Всем привет. В данной статье рассмотрим, как изготовить портативную электромагнитную пушку Гаусса, собранную с применением микроконтроллера. Ну, насчет пушки Гаусса я, конечно, погорячился, но то, что это – электромагнитная пушка, нет сомнения. Данное устройство на микроконтроллере было разработано для того, чтобы обучить начинающих программированию микроконтроллеров на примере конструирования электромагнитной пушки своими руками.Разберем некоторые конструктивные моменты как в самой электромагнитной пушке Гаусса, так и в программе для микроконтроллера.
С самого начала нужно определиться с диаметром и длиной ствола самой пушки и материалом, из которого она будет изготовлена. Я применил пластиковый футляр диаметром 10 мм из-под ртутного термометра, поскольку он у меня валялся без дела. Вы можете использовать любой доступный материал, обладающий не ферромагнитными свойствами. Это стекло, пластик, медная трубка и т. д. Длина ствола может зависеть от количества применяемых электромагнитных катушек. В моем случае используется четыре электромагнитных катушки, длина ствола составила двадцать сантиметров.
Что касается диаметра применяемой трубки, то в процессе работы электромагнитная пушка показала, что нужно учитывать диаметр ствола относительно применяемого снаряда. Проще говоря, диаметр ствола не должен намного превышать диаметр применяемого снаряда. В идеале, ствол электромагнитной пушки должен подходить под сам снаряд.
Материалом для создания снарядов послужила ось от принтера диаметром пять миллиметров. Из данного материала и были изготовлены пять болванок длиной 2,5 сантиметра. Хотя также можно применять стальные болванки, скажем, из проволоки или электрода – что найдется.
Нужно уделить внимание и весу самого снаряда. Вес по возможности должен быть небольшим. Мои снаряды слегка тяжеловаты получились.
Перед созданием данной пушки были проведены эксперименты. В качестве ствола использовалась пустая паста от ручки, в качестве снаряда – иголка. Иголка с легкостью пробивала обложку журнала, установленного неподалеку от электромагнитной пушки.
Поскольку оригинальная электромагнитная пушка Гаусса строится по принципу заряда конденсатора большим напряжением, порядка трехсот вольт, то в целях безопасности начинающим радиолюбителям следует запитывать её низким напряжением, порядка двадцати вольт. Низкое напряжение приводит к тому, что дальность полета снаряда не очень большая. Но опять же, всё зависит от количества применяемых электромагнитных катушек. Чем больше электромагнитных катушек применяется, тем больше получается ускорение снаряда в электромагнитной пушке. Также имеют значение диаметр ствола (чем меньше диаметр ствола, тем снаряд летит дальше) и качество намотки непосредственно самих электромагнитных катушек. Пожалуй, электромагнитные катушки – самое основное в устройстве электромагнитной пушки, на это нужно обратить серьёзное внимание, чтобы добиться максимального полета снаряда.
Я приведу параметры своих электромагнитных катушек, у вас они могут быть другими. Катушка наматывается проводом диаметром 0,2 мм. Длина намотки слоя электромагнитной катушки составляет два сантиметра и содержит шесть таких рядов. Каждый новый слой я не изолировал, а начинал намотку нового слоя на предыдущий. Из-за того, что электромагнитные катушки запитываются низким напряжением, вам нужно получить максимальную добротность катушки. Поэтому все витки наматываем плотно друг другу, виток к витку.
Что касается подающего устройства, то тут особые пояснения не нужны. Все паялось из отходов фольгированного текстолита, оставшегося от производства печатных плат. На рисунках все подробно отображено. Сердцем подающего устройства является сервопривод SG90, управляемый микроконтроллером.
Подающий шток изготовлен из стального прутка диаметром 1,5 мм, на конце штока запаяна гайка м3 для сцепления с сервоприводом. На качалке сервопривода для увеличения плеча установлена загнутая с двух концов медная проволока диаметром 1,5 мм.
Данного нехитрого устройства, собранного из подручных материалов, вполне хватает, чтобы подать снаряд в ствол электромагнитной пушки. Подающий шток должен полностью выходить из загрузочного магазина. В качестве направляющей для подающего штока послужила треснувшая латунная стойка с внутренним диаметром 3 мм и длиной 7 мм. Жалко было выбрасывать, вот и пригодилось, собственно, как и кусочки фольгированного текстолита.
