функциональная римская баллиста считалась бы разрушительным устройством.

Почему койлганы так неэффективны?

Койлганы по своей природе медленные , потому что индуктивность катушек ограничивает скорость создания и разрушения магнитного поля, а большая масса может вытягивать энергию из магнитного поля катушки гораздо быстрее, чем малая масса.

Насколько быстр снаряд рельсотрона?

Рейлганы используют магнитные поля, создаваемые сильными электрическими токами, чтобы разогнать снаряд до Маха 6 или 5400 миль в час .Скорость достаточна, чтобы дать EMRG эффективную дальность 110 морских миль или 126 миль по суше.

Законен ли пистолет с катушкой?

Пистолет с катушкой конкретно не упоминается в Законе об огнестрельном оружии 1996 г. (ACT), но весьма вероятно, что он будет считаться огнестрельным оружием, в частности, запрещенным огнестрельным оружием . Его можно определить как огнестрельное оружие, потому что оно способно метать снаряд с некоторой взрывной силой.

Существуют ли ручные рельсотроны?

Несмотря на то, что GR-1 Anvil продается как первый и «самый мощный» ручной рельсотрон, он не так смертоносен, как вы можете подумать. Тем не менее, его технические характеристики по-прежнему впечатляют. Он может производить 20 выстрелов в минуту на полной мощности и 100 выстрелов в минуту на половинной мощности.

Что значит Гаусс по-немецки?

gauss {имя существительное}

увеличение громкости.1. » единица плотности магнитного потока » Gauß {n} (Einheit magnetischer Flussdichte) гаусс.

Будет ли рельсовая пушка работать в космосе?

Астронавты могут добывать куски руды из космического тела. После этого электромагнитный рельсотрон может выбросить материал в космос . … Однако электромагнитный рельсотрон все еще далек от того, чтобы запускать или приводить в движение объекты большей массы, такие как лунные руды.Пока эксперимент работал только с небольшими снарядами.

Насколько сильна рельсовая пушка?

При полной мощности рельсовая пушка сможет выпустить снаряд на расстояние более 200 морских миль с начальной скоростью семь махов и поразить цель со скоростью пять махов.

Насколько эффективны винтовые пистолеты?

Несмотря на то, что койлганы довольно долговечны, они обычно достигают эффективности только между 0.3% и 1%. Типичный койлган сбрасывает всю энергию конденсатора в однородную катушку, что приводит к ускорению, когда снаряд находится в первой половине катушки, и замедлению, когда снаряд находится во второй половине.

Может ли рельсотрон уничтожить танк?

Оружие называется рельсотрон и не требует ни пороха, ни взрывчатки. … Военно-морской флот разработал рельсотрон как мощное наступательное оружие для проделывания дыр во вражеских кораблях, уничтожения танков и уничтожения лагерей террористов .

Какой самый быстрый снаряд?

ИСПОЛЬЗУЯ экспериментальную пушку длиной около 60 футов, ученые из Национальной лаборатории Сандия разогнали небольшой снаряд до скорости 10 миль в секунду , что считается самой высокой скоростью, когда-либо достигаемой на Земле любым объектом крупнее пылинки. пыли.

Как далеко могут стрелять рельсотроны?

Рельсотроны

используют магнитные поля, создаваемые сильными электрическими токами, для ускорения снаряда до 6 Маха или 5400 миль в час.Скорость достаточна, чтобы дать EMRG эффективную дальность 110 морских миль или 126 миль на суше.

Насколько сильна винтовка Гаусса?

Таким образом, 8-миллиметровый шип DPU весом около 90 граммов, движущийся с минимальной скоростью 1700 м/с, будет иметь около 100 000 джоулей энергии. что каждый шип такой же мощный, как современная 25MM AUTOCANNON . а винтовка гаусса стреляет этими штуками со скоростью 30 выстрелов В СЕКУНДУ.

Жизнеспособны ли рельсотроны?

. Для рельсотрона все еще существует множество нишевых применений, и ВМФ замедлил разработку, но все еще занимается этим оружием. Точный огонь из рельсотрона мог бы дешево перехватывать вражеские ракеты и истребители, возможно, будучи подключенным к сверхмощной боевой системе Aegis.

Используются ли рельсотроны на войне?

Соединенные Штаты проиграли войны с рельсотронами .После более чем 15 лет и полмиллиарда долларов финансирования мечта военно-морского флота о создании электромагнитного рельсотрона, способного поражать цели на расстоянии до 100 морских миль со скоростью, достигающей 7 Маха, не имеет надежды стать реальностью в ближайшее время.

В какой стране самый мощный рельсотрон?

На дворе 2025 год, и у Китая самая мощная морская пушка

  • Рейлган — это своего рода экзотический гибрид катапульты и пушки, который использует электромагнитную энергию вместо пороха для метания снарядов с гиперзвуковой скоростью до 7 Маха….
  • «Китайский рельсотрон был впервые замечен в 2011 году и прошел испытания в 2014 году», — сообщили источники CNBC.

Мощны ли рельсотроны?

Электромагнитные рельсотроны

— это мощное маневренное оружие , которое используется в вооруженных силах. … Снаряды, запущенные из рельсотрона, могут развивать скорость около 5 500 миль в час (8 800 км / ч), тогда как даже самые быстрые пули могут лететь со скоростью всего около 1 800 миль в час (2 900 км / ч).

Что такое формула Гаусса?

Метод Гаусса формирует общую формулу для суммы первых n целых чисел, а именно, что 1+2+3+\ldots +n=\frac{1}{2}n(n+1) Один из способов представления Гаусса Метод состоит в том, чтобы записать сумму дважды, во второй раз изменив ее, как показано на рисунке. Если мы сложим обе строки, мы получим сумму от 1 до n, но дважды.

Оптимизация конструкции винтовой пушки для увеличения начальной скорости пули

1.Введение

В то время как обычная система пуска, использующая химическую энергию топлива, имеет высокую стоимость и оказывает негативное воздействие на окружающую среду, система электромагнитного пуска (EML) представляет собой жизнеспособную альтернативу реактивному снаряду с относительно низкой стоимостью и минимальными экологическими недостатками (такими как образование двуокиси углерода). Система катушечной пушки, которая является одной из самых передовых систем EML, приводит снаряд в движение за счет электромагнитной силы, вызванной правилом правой руки Флеминга, когда электрический ток возбуждает электромагнитные катушки соленоида.То есть электромагнитная сила катушек притягивает и запускает снаряд [1]. Рис. 1 иллюстрирует схему и принципы работы системы змеевикового пистолета.

Рис. 1. Схема системы змеевикового пистолета

Политехнический институт Нью-Йоркского университета в США предложил метод запуска, в котором используется LIL (линейная индукционная пусковая установка), тип катушки, для снижения затрат на запуск микро- и наноспутников.Заданием на проектирование является ускорение полезной нагрузки 10 кг при перегрузке 30 000 g и начальная скорость 7 км/с [2]. Sandia National Laboratories в Соединенных Штатах разрабатывает методы EML для низкой и высокой начальной скорости с использованием винтовой пушки с 1980-х годов. Им была поставлена ​​задача разработать ЭДС, разгоняющую как 1 км/с 0,23 кг, так и 335 м/с 5 кг [3]. В. Н. Бондалетов из Советского Союза привел снаряд массой 1 г с начальной скоростью 4,9 км/с, подав напряжение 45 кВ с помощью одноступенчатой ​​пушечной системы в 1978 г. [4].Кроме того, в Японии и Соединенном Королевстве проводятся многочисленные исследования систем запуска снарядов из койл-пушек.

Большинство исследований системы винтовой пушки было сосредоточено на достижении высокой начальной скорости пули, поскольку система винтовой пушки в основном используется в системах военного оружия и при космических запусках. Катушка большего размера может обеспечить более высокую начальную скорость снаряда, но также увеличивает необходимое пространство и увеличивает затраты на установку, эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт системы.

В этой статье мы выполнили оптимизацию конструкции параметров винтовой пушки, чтобы максимизировать начальную скорость пули при сохранении ограниченного размера винтовой пушки. Расчетными переменными являются количество осевых витков электромагнитной катушки N, количество радиальных витков электромагнитной катушки M, начальное расстояние между снарядом и катушкой z, внутренний радиус электромагнитной катушки R и длина снаряда L. Эти конструктивные параметры не зависят друг от друга, но нелинейно связаны с магнитной силой, определяющей начальную скорость пули.Мы провели оптимизацию с использованием коммерческого программного обеспечения для оптимизации PIAnO (Process Integration, Automation, and Optimization) Ver. 3.5 (ПИДО-ТЕХ). Выбираются пять проектных переменных и строится ортогональный проектный массив. Аналитическое моделирование затруднено из-за нелинейности функциональной зависимости начальной скорости снаряда от перечисленных выше параметров. Соответственно, анализ методом конечных элементов (МКЭ) выполняется с использованием коммерческого программного обеспечения для электромагнитного анализа MAXWELL.Впоследствии эти аналитические результаты импортируются в PIAnO, и создается модель кригинга для получения точного приближенного решения нелинейной модели со многими расчетными переменными. Наконец, койл-пушка оптимально спроектирована с использованием подхода оптимизации эволюционного алгоритма (ЭА) [5-6].

На рис. 2 показан процесс оптимального проектирования, предпринятый в представленном исследовании.

Рис. 2. Блок-схема оптимизации

2.Оптимальная конструкция спирального пистолета
2.1. Система винтового пистолета

Катушка пушки приводит снаряд в движение за счет электромагнитной силы, вызванной правилом правой руки Флеминга, когда электрический ток возбуждает электромагнитные катушки соленоида. Принципиальная электрическая схема пусковой установки катушки пушки показана на рис. 3. Электромагнитная катушка запитывается за счет разряда конденсатора. Электромагнитная сила возбужденных катушек притягивает снаряд. Если электромагнитная катушка все еще находится под напряжением после того, как снаряд проходит продольный центр обмоток электромагнитной катушки, магнитная сила катушек тянет снаряд в направлении, противоположном направлению запуска, и снаряд тормозится.Этот эффект называется «всасывание назад». Для предотвращения этого электрический ток на электромагнитных катушках должен быть отключен непосредственно перед прохождением снаряда продольного центра витков катушки [7].

Рис. 3. Принципиальная электрическая схема системы запуска катушки пушки

2.2. Определение проблемы проектирования
2.2.1. Требования к конструкции

Начальная скорость винтовой пушки пропорциональна величине максимального электрического тока, протекающего через электромагнитную катушку.Однако существует максимально допустимое значение электрического тока, при превышении которого температура поднимется выше температуры плавления материала катушки. Текущее предельное значение рассчитывается по уравнению Ондердонка. (1):

(1)

33IA2s=logTm-Ta234+Ta+1,

, где I: ток плавления в амперах, A: площадь провода в круговых милах, s: время плавления в секундах, Tm: температура плавления проволоки [°C], Ta: температура окружающей среды [°C].

