Мощная пушка гаусса своими руками. Старт в науке Как рассчитать катушку для пушки гаусса
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 |
Когда я учился в университете на втором курсе, мне пришел весьма необычный заказ - трехступенчатая Гаусс пушка. Сроки на ее создание были очень короткими: на все про все была лишь неделя. Кроме того, пушка была с физически нереализуемой изюминкой: переполюсовкой магнитного поля катушек, что должно было, по мнению автора пушки, повысить ее КПД. Тем не менее, поскольку я любил Гаусс пушки и мечтал начать зарабатывать деньги любимым делом, я согласился на выполнение заказа.
На каникулах ничто не предвещало...
Это были зимние каникулы, оставалось чуть больше недели до начала учебы. Ничто не предвещало странных заказов, как вдруг мне позвонил мой друг и спросил, нет ли у меня желания принять участие в разработке настоящей пушки Гаусса. Конечно же, я был всеми руками за. Деньги на пушку обещали выделить сколько угодно много (имеется ввиду на детали, а не плату за работу). Главным условием было закончить пушку вовремя, также она должна была уметь делать переполюсовку магнитного поля катушек, чтобы снаряд получал дополнительное ускорение, а еще быть способной пробить танк обладать КПД не менее 10%.
Ознакомившись со схемой пушки, я просто выпал, ведь это был совершенно секретный чертеж из НИИ времен СССР. К сожалению, схема была сожжена инквизицией не сохранилась, по памяти помню лишь то, что автор хотел заряжать неполярные конденсаторы переменным током. В общем, заказчик не имел ни малейшего понятия о том, как работают Гаусс пушки и электроника в целом, раз даже не знал, что переменным током конденсаторы не заряжают. Поэтому все пришлось делать самому.
Еще один неприятный сюрприз был в том, что корпус для пушки уже был готов. Поэтому расположение катушек менять было нельзя, да и их размер был ограничен по длине.
Что же касается переполюсовки катушек… Я попытался объяснить, что энергия на катушке не может «исчезнуть в никуда», тем не менее, это было важным условием, хотя благодаря моему преложению реализация переполюсовки магнитного поля стала нужна лишь на первой ступени, а остальные три работали, как в обычных Гаусс пушках.
Начало разработки. Мостовая схема управления катушкой
Вышло так, что в команде только я разбирался в электронике на достаточно высоком уровне. Возможно, поэтому разработка шла круглосуточно в течение недели с перерывами на небольшой сон, хотя нас, «Слав», было три человека. («Слав», потому что имена всех троих заканчивались на «слав»).
Первым делом надо был прикинуть, что будет происходить в мостовой схеме включения ключей при попытке подать на катушку напряжение в противоположном направлении после того, как через нее уже начал течь ток. Для этих целей я использовал симулятор LTSpice с необходимыми библиотеками элементов (которые взял вроде как и ). В качестве ключей решил использовать параллельно включенные IGBT транзисторы. Поиск по Гуглу показал, что параллельное включение IGBT транзисторов в Гаусс пушке будет корректно работать, если у каждого транзистора будет небольшое добавочное сопротивление (по памяти вроде 0.1 - 0.5 Ом). Без добавочных резисторов транзисторы скорее всего будут гореть один за другим. Также для защиты от самоиндукции у каждого транзистора должен быть защитный диод. В качестве конденсаторов, конечно же, использовались обычные электролиты емкостью 330 - 470 мкф и напряжением 450 вольт. Значение индуктивности катушки для симулятора было получено из расчетов катушек в программе FEММ . IGBT транзисторы управлялись через специализированные для этих целей оптодрайверы, так как была необходима гальваническая развязка.
В итоге выяснилось, что в мостовой схеме во время переподключения катушки у транзисторов возникали мощные выбросы обратного тока, несовместимые с жизнью кремния. Данную проблему не решало абсолютно ничто, и варистор тоже не спасал. С другой стороны, если по одной диагонали убрать транзисторы и оставить там диоды, получалась схема рекуперации энергии. В случае с рекуперацией остаточная энергия катушки после прохождения через нее снаряда возвращалась обратно на конденсатор.
Эти две новости я сообщил заказчику. Однако заказчик сказал, что переполюсовка должна быть реализована обязательно, даже если придется жертвовать КПД (хотя изначально целью было повысить КПД.). В итоге я просто включил катушку последовательно с добавочным резистором, значение которого подобрал исходя из допустимых значений обратного тока транзисторов.
Расчет катушек
Пожалуй, именно столкнувшись с расчетами катушек для Гаусс пушки, я впервые узнал о том, что что-то может рассчитываться компьютером часами, если не целыми днями. Как уже писал ранее, расчет проводился с мощью специального скрипта в программе FEMM. Один знакомый дал мне «правдивый» скрипт для расчета. Кому интересно, можете поискать в интернете «coilgun_cu.lua» или скачать . Также есть два ресурса ( и ), где я читал и про те же IGBT транзисторы, и про FEMM и многое другое.
После завершения расчетов с оптимизацией были получены значения скорости снаряда, КПД пушки, количество витков и т. д. На самом деле, нельзя эти значения назвать единственно оптимальными, при выборе параметров оптимизации приходится руководствоваться технической интуицией, так что нет гарантий, что данные значения будут наилучшими. