Содержание

Бластеры, пневматическая винтовка в 15 лет и оружие в космосе: интервью с аспирантом из Тулы, который модернизировал пушку Гаусса

Пушку Гаусса модернизировал 27-летний туляк, аспирант ТулГУ Илья Сидоров. Сама пушка является одной из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. С ней Илья уже побывал на различных выставках. Например, на международном форуме «Армия», где его разработку оценили представители Минобороны России. Мы поговорили с Ильей и узнали о том, почему он решил заняться конструкторским делом, как оценивает свою модернизацию пушки, а также поговорили об оружии в космосе. 

— Для начала расскажите немного о себе. Как вы пришли к конструкторскому делу?

— Учась еще в школе, мне хотелось стать инженером-конструктором, потому что я видел в этом какое-то творческое начало, какую-то творческую жилку. Это интересное направление, которое меня привлекало. Вещей по жизни мне в принципе нравится не очень много: это спорт, оружие, и какая-то, может быть, философская составляющая жизни. Во все, что я делаю, я вкладываю какой-то смысл. Сначала я поступал на радиоэлектронику. Собственно, природа возникновения такого оружия как раз таки электрическая. И я подумал, что, наверное, логичнее было бы попасть именно на эту специальность на эту кафедру. Оттуда я после первого курса перевелся как раз на «Стрелково-пушечное и ракетное оружие» (прим. ред. — выпускниками кафедры были А.Г. Шипунов, Н.Ф. Макаров, И.Я. Стечкин и В.П. Грязев, который также преподавал и читал лекции для студентов и сотрудников кафедры). Виктор Алексеевич Власов, мой нынешний научный руководитель, сказал: «Илья, что ты переживаешь, так? Ты выступаешь даже не за свою кафедру. Ты участвуешь в конференциях наших, так что давай к нам». Ну я подумал, взвесил все за и против, и ушел.

— Вам нравилось учиться на этой специальности?

— Учился здесь с удовольствием. У меня было студенческое конструкторское бюро, в котором я что-то пробовал делать, писал какие-то научные статьи. В портфолио их было шесть или семь.

У меня как раз была тема, связанная с электромагнитной пушкой. Я каждый раз своими руками делал более совершенную модель. Но уже потом пришел к выводу, что нужно ставить какую-то определенную цель, глобальную: она должна что-то пробивать. Пробивать достаточно серьезные преграды, серьезную броню хотя бы на уровне бронежилета первого класса или второго, это обычно металл или кусок фанеры.

— Вернемся к вашему студенчеству. Как именно вы познакомились с оружием и конструкторским делом?

— У нас в семье есть традиция. Она достаточно такая древняя уже, наверное. Началась она еще с моего прадеда. Отец мне рассказывал, что любому ребенку в семье на пятнадцатилетие дарят оружие. Вот мне 15 лет исполняется и отец говорит: «Сынок, ты дорос. Я хочу тебе сделать подарок». Он достает коробку такую картонную, и я вообще не понимаю, что это. Только понимаю, что это что-то необычное. У меня жутко захватило дух. Он вскрывает ее, а там пневматическая винтовка ижевская. Моей радости не было предела от того, что родители сделали такой подарок.

Ну и я ходил тайком куда-то в лес стрелять. Там было очень интересно. Потом я ее разобрал. Мне стало интересно как будущему инженеру, скажем так.

— Желание разобрать ее пришло сразу?

— Да. В каком-то плане, может быть, я и остался таким ребенком, который постоянно все разбирает. Мне действительно очень интересна техника. И, наверное, уже никогда не пропадет эта тяга. Я стараюсь любую вещь модернизировать Ну, собственно, с пневматической винтовкой произошло то же самое. Я ее модернизировал. Стал покупать навесной оборудования на свои какие-то копейки со школьных обедов. Мама с папой тоже давали, конечно, какие-то деньги. 

— Они знали о том, чем вы занимаетесь?

— Ну конечно. Мама, скажем так, к этому с опаской относилась. Но это нормально, она же мама. Боялась, что я прищемлю что-нибудь или что-то взорвется. Отец относился к этому с иронией. С таким мудрым снисхождением. Когда я брал винтовку и уходил куда-то стрелять, мама все время спрашивала: «Зачем ты берешь ее с собой?». Я говорил: «Мам, я аккуратно». Мы постоянно спорили по этому поводу, но в итоге все равно я уходил тайком. Пробовал разные прицелы, разное оборудование. Пробовал что-то делать сам. Даже сейчас она у меня есть и замодернизирована просто в хлам. Там стоит новая пружина, дульный тормоз металлический. То есть все пластмассовые детали, которые были, я заменил на металлические, наверное, кроме ложи. Даже сейчас, в этой пушке (прим. ред. — модернизированная пушка Гаусса) нет этого конечного результата. Меня она не устраивает. Хоть она и показалась на выставках, но я знаю, что есть много любителей, которые тоже этим занимаются. Мне хочется на базе кафедры сделать не что-то прорывное, совершенное, а что-то, что другие люди смогут изменить посл меня. Чтобы другие ребята, которые будет здесь учиться, могли просто так включать, стрелять и ставить какие-то эксперименты. Может быть, они потом вообще скажут, что он какую-то ерунду сделал. Мне бы хотелось на базе кафедры, допустим, хотелось сделать баллистический ствол на электромагнитном принципе.

Это было бы, наверно, логично и правильно, чтобы другие люди могли воочию наблюдать вот этот процесс.

— Как вы вообще пришли к тому, чтобы модернизировать пушку Гаусса? Ведь люди создают сначала одни конструкции, затем другие, и вот так постепенно приходят к делу своей жизни.

— У меня, собственно, тоже это все было постепенно. Я не могу сказать, что я гениальный инженер или ученый. Я вообще не ученый. Я, скажем так, на уровне любителя все это делаю просто потому, что мне нравится. Мне просто нравится. И все. Я делаю то, что хочу. И я считаю это правильно. Поэтому первая модель, я сделал ее еще в школе.

— В школе?!

— Да, в школе. Я дома сидел, все это собирал, паял. Это было уже после пневматического ружья. Потом понял, что интересно было бы попробовать какие-то новые принципы, принципы электромагнетизма. Это было весьма занимательно и интересно, потому что я не видел ничего подобного. В интернете искал, да. Видел, что другие ребята тоже что-то делают. И я очень сильно загорелся и стал собирать что-то свое. А так как денег не было ни шиша, я находил детали, менялся с каким-то людьми, ходил в радиокружок. Очень замечательный человек, который меня в этом поддержал — Лев Дмитриевич Пономарев, который до сих пор занимается с ребятами радиоэлектроникой. У нас было две подели пушки: одна лежала дома, другую мы собирали с ним. Это была такая моделька с колесиками. Царь-пушка электромагнитная. Мы собирали ее для небольшой выставки в ДК. Там я, получается, выиграл свой первый диплом. По-моему, это была олимпиада «Наследники левши». Потом мне уже дали за мою первую модель уже здесь, в университете, диплом первой степени. Их было, по-моему, всего два в Туле. И, в общем-то, с этого все началось. Меня это захватило и не отпускает до сих пор. Стараюсь по мере своих возможностей светиться, продвигать эти темы и может быть, кого-то заражать. Я буду счастлив, если кто-то сделает что-то лучше меня. Мы должны служить мотивацией для других людей ровно так же, как и они для нас.

Это нескончаемый процесс, и он должен существовать во всех своих проявлениях.

— Чем вы занимаетесь сейчас?

— Сейчас работаю на оборонном предприятие ЦКИБ СОО, в свое время я очень хотел туда попасть, потому что там работали известные конструкторы. Мне хотелось набраться опыта. Взаимодействую со своим отделом. С людьми, которые очень компетентны в своих вопросах. Мне очень приятно работать в такой атмосфере. Возвращаясь сюда и общаясь с преподавателями и с ребятами, которые тоже заинтересованы, ты сам себя подстегиваешь и развиваешь. Когда ты варишься только в своем котле, это не очень правильно, потому что у всех пределы разные. У всех разные знания и разные акценты. И зная эти акценты, обращая на них внимания, ты можешь развиваться сам.

— Вы же уже со своей модернизированной пушкой Гаусса принимали участие в ряде выставок. Расскажите об этом.

— Да, я поездил по выставкам немножко. Особенно мне нравится выставки «Интерполитех» и «Армия», в которой я поучаствовал в этом году, и это было просто феерично.

Очень много людей интересных туда приходит: и ученых, и пользователей, и просто каких-то больших людей, больших дядек, военных из Минобороны. Они так смотрят придирчиво, как положено, не стесняются в выражениях. Был случай, что ко мне потом приходили люди и говорили: «Илья, вам не стыдно работать? Вы делаете оружие, и тем самым вы портите свою карму». То есть там какие-то религиозные начались философствования.

— Вас это не удивило?

Любое животное имеет защитные механизмы. У человека это мозг. Если появилось оружие, значит, есть от кого защищаться. И это вполне нормально, что человек пытается себя защитить. Я считаю, что суть вещей определяет владелец. Если бы никто в мире не делал оружие, я бы переквалифицировался и освоил что-то новое, более созидательное. Выращивал бы что-то, лил сталь или строил дома. Нам решать, как мы используем что-либо: во благо или во вред.

 

— Что именно пушке Гаусса дало ваше усовершенствование?

— Да, собственно, я бы не сказал, что я  сделал здесь что-то кардинально новое. Просто компоновка. По моей схеме это, по сути, однозарядная болтовая пушка. Здесь принцип основан ан тех же самых электромагнитных принципах, которые существуют в физике. И чего-то кардинально нового, с уверенностью могу сказать, я не внес. Просто я собрал компоновку, которая понятна. Этот как полезная модель. Компоновка понятна любому человеку, который в этом ничего не понимает. Это образец, который даст понимание процесса и устройства данного оружия. Здесь я попытался показать на простом примере, что будет представлять собой будущее оружие, основанное на данном принципе (прим. ред. — электромагнитном). Тут, в принципе, достаточно все понятно: ствол, соленоиды, конденсаторы, аккумулятор, ложа и блоки управления. Все это соединяется проводами и, собственно, работает. Сейчас здесь находится выставочный образец. Мне бы хотелось, конечно, сделать стендовый образец здесь, на кафедре. Чтобы кто угодно мог прийти и посмотреть, как это работает. Если навесить огромное количество блоков, вот этих проводников, то можно получать огромные скорости.

Вот это как раз и здорово. Чтобы люди могли воочию видеть, как оно работает. Этот макет был собран для того, чтобы это показать. Дальнейшее развитие подобного рода установки я вижу уже как раз таки в набрасывании колоссального количества блоков. Энергия, которая возникает в этом устройстве — колоссальная и очень опасна. Можно получить очень серьезный удар током и возможно даже с летальным исходом. То есть нужно быть предельно аккуратным в таких вещах.

— А вы как работаете?

— Ну конечно это перчатки, причем не один слой. И я еще надеваю сварочные краги. То есть когда я рубильник дергаю или как-то взаимодействую с этим, я, естественно, разряжаю конденсаторы. И разряжать их тоже нужно аккуратно, лучше всего на соленоиды, потому что если замкнуть их отверткой, конденсатор может взорваться. Я призываю всех людей, которые с подобными штуками работают, быть предельно осторожными. Не надо забывать про технику безопасности, она реально написана кровью.

— А как происходит процесс создания? Вы просыпаетесь среди ночи с идеей, как это происходит, например, у писателей или художников?

— Я просто все было основано желание. Я смотрел форумы, смотрел видео, как вообще данный принцип работает, и потом уже что-то свое выдумывал. То есть это, скажем так, когда ты смотришь какие-то вещи по данной тематике, изучаешь кучу информации, то потом у тебя вырисовывается какая-то компоновка, которую принимаешь ты. Если вы посмотрите на образцы оружия или, например, автомобилей, то увидите, что они похожи на человека, который их сделал. Там будут какие-то общие черты. Мне всегда, например, нравился пистолет Макарова. От него веет надежностью, в нем чувствуется какая-то сила. 

— Какие планы в дальнейшем? Когда, собственно, будем танки пробивать?

— Тут, на самом деле, все достаточно сложно. Во-первых, пока создание какого-то компактного и мощного оружия на электромагнитном принципе в недалеком будущем может и будет возможно, но начинать работать в этом направлении надо уже сейчас. Если не работать и не проводить исследования, то ничего не будет. Где, как не в университете, заниматься такими вещами. У меня задача создать именно стенд, который будет пробивать первый класс бронежилета, а потом постепенно повышать и переходить на более сложные материи, которые мы будем пробивать. Камень преткновения и основная проблема — получит кратковременный мощный импульс. И тут дело в источнике питания. Например, порох. У него разный химический состав. Существует множество различных марок. Но это все — горючие вещества, которые при горении в замкнутом объеме создают огромный кратковременный импульс. Это, скажем так, микровзрыв.  Здесь же такой импульс получить достаточно сложно ввиду природы возникновения. Принцип создания импульса другой. Для этого мы используем конденсаторы. Накапливаем энергию и отдаем на соленоиды, чтобы импульс возник именно в катушках, затянул пулю и разогнал до нужной нам скорости. То есть здесь будет решать и длина ствола, и количество соленоидов. Нам этот импульс нужно будет увеличивать. Чем больше соленоидов, тем длиннее ствол.

— Не могу не спросить. А когда будем стрелять бластерами? 

— Во все надо вкладываться. У американцев уже есть лазерная система ПВО. Они сбивают ракеты лазером. У нас, наверно, тоже есть подобные работы, которые ведут к созданию лучевого оружия, но все это — исследования. Нет сейчас задач и целей, которые нужно поражать именно энергетически, то есть именно лазером. Это своего рода баловство, но развивать подобные темы нужно. Где такое оружие может пригодиться? Я думаю, что в космосе. Пороховому оружию нужен кислород для горения пороха, а в космосе вакуум. У меня были мысли, и я высказывал их на своем предприятии, мол, давайте попробуем сделать пороховое космическое оружие, это же интересно. Будет какой-то кислородный баллон, да, боезапас будет ограничен, но это реально. Можно было бы сделать, но нет задачи. Вакуум и невесомость это жутко плодотворная среда для создания орбитальных орудий. Сбивать, например, астероиды, летящие к Земле. Нас защищает только атмосфера и Луна. Если бы у нас были подобные устройства, это бы дало человечеству шанс защитить планету хотя бы от небольших астероидов. Если делать что-то подобное, то это огромный проект с огромным бюджетом, но создать пробник и что-то сбить достаточно дешево. 

— А вы не планирует этим однажды заняться?

— Я планирую, может быть, сейчас, выбить какой-то грант на создание такой модели. Но у нас, наверно, это сложновато сделать. Я бы с удовольствием этим занялся. Конечно, нужна команда. Привлекать надо людей, они — самый ценный ресурс. У нас много самородков и гениальных людей, которые могут делать лучше, чем в заграничных компаниях. А что может привлечь? Закрытые базовые потребности. Когда человеку есть что есть, на чем передвигаться и где жить. Когда это все закрыто, человек начинает думать о том, как реализовать себя. И это важно. Созидание — истинный смысл существования каждого человека, он должен к этому стремиться и преумножать свой потенциал.

Принцип работы Гаусс пушки — Гаусс пушка своими руками

Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — 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.
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.

Принцип работы пушки гаусса (англ. Coil gun) наиболее наглядно объясняется следующим рисунком


Ферромагнитный снаряд «засасывается» внутрь катушки (соленоида) с определенным ускорением. По достижении середины пуля продолжает двигаться по инерции. Однако теперь сила магнитного поля тянет ее обратно к центру. Таким образом, мы подходим к первой проблеме – при достижении разгоняемым телом середины магнитного поля катушки это поле начинает препятствовать дальнейшему движению и должно отключаться. Понятно, что чем выше будет напряжение и сила тока, прикладываемого к катушкам, тем сильнее будет воздействие магнитного поля на снаряд. И здесь кроется вторая проблема – быстрое переключение заряда между катушками. Не смотря на сотни любительских сайтов и десятки тысяч возможных конструкций пушек гаусса, эффективного и технологически простого механизма переключения до сих пор не создано. Главная проблема – при высоких значениях силы и напряжения тока перегорают кремниевые элементы. Механическое же переключение либо очень неточно, либо крайне сложно в изготовлении. Источником питания во всех имеющихся на сегодня моделях ускорителей подобной конструкции служат блоки конденсаторов. При этом, КПД преобразования энергии магнитного поля катушки в кинетическую энергию снаряда не превышает 2%. Лучшие образцы самодельных спиральных пушек (coilgun) имеют энергию пули при выстреле в 5-6 Дж. Это в несколько раз меньше, чем у спортивного пневматического пистолета.

Делаем гаусс пушку. Электромагнитная пушка гаусса на микроконтроллере. Видео: самодельная газовая тепловая пушка

Представляем схему электромагнитной пушки на таймере NE555 и микросхеме 4017B.

Принцип дейcтвия электромагнитной (гаусс-)пушки основан на быстром последовательном срабатывании электромагнитов L1-L4, каждый из которых создает дополнительную силу, которая ускоряет металлический заряд. Таймер NE555 посылает на микросхему 4017 импульсы с периодом приблизительно в 10 мс, частоту импульсов сигнализирует светодиод D1.

При нажатии кнопки PB1, микросхема IC2 с таким же интревалом последовательно открывает транзисторы c TR1 по TR4, в коллектроную цепь которых включены электромагниты L1-L4.

Для изготовления этих электромагнитов нам понадобится медная трубка длиной в 25 см и диаметром в 3 мм. Каждая катушка содердит по 500 витков провода 0.315мм покрытого эмалью. Катушки должны бать сделаны таким образом чтобы они могли свободно перемещатся. В качестве снаряда выступает кусок гвоздя длиной в 3 см и диаметром 2 мм.

Пушка может питаться как от аккумулятора в 25 В, так и от сети переменного тока.

Изменяя положение электромагнитов добиваемся наилучшего эффекта, из рисунка выше видно что интервал между каждой катушкой увеличивается — это связано с увеличением скорости снаряда.

