Электромагнитное оружие
Рустамов, Н. Т. Электромагнитное оружие / Н. Т. Рустамов, Г. А. Шукенова, Е. О. Жапаров. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 21 (311). — С. 31-36. — URL: https://moluch.ru/archive/311/70360/ (дата обращения: 05.04.2024).
В работе рассматривался вопрос, связанный с использованием магнитной энергии, собранной в соленоиде. Создание импульсной магнитной энергии в соленоиде вызывает большую импульсную силу Лоренца. В работе, используя эти силы, была создана разгонная среда. Эта система получила электромагнитное орудие. В работе были предложены электрические схемы и макетный вариант такой конструкции. Приводится Техническая эксплуатация предлагаемого устройства. Предлагаемую конструкцию нельзя использовать только в военных целях.
Ключевые слова: импульсная магнитная энергия, катушка, соленоид, импульсная сила, конструкция, разгонная среда
Введение. Электромагнитный способ приведения снаряда в движение был предложен в начале 19 века, но отсутствие соответствующих средств сбора электроэнергии препятствовало его проведению. Последние разработки привели к значительному прогрессу в накоплении электроэнергии и таким образом значительно возросла реализация систем вооружения с электромагнитными орудиями. В 1845 году пушка катушного типа использовалась для запуска металлического стержня длиной 20 м Кристиан Беркеленд получил три патента на «электромагнитную пушку». В 1901 году Беркеленд создал первую электромагнитную пушку катушного типа и использовал ее для перегона снаряда массой 500 г до 50 м/с [2]. До сих пор не удалось связать артиллерийское вооружение с широким использованием электричества. Только благодаря дальнейшим открытиям электромагнитная пушка была полезна в битве. Для пушки нужен специальный источник энергии. Коротко говоря, электромагнитная пушка в настоящее время находится на эмбриональном этапе. Но, исходя из его несовершенства, эта первая система вооружения не будет подвергаться полезному боевому поражению в будущем» [3]. Однако весной 1944 года доктор Иоахим Хэнслер и главный инспектор Бунзель провели исследования по орудию катушечного типа [4]. В 1970 году результаты ученых были успешными. В 1970 году в институте Эрнст Маха в Вейле-на-Рейне при испытании пушек одноступенчатого катушного типа. Хас и Циммерманн разогнали металлический ядро весом 1,3 г до скорости 490 м / с. В 1976 году в Советском Союзе Бондалетоз и Иванов разогнали металлическое ядро той же массы до скорости 4,9 км/ч [5]. Металлическое ядро подвергается очень быстрому ускорению, который, вероятно, не доступен: для применение его как оружия. В основном эти устройства работают следующим образом. В цилиндрической обмотке (соленоид) через нее проходит магнитное поле при наличии электрического тока. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида снаряд, который от этого начинает разгоняться. Если в тот момент, когда снаряд окажется в середине обмотки, и отключить ток, то втягивающее магнитное поле исчезнет и снаряд, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки. Чем сильнее магнитное поле и чем быстрее оно отключается — тем сильнее вылетает снаряд.
Целью работы является необходимость использования электромагнитной пушки в будущем, а также конструировании макета однокатушечной электромагнитной пушки.
Чтобы достичь этой цели надо решить следующие задачи:
− разработать расчетные алгоритмы концентрации силы Лоренца в соленоиде и в катушке;
− теоретическийанализ алгоритма и метода обматывания самой катушки;
− разработать электрическую схему порождения импульсного высокого тока;
Методы решение. С начала 1980-х годов электромагнитная пушка является важной частью планомерного совершенствования системы будущего строительства. Физические законы, управляющие электромагнитной тягой снаряда, допускают высокую скорость снаряда, чем скорость снарядов, запускаемых обычным способом это существенное преимущество электромагнитной пушки.
Самый старый вид электромагнитной пушки, действительно, орудие катушечного типа. — Рис. 1 показан принцип его работы. Орудие состоит из ствола с неподвижными катушками ускорения (не показано на рисунке). Когда эти катушки постепенно электризуются, на катушке снаряда образуется перемещающееся магнитное поле, затрагивающее ток. В результате перемещающееся магнитные поля создают силу Лоренца «F«, влияющего на ток катушки снаряда и сообщающего таким образом снаряду ускорение.
Рис. 1. Принцип работы электромагнитной пушки катушечного типа
Для того, чтобы определить какое расстояние пройдет поступим следующим образом. В начале определяется траектория магнитного потока в соленоиде. Траектория магнитного потока считается прямолинейной. l — это длина магнитного потока через соленоид, а х — путь магнитных линий за пределами соленоида, который будет обнаружен во время расчета. Два х — причина того, что магнитное поле покрыто с обеих сторон соленоида.
Поскольку соленоид представляет собой электромагнитную систему, в нем генерируется электромагнитная энергия. Эта энергия в свою очередь представляет собой уравнение:
(1)
Здесь, 
— индуктивность соленоида, Гн; 
— текущее значение тока, заданное для соленоида, А.
Количество энергии в соленоиде, в свою очередь, используется для работы магнитного потока в соленоиде, то он равняется на:
(2)
Здесь, — электромагнитная сила или сила Лоренца, Н.