Программа для микроконтроллера atmega16 создавалась в AtmelStudio, и является полностью открытым проектом для вас. Рассмотрим некоторые настройки в программе микроконтроллера, которые придется произвести. Для максимально эффективной работы электромагнитной пушки вам понадобится настроить в программе время работы каждой электромагнитной катушки. Настройка производится по порядку. Сначала подпаиваете в схему первую катушку, все остальные не подключаете. Задаете в программе время работы (в миллисекундах).
PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350); / / время работы
Прошиваете микроконтроллер, и запускаете программу на микроконтроллере. Усилия катушки должно хватать на то, чтобы втянуть снаряд и придать начальное ускорение. Добившись максимального вылета снаряда, подстраивая время работы катушки в программе микроконтроллера, подключаете вторую катушку и также настраиваете по времени, добиваясь еще большей дальности полета снаряда. Соответственно, первая катушка остается включенной.
PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350);
PORTA &=~(1<<1);
PORTA |=(1<<2); // катушка 2
_delay_ms(150);
Таким способом настраиваете работу каждой электромагнитной катушки, подключая их по порядку. По мере увеличения количества электромагнитных катушек в устройстве электромагнитной пушке Гаусса скорость и, соответственно, дальность снаряда должны также увеличиваться.
Данную кропотливую процедуру настройки каждой катушки можно избежать. Но для этого придется модернизировать устройство самой электромагнитной пушки, установив датчики между электромагнитными катушками для отслеживания перемещения снаряда от одной катушки к другой. Датчики в сочетании с микроконтроллером позволят не только упростить процесс настройки, но и увеличат дальность полета снаряда. Данные навороты я не стал делать и усложнять программу микроконтроллера. Целью было реализовать интересный и несложный проект с применением микроконтроллера. Насколько он интересен, судить, конечно, вам. Скажу честно, я радовался, как ребенок, «молотя» из данного устройства, и у меня созрела идея более серьезного устройства на микроконтроллере. Но это уже тема для другой статьи.
Пушка Гаусса (англ. Gauss gun , Gauss cannon ) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени учёного Гаусса, исследовавшего физические принципы электромагнетизма, на которых основано данное устройство.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. Снаряд при этом получает на концах полюса симметрично полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, т.е. тормозится. Но если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола. Но при выключении источника питания в катушке образуется ток самоиндукции, который имеет обратное направление тока, и поэтому меняет полярность катушки. А это значит, что при резком выключении источника питания снаряд, пролетевший центр катушки, будет отталкиваться и получать ускорение дальше. В ином случае, если снаряд не достиг центра, он будет тормозиться.Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Если используется полярный конденсатор (напр. на электролите), то в цепи обязательно должны быть диоды, которые защитят конденсатор от тока самоиндукции и взрыва.
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.
Расчёты
Энергия запасаемая в конденсаторе
V - напряжение конденсатора (в Вольтах)C - ёмкость конденсатора (в Фарадах)
Энергия запасаемая при последовательном и параллельном соединении конденсаторов равна.
Кинетическая энергия снаряда
m - масса снаряда (в килограммах)
u - его скорость (в м/с)
Время разряда конденсаторов
Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)
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.L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)
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, а так же скорострельности орудия, возможность бесшумного выстрела (если скорость 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 надежность и износостойкость, а так же 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, но мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).
RailGun
Рельсовая пушка (англ. Railgun ) — форма оружия, основанная на превращении электрической энергии в кинетическую энергию снаряда. Другие названия: рельсовый ускоритель масс, рельсотрон, рейлган (Railgun). Не путать с пушкой Гаусса.Принцип действия
Рельсовая пушка использует электромагнитную силу, называемую силой Ампера, чтобы разогнать электропроводный снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы. Ток I , идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле B между ними, перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда под действием силы F .Преимущества и недостатки
С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел бы испариться и разлететься, 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 индуктивностью. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей. На практике рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов, генераторы Маркса, ударные униполярные генераторы, компульсаторы, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки. В тех рельсотронах, где снарядом является проволока, после подачи напряжения на рельсы проволока разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким образом рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется.
1. Вступление.
В этой статье я опишу свой первый макетный электромагнитный метатель ЕМ-1, собранный уже больше года назад. Тем, кого не интересует электрическая схема устройства, принцип действия и т.д., можно пропустить всё, что написано дальше, и сразу перейти к разделам 3 и 4, где находятся фото устройства и видеоролики.