Это конечно не настоящая гаусс-пушка, но рабочий прототип, на основе которого можно, умощнив схему, собрать более мощную гаусс-пушку.

Другие типы электромагнитного оружия.

Помимо магнитных ускорителей масс, существует множество других типов оружия, использующих для своего функционирования электромагнитную энергию. Рассмотрим наиболее известные и распространенные их типы.

Электромагнитные ускорители масс .

Помимо “гаусс ганов”, существует ещё как минимум 2 типа ускорителей масс – индукционные ускорители масс (катушка Томпсона) и рельсовые ускорители масс, так же известные как “рэйл ганы” (от англ. “Rail gun” – рельсовая пушка).

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.

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 в догонку 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 по всем законам физики действует сила Лоренца, направленная в сторону противоположную месту подключения рельс и ускоряющая снаряд. С изготовлением рельсотрона связан ряд серьезных проблем — импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел бы 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.

Помимо ускорителей масс к электромагнитному оружия относятся источники мощного электромагнитного излучения, такие как лазеры и магнетроны .

Лазер известен всем. Состоит из рабочего тела, в котором при выстреле создается инверсная населенность квантовых уровней электронами, резонатора для увеличения пробега фотонов внутри рабочего тела и генератора, который эту самую инверсную населённость будет создавать. В принципе, инверсную населённость можно создать в любом веществе и в наше время проще сказать, из чего НЕ делают лазеры.

Лазеры могут классифицироваться по рабочему телу: рубиновые, СО2, аргоновые, гелий-неоновые, твердотельные (GaAs), спиртовые, и т.д., по режиму работы: импульсные, непрерывные, псевдонепрерывные, могут классифицироваться по количеству используемых квантовых уровней: 3х уровневый, 4х уровневый, 5и уровневые. Так же лазеры классифицируют по частоте генерируемого излучения — микроволновые, инфракрасные, зеленые, ультрафиолетовые, рентгеновские, и т.д. КПД лазера обычно не превышает 0,5%, однако сейчас ситуация изменилась – полупроводниковые лазеры (твердотельные лазеры на основе GaAs) имеют КПД свыше 30% и в наши дни могут обладать мощностью выходного излучения аж до 100(!) Вт, т.е. сравнимую с мощными «классическими» рубиновыми или СО2 лазерами. Кроме того, существуют газодинамические лазеры, менее всего похожие на другие типы лазеров. Их отличие в том, что они способны производить непрерывный луч огромной мощности, что позволяет использовать их для военных целей. В сущности, газодинамический лазер представляет собой реактивный двигатель, перпендикулярно газовому потоку в котором стоит резонатор. Раскаленный газ, выходящий из сопла, находится в состоянии инверсной населённости.

Стоит добавить к нему резонатор – и многомеговаттный поток фотонов полетит в пространство.

Микроволновые пушки — основным функциональным узлом является магнетрон — мощный источник микроволнового излучения. Недостатком микроволновых пушок является их чрезмерная даже по сравнению с лазерами опасность применения — микроволновое излучение хорошо отражается от препятствий и в случае стрельбы в закрытом помещении облучению подвергнется буквально все внутри! Кроме того, мощное микроволновое излучение смертельно для любой электроники, что так же надо учитывать.

А почему, собственно, именно «гаусс ган», а не дискометы Томпсона, рельсотроны или лучевое оружие?

Дело в том, что из всех типов электромагнитного оружия он наиболее прост в изготовлении именно гаусс ган. Кроме того, он имеет довольно высокий по сравнению с другими электромагнитными стрелялками КПД и может работать на низких напряжениях.

На следующей по сложности ступени стоят индукционные ускорители – дискометы (или трансформаторы) Томпсона. Для их работы требуются несколько более высокие напряжения, нежели для обычной гауссовки, затем, пожалуй, по сложности стоят лазеры и микроволновки, и на самом последнем месте стоит рельсотрон, для которого требуются дорогие конструкционные материалы, безупречный расчет и точность изготовления, дорогой и мощный источник энергии (батарея высоковольтных конденсаторов) и ещё много всего дорогого.

Кроме того, гаусс ган, несмотря на свою простоту, обладает неимоверно большим простором для конструкторских решений и инженерных изысканий — так что это направление довольно интересное и перспективное.

СВЧ пушка своими руками

Прежде всего предупреждаю: данное оружие является очень опасным, при изготовлении и эксплуатации использовать максимальную степень осторожности!

Короче я Вас предупредил. А теперь приступаем к изготовлению.

Берём любую микроволновую печь, желательно самую маломощную и дешёвую.

Если она сгоревшая, не имеет значения — лишь бы магнетрон был рабочий. Вот её упрощённая схема и внутренний вид.

1. Лампа освещения.
2. Вентиляционные отверстия.
3. Магнетрон.
4. Антенна.
5. Волновод.
6. Конденсатор.
7. Трансформатор.
8. Панель управления.
9. Привод.
10. Вращающийся поддон.
11. Сепаратор с роликами.
12. Защелка дверцы.

Далее извлекаем оттуда этот самый магнетрон. Магнетрон разрабатывался как мощный генератор электромагнитных колебаний СВЧ диапазона для использования в системах РЛС. В микроволновках стоят магнетроны с частотой микроволн 2450 Мгц. В работе магнетрона используется процесс движения электронов при наличии двух полей — магнитного и электрического, перпендикулярных друг другу. Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу или диод, содержащий накаливаемый катод, испускающий электроны, и холодный анод. Магнетрон помещается во внешнее магнитное поле.

Пушка Гаусса своими руками

Анод магнетрона имеет сложную монолитную конструкцию с системой резонаторов, необходимых для усложнения структуры электрического поля внутри магнетрона. Магнитное поле создается катушками с током (электромагнит), между полюсами которого помещается магнетрон. Если бы магнитного поля не было, то электроны, вылетающие из катода практически без начальной скорости, двигались бы в электрическом поле вдоль прямых линий, перпендикулярных к катоду, и все попадали бы на анод. При наличии перпендикулярного магнитного поля траектории электронов искривляются силой Лоренца.

На нашем радиобазаре продаются б\у магнетроны по 15уе.

Это магнетрон в разрезе и без радиатора.

Теперь нужно узнать, как его запитывать. По схеме видно, что требуется накал — 3В 5А и анод — 3кВ 0.1А. Указанные значения питания применимы к магнетронам из слабых микроволновок, и для мощных могут быть несколько больше. Мощность магнетрона современных микроволновых печей составляет около 700 Вт.

Для компактности и мобильности СВЧ-пушки, эти значения можно несколько снизить — лишь бы происходила генерация. Запитывать магнетрон мы будем от преобразователя с аккумулятором от компьютерного бесперебойника.

Паспортное значение 12 вольт 7.5 ампер. На несколько минут боя вполне должно хватить. Накал магнетрона — 3В, получаем с помощью микросхемы стабилизатора LM150.

Накал желательно включать за несколько секунд до включения анодного напряжения. А киловольты на анод, берём от преобразователя (см. схему ниже).

Питание на накал и П210, подаётся включением основного тумблера за несколько секунд до выстрела, а сам выстрел производим кнопкой, подающей питание на задающий генератор на П217-х. Данные трансформаторов берутся из той-же статьи, только вторичку Тр2 мотаем 2000 — 3000 витков ПЭЛ0.2. С получившейся обмотки, переменка подаётся на простейший однополупериодный выпрямитель.

Высоковольтный конденсатор и диод, можно взять из микроволновки, или при отсутствии заменить на 0.5мкф — 2кВ, диод — КЦ201Е.

Для направленности излучения, и отсекания обратных лепестков (чтоб самого не зацепило), магнетрон помещаем в рупор. Для этого используем металический рупор от школьных звонков или стадионных динамиков. В крайнем случае можно взять цилиндрическую литровую банку из — под краски.

Вся СВЧ-пушка помещается в корпус, сделанный из толстой трубы диаметром 150-200 мм.

Ну вот пушка и готова. Использоватьеё можно для выжигания бортового компьютера и сигнализации в авто, выжигании мозгов и телевизоров злым соседям, охоте на бегающих и летающих тварей. Надеюсь, это СВЧ орудие Вы так и не запустите — для Вашей-же безопасности.

Составитель: Патлах В.В.
http://patlah.ru

ВНИМАНИЕ!

Гаусс пушка (гаусс винтовка)

Другие названия: гауссовка, гаусс-ружье, винтовка Гаусса, гаусс-ган, разгонная винтовка.

Гаусс-винтовка (или ее более крупная разновидность гаусс-пушка), как и рельсотрон, относится к электро-магнитному оружию.

Гаусс пушка

В настоящий момент боевых промышленных образцов не существует, хотя ряд лабораторий (по большей части любительских и университетских) продолжает настойчиво работать над созданием этого оружия. Система названа по имени немецкого ученого Карла Гаусса (1777-1855). С какого перепугу математик удостоился такой чести, лично я понять не могу (пока не могу, вернее не имею соответствующей информации). Гаусс к теории электромагнетизма имел куда меньшее отношение, чем к примеру Эрстед, Ампер, Фарадей или Максвелл, но, тем не менее, пушку назвали именно в его честь. Название прижилось, а посему будем им пользоваться и мы.

Принцип действия:
Гаусс винтовка состоит из катушек (мощных электромагнитов), насаженных на сделанный из диэлектрика ствол. При подаче тока электромагниты на какой-то краткий момент включаются один за другим в направлении от ствольной коробки к дулу. Они по очереди притягивают к себе стальную пулю (иглу, дротик или снаряд, если говорить о пушке) и тем самым разгоняют ее до значительных скоростей.

Достоинства оружия:
1. Отсутствие патрона. Это позволяет значительно увеличить вместимость магазина. Например, в магазин, в который вмещается 30 патронов, можно зарядить 100-150 пуль.
2. Высокая скорострельность. Теоретически система позволяет начинать разгон следующей пули еще до того, как предыдущая покинула ствол.
3. Бесшумность стрельбы. Сама конструкция оружия позволяет избавиться от большинства акустических составляющих выстрела (см. отзывы), поэтому стрельба из гаусс-винтовки выглядит как серия едва различимых хлопков.
4. Отсутствие демаскирующей вспышки. Данное свойство особенно полезно в темное время суток.
5. Малая отдача. По этой причине при выстреле ствол оружия практически не задирается, а следовательно возрастает точность огня.
6. Безотказность. В гаусс винтовке не используются патроны, а стало быть сразу отпадает вопрос о недоброкачественных боеприпасах. Если же вдобавок к этому вспомнить об отсутствии ударно-спускового механизма, то само понятие «осечка» можно позабыть, как страшный сон.
7. Повышенная износостойкость. Это свойство обусловлено малым количеством подвижных частей, низкими нагрузками на узлы и детали при стрельбе, отсутствием продуктов сгорания пороха.
8. Возможность использования как в открытом космосе, так и в атмосферах, подавляющих горение пороха.
9. Регулируемая скорость пули. Эта функция позволяет при необходимости уменьшать скорость пули ниже звуковой. В результате исчезают характерные хлопки, и гаусс-винтовка становится полностью беззвучной, а стало быть, пригодной для выполнения секретных спецопераций.

Недостатки оружия:
Среди недостатков Гаусс винтовки часто называют следующие: низкий КПД, большой расход энергии, большой вес и габариты, длительное время перезарядки конденсаторов и т. д. Хочу сказать, что все эти проблемы обусловлены лишь уровнем современного развития техники. В будущем при создании компактных и мощных источников питания, при использовании новых конструкционных материалов и сверхпроводников Гаусс пушка действительно может стать мощным и эффективным оружием.

В литературе, конечно же фантастической, гаусс-винтовкой вооружил легионеров Уильям Кейт в своем цикле «Пятый иностранный легион». (Одна из моих любимейших книг!) Была она и на вооружении милитаристов с планеты Клизанд, на которую занесло Джима ди Гриза в романе Гаррисона «Месть крысы из нержавеющей стали». Говорят, гаусовка встречается и в книгах из серии «S.T.A.L.K.E.R.», но я прочел всего пяток из них. Там ничего подобного не обнаружил, а за другие говорить не буду.

Что касается лично моего творчества, то в своем новом романе «Мародеры» я вручил гаусс-карабин «Метель-16» тульского производства своему главному герою Сергею Корну. Правда, владел он им только в начале книги. Ведь главный герой все-таки, а значит, ему полагается пушка посолидней.

Олег Шовкуненко

Отзывы и комментарии:

Александр 29.12.13
По п.3 — выстрел со сверхзвуковой скоростью пули в любом случае будет громким. По этой причине для бесшумного оружия используются специальные дозвуковые патроны.
По п.5 — отдача будет присуща любому оружию, стреляющему «материальными объектами» и зависит от соотношения масс пули и оружия, и импульса силы ускоряющей пулю.
По п.8 — никакая атмосфера не может повлиять на горение пороха в герметичном патроне. В открытом космосе огнестрельное оружие тоже будет стрелять.
Проблема может быть только в механической устойчивости деталей оружия и свойствах смазки при сверхнизких температурах. Но это вопрос решаемый и ещё в 1972 году были проведены испытательные стрельбы в открытом космосе из орбитальной пушки с военной орбитальной станции ОПС-2 (Салют-3).

Олег Шовкуненко
Александр хорошо, что написали.

Честно говоря, делал описание оружия исходя из своего собственного понимания темы. Но может кое в чем оказался не прав. Давайте вместе разбираться по пунктам.

Пункт №3. «Бесшумность стрельбы».
Насколько я знаю, звук выстрела из любого огнестрельного оружия складывается из нескольких компонентов:
1) Звук или лучше сказать звуки срабатывания механизма оружия. Сюда относятся удар бойка по капсулю, лязг затвора и т.д.
2) Звук, который создает воздух, наполнявший ствол перед выстрелом. Его вытесняет как пуля, так и пороховые газы, просачивающиеся по каналам нарезки.
3) Звук, который создают сами пороховые газы при резком расширении и охлаждении.
4) Звук, создаваемый акустической ударной волной.
Первые три пункта к гауссовке вообще не относятся.

Предвижу вопрос по воздуху в стволе, но в гаусс-виновке стволу совсем не обязательно быть цельным и трубчатым, а значит проблема отпадает сама собой. Так что остается пункт номер 4, как раз тот, о котором вы, Александр, и говорите. Хочу сказать, что акустическая ударная волна это далеко не самая громкая часть выстрела. Глушители современного оружия с ней практически вообще не борются. И тем не менее, огнестрельное оружие с глушителем все же называется бесшумным. Следовательно, и гауссовку тоже можно назвать бесшумной. Кстати, огромное вам спасибо, что напомнили. Я забыл указать среди достоинств гаусс-гана возможность регулировки скорости пули. Ведь возможно установить дозвуковой режим (что сделает оружие полностью бесшумным и предназначенным для скрытных действий в ближнем бою) и сверхзвуковой (это уже для войны по-настоящему).

Пункт №5. «Практически полное отсутствие отдачи».
Конечно, отдача у гассовки тоже имеется. Куда же без нее?! Закон сохранения импульса пока еще никто не отменял. Только принцип работы гаусс-винтовки сделает ее не взрывной, как в огнестреле, а как бы растянутой и плавной и потому куда менее ощутимой для стрелка. Хотя, честно говоря, это лишь мои подозрения. Пока еще не доводилось палить из такой пушки:))

Пункт №8. «Возможность использования как в открытом космосе…».
Ну, про невозможность использования огнестрельного оружия в космическом пространстве я вообще ничего не говорил. Только его потребуется так переделать, столько технических проблем решить, что уж легче создать гаусс-ган:)) Что касается планет со специфическими атмосферами, то применение на них огнестрела действительно может быть не только затруднено, но и небезопасно. Но это уже из раздела фантастики, собственно говоря, которой ваш покорный слуга и занимается.

Вячеслав 05.04.14
Спасибо за интересный рассказ об оружии. Все очень доступно изложено и разложено по полочкам. Еще бы схемку для пущей наглядности.

Олег Шовкуненко
Вячеслав, вставил схемку, как Вы и просили).

интересующийся 22.02.15
«Почему винтовка Гауса?» — в Википедии говорят что потому что он заложил основы теории электромагнетизма.

Олег Шовкуненко
Во-первых, исходя из этой логики, авиабомбу следовало назвать «Бомбой Ньютона», ведь она падает на землю, подчиняясь Закону всемирного тяготения. Во-вторых, в той же самой Википедии Гаусс в статье «Электромагнитное взаимодействие» вообще не упоминается. Хорошо, что мы все образованные люди и помним, что Гаусс вывел одноименную теорему. Правда, эта теорема входит в более общие уравнения Максвелла, так что Гаусс тут вроде как опять в пролете с «заложением основ теории электромагнетизма».

Евгений 05.11.15
Винтовка Гауса, это придуманное название оружия. Впервые оно появилось в легендарной постапокалептической игре Fallout 2.

Roman 26.11.16
1) насчет того какое отношение имеет Гаусс к названию) почитайте в Википедии, но не электромагнетизм, а теорема Гаусса эта теорема — основа электромагнетизма и является основой для уравнений Максвелла.
2) грохот от выстрела в основном из-за резко расширяющихся пороховых газов. потому как пуля она сверхзвуковая и через 500м от среза ствола, но грохота от нее нет! только свист от разрезаемого ударной волной от пули воздуха и только-то!)
3) насчет того, что мол существуют образцы стрелкового оружия и оно бесшумно потому, что мол пуля там дозвуковая — это бред! когда приводятся какие-либо аргументы, нужно разобраться с сутью вопроса! выстрел бесшумный не потому, что пуля дозвуковая, а потому, что там пороховые газы не вырываются из ствола! почитайте про пистолет ПСС в Вике.

Олег Шовкуненко
Roman, вы случайно не родственник Гауссу? Уж больно рьяно вы отстаиваете его право на данное название. Лично мне по барабану, если людям нравится, пусть будет гаусс-пушка. Насчет всего остального, почитайте отзывы к статье, там вопрос бесшумности уже детально обсуждался. Ничего нового к этому добавить не могу.

