Расчет пушки гаусса. Простая гаусс пушка
Введение
В интернете есть несколько маньяков, изготавливающих пушку Гаусса -- это электромагнитная пушка, стреляющая железными снарядами. Принцип её действия следующий: железо (гвоздь) притягивается магнитом, поэтому, если сделать очень мощный электромагнит (катушку), то при его включении гвоздь с большой скоростью втянется внутрь, но если в этот самый момент его успеть выключить, то гвоздь полетит по инерции дальше. Я не пробовал делать пушку Гаусса сам -- нет на это времени, да и детали нужны не самые дешевые. Описанные в интернете проекты пушки имеют энергоёмкость до 3000 Дж. Это примерно энергия пули от Калаша. Но всё не так хорошо. Энергоёмкость эту считают исходя из ёмкости конденсаторов по формуле E=CV 2 /2. КПД же существующих установок порядка 1%, потому реально энергия снаряда хорошо если дотянет до 100 Дж. А установки, которые нетренированный человек может держать в руке, имеют энергию снаряда 1-3 Дж, что годится только стрелять по аллюминиевым банкам и пластиковым бутылкам. Хотя выглядят внешне, конечно, потрясающе.Конструкция большинства пушек следующая: высоковольтный инвертор, конденсатор, катушка, ключ (тиристор, разрядник и т.п), диод параллельно катушке. Авторы описывают работу установки с электрической точки зрения так:
1. Конденсатор заряжается до высокого напряжения.
2. Включается ключ.
3. Конденсатор разряжается через катушку.
4. Из-за индуктивности ток продолжает течь, но уже через диод. Если бы диода не было, система работала бы как колебательный контур: этот ток зарядил бы конденсатор напряжением противоположной полярности, и эти колебания туда-сюда происходили бы до иссякания энергии в системе.
5. Непотраченная на ускорение снаряда энергия рассеивается на сопротивлении катушки и диода.
При этом система рассчитывается так, чтобы к моменту подлёта снаряда к середине катушки конденсатор полностью разрядился.
Физика ускорения снаряда
Падение напряжения на катушке, согласно школьной формуле, являетcя производной магнитного потока по времени: U=dФ/dt. Магнитный поток определяется как произведение индуктивности на ток: Ф = LI. Отсюда, для нормальной катушки: U=L*(dI/dt). Но у нас катушка ненормальная -- в ней есть сердечник, который, надо сказать, меняет её индуктивность при движении. Поэтому, в нашем случае формула другая: U=(∂L/∂x)*(dx/dt)*I+L*(dI/dt). Здесь ∂L/∂x -- это изменение индуктивности из-за смещения сердечника, а dx/dt - скорость, с которой сердечник движется.Таким образом, подвижный сердечник с электрической точки зрения выглядит как активное сопротивление величины (∂L/∂x)*(dx/dt), а снаряд ускоряется с силой F=(∂L/∂x)*I 2 . Кстати, это активное сопротивление пропорционально скорости снаряда. Понятно, что КПД будет низким, если это сопротивление будет меньше сопротивления самой катушки. Отсюда очень известный, но важный вывод: пока скорость снаряда низка, разгон идет неэффективно . Однако, когда снаряд начинает выходить из катушки, индуктивность последней снижается и сопротивление становится отрицательным. Знак силы меняется, и снаряд тормозится, вырабатывая энергию в катушке.
Идеальный Гаусс-ган
Рассмотрим сверхпроводящую катушку, в которую изначально запустили ток I 1 , вкачав энергию E 1 . Сразу очень важное замечание: В идеальном гаусс-гане энергия запасается в самой катушке, а отнюдь не в конденсаторе , роль которого -- подать ток в катушку или забрать его назад (об этом позже). После того, как катушку накачали, её следует закоротить. В этом случае, напряжение на катушке равно нулю, т.е. не меняется со временем, а значит, сохраняется магнитный поток. Тогда закон сохранения энергии запишется следующим образом:Ф 2 /(2L) + m(dx/dt) 2 /2 = E 1 = const,
Ф = const.
Если при этом индуктивность катушки без сердечника равна L 1 , а с сердечником L 2 , то Ф=L 1 I 1 , и когда сердечник достигнет середины катушки, то ток в ней будет: I 2 =(L 1 /L 2)*I 1 , остаточная энергия катушки E 2 = E 1 *(L1/L2), а кинетическая энергия сердечника: m(dx/dt) 2 /2 = E 1 *(1 - L 1 /L 2). Итак, вывод первый: Чем больше L 2 /L 1 , т.е. чем сильнее сердечник меняет индуктивность, тем большая часть энергии уйдёт на полезное дело.
Как же быть? Да «всего-то» надо убрать из катушки магнитный поток в подходящий момент, т.е.: как только сердечник долетит до середины, надо сразу выключить ток . Проблема здесь в том, что ток в катушке остановить так просто нельзя -- он запасает энергию, которую надо куда-то откачать. Если просто разомкнуть цепь -- этот запас весь выделится на ключе, создав мгновенный всплеск напряжения. Оставлять катушку замкнутой тоже нельзя -- снаряд снова затормозит, вернув энергию в катушку. Кстати, ещё один несущественный эффект заключается в том, что у снаряда есть остаточная намагниченность, поэтому, даже если весь ток в катушке иссяк, но она не разомкнута, намагниченный снаряд при движении может снова раскачать ток.
Один из способов остановить ток в катушке -- закачать его в конденсатор . Потом его можно даже использовать для второй ступени. Если основной накопительный конденсатор полярный, то нужен второй конденсатор. Из расчетов легко показать, что ёмкость этого конденсатора может быть в L 2 /L 1 раз меньше при том же расчетном напряжении. Хотя здесь есть засада: если пушка сработает без снаряда, то конденсатор может перезарядиться и выйти из строя. С другой стороны, конденсатор большой ёмкости может заряжаться слишком медленно. Как будет показано ниже, для идеального гаусс гана ёмкость конденсаторов должна быть как можно меньше , что можно компенсировать повышением напряжения, сохранив ту же энергоемность. Но вообще, как будет показано ниже, для реальных гаусс-ганов ситуация не совсем такая.
Итак, получилась схема (для простоты конденсатор неполярный):
1. Заряжаем конденсатор
2. Подключаем конденсатор к катушке и очень быстро накачиваем в неё ток, пока снаряд ещё в покое.
3. Разрядив ёмкость, тут же замыкаем катушку накоротко.
4. Ждём, пока снаряд долетит до середины.
5. Размыкаем закоротку, чтобы закачать остаток эрегии в конденсатор (полярность заряда будет уже противоположной). Это тоже надо сделать быстро, пока снаряд не затормозился.
6. Как только ток прекратится, отключаем конденсатор.
Проблемы создания идеального гаусс-гана
А теперь вернемся в реальность, и запишем формулы для оценки возможностей :T r =0.35*L 1 /R -- время, за которое половина энергии катушки рассеется на её сопротивлении.
T + =1.57*(L 1 C 1) -- время, за которое разрядится конденсатор
T - =1.57*(L 2 C 2) -- время, за которое излишек энергии катушки уйдёт в конденсатор.
За T m обозначим характерное время, за которое ускоряется сердечник.
Тогда, для эффективной работы необходимы условия:
T r >> T m
T + << T m
T - << T m
Значок >> означает «намного больше».
На практике наиболее важным является именно первое ограничение. Наибольшее значение имеет величина L/R . Индуктивность катушки в начале процесса должна быть достаточно большой для того, чтобы ток в ней не затух раньше времени. Например, если мы хотим, чтобы половина энергии рассеялась не ранее 1/10 секунды, то отношение L/R должно составлять не менее 300 мкГн/мОм. В катушках любительских гаусс-ганов, как правило, характерное время рассеяния энергии составляет порядка миллисекунды, что никуда не годится. Путь решения проблемы: увеличивать число витков -- индуктивность с числом витков растёт быстрее сопротивления. Гнаться за низким сопротивлением посредством утолщения проводов при этом не обязательно -- вместо этого можно повысить рабочее напряжение. Но всё равно, увеличение T r неизбежно связано с увеличением габаритов и массы катушки, и существенно повысить эту величину едва ли возможно. Можно пожертвовать отношением L 2 /L 1 , увеличив L 1 . Для этого любители окружают катушку магнитопроводящим материалом с высокой магнитной проницаемостью, в том числе и используя сердечник в виде толстой трубы (т.е. с каналом для снаряда посередине). Это полезно, если повышается L 2 или градиент ∂L/∂x становится более крутым. Но есть и способ проще. L 1 можно повысить, включив последовательно с ускоряющей катушкой нормальную низкоомную индуктивность -- например, низкоомный дроссель с кольцевым сердечником с большой магнитной проницаемостью. Последняя будет аккумулятором энергии. Главное преимущество индуктивности как аккумулятора энергии -- быстрое нарастание тока в нагрузке. Третий способ увеличения индуктивности -- поиск оптимальной точки старта. Ведь по мере входа сердечника индуктивность тоже возрастает, без всякого дросселя. При L 2 /L 1 =2, например, у нас ещё есть возможность закачать в снаряд 50% энергии, а это для гаусса очень неплохо. Более того, величина L 2 /L 1 имеет меньшую важность, если использовать многоступенчатую схему с рекуперацией энергии. Ведь тогда не страшно, что не вся энергия ушла на ускорение -- излишек будет перекачен в следующую катушку. Кстати, в этом случае уже и не так важно закачать катушку током как можно быстрее. Для одноступенчатой схемы тоже может быть полезно знать положение, когда сила максимальна. Это примерно тот момент, когда сердечник только-только зашёл в катушку. Положение это, кстати, можно найти на ощупь -- подав ток, плавно вдвигать сердечник и следить за усилием. Можно, держа подключенную катушку с сердечником внутри на весу, постепенно уменьшать ток, пока сердечник не вывалится. Положение, при котором он вывалится, и будет искомым. Есть ещё способ вычислить силу через зависимость индуктивности от положения, взяв производную.
Второе и третье условия показывают, что ёмкость конденсаторов должна быть достаточно низкой, чтобы успеть быстро разрядиться/зарядиться . Гнаться за большими микрофарадами опять же не надо, лучше увеличить напряжение. Но, на самом деле, эти условия имеют важность только для одноступенчатого гаусса, или когда нет рекуперации энергии.
Использовать ключи, рассчитанные и на большое напряжение, и на большой ток одновременно тоже не обязательно . Может оказаться полезной такая штука, как трансформатор.
Режим работы T r << T +
Идеальный гаусс-ган -- это хорошо, но пока существующие любительские гаусс-ганы работают в условиях, противоположных идеальным. Если T r << T + , то система больше не будет работать как колебательный контур. Вместо этого, ток сначала вырастет до максимального, затем затухнет, и всё. Никакого индуктивного тока быть не должно .Для этого режима характерны другие величины:
T С =0.35*RC -- время, за которое рассеется половина энергии
T L =T r *Ln -- время, за которое ток вырастет до максимального.
Как видно, пригодилась величина T r =0.35*L/R, которая сама по себе уже не интересна.
Казалось бы, при работе в таком режиме защитный диод не нужен. Но не всё так просто. Дело в том, что со временем ситуация может измениться. Во-первых, по мере втягивания сердечника индуктивность катушки возрастает, и при больших L 2 /L 1 режим работы контура может снова стать колебательным. Если же замкнуть контур, что и делает диод, то ток рассеется за характерное время T r . Однако, засада в том, что когда сердечник полетит ещё дальше, он начнёт вырабатывать в катушке напряжение обратной полярности, а активное сопротивление катушки уменьшится до R s =R-(∂L/∂x)*(dx/dt). При этом ток рассеиваться будет уже медленнее. Но если R s < 0, то ток не только не будет рассеиваться, но будет, наоборот, возрастать.
Итак, во-первых, замыкать катушку не нужно, если T С << T m , всё равно толку не будет, да и диод тогда не нужен. Во-вторых, если R s < 0, то катушку надо разрядить . Разряжать катушку через диод в этом случае неразумно. Если ток в катушке I 2 при этом небольшой, то можно замкнуть катушку на демпфирующий резистор R d >> R, тогда напряжение на катушке не подскочит выше I 2 *R d . Если же ток ещё значительный, то придётся использовать демпфирующий конденсатор, как было описано выше.
И самое главное. Активное сопротивление при ускорении снаряда пропорционально ∂L/∂x. Это означает, что именно на окрестность точки, где ∂L/∂x максимально (там же где максимальна сила при постоянном токе), должна быть нацелена основная энергия импульса тока . При малых T C , снаряд выгодно запускать именно с этой точки.
Вот, собственно и всё, что хотел донести. Есть еще соображения по поводу более оптимальной конструкции катушек, но их еще надо проверить расчетами.
Для построения пушки гаусса с хорошими характеристиками, помимо чисто конструкторской работы, приходится проделывать достаточно сложные расчеты. Это связано с тем, что время действия на снаряд ускоряющего импульса магнитного поля должно быть строго согласовано с длительностью нахождения снаряда внутри катушки - в противном случае КПД ускорения будет очень мал, а иногда снаряд вообще может полететь в обратную сторону.
Такие расчеты могут быть выполнены "на глазок", с использованием лишь базовых уравнений теории цепей. Подобный подход до сих практикуют многие гауссостроители (см. например ). Но в последние годы появились методы расчета с использованием программ математического моделирования, наиболее распространенной из которых является FEMM (от англ. Finite Element Method Magnetics). Вот сайт разработчиков этого пакета.
FEMM использует для моделирования принцип так называемых "конечных элементов". Суть его довольно проста - пространство задачи разбивается на множество мельчайших областей, в пределах которых анализируемые величины (в данном случае - магнитное поле) аппроксимируются простыми функциями (в простейшем случае - полиномом первой степени). Затем для каждой из этих областей решается базовая система уравнений с учетом условий на границе. Подобный принцип используется большим количеством других программ, моделирующих самые различные процессы (например, для решения задач теплофизики широко применяется пакет COMSOL ).
