Введение
В интернете есть несколько маньяков, изготавливающих пушку Гаусса -- это электромагнитная пушка, стреляющая железными снарядами. Принцип её действия следующий: железо (гвоздь) притягивается магнитом, поэтому, если сделать очень мощный электромагнит (катушку), то при его включении гвоздь с большой скоростью втянется внутрь, но если в этот самый момент его успеть выключить, то гвоздь полетит по инерции дальше. Я не пробовал делать пушку Гаусса сам -- нет на это времени, да и детали нужны не самые дешевые. Описанные в интернете проекты пушки имеют энергоёмкость до 3000 Дж. Это примерно энергия пули от Калаша. Но всё не так хорошо. Энергоёмкость эту считают исходя из ёмкости конденсаторов по формуле E=CV 2 /2. КПД же существующих установок порядка 1%, потому реально энергия снаряда хорошо если дотянет до 100 Дж. А установки, которые нетренированный человек может держать в руке, имеют энергию снаряда 1-3 Дж, что годится только стрелять по аллюминиевым банкам и пластиковым бутылкам. Хотя выглядят внешне, конечно, потрясающе.Конструкция большинства пушек следующая: высоковольтный инвертор, конденсатор, катушка, ключ (тиристор, разрядник и т.п), диод параллельно катушке. Авторы описывают работу установки с электрической точки зрения так:
1. Конденсатор заряжается до высокого напряжения.
2. Включается ключ.
3. Конденсатор разряжается через катушку.
4. Из-за индуктивности ток продолжает течь, но уже через диод. Если бы диода не было, система работала бы как колебательный контур: этот ток зарядил бы конденсатор напряжением противоположной полярности, и эти колебания туда-сюда происходили бы до иссякания энергии в системе.
5. Непотраченная на ускорение снаряда энергия рассеивается на сопротивлении катушки и диода.
При этом система рассчитывается так, чтобы к моменту подлёта снаряда к середине катушки конденсатор полностью разрядился.
Физика ускорения снаряда
Падение напряжения на катушке, согласно школьной формуле, являетcя производной магнитного потока по времени: U=dФ/dt. Магнитный поток определяется как произведение индуктивности на ток: Ф = LI. Отсюда, для нормальной катушки: U=L*(dI/dt). Но у нас катушка ненормальная -- в ней есть сердечник, который, надо сказать, меняет её индуктивность при движении. Поэтому, в нашем случае формула другая: U=(∂L/∂x)*(dx/dt)*I+L*(dI/dt). Здесь ∂L/∂x -- это изменение индуктивности из-за смещения сердечника, а dx/dt - скорость, с которой сердечник движется.Таким образом, подвижный сердечник с электрической точки зрения выглядит как активное сопротивление величины (∂L/∂x)*(dx/dt), а снаряд ускоряется с силой F=(∂L/∂x)*I 2 . Кстати, это активное сопротивление пропорционально скорости снаряда. Понятно, что КПД будет низким, если это сопротивление будет меньше сопротивления самой катушки. Отсюда очень известный, но важный вывод: пока скорость снаряда низка, разгон идет неэффективно . Однако, когда снаряд начинает выходить из катушки, индуктивность последней снижается и сопротивление становится отрицательным. Знак силы меняется, и снаряд тормозится, вырабатывая энергию в катушке.
Идеальный Гаусс-ган
Рассмотрим сверхпроводящую катушку, в которую изначально запустили ток I 1 , вкачав энергию E 1 . Сразу очень важное замечание: В идеальном гаусс-гане энергия запасается в самой катушке, а отнюдь не в конденсаторе , роль которого -- подать ток в катушку или забрать его назад (об этом позже). После того, как катушку накачали, её следует закоротить. В этом случае, напряжение на катушке равно нулю, т.е. не меняется со временем, а значит, сохраняется магнитный поток. Тогда закон сохранения энергии запишется следующим образом:Ф 2 /(2L) + m(dx/dt) 2 /2 = E 1 = const,
Ф = const.
Если при этом индуктивность катушки без сердечника равна L 1 , а с сердечником L 2 , то Ф=L 1 I 1 , и когда сердечник достигнет середины катушки, то ток в ней будет: I 2 =(L 1 /L 2)*I 1 , остаточная энергия катушки E 2 = E 1 *(L1/L2), а кинетическая энергия сердечника: m(dx/dt) 2 /2 = E 1 *(1 - L 1 /L 2). Итак, вывод первый: Чем больше L 2 /L 1 , т.е. чем сильнее сердечник меняет индуктивность, тем большая часть энергии уйдёт на полезное дело.