Так как количество энергии в соленоиде используется для работы, то эти энергии будут равны между собой:
(3)
И индуктивность соленоида в свою очередь определяется по формуле:
(4)
Здесь, 
— магнитная проницаемость (безразмерная величина); 
— магнитная постоянная, 
Гн/м; 
— площадь поперечного сечение, м 2 .
Если формулу для индуктивности (4) поставить на уравнение (1) то получается:
(5)
Если уравнение (5) поставить на (3), то:
(6)
Прежде чем составление уравнение, прежде всего выражаем уравнение электромагнитной силы:
(7)
Здесь, В — магнитная индукция, Тл; Н — напряженность магнитного поля, А/м. Из уравнении видно, что магнитная индукция равно 
и напряженность в свою очередь равняется:
. По формуле (7) определяется сила, действующая на снаряд.
А теперь в уравнение (6) на место силы можно поставить уравнение (7), тогда получается:
(8)
Если открыть скобки и выражать х через остальные элементы, то получается:
(9)
Формула (9) и есть расчетная формула для определения дальности снаряда.
Существуют различные варианты исполнения катушки. На различных этапах развития общества прошли качественные «прыжки» в развитии техники: изобретение колеса, двигателя внутреннего сгорания, открытие возможности получения и использования электроэнергии и др.
В этой работе предлагается одно катушное электромагнитное пушка (рисунок 2). В ней при прохождении электрического тока в соленоиде образуется магнитное поле, в которое разгоняет снаряд и «вытягивает» его внутрь.
Рис. 2. Однокатушечная электромагнитная пушка
Как уже отмечалось ранее, если снаряд при прохождении середины соленоида и отключить в нем ток, магнитное поле исчезает и снаряд по инерции вылетел из другого края ствола. Техническая реализация. Для значительного эффекта импульс тока для воздействия на соленоид должен быть кратковременным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при вылете к центру обмотки тока в момент прилета снаряда уменьшался до минимального значения в последнем, т. е. заряд конденсаторов должен быть полностью израсходован. В этом случае КПД одноступенчатой пушки будет максимальным.
Рис. 3. Электрическая схема однокатушечной электромагнитной пушки (ОКЭП)
При использовании схемы двукратным напряжением, при зарядке конденсаторов происходит сбой и увеличивается нагрузка на выпрямительные диоды. В зависимости от вышеуказанной, более практической и рациональной схемы принята вышеуказанная схема. В нем с помощью релейно-контактных элементов применялся специфический метод удвоения напряжения цепи. Схема работает следующим образом, при включении тумблера SA1 подается напряжения на схему. При включении SA2 указанной на схеме подается напряжение на катушку промежуточного реле KL1, которое своими контактами KL1.1, KL1.2, KL1.3, KL1.4 подает напряжение на конденсаторы C1 и C2, лампа HL1 показывает момент полного заряда конденсаторов после чего лампа гаснет. Лампа HL2 сигнализирует о процессе заряда конденсаторов. После чего тумблер SA2 переводится в правое по схемы положение, при этом подается напряжение на катушку промежуточного реле KL2, которое обесточивает контакт KL1 и размыкает контакты KL1.1; KL1.2; KL1.3; KL1.4. После замыканий KL2.1 происходит последовательное соединение конденсаторов C1 и C2, при этом напряжение на выходе увеличивается в 2 раза и подается на катушку L1 который производит выстрел снаряда. Диод VД5 установлен для защиты конденсаторов от так называемых экстратоков (индукционные) в момент переходных процессов.
Рис. 4. Макет однокатушечной электромагнитной пушки(ЭП). Здесь 1- магнитная катушка, 2-ствол ЭП, 3-конденсатор, 4-манитопускатель, 5- реле прерыватель, 6- пульт управление.
Технические характеристики: напряжение на конденсаторе 600 В, емкость конденсаторе, длина катушки 60 м, количество витков 4181,58, длина пули 50 мм, диаметр пули 2.5 мм, внешний диаметр ствола 3 мм, масса пули 1.9 г, максимальная сила 8.44Н, сила тока 16.4 А.
Выводы. Работа по всем ключевым узлам электромагнитной пушки быстро внедряется в США, а также начинается в других странах. Современные достижения, связанные с ускорителями, накоплением энергии и появлением импульса, являются о вероятности снабжения электромагнитной пушкой системы войск через поколения (вскоре после века) [5]. Для достижения этой цели требуется интенсивная научно-исследовательская работа по всем аспектам электромагнитной пушки, в том числе включая энергоснабжение и снаряды. Важную роль играют новые материалы. Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ожидаемой военной значимости, должна иметь мощный импульс технологического прогресса и новизны при значительном воздействии в гражданском секторе. В настоящее время он не обладает экономичным перспективами [5], какие есть избытки электромагнитного оружия и какие существуют перспективы его использования [6]. На данном этапе развития науки этот вид оружия очень слабо развит, поэтому для многих людей это остается прекрасной фантастикой. Нам кажется, что электромагнитная масса должна быть использована, прежде всего, во благо людей. Например, использование принципа электромагнитного ускорения масс в таких отраслях, как строительная индустрия, может частично улучшить сложившуюся ситуацию. Принцип работы электромагнитного ускорения масс можно и нужно использовать гражданском строительстве, промышленности и в других областях жизнедеятельности человека [7].
