Пушка Гаусса. Научно - исследовательская работа учеников 9 «А» класса Куричина Олега и Козлова Константина.
Пушка Гаусса – это наиболее распространённое название устройства, принцип работы которого основан на использовании мощного электромагнита для ускорения предметов. Обычно электромагнит состоит из ферромагнитного сердечника, на который намотана проволока (далее - обмотка). При прохождении тока по обмотке возникает магнитное поле.
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 заряд, симметричный зарядам 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. 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 с высоким рабочим напряжением. 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.
Установки, имеющие только одну катушку, как правило не очень эффективны. Для того, чтобы добиться действительно большой скорости полёта снаряда, требуется собрать систему, в которой катушки будут поочерёдно включаться, втягивая в себя снаряд, и автоматически выключаться, когда тот дойдёт до середины катушки. На рисунке представлен вариант подобной установки с несколькими катушками.
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 также 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, больша я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.
Естественно, такими разработками интересуются военные. В 2008 году американцы собрали пушку EMRG. Вот, немного о ней: 02. 2008 была испытана самая мощная в мире электромагнитная пушка. ВМС США провел на полигоне в штате Виржиния испытание самой мощной в мире электромагнитной пушки EMRG. Пушка EMRG, созданная для надводных кораблей, считается перспективным оружием второй половины ХХI века. В первую очередь потому, что это устройство без помощи порохового заряда придает снаряду скорость 9 тысяч км/час, что в несколько раз превышает скорость звука. Снаряд набирает такую скорость благодаря пролету через мощное электромагнитное поле, создаваемое пушкой. Разрушительная сила такого снаряда тоже весьма высока. В ходе испытаний за счет высокой кинетической энергии снаряд полностью разрушил старый бетонный бункер. А значит, в дальнейшем для уничтожения таких объектов можно отказаться от взрывчатки. Также снаряд с электромагнитным ускорением способен покрыть больший путь, чем обычные снаряды - до 500 км. Ну, а главное достоинство электромагнитной пушки - ее снаряды не взрывоопасны, а значит - более безопасны. Вдобавок к этому он не оставляет после себя гильз с пороховым или химическим зарядом.
Однако, не только американские военные собирают Гаусс -пушки. Не так давно Алан Пэрек собрал свою собственную установку. На её создание у него ушло 40 часов и 100 евро. Пушка весит 5 кг, рассчитана на 14 выстрелов и имеет полуавтоматический режим стрельбы. Вот фотография этой установки.
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. Это большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности.
Мы также собрали подобную установку, используя стеклянную трубку, длиной около 1 м, катушку индуктивности на 100 витков и 3 конденсатора, каждый ёмкостью по 58 мк. Ф (всё это было найдено в кабинете физики).
Мы собрали различные варианты установки и попытались установить, какая форма снаряда будет наиболее подходящей для стрельбы. L снаряда 1 см 2 см 3 см 4 см L выстрела 1. 5 м 3. 14 м 3. 2 м м D снаряда 1 см 0, 5 см 1 мм L стрельбы 1, 87 м 2, 87 м 3, 21 м 2, 5 м Таблица 2. Изменяется длина снаряда (толщина постоянна). 0, 5 мм Таблица 3. Изменяется толщина снаряда (длина L=3 см, наилучшая из предыдущего опыта).
Нашей второй целью было выяснить, какое количество витков в катушке установки и какая ёмкость конденсаторов позволят снаряду лететь лучше всего. 174 100000 C 58 116 мк конденсато мк мк мк. Ф Ф ра Ф Ф L выстрела 0. 9 м 1. 7 м 3. 1 м 0. 6 м N витков 0. 2 м 100 шт L выстрела 3. 07 м 200 шт 300 штя 400 шт 2. 84 м 2. 7 м 2. 56 м
Наилучшие характеристики снаряда и установки в предыдущих Можно заметить, что самые таблицах лучшие характеристики были выделены красным цветом. находятся в «середине» , между самыми большими и самыми U 40 в 80 в 160 в 220 в маленькими значениями. конден Это довольно легко объяснить. сатора Время полной разрядки конденсатора равно одной четверти периода. Следовательно, имея большую ёмкость, конденсатор будет L 1 м 1. 7 м 3. 3 м 3. 21 м долго разряжаться. Как следствие, мы получим малую выстре дальность полёта снаряда. ла Также, установка, имеющая малое напряжение конденсатора как следствие имеет большую ёмкость, что, как было сказано выше, сказывается на дальности полёта снаряда. .