Как же быть? Да «всего-то» надо убрать из катушки магнитный поток в подходящий момент, т.е.: как только сердечник долетит до середины, надо сразу выключить ток . Проблема здесь в том, что ток в катушке остановить так просто нельзя -- он запасает энергию, которую надо куда-то откачать. Если просто разомкнуть цепь -- этот запас весь выделится на ключе, создав мгновенный всплеск напряжения. Оставлять катушку замкнутой тоже нельзя -- снаряд снова затормозит, вернув энергию в катушку. Кстати, ещё один несущественный эффект заключается в том, что у снаряда есть остаточная намагниченность, поэтому, даже если весь ток в катушке иссяк, но она не разомкнута, намагниченный снаряд при движении может снова раскачать ток.
Один из способов остановить ток в катушке -- закачать его в конденсатор . Потом его можно даже использовать для второй ступени. Если основной накопительный конденсатор полярный, то нужен второй конденсатор. Из расчетов легко показать, что ёмкость этого конденсатора может быть в L 2 /L 1 раз меньше при том же расчетном напряжении. Хотя здесь есть засада: если пушка сработает без снаряда, то конденсатор может перезарядиться и выйти из строя. С другой стороны, конденсатор большой ёмкости может заряжаться слишком медленно. Как будет показано ниже, для идеального гаусс гана ёмкость конденсаторов должна быть как можно меньше , что можно компенсировать повышением напряжения, сохранив ту же энергоемность. Но вообще, как будет показано ниже, для реальных гаусс-ганов ситуация не совсем такая.
Итак, получилась схема (для простоты конденсатор неполярный):
1. Заряжаем конденсатор
2. Подключаем конденсатор к катушке и очень быстро накачиваем в неё ток, пока снаряд ещё в покое.
3. Разрядив ёмкость, тут же замыкаем катушку накоротко.
4. Ждём, пока снаряд долетит до середины.
5. Размыкаем закоротку, чтобы закачать остаток эрегии в конденсатор (полярность заряда будет уже противоположной). Это тоже надо сделать быстро, пока снаряд не затормозился.
6. Как только ток прекратится, отключаем конденсатор.
Проблемы создания идеального гаусс-гана
А теперь вернемся в реальность, и запишем формулы для оценки возможностей :T r =0.35*L 1 /R -- время, за которое половина энергии катушки рассеется на её сопротивлении.
T + =1.57*(L 1 C 1) -- время, за которое разрядится конденсатор
T - =1.57*(L 2 C 2) -- время, за которое излишек энергии катушки уйдёт в конденсатор.
За T m обозначим характерное время, за которое ускоряется сердечник.
Тогда, для эффективной работы необходимы условия:
T r >> T m
T + << T m
T - << T m
Значок >> означает «намного больше».
На практике наиболее важным является именно первое ограничение. Наибольшее значение имеет величина L/R . Индуктивность катушки в начале процесса должна быть достаточно большой для того, чтобы ток в ней не затух раньше времени. Например, если мы хотим, чтобы половина энергии рассеялась не ранее 1/10 секунды, то отношение L/R должно составлять не менее 300 мкГн/мОм. В катушках любительских гаусс-ганов, как правило, характерное время рассеяния энергии составляет порядка миллисекунды, что никуда не годится. Путь решения проблемы: увеличивать число витков -- индуктивность с числом витков растёт быстрее сопротивления. Гнаться за низким сопротивлением посредством утолщения проводов при этом не обязательно -- вместо этого можно повысить рабочее напряжение. Но всё равно, увеличение T r неизбежно связано с увеличением габаритов и массы катушки, и существенно повысить эту величину едва ли возможно. Можно пожертвовать отношением L 2 /L 1 , увеличив L 1 . Для этого любители окружают катушку магнитопроводящим материалом с высокой магнитной проницаемостью, в том числе и используя сердечник в виде толстой трубы (т.е. с каналом для снаряда посередине). Это полезно, если повышается L 2 или градиент ∂L/∂x становится более крутым. Но есть и способ проще. L 1 можно повысить, включив последовательно с ускоряющей катушкой нормальную низкоомную индуктивность -- например, низкоомный дроссель с кольцевым сердечником с большой магнитной проницаемостью. Последняя будет аккумулятором энергии. Главное преимущество индуктивности как аккумулятора энергии -- быстрое нарастание тока в нагрузке. Третий способ увеличения индуктивности -- поиск оптимальной точки старта. Ведь по мере входа сердечника индуктивность тоже возрастает, без всякого дросселя. При L 2 /L 1 =2, например, у нас ещё есть возможность закачать в снаряд 50% энергии, а это для гаусса очень неплохо. Более того, величина L 2 /L 1 имеет меньшую важность, если использовать многоступенчатую схему с рекуперацией энергии. Ведь тогда не страшно, что не вся энергия ушла на ускорение -- излишек будет перекачен в следующую катушку. Кстати, в этом случае уже и не так важно закачать катушку током как можно быстрее. Для одноступенчатой схемы тоже может быть полезно знать положение, когда сила максимальна. Это примерно тот момент, когда сердечник только-только зашёл в катушку. Положение это, кстати, можно найти на ощупь -- подав ток, плавно вдвигать сердечник и следить за усилием. Можно, держа подключенную катушку с сердечником внутри на весу, постепенно уменьшать ток, пока сердечник не вывалится. Положение, при котором он вывалится, и будет искомым. Есть ещё способ вычислить силу через зависимость индуктивности от положения, взяв производную.
Второе и третье условия показывают, что ёмкость конденсаторов должна быть достаточно низкой, чтобы успеть быстро разрядиться/зарядиться . Гнаться за большими микрофарадами опять же не надо, лучше увеличить напряжение. Но, на самом деле, эти условия имеют важность только для одноступенчатого гаусса, или когда нет рекуперации энергии.
Использовать ключи, рассчитанные и на большое напряжение, и на большой ток одновременно тоже не обязательно . Может оказаться полезной такая штука, как трансформатор.
Режим работы T r << T +
Идеальный гаусс-ган -- это хорошо, но пока существующие любительские гаусс-ганы работают в условиях, противоположных идеальным. Если T r << T + , то система больше не будет работать как колебательный контур. Вместо этого, ток сначала вырастет до максимального, затем затухнет, и всё. Никакого индуктивного тока быть не должно .Для этого режима характерны другие величины:
T С =0.35*RC -- время, за которое рассеется половина энергии
T L =T r *Ln -- время, за которое ток вырастет до максимального.
Как видно, пригодилась величина T r =0.35*L/R, которая сама по себе уже не интересна.
Казалось бы, при работе в таком режиме защитный диод не нужен. Но не всё так просто. Дело в том, что со временем ситуация может измениться. Во-первых, по мере втягивания сердечника индуктивность катушки возрастает, и при больших L 2 /L 1 режим работы контура может снова стать колебательным. Если же замкнуть контур, что и делает диод, то ток рассеется за характерное время T r . Однако, засада в том, что когда сердечник полетит ещё дальше, он начнёт вырабатывать в катушке напряжение обратной полярности, а активное сопротивление катушки уменьшится до R s =R-(∂L/∂x)*(dx/dt). При этом ток рассеиваться будет уже медленнее. Но если R s < 0, то ток не только не будет рассеиваться, но будет, наоборот, возрастать.
Итак, во-первых, замыкать катушку не нужно, если T С << T m , всё равно толку не будет, да и диод тогда не нужен. Во-вторых, если R s < 0, то катушку надо разрядить . Разряжать катушку через диод в этом случае неразумно. Если ток в катушке I 2 при этом небольшой, то можно замкнуть катушку на демпфирующий резистор R d >> R, тогда напряжение на катушке не подскочит выше I 2 *R d . Если же ток ещё значительный, то придётся использовать демпфирующий конденсатор, как было описано выше.
И самое главное. Активное сопротивление при ускорении снаряда пропорционально ∂L/∂x. Это означает, что именно на окрестность точки, где ∂L/∂x максимально (там же где максимальна сила при постоянном токе), должна быть нацелена основная энергия импульса тока . При малых T C , снаряд выгодно запускать именно с этой точки.
Вот, собственно и всё, что хотел донести. Есть еще соображения по поводу более оптимальной конструкции катушек, но их еще надо проверить расчетами.