В этой конструкции используется промышленная катушка AWG 12.В таблице 1 приведены характеристики материала катушки [8].

Таблица 1. Спецификация материала катушки AWG 12

Тпл [°С]

125

Та [°С]

25

А [цирк.мил]

6200

с [мс]

12

Максимальное значение электрического тока AWG 12 в точке плавления составляет 3700 А, но используется запас прочности, чтобы удерживать допустимый ток ниже 3000 А.

Если входное напряжение, используемое в этой конструкции, составляет 200 В, сопротивление катушки можно выразить по формуле (2) и резюмируется уравнением. (3). Процедура расчета сопротивления катушки описана в уравнении. (4) через уравнение (7):

(2)

Rcoil=VImax=200 [Вольт]3000 [Ампер]=0,0667 Ом,

(4)

Rcoil=lcoilAcoil×ρcopper=lcoilAcoil×1,724×10-8,

(5)

lcoil=∑m=1M2π(R+(m-0.5)d)×N =2πЯМР+M2d2,

(7)

Rкат=2πЯМР+M2d2πd22×ρмедь.

Количество витков обмотки электромагнитной катушки рассчитывается по уравнению. (8):

(8)

8ЯМР+M2d2d2×ρмедь≥0,0667 [Ом].

Масса снаряда, являющаяся одним из важных факторов, влияющих на начальную скорость пули, ограничена значением менее 50 грамм:

(9)

mснаряд≤0,05 кг,

(10)

Vснаряд×ρсталь≤0.05 кг,

(11)

πr2L×ρсталь≤0,05 кг.

Когда воздушный зазор между внутренним радиусом электромагнитной катушки и внешней поверхностью снаряда равен, радиус снаряда может быть выражен как:

(12)

πR-0,5 мм2L×ρсталь≤0,05 [кг].
2.2.2. Переменные проекта

Переменные в этой оптимизированной конструкции включают количество витков обмотки электромагнитной катушки в осевом направлении, количество витков электромагнитной катушки радиального направления, начальное расстояние между снарядом и электромагнитной катушкой, внутренний радиус электромагнитной катушки. катушки и длину снаряда, как показано на рис.4. Начальные значения, нижний предел и верхний предел проектных переменных приведены в таблице 2.

Рис. 4. Диаграмма, определяющая переменные в процедуре оптимизации конструкции змеевикового пистолета

Нижний предел, верхний предел и начальное значение проектных переменных выбираются на основе проектных значений из нашего предварительного исследования. Формулировка задачи проектирования представлена ​​в виде уравнения.(13):

(13)

Найти x1,  x2, x3,  x4, x5,
Чтобы максимизировать начальную скорость винтовой пушки,
При условии: I≤3000  A,   mprojectile≤0,05 кг,   1≤x1≤20,   1≤x2≤ 20,
5≤x3≤30,   5≤x4≤30,   4≤x5≤80.

Таблица 2. Выбранный нижний предел, верхний предел и начальное значение проектных переменных

Конструктивные переменные

Нижний предел

Исходное значение

Верхний предел

х1

Количество осевых витков катушки [витки]

1

11

20

х2

М

Количество радиальных витков катушки [витки]

1

9

20

х3

я

Интервал снаряда и катушки [мм]

5

5

30

х4

Р

Внутренний радиус электромагнитной катушки [мм]

5

5

30

х5

Л

Длина снаряда [мм]

4

10

80

2.3. Планирование экспериментов и моделирование

В этой статье мы разрабатываем эксперимент, учитывая количество переменных плана, количество уровней и ортогональность матрицы плана. Для эффективного анализа данных создается таблица ортогонального массива [9]. Мы использовали таблицу ортогональных массивов, предоставляемую средствами PIAnO. Это указывает соответственно на 32 эксперимента, 4 уровня и столбца. Количество экспериментов может быть получено уравнением. (14):

(14)

НСАТ=(НДВ+1)(НДВ+2)2,

, где количество экспериментов = 1.5∙NSAT, NDV: количество проектных переменных, NSAT: количество точек насыщения.

На основе ортогонального массива мы выбрали винтовые пушки 32 типов и измерили начальную скорость с помощью электромагнитного анализа для каждой модели. Анализ методом конечных элементов (МКЭ) выполняется с использованием коммерческого программного обеспечения для электромагнитного анализа MAXWELL. На рис. 5 показаны двумерные осесимметричные модели катушки и снаряда, а также график распределения напряженности магнитного поля соответственно.

Рис.5. а) 2D осесимметричная модель и б) график распределения напряженности магнитного поля

а)

б)

2.4. Метамодель

Метамодель аппроксимирует взаимосвязь между значением переменной и значением отклика аналитической модели во всех регионах или регионах, представляющих интерес. В этой статье мы выбираем модель Кригинга, одну из метамоделей, предоставляемых инструментами PIAnO. Кригинг — это метод прогнозирования значения для определения характеристического значения в интересующей точке.

После размещения в PIAnO результатов имитационного анализа экспериментальных результатов 32 моделей модель Кригинга может быть создана с использованием метода аппроксимации, предоставленного PIAnO [10].

2.5. Результат

Полученные результаты, оптимальная конструкция удовлетворяет ограничениям и начальная скорость пули оптимальной конструкции по сравнению с исходной конструкцией увеличивается на 30 %. Однако оптимальные результаты проектирования могут быть изменены на основе использования метамодели вместо фактической аналитической модели в этом исследовании.Точность результатов оптимизации должна быть подтверждена фактическим анализом с использованием MAXWELL. Для этого результаты модели Кригинга «Opt_meta» оптимальных проектных переменных и результаты анализа MAXWELL «Opt_exact» сравнивались, как показано на рис. 6. Ошибка «Opt_meta» и «Opt_exact» составляет около 6 %. Таким образом, мы подтвердили высокую точность предсказания модели Кригинга. Сравнение начальных и оптимальных значений проектных переменных приведено в таблице 3.

Рис.6. Сравнение исходной модели, метамодели и оптимальной модели

Таблица 3. Сравнение начальных значений и оптимальных значений проектных переменных

Конструктивные переменные

Нижний предел

Исходное значение

Оптимальное значение

Верхний предел

х1

Н (витков)

1

11

12

20

х2

М (витков)

1

9

6

20

х3

г (мм)

5

5

13

30

х4

Р (мм)

5

5

5

30

х5

Д (мм)

4

10

20

80

2.6. Эксперимент

Чтобы проверить результат оптимизации, мы изготовили прототип системы катушки, как показано на рис. 7. На рис. 8 и рис. 9 показана экспериментальная установка, включающая источник питания для подачи тока на катушку соленоида и измерительные приборы. . Как только электрический ток подается на катушку, разряжая конденсатор, снаряд запускается. ПЗС-камера (устройство с зарядовой связью) записывала движение снаряда, и данные о смещении снаряда получали каждую миллисекунду.

На рис. 10 показаны фотографии движущегося снаряда, снятые ПЗС-камерой. Основываясь на положении в каждый момент времени, можно рассчитать скорость снаряда. Скорость снаряда, вылетающего из винтовки исходной конструкции, составляет 30,0 м/с, а снаряда, вылетающего из оптимизированной винтовки, — 35,74 м/с.

Рис. 7. Прототип системы катушки пушки

Рис.8. Схема эксперимента

Рис. 9. Экспериментальная установка

Рис. 10. Фотографии движущегося снаряда, сделанные в разные моменты времени

а)t= 1,039 с

б)t= 1,043 с

в)t= 1,048 с

3.Заключение

1) Исследуемая проблема заключалась в оптимизации конструкции винтовой пушки для максимизации начальной скорости снаряда.

2) Дульная скорость моделей 32 типов рассчитывается с помощью электромагнитного анализа методом конечных элементов.

3) Процесс оптимизации выполняется с помощью инструментов PIAnO. Ортогональный массив, модель Кригинга, эволюционные алгоритмы (ЭА), предоставляемые инструментами PIAnO, используются в качестве методов планирования эксперимента, метамодели и оптимизации соответственно.

4) Начальная скорость пули оптимальной конструкции увеличивается на 30 % по сравнению с исходной конструкцией.

5) Точность метамодели – 94,3 %.

6) Для проверки оптимальной конструкции были изготовлены прототипы системы винтовой пушки и проведены эксперименты по запуску снарядов.

7) Разница в результатах между предсказанием КЭ моделирования и экспериментальными данными вызвана в основном механическим трением между снарядом и трубой пролетного пути.

Исследовательская работа с пушкой Гаусса. Сертификационная работа. Физический проект «Пушка Гауса. Установка деталей в корпус для Gauss Cannon

Текст работы размещается без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Рабочие файлы» в формате PDF

1. Введение.

Электромагнитная пушка Гаусса известна всем любителям компьютерных игр и фантастики. Он был назван в честь немецкого физика Карла Гаусса, исследовавшего принципы электромагнетизма.Но так ли далеко смертоносное фэнтезийное оружие от реальности?

Из школьного курса физики мы узнали, что электричество, проходя по проводникам, создает вокруг них магнитное поле. Чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Наибольший практический интерес представляет магнитное поле катушки с током, иначе говоря, индуктора (соленоида). Если катушку с током подвесить на тонких проводниках, то она будет установлена ​​в том же положении, что и стрелка компаса. Это означает, что индуктор имеет два полюса — северный и южный.

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится диэлектрический ствол. В один из концов ствола вставлен снаряд из ферромагнетика. При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его в соленоид. При этом на концах снаряда образуются полюса, симметричные полюсам катушки, благодаря чему, пройдя через центр соленоида, снаряд может притягиваться в обратном направлении и тормозиться.

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде 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 соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальной, но при дальнейшем подлете снаряда резко падала .

Пушка Гаусса как оружие имеет преимущества, которых нет у других видов стрелкового оружия.Это отсутствие гильз, неограниченный выбор начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела, в том числе без смены ствола и боеприпаса. Относительно низкая отдача (равна импульсу выброшенного снаряда, без дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей). Теоретически большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе и в открытом космосе. Также возможно использование пушек Гаусса для запуска легких спутников на орбиту.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту, использование его в качестве оружия сопряжено с серьезными трудностями:

Низкий КПД — около 10%. Отчасти этот недостаток можно компенсировать применением многоступенчатой ​​системы разгона снаряда, но в любом случае эффективность редко достигает 30%. Поэтому пушка Гаусса проигрывает по мощности выстрела даже пневматическому оружию. Вторая трудность — высокое энергопотребление и достаточно длительное время кумулятивной перезарядки конденсаторов, что вынуждает носить с собой источник питания вместе с пушкой Гаусса.Можно сильно повысить КПД за счет использования сверхпроводящих соленоидов, но для этого потребуется мощная система охлаждения, что сильно снизит мобильность пушки Гаусса.

Большое время перезарядки между выстрелами, т.е. низкая скорострельность. Бойтесь влаги, потому что при намокании самого стрелка будет бить током.