- Гаусс К. Ф. Сборник статей под ред. Виноградова. — М.: АН, 1956, C.71–96.
- «Википедия-свободная энциклопедия» (http:// ru. wikipedia. org).
- Андреев А. Н., Бондалетов В. Н. Индукционное ускорение проводников и высокоскоростной привод // Электричество.-1973.-№ 10. — С.36–40.
- Бондалетов В. Н., Иванов Е. Н., Калихман С. А., Пичугин Ю. П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. — М., 1984 — С. 234–238.
- Заявка Российская Федерация № 2009116786 Электромагнитный инженерный боеприпас./Удинцев Д.Н., Русин П.В., Усманов Р.И.,
- Wolfram Witt, Marcus Loffler The Electro-magnetic Gun — СС1оиег to Weapon-System Status //Military Technology. — 1998. — № 5. — P.80–86.
- Бондалетов В. Н., Иванов Е. Н., Калихман С. А., Пичугин Ю. П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. — М., 1984. — С. 234–238.
Основные термины (генерируются автоматически): электромагнитная пушка, магнитное поле, соленоид, магнитный поток, снаряд, катушечный тип, уравнение, импульсная магнитная энергия, импульсная сила, магнитная индукция.
Однокатушечная электромагнитная пушка Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Рустамов Н. Т., Досанов Н. Е, Жапаров Е. О.
В работе рассмотрен вопрос, связанный с использованием магнитной энергии скопленной на соленоиде . Создание импульсной магнитной энергии в соленоиде , порождает большой импульсной силы Лоренца. В работе используя эти силы, разработана одно катушечная разгонная среда . В эту систему, располагая металлический предмет, получен электромагнитная пушка. Предложен электрическая схема такой конструкции и макетный вариант. Приводится техническая реализация предложенного устройства. Отмечается, что предложенную конструкцию можно использовать не только в военных целях.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Рустамов Н. Т., Досанов Н. Е, Жапаров Е. О.
Методы и средства ускорения частиц естественного и техногенного происхождения
Стоячие волны и трансформатор Тесла
Исследование взаимодействия ферромагнитной дроби с катушкой индуктивности при работе на постоянном токе
Индукторная система с притягивающим экраном и плоским прямоугольным соленоидом
Численные оценки электродинамических процессов в индукторной системе с притягивающим экраном и плоским прямоугольным соленоидом
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
UNCOIL ELECTROMAGNETIC WEAPON
The paper deals with the issue of the use of magnetic energy accumulated on the solenoid . The creation of pulsed magnetic energy in a solenoid generates a large impulsive Lorentz force. In work using these forces, one coil accelerating medium was developed. By placing a metal object in this system, an electromagnetic gun is obtained. An electrical circuit of such a design and a prototype version are proposed. The technical implementation of the proposed device is given. It is noted that the proposed design can be used not only for military purposes.
Текст научной работы на тему «Однокатушечная электромагнитная пушка»
«эдущадум-лоугм&у »вттлмд / technical SCHMCE_17
Рустамов Н. Т., Досанов Н.Е, Жапаров Е.О.
Международный казахско-турецкий университет имени Х.А.Яссави, Казахстан
ОДНОКАТУШЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПУШКА
Rustamov N. T., Dossanov N., Zhaparov E.O.
International Kazakh-Turkish University. HA.Yassaviyy, Kazakhstan
UNCOIL ELECTROMAGNETIC WEAPON
В работе рассмотрен вопрос, связанный с использованием магнитной энергии скопленной на соленоиде. Создание импульсной магнитной энергии в соленоиде, порождает большой импульсной силы Лоренца. В работе используя эти силы, разработана одно катушечная разгонная среда. В эту систему, располагая металлический предмет, получен электромагнитная пушка. Предложен электрическая схема такой конструкции и макетный вариант. Приводится техническая реализация предложенного устройства. Отмечается, что предложенную конструкцию можно использовать не только в военных целях.
The paper deals with the issue of the use of magnetic energy accumulated on the solenoid. The creation of pulsed magnetic energy in a solenoid generates a large impulsive Lorentz force. In work using these forces, one coil accelerating medium was developed. By placing a metal object in this system, an electromagnetic gun is obtained. An electrical circuit of such a design and a prototype version are proposed. The technical implementation of the proposed device is given. It is noted that the proposed design can be used not only for military purposes.
Ключевые слова. Импульсная магнитная энергия, катушка, соленоид, импульсная сила, конструкция, разгонная среда
Keywords. Pulsed magnetic energy, coil, solenoid, pulsed force, design, accelerating medium
Введение. 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.
Сообщается, что в 1845 такая пушка катушечного типа била использована для запуска металлического стержня длиной около 20м. Кристиан Бер-келенд, получил три патента на свою «электромагнитную пушку» [1]. 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]. До поры до времени казалось невозможным увязать 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].