Даша 12.03.17
Пишу научную фантастику. Мнение: РАЗГОНКА – это оружие будущего. Я бы не стала приписывать чужаку-иноземцу право иметь первенство на это оружие. Русская РАЗГОНКА НАВЕРНЯКА ОПЕРЕДИТ гнилой запад. Лучше не давать гнилому иноземцу ПРАВО НАЗЫВАТЬ ОРУЖИЕ ЕГО ГОВЕНЫМ ИМЕНЕМ! У русских своих умников полно! (незаслуженно забытых). Кстати, пулемет (пушка) Гатлинга появился ПОЗЖЕ, чем русская СОРОКА (система вращающихся стволов). Гатлинг просто запатентовал украденную из России идею. (Будем впредь звать его Козел Гатл за это!). Поэтому Гаусс тоже не имеет отношения к разгонному оружию!

Олег Шовкуненко
Даша, патриотизм это конечно хорошо, но только здоровый и разумный. А вот с гаусс-пушкой, как говорится, поезд ушел. Термин уже прижился, как и многие другие. Не станем же мы менять понятия: интернет, карбюратор, футбол и т.д. Однако не столь уж и важно чьим именем названо то или иное изобретение, главное, кто сможет довести его до совершенства или, как в случае с гаусс-винтовкой, хотя бы до боевого состояния. К сожалению, пока не слышал о серьезных разработках боевых гаусс-систем, как в России, так и за рубежом.

Божков Александр 26.09.17
Все понятно. Но можно и про другие виды оружия статьи добавить?: Про термитную пушку, электромёт, BFG-9000, Гаусс-арбалет, эктоплазменный автомат.

Написать комментарий

Пистолет Гаусса своими руками

Несмотря на относительно скромные размеры, пистолет Гаусса – это самое серьезное оружие, которое мы когда-либо строили. Начиная с самых ранних этапов его изготовления, малейшая неосторожность в обращении с устройством или отдельными его компонентами может привести к поражению электрическим током.

Гаусс-пушка. Простейшая схема

Будьте внимательны!

Главный силовой элемент нашей пушки – катушка индуктивности

Рентген пушки Гаусса

Расположение контактов на зарядном контуре одноразового фотоаппарата Kodak

Обладать оружием, которое даже в компьютерных играх можно найти только в лаборатории сумасшедшего ученого или возле временного портала в будущее, – это круто. Наблюдать, как равнодушные к технике люди невольно фиксируют на устройстве взгляд, а заядлые геймеры спешно подбирают с пола челюсть, – ради этого стоит потратить денек на сборку пушки Гаусса.

Как водится, начать мы решили с простейшей конструкции – однокатушечной индукционной пушки. Эксперименты с многоступенчатым разгоном снаряда оставили опытным электронщикам, способным построить сложную систему коммутации на мощных тиристорах и точно настроить моменты последовательного включения катушек. Вместо этого мы сконцентрировались на возможности приготовления блюда из повсеместно доступных ингредиентов. Итак, чтобы построить пушку Гаусса, прежде всего придется пробежаться по магазинам. В радиомагазине нужно купить несколько конденсаторов с напряжением 350–400 В и общей емкостью 1000–2000 микрофарад, эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм, батарейные отсеки для «Кроны» и двух 1,5-вольтовых батареек типа С, тумблер и кнопку. В фототоварах возьмем пять одноразовых фотоаппаратов Kodak, в автозапчастях – простейшее четырехконтактное реле от «Жигулей», в «продуктах» – пачку соломинок для коктейлей, а в «игрушках» – пластмассовый пистолет, автомат, дробовик, ружье или любую другую пушку, которую вы захотите превратить в оружие будущего.

Мотаем на ус

Главный силовой элемент нашей пушки – катушка индуктивности. С ее изготовления стоит начать сборку орудия. Возьмите отрезок соломинки длиной 30 мм и две большие шайбы (пластмассовые или картонные), соберите из них бобину с помощью винта и гайки. Начните наматывать на нее эмалированный провод аккуратно, виток к витку (при большом диаметре провода это довольно просто). Будьте внимательны, не допускайте резких перегибов провода, не повредите изоляцию. Закончив первый слой, залейте его суперклеем и начинайте наматывать следующий. Поступайте так с каждым слоем. Всего нужно намотать 12 слоев. Затем можно разобрать бобину, снять шайбы и надеть катушку на длинную соломинку, которая послужит стволом. Один конец соломинки следует заглушить. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: если она удержит на весу канцелярскую скрепку, значит, вы добились успеха. Можно вставить в катушку соломинку и испытать ее в роли соленоида: она должна активно втягивать в себя отрезок скрепки, а при импульсном подключении даже выбрасывать ее из ствола на 20–30 см.

Препарируем ценности

Для формирования мощного электрического импульса как нельзя лучше подходит батарея конденсаторов (в этом мнении мы солидарны с создателями самых мощных лабораторных рельсотронов). Конденсаторы хороши не только большой энергоемкостью, но и способностью отдать всю энергию в течение очень короткого времени, до того как снаряд достигнет центра катушки. Однако конденсаторы необходимо как-то заряжать. К счастью, нужное нам зарядное устройство есть в любом фотоаппарате: конденсатор используется там для формирования высоковольтного импульса для поджигающего электрода вспышки. Лучше всего нам подходят одноразовые фотоаппараты, потому что конденсатор и «зарядка» – это единственные электрические компоненты, которые в них есть, а значит, достать зарядный контур из них проще простого.

Разборка одноразового фотоаппарата – это этап, на котором стоит начать проявлять осторожность. Вскрывая корпус, старайтесь не касаться элементов электрической цепи: конденсатор может сохранять заряд в течение долгого времени. Получив доступ к конденсатору, первым делом замкните его выводы отверткой с ручкой из диэлектрика. Только после этого можно касаться платы, не опасаясь получить удар током. Удалите с зарядного контура скобы для батарейки, отпаяйте конденсатор, припаяйте перемычку к контактам кнопки зарядки – она нам больше не понадобится. Подготовьте таким образом минимум пять зарядных плат. Обратите внимание на расположение проводящих дорожек на плате: к одним и тем же элементам схемы можно подключиться в разных местах.

Расставляем приоритеты

Подбор емкости конденсаторов – это вопрос компромисса между энергией выстрела и временем зарядки орудия. Мы остановились на четырех конденсаторах по 470 микрофарад (400 В), соединенных параллельно. Перед каждым выстрелом мы в течение примерно минуты ждем сигнала светодиодов на зарядных контурах, сообщающих, что напряжение в конденсаторах достигло положенных 330 В. Ускорить процесс заряда можно, подключая к зарядным контурам по несколько 3-вольтовых батарейных отсеков параллельно. Однако стоит иметь в виду, что мощные батареи типа «С» обладают избыточной силой тока для слабеньких фотоаппаратных схем. Чтобы транзисторы на платах не сгорели, на каждую 3-вольтовую сборку должно приходиться 3–5 зарядных контуров, подключенных параллельно. На нашем орудии к «зарядкам» подключен только один батарейный отсек. Все остальные служат в качестве запасных магазинов.

Определяем зоны безопасности

Мы никому не посоветуем держать под пальцем кнопку, разряжающую батарею 400-вольтовых конденсаторов. Для управления спуском лучше установить реле. Его управляющий контур подключается к 9-вольтовой батарейке через кнопку спуска, а управляемый включается в цепь между катушкой и конденсаторами. Правильно собрать пушку поможет принципиальная схема. При сборке высоковольтного контура пользуйтесь проводом сечением не менее миллиметра, для зарядного и управляющего контуров подойдут любые тонкие провода.

Проводя эксперименты со схемой, помните: конденсаторы могут иметь остаточный заряд. Прежде чем прикасаться к ним, разряжайте их коротким замыканием.

Подводим итог

Процесс стрельбы выглядит так: включаем тумблер питания; дожидаемся яркого свечения светодиодов; опускаем в ствол снаряд так, чтобы он оказался слегка позади катушки; выключаем питание, чтобы при выстреле батарейки не отбирали энергию на себя; прицеливаемся и нажимаем на кнопку спуска. Результат во многом зависит от массы снаряда. Нам с помощью короткого гвоздя с откусанной шляпкой удалось прострелить банку с энергетическим напитком, которая взорвалась и залила фонтаном полредакции. Затем очищенная от липкой газировки пушка запустила гвоздь в стену с расстояния в полсотни метров. А сердца поклонников фантастики и компьютерных игр наше орудие поражает без всяких снарядов.

Составитель: Патлах В.В.
http://patlah.ru

© «Энциклопедия Технологий и Методик» Патлах В.В. 1993-2007 гг.

ВНИМАНИЕ!
Запрещается любая републикация, полное или частичное воспроизведение материалов данной статьи, а также фотографий, чертежей и схем, размещенных в ней, без предварительного письменного согласования с редакцией энциклопедии.

Напоминаю! Что за любое противоправное и противозаконное использование материалов, опубликованных в энциклопедии, редакция ответственности не несет.

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 SFh409 3 В блокнот
Светодиод SFh509 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 SFh409 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 SFh509 1
15,253 Просмотры

Довольна мощная модель знаменитой Гаусс пушки, которую можно сделать своими руками из подручных средств. Данная самодельная Гаусс пушки изготавливается очень просто, имеет лёгкую конструкцию, всё используемые детали найдутся у каждого любителя самоделок и радиолюбителя. С помощью программы расчёта катушки, можно получить максимальную мощность.

Итак, для изготовления Пушка Гаусса нам потребуется:

  1. Кусок фанеры.
  2. Листовой пластик.
  3. Пластиковая трубка для дула ∅5 мм.
  4. Медный провод для катушки ∅0,8 мм.
  5. Электролитические конденсаторы большой ёмкости
  6. Пусковая кнопка
  7. Тиристор 70TPS12
  8. Батарейки 4X1.5V
  9. Лампа накала и патрон для неё 40W
  10. Диод 1N4007

Сборка корпуса для схемы Гаусс пушки

Форма корпуса может быть любой, не обязательно придерживаться представленной схеме. Что бы придать корпусу эстетический вид, можно его покрасить краской из баллончика.

Установка деталей в корпус для Пушки Гаусса

Для начала крепим конденсаторы, в данном случае они были закреплены на пластиковые стяжки, но можно придумать и другое крепление.

Затем устанавливаем патрон для лампы накала на внешней стороне корпуса. Не забываем подсоединить к нему два провода для питания.

Затем внутри корпуса размещаем батарейный отсек и фиксируем его, к примеру саморезами по дереву или другим способом.

Намотка катушки для Пушки Гаусса

Для расчета катушки Гаусса можно использовать программу FEMM, скачать программу FEMM можно по этой ссылке https://code.google.com/archive/p/femm-coilgun

Пользоваться программой очень легко, в шаблоне нужно ввести необходимые параметры, загрузить их в программу и на выходе получаем все характеристики катушки и будущей пушки в целом, вплоть до скорости снаряда.

Итак приступим к намотке! Для начала нужно взять приготовленную трубку и намотать на неё бумагу, используя клей ПВА так, что бы внешний диаметр трубки был равен 6 мм.

Затем просверливаем отверстия по центру отрезков и насаживаем из на трубку. С помощью горячего клея фиксируем их. Расстояние между стенками должно быть 25 мм.

Насаживаем катушку на ствол и приступаем к следующему этапу…

Схема Гаусс Пушки. Сборка

Собираем схему внутри корпуса навесным монтажом.

Затем устанавливаем кнопку на корпус, сверлим два отверстия и продеваем туда провода для катушки.

Для упрощения использования, можно сделать для пушки подставку. В данном случае она была изготовлена из деревянного бруска. В данном варианте лафета были оставлены зазоры по краям ствола, это нужно для того что бы регулировать катушку, перемещая катушку, можно добиться наибольшей мощности.

Снаряды для пушки изготавливаются из металлического гвоздя. Отрезки делаются длиной 24 мм и диаметром 4 мм. Заготовки снарядов нужно заточить.

Привет. Сегодня мы соорудим пушку Гаусса в домашних условиях из частей, которые легко можно найти в местных магазинах. Используя конденсаторы, выключатель и кое-какие другие части, мы создадим пусковую установку, способную при помощи электромагнетизма запускать небольшие гвозди на расстояние примерно до 3 метров. Приступим!

Шаг 1: Смотрим видео

Сначала посмотрите видео. Вы изучите проект и увидите пушку в действии. Читайте дальше для изучения более детальной инструкции сборки устройства Гаусс Ган.

Шаг 2: Собираем необходимые материалы

Для проекта вам понадобится:

  1. 8 больших конденсаторов. Я использовал 3,300uF 40V. Ключевым моментом здесь является то, что чем меньше вольтаж — тем меньше опасности, поэтому поищите варианты в районе 30 — 50 Вольт. Что касается ёмкости, то чем больше — тем лучше.
  2. Один выключатель для токов высокой силы
  3. Одна катушка на 20 витков (я скрутил свою из провода стандарта 18awg)
  4. Медный лист и/или толстый медный повод

Шаг 3: Склеиваем конденсаторы

Возьмите конденсаторы и склейте их вместе таким образом, чтобы положительные клеммы находились ближе к центру склеивания. Склейте их сначала в 4 группы по 2 штуки. Затем склейте по две группы вместе, получив в итоге 2 группы из 4 конденсаторов. Затем положите одну группу на другую.

Шаг 4: Собираем группу конденсаторов

Фотография показывает, как должна выглядеть итоговая конструкция.

Теперь возьмите позитивные клеммы и соедините их друг с другом, а затем припаяйте к медной накладке. Накладкой может послужить толстый медный провод или лист.

Шаг 5: Спаиваем медные накладки

Используйте при необходимости направленное тепло (небольшой промышленный фен), разогрейте медные накладки и припаяйте к ним клеммы конденсаторов.

На фото видна моя группа конденсаторов после выполнения этого шага.

Шаг 6: Спаяйте отрицательные клеммы конденсаторов

Возьмите еще один толстый проводник, я использовал изолированный медный повод с большим сечением, сняв с него в нужных местах изоляцию.

Согните провод так, чтобы он максимально эффективно покрывал всю дистанцию нашей группы конденсаторов.

Спаяйте его в нужных местах.

Шаг 7: Подготовьте снаряд

Далее нужно подготовить для катушки подходящий снаряд. Я намотал свою катушку вокруг бобины. В качестве дула я использовал небольшую соломину. Следовательно, мой снаряд должен входить в соломинку. Я взял гвоздь и обрезал его до длины примерно в 3 см, оставив острую его часть.

Шаг 8: Найдите подходящий выключатель

Затем мне нужно было найти способ сбросить заряд из конденсаторов на катушку. Большинство людей для таких нужд используют выпрямители (SCR). Я решил действовать проще и нашел выключатель, работающий при высокой силе тока.

На выключателе есть три отметки силы тока: 14.2A, 15A, и 500A. Мои расчеты показали максимальную силу примерно в 40A на пике, продолжающемся около миллисекунды, так что всё должно было сработать.

ЗАМЕТКА. Не используйте мой метод включения, если ёмкость ваших конденсаторов будет больше. Я испытывал удачу и всё обошлось, но вам не захочется, чтобы выключатель взорвался из-за того, что вы пропустили 300A через выключатель, рассчитанный на 1A.

Шаг 9: Наматываем катушку

Мы почти закончили собирать электромагнитную пушку. Время намотать катушку.

Я испробовал три разных катушки и обнаружил, что примерно 20 витков изолированного провода стандарта 16 или 18 awg действуют лучше всего. Я использовал старую бобину, намотал на неё проволоку и продел внутрь пластиковую соломину, запаяв один конец соломины горячим клеем.

Шаг 10: Собираем устройство по схеме


Теперь, когда вы подготовили все части, соедините их вместе. Если у вас возникли какие-то проблемы — следуйте схеме.

Шаг 11: Пожаробезопасность


Мои поздравления! Мы сделали пушку Грасса своими руками. Используйте зарядник, чтобы зарядить ваши конденсаторы до почти максимального напряжения. Я зарядил свою установку на 40V до 38V.

Зарядите снаряд в трубку и нажмите кнопку. Ток пойдёт на катушку и она выстрелит гвоздём.

БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ! Даже учитывая, что это низкоточный проект, и что он вас не убьёт, но всё же такой ток может навредить вашему здоровью. На второй фотографии видно, что станет, если вы случайно соедините плюс и минус.

.
В этой статье Константин, мастерская How-todo, покажет как сделать портативную пушку Гаусса.

Проект делался просто по фану, так что цели установить какие-либо рекорды в Гауссо-строении не было.


На самом деле Константину даже стало лень рассчитывать катушку.


Давайте для начала освежим в памяти теорию. Как вообще работает пушка Гаусса.

Мы заряжаем конденсатор высоким напряжением и разряжаем его на катушку из медного провода, находящуюся на стволе.

При протекании по ней тока создается мощное электромагнитное поле. Пуля из ферромагнетика втягивается внутрь ствола. Заряд конденсатора расходуется очень быстро и, в идеале, ток через катушку перестает течь в момент, когда пуля находится посередине.


После чего она продолжает лететь по инерции.

Перед тем, как перейдём к сборке следует предупредить, что работать с высоким напряжением нужно очень аккуратно.

Особенно, при использовании таких больших конденсаторов, это может быть весьма опасно.


Будем делать одноступенчатую пушку.

Во-первых, из-за простоты. Электроника в ней практически элементарна.

При изготовлении многоступенчатой системы нужно как-то коммутировать катушки, рассчитывать их, устанавливать датчики.


Во-вторых, многоступенчатый девайс просто бы не поместился в задуманный форм-фактор пистолета.


Ибо даже сейчас корпус забит полностью. За основу были взяты подобные переломные пистолеты.


Корпус будем печатать на 3D принтере. Для этого начинаем с модели.


Делаем его во Fusion360 все файлы будут в описании, если вдруг кто захочет повторить.


Постараемся как можно компактнее уложить все детали. Кстати, их совсем немного.
4 аккумулятора 18650, в сумме дающие примерно 15В.
В их посадочном месте в модели предусмотрены углубления для установки перемычек.