Но главная проблема это мощные источники питания пушек, которые в настоящее время громоздки, что сказывается на мобильности

Таким образом, сегодня пушка Гаусса для оружия с малой поражающей силой (автоматическое оружие, пулеметы и др.) не имеет больших перспектив как оружие, так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы появляются при использовании его в качестве крупнокалиберного морского оружия. Так, например, в 2016 году ВМС США начнут испытания рельсотрона на воде. Рейлган, или рельсотрон, это оружие, в котором выброс снаряда осуществляется не с помощью взрывчатого вещества, а с помощью очень мощного импульса тока. Снаряд располагается между двумя параллельными электродами — рельсами. Снаряд приобретает ускорение за счет силы Лоренца, возникающей при замыкании цепи.С помощью рельсотрона можно разогнать снаряд до гораздо больших скоростей, чем с пороховым зарядом.

Однако принцип электромагнитного ускорения масс можно с успехом использовать на практике, например, при создании строительных инструментов — актуального и современного направления прикладной физики. Электромагнитные устройства, преобразующие энергию поля в энергию движения тела, по разным причинам еще не нашли широкого применения на практике, поэтому имеет смысл рассказать о новинке нашей работы.

1.1Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала, изучив который возникла идея создать действующую модель пушки Гаусса.

1.2 Цель работы : изучить устройство электромагнитного ускорителя массы (пушки Гаусса), а также принципы его работы и применения. Соберите рабочую модель пушки Гаусса и определите скорость снаряда и его импульс.

Основные задачи :

1.Рассмотрим устройство по чертежам и схемам.

2. Изучить устройство и принцип работы электромагнитного ускорителя массы.

3. Создайте рабочую модель.

4. Определить скорость снаряда и его импульс.

Практическая часть работы :

Создание работающей модели ускорителя масс в домашних условиях.

1.3 Гипотеза : Можно ли создать дома простейшую действующую модель пушки Гаусса?

2.Кратко о самом Гауссе.

Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) был немецким математиком, астрономом, геодезистом и физиком. Работы Гаусса характеризуются органической связью теоретической и прикладной математики, широтой проблематики. Работы Гаусса оказали большое влияние на развитие алгебры (доказательство основной теоремы алгебры), теории чисел (квадратичные вычеты), дифференциальной геометрии (внутренняя геометрия поверхностей), математической физики (принцип Гаусса), теории электричества и магнетизм, геодезия (развитие метода наименьших квадратов) и многие разделы астрономии.

Карл Гаусс родился 30 апреля 1777 года в Брауншвейге, ныне Германия. Умер 23 февраля 1855 года в Геттингене, Ганноверское королевство, ныне Германия. Еще при жизни он был удостоен почетного звания «Принц математиков». Он был единственным сыном бедных родителей. Школьные учителя были настолько впечатлены его математическими и лингвистическими способностями, что обратились за поддержкой к герцогу Брауншвейгскому, и герцог дал деньги на продолжение учебы в школе и в Геттингенском университете (в 1795-98).Гаусс получил докторскую степень в 1799 году в Гельмштедтском университете.

Открытия в области физики

В 1830-1840 годах Гаусс много внимания уделял проблемам физики. В 1833 году в тесном сотрудничестве с Вильгельмом Вебером Гаусс построил первый в Германии электромагнитный телеграф. В 1839 г. выходит сочинение Гаусса «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», в котором он излагает основные положения теории потенциала и доказывает знаменитую теорему Гаусса-Остроградского.Работа «Диоптрические исследования» (1840) Гаусса посвящена теории изображения в сложных оптических системах

3. Формулы, относящиеся к принципу действия пистолета.

Кинетическая энергия снаряда

где: — масса снаряда, — его скорость

Энергия, накопленная в конденсаторе

где: — напряжение конденсатора, — емкость конденсатора

Время разряда конденсатора

Это время, необходимое для полной разрядки конденсатора:

Время работы индуктора

Это время, в течение которого ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0.

где: — индуктивность, — емкость

Одним из основных элементов пушки Гаусса является электрический конденсатор. Конденсаторы бывают полярными и неполярными — почти все конденсаторы большой емкости, применяемые в магнитных ускорителях, электролитические и полярные. То есть очень важно его правильное подключение — на клемму «+» подаем положительный заряд, а на «-» — отрицательный. Алюминиевый корпус электролитического конденсатора, кстати, тоже является выводом «-». Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение, можно найти энергию, которую может накопить этот конденсатор

4.Практическая часть

Наш дроссель C имеет 30 витков (3 слоя по 10 витков в каждом). Два конденсатора общей емкостью 450 мкФ. Модель собрана по следующей схеме: см. Приложение 1.

Определение скорости полета снаряда, вылетающего из «ствола» нашей модели, мы проводили опытным путем с помощью баллистического маятника. Опыт основан на законах сохранения импульса и энергии. Поскольку скорость пули достигает значительной величины, непосредственное измерение скорости, т. е. определение времени прохождения пулей известного нам расстояния, требует специальной аппаратуры.Мы измерили скорость пули косвенно, используя неупругий удар — удар, который заставляет сталкивающиеся тела соединяться вместе и продолжать двигаться как одно целое. Летящий снаряд испытывает неупругий удар свободным телом большей массы. После удара тело начинает двигаться со скоростью, которая настолько меньше скорости пули, насколько масса пули меньше массы тела.

Неупругий удар характеризуется тем, что потенциальная энергия упругой деформации не возникает, кинетическая энергия тел полностью или частично переходит во внутреннюю энергию.После удара сталкивающиеся тела либо движутся с одинаковой скоростью, либо находятся в состоянии покоя. Для абсолютно неупругого удара выполняется закон сохранения импульса:

где — скорость тел после взаимодействия.

Закон сохранения количества движения (импульса) применяется, если взаимодействующие тела образуют изолированную механическую систему, то есть систему, на которую не действуют внешние силы, либо внешние силы, действующие на каждое из тел, уравновешивают друг друга, либо проекции внешних сил на определенное направление равны нулю.

При неупругом ударе кинетическая энергия не сохраняется, так как часть кинетической энергии снаряда переходит во внутреннюю часть соударяющихся тел, но закон сохранения полной механической энергии выполняется и может быть записан:

где – приращение внутренней энергии взаимодействующих тел.

4.1 Методология исследования.

Баллистический маятник, который мы использовали, представляет собой деревянный брусок со слоем пластилина. Мишень М подвешена на двух длинных почти нерастяжимых нитях.На мишени крепится лазерный целеуказатель, луч которого при отклонении маятника (после удара снаряда) перемещается по горизонтальной шкале (рис. 1).

На некотором расстоянии от маятника находится пушка Гаусса. После удара снаряд массой m застревает в мишени M . Система снаряд-мишень изолирована в горизонтальном направлении. Поскольку длина л нити значительно превышает линейные размеры мишени, то систему снаряд-мишень можно рассматривать как математический маятник.После попадания снаряда центр масс системы «снаряд-цель» поднимается на высоту ч .

Исходя из закона сохранения импульса в проекции на ось x (см. рис. 1), имеем:

Где скорость снаряда, где скорость снаряда и маятника.

Пренебрегая трением в подвесе маятника и силой сопротивления воздуха, исходя из закона сохранения энергии, можем написать:

где высота системы после удара.

Значение h можно определить из измерений отклонения маятника от положения равновесия после попадания пули в цель (рис. 2):

где а — угол отклонения маятника от положения равновесия.

Для малых углов отклонения:

где — горизонтальное перемещение маятника.

Подставляя последнюю формулу к проекции закона сохранения импульса на ось, находим:

4.2 Результаты измерений.

Определили массу m снаряда взвешиванием на механических лабораторных весах:

м = 3 г. = 0,003 кг.

Масса М мишени со слоем пластилина и лазерной указкой указана в описании лабораторной установки.

М = 297 г. = 0,297 кг.

Длины нитей подвеса должны быть одинаковыми, а ось вращения строго горизонтальной.

В этой части мы измерили длину нитей с помощью линейки.

л = 147 см = 1,47 м.

После выстрела снаряженной снарядом пушки Гаусса визуально определяется факт попадания пули в центр маятника.

Для дальнейших расчетов отмечаем на шкале положение n 0 светового индикатора в состоянии равновесия мишени и положение n светового индикатора при максимальном отклонении маятника и находим перемещение S = (n — n 0) маятника.

Измерения проводились 5 раз.При этом повторные выстрелы производились только по неподвижной цели. Результаты измерений представлены ниже:

S ср = = 14 мм = 0,014 м,

и рассчитал скорость ʋ 0 снаряда по формуле.

U 0 = =12,96 км/ч

Определение погрешностей измерения. Определение производится по формуле: , где l₀ – среднее значение длин, Δ l – среднее значение ошибки. Мы уже определили среднее значение длин на предыдущих шагах, поэтому нам осталось определить среднее значение ошибки.Определим его по формуле: Δ l = Теперь мы можем присвоить значение длины с ошибкой: Нахождение импульса снаряда. Импульс определяется по формуле: , где — скорость снаряда. Подставляем значения:

5. Заключение.

Целью нашей работы было изучение устройства электромагнитного ускорителя массы (пушки Гаусса), а также принципов его работы и применения, а также изготовление рабочей модели пушки Гаусса и определение скорости снаряд.Представленные нами результаты показывают, что мы создали экспериментальную действующую модель электромагнитного ускорителя массы (пушки Гаусса). При этом мы упростили имеющиеся в интернете схемы и адаптировали модель для работы в стандартной промышленной сети переменного тока. Наша работа позволяет сделать следующие выводы:

1. Собрать действующий прототип электромагнитного ускорителя массы в домашних условиях вполне реально.

2. Использование электромагнитного ускорения массы имеет большие перспективы в будущем.

3. Электромагнитное оружие может стать достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному оружию. Особенно это будет возможно при создании компактных источников энергии.

6. Информационные ресурсы :

Википедия http://ru.wikipedia.org

Новое электромагнитное оружие 2010 г. http://vpk. название/новости/40378_новое_электромагнитное_оружие_выживает_всеобщий_интерес. html

13 395 просмотров

Мощная модель знаменитой пушки Гаусса, которую можно сделать своими руками из подручных средств, довольна.Эта самодельная пушка Гаусса делается очень просто, имеет облегченную конструкцию, у каждого любителя самоделок и радиолюбителя найдутся все используемые детали. С помощью программы расчета катушки можно получить максимальную мощность.

Итак, для изготовления Пушки Гаусса нам понадобится:

  1. Кусок фанеры.
  2. Листовой пластик.
  3. Трубка пластиковая для дула ∅5 мм.
  4. Медная проволока для катушки ∅0,8 мм.
  5. Большие электролитические конденсаторы
  6. кнопка запуска
  7. Тиристор 70TPS12
  8. Аккумуляторы 4X1.5В
  9. Лампа накаливания и патрон к ней 40Вт
  10. Диод 1N4007

Сборка корпуса для схемы пушки Гаусса

Форма корпуса может быть любой, не обязательно придерживаться представленной схемы. Для придания корпусу эстетичного вида можно покрасить его краской из баллончика.

