Ускоритель масс. Электромагнитные ускорители масс: принцип работы, виды и перспективы применения

Как устроены электромагнитные ускорители масс. Какие бывают виды таких ускорителей. В чем их преимущества перед обычным оружием. Каковы перспективы применения электромагнитных ускорителей в будущем.

Что такое электромагнитный ускоритель масс и как он работает

Электромагнитный ускоритель масс — это устройство, позволяющее разгонять снаряды с помощью электромагнитных сил. В отличие от обычного огнестрельного оружия, где снаряд разгоняется за счет энергии пороховых газов, в электромагнитном ускорителе используется энергия электромагнитного поля.

Принцип работы электромагнитного ускорителя основан на взаимодействии магнитного поля с электрическим током. При пропускании сильного тока через проводники возникает мощное магнитное поле, которое воздействует на проводящий снаряд, придавая ему ускорение.

Основные виды электромагнитных ускорителей масс

Существует два основных типа электромагнитных ускорителей масс:

• Рельсотрон
• Пушка Гаусса

Рельсотрон

Рельсотрон состоит из двух параллельных проводящих рельсов, подключенных к источнику тока. Между рельсами помещается проводящий снаряд. При пропускании тока через рельсы возникает магнитное поле, которое взаимодействует с током в снаряде, создавая силу Ампера. Под действием этой силы снаряд разгоняется вдоль рельсов.

Пушка Гаусса

Пушка Гаусса представляет собой соленоид — катушку с намотанным проводом. Внутри соленоида располагается ствол из диэлектрика, в который помещается ферромагнитный снаряд. При пропускании тока через катушку возникает магнитное поле, которое втягивает снаряд внутрь соленоида, придавая ему ускорение.

Преимущества электромагнитных ускорителей перед обычным оружием

Электромагнитные ускорители масс имеют ряд важных преимуществ по сравнению с традиционным огнестрельным оружием:

• Возможность достижения сверхвысоких скоростей снаряда (до нескольких км/с)
• Отсутствие пороховых газов и дульного пламени
• Низкий уровень шума при выстреле
• Меньший износ ствола
• Возможность регулировки мощности выстрела
• Отсутствие отдачи

Главным преимуществом является возможность разгона снарядов до скоростей, недостижимых для обычного оружия. Это существенно повышает дальность и точность стрельбы.

Ключевые технические характеристики электромагнитных ускорителей

Основными параметрами, определяющими эффективность электромагнитного ускорителя масс, являются:

• Сила тока в системе (до миллионов ампер)
• Напряжение источника питания (десятки-сотни киловольт)
• Индуктивность системы
• Масса снаряда
• Длина разгонного участка
• КПД преобразования электрической энергии в кинетическую

Чем выше сила тока и напряжение, тем большее ускорение можно придать снаряду. Однако это требует создания мощных импульсных источников питания.

Проблемы в разработке электромагнитных ускорителей

Несмотря на преимущества, создание эффективных электромагнитных ускорителей сопряжено с рядом серьезных технических проблем:

• Необходимость генерации сверхсильных токов
• Низкий КПД (обычно не более 20-30%)
• Сложность создания компактных мощных источников питания
• Проблема отвода тепла
• Электроэрозионный износ направляющих
• Сложность точной синхронизации при многоступенчатом разгоне

Решение этих проблем требует применения передовых технологий в области силовой электроники, сверхпроводимости, новых материалов.

Перспективы применения электромагнитных ускорителей

Несмотря на технические сложности, электромагнитные ускорители масс имеют большие перспективы применения в различных областях:

• Военная техника (корабельные орудия, противоракетная оборона)
• Космонавтика (запуск малых спутников, доставка грузов на орбиту)
• Научные исследования (моделирование высокоскоростных столкновений)
• Промышленность (ускорители для нанесения покрытий)

Особенно перспективно применение электромагнитных ускорителей в космической отрасли для удешевления вывода грузов на орбиту. Теоретически возможно создание орбитальных электромагнитных катапульт для запуска космических аппаратов.