Тем не менее, весной 1944г. доктор Иоахим Хэнслер и главный инспектор Бун-зель выполнили исследования по пушке катушеч-
ного типа [4]. 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 [5]. Металлическое ядро подвергалось чрезвычайно быстрому ускорению, такому быстрому, что оно, вероятно, недоступно для: орудийного применения. В принципе эти устройства работают в следующим образом. В цилиндрической обмотке (соленоиде) при протекании через нее электрического тока возникает магнитное поле. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида железный предмет, который от этого начинает разгоняться. Если в тот момент, когда железный предмет окажется в середине обмотки, ток в последней отключить, то втягивающее магнитное поле исчезнет и железный предмет, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки. Чем сильнее магнитное поле и чем быстрее оно отключается — тем сильнее вылетает железный предмет.
Целью работы состоит в поиске аргументов, доказывающих необходимость использования электромагнитной пушки в будущем, а также конструировании макета однокатушечной электромагнитной пушки.
Методы решение. С начала 1980-х годов электромагнитная пушка становится все более и более важной частью планируемых усовершенствований
«ш^шетим-лигмаьжш),^» / тшшюеАк еаимси
систем сооружения будущего. Физические законы, управляющие электромагнитной тягой снаряда, допускают более высокие скорости снаряда, чем скорости снарядов, приводимых в действие обычным способом — это существенное преимущество электромагнитной пушки.
Самой старой формой электромагнитной пушки, фактически созванной, является, вероятно, пушка катушечного типа. На рис. 1 показан ее ра-
бочий принцип. Пушка состоит из ствола (не показанного на рисунке) с рядом неподвижных катушек ускорения. Когда эти катушки последовательно электризуются, возникает перемещающееся магнитное поле, которое возбуждает ток в катушке снаряда. Как следствие, перемещающееся магнитное поле создает силу Лоренца «Г» , которая действует на силу тока катушки снаряда и таким образом сообщает снаряду ускорение.
Рис. 1. Принцип работы электромагнитной пушки катушечного типа
Чтобы определить на какое расстояние дойдет снаряд поступим следующим образом. В начале в соленоиде определяется траектория магнитного потока. Так как траектория магнитного потока считается прямолинейным. I — это длина магнитного потока через соленоид, ах- путь магнитных линий за пределами соленоида, который будет обнаружен во время расчета. Два х — причина того, что магнитное поле покрыто с обеих сторон соленоида.
Поскольку соленоид представляет собой электромагнитную систему, генерируется электромагнитная энергия Ш. Эта энергия в свою очередь представляет собой уравнение:
Здесь, Ь- индуктивность соленоида, Гн; I-текущее значение тока, заданное для соленоида, А.
Количество энергии в соленоиде, в свою очередь, используется для работы магнитного потока в соленоиде, то он равняется на:
Ш = А= ¥(х + х + 1) = Р(2х + I) (2)
Здесь, F- электромагнитная сила или сила Лоренца, Н.
Так как количество энергии в соленоиде используется для работы, то эти энергии будут равны между собой:
И индуктивность соленоида в свою очередь определяется по формуле:
Здесь, ^ — магнитная проницаемость (безразмерная величина); ц.0 — магнитная постаянная,4п • 10-7 Гн/м; 5
поперечного сечение, м2.
Если формулу для индуктивности (4) поставить на уравнение (1) то получается:
Если уравнение (5) поставить на (3), то:
Прежде чем составление уравнение, прежде всего выражаем уравнение электромагнитной силы:
Здесь, В — магнитная индукция, Тл; Н -напряженность магнитного поля, А/м. Из уравнении видно что магнитная индукция равно на В = ¡л.Ни напряженность в свою очередь равняется
Формула (10) и есть расчетная формула для определения дальности снаряда.
Существует множество других вариантов пушки катушечного типа.
На различных этапах развития общества происходили качественные «скачки» в развитии техники: изобретение колеса, двигателя внутреннего сгорания, открытие возможности получения и использования электрической энергии и многое другое.
В данной работе предлагается одно катушечная электромагнитная пушка(рис.2). В котором, при протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь.
Рис.2. Одно катушечная электромагнитная пушка
на: Н = у = у. По формуле (7) определяется сила
действующая на снаряд.
А теперь на уравнению (6) на место силы можно поставить уравнение (7), то тогда получается:
Если открыть скобки и выражать х через остальные элементы, то получается:
Как уже отметили, если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, магнитное поле исчезнет, и снаряд по инерции вылетит из другого конца ствола.
Техническая реализация. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлёта снаряда к середине обмотки ток, в последней уже успевал бы уменьшиться до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки будет максимальным.
Рис. 3. Электрическая схема однокатушечной элмагнитной пушки(ОКЭП)
При использований схемы с удвоенным напряжением происходит сбой при заряде конденсаторов и увеличивается нагрузка обратному напряжению на выпрямительные диоды. В связи с высше указанным, более практичной и рациональной была принята вышее указаная схема. В ней применен оригинальный метод удвоения напряжения цепи, с помощью релейно- контактных элементов.