Установка деталей в корпус пушки Гаусса

Для начала монтируем конденсаторы, в данном случае они были закреплены на пластиковых стяжках, но можно придумать и другое крепление.

Затем устанавливаем патрон для лампы накаливания на внешнюю часть корпуса. Не забудьте подключить к нему два провода питания.

Затем помещаем батарейный отсек внутрь корпуса и фиксируем, например, шурупами по дереву или другим способом.

Обмотка катушки для пушки Гаусса

Для расчета катушки Гаусса можно использовать программу FEMM, скачать программу FEMM можно по этой ссылке https://code.google.com/archive/p/femm-койлган

Пользоваться программой очень легко, нужно ввести в шаблон необходимые параметры, загрузить их в программу, и на выходе мы получаем все характеристики катушки и будущего ружья в целом, вплоть до скорости снаряд.

Итак, начинаем наматывать! Для начала нужно взять подготовленную трубочку и обмотать ее бумагой с помощью клея ПВА так, чтобы внешний диаметр трубочки был 6 мм.

Затем в центре сегментов сверлим отверстия и надеваем их на трубку.Зафиксируйте их горячим клеем. Расстояние между стенками должно быть 25 мм.

Ставим катушку на ствол и переходим к следующему шагу…

Схема Пушки Гаусса. Сборка

Собираем схему внутри корпуса методом поверхностного монтажа.

Затем устанавливаем кнопку на корпус, сверлим два отверстия и продеваем туда провода для катушки.

Для упрощения использования можно сделать подставку для пистолета.В данном случае он был сделан из деревянного бруска. В этом варианте лафета по краям ствола оставлены зазоры, это необходимо для того, чтобы регулировкой катушки, перемещая катушку, можно было добиться наибольшей мощности.

Пушечные снаряды сделаны из металлического гвоздя. Сегменты выполнены длиной 24 мм и диаметром 4 мм. Заготовки патронов необходимо затачивать.

1

Эта статья является кратким изложением основной работы.Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и другие Дополнительные материалы размещены на сайте II Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://www.school-science.ru/2017 /11/26807.

Мой интерес к реконструкции пушки Гаусса обусловлен простотой сборки и доступностью материалов, простотой эксплуатации с одной стороны и высокой энергоемкостью с другой, что и определило основную проблему исследования.Область применения электромагнитного ускорителя в быту изучена недостаточно. Создать модель ускорителя масс, на основе анализа экспериментальных данных выяснить, где может быть использована пушка Гаусса, в каких областях жизни человека.

Эти противоречия актуализировали и определили выбор темы исследования: «Пушка Гаусса – оружие или игрушка?».

Почему я выбрал эту тему? Я заинтересовался конструкцией пушки и решил создать модель такой пушки Гаусса, т.е.е. любительская установка. Его можно использовать как игрушку. Но, создавая модель, я стал задумываться, где еще можно применить пушку Гаусса и как сконструировать более мощную пушку, что для этого нужно?! Как можно увеличить бегущее электромагнитное поле?

Цель работы: Создать и исследовать различные варианты конструкции пушки Гаусса при изменении физических параметров деталей пушки.

Цели исследования:

1. Создать действующую модель пушки Гаусса для демонстрации явления электромагнитной индукции на уроках физики.

2. Исследуйте эффективность пушки Гаусса по емкости конденсатора и индуктивности соленоида.

3. По результатам исследования предложить новые области применения пистолета в области жизнеобеспечения человека.

Предметом исследования является явление электромагнитной индукции.

Объектом исследования является модель пушки Гаусса.

Методы исследования:

1. Анализ научной литературы.

2.Моделирование материалов, дизайн.

3. Экспериментальные методы исследования

4. Анализ, обобщение, дедукция, индукция.

Практическая значимость: Данное устройство может быть использовано для демонстрации на уроках физики, что будет способствовать лучшему усвоению учащимися этих физических явлений.

Пушка Гаусса (англ. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя массы.

Назван в честь немецкого ученого Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.Следует иметь в виду, что этот способ ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как он недостаточно эффективен для практической реализации. По принципу действия (создание бегущего магнитного поля) он аналогичен устройству, известному как линейный двигатель.

Принцип работы пушки Гаусса

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (обычно из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (из ферромагнетика).При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его в соленоид. При этом на концах снаряда образуются полюса, ориентированные по полюсам катушки, благодаря чему, пройдя через центр соленоида, снаряд притягивается в обратном направлении, т. е. замедляется вниз. В любительских схемах иногда используют постоянный магнит, так как легче бороться с возникающей при этом ЭДС индукции.Такой же эффект возникает и при использовании ферромагнетиков, но он не столь выражен из-за того, что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используют электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при приближении снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальной при приближении снаряда к соленоиду, но резко падала при приближении снаряда к соленоиду подходит.Стоит отметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.

Создание и отладка пушки Гаусса

Простейшие конструкции можно собрать из подручных материалов даже со школьными знаниями физики.

Начнем сборку пистолета с соленоида (дроссель без сердечника). Ствол катушки представляет собой кусок пластиковой соломки длиной 40 см. Всего нужно намотать 9 слоев. На практике я обнаружил, что два слоя обмотки возбуждения лучше наматывать проводником в поливинилхлоридной изоляции, которая при этом не должна быть слишком толстой (не более 1,5 см).диаметром 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 батарее: она действует как электромагнит. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле снаряда к моменту приближения снаряда к середине обмотки ток в последней уже успел снизиться до минимума значение, то есть заряд конденсаторов был бы полностью израсходован.В этом случае эффективность одноступенчатой ​​пушки Гаусса будет максимальной. Далее собираем электрическую схему, закрепляем ее элементы на неподвижной подставке. Пушке можно придать форму пистолета, поместив части цепи в корпус пластиковой детской игрушки. Но я поместил цепочку в корпус картонной коробки.

В соответствии с описанной технологией я создал две действующие модели. Я провел параллельный эксперимент, соответственно изменив систему конденсаторов (во второй модели конденсаторов несколько, в первой — один), количество витков соленоида, различные типы соединения участков цепи.

При осмотре пушки пришел к выводу, что материалы для сборки установки имеются; в мире есть много литературы, помогающей разобраться в принципах работы ружья и различных способах его сборки. Но при использовании пистолета возникает проблема его использования, что в современном мире пистолет может применяться только в военных и космических интересах, т.к. очень сложно рассчитать поведение катушки при применении моделей в других сферах жизни человека.

Я узнал, что теоретически возможно использовать пушки Гаусса для запуска легких спутников на орбиту. Основное применение — любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также довольно активно используется как детская игрушка или самодельная установка, развивающая техническое творчество (простота и относительная безопасность).

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование ее в качестве оружия сопряжено с серьезными трудностями, основная из которых — большие энергозатраты.

Первая и основная трудность – низкий КПД установки. Только 1-7% заряда конденсатора уходит в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать применением многоступенчатой ​​системы разгона снаряда, но в любом случае эффективность редко достигает 27%. Вообще в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной применения мощных ключей для открытия катушки (правило Ленца).

Вторая сложность — большое энергопотребление (из-за низкого КПД).

Третья трудность (вытекает из первых двух) — большой вес и габариты установки при ее низком КПД.

Четвертая трудность — довольно долгое время накопительной подзарядки конденсаторов, что заставляет носить с собой вместе с пушкой Гаусса источник питания (обычно мощный аккумулятор), а также их высокая стоимость. Теоретически можно повысить КПД, если использовать сверхпроводящие соленоиды, но для этого потребуется мощная система охлаждения, что создает дополнительные проблемы и серьезно влияет на объем установки.Или используйте сменные конденсаторы батареи.

Пятая трудность заключается в том, что с увеличением скорости снаряда длительность магнитного поля при пролете снарядом соленоида значительно сокращается, что приводит к необходимости не только включать каждую следующую катушку многоступенчатой ​​системы заранее, но и увеличивать мощность своего поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу игнорируется, так как большинство самодельных систем имеют либо малое количество катушек, либо недостаточную скорость пули.

В условиях водной среды использование ружья без защитного кожуха также серьезно ограничено — достаточно дистанционной индукции тока для диссоциации солевого раствора на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.

Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса не имеет перспектив как оружие, так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающим на других принципах. Теоретически перспективы, конечно, возможны при создании компактных и мощных источников электрического тока и высокотемпературных сверхпроводников (200-300К).Однако установка, подобная пушке Гаусса, может быть использована в открытом космосе, так как многие недостатки таких установок нивелируются вакуумом и невесомостью. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снаряды с большим количеством мелких поражающих частей), либо объектов на земной поверхности.

Испытания пушки Гаусса

дали показатель КПД 27%.То есть, по мнению специалистов, выстрел из гаусса проигрывает даже китайской пневматике. Перезарядка медленная — о скорострельности не может быть и речи. И самая большая проблема в том, что нет мощных, мобильных источников энергии. И пока эти источники не будут найдены, об оружии с гаусс-пушками можно забыть.

Библиографическая ссылка

Бекетов К.С. ПИСТОЛЕТ ГАУССА — ОРУЖИЕ ИЛИ ИГРУШКА? // Научный вестник Международной школы. — 2016. — № 3. — С. 45-47;
URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=74 (дата обращения: 24.08.2019).

Пистолет Гаусса. Студенты-исследователи 9 «А» класса Куричин Олег и Козлов Константин.

Пушка Гаусса — наиболее распространенное название устройства, принцип работы которого основан на использовании мощного электромагнита для ускорения объектов. Обычно электромагнит состоит из ферромагнитного сердечника, на который намотан провод (далее обмотка). При прохождении тока через обмотку создается магнитное поле.

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (обычно из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его в соленоид. При этом снаряд получает на концах полюса заряд, симметричный зарядам полюсов катушки, благодаря чему, пройдя через центр соленоида, снаряд притягивается в обратном направлении, т.е.д., тормозит.

Но если в момент прохождения снаряда через середину соленоида в нем отключить ток, то магнитное поле исчезнет, ​​и снаряд вылетит из другого конца ствола. При отключении источника питания в катушке образуется ток самоиндукции, который имеет противоположное направление тока, и поэтому меняет полярность катушки.

А это значит, что при внезапном отключении источника питания снаряд, пролетевший по центру катушки, будет отталкиваться и ускоряться дальше.В противном случае, если снаряд не достиг центра, он замедлится. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным.

Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле снаряда к моменту приближения снаряда к середине обмотки ток в последней уже успел снизиться до минимума значение (то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован).В этом случае эффективность одноступенчатой ​​пушки Гаусса будет максимальной.

Установки только с одним змеевиком обычно не очень эффективны. Для достижения действительно высокой скорости полета снаряда требуется собрать систему, в которой катушки будут включаться одна за другой, втягивая снаряд в себя, и автоматически отключаться при достижении им середины катушки. На рисунке показан вариант аналогичной установки с несколькими змеевиками.

