Введение

  Теорию электромагнитного  ускорителя в 19 веке разработал Иоганн Гаусс(Рис.1).  Его пушка 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. Такая пушка получила имя своего создателя - ее стали называть пушкой Гаусса(Рис.2).

Пушка Гаусса и устройства, использующие подобный принцип работы, могут применяться для запуска легких спутников на орбиту, для работы в  условиях невесомости, линейных двигателях, монорельсах, гвоздомётах, применяется в любительских установках, для демонстрации свойств ферромагнетиков.

У такой установки есть свой ряд плюсов и минусов.

Плюсы – не используется порох, отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости, возможность бесшумного  выстрела, относительно малая отдача, возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

Минусы – требуются большие энерго-затраты, малый круг применения, низкий КПД.

Объект и предмет исследования

       Объектом данного исследования являются непороховые электромагнитные ускорители масс, обладающие перечисленными выше преимуществами. В качестве предмета исследования мы выбрали пушку Гаусса - один из видов электромагнитного ускорителя масс.        

Цели и задачи

Целью настоящей работы стало исследование влияния размеров снаряда на КПД пушки Гаусса.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Для достижения поставленной цели нам пришлось решить несколько задач:

- выбрать оптимальную схему установки;

- произвести расчет номинальных значений элементов;

- приобрести необходимые детали, элементы конструкции и электрической схемы;

- изготовить недостающие элементы самостоятельно - набор катушек индуктивности для разгона снаряда, преобразователь напряжения, хронометр на основе двух оптопар для измерения скорости снаряда;

- собрать, протестировать и отладить установку;

- провести необходимые измерениия;

- проанализировать полученные результаты и сделать выводы.

Метод исследования

В качестве метода исследования был выбран экспериментальный метод исследования. При этом методе само исследование разбивалось на несколько этапов:

-постановка вопроса, выдвижение познавательной  задачи;

-создание экспериментальной установки;

-проведение эксперимента в необходимых условиях;

-фиксация результатов, проведение нужных измерений;

-анализ данных эксперимента.

Описание экспериментальной установки

Ускоритель состоит из 1 катушки, конденсаторной сборки, преобразователя напряжения. Логика срабатывания и задержек реализована на Arduino - совместимом контроллере  ATMega 328. Интегрированный хронограф - устройство для измерения скорости выхода снаряда - был разработан на основе оптопары. Снаряды представляют собой отрезки проволоки различной массы и длины.

Рис.3 Экспериментальная установка

Аккумуляторы

Блок АКБ состоит из 3-х литиевых аккумуляторов формата 18650, напряжением 3.7-4.2В каждый. Этот формат был выбран в связи с его доступностью, малым весом и возможностью отдавать достаточно большие токи для корректной работы преобразователя напряжения. Были использованы аккумуляторы от старого ноутбука.

Преобразователь напряжения

Рис.4 Преобразователь напряжения

Преобразователь напряжения необходим для DC-DC преобразования из напряжения питания установки(10-14В) до рабочего напряжения (200-800В). Он работает по принципу однотактного генератора, где силовым элементом является полевой транзистор IRL3705(возможно использование любого другого «быстрого» полевого  N-канального транзистора, подходящего по параметрам тока и напряжения, например IRFZ44N). Задатчиком управляющих импульсов для которого является ШИМ генератор UC-3845. Преобразователь имеет обратную связь и индикатор готовности к работе. Возможно задание максимального зарядного напряжения.  Микросхема выполнена в корпусе DIP8, и в совокупности с частотозадающей R-C цепочкой является генератор управляющих импульсов для силового транзистора. Микросхема перестает генерировать импульсы при достижении заданного напряжения, тем самым останавливает работу преобразователя.  Трансформатор в преобразователе импульсный с ферритовым сердечником Ш - образной  формы из серии U-2300. Принципиальная схема преобразователя напряжения приведена на рис.5

Конденсаторы

Для накопления энергии и ее последующей передачи на катушки и образования мощного электромагнитного поля  используются электролитические конденсаторы емкостью 2200мкФ и рабочим напряжением 200В. Для более эффективной работы электромагнитного поля используем 2 конденсатора включенных последовательно, тем самым поднимая рабочее напряжение. Запасенная энергия в каждой ступени , где C - общая емкость конденсаторов,  U - рабочее напряжение. Таким образом, энергия, запасенная в конденсаторах, равна 88Дж.