Схема работает следующим образом, при включени тумблера SA1 подается напряжения на схему. При ключени SA2 указанной на схеме подается напряжение на катушку промежуточного реле KL1, которое своими контактами KL1.1, KL1.2, KL1.3, KL1.4 подает напряжение на конденсаторы C1 и C2, лампа HL1 показывает момент полного заряда конденсаторов после чего лампа гаснет. Лампа
«C@yL@qyiym-J©yrMaL»#2i26),2@19 / TECHNICAL SCUEMCII
ИЬ2 сигнализирует о процессе заряда канденсато-ров. После чего тумблер SA2 переводится в правое по схемы положение, при этом падается напряжение на катушку промежуточного реле КЬ2. Которое обезточивает контакт КЬ1 и размыкает контакты КЫ.1; КЬ1.2; КЫ.3; КЬ1.4 .) После замыканий КЬ2.1 происходит последовательное соединение
конденсаторов С1 и С2, при этом напряжение на выходе увеличивается в 2 раза и подается на катушку Ь1 который пройзводит выстрел снаряда. Диод VД5 установлен для защиты конденсаторов от так называемых экстратоков (индукционные) в момент переходных процесов.
Рис.4. Макет одно катушечной электромагнитной пушки(ЭП) Здесь 1-магнитная катушка, 2-ствол ЭП, 3-конденсатор, 4-манитопускатель, 5- реле прерыватель, 6-
Технические характеристики: напряжение на конденсаторе 600В, емкость конденсаторе, длина катушки 60м, кол.витков 4181,58, длина пули 50мм, диаметр пули 2.5мм,внешний диаметр ствола 3мм, масса пули 1.9г, максимальная сила 8.44Н, сила тока 16.4 А.
Выводы. 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 [5].
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.
Какими бы преимуществами ни обладало электромагнитное оружие, и какие бы перспективы не внушало его использование, в настоящее время достаточно трудно судить о том, будет ли оно когда-нибудь содержаться на постоянном вооружении[6]. На данном этапе развития науки подобный тип оружия развит довольно слабо и для большинства людей остается просто красивой сказкой. Нам кажется, что электромагнитный ускоритель масс должен, прежде всего, использоваться на благо людей.
Использование принципа электромагнитного ускорения масс в таких областях, как, например, строительная индустрия может частично улучшить сложившуюся ситуацию. Принцип работы электромагнитного ускорения масс можно и нужно использовать в гражданском строительстве, в промышленности и других областях жизнедеятельности человека [7].
1. Гаусс К.Ф. Сборник статей под ред. Виноградова. — М.: АН, 1956, C.71-96.
2. «Википедия-свободная энциклопедия» ( http :// ru . wikipedia . org ).
3. Андреев А.Н., Бондалетов В.Н. Индукционное ускорение проводников и высокоскоростной привод // Электричество.-1973.-№10. — С.36-40.
4. Бондалетов В.Н., Иванов Е.Н., Калихман С.А., Пичугин Ю.П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. — М., 1984 — С. 234-238.
5. Заявка Российская Федерация № 2009116786 Электромагнитный инженерный бое-припас. / УдинцевД.Н., РусинП.В., УсмановР.И.
6. Wolfram Witt, Marcus Loffler The Electromagnetic Gun — СС1 to Weapon-System Status //Military Technology. — 1998. — № 5. — P.80-86.
7. Бондалетов В.Н., Иванов Е.Н., Калихман С.А., Пичугин Ю.П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. — М., 1984. — С. 234-238.
Пушка Гаусса
Хомяки приветствуют обитателей третьей от солнца планеты.
Сегодняшний пост пойдет о создании электромагнитной Пушки Гаусса. В процессе разберем как настроить систему и произведём некоторые расчеты по эффективности. Так как это пушка, выглядеть она должна соответственно. Нарисуем будущий эскиз, а затем попробуем воплотить его в жизнь, собрав корпус из подручного мебельного материала. Снаряды сделаем бронебойные, из гвоздей. Для сравнения проверим на пробиваемость пневматический пистолет и узнаем, какая пуля таит в себе наибольший потенциал.
Классическая Пушка Гаусса состоит из пяти основных блоков. Пойдём по порядку: источник питания, в нашем случае аккумулятор запитывает преобразователь, который в свою очередь заряжает высоковольтную сборку из электролитических конденсаторов. Дальнейшая задача, разрядить весь накопленный заряд в катушку через мощный ключ. В результате, созданное магнитное поле, передаст железной пуле определенное ускорение.
Скорострельность такого устройства зависит от мощности преобразователя. Чем он будет мощней, тем быстрей сможет заряжать сборку конденсаторов.
Сердцем преобразователя служит трансформатор с Ш-образным ферритовым сердечником. Мотать катушку будем медным 0,35 миллиметровым проводом. Вначале мотаем вторичную обмотку двойным проводом, это нужно для увеличения выходного тока. Количество витков примерно 60. Каждый намотанный слой изолируем полиэстеровой изолентой.
Первичную обмотку мотаем тем же 0,35 миллиметровым проводом только в 6 жил. Чтобы они не распутывались, закручиваем их в скрутку. Так мы увеличили площадь сечения провода. В общем, на шпильку катушки вместилось ровно 9 витков. Это означает, что соотношение витков первичной и вторичной обмоток получилось примерно 1:6.
