Электромагнитная пушка

Департамент образования администрации г. Томска

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

АКАДЕМИЧЕСКИЙ ЛИЦЕЙ

Электромагнитная пушка

Выполнил:

Руководитель: Некрасов

Георгий Александрович

Томск 2008

Оглавление

Оглавление. 2

Введение. 3

Принцип действия ускорителей масс. 3

Gauss gun.. 3

Катушка Томпсона. 5

Rail gun.. 5

Реализация идеи МУ. 6

Строительство мощного электромагнитного ускорителя. 6

Сборка небольшого электромагнитного ускорителя. 8

Программы, использованные при проектировании МУ.. 10

Основные характеристики МУ.. 13

Вывод. 13

Список литературы.. 14

 

Введение

Магнитный ускоритель масс (МУ) или электромагнитную пушку чаще называют Gauss gun. Это название возникло еще в первой половине прошлого столетия потому, что величина магнитного поля измерялась тогда в гауссах, по имени ученого и математика Гаусса. (10000 гс = 1 Тл). Сейчас, чаще всего, можно встретить гауссовку в компьютерных играх или научной фантастике, но, тем не менее, можно отыскать и реальные, реализованные проекты. Возможно, их показатели далеки от желаемых, но работы по улучшению ведутся не прекращаясь, например Соединённые Штаты ежегодно тратят миллиарды долларов на разработку МУ для вооружения ПРО. Уже сейчас существуют образцы, которые 20 лет назад действительно считались вымыслом и фантастикой.

Принцип действия ускорителей масс

Существует, как минимум 3 типа ускорителей масс: электромагнитные ускорители масс (Gauss gun), индукционные ускорители масс (катушка Томпсона), рельсовые ускорители масс (от англ. “Rail gun” – рельсовая пушка).

Gauss gun

На практике конструкция гаусс-гана представляет собой ствол (трубу) из диэлектрика, намотанный на него изолированный проводник (катушка, их может быть несколько), и конденсаторы большой емкости. Внутрь трубки, перед началом катушки, помещают снаряд из железа или другого ферромагнитного вещества, затем, предварительно заряженный конденсатор при помощи электрического ключа замыкается на обмотку. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле,

Рис.1 Схема одноступенчатого МУ

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, и снаряд смог бы продолжить движение по инерции. В таком случае КПД одноступенчатого (рис.1) МУ будет максимальным.

Существую различные варианты схем многоступенчатого МУ, которые предусматривают синхронизацию замыкания цепи (катушка - конденсатор) при подлете снаряда к обмотке (рис.2).

Рис.2 Собранная плата (на фотографии плата собранного МУ)

Катушка Томпсона

Рис.3 Катушка Томпсона

В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.

Rail gun

Рис.4 Рельсовая пушка

(рельсотрон)

Иначе функционирует рельсовый ускоритель масс. В нем проводящий снаряд движется между двух рельс - электродов (откуда и получил свое название - рельсотрон), по которым подается ток. Источник тока подключается к рельсам у их основания, поэтому ток течет как бы вдогонку снаряду и магнитное поле, создаваемое вокруг проводников с током, полностью сосредоточенно за проводящим снарядом. В данном случае снаряд является проводником с током, помещённым в перпендикулярное магнитное поле, созданное рельсами. На снаряд действует сила Лоренца, направленная в сторону противоположную месту подключения рельс и ускоряющая снаряд. С изготовлением рельсотрона связан ряд серьезных проблем: импульс тока должен быть мощным и резким, снаряд не должен успеть испарится (ведь через него протекает огромный ток), 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 индуктивность. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверх больших скоростей. На практике рельсы изготавливают из безкислородной меди покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки, в качестве источника питания - батарею высоковольтных конденсаторов, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки.

Реализация идеи МУ.

Строительство мощного электромагнитного ускорителя

Попытки создания электромагнитных пушек предпринимались много раз, и в 80 годах 20 века во Франции построили электрическое орудие. Эта модель бросала снаряд весом в 50 граммов со скоростью 200 метров в секунду. Почему же не смогли построить по этой модели настоящее боевое орудие, скажем 76-миллиметровую пушку? Для метания снаряда из 76-миллиметровой огнестрельной пушки затрачивалась в шесть тысячных долей секунды огромная энергия в килограмомметров, то есть была необходима мощность в лошадиных сил. Такая же мощность, конечно, необходима для стрельбы из любой и неогнестрельной 76-миллиметровой пушки, бросающей такой же снаряд на то же расстояние. Но в машине неизбежны потери. В лучшем случае они составят не менее 50% ее мощности. Значит, мощность машины при нашей электрической пушке должна быть не менее лошадиных сил. Эта мощность огромной электростанции. Но мало этого, для того чтобы сообщить необходимую для движения снаряда энергию в ничтожный промежуток времени, нужен ток огромной силы. Чтобы выделить огромную энергию в малый промежуток времени, нужно ввести на электростанции какое-то специальное оборудование. Применяемое оборудование не выдержит того "удара", который последует при "коротком замыкании" очень сильного тока. Если же удлинить время воздействия тока на снаряд, то нужно удлинить ствол. Совершенно не обязательно, чтобы выстрел "длился", например, одну сотую секунды. Вполне возможно удлинить время выстрела до одной секунды, то есть в 100 раз. Но тогда примерно во столько же раз нужно было бы удлинить и ствол. Оказывается, в этом случае, для того чтобы бросить тот же 76-миллиметровый снаряд на полтора десятка километров, ствол пушки пришлось бы сделать длиной около 200 метров.