Катушка

Катушка намотана из обмоточного провода ПЭВ2 1.07мм., взятого из старых дросселей аппаратуры связи. Каркасом для катушек является сам ствол. Индуктивность катушек выбрана с учетом скорости разряда конденсаторных сборок, составляет 1мкГн. и рассчитана по формуле . Где T - время разряда, L-индуктивность катушки, C-емкость конденсаторов. Намотка произведена в 10 слоев, каждый слой отделен от остальных полиэтиленовой лентой. 

Блок коммутации

Для коммутации таких больших напряжений и токов пришлось использовать довольно мощные  тиристоры или симисторы. Основой всего блока коммутации стал мощный симистор BTA-41-800 в корпусе TOP3. Он рассчитан на работу с напряжением до 800В и долговременной работой с током в 40А, а кратковременно 400А и является неким компромиссом между требуемыми характеристиками и ценой (доступностью). Тем не менее энергия, запасенная в конденсаторах настолько велика (88Дж), что я использовал два симистора, включенных параллельно. Управление симистором  производится напряжением в 12В и током в 100мА. Для питания контроллера в блоке коммутации предусмотрен линейный стабилизатор напряжения L7805, выдающий стабилизированные 5В на выходе.

Интерфейс управления

Интерфейс управления состоит из тактовой кнопки, светодиодного индикатора готовности преобразователя и небольшого табло, соединенного с оптопарой, на котором отображается значение скорости снаряда. Тактовая кнопка является электронным спусковым механизмом. Хронограф, интегрированный в стволик, выводит показания или на трехразрядный семисегментный индикатор или по bluetooth каналу на экран мобильного телефона. Контроллер позволяет организовать управление всей установкой по bluetooth каналу с мобильного устройства.

Плата

Для травления платы преобразователя и блока коммутации был использован текстолит FRA-4. Травление обеих плат осуществлялось лазерно-утюжным методом.  После того как плата была облужена, в ней были просверлены отверстия и были припаяны радиоэлементы и трансформатор, после чего была проведена отладка.

Собственные данные

В эксперименте мы измеряли скорость, которую получали отрезки проволоки длиной 3, 4, 5, 6, 7 см. Измерение скорости производилось при помощи хронографа и баллистического маятника. 

№

L, см

m, г

l, см

V, см/с

E(с), Дж

E(к),Дж

КПД,%

1

3

2,0

5,7

13,8

0,19

20

0,96

2

4

2,9

7,07

12,2

0,216

1,08

3

5

3,6

7,97

11

0,218

1,092

4

6

4,2

7,64

9

0,17

0,84

5

7

4,9

6,98

7,17

0,12

0,6

L – длина отрезка

m – масса отрезка

l – отклонение баллистического маятника

V – скорость снаряда

E(c) – кинетическая энергия снаряда

E(к) – энергия конденсатора

Анализ

Проведенные исследования показали, что КПД пушки Гаусса зависит от длины снаряда. При нашей конфигурации установки максимальный КПД достигается при длине снаряда 5 см. Это связано с тем, что магнитное поле действует на разные части снаряда с разной силой и для нахождения оптимальной длины снаряда это надо учитывать.

Использованная литература

    Элементарный учебник физики I, II, III том. Издательство «Просвещение» 1988 год Повторим физику. Учебное пособие для поступающих в ВУЗы. Издательство «Высшая школа» 1977 год

Ссылки на интернет-ресурсы

    https://ru. wikipedia. org/wiki/Пушка_Гаусса https:///wall-39695140_1320013 https://www. school-science. ru/2017/11/26807 http://www. popmech. ru/diy/7864-vystrel-v-budushchee-pushka-gaussa-svoimi-rukami/ https:///ru/48692/исследовательский-проект-пушка-гаус/