Важная деталь, чтобы трансформатор сохранял свои характеристики, его нужно пропитать эпоксидом, после этого он не будет издавать свистов и писков во время работы.
Однотактный трансформатор готов, управлять им будет такой же однотактный инвертор на микросхеме uc3845. Дальнейшая работа заключается в разводке платы под все комплектующие схемы. Своя плата всегда технологичней, по крайней мере хочется в это верить.
Если все сделано правильно, то такая схема будет потреблять около 3.7 А при напряжении питания 12 V. Перемножив первое на второе, получим 44 Вт потребляемой мощности. Сигнал при этом будет в виде меандра с заполнением 50 процентов, именно так работает драйвер uc3845. При правильной настройке радиатор на транзисторе будет практически холодным. Единственное что будет греться это резистор снаббера по выходу схемы.
Также в схеме есть ограничение заряда по напряжению, что защищает конденсатор от перезаряда, который может привести к взрыву или деградации ёмкости. Выставляется этот порог с помощью подстроечного резистора обратной связи схемы. Значение может варьироваться от 200 и до 500 вольт. Нам так много не нужно, потому выставим значение 397 вольт, 3 вольта дадим запаса.
Теперь переходим непосредственно к конденсаторам. Как и говорил, ёмкость тут немного выше, 1000 uF. В нашей пушке будет задействовано 10 таких банок, включены они будут параллельно для увеличения общей емкости. Для удобства установки конденсаторов была сделана небольшая плата с достаточно толстыми дорожками. В конечном результате сборка вышла компактной и увесистой. Измерения показали общую емкость банок в 8950 uF, что нормально, учитывая разбросы ёмкостей, и всем давно понятно, что разбросы не в нашу сторону…
При попытке разрядить заряженные ёмкости через лампочку, вместо того чтобы дотронуться проводом к массивному контакту, рука промахнулась и дотронулась к дорожке. Это моментально привело к громкому взрыву, который спровоцировал перестрелку между бандами соседних районов. Дорожка за считанные секунды куда-то испарилась.
Решением было нарастить толщину дорожек с помощью двойного медного провода с сечением в 3 квадрата каждый. Его будет трудно паять, в связи с большой теплоемкостью. Но если у вас в хозяйстве есть газовая горелка, то это будет нипочем.
Настало время проверить насколько быстро инвертор способен зарядить подобную сборку. Таймер запущен. Ждем срабатывания ограничителя по заряду и останавливаем таймер. Время от начала процесса и до конца заняло 36 секунд. Пулемёт конечно из такой пушки не получить, но чем богаты, тому и рады. Едем дальше.
Теперь всю накопленную энергию нужно разрядить в катушку. Катушка должна быть из толстого провода, в этом примере использована медь диаметром 1.7 мм. Форма, количество витков и слоев были взяты с потолка. Перед испытанием были намотаны несколько образцов, чтобы проверить эффективность полей, влияющих на металлический образец находящийся внутри. Каждый образец придавал железной пуле разное ускорение. Лучше всего показала себя катушка №1, намотанная в 200 витков и имеющая 5 слоев.
Сила в ней что надо, но при разряде, каждый виток с появлением магнитного поля пытается оттолкнуться от своего соседа, что при выстреле давало незначительную деформацию с хорошим хлопком. Избавиться от такого эффекта можно с помощью эпоксидной смолы, она пропитает слои и скрепит их намертво.
Мы забыли упомянуть одну важную деталь. А именно элемент, который коммутирует всю накопленную энергию в конденсаторах на катушку. В качестве ключа для таких целей используют мощные тиристоры. Они бывают разных конструкций, всё зависит от их характеристик и направления использования.
В дальнейших экспериментах приходилось палить тиристор за тиристором, дабы понять какой из них окажется самым крепким. Т143-800 оказался самым мощным, а цифра 800 означает максимально допустимый ток.
Подобные современные тиристоры стоят целые состояния, потому ищем советские. Единственная проблема такого корпуса в том, что у него нет контактов крепления, кроме управляющего электрода конечно. Такие экземпляры крепятся специальными прижимными механизмами, у которых большая площадь соприкосновения, чтоб увеличить пропускную способность больших токов. Нужно сделать что-то похожее из подручных средств.
Для этого был найден стальной лист из нержавейки толщиной в 3 мм. Резать его было одно удовольствие. Чтобы пропилить 25 см этой породы, понадобилось около часа и 3 ножовочных полотна. В итоге получился такой бутерброд.
Очень важно изолировать крепежные шурупы, которые будут соединять пластины, надев термоусадку со стороны шляпки. В общем, нужно полностью исключить контакт с железом с одной стороны, иначе будет короткое замыкание анода и катода на тиристоре.
Схема готова к работе, но прежде чем произвести выстрел, нужно знать какое напряжение накопилось на конденсаторах.Для этих целей вполне можно использовать копеечный вольт-амперметр, но у него есть один недостаток. Предел измеряемого напряжения у него ограничивается планкой в сто вольт. Но у нас планка в 4 раза выше, что делать?!
Всё просто, необходим делитель напряжения. Сделать его можно из двух резисторов, первый будет на 100 кОм, второй на 10 кОм, в средней точке между ними получим напряжение в 10 раз меньше того, которое нужно измерить. Обычно резистор с меньшим сопротивлением делают переменным, это дает возможность более точной настройки. Теперь вольтметр способен показывать значение постоянного напряжения до 1000 V. Когда на индикаторе показывает 20.0 V, это означает 200 V, а по желанию можно вообще отключить точку разделяющую цифры, чтобы не запутаться.
Итак, для того чтоб стрелять, любому оружию нужны патроны. С Пушкой Гаусса всё проще, тут необходимы только пули. Материал обязательно должен быть из магнитного материала, латунь и прочие цветные металлы не подойдут. В ближайшем строймаге были закуплены железные гвозди, размер сотка, диаметр 4 мм.
Поначалу снаряды будут длиной 30 мм. Края металлической болванки тоже нужно обработать, они должны быть максимально гладкими, чтобы как по маслу скользить в канале ствола.
Любопытно, какая же сила воздействует на этот кусок металла?! Для начала посмотрим на форму сигнала импульса тока в катушке. Для этих целей лучше всего подходит цифровой осциллограф, так как он способен записать сигнал в момент его появления. Производим выстрел и сигнал тока записан.
Заранее хочу отметить, что такую операцию желательно производить с развязкой по цепи, иначе можно спалить дорогостоящий прибор. Развязать цепь можно обычным ферритовым кольцом, надетым на силовую линию. На кольцо наматываем один виток провода, и шунтируем его небольшим резистором, скажем в 10 Ом. А уже с него снимаем возникший в цепи сигнал.
Замеры показали, что средняя длительность импульса порядка 6 мкс. Для примера в одной секунде миллион микросекунд. Это означает, что конденсаторы способны отдать всю свою накопленную энергию за очень короткое время.
На данном этапе всю эту кучу железа трудно назвать Пушкой Гаусса. Для правильного восприятия и устрашения, на листе бумаги были сделаны первые эскизы будущего корпуса, который состоял из кусков ДСП.
Дальше переносим туда размеры и начинаем работу по дереву…
Самый грязный процесс позади, переходим к следующему этапу. В качестве источника питания будем использовать высокотоковые аккумуляторы формата 18650. Фирма LG, маркировка LGDBHG 21865. Ёмкость у такого 3 А*ч. Максимальный ток, который способен выдавать элемент 20 А. Лучшие аккумуляторы на сегодняшний день по цене — качеству.
Итак, что у нас вышло. Сбоку находится кнопка предохранитель, заряжающая конденсаторы, для работы её нужно постоянно держать. Для удобства можно использовать прищепку. После заряда убираем зажималку с кнопки и производим выстрел.
Так как Gauss Gun электромагнитная пушка, хорошо бы это подчеркнуть, значком с магнитом и уникальным знаком, который предупреждает о том, что рядом падают коровы.
Проведя пару примитивных расчётов, нам удалось выяснить начальную скорость пули, её энергию запасенную в конденсаторах и КПД устройства в целом. Как мы это узнали, всё просто, с помощью классического баллистического маятника, который пользовался своей популярностью еще много веков назад.
Для начала расчетов нужно узнать массу пули, в нашем случае это 2.6 грамма, массу маятника 391.9 грамма, длину подвеса, которая в нашем случае ровно 70 см. Так же нужно знать расстояние отклонения маятника при попадании в него пули. С обратной стороны разместим линейку и небольшой кусок пенопласта, который отодвинется на нужное нам расстояние. По этим цифрам и будем вести расчёт.
Посмотрим, что у нас получилось по результатам голосования. Сравнение двух пушек проводились в одинаковых условиях и с соблюдением всех мер безопасности.
Это оружие, а не игрушка, помни это!
Результаты расчетов получились следующими: пуля Гаусса имела начальную скорость 42 м/С, в то время как пневмат выдал скорость в 3.5 раза больше, 152 м/С. То же самое касалось энергии пули, для своей массы и скорости, пуля от пневматического пистолета имеет энергию в 3.2 джоуля, в то время как Гаусс показал это значение на единицу меньше.
Ещё рассчитали общий заряд конденсаторов, и энергию, которую они способны накопить.
Дальше мы ударились в религию, и решили посмотреть, что нам покажет программа, которая специально создана для расчетов Пушки Гаусса. Вводим туда все необходимые параметры, включая толщину провода катушки, ёмкость конденсаторов и прочие заранее известные параметры. Итак, с пулей длиной 45 мм максимальный КПД, который удалось выжать из программы 0.46 процента.
Теперь проверим это на практике. Отрезаем кусок от гвоздя длиной 45 мм и взвешиваем, масса пули 4.14 грамма, все остальные параметры нам уже известны. Производим выстрел. Результаты измерения программы и баллистического маятника оказались близки друг к другу, 0.46 % против 0.44 %. Что это означает, а то что, 99.5 процентов энергии накопленной в конденсаторах, всего на 0.44 процента переходит в пулю через энергию магнитного поля, которое возникает в катушке. По большей части мощный импульс просто рассеивается в воздухе, не выполняя никакого полезного действия. Вот поэтому КПД Пушек Гаусса редко превышают 2%.