Как видно из таблицы, длина ствола особой роли тут не играет. L снаряда 1, 7 см 0, 5 м 1 м L выстрела 3, 01 м 2, 98 м 3, 08 м Всё-таки одна из целей нашего исследования была достигнута – мы выяснили, какие характеристики катушки и снаряда позволят последнему лететь дальше всего. Как уже говорилось, это ёмкость конденсаторов в 174 мк. Ф, длина ствола в 1 м и 100 витков в катушке. Напряжение конденсаторов мы взяли 220 в. Гвоздь, используемый в качестве снаряда, около 1 мм в диаметре и 3 см в длину.
После всех исследований мы поняли следующее: Возможность существования пушки гаусса доказана, а значит цель исследований достигнута.
Презентация к исследовательской работе "Пушка Гаусса". Исследование принципа работы пушки Гаусса, электромагнитного ускорителя масс, работающая на явлении электромагнитной индукции.
Просмотр содержимого документа
«Аннотация»
Аннотация.
Устройство - «Пушка Гаусса» относится к электромагнитному ускорителю масс, которая работает на явлении электромагнитной индукции.
Цель работы: исследование принципа работы электромагнитного ускорителя масс на основе пушки Гаусса и возможности его применения в электротехнике.
Задачи:
1. Изучить устройство пушки Гаусса и построить ее опытную модель
2. Рассмотреть параметры эксперимента
3. Исследовать вопрос практического применения устройства, работающих по принципу пушки Гаусса
Методы исследования: эксперимент и моделирование.
Экспериментальная установка состоит из блока зарядки и колебательного контура .
Зарядное устройство питается от сети переменного тока 220В, частотой 50Гц и состоит из четырех полупроводниковых диодов. Колебательный контур включает: конденсатора ёмкостью 800мкф и 330В, катушки индуктивности1,34 мГн.
Производился горизонтальный выстрел из опытного образца массой m =2,45г, при этом дальность полета составило в среднем s =17м, при высоте полета h =1,20м.
По исходным экспериментальным данным: массы двух снарядов, напряжения, емкости конденсатора, дальности и высоты полета, мной были вычислены энергия запасаемая конденсатором, время полета, скорость, кинетическая энергия движения снаряда, кпд установки.
| Исходные данные |
||
| Дальность полёта, s | ||
| Высота полёта, h | ||
| Ёмкость конденсатора, C | ||
| Напряжение сети, U | ||
| Экспериментальные данные | ||
| Энергия, запасаемая в конденсаторе, E с = | ||
| Время разряда конденсатора, Т раз = | ||
| Индуктивность соленоида, L = | ||
| Время полёта, t = | 0,4 9 с | |
| Скорость вылета снаряда, 𝑣 = | ||
| Кинетическая энергия снаряда, E = | ||
| КПД пушки | ||
Выводы: мне удалось собрать действующую установку ускорителя с кпд = 3,2% - 4,6%. Модель была мной исследована на дальность полета снаряда. Я установил зависимость дальности полета от скорости вылета снаряда, рассчитал кпд установки. Для повышения кпд необходимо
А. увеличить скорость вылета снаряда, т. к., чем быстрее движется снаряд, тем меньше
потерь при его разгоне. Этого можно достичь за счет
1. уменьшения массы снаряда. Мои экспериментальные исследования показали, что снаряд массой 2,45г имеет дальность полета 11м, а скорость вылета – 22,45 м/с; снаряд – 1,02г – 20,5м и 41,83м/с;
увеличения мощности магнитного поля за счет увеличения индуктивности катушки. Для этого я увеличил количество витков, что соответственно при постоянном диаметре провода, увеличился диаметр самой катушки;
ограничения времени действие магнитного поля на снаряд. Для этого соленоид нужно взять коротким.
В. Чем короче и толще будут соединительные провода, тем больше КПД будет иметь Гаусс.