Пушка Гаусса как оружие имеет преимущества, которых нет у других видов стрелкового оружия.Это отсутствие снарядов и неограниченный выбор начальной скорости и энергии боеприпаса, а также скорострельности орудия, возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука), в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равна импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или подвижных частей), теоретически большая надежность и износостойкость, а также способность работать в любых условиях, в том числе в открытом космосе.

Естественно, такие разработки интересуют военных. В 2008 году американцы собрали пушку EMRG. Вот, немного об этом: 02. 2008 г. прошла испытания самая мощная электромагнитная пушка в мире. ВМС США провели испытание самой мощной в мире на полигоне в Вирджинии электромагнитной пушки EMRG. Пушка EMRG, предназначенная для надводных кораблей, считается перспективным оружием второй половины XXI века. В первую очередь потому, что это устройство без помощи порохового заряда придает снаряду скорость 9 тыс. км/ч, что в несколько раз превышает скорость звука.Такую скорость снаряд приобретает за счет полета через мощное электромагнитное поле, создаваемое пушкой. Убойная сила такого снаряда также очень высока. В ходе испытаний из-за высокой кинетической энергии снаряд полностью разрушил старый бетонный бункер. Это означает, что в будущем для уничтожения таких объектов можно будет отказаться от взрывчатых веществ. Также снаряд с электромагнитным ускорением способен преодолевать более длинный путь, чем обычные снаряды — до 500 км.Ну и главное преимущество электромагнитной пушки в том, что ее снаряды не взрывоопасны, а значит более безопасны. Вдобавок к этому он не оставляет после себя гильз с пороховым или химическим зарядом.

Однако военные США не единственные, кто строит пушки Гаусса. Не так давно Алан Парек собрал собственную инсталляцию. На его создание у него ушло 40 часов и 100 евро. Ружье весит 5 кг, рассчитано на 14 выстрелов и имеет полуавтоматический режим стрельбы. Вот фото этой установки.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и ее преимущества, использование ее в качестве оружия сопряжено с серьезными трудностями. Первая трудность – низкий КПД установки. Только 1-7% заряда конденсатора преобразуется в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать применением многоступенчатой ​​системы разгона снаряда, но в любом случае эффективность редко достигает даже 27%. Поэтому пушка Гаусса проигрывает даже пневматическому оружию по мощности выстрела.Вторая трудность — высокое энергопотребление (из-за низкого КПД) и довольно длительное время перезарядки конденсаторов, что вынуждает носить с собой источник питания (обычно мощную батарею) вместе с пушкой Гаусса. Можно сильно повысить КПД за счет использования сверхпроводящих соленоидов, но для этого потребуется мощная система охлаждения, что сильно снизит мобильность пушки Гаусса. Третья трудность вытекает из первых двух. Это большой вес и габариты установки при ее низком КПД.

Мы также собрали аналогичную установку, используя стеклянную трубку длиной около 1 м, катушку индуктивности на 100 витков и 3 конденсатора емкостью 58 мкм каждый. F (все это было найдено на уроке физики).

Мы собрали различные варианты крепления и попытались установить, какая форма снаряда будет наиболее подходящей для стрельбы. L снаряд 1см 2см 3см 4см L выстрел 1,5м 3,14м 3,2мм D снаряд 1см 0,5см 1мм L выстрел 1,87м2, 87м3, 21м2 , 5м Таблица 2. Изменение длины снаряда (толщина постоянна).0,5 мм Таблица 3. Изменение толщины снаряда (длина L = 3 см, лучшее из предыдущего опыта).

Второй нашей целью было выяснить, сколько витков в катушке установки и какая емкость конденсаторов позволит снаряду лететь лучше всего. 174 100000 C 58 116 мкм конденсат мкм мкм. F F ra F F L выстрел 0,9 м 1,7 м 3,1 м 0,6 м N обороты 0,2 м 100 шт L выстрел 3,07 м 200 шт 300 шт 400 шт 2,84 м 2,7 м 2,56 м

Лучшие характеристики снаряда и установки в предыдущей Вы можете видеть, что в большинстве таблиц лучшие характеристики выделены красным цветом.находятся в «середине», между наибольшим и наибольшим U от 40 до 80 до 160 до 220 до малых значений. conden Это довольно легко объяснить. sator Время полной разрядки конденсатора равно одной четверти периода. Следовательно, имея большую емкость, конденсатор L 1 м 1,7 м 3,3 м 3,21 м будет долго разряжаться. В результате мы получим небольшую дальность выстрела снаряда. la Также установка с малым напряжением конденсатора в результате имеет большую емкость, что, как было сказано выше, влияет на дальность полета снаряда..

Как видно из таблицы, длина ствола здесь особой роли не играет. Снаряд L 1,7 см 0,5 м 1 м Выстрел L 3,01 м 2,98 м 3,08 м Тем не менее, одна из целей нашего исследования была достигнута — мы выяснили, какие характеристики катушки и снаряда позволят последнему пролететь дальше всего. Как уже было сказано, это емкость 174 мк. F, длина ствола 1 м и 100 витков в катушке. Напряжение конденсаторов мы взяли 220 В. Гвоздь, используемый в качестве снаряда, имеет диаметр около 1 мм и длину 3 см.

После всех исследований мы поняли следующее: Доказана возможность существования пушки Гаусса, а значит, цель исследования достигнута.

Приводим схему электромагнитной пушки на таймере NE555 и микросхеме 4017B.

Принцип действия электромагнитной (гауссовой) пушки основан на быстрой последовательной работе электромагнитов L1-L4, каждый из которых создает дополнительную силу, ускоряющую металлический заряд.Таймер NE555 посылает на микросхему 4017 импульсы с периодом примерно 10 мс, о частоте импульсов сигнализирует светодиод D1.

При нажатии кнопки РВ1 микросхема IC2 последовательно с одинаковым интервалом открывает транзисторы от TR1 до TR4, в коллекторную цепь которых включены электромагниты L1-L4.

Для изготовления этих электромагнитов нам понадобится медная трубка длиной 25 см и диаметром 3 мм. Каждая катушка содержит 500 витков эмалированного провода диаметром 0,315 мм. Катушки должны быть изготовлены таким образом, чтобы они могли свободно двигаться.В качестве снаряда выступает кусочек гвоздя длиной 3 см и диаметром 2 мм.

Пистолет может питаться как от аккумулятора 25 В, так и от сети переменного тока.

Меняя положение электромагнитов, добиваемся наилучшего эффекта, из рисунка выше видно, что интервал между каждым витком увеличивается — это связано с увеличением скорости снаряда.

Это, конечно, не настоящая пушка Гаусса, а рабочий прототип, на базе которого можно, усилив схему, собрать более мощную пушку Гаусса.

Прочие виды электромагнитного оружия.

Помимо магнитных ускорителей массы, существует множество других видов оружия, для работы которых используется электромагнитная энергия. Рассмотрим самые известные и распространенные их виды.

Электромагнитные ускорители массы .

Помимо «гаусс-пушек» существует как минимум 2 типа ускорителей массы — индукционные ускорители массы (катушка Томпсона) и рельсовые ускорители массы, также известные как «рельсовые пушки» (от англ. «Rail gun» — рельсовая пушка) .

Работа индукционного ускорителя масс основана на принципе электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из токопроводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо, в нем возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположного направления относительно поля обмотки.Кольцо своим полем начинает отталкиваться от поля обмотки и разгоняется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.

В противном случае работает рельсовый ускоритель масс. В нем токопроводящий снаряд движется между двумя рельсами — электродами (отсюда и получил свое название — рельсотрон), по которым подается ток.

Источник тока подключен к рельсам у их основания, поэтому ток течет как бы в погоне за снарядом и магнитное поле, создаваемое вокруг токонесущих проводников, полностью концентрируется за токопроводящим снарядом.В этом случае снаряд представляет собой проводник с током, помещенный в перпендикулярное магнитное поле, создаваемое рельсами. По всем законам физики на снаряд действует сила Лоренца, направленная в сторону, противоположную точке соединения рельсов, и ускоряющая снаряд. Ряд серьезных проблем — импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел испариться (ведь через него протекает огромный ток!), а возникла бы ускоряющая сила, ускоряющая его вперед.Поэтому материал снаряда и рельса должен иметь максимально возможную проводимость, снаряд должен иметь как можно меньшую массу, а источник тока должен иметь как можно большую мощность и меньшую индуктивность. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхвысоких скоростей. На практике рельсы изготавливаются из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используются алюминиевые бруски, в качестве источника питания используется батарея высоковольтных конденсаторов, и перед входом в рельсы снаряду стараются дать как можно больше с максимальной начальной скоростью, используя пневматические или огнестрельные ружья.

Помимо ускорителей массы, к электромагнитному оружию относятся источники мощного электромагнитного излучения, такие как лазеры и магнетроны.

Все знают лазер. Он состоит из рабочего тела, в котором при выстреле создается инверсная населенность квантовых уровней электронами, резонатора для увеличения пробега фотонов внутри рабочего тела и генератора, который будет создавать эту самую инверсную населенность. В принципе, инверсную населенность можно создать в любом веществе, и в наше время проще сказать, из чего НЕ делают лазеры.

Лазеры можно классифицировать по рабочему телу: рубиновые, СО2, аргоновые, гелий-неоновые, твердотельные (GaAs), спиртовые и др., по режиму работы: импульсные, непрерывные, псевдонепрерывные, можно классифицировать по количеству используемых квантовых уровней: 3-уровневый, 4-уровневый, 5-уровневый. Лазеры также классифицируют по частоте генерируемого излучения — микроволновые, инфракрасные, зеленые, ультрафиолетовые, рентгеновские и др. КПД лазеров обычно не превышает 0,5%, но сейчас ситуация изменилась — полупроводниковые лазеры (на основе GaAs твердотельные лазеры) имеют КПД более 30% и сегодня могут иметь выходную мощность до 100 (!) Вт, т.е.е. сопоставимы с мощными «классическими» рубиновыми или СО2 лазерами. Кроме того, существуют газодинамические лазеры, наименее похожие на лазеры других типов. Их отличие в том, что они способны производить непрерывный луч огромной мощности, что позволяет использовать их в военных целях. По сути, газодинамический лазер представляет собой реактивный двигатель, в котором имеется резонатор, перпендикулярный потоку газа. Раскаленный газ, выходящий из сопла, находится в состоянии инверсии населённостей.

Стоит добавить к нему резонатор — и в космос полетит многомегаваттный поток фотонов.

СВЧ-пушки — основным функциональным узлом является магнетрон — мощный источник СВЧ-излучения. Недостатком СВЧ-пушек является их чрезмерная опасность применения даже по сравнению с лазерами — СВЧ-излучение хорошо отражается от препятствий и в случае стрельбы в помещении облучению подвергнется буквально все внутри! Кроме того, мощное микроволновое излучение смертельно опасно для любой электроники, что тоже необходимо учитывать.