Текущее состояние разработок электромагнитных ускорителей

В настоящее время ведутся активные исследования и разработки электромагнитных ускорителей масс в ряде стран:

• США (программы ВМС по созданию корабельных рельсотронов)
• Китай (испытания рельсотронов на кораблях)
• Россия (разработки в области пушек Гаусса)
• Индия (программа создания электромагнитной катапульты для авианосцев)

Достигнуты значительные успехи в повышении мощности и эффективности таких систем. Однако до их полномасштабного практического применения пока далеко.

Заключение: электромагнитные ускорители — оружие будущего?

Электромагнитные ускорители масс обладают огромным потенциалом и могут произвести революцию в ряде областей техники. Однако их широкое внедрение сдерживается технологическими ограничениями. По мере развития технологий роль таких систем будет возрастать, но полностью заменить традиционное оружие в обозримом будущем они вряд ли смогут.

Электромагнитные ускорители масс | Статья в журнале «Юный ученый»

 

Электромагнитные ускорители масс — специальные электронные устройства, позволяющие разогнать снаряды с помощью электромагнитных сил. Потребность в них постепенно возникла в середине прошлого столетия, и причина этого состоит вот в чем:

Снаряд, вылетевший из огнестрельного оружия, на самом деле имеет свою предельную скорость, зависящую от свойств пороха, длины и геометрии ствола. Она примерно равна 2–2.5 км/сек. А ведь от скорости полета пули зависит ее точность и дальность полета, бронебойность и многие другие важные характеристики, повышение которых может быть достигнуто посредством её увеличения. Именно для увеличения скорости полета пули свыше предельной используют электромагнитные ускорители.

Итак, существует два основных их вида:

1)     Ускорители, построенные по принципу “Рельсотрона”

2)     Ускорители, построенные по принципу пушки Гаусса или пушки Томпсона.

Поговорим про первый вид пушек. Он основан на действии силы Ампера, которая возникает в проводниках, находящихся во внешнем магнитном поле. Такие пушки состоят из двух проводников (рельсов), подключенных к источнику большого постоянного напряжения. На рельсы ставится проводящее электрический ток тело и приобретает ускорение под действием силы Ампера, о которой было упомянуто ранее.

Сам термин Рельсотрон был предложен нашим соотечественником — Львом Арцимовичем в 1950-м году для замены существовавшего тогда громоздкого названия “электродинамический ускоритель масс”, который в то время существовал только в теории. Первый прототип такой пушки был сконструирован в 1970-м году и построен Джоном Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом Маршаллом из Новой Зеландии.

Из закона Био — Савара — Лапласа следует, что для бесконечно длинного провода , где l — сила тока в цепи, B(s) — зависимость магнитного поля от расстояния S (расстояния от бесконечного провода до данной точки).

Складывая вектора магнитных полей обоих проводников, получим:

, где r — расстояние между проводниками.

Учитывая все вышесказанное, вычислим среднее значение для магнитного поля между проводниками Рельсотрона.

Пусть d — диаметр рельсов (в приближении, что у рельсов цилиндрическая форма), (при d<<r).

По закону Ампера, магнитная сила на проводе с током I, предполагая ширину снаряда — проводника r, мы получим:

Итого, если разгоночная длина ствола = L, ускорение (пренебрегая различными другими силами)

,vo — начальная скорость снаряда перед разгоном, vк (конечная скорость снаряда при выходе из ствола орудия) будет вычисляться так:

(м/с)

Как видно из формул, импульс электрического тока должен быть настолько большим, чтобы придать телу наибольшую силу и ускорение, и достаточно малым, чтобы не испарить тело совсем. Также проводящее тело и рельсы должны иметь наилучшую проводимость, чтобы в системе протекал наибольший ток, снаряд должен обладать как можно меньшей массой, чтобы при заданных параметрах работы электромагнитного поля придать снаряду максимально возможную скорость, а также наибольшей теплоемкостью, чтобы проводить через себя большие токи. Наконец, источник тока должен обладать как можно большей мощностью, чтобы в системе протекал наибольший ток, и наименьшей индуктивностью, чтобы уменьшить величину обратного тока.