С. Очень перспективно делать многоступенчатый магнитный ускоритель – каждая последующая ступень будет обладать более высоким КПД, чем предыдущая благодаря увеличению скорости снаряда. Но при малом времени нахождения снаряда в зоне эффективного действия ускоряющего магнитного поля требуется как можно быстрее установить в соленоиде ток нужной величины, а потом его отключить, дабы избежать бесполезных трат энергии. Всему этому препятствует индуктивность катушки и требования к параметрам коммутационных устройств. Разрешить эту проблему можно множеством разных способов – использовать последующие обмотки увеличивающейся длины при постоянном количестве витков – индуктивность будет ниже, а время пролета через них снаряда не намного больше, чем у предыдущей ступени. Чтобы сделать эффективный многоступенчатый магнитный ускоритель масс, не особо критичный к его настройке, требуется обеспечить несколько важных условий:
использовать один общий источник питания обмоток;
использовать ключи, обеспечивающее строго заданное по времени включение тока на обмотку;
использовать синхронное с движением снаряда включение и выключение
обмоток - ток в обмотке должен включатся, когда снаряд попадает в зону
эффективного действия ускоряющего магнитного поля, и должен отключатся,
когда снаряд выходит из этой зоны;
на различных ступенях использовать различные обмотки.
Просмотр содержимого презентации
«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
Фотографии Discovery Channel
http://www.coilgun.info/discovery/photos.htm
Название детали
В 1-ой пушке
Количество слоёв
во 2-ой пушке
Длина соленоида
Кол-во витков
Материал
Диаметр, форма
Длина
Обтекаемая, цилиндрическая
Масса
Исходные данные
Дальность полёта, s
Высота полёта, h
Ёмкость конденсатора, C
Напряжение сети, U
Экспериментальные данные
Энергия, запасаемая в конденсаторе, Е
Время разряда конденсатора, Т раз
Время работы катушки индуктивности, Т
Индуктивность соленоида, L
Время полёта, t
Скорость вылета снаряда,𝑣
Кинетическая энергия снаряда, E
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.
- 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.
Принцип работы.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Coilgun_animation.gif
П р о е к т
Пушка Гаусса.
Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУМ)
Выполненный, учениками 9г класса
ГБОУ СОШ 717, САО, города Москвы
Полякова Марина
Литвиненко Руслан
Руководитель проекта, учитель физики:
Дмитриева Ольга Александровна
МОСКВА, 2012
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………..3
ГЛАВАI ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ (ОБЩИЙ)…………………………5
НЕОХОДИМЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА……………………..7
АЛГОРИТМ И ОПИСАНИЕ СБОРКИ МОДЕЛИ………………….8
СХЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ…………………………………………11
ПРИНЦИП СОЗДАННОЙ МОДЕЛИ……………………….…...…11
ГЛАВАII ПРИМЕНЕНИЕ ДАННОГО УСТРОЙСТВА……………....13
2.1 В КОСМОСЕ И МИРНЫХ ЦЕЛЯХ………………………………….14
2.2 В ВОЕННЫХ ЦЕЛЯХ………………………………………………….15
2.3 НАШЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ.……………………………………………..16
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………..18
ЛИТЕРАТУРА………………………………………………...…………….21
ПРИЛОЖЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Принцип устройства был разработан Карлом Гауссом, немецким физиком, астрономом и математиком.
Проект посвящен изобретению под названием Пушка Гаусса (Гаусс Ган или Коил Ган, как его называют на западный манер), по фамилии выдающегося немецкого математика, астронома и физика
XIX века, сформулировавшего основные принципы работы оружия, основанного на электромагнитном ускорении масс, гаусс гана.
Многие слышали о пушке Гаусса из фантастических книг или компьютерных игр, так как Пушка Гаусса весьма популярна в научной фантастике, где выступает в качестве персонального
высокоточного смертоносного оружия, а также стационарного высокоточного и высокоскорострельного оружия.
Среди игр пушка Гаусса появлялась в Fallout 2, Fallout Tactics, Half-life (есть экпериментальное оружие, именуемое Тау-пушкой), в StarCraft пехотинцы вооружены автоматической винтовкой Гаусса C-14 «Impaler». 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.
Цель работы : изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса.
Основные задачи :
Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.
Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.
Создать действующую модель.
Применение данной модели.
Практическая часть работы :
Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях школы. Компьютерная презентация проекта в формате Power Point .
Гипотеза : возможно ли создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в условиях школы?
Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала.
1Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны 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 вызван простотой сборки и доступностью материалов, простота в использовании с одной стороны и большая энергозатратность с другой, что и определило основную проблему исследования. Недостаточно изучен спектр применения электромагнитного ускорителя в повседневной жизни. Создать модель ускорителя масс, на основе анализа экспериментальных данных выяснить, где можно использовать пушку Гаусса, в каких сферах жизнедеятельности человека.