Полные мануалы по работе с FEMM, а также основы работы этой программы можно посмотреть - к сожалению, только на английском языке. лежит сокращенное русскоязычное описание FEMM. Хорошая русскоязычная инструкция по расчету гауссов при помощи FEMM содержится также на форуме Оружие будущего . На самом деле, ничего сложного там нет, и при желании каждый сможет разобраться. Для любого гауссостроителя это маст.
Поскольку в случае гаусс-гана мы решаем динамическую задачу, нам надо провести многократный расчет сил и полей, действующих в системе по мере движения ускоряемого тела, при этом каждый раз необходимо задать геометрию системы, граничные и начальные условия. Для облегчения этой задачи используются скрипты на языке Lua. В свое время на форуме Арсенала коллективом авторов (при моем скромном участии) была проделана большая работа по разработке такого скрипта, адаптированного под наш специфический случай. В результате были написаны и выложены в общий доступ несколько скриптов, описывающих различные конфигурации койлганов (на тиристоре, на транзисторе, с полым снарядом, многоступенчатый и т.д.). В той же ветке затем появились еще и скрипты, позволяющие автоматически перебирать параметры ускорителя (например, диаметр катушки или начальное положение снаряда) для достижения наилучшего результата. Еще несколько более экзотических конфигураций описаны на сайте Петровича .
Загрузочный файл Excel для симулятора FEMM 4.2 (слева) и скрин процедуры расчета (справа).
Данную страничку я решил посвятить результатам моделирования в FEMM различных конфигураций койлганов. За несколько лет у меня накопилось множество подобных расчетов, которые, как я надеюсь, будут полезны гауссостроителям.
Для каждой обсчитанной конфигурации гауссовки я старался приводить скрипты, при помощи которых проведены расчеты, а также словесные обобщения, которые помогают лучше понять суть полученных результатов.
С Уважением, Ваш .
Перед тем, как начать делать магнитный ускоритель масс, было бы очень неплохо хотя бы примерно рассчитать его основные параметры и характеристики, на которые можно рассчитывать собрав его.
Как правило, основой для начала конструирования гаусс гана являются имеющиеся в наличии конденсаторы, параметры которых, в сущности, и определяют параметры будущей магнитной пушки.
С этого и начнем. Всякий электрический конденсатор характеризуется электрической емкостью и максимальным напряжением, до которого его можно заряжать. Кроме того, конденсаторы бывают полярные и неполярные – практически все конденсаторы большой емкости, используемые в магнитных ускорителях, электролитические и являются полярными. Т.е. очень важно правильное его подключение – положительный заряд подаем к выводу “+”, а отрицательный к “-”. Алюминиевый корпус электролитического конденсатора, кстати, так же является выводом “-”.
Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение можно найти энергию, которую может накапливать этот конденсатор. Умножаем емкость (не забыть перевести в Фарады! 1Ф=1000000мКф) на квадрат напряжения и делим все это на два. E=(C*U^2)/2 [Дж]
Полученная энергия будет в джоулях – т.е. сколько джоулей электрической энергии содержится в конденсаторе, если его зарядить на напряжение U.
Зная энергию конденсатора (если конденсаторов несколько, то их энергии можно сложить) можно найти ориентировочную кинетическую энергию снаряда – или попросту мощность будущего магнитного ускорителя. Как правило, КПД МУ примерно равен 1% - т.е. раздели на 100 энергию конденсаторов и найдешь кинетическую энергию гвоздя, с которой он будет выстреливаться из твоего гаусса. Однако при оптимизации гаусса его КПД можно будет поднять аж до 4-7%, что уже существенно.
Кинетическая энергия снаряда находится по формуле E=(m*V^2)/2 [Дж]. Зная кинетическую энергию гвоздя и его массу (m) ты легко найдешь его скорость полета. Умножь энергию на 2, раздели на массу (в Кг) и извлеки квадратный корень, получишь скорость полета гвоздя в м\с. Чтобы перевести её в километры в час (если вдруг захочешь) то умножь её на число 3,6.
Ориентировочную скорость полета конкретного гвоздя ты уже знаешь. Так как длина гвоздя тоже, скорее всего известна, ты можешь найти примерную длину обмотки соленоида. Она равна длине снаряда-гвоздя.
Теперь попробуем рассчитать параметры обмотки. Обмотка должны быть такова, чтобы при выстреле к моменту подлета гвоздя к её середине ток в ней уже был бы минимален и магнитное поле не мешало бы гвоздю вылетать с другого конца обмотки.