29 марта 2013 в 12:59Gauss gun – сказание о 3% КПД
- DIY или Сделай сам
Как-то на просторах интернета я нашел статью про Гаусс пушку и задумался над тем, что неплохо было бы заиметь себе одну (или даже две). В процессе поиска наткнулся я на сайт gauss2k и по простейшей схеме собрал супер-крутую-мега-гаусс-пушку.
Вот она:
И немного пострелял:
И взяла меня тут грусть-печаль сильная о том, что не супер-крутая пушка у меня, а так – пукалка, каких много. Сел я и начал думать, как же мне кпд повысить. Долго думал. Год. Прочитал весь гаусс2к и пол евойного форума. Придумал.
Оказывается, есть программа, написанная учеными заморскими, да нашими умельцами под гаусс пушечку допиленная, и зовется она не иначе как FEMM .
Скачал я с форума .lua скрипт да программу заморскую 4.2 версии и приготовился удариться в расчеты научные. Но не тут-то было, не захотела программа заморская запускать скрипт русский, ибо скрипт под 4.0 версию сделан был. И открыл я инструкцию (у них мануалом она зовется) на языке буржуинском и воскурил ее полностью. Открылась мне истина великая о том, что в скрипт, окаянный, нужно вначале добавить строку хитрую.
Вот она: setcompatibilitymode(1) -- включаем режим совместимости с версией femm 4.2
И засел я за расчеты долгие, загудела машина моя счетная, и получил описание я ученое:
Описание
Емкость конденсатора, микроФарад= 680
Напряжение на конденсаторе, Вольт = 200
Сопротивление общее, Ом = 1.800147899376892
Внешнее сопротивление, Ом = 0.5558823529411765
Сопротивление катушки, Oм = 1.244265546435716
Количество витков в катушке = 502.1193771626296
Диаметр обмоточного провода катушки, милиметр = 0.64
Длина провода в катушке, метр = 22.87309092387464
Длина катушки, милиметр = 26
Внешний диаметр катушки, милиметр = 24
Индуктивность катушки с пулей в начальном положении, микроГенри= 1044.92294174225
Внешний диаметр ствола, милиметр = 5
Масса пули, грамм = 2.450442269800038
Длина пули, милиметр = 25
Диаметр пули, милиметр = 4
Расстояние, на которое в начальный момент вдвинута пуля в катушку, милиметр = 0
Материал из которго сделана пуля = № 154 Экпериментально подобранный материал (простое железо)
Время процесса (микросек)= 4800
Приращение времени, микросек=100
Энергия пули Дж = 0.2765589667129519
Энергия конденсатора Дж = 13.6
КПД гауса(%)= 2.033521814065823
Начальная скорость пули, м/с = 0
Скорость пули на выходе из катушки, м/с= 15.02403657199634
Максимальная скорость, которая была достигнута, м/с = 15.55034094445013
И тут я сел реализовывать сие колдунство в реальность.
Взял трубку от антенны (одна из секций D = 5mm) и сделал в ней пропил (болгаркой), ибо трубка это замкнутый виток в котором будут наводиться токи окаянные, вихревыми зовущиеся, и будут эту самую трубку нагревать, снижая КПД, который и так невысок.
Вот что получилось: прорезь ~ 30 мм
Начал мотать катушку. Для этого вырезал из фольгированного стеклотекстолита 2 квадрата (30х30 мм) да с отверстием в центре (D = 5мм) и дорожки на нем вытравил хитрые, чтобы к трубке припаять (она то хоть и блестит как железка, но на самом деле латунная).
Со всем этим добром сел мотать катушку:
Намотал. И по все той же схеме собрал сей хитрый девайс.