Данные противоречия актуализировали и обусловили выбор темы исследования: «Пушка Гаусса-оружие или игрушка?».
Почему я выбрал эту тему? Я заинтересовался устройством пушки и решил создать модель такой пушки Гаусса, т.е. любительскую установку. Её можно использовать как игрушку. Но, создавая модель, я стал задумываться, где же ещё можно применять пушку Гаусса и как сконструировать более мощную пушку, что же для этого нужно?! Как можно увеличить бегущее электромагнитное поле?
Цель работы: Создать и исследовать различные варианты конструкций пушки Гаусса при изменении физических параметров частей пушки.
Задачи исследования:
1. Создать действующую модель пушки Гаусса для демонстрации на уроках физики явления электромагнитной индукции.
2. Исследовать эффективность работы пушки Гаусса от ёмкости конденсатора и индуктивности соленоида.
3. На основе результатов исследования предложить новые области применения пушки в сфере жизнеобеспечения человека.
Предмет исследования - явление электромагнитной индукции.
Объект исследования - модель Пушка Гаусса.
Методы исследования:
1. Анализ научной литературы.
2. Материальное моделирование, конструирование.
3. Экспериментальные методы исследования
4. Анализ, обобщение, дедукция, индукция.
Практическая значимость: Данный прибор можно использовать для демонстрации на уроках физики, что будет способствовать лучшему усвоению учащимися данных физических явлений.
Пушка Гаусса (англ. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) - одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс.
Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.
Принцип действия пушки Гаусса
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.
Создание и отладка работы Пушки Гаусса
Простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов даже при школьных знаниях физики.
Начнем сборку пушки с соленоида (катушка индуктивности без сердечника). Стволом катушки является кусок пластиковой соломинки длиной 40 см. Аккуратно наматываем на нее медный провод, виток к витку,- от качества сборки будет зависеть дальность стрельбы нашего орудия. Всего надо намотать 9 слоев. На практике я установил, что лучше два слоя обмотки возбуждения намотать проводником в полихлорвиниловой изоляции, которая в этом случае не должна быть слишком толстой (диаметром не более 1,5 мм). Затем можно все разобрать, снять шайбы и надеть катушку на стержень от фломастера, который будет служить стволом. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: она действует как электромагнит. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. Далее выполняем сборку электрической цепи, закрепляем ее элементы на неподвижной подставке. Можно пушке придать форму пистолета, поместив детали цепи в корпус пластиковой детской игрушки. Но я поместил цепь в корпус картонной коробки.
В соответствии с описанной технологией я создал две действующие модели. Я проводил параллельный эксперимент, соответственно изменяя систему конденсаторов (во второй модели несколько конденсаторов, в первой - один), количество витков соленоида, различные типы соединения участков цепи.
При исследовании пушки, я пришёл к выводу, что материалы для сборки установки доступны; в мире очень много литературы, которая помогает понять принципы работы пушки и различные способы ее сборки. Но при применении пушки возникает проблема ее использования, что в современном мире пушка может быть использована только в военных и космических интересах, т.к. очень сложно просчитать поведение катушки при применении моделей в других отраслях жизнедеятельности человека.
Я выяснил, что теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту. Основное применение - любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность).
Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.
Первая и основная трудность - низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27 %. В основном в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей для размыкания катушки (правило Ленца).
Вторая трудность - большой расход энергии (из-за низкого КПД).
Третья трудность (следует из первых двух) - большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.
Четвёртая трудность - достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи конденсаторы.
Пятая трудность - с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.
В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено - дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.
Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. Теоретически, перспективы, конечно, возможны, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200-300К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности.
Испытания гаусс-пушки дали цифру в 27 % КПД. То есть, по мнению специалистов выстрел из гаусса проигрывает даже китайской пневматике. Перезарядка медленная - про скорострельность не может быть и речи. И самая большая проблема - нет мощных, мобильных источников энергии. И пока эти источники не будут найдены - про вооружения гаусс-пушками можно забыть.
Библиографическая ссылка
Бекетов К.С. ПУШКА ГАУССА – ОРУЖИЕ ИЛИ ИГРУШКА? // Международный школьный научный вестник. – 2016. – № 3. – С. 45-47;URL: http://school-herald.ru/ru/article/view?id=74 (дата обращения: 24.08.2019).
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 | |||||