Система конденсаторы - обмотка это колебательный контур. Найдем его период колебаний. Время первого полупериода колебаний равно времени, которое гвоздь летит от начала обмотки до её середины, а т.к. гвоздь изначально покоился, то примерно это время равно длине обмотки разделить на скорость полета гвоздя, которые ты уже рассчитал из предыдущих пунктов. С другой стороны, как известно, период свободных колебаний равен 2 Пи умножить на квадратный корень из L*C. В нашей системе колебания будут вовсе не свободными, поэтому период колебаний будет несколько больше этого значения. Впрочем, мы это учтем позже, когда будем рассчитывать непосредственно саму обмотку.
Время полупериода колебаний ты знаешь, емкость конденсаторов тоже – осталось лишь выразить из формулы индуктивность катушки.
На практике индуктивность катушки возьмем несколько меньше в связи с тем, что период колебаний из-за наличия в цепи активного сопротивления будет больше. Раздели индуктивность на 1,5 – думаю, для оценочного расчета это примерно так.
Теперь найдем через индуктивность и длину параметры катушки – число витков и т.д.
Индуктивность соленоида находится по формуле L=m*m0*(N^2*S)/l [Гн].
Где m – относительная магнитная проницаемость сердечника, m0 – магнитная проницаемость вакуума = 4*Пи*10^-7, S – площадь поперечного сечения соленоида, l – длина соленоида, N-число витков.
Найти площадь поперечного сечения соленоида довольно просто – зная параметры будущего снаряда, который мы уже использовали в расчете, ты наверняка уже приглядел трубку, на которой собрался наматывать соленоид. Диаметр трубки легко измерить, примерно прикинь толщину будущей намотки и рассчитай площадь поперечного сечения. И не забудь перевести её в квадратные метры! Индуктивность у нас взята с учетом наличия внутри катушки гвоздя. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьми примерно 100-500 (больше можно, меньше нельзя!) хотя можешь посмотреть по справочнику и разделить это значение на два (гвоздь не все время находится внутри соленоида). Кроме того, учти то, что диаметр обмотки больше диаметра гвоздя, поэтому значение m взятое из справочника можно разделить еще раз на 2...
Зная длину соленоида, площадь поперечного сечения, магнитную проницаемость сердечника из формулы индуктивности легко выразим количество витков.
Теперь оценим параметры самого провода. Как известно, сопротивление провода рассчитывается как удельное сопротивления материала умножить на длину проводника и разделить на площадь поперечного сечения проводника. Удельное сопротивление меди намоточного провода, кстати, несколько больше табличного значения, данного для ЧИСТОЙ меди. Помножь его на 2, думаю, будет достаточно.
Ясное дело, что чем меньше сопротивление, тем лучше. Т.е. вроде как провод большего диаметра предпочтителен, однако это вызовет увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину. В общем случае типичным для “домашних” гаусс ганов, на энергию порядка 100-500Дж и напряжение 150-400в медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым.
Кстати, мощность активных потерь находится по формуле P=I^2*R [Вт] Где: I – ток в амперах, R – активное сопротивление проводов в омах.
Как правило, 50% энергии конденсаторов ВСЕГДА теряется на активном сопротивлении гауссовки. Зная это, найти максимальный ток катушки можно довольно просто. Энергия катушки равна квадрату тока умножить на индуктивность и поделить на 2, по аналогии с конденсатором.
Индуктивность ты знаешь, энергию тоже – максимум 50% от энергии конденсаторов. Можно взять цифру меньше чем 50% - расчет будет более реалистичным. Ну и находишь ток. Думаю, правила преобразования уравнений ты ещё не забыл из школы.
Вот, собственно, и весь оценочный расчет. В любом случае после изготовления доводить магнитный ускоритель до законченного образца с хорошим КПД придется вручную.
Некоторые читатели наверняка собирали когда-то некое подобие пистолета Гаусса, но результат их не радовал. В этой статье будет рассказано о том, как узнать КПД вашего пистолета Гаусса и повысить его.Коэффициент полезного действия
пистолета Гаусса вычисляется просто - это энергия пули на выходе из
ствола, отнесенная к энергии, запасенной в конденсаторах (для более
сложных случаев, когда не вся энергия конденсаторов переходит в
катушку, считается затраченная на выстрел энергия). Энергия, запасенная
в конденсаторах, вычиляется по формуле Е = С*U^2/2,
где С - емкость конденсатора в фарадах, U - напряжение, до которого заряжен конденсатор.
Энергия пули вычисляется по формуле Е = m*V^2/2,
где m - масса пули в килограммах, а V - скорость в метрах в секунду.