Стрелять из такого орудия можно двумя снарядами: проводящим и не проводящим телом. Случай с проводящим телом уже был объяснен ранее и понятен, но вот случай с непроводящим телом рассмотрен не был. Дело в том, что если, например, положить на такие рельсы снаряд, проводящий электрический ток, но с малой теплоемкостью, он испарится и постепенно превратится в проводящую ток плазму — ионизованные испарения проводника, которая далее также продолжит разгоняться. Таким образом Рельсотрон может стрелять и плазмой, но она неустойчива и быстро исчезает в нашей среде. Но такое поведение плазмы в Рельсотроне можно применить по-другому, можно поставить на рельсы непроводящее тело (диэлектрик) а сзади него тем или иным образом зажечь дуговой разряд — плазменную токопроводящую дугу, которую сила Ампера будет прижимать к задней части диэлектрика, которая, активно испаряясь, создаст реактивную струю, под действием которой тело придет в движение.

Теперь рассмотрим механизм работы пушки Гаусса

Пушка Гаусса состоит из соленоида — катушки с небольшой индуктивностью, внутри которой находится ствол из диэлектрика, в который с одной стороны вставляется снаряд из ферромагнетика. При протекании через соленоид внутри него создается электромагнитное поле, которое начинает действовать на ферромагнетик, “затягивая” тот внутрь. Однако в устройстве такой катушки состоит еще одна особенность — при прохождении снарядом середины катушки, соленоид продолжает тянуть снаряд к середине катушки и тормозит снаряд. Это надо учитывать при расчетах. Для придачи большой кинетической энергии снаряду необходим кратковременный мощный импульс тока. С такой задачей справляется конденсатор, ведь основная его функция — накопление и быстрая отдача энергии системе. В любительской установке обычно стоит не больше 1–2 катушек с подключенными к каждой персонально конденсаторами, но при сборке полноценных Пушек Гаусса проводятся расчеты для большой системы конденсаторов (3–5 штук) таким образом, чтобы все они синхронно работали один за другим, делается это следующим образом:

Во-первых, внутренняя энергия конденсатора , необходимо учитывать, что на разгон снаряда, изменение его кинетической энергии идет только часть потенциальной энергии заряженного конденсатора, т. е. , где k— постоянный коэффициент, обычно k лежит в диапазоне (1–7) %

Поле внутри катушки сначала (до прохода снарядом середины катушки) разгоняет снаряд, а затем тормозит его. Для синхронизации всех катушек необходимо знать L — длину катушки, T1- время разряда конденсаторов, T2- время работы катушки индуктивности.

, , где L –индуктивность катушки, C-емкость конденсаторов.

Для того чтобы полностью реализовать потенциал электромагнитных ускорителей, перед ускорением в полость, через которую проходит снаряд при ускорении в электромагнитных ускорителях масс прежде выстреливают из огнестрельного или пневматического орудия;

Преимущества и недостатки таких ускорителей:

Преимущества:

‒          большая дульная энергия в сравнении с огнестрельными орудиями (и все преимущества, из этого вытекающие)

‒          гораздо меньший износ орудия в сравнении с огнестрельными прототипами

‒          меньшая отдача при стрельбе и возможность бесшумной стрельбы

‒          возможность работы в любых условиях

‒          низкая стоимость снаряда в таких установках

Недостатки:

‒          Основная трудность работы таких установок: низкий КПД, редко когда он доходит до ~27 %

‒          вытекающий из первого пункта большой расход энергии

‒          большой вес и габариты при малой эффективности

‒          большая стоимость качественно собранной установки

Из показаний преимуществ и недостатков установки становится понятно, что массово производить такие пушки невозможно, но их выгодно будет разместить на космических станциях, так как в условиях невесомости отсутствие отдачи при стрельбе становится чрезвычайно важным. Также, используя такие установки, можно разогнать снаряды до первой и даже второй космической скорости, что открывает перспективы использования полностью баллистического способа выхода на орбиту.