Целью создания ЕМ-1 было:
- Собрать автономную конструкцию в одном корпусе.
Все мои предыдущие стрелялки собирались из отдельных компонентов и выглядели как груда соединённых проводами плат (см. рис. 1). Мало того, что это очень неудобно при экспериментах, это ещё и опасно – ничего не стоит что-нибудь случайно зацепить и получить удар высоким напряжением, или спалить одну из плат, случайно что-нибудь закоротив (были такие случаи). Зарядка от сети, которая часто применяется в таких опытных конструкция, тоже достаточно опасна и неудобна. Мне хотелось сделать именно автономное устройство, максимально безопасное в обращении. Сюда относится и максимальная помехоустойчивость – Gordon на http://www.pskovinfo.ru/coilgun/indexr.htm совершенно справедливо замечает, что схема Gauss Gun не должна быть чувствительна ко всякого рода наводкам, в то время как конструкции типа изображённых на рис.1 часто неожиданно выстреливали от случайного прикосновения к одной из плат, никак не связанных с главным силовым контуром.
Рис. 1. Один из опытных образцов Gauss Gun. Видны плата управления тиристорами, мощный конденсатор (здесь я использовал комбинированный К75-40 на 1000В, 100 мкФ), источник высокого напряжения, ствол гауссовки с укреплёнными ИК-датчиками, и ИК-хронограф. - Получение максимальной скорости при сохранении КПД.
Известно, что КПД Gauss-gun падает при повышении скорости и уменьшении длины снаряда. С другой стороны, тяжёлый и длинный снаряд, при выстреле которым развивается максимальный КПД, совершенно неустойчив в полёте – чтобы прострелить навылет какую-нибудь алюминиевую банку с пивом, приходится приставлять её вплотную к стволу гауссовки. Поэтому я попытался взять максимально короткий снаряд, сохраняющий приемлемый КПД, и получить максимальную скорость. Забегая вперёд, скажу, что задачу стабилизации снаряда в полёте полностью решить так и не удалось, хотя область, в которой пуля сохраняет устойчивость, расширилась. - Разработка оптимальной конструкции электронной части для Gauss
Gun.
Многие гауссостроители стараются делать управляющую часть электромагнитного метателя как можно более простой, при этом часто ограничиваются даже замыканием управляющего электрода тиристора с помощью тумблера или упомянутой выше зарядкой от сетевого напряжения через диодный мост и резистор. С точки зрения надёжности и безопасности конструкции это не самый лучший подход, не говоря уже о повторяемости результатов экспериментов и т.д. Поэтому я разработал электронную часть, обеспечивающую простое и удобное «холодное» управление выстрелом (т.е. без контакта непосредственно с силовой частью метателя), а также зарядку силовых конденсаторов, их автоматический разряд в момент выключения установки, плавный пуск устройства и т.д.. Достоинством этой схемы является также и то, что она (не считая силовых элементов) размещена на одной плате.2. Электрическая схема ЕМ-1.
приведена полная электрическая схема ЕМ-1. Ниже более подробно описаны её составные части и их функционирование.2.1. Источник питания.
В качестве источника питания для ЕМ-1 я использовал батарею из шести последовательно соединённых аккумуляторов типа АА (общее номинальное напряжение 7,2 В), размещённых в специальном батарейном боксе (см. рис. 2). Потребляемый схемой ток невелик (менее 1 А), поэтому не возникает проблемы, связанной с сопротивлением контактов, их окислением и т.д. Это также позволило использовать самые обычные дешёвые аккумуляторные банки всего на 600 мА·ч.
Рис. 2. Источник питания ЕМ-1. Батарейный бокс на 6 аккумуляторов и два Ni-Cd аккумулятора на 600 мА·ч2.2. Схема включения и генерации временных задержек.