Вот как это выглядит:
Тиристор и микрик были из старых запасов, а вот конденсатор я достал из компьютерного БП (там их два). Из того же БП впоследствии использовались еще диодный мост и дроссель переделанный в повышающий трансформатор, ибо от розетки заряжаться опасно, да и нет ее в чистом поле, а потому нужен преобразователь построением которого я и занялся. Для этого взял ранее собранный генератор на NE555:
И подключил его к дросселю:
у которого было 2 обмотки по 54 витка 0,8 проводом. Питал я все это от АКБ на 6 вольт. И вот ведь колдунство какое – вместо 6 вольт на выходе (обмотки то одинаковые), я получил целых 74 вольта. Выкурив еще пачку мануалов по трансформаторам я узнал:
- Как известно, ток во вторичной обмотке тем больше, чем быстрее изменяется ток в первичной обмотке, т.е. пропорционален производной от напряжения в первичной обмотке. Если производная от синусоиды тоже является синусоидой с такой же амплитудой (в трансформаторе величина напряжения умножается на коэффициент трансформации N), то с прямоугольными импульсами дело обстоит иначе. На переднем и заднем фронте трапециевидного импульса скорость изменения напряжения очень высока и производная в этом месте тоже имеет большое значение, отсюда и возникает высокое напряжение.Gauss2k.narod.ru “Портативное устройство для зарядки конденсаторов.” Автор ADF
Немного подумав, я пришел к выводу: раз выходное напряжение у меня 74 вольта, а надо 200 то – 200/74 = в 2,7 раза нужно увеличить количество витков. Итого 54*2,7 = 146 витков. Перемотал одну из обмоток более тонким проводом (0,45). Количество витков увеличил до 200 (про запас). Поигрался с частотой преобразователя и получил вожделенные 200 вольт (по факту 215).
Вот как это выглядит:
Некрасиво, но это временный вариант потом будет переделываться.
Собрав все это добро, я немного пострелял:
Постреляв, решил измерить, что за ТТХ у моей пушки. Начал с измерения скорости.
Посидев вечерком с бумагой и ручкой, вывел формулу, которая позволяет по траектории полета вычислить скорость:
С помощью сей хитрой формулы я получил:
Расстояние до цели, x = 2,14 м
отклонение по вертикали, y (среднее арифметическое 10 выстрелов) = 0,072 м
Итого: 
Я сначала не поверил, но впоследствии собранные пробивные датчики, подключенные к звуковой карте, показали скорость 17,31 м/с
Мерить массу гвоздика я поленился (да и нечем) поэтому взял массу, которую насчитал мне ФЕММ (2,45 грамма). Нашел КПД.
Энергия запасаемая в конденсаторе = (680 * 10^-6 * 200^2)/2 = 13,6 Дж
Энергия пули = (2,45 * 10^-3 * 17,3^2)/2 = 0,367 Дж
КПД = 0,367/13,6*100% = 2,7%
Вот в принципе и все что связано с одноступенчатым ускорителем. Вот как он выглядит:
Принцип действия
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. Снаряд при этом получает на концах полюса симметрично полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, т.е. тормозится. Но если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола. Но при выключении источника питания в катушке образуется ток самоиндукции, который имеет обратное направление тока, и поэтому меняет полярность катушки. А это значит, что при резком выключении источника питания снаряд, пролетевший центр катушки, будет отталкиваться и получать ускорение дальше. В ином случае, если снаряд не достиг центра, он будет тормозиться.Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Если используется полярный конденсатор (напр. на электролите), то в цепи обязательно должны быть диоды, которые защитят конденсатор от тока самоиндукции и взрыва.
Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным.
Расчёты
Энергия запасаемая в конденсаторе
V - напряжение конденсатора (в Вольтах)C - ёмкость конденсатора (в Фарадах)
Энергия запасаемая при последовательном и параллельном соединении конденсаторов равна.
Кинетическая энергия снаряда
m - масса снаряда (в килограммах)
u - его скорость (в м/с)
Время разряда конденсаторов
Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)
Время работы катушки индуктивности
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)
Преимущества и недостатки
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, а так же скорострельности орудия, возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а так же возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.
Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает даже 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию.
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею). Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.
Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности.
Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные, но мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).
RailGun
Рельсовая пушка (англ. Railgun ) — форма оружия, основанная на превращении электрической энергии в кинетическую энергию снаряда. Другие названия: рельсовый ускоритель масс, рельсотрон, рейлган (Railgun). Не путать с пушкой Гаусса.Принцип действия
Рельсовая пушка использует электромагнитную силу, называемую силой Ампера, чтобы разогнать электропроводный снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы. Ток I , идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле B между ними, перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда под действием силы F .Преимущества и недостатки
С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел бы испариться и разлететься, но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперед. Поэтому материал снаряда и рельс должен обладать как можно более высокой проводимостью, снаряд как можно меньшей массой, а источник тока как можно большей мощностью и меньшей индуктивностью. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей. На практике рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов, генераторы Маркса, ударные униполярные генераторы, компульсаторы, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки. В тех рельсотронах, где снарядом является проволока, после подачи напряжения на рельсы проволока разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким образом рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется.Электромагнитный ускоритель масс Гаусса, назван в честь гениального немецкого физика. Иоганн Карл Фридрих Гаусс считается самым великим математиком всех времен, но в радиолюбительских кругах он прославлен не теоремами и математическими формулами, а благодаря ускорителю масс Гаусса.