Итак, перспективы у такого типа орудий существуют, но не в плане стрелкового оружия, а в плане способа транспортировки физических тел на орбиту земли.

 

Литература:

 

1.      Носов Г. В. Генерирование мощных импульсов тока электромашинными источниками с изменяющейся индуктивностью // Известия Томского политехнического университета. — 2005. — Т. 308. — № 7. — С. 68–70.
2.      Татур Т. А. Основы теории электромагнитного поля. — М.: Высшая школа, 1989. — 271 с.
3.      Д. В. Сивухин. Общий курс физики, Электричество т. 3, М.: Наука, 1977, 704 с.
4.      Калантаров П.  Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 488 с.
5.      Электротехнический справочник: в 3 т. Т. 1. Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ. ред. проф. МЭИ В. Г. Герасимова и др. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 488 с.
6.      Железный В. Б., Лебедев А. Д., Плеханов А. В. Воздействие на динамику ускорения якоря в РЭУ // II Всес. семинар по динамике сильноточного дугового разряда в магнитном поле: Материалы. — Новосибирск, 4–6 декабря 1991 г. — Новосибирск: Изд-во Института теплофизики СО РАН, 1992. — С. 16–32.
7.      Иродов. Электромагнетизм. Основные законы_2009, 7-е изд, 319с

Исследовательский проект «Электромагнитный ускоритель масс»

Главная страница » Конкурсные работы участников » Физико-математические науки » Исследовательский проект “Электромагнитный ускоритель масс”

Автор (ы)

Янбиков Руслан Шамилович

Аффилиация

МОУ — СОШ № 1 г. Аткарска, Саратовская область

Научный руководитель

Илларионова Наталья Викторовна, учитель математики и физики

Аннотация

С середины ХХ века ведутся систематические научные работы по созданию принципиально новых электромагнитных ускорителей массы. Электромагнитные пушки – это общее название установок, предназначенных для ускорения предметов (объектов) с помощью электромагнитных сил. Пушка Гаусса – одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Свое название она получила  по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.

Многие слышали о пушке Гаусса из фантастических книг или из компьютерных игр, так как Пушка Гаусса весьма популярна в научной фантастике, где выступает в качестве персонального
высокоточного смертоносного оружия.

Среди игр пушка Гаусса появлялась в Fallout 2, Fallout Tactics, Half-life. Также оружие похожее на пушку Гаусса появлялось в серии игр Quake, но в сознании многих эта пушка остается просто выдумкой фантастов, которая в лучшем случае имеет высокогабаритные прототипы в реальности.

 Актуальность. Современные успехи, что касается ускорителя, накопления энергии и образования импульсов, говорят о вероятности того, что система вооружения в недалеком будущем может быть оснащена электромагнитными пушками, что   станет сильным импульсом технологического прогресса.

Цель работы:

• изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия;
• создать опытный  действующий  образец  индукционной пушки – Пушки Гаусса и провести  ряд  экспериментов для исследования действия этого устройства.

Основные задачи:

1. рассмотреть устройство Пушки Гаусса по чертежам и макетам;
2. изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс;
3. выбрать необходимые материалы для создания опытного образца модели;
4. провести комплекс испытаний с целью экспериментальной проверки действующего образца.

Проделав изыскания в данной области, я изготовил экспериментальную действующую модель электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), упростив схемы, имеющиеся в интернете, и адаптировав модель к сети переменного тока стандартных характеристик. Проведя исследование, я сделал для себя следующие выводы:

• Собрать работающий прототип электромагнитного ускорителя масс в домашних условиях вполне реально.
• Использование электромагнитного ускорения масс имеет большие перспективы в будущем.
• Электромагнитное оружие может стать достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному орудию, особенно это будет возможным при создании компактных источников энергии.