А почему, собственно, именно «гаусс-пушки», а не дисковые пусковые установки Томпсона, рельсотроны или лучевое оружие?

Дело в том, что из всех видов электромагнитного оружия именно гаусс-пушка наиболее проста в изготовлении.Кроме того, он имеет достаточно высокий КПД по сравнению с другими электромагнитными стрелковками и может работать при низких напряжениях.

На следующем уровне сложности находятся индукционные ускорители — дисковые метатели Томпсона (или трансформаторы). Для их работы требуются несколько более высокие напряжения, чем обычные гауссианы, далее, пожалуй, наиболее сложны лазеры и микроволны, и на самом последнем месте стоит рельсотрон, требующий дорогих конструкционных материалов, безупречной точности расчета и изготовления, дорогого и мощного источника энергии (батарея высоковольтных конденсаторов) и много других дорогих вещей.

Кроме того, гаусс-пушка, несмотря на свою простоту, имеет невероятно большой простор для конструкторских решений и инженерных изысканий — так что это направление достаточно интересное и перспективное.

Самодельный микроволновый пистолет

Прежде всего предупреждаю: это оружие очень опасно, соблюдайте максимальную степень осторожности при изготовлении и эксплуатации!

Короче, я тебя предупредил. А теперь приступим к изготовлению.

Берем любую микроволновую печь, желательно самую маломощную и дешевую.

Если сгорел, не беда — лишь бы магнетрон работал. Вот его упрощенная схема и внутренний вид.

1. Лампа освещения.
2. Вентиляционные отверстия.
3. Магнетрон.
4. Антенна.
5. Волновод.
6. Конденсатор.
7. Трансформатор.
8. Панель управления.
9. Привод.
10. Вращающийся лоток.
11. Сепаратор с роликами.
12. Дверная защелка.

Далее извлекаем оттуда этот самый магнетрон.Магнетрон разрабатывался как мощный генератор электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона для использования в радиолокационных системах. В микроволновых печах установлены магнетроны с частотой микроволн 2450 МГц. В работе магнетрона используется процесс движения электронов при наличии двух полей — магнитного и электрического, перпендикулярных друг другу. Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу или диод, содержащую раскаленный катод, испускающий электроны, и холодный анод. Магнетрон помещен во внешнее магнитное поле.

Пушка Гаусса своими руками

Анод магнетрона имеет сложную монолитную конструкцию с системой резонаторов, необходимой для усложнения структуры электрического поля внутри магнетрона. Магнитное поле создается катушками с током (электромагнитом), между полюсами которых помещен магнетрон. Если бы не было магнитного поля, то эмитированные с катода электроны практически без начальной скорости двигались бы в электрическом поле по прямым линиям, перпендикулярным катоду, и все попадали бы на анод.В присутствии перпендикулярного магнитного поля траектории электронов изгибаются под действием силы Лоренца.

Бывшие в употреблении магнетроны продаются на нашем радиобазаре по 15 уе.

Это магнетрон в разрезе и без радиатора.

Теперь вам нужно узнать, как привести его в действие. На схеме видно, что необходимое накаливание 3В 5А и анод 3кВ 0,1А. Указанные значения мощности применимы для магнетронов от слабых СВЧ, а для мощных могут быть несколько больше.Мощность современных магнетронов микроволновых печей составляет около 700 Вт.

Для компактности и мобильности СВЧ-пушки эти значения можно несколько уменьшить — лишь бы генерация происходила. Запитать магнетрон будем от преобразователя с аккумулятором от компьютерного источника бесперебойного питания.

Паспортное значение 12 вольт 7,5 ампер. Нескольких минут боя должно хватить. Накал магнетрона 3В, получаем с помощью микросхемы стабилизатора LM150.

Желательно включать накал за несколько секунд до включения анодного напряжения. А киловольты на анод берем с преобразователя (см. схему ниже).

Питание накала и П210 подается включением главного тумблера за несколько секунд до выстрела, а сам выстрел производится кнопкой подачи питания на задающий генератор на П217-х. Данные трансформатора взяты из той же статьи, только вторичка Тр2 намотана 2000 — 3000 витками ПЭЛ0.2. С полученной обмотки перемена подается на простейший однополупериодный выпрямитель.

Конденсатор высоковольтный и диод можно взять от микроволновки, или если не заменить на 0,5 мкФ — 2кВ, диод — КЦ201Е.

Для направленности излучения, и срезания обратных лепестков (чтобы не зацепило сам), помещаем магнетрон в рупор. Для этого используем металлический рожок от школьных звонков или громкоговорителей стадиона. В крайнем случае можно взять цилиндрическую литровую банку из-под краски.

Вся микроволновая пушка размещена в корпусе из толстой трубы диаметром 150-200 мм.

Ну вот, пушка готова. С его помощью можно выжигать бортовой компьютер и сигнализацию в автомобилях, выжигать мозги и телевизоры злобным соседям, охотиться на бегающих и летающих тварей. Я надеюсь, что вы никогда не запускаете этот микроволновый инструмент — для вашей же безопасности.

Составитель: Патлах В.В.
http://патлах.ru

ВНИМАНИЕ!

Пушка Гаусса (винтовка Гаусса)

Другие названия: гаусс-пушка, гаусс-пушка, гаусс-винтовка, гаусс-пушка, бустерная винтовка.

Винтовка Гаусса (или ее более крупный вариант, пушка Гаусса), как и рельсотрон, является электромагнитным оружием.

Пушка Гаусса

На данный момент боевых промышленных образцов не существует, хотя ряд лабораторий (в основном любительских и университетских) продолжают усиленно работать над созданием этого оружия.Система названа в честь немецкого ученого Карла Гаусса (1777-1855). С какого перепугу математик удостоился такой чести, я лично понять не могу (пока не могу, вернее, у меня нет соответствующих сведений). Гаусс имел гораздо меньше отношения к теории электромагнетизма, чем, например, Эрстед, Ампер, Фарадей или Максвелл, но, тем не менее, пушка была названа его именем. Название прижилось, и поэтому мы будем использовать его.

Принцип действия:
Винтовка Гаусса состоит из катушек (мощных электромагнитов), закрепленных на стволе из диэлектрика.При подаче тока электромагниты на некоторое короткое время включаются один за другим в направлении от ствольной коробки к дульному срезу. Они по очереди притягивают к себе стальную пулю (иглу, дротик или снаряд, если говорить о пушке) и тем самым разгоняют ее до значительных скоростей.

Преимущества оружия:
1. Без патрона. Это позволяет значительно увеличить вместимость магазина. Например, в магазин на 30 патронов можно загрузить 100-150 пуль.
2. Высокая скорострельность. Теоретически система позволяет начать разгон следующей пули еще до того, как предыдущая покинет ствол.
3. Тихая стрельба. Сама конструкция оружия позволяет избавиться от большинства акустических составляющих выстрела (см. обзоры), поэтому стрельба из гаусс-винтовки выглядит как серия малозаметных хлопков.
4. Отсутствие демаскирующей вспышки. Эта функция особенно полезна ночью.
5. Низкая доходность. По этой причине при выстреле ствол оружия практически не задирается вверх, в связи с чем повышается точность стрельбы.
6. Надежность. Винтовка Гаусса не использует патроны, а потому сразу отпадает вопрос о некачественном боеприпасе. Если вдобавок к этому вспомнить об отсутствии ударно-спускового механизма, то само понятие «осечка» можно забыть как страшный сон.
7. Повышенная износостойкость. Это свойство обусловлено малым количеством подвижных частей, малыми нагрузками на узлы и детали при стрельбе, отсутствием продуктов сгорания пороха.
8. Возможность использования как на открытом космосе, так и в атмосферах, подавляющих горение пороха.
9. Регулируемая скорость пули. Эта функция позволяет при необходимости снизить скорость пули ниже звуковой. В результате исчезают характерные хлопки, и винтовка Гаусса становится совершенно бесшумной, а значит, пригодной для секретных спецопераций.

Недостатки оружия:
Среди недостатков винтовок Гаусса часто упоминаются следующие: низкий КПД, большое энергопотребление, большой вес и габариты, длительное время перезарядки конденсаторов и т.д.Хочу сказать, что все эти проблемы обусловлены только уровнем развития современных технологий. В будущем, при создании компактных и мощных источников питания, с использованием новых конструкционных материалов и сверхпроводников, пушка Гаусса действительно может стать мощным и эффективным оружием.

В литературе, конечно фантастической, Уильям Кейт вооружил легионеров винтовкой гаусса в своем цикле «Пятый иностранный легион». (Одна из моих любимых книг!) Ею пользовались и милитаристы с планеты Клисанд, которую привел Джим ди Гризли в романе Гаррисона «Месть Нержавеющей Крысы».»Говорят, что гауссианство встречается и в книгах из серии S.T.A.L.K.E.R., но я прочитал только пять из них. Ничего подобного не нашел, а за других и говорить не буду.

Что касается личного творчества, то в своем новом романе «Мародеры» я подарил моему главному герою Сергею Корну тульский карабин Гаусса «Метель-16». Правда, владел он им только в начале книги. Ведь главный герой все тот же, а значит, ему полагается более внушительная пушка.

Олег Шовкуненко

Отзывов и комментариев:

Александр 29.12.13
По п.3 — выстрел со сверхзвуковой скоростью пули будет громким в любом случае.По этой причине для бесшумного оружия используются специальные дозвуковые патроны.
Согласно п.5 отдача будет присуща любому оружию, стреляющему «материальными объектами» и зависит от соотношения масс пули и оружия, и импульса силы, ускоряющей пулю.
По п.8 — никакая атмосфера не может влиять на горение пороха в запаянном патроне. В открытом космосе будет стрелять и огнестрельное оружие.
Проблема может заключаться только в механической стабильности деталей оружия и смазочных свойствах при сверхнизких температурах.Но этот вопрос решаемый, и еще в 1972 году были проведены испытательные стрельбы в открытом космосе из орбитальной пушки с военной орбитальной станции ОПС-2 («Салют-3»).

Олег Шовкуненко
Александр хорошо что написал.

Честно говоря, я сделал описание оружия исходя из собственного понимания темы. Но, возможно, что-то было не так. Пройдемся по пунктам вместе.

Предмет №3. «Бесшумность стрельбы».
Насколько я знаю, звук выстрела из любого огнестрельного оружия состоит из нескольких составляющих:
1) Звук или лучше сказать звуки работы механизма оружия.К ним относятся удар бойка по капсюлю, лязг затвора и др.
2) Звук, который создает воздух, наполнявший ствол перед выстрелом. Его вытесняет как пуля, так и пороховые газы, просачивающиеся через режущие каналы.
3) Звук, который создают сами пороховые газы при резком расширении и охлаждении.
4) Звук, создаваемый акустической ударной волной.
Первые три пункта вообще не относятся к гауссианству.

Предвижу вопрос про воздух в стволе, но в гауссовой винтовке ствол не обязательно должен быть сплошным и трубчатым, а значит проблема отпадает сама собой.Так что остается пункт номер 4, как раз тот, о котором Вы, Александр, говорите. Хочу сказать, что акустическая ударная волна далеко не самая громкая часть выстрела. Глушители современного оружия практически не воюют вообще. И все же огнестрельное оружие с глушителем до сих пор называют бесшумным. Поэтому гауссиану тоже можно назвать бесшумной. Кстати, большое спасибо, что напомнили. Забыл упомянуть среди достоинств гаусс-пушки возможность регулировки скорости пули. Ведь есть возможность установить дозвуковой режим (что сделает оружие совершенно бесшумным и предназначенным для скрытных действий в ближнем бою) и сверхзвуковой (это для реальной войны).

Пункт №5. «Практически полное отсутствие отдачи».
Конечно, есть и отдача по гассовке. Куда без нее?! Закон сохранения импульса еще никто не отменял. Только принцип действия винтовки Гаусса сделает ее не взрывной, как в огнестрельном, а как бы растянутой и гладкой, а потому гораздо менее заметной для стрелка. Хотя, если честно, это только мои подозрения. Пока из такого ружья не стрелял :))

Артикул №8.«Возможность применения обоих в космическом пространстве…».
Ну я вообще ничего не говорил о невозможности применения огнестрельного оружия в космическом пространстве. Только переделывать надо будет так, столько технических проблем решить, что проще гаусс-пушку создать :)) Что касается планет со специфическими атмосферами, то применение огнестрела на них действительно может быть не только затруднительным , но и небезопасно. Но это уже из раздела фантастики, собственно, чем и занимается ваш покорный слуга.

Вячеслав 05.04.14
спасибо за интересный рассказ об оружии. Все очень доступно и разложено по полочкам. Еще бы схемку для большей наглядности.

Олег Шовкуненко
Вячеслав, схему вставил, как вы просили).

заинтересовало 22.02.15
«Почему винтовка Гауса?» — В Википедии так написано, потому что он заложил основы теории электромагнетизма.

Олег Шовкуненко
Во-первых, исходя из этой логики, авиабомбу следовало бы назвать «бомбой Ньютона», потому что она падает на землю, подчиняясь Закону гравитации.Во-вторых, в той же Википедии Гаусс вообще не упоминается в статье «Электромагнитное взаимодействие». Хорошо, что все мы образованные люди и помним, что Гаусс вывел одноименную теорему. Правда, эта теорема входит в более общие уравнения Максвелла, так что здесь Гаусс как бы снова в пролете с «закладыванием основ теории электромагнетизма».

Юджин 05.11.15
Винтовка Гауса — придуманное название оружия. Впервые он появился в легендарной постапокалиптической игре Fallout 2.

Роман 26.11.16
1) о том, какое отношение имеет Гаусс к названию) читал в википедии, но не электромагнетизм, а теорему Гаусса, эта теорема является основой электромагнетизма и является основой для уравнений Максвелла.
2) грохот от выстрела в основном из-за резко расширяющихся пороховых газов. потому что пуля сверхзвуковая и через 500м от ствола срезает, а грохота от него нет! только свист из воздуха перерезанного ударной волной от пули и все!)
3) про то что мол есть образцы стрелкового оружия и молчит ибо мол пуля там дозвуковая — это бред ! когда приводятся какие-либо аргументы, нужно докопаться до сути вопроса! выстрел бесшумен не потому что пуля дозвуковая, а потому что пороховые газы там из ствола не выходят! читайте про пистолет ПСС в Вике.

Олег Шовкуненко
Роман, вы случайно не родственник Гаусса? Уж больно рьяно вы отстаиваете его право на это имя. Лично мне все равно, если людям нравится, пусть будет гаусс-пушка. Насчет всего остального почитайте отзывы к статье, где уже подробно обсуждался вопрос бесшумности. Я не могу добавить к этому ничего нового.

Даша 12.03.17
Пишу фантастику. Мнение: РАЗГОН – оружие будущего. Я бы не стал приписывать иностранцу право первенства в этом оружии.УСКОРЕНИЕ РУССКИХ НАВЕРЕН БУДЕТ ВЫШЕ гнилого запада. Лучше не давать гнилому иностранцу ПРАВО НАЗЫВАТЬ ОРУЖИЕ СВОИМ ГРЕВНЫМ ИМЕНЕМ! У русских полно своих мудрецов! (незаслуженно забыто). Кстати, пулемет (пушка) Гатлинга появился ПОЗЖЕ, чем российская СОРОКА (система вращающегося ствола). Гатлинг просто запатентовал украденную у России идею. (За это мы будем называть его Козлиным Гутлом!). Поэтому Гаусс тоже не имеет отношения к разгонному оружию!

Олег Шовкуненко
Даша, патриотизм это конечно хорошо, но только здоровый и разумный.А вот с гаусс-пушкой, как говорится, поезд ушел. Термин уже прижился, как и многие другие. Не будем менять понятия: интернет, карбюратор, футбол и т. д. Впрочем, не столь важно, чьим именем названо то или иное изобретение, главное, кто сможет довести его до совершенства или, как в случае с винтовка гаусса, хоть до боевого состояния. К сожалению, о серьезных разработках боевых гаусс-систем, как в России, так и за рубежом, я пока не слышал.

Божков Александр 26.17.09
Все чисто. А нельзя ли добавить статьи о других видах оружия?: О термитной пушке, электропушке, БФГ-9000, арбалете Гаусса, эктоплазменном пулемете.

Написать комментарий

Самодельный пистолет Гаусса

Несмотря на свои относительно скромные размеры, пистолет Гаусса — самое серьезное оружие, которое мы когда-либо создавали. Начиная с самых ранних этапов его изготовления, малейшая небрежность в обращении с устройством или его отдельными компонентами может привести к поражению электрическим током.

Пушка Гаусса. Простейшая схема

Будьте осторожны!

Основным силовым элементом нашей пушки является индуктор

Рентгеновская пушка Гаусса

Расположение контактов в цепи зарядки одноразовой камеры Kodak

Иметь оружие, которое даже в компьютерных играх можно найти только в лаборатории сумасшедшего ученого или возле временного портала в будущее, круто.Смотреть, как неравнодушные к технике люди невольно останавливают взгляд на устройстве, а заядлые геймеры торопливо подбирают челюсть с пола — ради этого стоит потратить день на сборку пушки Гаусса.

Как обычно, мы решили начать с самой простой конструкции — индукционного пистолета с одной катушкой. Эксперименты с многоступенчатым разгоном снаряда были оставлены опытным электронщикам, которые смогли построить сложную систему переключения на мощных тиристорах и точно настроить моменты последовательного переключения катушек.Вместо этого мы сосредоточились на возможности приготовления блюда из общедоступных ингредиентов. Итак, чтобы построить пушку Гаусса, в первую очередь нужно пройтись по магазинам. В радиомагазине нужно купить несколько конденсаторов на напряжение 350-400 В и общей емкостью 1000-2000 мкФ, эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм, батарейные отсеки для Кроны и два 1,5-вольтовых типа C батарейки, тумблер и кнопка. Возьмем пять одноразовых фотоаппаратов Кодак в фототоварах, простое четырехконтактное реле от Жигулей в автозапчастях, пачку соломинок для коктейлей в «продуктах», а пластиковый пистолет, автомат, дробовик, винтовку или любой другой пистолет, который вы хотите в «игрушки».хотят превратить в оружие будущего.

Накручиваем на ус

Основным силовым элементом нашей пушки является индуктор. С его изготовления стоит начать сборку ружья. Возьмите кусок соломы длиной 30 мм и две большие шайбы (пластиковые или картонные), соберите их в шпульку с помощью винта и гайки. Начинайте аккуратно, виток за витком, наматывать на него эмалированный провод (при большом диаметре провода это достаточно просто). Будьте осторожны, не перегните резко провод, не повредите изоляцию.Закончив первый слой, заливаем его суперклеем и начинаем наматывать следующий. Проделайте это с каждым слоем. Всего нужно намотать 12 слоев. Затем можно разобрать катушку, снять шайбы и надеть катушку на длинную соломинку, которая будет служить бочонком. Один конец соломинки должен быть заглушен. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: если она держится на весу скрепки, значит, вы добились успеха. В катушку можно вставить соломинку и протестировать ее в роли соленоида: она должна активно втягивать в себя скрепку, а при пульсации даже выбрасывать ее из ствола на 20–30 см.

Разбираем ценности

Конденсаторная батарея как нельзя лучше подходит для генерации мощного электрического импульса (в этом мы солидарны с создателями самых мощных лабораторных рельсотронов). Конденсаторы хороши не только своей высокой энергоемкостью, но и способностью отдавать всю энергию за очень короткое время до того, как снаряд достигнет центра катушки. Однако конденсаторы нужно как-то заряжать. К счастью, нужное нам зарядное устройство есть в любой камере: там конденсатор используется для формирования высоковольтного импульса для электрода зажигания вспышки.Одноразовые камеры подходят для нас лучше всего, потому что конденсатор и «зарядное устройство» — единственные электрические компоненты, которые у них есть, а это означает, что извлечь из них зарядную цепь не составит труда.

Разборка одноразовой камеры — это этап, с которого следует начать проявлять осторожность. Открывая корпус, старайтесь не прикасаться к элементам электрической цепи: конденсатор может сохранять заряд длительное время. Получив доступ к конденсатору, первым делом замкните его выводы отверткой с диэлектрической ручкой.Только после этого можно прикасаться к плате, не опасаясь получить удар током. Снимаем клеммы аккумулятора с цепи зарядки, выпаиваем конденсатор, припаиваем перемычку к контактам кнопки зарядки — она ​​нам больше не понадобится. Подготовьте таким образом не менее пяти плат для зарядки. Обратите внимание на расположение токопроводящих дорожек на плате: к одним и тем же элементам схемы можно подключаться в разных местах.

Установка приоритетов

Выбор емкости конденсатора является вопросом компромисса между энергией выстрела и временем заряжания пистолета.Мы остановились на четырех конденсаторах по 470 мкФ (400 В), соединенных параллельно. Перед каждым выстрелом около минуты ждем, пока светодиоды на зарядных цепях просигнализируют о том, что напряжение на конденсаторах достигло положенных 330 В. Ускорить процесс зарядки можно, подключив к зарядному несколько 3-вольтовых батарейных отсеков. цепи параллельно. Однако следует учитывать, что мощные аккумуляторы типа «С» имеют избыточный ток для слабых цепей камеры. Чтобы транзисторы на платах не выгорели, на каждую 3-х вольтовую сборку должно быть включено 3-5 цепей зарядки параллельно.На нашем ружье к «зарядкам» подключается только один аккумуляторный отсек. Все остальные служат запасными магазинами.