Которые сделаем из толстой фольги.
Модуль, повышающий напряжение аккумуляторов до примерно 400 вольт для зарядки конденсатора.


Сам конденсатор, а это банка 1000 мкФ 450 В.


И последнее. Собственно катушка.


Остальные мелочи типа тиристора, батарейки для его открытия, кнопки пуска можно расположить навесом или приклеить к стенке.


Так что отдельных посадочных мест для них не предусмотрено.
Для ствола понадобится немагнитная трубка.


Будем использовать корпус от шариковой ручки. Это значительно проще, чем допустим печатать его на принтере и затем шлифовать.


Наматываем на каркас катушки медный лакированный провод диаметром 0,8 мм, прокладывая между каждым слоем изоляцию. Каждый слой должен быть жестко зафиксирован.


Мотаем каждый слой максимально плотно, виток к витку, слоев делаем столько, сколько поместится в корпус.


Рукоять сделаем из дерева.


Модель готова, можно запускать принтер.


Почти все детали сделаны соплом 0,8 мм и только кнопка, удерживающая ствол, сделана соплом 0,4 мм.


Печать заняла около семи часов, так вышло что остался только розовый пластик.
После печати аккуратно очищаем модель от поддержек. В магазин покупаем грунт и краску.


Использовать акриловую краску не получилось, но она отказалась нормально ложится даже на грунт.
Для покраски PLA пластика существуют специальные спреи и краски, которые будут прекрасно держаться и без подготовки.
Но такие краски не нашлись, получилось корявенько конечно.

Красить пришлось наполовину высунувшись в окно.


Скажем мы что неровная поверхность — это такой стиль, и вообще так и планировалось.
Пока идет печать и сохнет краска, займемся рукоятью.
Дерева подходящей толщины не нашлось, поэтому склеим два куска паркета.


Когда он просох, придаем ему грубую форму при помощи лобзика.


Немного удивимся, что аккумуляторный лобзик без особых трудностей режет 4см древесины.


Далее при помощи дремеля и насадки скругляем углы.


Из-за малой ширины заготовки, наклон рукояти получается не совсем такой, как хотелось.


Сгладим эти неудобства эргономичностью.


Затираем неровности насадкой с наждачкой, вручную проходимся 400-й.


После зачистки покрываем маслом в несколько слоев.


Крепим рукоять на саморез, предварительно просверлив канал.


Финишной наждачкой и надфилями подгоняем все детали друг к другу, чтобы все закрывалось, держалось и цеплялось, как нужно.


Можно переходить к электронике.
Первым делом устанавливаем кнопку. Примерно прикинув так, чтобы она в будущем не особо мешалась.


Далее собираем отсек для аккумуляторов.
Для этого нарезаем фольгу на полоски и приклеиваем ее под контакты батарей. Батареи соединяем последовательно.


Все время проверяем чтобы был надежность контакта.
Когда с этим покончено, можно подключить высоковольтный модуль через кнопку, а к нему конденсатор.


Можно даже попробовать его зарядить.
Выставляем напряжение около 410 В, чтобы разряжать его на катушку без громких хлопков замыкающихся контактов, нужно использовать тиристор, который работает как выключатель.


А чтобы он замкнулся, достаточно небольшого напряжения в полтора вольта на управляющем электроде.


К сожалению оказалось, что повышающий модуль имеет среднюю точку, а это не позволяет без особых ухищрений брать управляющее напряжение с уже установленных аккумуляторов.

Поэтому берем пальчиковую батарейку.


А маленькая тактовая кнопка служит курком коммутирая через тиристор большие токи.


На этом все бы и закончилось, но два тиристора не выдержали таких издевательств.
Так что пришлось подбирать тиристор помощнее, 70TPS12, он выдерживает 1200-1600В и 1100А в импульсе.


Раз проект все равно заморозился на недельку, докупим еще и детали для того, чтобы сделать индикатор заряда. Он может работать в двух режимах, зажигая только один диод, сдвигая его, либо поочередно зажигая все.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПУШКА СТАНОВИТСЯ СИСТЕМОЙ ВООРУЖЕНИЯ

Автор:  В.Витт, М. Леффлер*

 

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПУШКА СТАНОВИТСЯ

СИСТЕМОЙ ВООРУЖЕНИЯ

В. Витт, М. Леффлер*

 

Программа СОИ США сосредоточила пуб­личное внимание на электромагнитных пушках (например, на рельсовой пушке), и в резуль­тате создалось впечатление, что такие элек­тромагнитные пушки подходят лишь для систем космического базирования противоракетной обороны. Однако в действительности электро­магнитная пушка имеет перспективное будущее в качестве оперативно-тактической системы вооружения, что объясняется в данной статье.

 

С начала 1980-х годов электромагнитная пупка становится все более и более важной частью планируемых усовершенствований систем сооружения будущего. Анализ вероятных средств нападения противника указывает на необходимость новых систем вооружения, обладающих большей дальностью действия и улучшенной эффективностью, а пушки, приводимые в действие обычным способом, к следующему своему поко­лению, вероятно, уже достигнут своих рабочих пределов. Дульные энергии могут быть еще увеличены путем оптимизации рабочих параметров, начальные же скорости существующего оружия с высокими ТТХ уже близки к физическим и техническим пределам. Физические законы, управляющие электромагнитной тягой снаряда, допускают более высокие скорости снаряда, чем скорости снаря­дов, приводимых в действие обычным способом — это существенное преимущество электромагнитной пушки. Можно также ожидать увеличе­ния дульных энергий. Электромагнитная пушка будет также обладать более высокой живучестью, чем обычная пушка, а во время кризиса независимость от сырья для метательных зарядов может иметь решаю­щее значение. Электрическая энергия для электромагнитной пушки может быть получена от любого первичного источника энергии.

Электромагнитный способ приведения снаряда в движение был предложен еще в начале 19 столетия, но отсутствие надлежащих средств накапливания электрической энергии мешало его реализации. Последние разработки привели к значительному прогрессу в накоплении электрической энергии, и, таким образом, значительно возросла осуществимость систем вооружения с электромагнитными пушками.

 

 

Электромагнитные пушки

Пушка катушечного типа

 

    Самой старой формой электромагнитной пушки, фактически соз­ванной, является, вероятно, пушка катушечного типа. На рис. 1 показан ее рабочий принцип. Пушка со стоит из ствола (не показанного на рисунке) с рядом неподвижных катушек ускорения. Когда эти катушки последовательно электризуются, возникает перемещающееся магнитное поло, которое возбуждает ток в катушке снаряда. Как следствие,

_______________________________________________________________________

* Доктор Волфрам Витт является начальником координации научно-исследовательских программ фирмы «Рейн/металл». Дипломированный инженер Маркус Леффлер в настоящее время работает в северном технологическом центре и занимается исследованиями в области сверхмощных электрических устройств ускорения.                                                                                        Прим. редакции журнала МТ


 

перемещающееся магнитное поле создает силу Лоренца «F» , которая действует на силу тока катушки снаряда и таким образом сообщает снаряду ускорение.

 

 

Рис. 1.            Принцип работы электромагнитной пушки катушеного типа:

1 -катушка снаряда; 2 — катушки ускорения; 3 — магнитное поле;

F — сила Лоренца

 

Существует множество других вариантов пушки катушечного типа. 6 физической точки зрения все они работают в основном в соответ­ствии с принципом магнитного взаимодействия двух электризуемых катушек (1). В некоторых вариантах вместо катушки снаряда используется снаряд, изготовленный из магнитного материала.

Сообщается, что в 1845 такая пушка катушечного типа била ис­пользована для запуска металлического стержня длиной около 20 м (2).  Во время испано-американской войны (1898г.) американский изобре­татель заявил, что чрезвычайно просто использовать токовую катушку для запуска тяжелых снарядов с южного конца Флориды в Гавану, на дальность 230 км (3), Для подтверждения этого заявления испытания никогда не проводились.

Кристиан Беркеленд, профессор физики в университете в Осло (работавший с 1898 по 1917г.), за период с 1901 по 1903г. получил три патента на свою «электромагнитную пушку» (4). В 1901г. Беркеленд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал ее для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с (2). С помощью второй большой пушки, созданной в 1903г. и выставленной в настоящее время в норвежском техническом музее в г. Осло, он достигал разгона снаряда массой 10 кг до скорости при­мерно 100 м/с. Калибр пушки 65 мм , длина 10 м . Современник  Беркеленда комментировал полезность этого устройства как оружия следую­щим образом: «Пушка Беркеленда довольно неуклюжа, можно сказать, научное устройство, которое сначала не вызывало большого доверия в отношении его полезности, но которое благодаря дальнейшему усо­вершенствованию могло бы стать полезным. До поры до времени казалось невозможным увязать ТТХ артиллерийских орудий с таким обширным использованием электричества. Только благодаря дальнейшим открытиям электромагнитная пушка стала полезной в бою. Затруднительным является то, что для пушки необходим специальный источник энергии… Коротко говоря, электромагнитная пушка находится в настоящее время в эмбриональной стадии. Но преждевременно пытаться делать выводы на основе ее несовершенства, что эта первая система вооружения в будущем не разовьется в полезное боевое средство поражения» (3).

В конце 1930-х годов К. Джастроу опубликовал значительно более критические замечания. Они появились в предисловии к теоретической монографии Е. Рогге: «Я обратился к проблемам, связанным с электромагнитной пушкой, в научном обсуждении в своей рабочей группе по «оборонным техническим средствам» германского общества военной политики военной науки, так как в последние годы попытки улучшить тактико-технические данные огнестрельного оружия снова и снова обращают внимание на использование электрического тока. Большие надежды связыва­ние этой возможностью, в частности, США и Россия. Следующие испыта­ния показывают … невозможность реализации этого предложения» (5). Тем не менее, весной 1944г. доктор Иоахим Хэнслер и главный инспектор Бунзель выполнили исследования по пушке катушечного типа (6,7). На Хиллерслебенском испытательном полигоне в Магдебурге, в тщательно отгороженном гараже, они провели испытания стрельбой малокалиберного ( 10 мм ) устройства, предположительно состоящего из множества катушек, стрельба велась по броневым плитам. Источ­ники энергии включали автомобильные аккумуляторные батареи, кон­денсаторы (емкости) и электрогенераторы. Но испытания были безуспешными и через полгода были прекращены. В 1970-е годы ученые оказались более удачливыми. Во время испытаний одноступенчатой пушки катушечного типа, проводимых в институте Эрнста Маха в Вейле-на-Рейне в 1970г. , Хас и Циммерманн разогнали металлическое ядро массой 1,3 г до скорости 490 м/с. В 1976г. в Советском Союзе Бондалетоз и Иванов разогнали метал­лическое ядро приблизительно такой же массы до скорости 4,9 км/с     (8,9). Металлическое ядро подвергалось чрезвычайно быстрому уско­рению, такому быстрому, что оно, вероятно, недоступно для: орудийного применения.

 

 

Рельсовая пушка

 

Рельсовая пушка, показанная на рис. 2, является еще одной формой электромагнитной пушки. В принципе, она состоит из двух параллельных рельсовых направляющих; снаряд скользит между ними. Когда источник тока подсоединяется к рельсовым направляющим, ток проходит через одну рельсовую направляющую к снаряду, через про­ходящий якорь в основании снаряда к другой рельсовой направляющей и снова в другом направлении чрез другую рельсовую направляющую. Ток создает магнитное поло, которое действует силой Лоренца «F» на ток, проходящий через якорь, и таким образом разгоняет снаряд.

 

Рис. 2.            Рабочий принцип рельсовой пушки: 1 — ток; 2 — соединительные части; 3 — снаряд; 4 — рельсовые направляющие; 5 — магнитное поле; F- сила Лоренца.

 

Этот тип пушки рекламировался во время нескольких эффектных испытаний в США. Рельсовая пушка, как и пушка катушечного типа, может быть изготовлена в одном из многочисленных вариантов (10). Изобретателем рельсовой пушки был француз Андрэ Луи-Октав Фошон Виепле, который получил в 1920г. три патента (11).    Фошон Виепле заложил основу для своей рельсовой пушки, которая была исследована в пределах, допустимым министром вооружения военной промышленности, в период о 1916 по 1918г. г. К сожалению, Пушка не была испытана надлежащим образом (6).  Не были! измерены ни электрический ток, проходящий через рельсовую направляющую, ни скорость снарядов. В 1936г. служащие югославского военного министерства повторили эти испытания таким же образом.

В 1944 и 1945 годах Хэнслер, который, как упоминалось выше, уже исследовал пушку катушечного типа, проводил испытания 20-мм рельсовой пушки длиной 2 м , получившей обозначение LM -2. Первоначально испытания проводились в Берлине; позднее они проводились железнодорожном тоннеле  близ Клайс в Верхней Баварии (6). Пушка LM  -2 разгоняла алюминиевый цилиндр массой 10 г со средним ускорением 3х10 мс2 до скорости 1080 м/с. При использовании двух рельсовых пушек соединенных последовательно достигли скорости 1210 м/с.

Пушка Хэнслера попала в руки войск США в конце второй мировой войны. В 1946г. управление вооружений СВ поручило бронетанковой научно-исследовательской организации оценить работу Хэнслера. Исследования закончились, и в результате было выявлено, что проблема подачи энергии неразрешима (12).

Вслед за этим были проведены отдельные испытания для научения общего принципа действия рельсовой пушки. В 1958г. Арцимович сообщил, что о помощью рельсовой пушки могут достигаться очень высокие скорости снарядов (13). Ему удалось разогнать плазмы очень малой массы до скоростей свыше 100 м/с. В 1965г. Браст и Сол разогнали найлоновые снаряды массой 37 мг до скорости 4,8 м/с.*

 

 

Электротермическая пушка

 

    Третьим основным типом пушки, приводимой в действие с помощью Электрической энергии, является электротермическая пушка. Ее рабочий принцип показан на рис. 3. Она также существует во многих  вариантах; в простейшем варианте пушка состоит из обычного ствола с электродами плазмы, установленными на дульной части орудия.

 

________________________________________________________________________

*  Вероятно, 4,8 км/с.   Прим. редактора.

 


 

Рис. 3.            Рабочий принцип электротермической пушки: 1 — ствол; 2 — снаряд; 3 — плазма; 4 — дуга; 5 — мате­риал для образования плазмы; 6 — электроды для воспла­менения плазмы; 7 — изолятор.

 

 

Проблема подачи энергии для электромагнитных пушек

 

Испытания, проведенные в 1960-е годы со многими различными типами электромагнитных пушек, показали, что эти пушки могут обес­печивать более высокие начальные скорости, чем традиционные пушки. Но испытания не могли продемонстрировать дульные энергии, необходимые для применения оружия, так как все же не было требуемых источников питания.

Заслуживает внимания то, что Хэнслер отдавал должное многим аспектам этой проблемы. Он писал: «Разработку электромагнитной пушки можно разделить на две части:

разработку устройства ускорения снаряда или, как можно сказать по аналогии с обычной пушкой, ствола;

разработку устройства накопления энергии.

Энергия, которую может подавать устройство накопления энер­гии, составляет порядка миллиона киловатт, а требуемые токи сос­тавляют порядка миллиона ампер.

Я не хочу рассматривать обыденные неодобрения, так часто повторяемые в этом контексте теми, кто безнадежно ориентируется на прошлое, а именно, что энергетические потребности будут пре­пятствовать решению проблемы электромагнитной пушки.

… обычные пушки имеют те же самые энергетические потребнос­ти. Бесспорно, что такие энергетические потребности (в электри­ческих единицах) имеют порядок величины, эквивалентный энергии, Производимой большими электростанциями. Никто не попытается про­изводить большие количества энергии, которые обычной пушке требу­ются на 1/100 с, на постоянной базе. Почему же должен быть кто-то  настолько наивным, чтобы делать это для электромагнитной пушки?!

… Понятным подходом является попытка накопления энергии в соответствии о одним из следующих четырех процессов: электростатическим, электромагнитным, электрохимическим и механическим. Техническим проявлением этих четырех процессов являются, соответ­ственно, конденсатор (емкость), преобразователь импульсов, акку­муляторная батарея и импульсный генератор.

… Существующие конденсаторы, что касается их запаса энергии на единицу объема, не особенно подходят. После многих лет работы наш коллега О.Мукк открыл методы, которые могут увеличить величины запаса энергии на единицу объема на несколько порядков.

… Преобразователь импульсов очень подходит о точки зрения объема.

/…/ Первый эксперимент был полностью успешным. Основным нашим источником энергии была аккумуляторная бата­рея. Из всех имеющихся в промышленности типов мы выбрали один с самым большим энергоснабжением на единицу объема. Пользуясь идеями Капицы, мы добились успеха в разработке лабораторного варианта аккумуляторной батареи, увеличенной в 10-20 раз.

… Импульсные генераторы должны обеспечивать броски (пики) тока примерно 1,6 миллиона ампер.

… Современные импульсные генераторы являются «дальнейшими разработками» генераторов, разработанных для непрерывной работы. Их самоиндукция, следовательно, слишком велика, чтобы они могли обеспечивать такие импульсы. Хотя накопленная энергия в несколько раз больше требуемой, электросистему может выдать лишь часть требуемой энергии.

… Импульсный генератор, в виде униполярного устройства (см. рис. 5), является в настоящее время лучшей средой хранения энергии о точки зрения требуемого объема. Но в этой области мы также начали разработку по новому принципу, так как самоиндукция обычных устройств слишком велика.

 

 

Рис. 5.             Принцип униполярного генератора: 1 — магнитное поле В; 2 — ток возбуждения; 3 — катушка возбуждения; 4 — щетки; 5 – ротор

 

/…/ Направление будущих разработок по электромагнитной пушке ясно на основе … проведенных экспериментов. Как и более ранние исследователи, мы убедились, что электромагнитные пушки могут быть реализованы при современном уровне технологии, если разработка щедро обеспечивается (6).

 

 

Достижения

 

С тех пор разработки в области энергоснабжения постоянно продвигались вперед. В начале 1970-х годов была представлена первая возможность (в австралийском национальном университете в г. Канберра) продемонстрировать потенциальные возможности электромагнитной рельсовой пушки (19, 20).