Сегодня будет рассмотрен один из самых простых вариантов ускорителя Гаусса. На сей раз мы не будем использовать сложные преобразователи напряжения, поскольку схема будет питаться напрямую от сети 220 вольт.
Для начала, хочу предупредить, что вся схема под напряжением, поэтому будьте предельно осторожны и соблюдайте все правила по безопасности, убедитесь, что вся емкость конденсаторов разряжена, прежде, чем делать монтажные работы.
Мощность схемы зависит от емкости неполярного конденсатора на 1,5 мкФ, чем больше его емкость, тем быстрее будут заряжаться электролиты.
Лампа накаливания ограничивает ток, ее можно заменить резистором на 10 ватт с сопротивлением 470 Ом-1 кОм.
Соленоид или катушка - основная часть пушки. Соленоид мотается на пластмассовом каркасе с внутренним диаметром 5-7мм (удобно использовать каркасы от шариковых ручек). Длина каркаса 15-25см. Для крепления витков использовался супер клей.
Катушка в данном случае содержит 55 витков, провод использован с диаметром 0,6 мм. Намотка делается по рядам, каждый ряд состоит из 10-12 витков, в итоге получается 5 слоев намотки.
Как уже было сказано, схема заряжается напрямую от сети. Зарядка достаточно проста, состоит всего из трех компонентов.
Диоды - любые выпрямительные, подобрать с напряжением выше 400 вольт. можно также использовать импульсные диоды, но смысла в этом нет, поскольку частота всего 50 Герц и обычные выпрямители справляются на ура.
Конденсатор с напряжением 400 вольт, емкость 1,5 мкФ, но можно подобрать путем опытов.
Снарядами могут служить кусочки гвоздей с длиной 3 см, диаметр подобрать 3-4мм.
Замыкатель - кнопка на 15-30 Ампер, через него ток из конденсатора разряжается на соленоид.
Настройка
Настройка заключается в правильной фазировке катушки. Поскольку на соленоид разряжается постоянный ток, то нужно соблюдать полярность подключения, в противном случае снаряд полетит назад.
Электролитические конденсаторы должны иметь расчетное напряжение 400 Вольт.
Монтаж
Основание - алюминиевый стенд от жесткого диска. Перед запуском нужно проверить схему.
Из своего опыта - вначале проверяйте работоспособность конденсаторов и диодов, в моем случае диоды не были проверены, поэтому при первом же включении был новогодний фейерверк...
Желательно использовать пластиковые или деревянные основания, в моем случае таковых просто не имелось под рукой.
Пушка не из самых мощных, но ею можно проводить ряд интересных опытов, понять принцип действия многих устройств.
Снаряд отлетает на 10-15 метров, зависит в целом от емкости конденсатора.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| VD1, VD2 | Выпрямительный диод | 1N4007 | 2 | В блокнот | ||
| C1 | 1.5 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| C2 | Электролитический конденсатор | 680мкФ 400В | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Резистор | 560 Ом | 1 | 10 Ватт | В блокнот | |
| L1 | Катушка индуктивности | 1 |
Проект был начат в 2011 году.Это был проект подразумевающий полностью автономную автоматическую систему для развлекательных целей, с энергией снаряда порядка 6-7Дж, что сравнимо с пневматикой. Планировалось 3 автоматических ступеней с запуском от оптических датчиков, плюс мощный инжектор-ударник засылающий снаряд из магазина в ствол.
Компоновка планировалась такой:
Тоесть класический Булл-пап, что позволило вынести тяжелые аккумуляторы в приклад и тем самым сместить центр тяжести ближе к ручке.