Часть схемы ЕМ-1, обеспечивающая подачу питания на управляющую логику и силовой контур, а также генерацию разрешающих сигналов и временных задержек, показана на рис. 2.Тумблер S1 обеспечивает подачу положительного напряжения от батареи питания на затвор полевого транзистора. При этом потенциал на затворе растёт с постоянной времени, равной 2,2 мкФ* 76К ≈ 0,17 сек, и так же плавно происходит подача питания на весь контур. Когда потенциал затвора достигает приблизительно половины от напряжения питания, на выходе элемента DD1.1 появляется низкий уровень, а на выходе DD1.2 с задержкой около 0,7*2,2 мкФ*1М ≈ 1,5 сек – высокий уровень (сигнал А), разрешающий работу всей управляющей логики. Такая схема позволила решить сразу две проблемы: избавиться от всякого рода нежелательных всплесков при включении/выключении схемы (как показывает практика, это самый чувствительный момент в работе таких цепей, здесь они часто ведут себя совершенно непредсказуемо), и обеспечить плавную зарядку высокоёмкостного конденсатора, включённого для сглаживания пульсаций от работы импульсного преобразователя напряжения (см. ниже). Последняя проблема может быть решена также включением терморезисторов, меняющих своё сопротивление в зависимости от температуры (т.е. силы протекающего тока), но такие элементы инерционны и не работают при частых включениях/выключениях.
Вообще, включение подобных элементов в цепь питания очень желательно: в сетевых источниках питания они предотвращают перегрев выпрямительных диодов в начальный момент, когда заряжаются электролитические конденсаторы низковольтной части, а в данном случае предотвращается всплеск тока, очень вредный для аккумуляторных батарей.
При отключении схемы (S1 заземляется) полевик быстро (с постоянной времени 2,2 мс) закрывается, сигнал разрешения выключается, а на выходе элемента DD1.4 генерируется сигнал сброса длительностью 140 мкс, который открывает тиристор автосброса и разряжает основные конденсаторы (см. раздел 2.6).
Здесь ещё следует заметить, что сопротивление выбранного полевого транзистора в открытом состоянии (6-7 В на затворе) ничтожно, и при тех уровнях потребляемого тока, которые имеют место, оно никак не влияет на работу схемы (т.е. падение напряжение на ключе очень мало).
Рис.3. Схема подачи питания и генерации временных задержек.В принципе, для работы микросхем, которые используются для управления ЕМ-1, напряжения шести последовательно соединённых аккумуляторов вполне достаточно. Однако, чтобы управлять затвором мощного полевого транзистора импульсного преобразователя (см. ниже), необходимо, по меньшей мере, 10 В. Я выбрал 15 В, т.к. при таком напряжении одновременно хорошо функционирует таймер NE555, и надёжно управляется полевой ключ (см. ниже).
Для получения такого напряжения из напряжения аккумуляторной батареи, используется специальная ИС КР1156ЕУ1 (отечественный аналог импортной LM78S40). Она содержит встроенный генератор, компаратор, ключ на ток до 1 А, диод, источник опорного напряжения и даже операционный усилитель! Схема включения этой ИС приведена на рис. 4. Резистор 0,39 Ом служит для токоограничения, ёмкость 750 пФ задаёт частоту преобразования, дроссель 470 мкГн накапливает энергию, а делитель устанавливает значение выходного напряжения. Ёмкости 2,2 мкФ и 1,5 мкФ предотвращают помехи по цепи питания и опорного напряжения. ОУ здесь включён как компаратор для контроля напряжения на силовых конденсаторах (вход F на рисунке), его выход используется для разрешения выстрела (сигнал С) и индикации состояния готовности (с помощью светодиода VD 3).
Рис.4. Схема включения ИС КР1156ЕУ1.Таким образом, ИС КР 1156ЕУ1 выполняет сразу две функции: компаратора, следящего за напряжением на основных силовых конденсаторах, и маломощного импульсного преобразователя. Последнее особенно удобно, т.к. делает напряжение на управляющей части ЕМ-1 независимым от напряжения аккумуляторной батареи (как показала практика, напряжение на аккумуляторах может сильно меняться: от 8,4 В при свежезаряженных банках до 5,5 В при почти разряженных).
2.4. Импульсный преобразователь 7,2 В – 600 В.
Источником энергии при выстреле в ЕМ-1 служат 4 конденсатора 300 В, 800 мкФ в виде двух последовательно соединённых батарей, каждая из двух конденсаторов. То есть суммарное напряжение на батарее силовых конденсаторов составляет 600 В. Чтобы получить такое напряжение, я использовал достаточно стандартное решение в виде импульсного обратноходового преобразователя. Тех, кто интересуется физическими основами работы этого устройства, могу отослать, например, на http://www.coilgun.com/ . Там подробно описаны протекающие в преобразователе процессы. Здесь же я лишь ограничусь описанием схемы преобразователя.