Определение зон безопасности

Никому не советуем держать под пальцем кнопку, которая разряжает батарею 400-вольтовых конденсаторов. Для управления спуском лучше установить реле. Цепь его управления подключена к 9-вольтовой батарее через спусковую кнопку, а управляемая цепь подключена к цепи между катушкой и конденсаторами.Принципиальная схема поможет правильно собрать ружье. При сборке высоковольтной цепи используйте провод сечением не менее миллиметра; для цепей зарядки и управления подходят любые тонкие провода.

При экспериментировании со схемой помните, что конденсаторы могут иметь остаточный заряд. Прежде чем прикасаться к ним, разрядите их коротким замыканием.

Подведение итогов

Процесс съемки выглядит так: включить выключатель питания; ждем яркого свечения светодиодов; опускаем снаряд в ствол так, чтобы он был немного позади катушки; отключите питание, чтобы при выстреле батареи не забирали энергию на себя; прицельтесь и нажмите кнопку спуска.Результат во многом зависит от массы снаряда. С помощью короткого гвоздя с откушенной шляпкой удалось прострелить банку энергетика, которая взорвалась и фонтаном залила половину редакции. Затем пушка, очищенная от липкой соды, запустила гвоздь в стену с расстояния пятидесяти метров. А сердца любителей фантастики и компьютерных игр наше оружие поражает безо всяких снарядов.

Составитель: Патлах В.В.
http://патлах.ru

© «Энциклопедия технологий и методов» Патлах В.В. 1993-2007

ВНИМАНИЕ!
Любая перепечатка, полное или частичное воспроизведение материалов данной статьи, а также размещенных в ней фотографий, рисунков и схем без предварительного письменного согласия редакции энциклопедии запрещены.

Напоминаю! Что за любое незаконное и незаконное использование материалов, опубликованных в энциклопедии, редакция ответственности не несет.

Coilgun — Исследование в Китае 2022

«Пушка Гаусса» перенаправляется сюда.Не путать с рельсотроном.

Койлган , также известный как Винтовка Гаусса , представляет собой тип привода массы, состоящий из одной или нескольких катушек, используемых в качестве электромагнитов в конфигурации линейного двигателя, которые разгоняют ферромагнитный или проводящий снаряд до высокой скорости. [1] Практически во всех конфигурациях койлгана катушки и ствол расположены на одной оси. Койлган — это не винтовка, так как ствол у него гладкоствольный (не нарезной). Название «Гаусс» связано с именем Карла Фридриха Гаусса, который сформулировал математическое описание магнитного эффекта, используемого пушками с магнитным ускорителем.

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 строго синхронизированной 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, в рельсотронах обычно требуется использование скользящих контактов для пропускания большого тока через снаряд или башмак, а в койлганах не обязательно требуются скользящие контакты. [2] В то время как в некоторых простых концепциях койлгана могут использоваться ферромагнитные снаряды или даже снаряды с постоянными магнитами, большинство конструкций для высоких скоростей фактически включают связанную катушку как часть снаряда.

История

Самая старая электромагнитная пушка представляла собой койлган, первый из которых был изобретен норвежским ученым Кристианом Биркеландом из Университета Христиании (сегодня Осло). Изобретение было официально запатентовано в 1904 году, хотя, как сообщается, его разработка началась еще в 1845 году.По его словам, Биркеланд разогнал 500-граммовый снаряд примерно до 50 м/с (110 м/с; 180 км/ч; 160 фут/с). [3] [4] [5]

В 1933 году техасский изобретатель Вирджил Ригсби разработал стационарный койлган, который можно было использовать как пулемет. Он приводился в действие большим электродвигателем и генератором. [6] Он появился во многих современных научных публикациях, но никогда не вызывал интереса у каких-либо вооруженных сил. [7]

Конструкция

Существует два основных типа или комплектаций койлгана: одноступенчатый и многоступенчатый.Одноступенчатый койлган использует одну электромагнитную катушку для движения снаряда. В многоступенчатом койлгане последовательно используются несколько электромагнитных катушек для постепенного увеличения скорости снаряда.

Ферромагнитные снаряды

Для ферромагнитных снарядов одноступенчатый койлган может быть образован катушкой проволоки, электромагнитом, с ферромагнитным снарядом, расположенным на одном из его концов. Этот тип койлгана имеет форму соленоида, используемого в электромеханическом реле, т.е.е. катушка с током, которая будет тянуть 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 для повторения этого процесса используются дополнительные электромагниты, постепенно ускоряющие 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 конденсаторов (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.

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 источника энергии и катушку с низкой индуктивностью для движения снаряда вперед. [8] [9]

Неферромагнитные снаряды

Некоторые конструкции имеют неферромагнитные снаряды из таких материалов, как алюминий или медь, с якорем снаряда, действующим как электромагнит с внутренним током, индуцируемым импульсами катушек ускорения. [10] [11] 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. [12] В другом методе используются несверхпроводящие ускоряющие катушки и энергия движения, хранящаяся вне их, но снаряд со сверхпроводящими магнитами. [13]

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 позволяют избежать 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 канал ствола представляет собой полный вакуум (например, трубка с плазменным окном), трения вообще нет, что помогает продлить период повторного использования. [13] [14]

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). [15]

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.

Сопротивление

Электрическое сопротивление катушек и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) источника тока рассеивают значительную мощность.

На низких скоростях нагрев змеевиков доминирует над эффективностью койлгана, что приводит к исключительно низкой эффективности. Однако по мере увеличения скорости механическая мощность растет пропорционально квадрату скорости, но при правильном переключении резистивные потери в значительной степени не изменяются, и поэтому эти резистивные потери становятся намного меньше в процентном отношении.

Магнитная цепь

В идеале 100 % магнитного потока, генерируемого катушкой, должно доставляться к снаряду и воздействовать на него; в действительности это невозможно из-за всегда присутствующих в реальной системе потерь энергии, которые не могут быть устранены.

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 для передачи большего количества энергии снаряду при заданной потребляемой 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. Поскольку потери пропорциональны I 2 , увеличение тока выше этой точки в конечном итоге снижает эффективность, хотя и 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. {2}}}} 

ρ m — плотность снаряда, определяемый как кг/м 3

μ 0 – вакуумная проницаемость, определяемая в единицах СИ как 4π × 10 −7 В·с/(А·м) магнитная восприимчивость снаряда, безразмерная константа пропорциональности, показывающая степень намагничивания материала в ответ на приложенные магнитные поля.Это часто необходимо определять экспериментально, и таблицы, содержащие значения восприимчивости для определенных материалов, можно найти в Справочнике CRC по химии и физике, а также в статье Википедии о магнитной восприимчивости.

n — количество витков катушки на единицу длины катушки, которое можно найти, разделив общее количество витков катушки на общую длину катушки в метрах.

и I — ток, проходящий через катушку в амперах.

Хотя это приближение полезно для быстрого определения верхнего предела скорости в системе койлгана, существуют более точные и нелинейные дифференциальные уравнения второго порядка. [16] Проблемы с этой формулой заключаются в том, что она предполагает, что снаряд находится полностью в однородном магнитном поле, что ток мгновенно затухает, как только снаряд достигает центра катушки (исключая возможность обратного всасывания катушки), что все потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию (тогда как большая часть переходит в силы трения), и что провода катушки бесконечно тонкие и не накладываются друг на друга, что в совокупности увеличивает ожидаемую выходную скорость. [16]

Использование

Минометный выстрел M934 адаптирован для экспериментального пуска из койлгана с конформным хвостовым комплектом арматуры для стрельбы через ствол, состоящий из коротких соленоидальных электромагнитов, уложенных друг к другу

Маленькие койлганы изготавливаются для развлечения любителями, обычно от нескольких джоулей до десятков джоулей энергии снаряда (последнее сравнимо с типичным пневматическим пистолетом и на порядок меньше, чем у огнестрельного оружия) при эффективности от менее одного процента до нескольких процентов. [17]

В 2018 году компания Arcflash Labs из Лос-Анджелеса предложила широкой публике первый койлган. Он стрелял 6-граммовыми стальными пулями со скоростью 45 м/с с дульной энергией примерно 5 Дж. [18] В 2021 году они разработали более крупную модель, винтовку Гаусса GR-1, которая стреляла 30-граммовыми стальными пулями со скоростью до 75 м/с с дульной энергией примерно 85 Дж, [19] сравнима с пневматическая винтовка PCP.

В 2022 году спортивный клуб Northshore Sports Club в Лейк-Форест, штат Иллинойс, выпустил на рынок компактное винтовое ружье с магазинным питанием и приблизительной максимальной дульной энергией 15 Дж.Первоначально продавался как E-Shotgun. Первоначальный запуск этого продукта последовал за его дебютом на популярном YouTube-канале Demolition Ranch. На сегодняшний день NorthShore Sports Club распродан, но принимает предварительные заказы на продукт, поставка которого ожидается летом 2022 года, а полномасштабное производство, как ожидается, достигнет 5000 единиц в год.

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, [20] , но самые эффективные современные конструкции, как правило, включают много ступеней. [21] Эффективность выше 90% оценивается для некоторых значительно более крупных концепций сверхпроводимости для космических запусков. [14] Экспериментальный 45-ступенчатый койлганный миномет DARPA длиной 2,1 м имеет КПД 22% и 1,6 мегаджоулей КЭ на выстрел. [22]

  Большая концепция койлгана, коаксиальная электромагнитная пусковая установка, запускающая снаряды на орбиту. [22]

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. [22] [23]

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 Sandia в 5–10+ лет. [22] [23] В 2011 году было предложено разработать 81-мм миномет с винтовой пушкой для работы с гибридно-электрической версией будущей совместной легкой тактической машины. [24] [25]

Электромагнитные авиакатапульты 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. [26] Система активной защиты танков на основе койлгана находится в стадии разработки в компании HIT в Китае. [27]

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-тонную койлган, отправляющую 10 миллионов тонн лунного материала на L5 в поддержку массовой колонизации космоса (кумулятивно в течение многих лет, используя большую 9900-тонную силовую установку). [28]
  • Исследование НАСА 1992 года подсчитало, что 330-тонная лунная сверхпроводящая тушащая пушка может запускать 4400 снарядов в год, каждая 1,5 тонны и в основном жидкий кислород, используя относительно небольшую мощность, в среднем 350 кВт. [29]
  • После того, как НАСА Эймс оценило, как удовлетворить аэротермические требования для теплозащитных экранов при запуске с поверхности земли, Sandia National Laboratories исследовала 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. [30] [31]
  • Более поздние исследования в Sandia включали в 2005 году исследование концепции StarTram для чрезвычайно длинного койлгана, одна из версий которого была задумана как запуск пассажиров на орбиту с приемлемым для выживания ускорением. [32]
  • Привод масс — это, по сути, койлган, который магнитно ускоряет упаковку, состоящую из намагничиваемого держателя, содержащего полезную нагрузку. После ускорения полезной нагрузки они разделяются, а держатель замедляется и перерабатывается для другой полезной нагрузки.

См.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.