Электромагнитное оружие

Содержание

Введение

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 – ради этого стоит потратить время на сборку пушки Гаусса. Я решил  начать  с простейшей конструкции – однокатушечной индукционной пушки  из повсеместно доступных ингредиентов. Итак, чтобы построить пушку Гаусса, прежде всего 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.

При сборке электрической цепи необходимо строго выполнять знание техники безопасности т.к обычные 220 вольт могут являться смертельно опасными для человека. Смертельный для жизни ток составляет примерно 100 миллиампер. Сопротивление кожного покрова человека примерно 50 КОм, однако внутреннее сопротивление человека всего на всего 1000 Ом, нетрудно посчитать, что ток при этом будет 220 миллиампер – прямой путь в морг.

1. Техника безопасности

Познание в общей электротехнике и понимание принципа функционирования тех радиоэлементов, которые собираюсь использовать в своей конструкции просто необходимы. . Если кратковременное общение с 220 вольт зачастую проходит для человека без последствий, то общение с КОНДЕНСАТОРОМ значительной емкости, заряженным на те же 220 вольт легко может закончиться летальным исходом.  Что уж там говорить о конденсаторах на 300 В и более.  Конденсаторы при неправильном обращении с ними могут взрываться.  Перепутал выводы у полярного электролитического конденсатора – взрыв. Превысил номинальное напряжение конденсатора – взрыв. Нагрел заряженный конденсатор до высокой температуры – взрыв. Повредил или деформировал корпус конденсатора – тоже взрыв.  При чем опасен даже не сколько сам взрыв, а сколько пары, которые при этом выделяются. Мощный выброс кипящего электролита при взрыве электролитического конденсатора может привести к потере зрения.  Не рекомендуется располагать различные электронные приборы и магнитные накопители (дискеты, пластиковые карты ) ближе 1 метра рядом с электромагнитной пушкой, из-за создаваемого ей сильного магнитного поля.

2. 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 магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, т.е. тормозится.

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней, уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным.

3. Преимущества и недостатки

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

1. Это отсутствие гильз и
2. неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, а так же скорострельности орудия,
3. возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса,
4. относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей),
5. больша́я надежность и износостойкость,
6. возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.

Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает даже 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию.

Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею). Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.

Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности.

Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).

4. Этапы работы

Главный силовой элемент  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, 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.

Для формирования мощного электрического импульса как нельзя лучше подходит батарея конденсаторов. 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  зарядное устройство есть в любом фотоаппарате: конденсатор используется там для формирования высоковольтного импульса для поджигающего электрода вспышки. Лучше всего  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.

Подбор емкости конденсаторов – это вопрос компромисса между энергией выстрела и временем зарядки орудия. Можно остановилиться на четырех конденсаторах по 470 микрофарад (400 В), соединенных параллельно. Перед каждым выстрелом 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.

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.

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. С помощью короткого гвоздя с откусанной шляпкой удалось пробить гипсокартонную стену с расстояния в несколько метров.

5. Составные части магнитного ускорителя масс

Снаряд

Должен обладать высокой магнитной проницаемостью, обычно в качестве материала снаряда используется железо, но допускается и использование ферритовых стержней. Длина снаряда должна быть согласована с длиной обмотки, для достижения максимальной эффективности его масса так же должна быть строго определённой. Перед выстрелом своим передним концом снаряд устанавливается перед началом обмотки внутри трубки.

Трубка и задний ограничитель обмотки

Ствол выполняет две функции - она является несущей конструкцией для намотки соленоида и в то же время служит для придания снаряду заданного направления полета по аналогии со стволом в огнестрельном оружии. Однако в полной мере стволом трубку называть не стоит – в магнитном ускорителе масс стволом для снаряда, в сущности, служит магнитное поле, создаваемое внутри соленоида - снаряд движется в нем не касаясь стенок трубки. Во избежание потерь мощности на кольцевые токи, возникающие в момент выстрела от быстрого переменного магнитного поля, трубка должна быть сделана из непроводящего материала. Задний ограничитель обмотки необходим в связи с тем, что в момент выстрела на обмотку действует импульс отдачи, направленный в сторону, противоположную направлению движения гвоздя. Во избежание сползания обмотки и деформации витков и необходим упор-ограничитель.

Обмотка

Как правило, изготавливается из медного эмалированного провода большого диаметра. Является главным функциональным узлом магнитного ускорителя. Служит для создания мощного магнитного поля для ускорения снаряда. Параметры обмотки (количество витков, толщина провода, длина) рассчитываются или определяются экспериментально для достижения максимального КПД.

Конденсатор

Накопитель энергии магнитного ускорителя масс. Электрическая энергия конденсатора в гаусс гане преобразуется в кинетическую энергию снаряда. В одноступенчатых системах, как правило, КПД не превышает 1% - т.е. одна сотая энергии конденсатора преобразуется в кинетическую энергию гвоздя. Наиболее часто в МУ применяются электролитические конденсаторы, обладающие большой емкостью. Кроме того, для увеличения общей энергии ускорителя используют несколько конденсаторов, соединенных между собой.