Содержание работы

Исследовательский проект “Мендосинский мотор”

Целью исследования является изучение принципов работы бесколлекторного двигателя и создание простейшей модели Мендосинского мотора. Объектом исследования является создание работающей модели бесколлекторного двигателя. Задачи исследования: Изучить принц …

Проект “Заменит ли компьютерная музыка инструменты”

В настоящее время термин «Компьютерная музыка» используют все, но в основном, это музыкальные слушатели и исполнители. Он применяется к клубной музыке, а также любой другой музыке, которая создана с применением музыкально-компьютерных технологий. Счита …

Проект “Механизм грузоподъёмного крана”

Обоснование актуальности. В наше время на стройках часто используются грузоподъёмный кран и другая техника. Нас заинтересовала работа грузоподъёмного крана на стройке нового корпуса нашей гимназии, и мы захотели подробно узнать и рассказать о его работ …

Проект “Почему вода меня “держит”

В водоемах Башкирии в 2021 году утонули 124 человека, в том числе 16 детей. В работе разберемся с тем, почему тела в принципе плавают. Объект исследования – выталкивающая сила, предмет исследования – причины, влияющие на выталкивающую силу. Гипотеза: с …

драйвер массой

| электромагнитный ускоритель

В ракете-носителе: За пределами ракет

… транспортная концепция называется массовым двигателем. Массовый двигатель — это электромагнитный ускоритель длиной, вероятно, в несколько миль, который будет использовать импульсные магнитные поля для ускорения полезной нагрузки до орбитальной или околоорбитальной скорости. Преимущество массового привода состоит в том, что ускоряющее устройство и его источник энергии остаются включенными…

Подробнее

«,»url»:»Introduction»,»wordCount»:0,»sequence»:1},»imarsData «:{«INFINITE_SCROLL»:»»,»HAS_REVERTED_TIMELINE»:»false»},»npsAdditionalContents»:{},»templateHandler»:{«name»:»INDEX»},»paginationInfo»:{«previousPage»:null ,»nextPage»:null,»totalPages»:1},»uaTemplate»:»INDEX»,»infiniteScrollList»:[{«p»:1,»t»:1376342}],»familyPanel»:{«topicInfo» :{«id»:1376342,»title»:»массовый драйвер»,»url»:»https://www.britannica.com/technology/mass-driver»,»description»:»ракета-носитель: Помимо ракет: …транспортная концепция называется массовым водителем. Массовый двигатель — это электромагнитный ускоритель длиной, вероятно, в несколько миль, который будет использовать импульсные магнитные поля для ускорения полезной нагрузки до орбитальной или околоорбитальной скорости. Преимущество массового драйвера в том, что ускоряющее устройство и его источник энергии остаются включенными…»,»type»:»ТЕМА»,»titleText»:»массовый драйвер»,»metaDescription»:»Другие статьи, где обсуждается массовый драйвер : ракета-носитель: Помимо ракет: …транспортная концепция называется массовым двигателем. Массовый двигатель — это электромагнитный ускоритель длиной, вероятно, в несколько миль, который будет использовать импульсные магнитные поля для ускорения полезной нагрузки до орбитальной или околоорбитальной скорости. Преимущество массового привода в том, что ускорительное устройство и его источник энергии остаются включенными…»,»identifierHtml»:»электромагнитный ускоритель»,»identifierText»:»электромагнитный ускоритель»,»topicClass»:»технология»,»topicKey» :»mass-driver»,»articleContentType»:»INDEX»,»ppTecType»:»CONCEPT»,»gaTemplate»:»INDEX»,»topicType»:»INDEX»,»relativeUrl»:»/технология/mass-driver «,»assemblyLinkPrefix»:»/media/1/1376342/»},»topicLink»:{«title»:»массовый драйвер»,»url»:»https://www. britannica.com/technology/mass- driver»},»tocPanel»:{«title»:»Directory»,»itemTitle»:»Ссылки»,»toc»:null},»groups»:[]},»byline»:{«contributors»:null ,»allContributorsUrl»:null,»lastModificationDate»:null,»contentHistoryUrl»:null,»warningMessage»:null,»warningDescription»:null,»contributorNames»:»NULL»},»citationInfo»:{«contributors»:null ,»title»:»массовый драйвер»,»lastModification»:null,»url»:»https://www.britannica.com/technology/mass-driver»},»websites»:null,»freeTopicReason»:» TOPIC_IS_INDEX_PAGE»,»topicCollectionLinks»:[ ],»articleSchemaMarkup»:{«browserTitle»:null,»imageUrl»:null,»authors»:null,»keywords»:»массовый драйвер»,»wordcount»:0,»url»:»https://www .britannica.com/technology/mass-driver»,»creationDate»:null,»modificationDate»:null,»description»:»Другие статьи, в которых обсуждается массовый драйвер: Ракета-носитель: Помимо ракет: …концепция транспортировки называется массой Водитель. Массовый двигатель — это электромагнитный ускоритель длиной, вероятно, в несколько миль, который будет использовать импульсные магнитные поля для ускорения полезной нагрузки до орбитальной или околоорбитальной скорости. Преимущество массового драйвера в том, что ускоряющее устройство и его источник энергии остаются включенными…»},»initialLoad»:true}