Двухступенчатый униполярный генератор, который был разработан Марком Олифант для экспериментов в области физики частиц вы­соких энергий,  был приспособлен для экспериментов с рельсовыми пушками. Маховик генератора способен накапливать энергию вращения 500 МДж, выдаваемую импульсами тока до 1,6 МА. Доктор Ричард Маршалл, докторант Джон Барбер и другие исследователи подсоединили этот чрезвычайно мощный источник тока к рельсовой пушке длиной 5м. Сначала генератор не мог подавать необходимую энергию рельсовой пушке. После установки в систему катушки и дополнитель­ного переключателя Маршаллу и Барберу удалось наконец достичь ускорения массы поликарбоната 3,3 г до скорости 5,9 км/с. Среднее ускорение было более 10 мс2.

После этого было проведено много испытаний рельсовых пушек. Первоначально эти испытания проводились в условиях экспериментов по нуклеосинтезу и ударным волнам. В 1982г. группа под руковод­ством Р.Хока из Лоренских ливерморских национальных лабораторий в сотрудничестве с группой под руководством М. Фаулера представила малокалиберную ( 12,7 мм ) рельсовую пушку длиной 5 м , которая могла разгонять 2,2 г массы до скоростей примерно 10 км/с (21). Источником энергии являлся так называемый генератор сжатия магнитного потока, который преобразует энергию, накопленную во  взрывчатых веществах, в электрическую энергию.

Эти результаты, выдающиеся по сравнению с результатами, полученными в более ранних испытаниях, вселили в исследователей высшую степень оптимизма. Предполагалось, что скорости 150 км/с, которые требовались для экспериментов по нуклеосинтезу, могут быть достигнуты снарядами массой 0,1 г (22). Для обычных пушек основной предел снаряд-скорость определяется термодинамическими параметрами пороховых газов. Для электромагнитных пушек этот предел определяется предельными факторами характеристик материалов, из которых изготовлены ствол и снаряд. Теоретическим пределом скорости,  вероятно, будет скорость света (23). Эти предложения привели к  тому, что электромагнитная пушка стала частью программы СОИ. Дальнейшие испытания привели к отрезвляющей вести: фактически достижимых скоростей значительно не хватает. А. Швецов (СССР), который разогнал массы в 1,3 г до скорости примерно 5 км/с, обнаружил в 1983 г ., что очень трудно будет получить скорости снарядов, значительно превышающие уже достигнутые (24). В 1985г. Р.Хок и его группа безуспешно закончили свои испытания: они не смогли разогнать массы в 1 г до скоростей более 7 км/с — расчетной же была скорость 15 км/с (26).

Однако электромагнитная пушка становилась все интереснее для ее боевого использования в пределах «обычных» боевых средств. Первоначальной причиной этого была работа Маршалла и Барбера, которая привела к значительному техническому прогрессу в области энергоснабжения в США.

В 1980г. фирма «Вестингауз» создала лабораторную модель рельсовой пушки, которая привлекла большое внимание. Эта рельсовая пушка, которая получала энергию от униполярного генератора в 17,5 МДж  (см. рис. 6), использовалась для разгона снаряда массой примерно 300 г до скорости свыше 4 км/с, что соответствует дульной  энергии 2,8 МДж (19). Это послужило доказательством того, что электромагнитная пушка может производить высокие дульные энергии и высокие начальные скорости. Кроме того, это был показ успехов, достигнутых в области накопления энергии, главным обра­зом; униполярными генераторами, «компульсаторами» (см. ниже) и конденсаторами.

 

 

Рис. 6.            Схематическое изображение системы рельсовой пушки фирмы «Вестингауз»: 1 — приводной двигатель; 2 — униполярный гене­ратор; 3 — тороидальная катушка; 4 — рельсовая пушка; 5 — тоннель; 6 — ловушка; 7 – переключатель

 

Использовался компактный униполярный генератор (рис. 7), отношение массы к накопленной энергии которого значительно улучшено по сравнению с таковым у вышеупомянутых систем. Дальней­шие уменьшение массы должен обеспечить «самовозбуждающийся униполярный генератор с воздушным сердечником».

 

 

Рис. 7.            Униполярный генератор компактной конструкции (слева) с индукционной катушкой (справа). Катушка разработана для рельсовой пушки

 

Новый тип генератора «компульсатор» является производным от традиционного генератора переменного тока (27). Его характерной чертой является дополнительная стационарная катушка, соединенная последовательно с вращающейся катушкой (рис. 8). Дополнительная катушка периодически изменяет индуктивность устройства.  Если стационарная катушка располагается в магнитном поле В, диэлект­рическая проницаемость L достигает своего минимального зна­чения при t=t точно в точке, в которой электродвижущая сила самоиндукции имеет максимальное значение. В результате при раз­мыкании цепи к потребителю энергии подводится очень мощный раз­ряд тока.

Способность компульсатора производить периодически очень мощные разряды тока в соответствии с его частотой вращения например, 50 Гц) делает его особенно привлекательным в качестве источника энергии для электромагнитных пушек, которые должны обладать высокой скорострельностью (28). Кроме того, продолжительность пика тока составляет порядка 0,3-2 мс, что в пределах времени, необходимого снаряду для прохождения через стволы орудий малого и среднего калибра. В результате компульсатор устраняет потребность в катушке и переключателе для образования импульсов.

 

Рис. 8.            Принцип работы компульсатора: 1 — стационарная катушка; 2 — вращающаяся катушка Значителен также успех в технологии конденсаторов. За последние 10 лет плотности энергии конденсаторов возросли примерно в 50 раз.

 

Значителен также успех в технологии конденсаторов. За последние 10 лет плотности энергии конденсаторов возросли примерно в 50 раз.

Перезаряжаемые батареи с высокими характеристиками, такие как литиевые батареи, могли бы стать серьезным конкурен­том униполярным генераторам и конденсаторам. Удельная энергия 125кДж/кг считается хорошей величиной для таких конденсаторов, но в 1978г. была опубликована концепция батареи с удельной энергией 700 кДж/кг (29).

Современная работа также направлена на совершенствование самой рельсовой пушки, в частности, ствола и якоря снаряда. Для области мегоампер (МА) разрабатывается новый переключатель и повышается эффективность всей системы.

По сравнению с рельсовой пушкой пушка катушечного типа и электротермическая пушка находятся все еще на ранней стадии раз­работки. Недавно было сообщение об успешном испытании пушки катушечного типа, в которой снаряд массой 1 кг разгонялся до скорости свыше 1 км/с. Электротермическая пушка разгоняла снаряд массой 50 г до скорости 1,8 км/с. Электротермическая пушка фирмы «Рейн-металл» разгоняла снаряд массой 3 г до скорости 2 км/с (30).

 

 

Использование электромагнитных пушек

 

В настоящее время, когда становится ясно, что электромагнитные пушки полезны для боевого применения, возникает вопрос, какие случаи применения будут полезны. Хэнслер писал также по этому вопросу:

«Не мыслимо, чтобы электромагнитная пушка стала конкурентом традиционной пушки в пределах скоростей, достигаемых традицион­ной пушкой. С другой стороны для электромагнитной пушки имеются возможности применения в случаях, в которых традиционная пушка терпит неудачу, так как начальная скорость ее снарядов слишком низка.

… Современная война, конечно, для определенных целей тре­бует более высоких скоростей снарядов. Особенно насущным этот вопрос является для зенитных пушек, которые не могут идти в ногу о возрастанием скорости и высоты полета самолетов-штурмовиков. Разработки в области скорости и высоты самолетов осуществлялись быстро. Увеличение начальной скорости снарядов увеличит и даль­ность, и вероятность попадания для дальностей стрельбы, встречаю­щихся до сих пор.

… Баллистические соображения ведут, несомненно, к 4-см стреловидному оперенному снаряду с начальной скоростью, по крайней море, 2000 м/с. «Стреловидный снаряд  PEENEMUNDE» является формой снаряда с требуемыми баллистическими характеристи­ками. в этом контексте сразу возникает вопрос, какой будет самая большая начальная скорость из-за внешней баллистики. Теоретичес­кие исследования показали, что она составляет от 3000 до 4000 м/с. Еще более высокие начальные скорости вряд ли обеспечивают даль­нейшее преимущество из-за возрастания сопротивления воздуха. Следовательно, начальная скорость 2000 м/с считается первоначаль­ной целью, а от 3000 до 4000 м/с — желаемой окончательной целью разработки зенитной пушки.

… Наличие этой зенитной пушки будет определять — предпола­гая приблизительно равные данные для обеих противостоящих сторон — будет ли война выиграна или проиграна» (6).

Никто не сомневается в угрозе с воздуха и, следовательно, в необходимости эффективной противовоздушной обороны. Возрастаю­щее число аэротранспортабельных систем, их возрастающие скорости (особенно полетов на малой высоте) и способность к скрытым дейст­виям представляют основные проблемы для обороняющегося. Одним из основных требований к противовоздушной системе является спо­собность быстро реагировать.

Увеличения начальной скорости могут уменьшить продолжитель­ность обстрела и, следовательно, повысить эффективность против быстро движущихся целей. На рис. 9 показано сравнение традицион­ной пушки (начальная скорость 1300 м/с) с электромагнитной душкой (предполагаемая начальная скорость 4000 м/с). Предполагается, что первоначальные дальности обстрела одинаковые, то есть, что обе системы имеют одни и те же приборы обнаружения и сопровождения цели.

 

 

Рис. 9.            Графическое представление влияния скорости снаряда и цели на успех обстрела в противо­воздушной обороне: 1 — время полета снаряда; 2 — дальность; 3 — пороховая пушка; 4 — электрическая пушка; 5 — успех обстрела; 6 — скорость цели; 7 — начальная скорость

 

 

Увеличение начальной скорости может дать дополнительные преимущества. Все ствольное оружие, не стреляющее управляемыми на коночном участке траектории боеприпасами, требует чрезвычайно точного управления огнем, включающего расчет упрежденного место­положения цели для интервала в несколько секунд, соответствующего времени полота снаряда. Предположим самый удобней случай полета цели прямо вперед (линейная гипотеза управления огнем), поперечная ошибка по дальности, вызванная ошибкой в управлений огнем, пропор­циональна времени полота снаряда. Увеличение начальной скорости с 1.300 до 4000 м/с обеспечивает 60% уменьшение ошибки по дальности. Для реального поведения цели, включая, например, поперечные ускорения (часто не определяемые системами управления огнем), ошибка по дальности зависит от квадрата времени полета. В таких случаях электромагнитная пушка с высокой начальной скоростью мо­жет уменьшить влияние ошибки управления огнем на 80-90%.

Такие ясные прогнозы невозможны для противотанковых обстрелов, так как требования по внешней баллистике конечного участка траектории будут меняться с изменением брони. Кроме того, ясное, обычно действующее отношение между увеличенной окончательной ско­ростью и усовершенствованной бронепробиваемостью не может быть в настоящее время определено для негомогенной брони — оно может быть определено только для гомогенной брони и частично для простой экранированной брони. Тем не менее, можно ожидать, что пушка с более высокими начальными скоростями также будет обеспечивать преимущества в противотанковых обстрелах.

 

 

Перспективы

 

Работа по всем решающим узлам электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. Современ­ные успехи, что касается ускорителя, накопления энергии и образо­вания импульсов, явствуют о вероятности того, что системы воору­жения через поколение (вскоре после начала века) будут оснащены электромагнитными пушками.

Для достижения этой цели потребуется напряженная научно-исследовательская работа почти по всем аспектам электромагнитной пушки, включая энергоснабжение и снаряды. Важную роль сыграют новые материалы. Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, должна явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте В гражданском секторе.

 

 

 

Wolfram Witt, Marcus Loffler

The Electro-magnetic Gun — СCloser to Weapon-

System Status.

Military Technology, 1998, No 5, p. 80-86

 

Переводчик Степанова Н.Ф.

Редактор к.т.н. Вахрушев И.Ф.

Китай при помощи ИИ создал мощнейший в мире пистолет Гаусса

По данным South China Morning Post, специалисты Военно-морского инженерного университета в Ухане использовали нейросети при разработке электромагнитного оружия. Это позволило им создать самую мощную пушку Гаусса.

Что такое пушка Гаусса?

Это одна из самых простых разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Принцип работы такого оружия заключается в том, что на проводящие катушки внутри ствола подаётся краткий и очень мощный импульс тока. Именно он создаёт электромагнитное поле, которое разгоняет намагниченный снаряд и выбрасывает его из ствола.

Особенность подобного оружия заключается в возможности вести бесшумную стрельбу с малой отдачей даже в космосе. При этом энергию выстрела можно наращивать простым удлинением ствола с катушками. Принцип стрельбы из пушки Гаусса выглядит следующим образом:


В South China Morning Post подчёркивают, что энергоэффективность пушек Гаусса очень мала. Та же американская GR-1 Anvil, которая является первым в мире ручным электромагнитным оружием, обеспечивает энергию выстрела всего 85 джоулей, что не выше уровня пневматического пистолета.

GR-1 Anvil. Фото: Arcflash Labs

По уверениям китайских специалистов, первые образцы их пушки Гаусса были похожи на GR-1 Anvil. Однако нейросеть начала вырабатывать более компактные и оптимизированные варианты, позволяющие увеличить эффективность оружия в несколько раз.

В результате инженеры получили пистолет с длиной ствола всего 12 см с энергией до 150 джоулей — это уже уровень огнестрельных винтовок мелкого калибра.

Теперь специалисты военно-морского флота Китая используют ИИ при разработке корабельных электромагнитных рельсотронных пушек, которые разгоняют снаряд двумя токопроводящими «рельсами» вместо катушек.

Электромагнитная рельсотронная пушка. Фото: Global Times

Подобное оружие способно стрелять на 150-200 км, при этом скорость снаряда может превышать 6000 км/ч. По сути, это аналог гиперзвукового ракетного оружия.

Заглавное изображение: Arcflash Labs

Пушка Гаусса

Иллюстрация принципа стрельбы

Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — 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

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 электромагнитное 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). {2} \over 2}}

U{\displaystyle U} — напряжение конденсатора
C{\displaystyle C} — ёмкость конденсатора
Время разряда конденсаторов

Это время за которое конденсатор полностью разряжается:

T=πLC2{\displaystyle T={\pi {\sqrt {LC}} \over 2}}
L{\displaystyle L} — индуктивность
C{\displaystyle C} — ёмкость
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.

T=πLC{\displaystyle T=\pi {\sqrt {LC}}}
L{\displaystyle L} — индуктивность
C{\displaystyle C} — ёмкость

Стоит заметить, что в представленном виде две последние формулы не могут применяться для расчетов пушки Гаусса, хотя бы по той причине, что по мере движения снаряда внутри катушки, её индуктивность все время изменяется.

Применение

Теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту, так как при стационарном использовании есть возможность иметь большой источник энергии. 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)

Создание

Простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов даже при школьных знаниях физики[1]

Существует множество сайтов, в которых подробно описано, как собрать пушку Гаусса. Но стоит помнить, что создание оружия в некоторых странах может преследоваться по закону. Поэтому, перед тем, как создавать пушку Гаусса, стоит задуматься, как вы будете применять её.

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, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого 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 надёжность и, в теории, износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

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, запасённая в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют IGBT модули) 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.

В литературе

Довольно часто в литературе научно-фантастического жанра упоминается пушка Гаусса. Она выступает там в роли высокоточного смертоносного оружия.

Примером такого литературного произведения являются книги из серии «S.T.A.L.K.E.R.», написанные по серии игр S.T.A.L.K.E.R., где Гаусс-пушка была одним из мощнейших видов оружия. В свою очередь, идея такого оружия во вселенной серии было позаимствовано из серии игр Fallout.

Но первым в научной фантастике пушку Гаусса воплотил в реальность Гарри Гаррисон в своей книге «Месть Стальной Крысы». Цитата из книги: «Каждый имел при себе гауссовку — многоцелевое и особо смертоносное оружие. Его мощные батареи накапливали впечатляющий заряд. Когда нажимали на спуск, в стволе генерировалось сильное магнитное поле, разгоняющее снаряд до скорости, не уступающей скорости снаряда любого другого оружия с реактивными патронами. Но гауссовка имела то превосходство, что обладала более высокой скорострельностью, была абсолютно бесшумной и стреляла любыми снарядами, от отравленных иголок до разрывных пуль».

См. также

Ссылки

Примечания

  1. ↑ Брага Н. Создание роботов в домашних условиях. — М.: НТ Пресс, 2007. — С. 141 — ISBN 5-477-00749-4.

Пушка Гаусса, или Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУМ)

1. Пушка Гаусса или Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУМ)

Проект выполнен учащимися ГБОУ СОШ №717
Полякова Марина (9г)
Литвиненко Руслан (9г)
Руководитель проекта учитель физики ГБОУ СОШ №717
Дмитриева Ольга Александровна

3. Карл Фридрих Гаусс

4. Игра «Ogame» В данной игре изобретение (пушка Гаусса)является оборонительным сооружением.

5. Цель работы:

изучить устройство электромагнитного ускорителя
масс (пушки Гаусса), а также принципы его
действия и применение. Собрать действующую
модель Пушки Гаусса.

6. Основные задачи:

Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.
Изучить устройство и принцип действия
электромагнитного ускорителя масс.
Создать действующую модель.
Применение данной модели.

7. Практическая часть работы:

Создание функционирующей модели ускорителя
масс в условиях школы. Компьютерная
презентация проекта в формате Power Point.

8. Гипотеза:

возможно ли создание простейшей
функционирующей модели Пушки Гаусса в
условиях школы?

9. АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОЕКТА:

данный проект является междисциплинарным и
охватывает большое количество материала.

10. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

11. ПРЕИМУЩЕСТВА

Бесшумность выстрела (разумеется, если скорость
снаряда не превышает скорость звука)
Отсутствие отдачи,
Возможность стрельбы в в бескислородной
атмосфере и без неё вообще.
Больша́я надежность и износостойкость, а также
возможность работы в любых условиях, в том
числе в космическом пространстве.

12. НЕОБХОДИМЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ РАСЧЕТА

Энергия запасаемая в конденсаторе
Кинетическая энергия снаряда
Время разряда конденсаторов
Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно
четверти периода.
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.

13. ПРИНЦИП СОЗДАННОЙ МОДЕЛИ

1. Данная модель питается от сетевого тока 220в 50гц.
2. Силовые конденсаторы заряжаются от постоянного тока,
поэтому в начале цепи стоит диодный выпрямитель.
3. Конденсаторы начинают заряжаться. Паяльник в начале цепи
является токоограничивающей нагрузкой, предотвращая слишком
быструю зарядку конденсаторов.
4. Конденсаторы рассчитаны на 400в, но с их зарядом
увеличивается внутреннее сопротивление, которое не дает
зарядить конденсатор больше 300-302 вольт (на это уходит
примерно минута).
5. Когда красный выключатель переводится в положение 1,
потенциал с батарейки переходит на сток тиристора, открывая
затвор. Силовая цепь замыкается, и кратковременный импульс
тока в 300в, и 100-150А, проходит через катушку.
6. Магнитное поле втягивает снаряд, а затем отпускает двигаться
по инерции. Перевести красный выключатель в позицию 0 после
выстрела необходимо для того, что бы закрыть затвор тиристора и
разомкнуть силовую цепь.

14. СХЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ:

поставить все выключатели в позицию 0
воткнуть вилку в розетку
соединить крокодилы с батарейкой
соединить крокодилы с вилкой паяльника
поставить зеленый выключатель в позицию 1
поместить в ствол снаряд.
подождать 40сек-1 мин.
поставить зеленый выключатель в позицию 0
произвести выстрел, поставив красный
выключатель в позицию 1
10. поставить красный выключатель в позицию 0
11. можно начинать снова.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

15. ПРИМЕНЕНИЕ ДАННОГО УСТРОЙСТВА

В космосе и мирных целях
Космическая пушка — метод запуска объекта в
космическогн пространство с помощью
огнестрельного оружия типа огромной пушки или
электромагнитной пушки. Относится к
безракетным методам вывода объектов на орбиту.

16. ПРИМЕНЕНИЕ ДАННОГО УСТРОЙСТВА

В военных целях
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает
преимуществами, которыми не обладают другие
виды стрелкового оружия.

17. НЕДОСТАТКИ ДАННОГО УСТРОЙСТВА

Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 10 % 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 %.
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за небольшого
КПД).
Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и
габариты.
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
значительно увеличить эффективность, если использовать
сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной
системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность
пушки Гаусса.

18. НАШЕ ПРЕДЛОЖЕНИЕ

В результате работы над проектом, мы пришли к
выводу, что данное устройство необходимо
использовать на других планетах (например, Марс)
и спутниках (например, Луна) при построении или
установке различных сооружений или станций,
установка необходимого исследовательского
оборудования в условиях отсутствия атмосферы и в
полном вакууме (например, сваи им забивать, или
мощные гвозди). Т.к. на данных космических
объектах достаточно низкая температура, то
решается вопрос с охлаждением.

19. ВЫВОДЫ:

Помимо “гаусс ганов”, существует ещё как
минимум 2 типа электромагнитных
ускорителей масс –
1. индукционные ускорители масс (катушка
Томпсона или дискомет Томпсона, как её
иногда называют) и
2. рельсовые ускорители масс, так же известные
как “рэйл ганы” (от англ. “Rail gun” – рельсовая
пушка).

20. ВЫВОДЫ:

Пушка Гаусса обладает неоспоримым преимуществом
перед ними обоими:
во-первых, она наиболее проста в изготовлении,
во-вторых, она имеет довольно высокий по сравнению
с другими электромагнитными ускорителями КПД и,
в-третьих, может работать на относительно низких
напряжениях. Кроме того, пушка Гаусса, несмотря на
свою простоту, обладает неимоверно большим
простором для конструкторских решений и
инженерных изысканий — так что это направление
довольно интересное и перспективное.

21. ВЫВОДЫ:

Установка подобная пушке Гаусса
актуальна для использования в космическом
пространстве, так как в условиях вакуума и
невесомости многие недостатки подобных
установок нивелируются.

22. СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!

Как сделать винтовку Гаусса | FIRST4MAGNETS® | БЛОГ

Компания first4magnets недавно приобрела несколько камер со сверхзамедленной съемкой. Естественно. после того, как мы повеселились, используя их для съемки больших неодимовых магнитов, раздавливающих объекты со скоростью 2000 кадров в секунду, мы подумали, что было бы интересно снять винтовку Гаусса с постоянными магнитами в замедленном режиме и объяснить, как она работает…

Итак, винтовка Гаусса или пушка Гаусса не имеют практического применения, но их интересно делать, и они действительно могут научить вас кое-чему о магнитах, импульсе и передаче энергии. Винтовка Гаусса, конечно, не оружие; в своей простейшей форме винтовка Гаусса представляет собой набор магнитов и стальных шариков, которые вместе демонстрируют цепную реакцию, когда энергия передается от одного объекта к другому с использованием силы сильных магнитов. Он представляет собой потрясающую научную демонстрацию и получил свое название от Карла Фридриха Гаусса (1777-1855), немецкого математика и физика, чье имя также используется для измерения плотности магнитного потока.

 

Как сделать винтовку Гаусса своими руками

Винтовка Гаусса очень проста в изготовлении, для этого требуется всего несколько деталей.Здесь мы объясним, как мы сделали пример, показанный в видео выше:

 1) Найдите подходящий трек

Наша гусеница была сделана из большого куска отшлифованного дерева с желобом, проложенным по центру, чтобы шарики могли двигаться вниз. Вам не нужно утруждать себя механической обработкой куска дерева, есть и другие способы создания дорожки, такие как использование квадратного пластикового швеллера, двух деревянных дюбелей, склеенных вместе, или даже пластиковой линейки с канавкой на конце. центр. Ключевым моментом является наличие прямой канавки, которая поможет удерживать шарики на одной линии, когда они перемещаются от одного магнита к другому.

2) Установите магниты

Магниты — главная звезда шоу. В нашей пушке Гаусса мы использовали два квадратных неодимовых магнита 20 мм х 10 мм, соединенных вместе, чтобы сделать куб 20 мм х 20 мм, и разместили каждый куб на расстоянии 150 мм друг от друга. Однако вы можете использовать одиночный куб меньшего размера или даже цилиндрический неодимовый магнит. Чем больше магниты, тем выше генерируемая скорость. Вы можете поэкспериментировать с расположением магнитов ближе или дальше друг от друга, чтобы увидеть, как это повлияет на скорость, с которой будет двигаться концевой шарик.

3) Шарикоподшипники

Важно использовать шарикоподшипники из мягкой стали, так как шарикоподшипники из нержавеющей стали могут быть немагнитными! Сколько идеальное число? Ну, это зависит от того, сколько этапов вы создадите. В приведенном выше видео вы можете видеть, что у нас было четыре набора магнитов и девять шариков, два шарика после каждого магнита и триггерный шарик. Вам понадобится как минимум два шарика с одной и той же стороны каждого магнита, если вы используете только один шарик, то передачи энергии может быть недостаточно, чтобы разрушить магнитное притяжение, и шарик останется на месте.Почему бы не поэкспериментировать с разным количеством шариков после каждого магнита, чтобы посмотреть, как это повлияет на устройство. Совет: Слишком мало стальных шаров, и мяч, который должен быть запущен, не будет двигаться, слишком много и более одного шара могут быть запущены, что снизит скорость последнего шара.

После того, как вы настроили устройство, сдвиньте спусковой крючок к первому магниту и посмотрите, как ваша винтовка стреляет!

 

Безопасность

Винтовка Гаусса может отправлять стальные шарикоподшипники в полет на высокой скорости.Никогда не направляйте оружие ни на кого и не кладите руку перед снарядом. Каждый магнит, купленный в first4magnets, поставляется с собственным предупредительным листом. Важно помнить, что неодимовые магниты могут притягивать стальные предметы, такие как ножницы, с большого расстояния, а большие магниты, притягиваясь друг к другу, могут легко защемить пальцы. Обращайтесь с одним магнитом за раз и с осторожностью. Не разрешайте детям обращаться с неодимовыми магнитами.

 

Как работает винтовка Гаусса?

Винтовка Гаусса работает путем передачи кинетической энергии от одного шарикоподшипника к другому, что называется сохранением импульса.Когда свободный шарик, назовем его спусковым крючком, движется к первому магниту, он притягивается магнитным полем и ускоряется по направлению к магниту. Затем энергия передается через магнит, затем через первый стальной шарик на другой стороне и во второй шарик, точно так же, как работает колыбель Ньютона. Передаваемый импульс больше, чем магнитное притяжение, удерживающее второй шарик на месте, и второй шарик летит к следующему магниту. Этот шар ускоряется дальше по направлению к следующему магниту, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет брошен последний шар.

 

Могу ли я заставить свою винтовку Гаусса стрелять дальше?

Вы никогда не сможете получить винтовку Гаусса, в которой используются постоянные магниты для перемещения стального шара более чем на несколько футов, поскольку движущийся шар никогда не будет иметь больше энергии, чем шар, втянутый в магнит. Тем не менее, несколько простых изменений могут повлиять на то, как далеко будет перемещаться крайний шар, например:

.

Добавление большего количества магнитов – Увеличение количества ступеней позволит концевому шарику перемещаться дальше и быстрее.Однако каждый включенный этап добавляет немного меньше импульса, чем предыдущий. Это означает, что есть предел тому, чего можно достичь, используя большее количество этапов.

Используйте более крупные и сильные магниты – Большие магниты означают, что спусковой крючок притягивается с большей скоростью. Однако это также означает, что шарикоподшипники с другой стороны удерживаются на месте с большей силой. Попробуйте большие магниты с большим количеством шарикоподшипников или большего размера, чтобы увидеть, как это повлияет на производительность.

Используйте больше шарикоподшипников – Используя больше шарикоподшипников после каждого магнита, вы уменьшаете магнитную силу, приложенную к последнему шарику после каждого магнита, поэтому для его освобождения требуется меньшее усилие.

Используйте шарики большего размера – Использование шариков большего размера, вплоть до диаметра используемых магнитов, повысит производительность. Использование более крупных шаров компенсируется силой, необходимой для приведения в движение более крупного и тяжелого мяча.

 

Изготовление винтовки Гаусса может быть очень увлекательным занятием; они также могут создавать прекрасные вещи при использовании с высокоскоростными камерами для захвата движущихся снарядов. На этих удивительных фотографиях, присланных нам Джоном из Стаффордшира, изображен стальной шарикоподшипник, приводимый в движение винтовкой Гаусса, когда он проходит через падающую каплю воды.

Основы рельсотрона. Как работают рельсотроны

Рельсотрон представляет собой большую электрическую цепь, состоящую из трех частей: источника питания, пары параллельных рельсов и подвижной арматуры. Рассмотрим каждую из этих частей более подробно.

Блок питания — это просто источник электрического тока. Обычно ток, используемый в рельсовых пушках среднего и крупного калибра, составляет миллионы ампер.

Рельсы представляют собой отрезки из проводящего металла, например меди.Их длина может варьироваться от четырех до 30 футов (9 метров).

Арматура перекрывает зазор между рельсами. Это может быть сплошной кусок проводящего металла или проводящий башмак — держатель, в котором находится дротик или другой снаряд. В некоторых рельсовых пушках используется плазменная арматура . В этой установке тонкая металлическая фольга помещается на заднюю часть непроводящего снаряда. Когда энергия течет через эту фольгу, она испаряется и становится плазмой, несущей ток.

Вот как эти части работают вместе:

Электрический ток проходит от положительной клеммы источника питания вверх по положительной шине, через якорь и по отрицательной шине обратно к источнику питания.

Ток, протекающий по любому проводу, создает вокруг него магнитное поле — область, в которой ощущается магнитная сила. Эта сила имеет как величину, так и направление. В рельсовой пушке два рельса действуют как провода, и вокруг каждого рельса циркулирует магнитное поле. Силовые линии магнитного поля проходят по кругу против часовой стрелки вокруг положительного рельса и по кругу по часовой стрелке вокруг отрицательного рельса. Суммарное магнитное поле между рельсами направлено вертикально.

Подобно заряженному проводу в электрическом поле, на снаряд действует сила, известная как сила Лоренца (в честь голландского физика Хендрика А. Лоренц). Сила Лоренца направлена ​​перпендикулярно магнитному полю и направлению тока, протекающего по якорю. Вы можете увидеть, как это работает, на диаграмме ниже.

Обратите внимание, что сила Лоренца параллельна рельсам и действует в направлении от источника питания. Величина силы определяется уравнением F = (i)(L)(B), где F — результирующая сила, i — сила тока, L — длина рельсов и B — магнитное поле.Силу можно увеличить, увеличив либо длину рельсов, либо силу тока.

Поскольку длинные рельсы создают проблемы при проектировании, в большинстве рельсовых пушек используются сильные токи — порядка миллиона ампер — для создания огромной силы. Снаряд под действием силы Лоренца разгоняется до конца рельсов, противоположного источнику питания, и вылетает через проем. Цепь разрывается, что прекращает подачу тока.

Проект пушки с электромагнитной катушкой | Журнал Nuts & Volts


Большинство обычного огнестрельного оружия работает за счет действия расширяющихся газов, выталкивающих снаряд из ствола на высокой скорости. Движущей силой этих систем является детонация пороха, которая вызывает взрыв позади снаряда, расположенного в трубе (стволе), закрытой с одного конца (казенник). Системы, работающие на порохе, очень громкие и оставляют следы в стволе и затворе, что делает их склонными к неисправности и требует значительных усилий по очистке для дальнейшего использования. Благодаря новым исследованиям и инновациям в высокотехнологичных системах электронного оружия порох может вскоре уйти в прошлое.

Смотрите видео

Осторожно
Информация, содержащаяся в этой статье, опасна и потенциально опасна для жизни.Будьте предельно осторожны при экспериментировании с высоковольтными цепями и цепями разряда конденсаторов. Если у вас нет опыта изготовления таких устройств, то не пытайтесь строить этот проект. Всегда закорачивайте батарею конденсаторов при работе с ней или цепью. Необходимо регулярно соблюдать меры предосторожности при обращении с огнестрельным оружием. Всегда надевайте защиту для глаз. Автор и издатель не несут ответственности и не будут нести ответственность за любые травмы или ущерб, вызванные конструкцией, использованием или неправильным использованием этого устройства.

РИСУНОК 1. Пистолет с электромагнитной катушкой ЭМ-15.

Пистолеты с катушкой новые?

Концепция электромагнитных пушек существует уже давно. На обложке журнала «Современная механика» за июнь 1932 года была представлена ​​электрическая пушка, построенная английским конструктором по имени доктор Капица. В рассказе сообщалось, что стрельба снарядами осуществлялась за счет короткого замыкания мощных динамо-машин на периоды в 1/100 секунды.

Этот подход звучит очень похоже на современные импульсные генераторы переменного тока с компенсацией (компульсаторы), которые используются для питания рельсовых пушек, разрабатываемых Техасским университетом в Остине для программы электрических пушек армии США. Для получения дополнительной информации об исследованиях, проводимых в Техасском университете, посетите их веб-сайт по адресу www.utexas.edu/research/cem/

.

Катушка из прошлого

В ноябрьском номере Popular Science за 1936 год был напечатан интересный рассказ об электрическом пулемете.Пистолет был построен Вирджилом Ригсби из Сан-Августина, штат Техас, а также ранее был показан в выпуске журнала Modern Mechanix за 1934 год. Утверждалось, что пушка может стрелять со скоростью 150 выстрелов в минуту, используя серию электромагнитов, расположенных вдоль ствола.

Уступи место пистолетам с электромагнитной катушкой! Эти устройства заменяют порох электромагнитным (ЭМ) двигателем с почти эквивалентными результатами по скорости и кинетической энергии. Что может быть лучше, чем познакомиться с этой футуристической технологией, чем построить собственную электромагнитную пушку!

Целью этого проекта является разработка и изготовление портативной автономной пушки с электромагнитной катушкой. Ружье с катушкой — это тип винтовки, в которой используется катушка электромагнитного ускорителя или серия катушек для ускорения металлического снаряда. Стратегическая оборонная инициатива 1980-х годов, которую часто называют «Звездными войнами», была одним из первых оборонных проектов, в котором воплотилась мечта о разработке футуристических электронных систем вооружения. Для этой программы была разработана полнофункциональная рельсовая пушка, хотя она никогда не запускалась в космос.

Принципы работы винтового пистолета

Катушки

используют сильное магнитное поле для ускорения ферромагнитных снарядов.Снаряды, используемые в катушках и рельсовых пушках, часто называют арматурой. Сильный электрический ток переключается с быстроразрядного накопителя (обычно конденсаторной батареи) на катушку с проволокой, намотанной на ствол, для создания сильного магнитного поля, необходимого для быстрого ускорения металлического снаряда.

Снаряд расположен на одном конце катушки и притягивается к ее центру за счет магнитной индукции. При отключении тока снаряд движется вперед по стволу, вылетает из орудия и движется к намеченной цели.Сила, приложенная к якорю, пропорциональна изменению индуктивности катушки по отношению к изменению положения якоря и току, протекающему через катушку.

Сила, приложенная к якорю, всегда будет перемещать его в направлении, увеличивающем индуктивность катушки. Эти системы работают очень тихо, когда снаряды летят со скоростью ниже скорости звука, они чисты и не требуют особого обслуживания. Более совершенные конструкции винтовых пушек включают в себя несколько катушек ускорителя, переключающихся последовательно по мере движения снаряда по стволу.

Конструкция с несколькими катушками предназначена для максимизации скорости снаряда. Основной проблемой электромагнитного оружия на данный момент является огромное количество энергии, теряемой при преобразовании электрической энергии в кинетическую.