Ствол для coil gun

Ствол является важной составной частью электромагнитного ускорителя. При этом он должен обладать рядом свойств, некоторые из которых достаточно специфичны.

1). Прочность.

В отличие от обычного огнестрельного оружия, в котором ускорение снаряда достигается давлением горячих пороховых газов, в электромагнитном ускорителе отсутствуют такие факторы воздействия на материал ствола, как высокие температуры и давления (если, конечно, ускоряющие катушки не нагреваются до красна после каждого выстрела). Поэтому прочность ствола у  нее является таким критичным параметром, как у порохового оружия. Тем не менее, при протекании импульсных токов через ускоряющие катушки развиваются механические напряжения, которые при неверном выборе материала ствола или его толщины могут привести к его разрушению.

2). Толщина.

Толщина стенок ствола должна быть минимальна. Это требование вытекает из того факта, что чем плотнее сердечник (снаряд) подогнан по диаметру к внутреннему диаметру ускоряющей катушки, тем больше его потокосцепление с катушкой (т.е. тем большая часть поля, создаваемого катушкой, проходит через снаряд).

3). Электропроводность и ферромагнетизм.

Материал ствола должен быть плохо проводящим и не являться ферромагнетиком. Это требование вытекает из того факта, что проводящий и особенно ферримагнитный материал ствола будет сильно ослаблять переменное магнитное поле, под действием которого в гауссовке  происходит ускорение снаряда.

4). Лёгкость в обработке.

Материал ствола должен легко обрабатываться (пилиться, сверлиться и т.д.), т.к. на нём размещается множество элементов конструкции (ускоряющие катушки, индуктивные или оптические датчики положения и т.д.).

5). Дешевизна и доступность.

Немаловажные факторы, особенно для любительских исследований, ведь приходится перепробовать множество стволов разного калибра и длины. Перечислю несколько видов стволов:

Стеклянные стволы: стволы в виде стеклянной трубки очень часто применяются в любительских исследованиях. Этот выбор обусловлен тем, что стеклянную трубку подходящего диаметра можно найти почти в любой школьной химической лаборатории, не говоря уже о специализированных химических магазинах. Такие трубки, как правило, имеют очень тонкие стенки, что обеспечивает хорошее потокосцепление снаряда и соленоида.

Металлические стволы: металл – самый заманчивый материал для изготовления ствола. Металлическую трубку подходящего диаметра легко достать (на худой конец, заказать у поставщиков), она хорошо обрабатывается,  и она достаточно прочная. Однако, у металлического ствола есть совершено специфический для Coilgun недостаток – он  ослабляет магнитное поле ускоряющих катушек и тем самым снижает и без того невысокий КПД процесса ускорения. Этот эффект особенно сильно проявляется для ферримагнитных стволов (например, из стали) и на высоких частотах (т.е. при высоких скоростях снаряда).

Полимерные стволы: сюда относятся все материалы на основе пластмасс или материалов с полимерной пропиткой (текстолит и т.д.). В самом примитивном проявлении это стволы из обычных шариковых ручек, которые часто применяются начинающими гаусс-ганерами.

На мой взгляд полимерный ствол – самый перспективный для Coilgun (по-крайней мере, для любительских конструкций). Действительно, почти любая пластмасса хорошо поддаётся обработке, является диэлектриком и диамагнетиком. Несколько хуже обстоит дело с прочностью и доступностью, но и здесь есть решения.

6. Тактико-Технические Характеристики

Оружие, помимо определённой мощности выстрела, которую тоже необходимо обеспечить, подразумевает так же определённую компоновку элементов системы, простоту эксплуатации, надежность и заданные тактико-технические характеристики (ТТХ).

Наиболее остро в конструировании магнитных ускорителей масс, как всегда, стоит проблема получения большой кинетической энергии снаряда – точнее – повышение КПД гауссовки.

Как правило, магнитные ускорители масс имеют КПД не боле 1% - т.е. лишь 1 сотая часть энергии конденсаторов переходит в кинетическую энергию снаряда. Поэтому достаточной для оружия энергией обладают лишь большие стационарные пушки, общей массой от 50 и более килограмм, которые, естественно, совершенно непригодны для использования в качестве ручного оружия. Создатели таких тяжеловесных систем любят снимать на видео процесс пробивания многосантиметровых досок, разнесения в пыль кирпичей, а потом с гордостью показывать это всем кому не попадая, пытаясь показать какое мощное оружие гаусс ган. Но стоит вспомнить о массе пушки, как все восхищение от мощности моментально отпадает! Гауссовка массой 50 кг метает железный гвоздь с кинетической энергией не более 100Дж, в то время, как наш “родной” Пистолет Макарова имеет энергию пули 300Дж, а весит вместе с полным магазином 850 грамм! И это при том при всем, что патроны ПМ-а безнадежно устарели и считаются слабыми, а современные пистолетные патроны придают пуле энергию аж в 450-500Дж!... А что уж там говорить о снайперских винтовках!... Снайперская винтовка СВД с расстояния в 100 метров пробивает на вылет до 36 сосновых досок, толщиной 2,5 см каждая, а полный вес винтовки едва достигает 4 кг.