Так, например, если в конденсаторах вашего пистолета Гаусса запасено
100дж, а энергия пули на выходе из ствола 1дж, то КПД вашего пистолета
Гаусса - 1%.
Способы измерения скорости пули были описаны в
предыдущей статье. Для того, чтобы узнать массу пули, не имея
лабораторных весов, можно положить пулю в шприц, заполненный водой, и,
узнав таким образом объем, помножить его на плотность материала пули.
Теперь о том, как подобрать и рассчитать все детали пистолета Гаусса для получения наивысшего КПД.
Конденсаторы
1.
В общем случае чем выше рабочее напряжение конденсатора, тем лучше это
может отразиться на итоговом КПД всей системы, поскольку с увеличением
напряжения уменьшаются потери на активное сопротивление. Но наивысшее
отношение емкости к объему имеют электролитические конденсаторы, а их
трудно найти на напряжение больше 450в. Можно, конечно, использовать
пленочные конденсаторы на напряжение 1000 и больше вольт, но они,
во-первых, громоздки и тяжелы, а, во-вторых, придется как-то решать
проблемы с изоляцией. Так что оптимальнынми являются электролитичекие
конденсаторы на 300-450в.
2.
ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) конденсаторов. Чем
меньше ESR конденсатора, тем лучше (однако такие конденсаторы стоят
дороже). Некоторые производители создают специальные линейки
конденсаторов с низким ESR.
3. Индуктивное сопротивление также
играет немаловажную роль. При прочих равных условиях чем уже и длиннее
конденсатор - тем меньше его индуктивное сопротивление.
4. Выводы. Конденсаторы с выводами под гайку предпочтительнее конденсаторов с выводами под пайку (правда, первые стоят дороже).
Ключи
Ну тут всё просто - чем ниже сопротивление ключа, тем лучше.
Ствол
1.
Чем тоньше ствол, тем лучше, поскольку в таком случае меньше объема
внутри катушки пропадает впустую. Некоторые пистолеты Гаусса вообще
обходятся без ствола (например, показаный на картинке). Но не забывайте
о прочности!
2.
Чем меньше трение внутри ствола, тем больше энергии останется у пули.
Трение помогают уменьшить специальные оружейные смазки, например
"баллистол".
3. Стволы из диэлектриков предпочтительнее
металлических, поскольку в последних при выстреле наводятся вихревые
токи, на которые тратится часть энергии выстрела. Проблему вихревых
токов можно решить, сделав пропил по всей длине ствола (или хотя бы в
той части, где находится катушка, как показано на картинке).
Снаряд
1.
При прочих равных условиях снаряд с большей массой ускоряется с большим
КПД, поскольку в нем больше магнитных доменов, подвергающихся
втягиванию в катушку.
2. Чем выше порог насыщения материала, из
которого изготовлен снаряд, тем лучше. Из доступных материалов
наибольшим порогом насыщения обладают мягкие стали типа Ст.3 (из
которых, например, делают гвозди).
3. Аэродинамическая форма снаряда
также имеет немаловажное значение. Ее желательно сделать такой, чтобы
как можно сильнее уменьшить трение о воздух.
Катушка
1.
До сих пор идут споры насчет оптимальной формы катушки, но на мой
взгляд она такова: внешний диаметр равен трём внутренним, а длина равна
11/9 от внешнего диаметра. Эти соотношения можно вывести математически.
Но я здесь не претендую на истину в конечной инстанции, и читатели
путем экспериментов могут вывести свою оптимальную форму катушки.
2.
Активное сопротивление катушки должно быть чуть меньше активного
сопротивления конденсаторов, в идеале в 1,4 раза меньше. Но это
соотношение также является полем для экспериментов.
3. Укладка
провода должна быть как можно более плотной. В идеале провод можеть
быть квадратным, шестигранным или плоским - чтобы не оставалось
незаполненных ниш.
4. Материал провода должен иметь как можно меньшее удельное сопротивление.
Итак,
как же совместить все требования к деталям, зачастую противоречивые,
для получения наилучшего КПД? Ответ на этот вопрос дают различные
программы математического моделирования для электромагных ускорителей.
Например, FEMM
и специальные скрипты для нее, которые можно скачать .
В
них можно задать предполагаемые параметры вашего будущего пистолета
Гаусса и узнать, каков будет примерный КПД (на практике он обычно
получается немного ниже). На этом всё, желаю вам успехов в достижении
высоких КПД!
Проект был начат в 2011 году.Это был проект подразумевающий полностью автономную автоматическую систему для развлекательных целей, с энергией снаряда порядка 6-7Дж, что сравнимо с пневматикой. Планировалось 3 автоматических ступеней с запуском от оптических датчиков, плюс мощный инжектор-ударник засылающий снаряд из магазина в ствол.