Важный момент при настройке! Когда намотан трансформатор, важно подключить его правильной полярностью, грубо говоря, если вы запустили схему, ток потребления бешеный, а лампочка еле горит, значит нужно поменять местами один из концов обмоток.
Электромагнитное поле. 8 класс
Вопрос действительно непростой, поскольку непонятно, какие силы заставляют электроны двигаться направленно. Само магнитное поле этого сделать не может, так как оно действует только на движущиеся электрические заряды. Наглядно это показали опыты Ампера, в которых магнитное поле оказывало действие на проводник с током.
Ещё одним фактором является то, что электромагнитная индукция выглядит совершенно одинаково в двух внешне различающихся опытах. Например, в одном опыте мы перемещаем магнит относительно неподвижной катушки, а в другом — перемещаем катушку относительно неподвижного магнита.
Принимая во внимание особенности магнитного поля, нужно также помнить о том, что на заряды действует ещё и электрическое поле. Однако это поле, называемое кулоновским, создаётся неподвижными зарядами, а индукционный ток возникает под действием переменного магнитного поля.
Поэтому можно предположить, что электроны в неподвижном проводнике приводятся в движение электрическим полем, которое само порождается изменяющимся со временем магнитным полем.
Это новое фундаментальное свойство магнитного поля впервые теоретически обосновал в 1865 г. английский учёный Дж. Максвелл: изменяющееся во времени магнитное поле порождает электрическое поле. Это поле по своей природе является индукционным.
Теперь явление электромагнитной индукции мы можем трактовать в новом свете. Главное в нём — это процесс порождения магнитным полем поля электрического.
Вместе с тем, теория Максвелла сразу же поставила ряд новых принципиальных вопросов. Например, отличается ли индукционное электрическое поле от обычного кулоновского поля, созданного неподвижными зарядами? Это поле порождается только в проводнике или во всём окружающем проводник пространстве? Какую роль при этом играет наличие самого проводящего контура?
«Теория, которую я предлагаю, может быть названа теорией электромагнитного поля, потому что она имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные поля. Она может быть названа также динамической теорией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электромагнитные явления.» (Дж. Максвелл)
Важно отметить, что ответы на эти и другие вопросы заложены в самой теории Максвелла. Индукционное электрическое поле, возникающее при изменении магнитного поля, имеет совсем другую структуру, чем кулоновское поле. Оно не связано с какими-либо электрическими зарядами. Поэтому силовые линии этого поля не имеют ни начала, ни конца, и представляют собой некоторые замкнутые линии, похожие на линии магнитного поля. Подобные поля называют вихревыми. При этом неважно, есть ли проводящий контур или его нет. Наличие проводника лишь помогает обнаружить возникающее вихревое электрическое поле.
Теперь пришло время задать, пожалуй, самый важный вопрос: если переменное магнитное поле порождает электрическое поле, то возможен ли реально обратный процесс — порождение переменным электрическим полем поля магнитного? Теория Максвелла даёт утвердительный ответ: изменяющееся со временем электрическое поле порождает переменное магнитное поле. Эти тесно взаимосвязанные и порождающие друг друга поля образуют электромагнитное поле.
Сам Максвелл твёрдо верил в существование электромагнитного поля, хотя экспериментальное подтверждение этого факта было получено лишь спустя 22 года.
Электрические и магнитные поля есть проявления единого материального объекта — электромагнитного поля. Эти поля тесно взаимосвязаны, и изменение одного из них неизбежно ведёт к изменению другого.
Одним из многочисленных примеров использования электромагнитного поля является ускорение микрочастиц. Однако имеются примеры по ускорению макроскопических тел с помощью так называемых электромагнитных пушек. Так, например, ещё в 1845 г. такая пушка катушечного типа была использована для запуска металлического стержня длиной около 20 м.
Кристиан Беркеленд, профессор физики в университете г. Осло, за период с 1901 г. по 1903 г. получил три патента на свою электромагнитную пушку. В 1901 г. Беркеленд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал её для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с. С помощью второй большой пушки, созданной в 1903 г. 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.
Электромагнитная пушка катушечного типа состоит из ствола с рядом неподвижных катушек ускорения. На эти катушки последовательно подаётся напряжение, что приводит к возникновению в них электрического тока, порождающего электромагнитного поле. Это поле, воздействуя на катушку снаряда, индуцирует в ней электрический ток. В результате воздействия магнитного поля на ток в катушке снаряда и возникает сила, ускоряющая снаряд.
Электромагнитные пушки сегодня считаются перспективным видом вооружений, где для разгона снаряда используют электромагнитное поле, а не тепловую энергию химических реакций, как это происходит в обычных огнестрельных пушках. Результаты новейших испытаний самой мощной в мире электромагнитной пушки, созданной в США, поражают воображение: это устройство без помощи порохового заряда придаёт снаряду скорость 9 тыс. км/ч, что в несколько раз превышает скорость звука.
Джеймс Клерк Максвелл (1831—1879) — английский физик, создатель классической электродинамики, один из основателей статистической физики.