Поэтому необходимо работать над повышением КПД устройства. На одноступенчатой системе вполне реально получить КПД 4,5%.  Как широко известно, КПД магнитного ускорителя тем выше, чем лучше согласованы параметры соленоида с параметрами конденсаторов и параметрами гвоздя. Т.е. при выстреле к моменту подлета гвоздя к середине обмотки ток в катушке уже близко к нулю и магнитное поле отсутствует, не препятствуя снаряду вылетать из соленоида. Однако на практике получить такое удается редко – малейшее отклонение от теоретического идеала резко снижает КПД.

Остальная энергия конденсаторов, как известно, теряется на активном сопротивлении проводов, а так как удельное сопротивления меди ограничено и постоянно, то уменьшить потери на активном сопротивлении практически нельзя, но все таки возможно за счет варьирования параметров катушки.

Как известно, мощность потерь растет пропорционально квадрату тока. Снаряд ускоряет магнитное поле, величина которого определяется током и индуктивностью катушки. Так как увеличивать ток очень нехорошо, но требуется мощное магнитное поле, да ещё и ограниченное по времени существования, то можно поступить следующим образом.

Длину соленоида можно увеличить, при этом возрастет количество витков и его индуктивность, но так как длина соленоида станет больше, время импульса тоже можно увеличить. При меньшем токе величина магнитного поля будет больше.

Очень хорошо на КПД гауссовки может сказаться использование накладок из магнитопроводящего материала – это даст возможность при увеличении толщины провода и соответственно геометрических размеров катушки сохранить плотность магнитного потока внутри соленоида постоянной. Для этого очень эффективно использовать ферритовые чашечки, которые продаются в любых радиотехнических магазинах.

КПД=Е(КИНЕТ)/Е(КОНД)*100%

   КПД это отношение полезной энергии к затраченной, и умноженный на 100%.

Т.к. у нас Гаусс работает от конденсаторов, получаем (E кин.снаряда / E конденсаторов)*100%.Сперва надо посчитать энергию заряжённых конденсаторов. E=CU²/2. В моём случае, с конденсатором на 300В 800мкФ получилось (0.0008x300x300)/2=36 Джоулей.

А энергия, приобретённая снарядом, вычисляется по формуле  У меня при массе гвоздя 4.5 грамма и его скорости 13 м/с получилось (0.0045*13*13)/2=0.38 Джоулей. Значит КПД=(0.38/36)*100%=1.055%.

Способ расчета скорости движения снаряда:

Померить скорость в домашних условиях можно только косвенно, по высоте, дальности полёта, на глаз. Но для точных вычислений это недопустимо. Измерение скорости пули можно произвести несколькими способами:

Метод 1. Баллистический маятник.

Тяжелая деревяшка подвешенная на нитке (четырех, по нитке с каждого конца).

Методика измерения: стреляешь в деревяшку, смотришь, на сколько она отклоняется, считаешь по формуле приведённой ниже:

Метод 2. Измерение с помощью программы AirSpeed: Bullets speed meter.

Программа предназначена для измерения скорости пули у пневматического (и не тогько) оружия, для этого используется звуковая карта компьютера и специальные датчики, описание изготовления датчиков прилагается в документации.

Метод 3. Механический хронограф

Одна из конструкций механического хронографа представляет собой два диска, закрепленных на одной вращающейся оси. Диски можно изготовить, например, из плотной бумаги и разместить на оси электромотора. При выстреле пуля пробивает сначала первый диск, затем второй. Время движения пули между дисками определяют по величине угла а, на который сместится пулевая пробоина на втором диске относительно пробоины на первом диске. Зная расстояние между дисками и их скорость вращения, скорость полета пули можно вычислить по формуле:

Чем больше скорость вращения дисков, тем выше точность измерения скорости пули.

Заключение

Рассмотрев вопрос о существовании альтернативы взрывчатым веществам в огнестрельном оружии, я могу сделать вывод о том, что в таком качестве могут выступать магнитные ускорители масс.

Во время написания работы я выполнил следующие задачи:

1. Проанализировал теоретические основы свойств электромагнитных полей
2. Изучил принцип действия электромагнитных ускорителей
3. Изготовил действующую модель электромагнитного ускорителя

Перед собой я поставил цель – построить действующую модель ускорителя масс (пушку Гаусса), в результате такая модель была построена. Данная модель может быть использована на уроках в школьном физическом кабинете для демонстрации явления превращения электромагнитной энергии поля в кинетическую энергию массивных тел.

Данная работа дала мне много полезной и очень интересной информации. Лично я приобрел навыки исследовательской и научной работы:

1. Самостоятельно искал информацию, необходимую для изготовления модели.
2. Рассчитывал параметры электрической цепи для увеличения к.п.д. установки.
3. Самостоятельно изготовлял необходимые детали.

В процессе работы я был настойчив в достижении цели, чувствовал ответственность за результат  работы, был требователен к себе и горд за результат своей деятельности.