Компоновка планировалась такой:
Тоесть класический Булл-пап, что позволило вынести тяжелые аккумуляторы в приклад и тем самым сместить центр тяжести ближе к ручке.
Схема выглядит так:
Блок управления в последствии был разделен на блок управления силовым блоком и блок общего управления. Блок конденсаторов и блок коммутации были обьеденены в один. Так-же были разработаны резервные системы. Из них были собраны блок управления силовым блоком, силовой блок, преобразователь, распределитель напряжений, часть блока индикации.
Представляет собой 3 компаратора с оптическими датчиками.
Каждый датчик имеет свой компаратор. Это сделано для повышения надежности, так при выходе из строя одной микросхемы откажет только одна ступень, а не 2. При перекрытии снарядом луча датчика сопротивление фототранзистора меняется и срабатывает компаратор. При классической тиристорной коммутации управляющие выводы тиристоров можно подключать напрямую к выходам компараторов.
Датчики необходимо устанавливать так:
А устройство выглядит так:
Силовой блок имеет следующую простую схему:
Конденсаторы C1-C4 имеют напряжение 450В и емкость 560мкФ. Диоды VD1-VD5 применены типа HER307/ В качестве коммутации применены силовые тиристоры VT1-VT4 типа 70TPS12.
Собранный блок подключенный к блоку управления на фото ниже:
Преобразователь был применен низковольтный, подробнее о нем можно узнать
Блок распределения напряжений реализован банальным конденсаторным фильтром с силовым выключателем питания и индикатором, оповещающим процесс заряда аккумуляторов. Блок имеет 2 выхода- первый силовой, второй на все остальное. Так-же он имеет выводы для подключения зарядного устройства.
На фото блок распределения крайний справа сверху:
В нижнем левом углу резервный преобразователь, он был собран по самой простой схеме на NE555 и IRL3705 и имеет мощность около 40Вт. Предполагалось использовать его с отдельным небольшим аккумулятором, включая резервную систему при отказе основной или разряде основного аккумулятора.
Используя резервный преобразователь были произведены предварительные проверки катушек и проверялась возможность использования свинцовых аккумуляторов. На видео одноступенчатая модель стреляет в сосновую доску. Пуля со специальным наконечником повышенной пробивной способности входит в дерево на 5мм.
В пределах проекта так-же разрабатывалась универсальная ступень, как главный блок для следующих проектов.
Эта схема представляет собой блок для электромагнитного ускорителя, на основе которого можно собрать многоступенчатый ускоритель с числом ступеней до 20. Ступень имеет классическую тиристорную коммутацию и оптический датчик. Энергия накачиваемая в конденсаторы- 100Дж. Кпд около 2х процентов.
Использован 70Вт преобразователь с задающим генератором на микросхеме NE555 и силовым полевым транзистором IRL3705. Между транзистором и выходом микросхемы предусмотрен повторитель на комплементарной паре транзисторов, необходимый для снижения нагрузки на микросхему. Компаратор оптического датчика собран на микросхеме LM358, он управляет тиристором, подключая конденсаторы к обмотке при прохождении снарядом датчика. Параллельно трансформатору и ускоряющей катушки применены хорошие снабберные цепи.
Методы повышения КПД
Так-же рассматривались методы повышения КПД, такие как магнитопровод, охлаждение катушек и рекуперация энергии. О последней расскажу подробнее.
ГауссГан имеет очень малый КПД, люди работающие в этой области давно разыскивают способы повышения КПД. Одним из таких способов является рекуперация. Суть ее состоит в том чтобы вернуть не используемую энергию в катушке обратно в конденсаторы. Таким образом энергия индуцируемого обратного импульса не уходит в никуда и не цепляет снаряд остаточным магнитным полем, а закачивается обратно в конденсаторы. Этим способом можно вернуть до 30 процентов энергии, что в свою очередь повысит КПД на 3-4 процента и уменьшит время перезарядки, увеличив скорострельность в автоматических системах. И так- схема на примере трехступенчатого ускорителя.
Для гальванической развязки в цепи управления тиристоров использованы трансформаторы T1-T3. Рассмотрим работу одной ступени. Подаем напряжение заряда конденсаторов, через VD1 конденсатор С1 заряжается до номинального напряжения, пушка готова к выстрелу. При подаче импульса на вход IN1, он трансформируется трансформатором Т1, и попадает на управляющие выводы VT1 и VT2. VT1 и VT2 открываются и соединяют катушку L1 с конденсатором C1. На графике ниже изображены процессы во время выстрела.