Основным элементом преобразователя (рис. 5) является мощный полевой транзистор VT3. Входная ёмкость этого транзистора довольно велика (10 нФ), поэтому для управления им от таймера NE555 применён комплементарный каскад на транзисторах VT1 и VT2. Резисторы 1 Ом служат для ограничения сквозного тока через каскад в момент переключения. Таймер управляется компаратором DA2. Два элемента этого компаратора включены по схеме «монтажное ИЛИ»: при наличии низкого уровня на линии А (питание схемы отключено, см. рис. 3) или высокого уровня на линии Е (силовые конденсаторы заряжены до номинального напряжения) выводы 2 и 6 таймера заземляются, и на его выходе устанавливается высокий уровень, при этом работа преобразователя останавливается.
В качестве сердечника трансформатора Т1 используется феррит из телевизионного трансформатора строчной развёртки. Параметры обмоток: первичная – 110 витков провода 0,5 мм, вторичная – 950 витков провода 0,1 мм. Полученный КПД зарядного процесса составил около 65% - неплохо для такой любительской конструкции. Замечу, что большего КПД я сейчас достигаю, используя чашечные сердечники – они меньше по габаритам и создают меньшую индуктивность рассеяния.
Первичная обмотка трансформатора зашунтирована электролитическим конденсатором большой ёмкости, чтобы сгладить пульсации напряжения, вызываемые работой преобразователя.
Рис. 5. Схема импульсного преобразователя 7,2 В – 600 В для зарядки силовых конденсаторных батарей.2.5. Схема выстрела.
Это самая ответственная часть Gauss Gun, т.к. она непосредственно включает в себя силовой контур (силовые конденсаторы, ускоряющую катушку и коммутирующий элемент). Главные требования к силовой части – способность выдерживать мощные импульсные нагрузки, возникающие при выстреле, и высокая помехоустойчивость (отсутствие ложных срабатываний).
Схема выстрела изображена на рис. 6. В качестве коммутирующего элемента используется тиристор Т142-50-14, способный выдерживать в импульсе напряжение 1400 В, и постоянное напряжение 840 В. Ударный ток, протекающий через этот тиристор в течение 1 мс, может составлять до 1400 А. Таким образом, он подходит для использования в качестве коммутирующего элемента в силовой части ЕМ-1, где нагрузка по напряжению составляет 600 В, а по току – до 1000 А в импульсе.
Тиристор управляется специальной схемой на логическом элементе DD2, которая при нажатии кнопки S2 генерирует на выходе импульс отрицательной полярности длительностью около 140 мкс. Это происходит только в том случае, если присутствуют уровни логической единицы на входах С (разрешение выстрела по напряжению на силовых конденсаторах) и А (разрешение по питанию всей схемы), что придаёт схеме дополнительную помехоустойчивость. В качестве элемента, непосредственно открывающего тиристор, использован полевой транзистор VT4, который управляется от логической схемы с помощью одного из элементов компаратора DA2.
Диод VD4 при выстреле препятствует перезарядке силовых конденсаторов в обратной полярности.
Рис. 6. Схема выстрела ЕМ-1.2.6. Схема автоматического сброса напряжения.
Этот контур я ввёл в схему ЕМ-1 исключительно в целях безопасности. Он осуществляет сброс остаточного напряжения на силовых конденсаторах после каждого включения тумблера питания S1 (см. рис. 1) в положение “выкл.”.
Сброс напряжения осуществляется с помощью схемы, изображённой на рис. 7. При поступлении сигнала B на вход четвёртого элемента компаратора DA2 на его выходе генерируется импульс, который через транзистор VT5 открывает тиристор T2. Длительность импульса составляет 140 мкс (см. раздел 2.2). Разряд силовых конденсаторов происходит через мощные резисторы Rs. Затем тиристор самопроизвольно закрывается и не препятствует процессу зарядки конденсаторов при новом включении схемы.
Рис. 7. Схема автосброса напряжения.3. Общие характеристики ЕМ-1.
В этом разделе я кратко опишу параметры готового устройства.
Сначала пара фоток:
Рис. 8. ЕМ-1 на этапе сборки. Видны батарея силовых конденсаторов, аккумуляторный бокс, силовой и сбросовый тиристоры, мощные резисторы схемы автосброса и ускоряющая катушка. Сзади к катушке прикреплён постоянный магнит, удерживающий снаряд перед выстрелом.