Обзор проекта

В этой статье описывается общая конструкция пистолета с электромагнитной катушкой, показанного на рис. 1 . Катушка EM-15 представляет собой ручную винтовку с питанием от батареи (12 В постоянного тока), которая способна запускать металлический снаряд 30-го калибра с регулируемой скоростью.Это отличный проект для изучения ряда концепций аналоговой электроники.

Электронная схема состоит из повышающего преобразователя напряжения, каскада умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона, батареи накопления энергии конденсаторов, компаратора напряжения для установки напряжения заряда батареи конденсаторов, секции переключения SCR и катушки ускорителя. . Другими компонентами пистолета являются ствол, механизм заряжания затвора, аккумулятор, панель управления, дисплей, снаряд, пистолетная рукоятка со спусковым крючком и алюминиевый приклад, содержащий все компоненты.

Конструкция, конструкция и работа трансформатора, используемого в этом проекте, объясняются шаг за шагом, поскольку это ключевой компонент, который часто упускается из виду в статьях и книгах, посвященных высокому напряжению. Когда пистолет будет готов, он будет откалиброван и выстрелит. Обязательно посмотрите видео в действии на [url=http://www.thinkbotics.com/military.htm]http://www.thinkbotics.com/military.htm[/url]

.

Теория цепей

РИСУНОК 2.Схема винтовки ЭМ-15.

Принципиальная схема спирального пистолета EM-15 показана на рис. 2 . Секция инвертора схемы вырабатывает высокую частоту и высокое напряжение, используя конфигурацию генератора, состоящую из трансформатора T1, который включается и выключается транзистором Q1. Когда питание подается на цепь переключателем S1, резистор R2 инициирует включение транзистора Q1 и пропускание тока 12 вольт постоянного тока через первичную обмотку (10 витков) трансформатора.Ток, проходящий через первичную обмотку, индуцирует магнитное поле в железном сердечнике, вызывая появление тока во вторичной (500 витков) и обмотке обратной связи (восемь витков). Напряжение обратной связи удерживает транзистор Q1 во включенном состоянии, когда ток протекает через резистор R1 и конденсатор C2. Резистор R1 и конденсатор С2 контролируют базовый ток и рабочую частоту генератора.

Когда сердечник трансформатора насыщается, индуцированное базовое напряжение падает до нуля и транзистор закрывается.Затем магнитное поле в ферритовом сердечнике разрушается и создает 600 В переменного тока во вторичных обмотках трансформатора. В этот момент транзистор снова включается, и цикл повторяется.

Выход переменного тока высокого напряжения со вторичной обмотки трансформатора удваивается и выпрямляется до 1200 В постоянного тока с помощью умножителя напряжения Кокрофта-Уолтона, состоящего из диодов D1, D2 и конденсаторов C3, C4. Выходное напряжение постоянного тока от умножителя напряжения заряжает батарею конденсаторов через ускорительную катушку L1 до напряжения, которое определяется микросхемой IC1, операционным усилителем 741, сконфигурированным как компаратор.

Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона — интересное устройство, названное в честь Дугласа Кокрофта и Эрнеста Уолтона. В 1932 году ученые использовали эту каскадную конструкцию умножителя напряжения для питания ускорителя частиц и провели первый в истории искусственный ядерный распад. Эти двое в конечном итоге получили Нобелевскую премию по физике 1951 года за «Трансмутацию атомных ядер с помощью искусственно ускоренных атомных частиц». Устройство умножения напряжения было фактически открыто ранее, в 1919 году, швейцарским физиком Генрихом Грейнахером.Каскад удвоения иногда также называют множителем Грейнахера.

Блок хранения конденсаторов состоит из 10 конденсаторов емкостью 1500 мкФ, 200 В, сконфигурированных для достижения 600 мкФ, 1000 В (C8–C17). Эти конденсаторы доступны в большинстве компаний, поставляющих электронику. Когда конденсаторная батарея заряжена до 800 В постоянного тока, количество энергии, которое будет передано катушке ускорителя, составит 192 Дж. При зарядке конденсаторной батареи до 1000 В постоянного тока количество энергии составляет 300 Дж. Батарею конденсаторов следует заряжать до 1000 вольт только в том случае, если вы установили SCR, который может с этим справиться.

Операционный усилитель 741 (IC1) сконфигурирован как компаратор напряжения и используется для установки величины напряжения заряда батареи конденсаторов. Опорное напряжение для компаратора берется напрямую от источника постоянного тока 12 вольт через резистор R10. Заряд напряжения, накапливающийся на батарее конденсаторов, падает до значения примерно 1:20 через делитель напряжения, состоящий из резисторов R3, R4 и потенциометра 100K R11, и затем подключается к компаратору.Потенциометр используется для установки точного уровня напряжения на конденсаторной батарее при калибровке и использовании винтовки. Обратите внимание, что батарея конденсаторов заряжается через катушку ускорителя.

Когда желаемое напряжение достигнуто, выход компаратора становится высоким и включает транзистор Q2 и светоизлучающий диод D6 индикатора пожара. Когда Q2 включен, основание Q1 притягивается к земле, что останавливает колебания трансформатора, отключая процесс зарядки. Если пушка не стреляет сразу после полной зарядки, уровень напряжения на батарее конденсаторов начнет медленно снижаться из-за утечки, и компаратор снова включит цепь зарядки, чтобы поддерживать уровень напряжения батареи конденсаторов на максимальном уровне.Вы заметите, что светодиоды заряда и зажигания постепенно включаются и выключаются, указывая на то, что компаратор и схема зарядки поддерживают заданное напряжение.

После того, как конденсаторная батарея заряжена до установленного уровня, железный снаряд вставляется в затворное устройство заряжания и частично позиционируется в катушке с помощью болта. Затвор заряжающего устройства имеет на конце небольшой магнит, сила которого достаточна, чтобы удерживать снаряд на месте, если орудие наклонено вперед, но недостаточно, чтобы мешать его работе.Когда пожарный выключатель S3 замкнут, на затвор тиристора подается напряжение, которое включает его и сбрасывает заряд через батарею конденсаторов в катушку ускорителя L1. Катушка ускорителя создает электромагнитный импульс, запускающий снаряд по стволу. Диод D9 необходим для предотвращения обратного напряжения.

Конструкция трансформатора

Основой этого проекта является миниатюрный высокочастотный трансформатор, намотанный на катушке размером 20 мм x 17 мм x 15 мм с ферритовым сердечником, как показано на рис. 3 .Первичная обмотка состоит из 10 оборотов # 26 AWG (американский проводной калибровочный материал) ламинированной магнитной проволоки с индуктивностью .008 мкч, обмотка обратной связи — восемь оборотов # 26 AWG с индуктивностью .006 μH, а вторичная обмотка 500 ходов № 34 AWG с индуктивностью 20,6 мкч. Все измерения индуктивности проводились с установленными железными сердечниками.

РИСУНОК 3. Катушка трансформатора и ферритовый сердечник.

Рисунок 4.Части трансформатора можно спасти от энергосберегающей компактной люминесцентной лампы.

Если вы не можете найти катушку и сердечник аналогичных размеров в местном магазине электроники, приобретите разряженную или неиспользованную энергосберегающую компактную люминесцентную лампу, как показано на рис. 4 . Вскройте лампу по шву, стараясь не сломать стеклянную трубку, и снимите плату. Найдите трансформатор с ферритовым сердечником и отпаяйте его от печатной платы.Отсоедините основные части, размотав всю ленту, которая может скреплять их.

Используйте нож или пилу с тонким лезвием, чтобы срезать клей в точках, где половинки сердечника соприкасаются, если электрические сердечники склеены вместе. Вероятно, с каждой стороны сердечников и посередине будет прокладка с воздушным зазором, чтобы ферромагнитный материал каждого сердечника не соприкасался. Не беспокойтесь об уничтожении пробелов, потому что позже мы добавим свои собственные. Удалите всю проволоку и ленту с бобины.

РИСУНОК 5. Схема конструкции трансформатора.

Ничего страшного, если на шпульке нет клеммных колодок, поскольку вместо них можно использовать соединительные провода. Теперь у вас должна быть шпулька и E-сердечники, подобные показанным на рис. 5-A .

Начните с нумерации шпульных стержней от 1 до 8 в позициях, показанных на Рисунок 3 . Припаяйте один конец куска многослойного магнитного провода #26 к стержню номер 2, а затем намотайте первичную обмотку из 10 витков по часовой стрелке вокруг верхней половины катушки, как показано на Рисунок 5-B .Припаяйте другой конец провода первичной обмотки к контакту № 3. Используя другой кусок магнитного провода № 26, припаяйте один конец провода к контакту № 1, а затем намотайте катушку обратной связи из восьми витков на бобину по часовой стрелке под первичной обмоткой. как показано на Рисунок 5-C .

Припаяйте другой конец обмотки обратной связи к контакту № 4. Затем покройте первичную обмотку и обмотку обратной связи слоем изоленты, как показано на рис. 5-D . С другой стороны бобины припаяйте конец куска магнитной проволоки #34 AWG к столбу номер 5, а затем намотайте вторичную катушку из 500 витков ровными слоями.

При ручной намотке катушки вы, вероятно, не сможете получить идеальные слои, но это не будет проблемой; просто сделайте их максимально аккуратными. Припаяйте другой конец вторичной обмотки к штырю номер 8, как показано на рис. 5-E . Оберните вторичную обмотку слоем трансформаторной ленты, а затем покройте места пайки силиконовой резиной или аналогичным изоляционным материалом, как показано на рис. 5-F . (Я использую продукт под названием Plasti Dip, который доступен в большинстве хозяйственных магазинов.)

Последним шагом в сборке трансформатора является добавление электронных сердечников к катушке. Чтобы две половины сердечников не соприкасались, когда они находятся на месте, необходимо построить три прокладки с воздушным зазором. Отрежьте три куска изоленты размером немного больше, чем конец каждой из трех ножек одного из сердечников, а затем приклейте их. Поместите сердечники на катушку и закрепите их трансформаторной лентой, как показано на рис. 5-G . Трансформатор готов.

Сборка схемы и панели управления

РИСУНОК 6. Схема панели управления.

Схема построена на куске перфокарты размером 5-1/2 дюйма на 2-7/8 дюйма с использованием метода соединения точка-точка в соответствии со схемой. Все детали, необходимые для схемы, перечислены в списке деталей.

Панель управления изготовлена ​​из алюминия толщиной 1/16 дюйма и может быть установлена ​​непосредственно на печатной плате.Предлагаемый шаблон для резки металла и сверления показан на рис. 6 . Установите потенциометр, индикаторные светодиоды и переключатели на панель управления, а затем закрепите их на печатной плате. Используйте двухпозиционные клеммные колодки на плате, где подключаются батарея конденсаторов, аккумуляторная батарея, пожарный выключатель и катушка ускорителя. Готовая печатная плата с присоединенной панелью управления показана на рис. 7 .

РИСУНОК 7.Готовая печатная плата и панель управления.

Блок конденсаторов

Соберите конденсаторную батарею, используя 10 конденсаторов емкостью 1500 мкФ, 200 вольт, подключенных в соответствии со схемой в рис. 8 . Эта конфигурация конденсаторов дает общую емкость 600 мкФ при 1000 В постоянного тока. Припаяйте 12-дюймовый кусок высоковольтного провода к положительной стороне конденсаторной батареи и шестидюймовый кусок высоковольтного провода к отрицательной стороне конденсаторной батареи, как показано на рис. 9 . Длина этих проводов может быть разной, в зависимости от того, какой тип запаса вы решили построить. Для безопасности покройте все выводы конденсатора и паяные соединения силиконовым каучуком RTV или Plasti Dip. Готовая батарея конденсаторов показана на рис. 9 .

РИСУНОК 8. Схема подключения блока накопления энергии конденсаторов.

РИСУНОК 9. Готовая батарея конденсаторов.

Катушка ускорителя, ствол и затворный механизм заряжания

Ствол состоит из 14-дюймовой стироловой трубки с внутренним диаметром 7/16 дюйма.Вы можете использовать любой вид легкого пластика или нейлона, который можно приобрести в большинстве магазинов для хобби. Намотайте 300 витков магнитной проволоки № 20 AWG в шесть слоев по 50 витков в каждом. Начните наматывать катушку в одном дюйме от конца трубки. Обмотайте каждый слой из 50 витков изолентой, чтобы закрепить на месте, а затем намотайте следующий слой сверху. Используйте два пластиковых или картонных диска, приклеенных к каждому концу ствола с обеих сторон катушки, чтобы добавить поддержку.

РИСУНОК 10.Катушка ускорителя, ствол и механизм заряжания с казенной части.

РИСУНОК 11. Направляющая для резки пистолетной рукоятки.

РИСУНОК 12. Готовая пистолетная рукоятка с установленным переключателем огня.

Изготовьте загрузочное устройство с казенной частью для перемещения снаряда в положение, при котором он частично находится в катушке. Вам нужно будет поэкспериментировать с начальным положением снаряда, чтобы добиться максимальной скорости. Затвор механизма заряжания, который я собрал, содержит небольшой магнит, который удерживает снаряд на месте, когда пушка наклонена, но не обладает достаточной магнитной силой, чтобы мешать импульсу, создаваемому катушкой ускорителя. Готовая катушка ускорителя, ствол и механизм заряжания затвора показаны на рис. 10 .

Pistol Grip и Trigger Switch

Используемый триггерный выключатель — это тип микропереключателя, но можно использовать любой краткий контактный коммутатор. Pistol Grip можно настроить, однако вам нравится, так же, как только вы можете установить пожарный выключатель.Общий шаблон конструкции пистолетной рукоятки показан на рис. 11 и может быть изготовлен из пластика или алюминия.

Вырежьте два одинаковых куска пластика или алюминия и добавьте опорные части из алюминиевой трубы квадратного сечения размером один дюйм. Припаяйте отрезок двухжильного провода к общим и нормально разомкнутым контактам микропереключателя. Если вы используете выключатель с мгновенным контактом, убедитесь, что он нормально разомкнут.

Другая альтернатива — вырезать пистолетную рукоятку и спусковой крючок одной из множества недорогих игрушек, доступных на рынке, и перемонтировать переключатель.Готовая рукоятка с пожарным выключателем показана на рис. 12 .

Изготовление приклада и боковых панелей

РИСУНОК 13. Алюминиевые крышки и боковые панели.

РИСУНОК 14. Батарея конденсаторов, боковые панели и триггерный узел.

Ложа для EM-15 была изготовлена ​​из алюминиевого уголка 1/2 дюйма и плоской ложи толщиной 1/16 дюйма, но вы можете использовать любой доступный вам материал.Для придания формы деталям использовался металлический гибочный станок, а все отверстия были сделаны с помощью сверлильного станка. Боковые панели и крышки показаны на рис. 13 . Батарея конденсаторов, боковые панели и триггерный узел показаны на рис. 14 . Приближенный вид регулируемого затвора, прикрепленного к остальной части пистолета, показан на рис. 15 .

РИСУНОК 15. Регулируемый затвор идеально подходит для экспериментов с различными типами и начальными положениями снарядов.

Сборка и калибровка пистолета

Я предлагаю установить все электронные компоненты на вашем верстаке, чтобы откалибровать оружие, прежде чем собирать все детали в приклад. Подсоедините 12-вольтовый аккумулятор, пожарный выключатель, катушку акселератора и батарею конденсаторов к печатной плате. Будьте очень осторожны, чтобы не прикасаться к печатной плате или каким-либо соединениям во время тестирования устройства. Если вам нужно перемонтировать или отрегулировать, отсоедините аккумуляторную батарею и обязательно замкните батарею конденсаторов.

РИСУНОК 16. Панель управления и печатная плата, вид сбоку.

Настройте мультиметр на измерение постоянного тока, а затем подключите провода к клеммам батареи конденсаторов. Поместите новый комплект батарей в батарейный отсек и поверните потенциометр напряжения R11 до упора против часовой стрелки, а затем включите главный выключатель питания. Должны загореться светодиоды «питание» и «зарядка». Вы увидите, как напряжение возрастет примерно до 350 вольт постоянного тока, после чего загорится светодиод «огонь», и процесс зарядки прекратится.

Отметьте 350V на панели управления в этом месте карандашом или маркером. Медленно поворачивайте потенциометр по часовой стрелке, пока напряжение не станет равным 400 В постоянного тока, и сделайте там еще одну отметку на панели. Продолжайте эту процедуру с шагом 50 В, пока не достигнете 800 В постоянного тока, отмечая каждое положение потенциометра на лицевой стороне панели карандашом или маркером. Не заряжайте батарею конденсаторов напряжением более 800 вольт, если только вы не установили SCR, который может с этим справиться. Панель управления и печатная плата видны на рис. 16 .

Подходящие снаряды

РИСУНОК 17. Снаряды спиральной пушки ЭМ-15.

Снаряд диаметром 1/2 дюйма можно вырезать из куска холоднокатаной стали диаметром 0,30, а затем напилить его на одном конце для придания более аэродинамической формы. Я обнаружил, что железные наконечники для арбалета/стрельбы из лука (доступные в Wal-Mart) являются идеальными снарядами для этого типа винтовки. Три различных снаряда, которые я успешно использовал, показаны на Рис. 17 .

Если вы решите изготовить свои собственные снаряды, поэкспериментируйте с различными размерами и весом, пока не найдете тот, который будет работать хорошо.

Стрельба и измерение скорости

Установите надлежащий упор, когда будете готовы выстрелить из пистолета, и всегда носите защитные очки при работе с устройством. Скорости, указанные в Таблице 1 , были измерены коммерческим хронографом. Снаряд, использованный для измерений, представлял собой восьмиграммовый наконечник арбалета, подобный тем, которые показаны на рис. 17 .Катушка EM-15 остается значительно ниже допустимых пределов скорости в Канаде и США, но из-за веса снаряда ее все же следует считать опасной. Необходимо регулярно соблюдать меры предосторожности при обращении с огнестрельным оружием.

Напряжение Вес снаряда Скорость (фут/сек) Скорость (метры/сек)
400 8 грамм 57 17. 37
500 8 грамм 64 19,51
600 8 грамм 70 21,34
700 8 грамм 81 24,69
800 8 грамм 91 27,74
900 8 грамм 101 30,78
1000 8 грамм 129 39.32
ТАБЛИЦА 1. Измерения скорости ЭМ-15.