Рис.5 Возможно, так выглядела бы электропушка средней мощности

Очевидно, что столь огромные сооружения (рис.5) дороги и не выгодны. Почему же разработки все равно ведутся? Дело в том, что МУ имеет много достоинств:

Разгон снаряда можно выполнять плавно, что делает возможным создание некого подобия поезда, транспортных сетей, возможно, это будет не на Земле, а в космосе, и произойдет не скоро, но перспектива остается. Теоретически, запустить снаряд можно на сотни и даже тысячи километров, путем удлинения ствола (сходство можно найти с рычагом, мы теряем в расстоянии, но выигрываем в силе). Снаряд можно разогнать до огромных скоростей, увеличивая длину ствола и, возможно, число независимых обмоток (только стоит синхронизировать их работу). Полная бесшумность выстрела.

Gauss gun имеет большой потенциал и возможности. Конечно, существуют проблемы, большей частью, заключающиеся в недостаточно развитых технологиях получения больших импульсов тока, достижение сверхпроводимости, а также создания мощных портативных аккумуляторов. Как известно, эти технологии развиваются очень быстро, тем самым, готовя “основание” для воплощения идеи МУ.

Сборка небольшого электромагнитного ускорителя

При сборке многоступенчатого гаусс-гана, в основном проблемы возникают при проектировании схемы. Добиться синхронизации включения определенной катушки в определенный момент, является основной сложностью, так как для максимального результата необходима очень высокая точность, иначе, неверно работающие катушки могут тормозить снаряд. В данной работе я выбрал схему каскадного переключения катушек с некоторой частотой. Точность переключения регулируется взаимным расположением катушек и переменным резистором, меняющим частоту переключения, выведенным на панель основного корпуса системы(рис.6). Таким образом, появляется возможность применять для запуска снаряды с различной массой. Рис.6 Основной корпус

Рассматривался вариант с применение световых или ИК-диодов (инфро-красных) в паре с фотодиодами. На протяжении всего ствола пушки, по количеству катушек, напротив друг-друга, попарно стоят подключенные ИК - и фото-диоды, при прохождении снаряда между ними, прекращается подача инфро-красного излучения, затем срабатывает диод - переключается катушка (сходная система может использоваться для создания датчика скорости). Но такая система достаточно сложна, и имеет ряд проблем с настройкой.

Выбрав каскадный, независимый способ переключения (переключение катушек не зависит от расположения снаряда), более удобный и практичный, возникла только проблема четкой расстановки катушек вдоль ствола (рис.7).

Рис.7 Ствол пушки

Тем не менее, четко расставив катушки и подобрав сопротивление на резисторе, возможно использование снарядов с достаточно большой разностью масс (от 2-5 , до 45-48 грамм). Безусловно, при использовании различных тел будет меняться и конечная скорость выстрела.

Программы, использованные при проектировании МУ

При проектировании ствола МУ использовалась программа 3D моделирования SolidWorks2003 (рис.8-рис.9). Программа позволяет создавать любые детали в 3D пространстве, а так же использовать симуляторы двигателей (в данном случае использовался линейный двигатель)

Рис.8. 3-D модель. Вариант 1(4 катушки)

Рис.9. 3-D модель. Вариант 1(4 катушки)

Для проектирования схемы (рис.2) применялась программа OrCAD_10.3 (рис.10, рис.11, рис.12). Программа позволяет не только составлять схемы, включая большой перечень деталей и микросхем, но и тестировать их, в частности составлять графики тока и напряжения по времени (рис.12).

Рис.10 Схема МУ

Рис.11 Простейшая схема колебательного контура

Рис.12 График изменения тока и напряжения во времени простейшего колебательного контура (рис.11)

Основные характеристики МУ

Длина ствола – 100см

Внутренний радиус ствола – 2,3см

Размеры основного корпуса – 30х20х15см

Количество катушек – 8

Диапазон масс снарядов – 2-45гр

Питание – 220В; 50гц

Емкость каждого конденсатора – 2200мкФ

Напряжение каждого конденсатора – 12В

Характеристики катушки (в виде полого цилиндра) – r-2,7см, R-3.6см, L-3см. Толщина медной проволоки – 0,05см

Скорость снаряда непосредственно зависит от его физических свойств (массы, объема, формы и ферромагнитных свойств). Конструкция позволяет экспериментировать с различными снарядами, исследовать различные варианты.

Вывод

Разрабатывая, и собирая небольшой многоступенчатый МУ типа гаусс-гана, возникали проблемы, в частности из-за недостатка информации по этому вопросу. Приходилось преодолевать многие трудности, не имея точного представления о конечном результате. Но в данной области можно самостоятельно найти новые решения некоторых задач, что делает ее весьма интересной, тем более что идеи создания таких установок очень перспективны. Находя все новые варианты решения проблем, собирая более мощные схемы, можно безгранично совершенствовать конструкцию. Так же развиваются технологии создания портативных аккумуляторов, что позволит расширить возможности реализации проектов.

Современные установки различных типов не дают желаемых результатов, но от теории МУ, полагаю, отказываться не будут, создавая установки более мощные, с большим КПД, кроме того, считается, что его можно приблизить к 95%.

Список литературы

http://www. / www. skif. biz www. *****/coilgun/indexr. htm

Автор выражает свою благодарность , а также другим сотрудникам ИОА СО РАН, помогавшим в осуществлении проекта.