Рис. 9. Готовое устройство. Здесь видна управляющая плата, трансформатор и диод импульсного преобразователя. Можно видеть также кнопку выстрела S2.Как видно, схема получилась сравнительно компактная, хотя я и не старался уменьшить её размеры. Габариты ЕМ-1 25 х 12 х 13 см, что позволяет без проблем положить её в небольшую сумку. Масса 1,5 кг.
Снарядами для ЕМ-1 служат отпиленные острия гвоздей диаметром 6 мм (см. рис. 10). Длина таких пулек составляет 30 мм, масса – 5,4 г. Их легко изготовить при помощи ножовки по металлу и напильника.
Рис. 10. Метательные снаряды для ЕМ-1.При выстреле из ЕМ-1 эти пульки получают начальную скорость 24 м/с, что в сочетании с заострённой формой и сравнительно большой массой позволяет, например, легко пробить пластмассовую бутыль с водой (см. раздел 4). Алюминиевую банку с водой или пивом такая пуля пробивает навылет.
Здесь, однако, возникает проблема, связанная с устойчивостью пули в полёте. Люди, которые пробовали изготавливать подобные устройства, наверняка сталкивались с этой проблемой. По мнению Gordon"а, неустойчивость связана с импульсом отдачи при выстреле, который подбрасывает пулю вверх при выходе из ствола. Выходом из положения может стать повышение скорости пули и уменьшение её массы.
В ЕМ-1 ствол с ускоряющей катушкой дополнительно закреплён на корпусе с помощью эпоксидной смолы, а скорость пули сравнительно велика, что позволило увеличить дистанцию уверенной стрельбы до ~1 м.
- В заключение приведу общие характеристики ЕМ-1:
- Масса – 1,5 кг;
- Габариты - 25 х 12 х 13;
- Напряжение на конденсаторной батарее – 600 В;
- Ёмкость конденсаторной батареи – 800 мкФ;
- Запасаемая энергия – 144 Дж;
- Калибр – 6 мм;
- Энергия снаряда – 1,5 Дж;
- Скорость снаряда - 24 м/с;
- Масса снаряда – 5,4 г;
- Напряжение питания – 7,2 В (6х1,2 В);
- Средний потребляемый ток при зарядке батареи – 930 мА;
- Потребляемый ток в холостом режиме (при заряженной батарее) – 80 мА;
- Среднее время зарядки конденсаторной батареи – 35 сек.
Это, пожалуй, всё, что можно рассказать об этой игрушке. С практической точки зрения устройство, конечно, абсолютно бесполезное, но очень забавное. Кроме того, такие штуки сами по себе являются неплохим пособием по электронике и схемотехнике – работая с ними, узнаёшь много нового из этих областей.
4. Фото и видео.
В этом разделе помещены некоторые фотографии и видеоролики с ЕМ-1 в главной роли.
- ЕМ-1 пробивает пластмассовую бутыль с водой, снаряд остаётся внутри
Гаусс-Ган достаточно распространенное устройство среди радиолюбителей. Устройство Гаусс-пушки достаточно простое. Пушка состоит из нескольких частей:
1) Источник питания
2) Преобразователь напряжения
3) Электромагнитная катушка
Это основные части устройства, которое широко известно под названием электромагнитный ускоритель масс Гаусса. Основные части устройства не критичны, все зависит от фантазии авторов. Основа работы тоже достаточно проста. Преобразователь напряжения повышает начальное напряжение источника питания до уровня 300-450 вольт, далее это напряжение выпрямляется и накапливается в электролитических конденсаторах. От емкости конденсаторов зависит мощность самой пушки. В момент пуска, весь потенциал конденсатора (часто используется блок из нескольких конденсаторов) подается на катушку, в последствии чего она превращается в мощный электромагнит и выталкивает железную массу. Принцип работы Гаусс-пушки в чем то схож с принципом работы реле, только тут питание подается на катушку кратковременно.
Мы сегодня рассмотрим конструкцию достаточно простого ускорителя масс достаточно высокой мощности. Устройство предназначено только для демонстрации принципа работы, просим соблюдать все меры по безопасности, поскольку такого рода устройства достаточно опасны по нескольким причинам.