Заключение

Пистолет EM-15 можно использовать в качестве отправной точки для более сложных экспериментов. Улучшения могут быть внесены в схему зарядки, батарею конденсаторов, катушку ускорителя и конструкцию ствола для достижения более высоких скоростей. Попробуйте спроектировать систему с несколькими катушками, батареями конденсаторов и переключающим устройством. Можно использовать батарею конденсаторов, рассчитанную на более высокую емкость и более высокое напряжение, но обязательно замените тринистор на такой, который выдержит повышенное напряжение и силу тока.

Конструкция с использованием микроконтроллера для координации переключения, зарядки, контроля напряжения и отображения значительно упростит реализацию конструкции с несколькими катушками. Гладкоствольный ствол вызывает проблемы с точностью, поскольку снаряд не вращается для стабилизации во время движения. Попробуйте придумать какой-нибудь нарезной ствол или, возможно, добавить стабилизаторы к снаряду.

Помните, что безопасность всегда стоит на первом месте при создании и экспериментировании с высоким напряжением и баллистикой.Для получения дополнительной информации о проекте, обновлениях и видеороликах о пистолете в действии посетите веб-страницу пистолета EM-15 Coil по адресу www.thinkbotics.com/military.htm   NV




ПЕРЕЧЕНЬ ЭЛЕКТРОННЫХ ЧАСТЕЙ EM-15                                         

ПУНКТ ОПИСАНИЕ КОЛ-ВО
РЕЗИСТОРЫ (Все резисторы 1/4 Вт, допуск 5%)
Р1 470 Ом 1
Р2 4. 1
Р3, Р4, Р10 3
Р5, Р8, Р9 1.2К 3
Р6, Р7, Р12 360 Ом 3
Р11 Линейный потенциометр 100K 1
Р13, Р14 39К 2
КОНДЕНСАТОРЫ
С1 10 мкФ 25 В электролитический 1
С2 .068 мкФ 1
С3, С4 1000 мкФ 1,5 кВ 2
С5 0,68 мкФ 50 В 1
С6 47 мкФ 100 В 1
С7 0,1 мкФ 50 В 1
С8-С17 1500 мкФ электролитический при 200 В 10
ПОЛУПРОВОДНИКИ
Q1, Q2 2N3055 Транзистор NPN с радиатором 2
Q3 NTE 5536 SCR 800 В 1
IC1 741 операционный усилитель 1
Д1, Д2, Д8, Д9 ИН5408 2
Д3 Желтый светодиод 1
Д4 Красный светодиод 1
Д6 Зеленый светодиод 1
Д5, Д7 Стабилитрон 14 В 2
РАЗНОЕ
Т1 Трансформатор — подробности см. в тексте 1
SW1 Однополюсный на одно направление 1
SW2 Нормально замкнутая кнопка 2
SW3 Микропереключатель или кнопка, нормально разомкнутая 1
L1 Катушка ускорителя — 300 витков магнитной проволоки № 20 AWG 1
Высоковольтный провод Провод высокого напряжения 18 дюймов
Бочка Диаметр 7/16 дюйма, длина 14 дюймов 1
Аккумулятор 12 вольт (1.5В АА x 8) 1
Клеммная колодка Два положения 4

Физика винтовки Гаусса

Магнитная пушка: Физика винтовки Гаусса

Арсен Шемин, Полин Бессерв, Од Коссарье, Николя Таберле и Николя Плигон

а)

Унив. Лион, Энс-де-Лион, Univ. Клод Бернар, CNRS, Laboratoire de Physique, F-69342 Lyon, France

(получено 6 июля 2016 г.; принято 9 марта 2017 г.)

Магнитная пушка — это простое устройство, преобразующее магнитную энергию в кинетическую.Когда стальной шарик

с низкой начальной скоростью ударяется о цепь, состоящую из магнита, за которым следуют стальные шарики

, последний шарик в цепочке выбрасывается с гораздо большей скоростью. Анализ этого

впечатляющего устройства включает в себя понимание передовой магнитостатики, преобразования энергии и

столкновения твердых тел. В этой статье явления на каждом этапе процесса моделируются для

предсказания конечной кинетической энергии выброшенного мяча в зависимости от нескольких параметров, которые можно

измерить экспериментально.V

C2017 Американская ассоциация учителей физики.

[http://dx.doi.org/10.1119/1.4979653]

I. ВВЕДЕНИЕ

A. Что такое магнитная пушка?

Магнитная пушка, иногда называемая винтовкой Гаусса

, представляет собой простое устройство, ускоряющее стальной шар посредством

преобразования магнитной энергии в кинетическую.

1–4

Преобразование энергии в работе напоминает другие

электромагнетические ускоряющие устройства, такие как рельсовые

пушки.

5

На рис. 1 показана временная последовательность (сверху вниз)

типичной установки, где ряд из четырех шаров, первый из

, который является постоянным магнитом, подвергается удару слева от

другого стальной шар. (Шарики сидят на рельсе, поэтому

движение ограничено одним измерением.)

Когда дополнительный шар приближается слева с

малой начальной скоростью, он испытывает притяжение магнитной

силы, сталкивается с магнит, а затем крайний правый шар

выбрасывается с высокой скоростью.Чтобы выделить различные функции

на рис. 1, обратите внимание, что кадры неравномерно разнесены во времени.

Видео, из которого были извлечены эти кадры,

доступно как дополнение к рисунку 1 в Интернете.

Чтобы понять физику винтовки Гаусса, процесс

можно разделить на три этапа: ферромагнитного стального шарика

в магнитном поле, создаваемом магнитом

(кадры I–III на рис. 1), (ii) распространение импульса

в цепочку стальных шариков, аналогичное распространению импульса

в колыбели Ньютона (кадр IV) и (iii) выброс

последнего шара, ускользающего от остаточного магнитного притяжения

(кадры V и VI).Хотя на рис. 1 показан конкретный пример

, мы сосредоточимся на более общем случае, схематично показанном на рис. (каждый шар

массой M и радиусом R). Магнит представляет собой сильный постоянный магнит NdFeB

, прикрепленный к рельсу, достаточно сильно

для предотвращения движения цепи влево

во время фазы ускорения, но достаточно слабо, чтобы

распространение импульса по цепи (участок замазки можно наблюдать

на рис.1). Обратите внимание, что дипольная ось магнита

самопроизвольно выровняется с осью цепи, чтобы минимизировать потенциальную энергию.

Фаза ускорения определяется магнитным полем

, создаваемым магнитом

6,7

и намагничиванием

ударяющегося стального шарика. Определение намагниченности налетающего шарика из ферромагнитной стали отличается от классических задач, в которых материал (диа- или

парамагнитные шарики

8

) или геометрия (большая выборка из

ферромагнитных материалы

9–11

) отличаются от наших.Ускорение

ударяющегося шара связано с магнитной

энергией U

n

, которая зависит от количества шариков, экранирующих магнитное поле магнита. Часть этой магнитной

энергии преобразуется в кинетическую энергию, которая прибавляется к

начальной кинетической энергии Kinit влетающего мяча и дает

кинетическую энергию удара Kimpact. Перенос энергии

в цепочке напоминает колыбель Ньютона,

12,13

и

управляется контактными силами Герца с участием диссипации

14

3 в магнитно-содержащей неоднородной цепочке.

Часть энергии удара передается через цепь

, в результате чего получается кинетическая энергия Keject выброшенного

шара. Наконец, во время фазы выброса выброшенный шар

теряет энергию, избегая остаточного магнитного притяжения

Um-1 на правой стороне цепи, что приводит к конечной кинетической энергии

Kfinal.

Цель настоящей статьи состоит в том, чтобы связать Kfinal с Kinit и

параметрами системы.Заметим, что процесс преобразования энергии в этой задаче не противоречит

факту, что магнитные поля не действуют на заряженные частицы (

сила Лоренца перпендикулярна скорости

заряженной частицы). Анализ ситуации, подобной исследуемой здесь, подробно обсуждается в учебнике Гриффитса,

15

, а заинтересованным читателям следует также обратиться к обсуждению

о магнитной энергии, приведенному в учебнике Джексона

16

.

(со стр.224 и далее). В этой статье эффекты, связанные с преобразованием магнитной энергии в кинетическую, обсуждаются в гл. II. Передача кинетической энергии через цепь

подробно описана в гл. III. Наконец, в гл. IV.

B. Чему учащиеся могут научиться из этой задачи

На вводном уровне физики этот эксперимент может

использоваться для стимулирования мотивации учащихся при работе над

открытой задачей, связанной с сохранением энергии.В более традиционной лаборатории

студенты могли использовать свои знания о магнетизме, чтобы определить, следует ли рассматривать входящий стальной шарик

как постоянный или индуцированный магнит

посредством измерений магнитной силы и магнитного поля.

На уровне выпускника вопрос о зависимости

конечной скорости от некоторых параметров системы

может привести к экспериментальному проекту, в котором знания

механики, магнетизма и нелинейной физики входят в

играть.

495 Ам. Дж. Физ. 85 (7), июль 2017 г. http://aapt.org/ajp V

C2017 Американская ассоциация учителей физики 495

Classroom Rail Gun | sciphile.org

Исследователи Аарон Беккер, Уайди Фелфул и Пьер Дюпон построили экспериментальную пушку Гаусса, которая может перемещать крошечное устройство, которое они называют миллиботом, по всему миру. тело.В то время как некоторые исследователи уже усовершенствовали стандартные аппараты МРТ или построили специальные «октомаги» для магнитного управления катетерами и другими устройствами в жидкостных отсеках тела, это первое указание на то, что силы, достаточно высокие для преодоления твердых барьеров в теле, могут быть преодолены. достигается магнетически.

Основная хитрость этой схемы заключается в предварительном заполнении камеры иглы для подкожных инъекций набором намагничиваемых стальных шариков и прокладок. Преимущество использования шариков из легированной стали вместо типичных высокопрочных неодимовых магнитов заключается в двух аспектах: неодимовые постоянные магниты имеют более низкое магнитное насыщение (всего 77 % по сравнению со сталью, они могут создавать только 43 % эквивалентной магнитной силы стали), и их магнетизм нельзя отключить.С другой стороны, со стальными электромагнитами сила исчезает, когда вы выключаете электромагнит. Если бы вы ввели в тело постоянные магниты, например, съев их, ваши кишки быстро сжались бы вместе, и магниты неумолимо пронзили бы ткани во взаимном притяжении.

Исследователи пришли к выводу, что катушки аппарата МРТ можно использовать для создания пушки Гаусса. Существуют разные способы настройки и запуска МРТ, но для наших целей мы можем думать о нем как об электродвигателе.МР-сканер действует как статор и создает движущие крутящие моменты на роторе привода, содержащем ферроэлектрический материал. Чтобы генерировать максимальный крутящий момент, меньшие градиентные катушки (в отличие от большого статического поля МРТ) должны быть поставлены под управление с обратной связью или, на моторном жаргоне, — коммутацию. Если все сделано правильно, должно быть даже возможно управлять более чем одним объектом внутри ствола.

Пушка Гаусса позволит крошечным устройствам преодолевать барьеры между жидкостными камерами или даже проходить сквозь твердые ткани.Эта возможность будет иметь решающее значение для доступа, например, к отдаленным уголкам желудочковой системы мозга, и будет иметь непосредственное применение при таких состояниях, как гидроцефалия, когда надлежащий поток через эти камеры нарушается. Прелесть пушки Гаусса в том, что магниты МРТ делают все — позиционируют компоненты, заряжают их и запускают. После того, как баллистический компонент хирургической процедуры миллибота будет выполнен, управление миллиботом теоретически перейдет к стандартной МРТ-навигации с низким энергопотреблением.

Чтобы читатель не подумал, что это всего лишь журавль в небе, мы должны дать некоторые точные цифры. Авторы отмечают, что максимальный градиент, доступный в большинстве клинических сканеров, составляет около 20-40 мТл/м. Это создаст силу на намагниченной стальной частице, равную 36-71% ее гравитационной силы. Другими словами, не так много сил для работы. Были опробованы изготовленные на заказ высокопрочные градиентные катушки до 400 мТл/м, но они не подходят для модернизации большинства аппаратов МРТ. Для общего сравнения, для введения иглы 18G через 10-миллиметровую мышцу требуется около 0.6Н силы.

Мы напрямую спросили автора-корреспондента Пьера Дюпона, что может погасить пушка Гаусса. Он сказал, что они уже продемонстрировали глубину проникновения до 15 мм в фантом ткани головного мозга с помощью иглы 18 калибра. Следует отметить, что настоящий мозг представляет собой в основном композиты липидов и белков цитоскелета, которые, как ожидается, будут вести себя нелинейно в отношении ударов. Другими словами, как и на поверхности бассейна, скорость удара должна сильно влиять на жесткость материала, которую ощущает проникающий объект.

На основном изображении вверху показана коммерческая магнитная навигационная система, уже используемая для сложных кардиохирургических операций. Операторы даже не сидят в хирургическом амфитеатре, а управляют шоу из отдельной диспетчерской. Это устройство, называемое системой удаленной магнитной навигации Niobe, направляет катетер через сосудистую сеть, изгибая его в различных контрольных точках, которые реагируют на магнитное поле. Уже сделав себя незаменимым в операционной, когда такие устройства, как Niobe, в конечном итоге добавят мощные насадки в стиле пистолета Гаусса, удаленная роботизированная хирургия войдет в новую эру.

Некоторое время назад мы обсуждали некоторые тонкости установки и управления нейронным оборудованием в желудочковой системе мозга. Из примерно 1700 мл доступного пространства в нашем черепе 1400 мл приходится на сам мозг, 150 мл — на кровь и 150 мл — на спинномозговую жидкость (ЦСЖ), в которой плавает мозг. Дополнительные 30 мл спинномозговой жидкости циркулируют внутри сети камер в центре мозга, известной как желудочковая система. Это довольно просторная рабочая среда.Тонкие мембраны, разделяющие эти пространства, — это именно те цели, с которыми может работать пушка Гаусса. Следует отметить, что мы бы предложили, чтобы одной из ключевых процедур было создание или сшивание проходов между мозгом и более крупными иммунной и лимфатической системами организма.

Мы не будем говорить здесь больше, чем упомянем, что всего неделю назад вряд ли кто-нибудь мог представить себе, что у центральной нервной системы есть классическая лимфатическая система, если уж говорить о ней. Теперь каждый хочет знать, как контролировать и получать к нему доступ, чтобы обеспечить постоянное здоровье и силу мозга.

5G10.55 — Магнитный линейный ускоритель — Винтовка Гаусса

Кодовое число:

5G10.55

Название демо:

Магнитный линейный ускоритель — винтовка Гаусса

Условие:

Отлично

Принцип:

Линейное ускорение из-за магнитного притяжения

Область исследования:

Электричество и магнетизм

Оборудование:

Шариковые подшипники, квадратные неодимовые магниты, прикрепленные к линейке, пластиковая клиновидная пластина, отливка высотой от 2 до 3 футов и неодимовые магниты в виде шарикоподшипников.

Процедура:

Расположите шарикоподшипники так, чтобы на каждый магнит приходилось по два с правой стороны. Медленно вкатите незакрепленный шарикоподшипник слева. Он будет набирать скорость за счет магнитного притяжения. Когда он ударится о первый магнит, он сместит шарик с противоположной стороны магнита. Этот шарик будет набирать скорость по мере того, как катится к следующему магниту, и продолжает реакцию. Последний шарик будет выброшен из аппарата со скоростью несколько метров в секунду.

ПРИМЕЧАНИЕ. Скорость выходящего шарикоподшипника может быть значительно увеличена, если размер этого шарика составляет примерно 1/2 диаметра шарикоподшипника рядом с магнитом.

Поместите магниты шарикоподшипников на молдинг в том же порядке, что и выше. Вкатите шарикоподшипник в первый магнит и наблюдайте. Скорость выходящего подшипника не так велика, как в приведенном выше примере, в основном из-за соображений большей массы.

ПРИМЕЧАНИЕ. Большую скорость можно получить, если магниты приклеить скотчем к молдингу, что ограничивает отдачу, которую испытывает каждая ступень.

Использованная литература:
  • Лесли Аткинс Эллиотт, Андре Боллиу, Ханна Ирвинг и Дуглас Джексон, «Моделирование потенциальной энергии гауссовой пушки», TPT, Vol. 57, № 8, ноябрь 2019 г., с. 520.
  • Себастьян Беккер, Майкл Тис и Йохен Кун, «Динамика магнитного линейного ускорителя, изученная с помощью анализа видеодвижения», TPT, Vol. 56, № 7, октябрь 2018 г., с. 484.
  • Лесли Дж. Аткинс, Крейг Эрстад, Пол Гудеман, Джейкоб МакГоуэн, Кристин Малхерн, Кейтлин Прадер, Грегория Родригес, Эми Шоуэйкер и Адам Тиммонс, «Анимация энергии: Покадровая анимация и представления отслеживания энергии», TPT, Vol.52, № 3, март 2014 г., с. 152.
  • Дэвид Каган, «Энергия и импульс в ускорителе Гаусса», TPT, Vol. 42, № 1, январь 2004 г., с. 24.
  • Джеймс А. Рабчук, «Винтовка Гаусса и магнитная энергия», TPT, Vol. 41, № 3, март 2003 г., с. 158.
  • Натан Гудман, «Магнитная демонстрация привлекает внимание учеников», Phys Education, Vol. 40, № 4, июль 2005 г., с. 314.
  • Борислав Билаш II и Давид Майулло, «Ракетные шары», Демонстрация в день: год физических демонстраций, с. 108.
  • Саймон Квеллен Филд, «Винтовка Гаусса: магнитный линейный ускоритель», Gonzo Gizmos, p.29 — 34.
  • Джерл Уокер, 1.42, «Цепные столкновения», Летающий цирк физики, изд. 2, с. 20.
Винтовка Гаусса: магнитный линейный ускоритель PDF .