MassChallenge США Ранняя стадия | Глобальная сеть для новаторов

Программа US Early Stage — это программа, основанная на наставниках, которая предоставляет основателям обширные ресурсы и рекомендации для поддержки ускорения бизнеса стартапов. Это 4-месячная отраслевая программа для стартапов, работающая по годовому циклу и варьирующаяся от поиска новых клиентов до проверки технологий или услуг.

Чтобы быть отобранными для участия в этой программе, стартапы проходят два раунда оценки экспертами в данной области, не входящими в организацию MassChallenge, которые добровольно тратят свое время. Целью этой программы является повышение вероятности выживания стартапа и его готовности к выходу на рынок.

Преимущества:

• Непревзойденный доступ к более чем 40 глобальным корпоративным партнерам, включая BAE Systems, Carta, First Republic Bank, Fundify, IBM и другие
• Наставничество мирового класса от более чем 400 экспертов и индивидуальные программы, предоставляемые без какой-либо компенсации 
• Возможность побороться за неразводняющие денежные призы и другие вознаграждения в натуральной форме 
• Консультации по законодательству и налогам для США, легкий доступ к международным рынкам и прочные торговые связи 
• Проверенная модель, которая помогла более 65 % финалистов собрать средства во время или сразу после программы 
• Участие в программе доступа к рынкам на основе местоположения 
• Возможности проживания по местонахождению

Дополнительную информацию и ответы на часто задаваемые вопросы можно найти здесь.

 

Application Drive

8 марта — 22 апреля

Оценка R1

11 апреля — 2 мая

Выборы R1 уведомлены

мая 9

R2 Судя по делу

1 июня — 15 июня

R2 Выбор уведомленных

июня 22

Программа ускорителя

11 июля — 23

Что ожидание

Принятые. , сообщество и новый доступ к рынку. Акселератор начинается с двухдневной ознакомительной программы.

День 1: Команда реализации программы MassChallenge предоставит приветствие и обзор программы, а также определит ожидания

День 2:  Корпоративные организации, также известные как «Партнеры» MassChallenge, которые ищут технологии для представления и обратной презентации, включая подробности о том, как взаимодействовать, и конкретные технические решения, проблемы, в выявлении которых они заинтересованы

После ориентации основатели могут ожидать следующая структура:

• Основная учебная программа и семинары
• Пользовательское наставничество 1:1
• Стартовые модули
• Часы работы офиса инвесторов
• Мероприятия и стартапы Collider
• Прожекторы для партнеров
• Программирование доступа к рынку
• Дополнительно: резидентство на местном рынке

Industry Tracks

Работая в рамках программы MassChallenge Early Stage, Industry Tracks использует инфраструктуру MassChallenge для выявления и подключения избранных стартапов ранних стадий к специализированным ресурсам и учебным программам.