Во-первых, на конденсаторах образуется высокое напряжение, а поскольку емкость конденсаторов большая, то есть опасность для жизни.
Во-вторых, ударная сила массы достаточно велика, поэтому не направляйте на людей и соблюдайте некоторую дистанцию от пушки.
В качестве преобразователя напряжения была выбрана однотактная схема на популярном таймере серии 555. Таймер работает в режиме генератора прямоугольных импульсов. Как известно, микросхема не содержит в себе дополнительного усилителя, поэтому было бы хорошо использовать дополнительный драйвер на выходе микросхемы, но как показала практика, драйвер тут не нужен, поскольку выходное напряжение более, чем достаточно для срабатывания транзистора, а ток на выходе микросхемы порядка 200мА. Таким образом, даже без дополнительного драйвера микросхема не перегружается, все работает отлично. Полевой транзистор - выбор не критичен, можно использовать любые транзисторы с током от 40 А, в моем случае использован IRFZ44, как дешевый и достаточно надежный вариант. В этой схеме не нужен фильтр гашения обратного тока - еще один плюс схемы.
Мощность схемы напрямую зависит от источника питания, от аккумулятора бесеребойника схема развивает порядка 45-60ватт, потребление при этом составляет 7,5-8 А.
С таким питанием очень сильно греется транзистор, но не стоит использовать громадные теплоотводы, поскольку устройство предназначено для кратковременной работы, и перегрев будет не очень уж и страшным.
В моем случае преобразователь собран на компактной макетной плате, монтаж двухсторонний. Мощность резисторов можно 0,125ватт.
Трансформатор
Намотка импульсного трансформатора самая ответственная часть, но тут ничего сложного нет, поскольку мы мотаем не высоковольтный трансформатор и опасности пробоя во вторичной обмотке тут нет, следовательно, требования к качестве намотки не очень уж и суровые.
Сердечник был использован от ЭПРА (балласт ЛДС на 60 ватт). На каркасе сначала была намотана первичная обмотка, которая состоит из 7 витков провода 1 мм (желательно мотать сразу двумя жилами провода 0,5мм).
После намотки первичной обмотки ее нужно изолировать. В качестве изоляции я почти всегда использую прозрачный скотч.
Вторичная обмотка мотается поверх первичной, состоит из 120 витков провода с диаметром 0,2-0,3 мм. Через каждые 40-50 витков желательно ставить изоляции тем же скотчем.
Такой преобразователь заряжает емкость в 1000 мкФ всего за одну секунду!
После того, как у нас есть готовый преобразователь напряжения 12-400 Вольт, можно идти дальше. В качестве выпрямителя можно использовать мост из импульсных диодов с током не менее 1 Ампер. Диоды FR207 или FR107 отлично подходят для наших целей.
Конденсаторы были выпаяны от старых компьютерных блоков питания (такие конденсаторы стоят достаточно дорого, поэтому проще найти старые блоки питания). Всего использовано 6 конденсаторов 200Вольт/470мкФ.
Соленоид намотан на трубке от шариковой ручки. Для намотки использовался провод с диаметром 1 мм, число витков 45.
Намотка делается слоями (мотать в навал не желательно).
В качестве снаряда подойдут любые железные предметы, которые будут свободно входить в трубку. Длина трубки (каркаса) 15см (можно использовать трубки с длиной 10-25 см)
Пушка уже почти готова, остается только собрать схему пускового механизма. На сей раз был использован тиристор серии КУ 202М(Н). Пуск схемы осуществляется отдельной пальчиковой батарейкой, при помощи которой подается питание на управляющий вывод тиристора, в следствии чего, последний срабатывает и емкость конденсаторов подается на соленоид.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 555 | Программируемый таймер и осциллятор | NE555 | 1 | В блокнот | ||
| T1 | MOSFET-транзистор | IRFZ44 | 1 | В блокнот | ||
| VD1 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | ||
| Выпрямительный диод | FR207 | 4 | FR107 | В блокнот | ||
| VS1 | Тиристор & Симистор | КУ202М | 1 | В блокнот | ||
| C1 | Конденсатор | 10 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C2 | Конденсатор | 3.9 нФ | 1 | В блокнот | ||
| C3-C8 | Электролитический конденсатор | 470мкФ 200В | 6 | В блокнот | ||
| R1, R2 | Резистор |
Современные артиллерийские пушки представляют собой сплав новейших технологий, ювелирной точности поражения и возросшей мощности боеприпасов. И все же, несмотря на колоссальный прогресс, пушки XXI века стреляют также, как и их прабабушки — используя энергию пороховых газов.
Поколебать монополию пороха смогло электричество. Идея создания электромагнитной пушки зародилась практически одновременно в России и Франции в разгар Первой мировой войны. В ее основу легли труды немецкого исследователя Йоганна Карла Фридриха Гаусса, который разработал теорию электромагнетизма, воплотившуюся в необычное устройство — электромагнитную пушку.
Опережая время
Идея создания электромагнитной пушки намного опередила свое время. Тогда в начале минувшего века все ограничилось опытными образцами, показавшими к тому же очень скромные результаты. Так французская модель едва сумела разогнать 50 граммовый снаряд до скорости 200 м/сек, что ни шло ни в какое сравнение с действующими на тот момент обычными артиллерийскими системами. Ее российский аналог – магнитно-фугальная пушка и вовсе осталась в чертежах. И все же главный итог – воплощение идеи в реальное «железо», а подлинный успех был вопросом времени.
Гаусс-пушка
Разработанная немецким ученым пушка Гаусса представляет собой разновидность электромагнитного ускорителя масс. Пушка состоит из соленоида (катушки) с расположенным внутри него стволом из диэлектрического материала. Она заряжается снарядом из ферромагнетика. Чтобы заставить снаряд двигаться, на катушку подается электрический ток, создающий магнитное поле, благодаря которому снаряд втягивается в соленоид. Скорость снаряда тем быстрее, чем мощнее и короче генерированный импульс.
Принцип действия Гаусс-пушки
Преимущества электромагнитной пушки Гаусса по сравнению с другими видами оружия — возможность гибко варьировать начальную скорость и энергию снаряда, а также бесшумность выстрела. Есть и недостаток — низкий КПД, составляющий не более 27 % и связанные с этим крупные затраты энергии. Поэтому в наше время пушка Гаусса имеет перспективы скорее в качестве любительской установки. Однако, идея может получить вторую жизнь в случае изобретения новых компактных и сверхмощных источников тока.
Рельсовая электромагнитная пушка
Рельсотрон – еще один вид электромагнитной пушки. В состав рельсотрона входят источник питания, коммутационная аппаратура и два электропроводящих рельса от 1 до 5 метров, которые одновременно являются электродами, расположенными друг от друга на расстоянии 1 см. В нем энергия электромагнитного поля взаимодействует с энергией плазмы, которая образуется в результате сгорания специальной вставки в момент подачи высокого напряжения.
Принцип действия рельсотрона
Порох на большее не способен
Конечно, рано говорить о том, что время традиционных боеприпасов безвозвратно ушло в прошлое. Однако по оценкам экспертов они достигли своего предела. Скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек. Для войн будущего этого явно недостаточно.Рельсовые пушки – больше не фантазия
В США полным ходом идут лабораторные испытания 475-мм рельсотрона, разработанного компаниями General Atomics и BAE Systems. Первые залпы чудо-оружия показали обнадеживающие результаты. 23-кг снаряд вылетал из ствола со скоростью, превышающей 2200 м/сек, что позволит в дальнейшем поражать цели на расстоянии до 160 км. Невероятная кинетическая энергия поражающих элементов электромагнитных орудий делает ненужными метательные заряды, а значит повышается живучесть расчетов. После доводки опытного образца рельсотрон установят на скоростной корабль JHSV Millinocket. Примерно через 5-8 лет US NAVY начнут планомерно оснащаться рельсовыми пушками.
Наш ответ
В нашей стране об электромагнитных пушках вспомнили в 50-е годы, когда началась безумная гонка по созданию очередного сверхоружия. До сих пор эти работы строго засекречены. Советским проектом руководил выдающийся физик академик Л. А. Арцимович, многие годы занимавшийся проблемами плазмы. Именно он заменил громоздкое название «электродинамический ускоритель массы» на всем известное сегодня — «рельсотрон».
В России и сейчас ведутся подобные разработки. Свое видение рельсотрона недавно продемонстрировал коллектив одного из филиалов Объединенного института высоких температур РАН. Для разгона заряда был разработан электромагнитный ускоритель. Пулю весом в несколько грамм здесь удалось разогнать до скорости около 6,3 км/сек.