Схема выглядит так:
Блок управления в последствии был разделен на блок управления силовым блоком и блок общего управления. Блок конденсаторов и блок коммутации были обьеденены в один. Так-же были разработаны резервные системы. Из них были собраны блок управления силовым блоком, силовой блок, преобразователь, распределитель напряжений, часть блока индикации.
Представляет собой 3 компаратора с оптическими датчиками.
Каждый датчик имеет свой компаратор. Это сделано для повышения надежности, так при выходе из строя одной микросхемы откажет только одна ступень, а не 2. При перекрытии снарядом луча датчика сопротивление фототранзистора меняется и срабатывает компаратор. При классической тиристорной коммутации управляющие выводы тиристоров можно подключать напрямую к выходам компараторов.
Датчики необходимо устанавливать так:
А устройство выглядит так:
Силовой блок имеет следующую простую схему:
Конденсаторы C1-C4 имеют напряжение 450В и емкость 560мкФ. Диоды VD1-VD5 применены типа HER307/ В качестве коммутации применены силовые тиристоры VT1-VT4 типа 70TPS12.
Собранный блок подключенный к блоку управления на фото ниже:
Преобразователь был применен низковольтный, подробнее о нем можно узнать
Блок распределения напряжений реализован банальным конденсаторным фильтром с силовым выключателем питания и индикатором, оповещающим процесс заряда аккумуляторов. Блок имеет 2 выхода- первый силовой, второй на все остальное. Так-же он имеет выводы для подключения зарядного устройства.
На фото блок распределения крайний справа сверху:
В нижнем левом углу резервный преобразователь, он был собран по самой простой схеме на NE555 и IRL3705 и имеет мощность около 40Вт. Предполагалось использовать его с отдельным небольшим аккумулятором, включая резервную систему при отказе основной или разряде основного аккумулятора.
Используя резервный преобразователь были произведены предварительные проверки катушек и проверялась возможность использования свинцовых аккумуляторов. На видео одноступенчатая модель стреляет в сосновую доску. Пуля со специальным наконечником повышенной пробивной способности входит в дерево на 5мм.
В пределах проекта так-же разрабатывалась универсальная ступень, как главный блок для следующих проектов.
Эта схема представляет собой блок для электромагнитного ускорителя, на основе которого можно собрать многоступенчатый ускоритель с числом ступеней до 20. Ступень имеет классическую тиристорную коммутацию и оптический датчик. Энергия накачиваемая в конденсаторы- 100Дж. Кпд около 2х процентов.
Использован 70Вт преобразователь с задающим генератором на микросхеме NE555 и силовым полевым транзистором IRL3705. Между транзистором и выходом микросхемы предусмотрен повторитель на комплементарной паре транзисторов, необходимый для снижения нагрузки на микросхему. Компаратор оптического датчика собран на микросхеме LM358, он управляет тиристором, подключая конденсаторы к обмотке при прохождении снарядом датчика. Параллельно трансформатору и ускоряющей катушки применены хорошие снабберные цепи.
Методы повышения КПД
Так-же рассматривались методы повышения КПД, такие как магнитопровод, охлаждение катушек и рекуперация энергии. О последней расскажу подробнее.
ГауссГан имеет очень малый КПД, люди работающие в этой области давно разыскивают способы повышения КПД. Одним из таких способов является рекуперация. Суть ее состоит в том чтобы вернуть не используемую энергию в катушке обратно в конденсаторы. Таким образом энергия индуцируемого обратного импульса не уходит в никуда и не цепляет снаряд остаточным магнитным полем, а закачивается обратно в конденсаторы. Этим способом можно вернуть до 30 процентов энергии, что в свою очередь повысит КПД на 3-4 процента и уменьшит время перезарядки, увеличив скорострельность в автоматических системах. И так- схема на примере трехступенчатого ускорителя.
Для гальванической развязки в цепи управления тиристоров использованы трансформаторы T1-T3. Рассмотрим работу одной ступени. Подаем напряжение заряда конденсаторов, через VD1 конденсатор С1 заряжается до номинального напряжения, пушка готова к выстрелу. При подаче импульса на вход IN1, он трансформируется трансформатором Т1, и попадает на управляющие выводы VT1 и VT2. VT1 и VT2 открываются и соединяют катушку L1 с конденсатором C1. На графике ниже изображены процессы во время выстрела.
Больше всего нас интересует часть начиная с 0.40мсек, когда напряжение становится отрицательным. Именно это напряжение при помощи рекуперации можно поймать и вернуть в конденсаторы. Когда напряжение становится отрицательным, оно проходя через VD4 и VD7 закачивается в накопитель следующей ступени. Этот процесс так-же срезает часть магнитного импульса, что позволяет избавится от тормозящего остаточного эффекта. Остальные ступени работают подобно первой.
Статус проекта
Проект и мои разработки в этом направлении в общем были приостановлены. Вероятно в скором будущем я продолжу свои работы в этой области, но ничего не обещаю.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Блок управления силовой частью | |||||||
| Операционный усилитель | LM358 | 3 | В блокнот | ||||
| Линейный регулятор | 1 | В блокнот | |||||
| Фототранзистор | SFH309 | 3 | В блокнот | ||||
| Светодиод | SFH409 | 3 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 100 мкФ | 2 | В блокнот | ||||
| Резистор | 470 Ом | 3 | В блокнот | ||||
| Резистор | 2.2 кОм | 3 | В блокнот | ||||
| Резистор | 3.5 кОм | 3 | В блокнот | ||||
| Резистор | 10 кОм | 3 | В блокнот | ||||
| Силовой блок | |||||||
| VT1-VT4 | Тиристор | 70TPS12 | 4 | В блокнот | |||
| VD1-VD5 | Выпрямительный диод | HER307 | 5 | В блокнот | |||
| C1-C4 | Конденсатор | 560 мкФ 450 В | 4 | В блокнот | |||
| L1-L4 | Катушка индуктивности | 4 | В блокнот | ||||
LM555 | 1 | В блокнот | |||||
| Линейный регулятор | L78S15CV | 1 | В блокнот | ||||
| Компаратор | LM393 | 2 | В блокнот | ||||
| Биполярный транзистор | MPSA42 | 1 | В блокнот | ||||
| Биполярный транзистор | MPSA92 | 1 | В блокнот | ||||
| MOSFET-транзистор | IRL2505 | 1 | В блокнот | ||||
| Стабилитрон | BZX55C5V1 | 1 | В блокнот | ||||
| Выпрямительный диод | HER207 | 2 | В блокнот | ||||
| Выпрямительный диод | HER307 | 3 | В блокнот | ||||
| Диод Шоттки | 1N5817 | 1 | В блокнот | ||||
| Светодиод | 2 | В блокнот | |||||
| 470 мкФ | 2 | В блокнот | |||||
| Электролитический конденсатор | 2200 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| Электролитический конденсатор | 220 мкФ | 2 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 10 мкФ 450 В | 2 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 1 мкФ 630 В | 1 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 10 нФ | 2 | В блокнот | ||||
| Конденсатор | 100 нФ | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 10 МОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 300 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 15 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 6.8 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 2.4 кОм | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 1 кОм | 3 | В блокнот | ||||
| Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 30 Ом | 2 | В блокнот | ||||
| Резистор | 20 Ом | 1 | В блокнот | ||||
| Резистор | 5 Ом | 2 | В блокнот | ||||
| T1 | Трансформатор | 1 | В блокнот | ||||
| Блок распределения напряжений | |||||||
| VD1, VD2 | Диод | 2 | В блокнот | ||||
| Светодиод | 1 | В блокнот | |||||
| C1-C4 | Конденсатор | 4 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 10 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Выключатель | 1 | В блокнот | |||||
| Батарея | 1 | В блокнот | |||||
| Программируемый таймер и осциллятор | LM555 | 1 | В блокнот | ||||
| Операционный усилитель | LM358 | 1 | В блокнот | ||||
| Линейный регулятор | LM7812 | 1 | В блокнот | ||||
| Биполярный транзистор | BC547 | 1 | В блокнот | ||||
| Биполярный транзистор | BC307 | 1 | В блокнот | ||||
| MOSFET-транзистор | AUIRL3705N | 1 | В блокнот | ||||
| Фототранзистор | SFH309 | 1 | В блокнот | ||||
| Тиристор | 25 А | 1 | В блокнот | ||||
| Выпрямительный диод | HER207 | 3 | В блокнот | ||||
| Диод | 20 А | 1 | В блокнот | ||||
| Диод | 50 А | 1 | В блокнот | ||||
| Светодиод | SFH409 | 1 | |||||