Больше всего нас интересует часть начиная с 0.40мсек, когда напряжение становится отрицательным. Именно это напряжение при помощи рекуперации можно поймать и вернуть в конденсаторы. Когда напряжение становится отрицательным, оно проходя через VD4 и VD7 закачивается в накопитель следующей ступени. Этот процесс так-же срезает часть магнитного импульса, что позволяет избавится от тормозящего остаточного эффекта. Остальные ступени работают подобно первой.
Статус проекта
Проект и мои разработки в этом направлении в общем были приостановлены. Вероятно в скором будущем я продолжу свои работы в этой области, но ничего не обещаю.
Список радиоэлементов
Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Блок управления силовой частью | |||||||
Операционный усилитель | LM358 | 3 | В блокнот | ||||
Линейный регулятор | 1 | В блокнот | |||||
Фототранзистор | SFH309 | 3 | В блокнот | ||||
Светодиод | SFH409 | 3 | В блокнот | ||||
Конденсатор | 100 мкФ | 2 | В блокнот | ||||
Резистор | 470 Ом | 3 | В блокнот | ||||
Резистор | 2.2 кОм | 3 | В блокнот | ||||
Резистор | 3.5 кОм | 3 | В блокнот | ||||
Резистор | 10 кОм | 3 | В блокнот | ||||
Силовой блок | |||||||
VT1-VT4 | Тиристор | 70TPS12 | 4 | В блокнот | |||
VD1-VD5 | Выпрямительный диод | HER307 | 5 | В блокнот | |||
C1-C4 | Конденсатор | 560 мкФ 450 В | 4 | В блокнот | |||
L1-L4 | Катушка индуктивности | 4 | В блокнот | ||||
LM555 | 1 | В блокнот | |||||
Линейный регулятор | L78S15CV | 1 | В блокнот | ||||
Компаратор | LM393 | 2 | В блокнот | ||||
Биполярный транзистор | MPSA42 | 1 | В блокнот | ||||
Биполярный транзистор | MPSA92 | 1 | В блокнот | ||||
MOSFET-транзистор | IRL2505 | 1 | В блокнот | ||||
Стабилитрон | BZX55C5V1 | 1 | В блокнот | ||||
Выпрямительный диод | HER207 | 2 | В блокнот | ||||
Выпрямительный диод | HER307 | 3 | В блокнот | ||||
Диод Шоттки | 1N5817 | 1 | В блокнот | ||||
Светодиод | 2 | В блокнот | |||||
470 мкФ | 2 | В блокнот | |||||
Электролитический конденсатор | 2200 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
Электролитический конденсатор | 220 мкФ | 2 | В блокнот | ||||
Конденсатор | 10 мкФ 450 В | 2 | В блокнот | ||||
Конденсатор | 1 мкФ 630 В | 1 | В блокнот | ||||
Конденсатор | 10 нФ | 2 | В блокнот | ||||
Конденсатор | 100 нФ | 1 | В блокнот | ||||
Резистор | 10 МОм | 1 | В блокнот | ||||
Резистор | 300 кОм | 1 | В блокнот | ||||
Резистор | 15 кОм | 1 | В блокнот | ||||
Резистор | 6.8 кОм | 1 | В блокнот | ||||
Резистор | 2.4 кОм | 1 | В блокнот | ||||
Резистор | 1 кОм | 3 | В блокнот | ||||
Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | ||||
Резистор | 30 Ом | 2 | В блокнот | ||||
Резистор | 20 Ом | 1 | В блокнот | ||||
Резистор | 5 Ом | 2 | В блокнот | ||||
T1 | Трансформатор | 1 | В блокнот | ||||
Блок распределения напряжений | |||||||
VD1, VD2 | Диод | 2 | В блокнот | ||||
Светодиод | 1 | В блокнот | |||||
C1-C4 | Конденсатор | 4 | В блокнот | ||||
R1 | Резистор | 10 Ом | 1 | В блокнот | |||
R2 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
Выключатель | 1 | В блокнот | |||||
Батарея | 1 | В блокнот | |||||
Программируемый таймер и осциллятор | LM555 | 1 | В блокнот | ||||
Операционный усилитель | LM358 | 1 | В блокнот | ||||
Линейный регулятор | LM7812 | 1 | В блокнот | ||||
Биполярный транзистор | BC547 | 1 | В блокнот | ||||
Биполярный транзистор | BC307 | 1 | В блокнот | ||||
MOSFET-транзистор | AUIRL3705N | 1 | В блокнот | ||||
Фототранзистор | SFH309 | 1 | В блокнот | ||||
Тиристор | 25 А | 1 | В блокнот | ||||
Выпрямительный диод | HER207 | 3 | В блокнот | ||||
Диод | 20 А | 1 | В блокнот | ||||
Диод | 50 А | 1 | В блокнот | ||||
Светодиод | SFH409 | 1 |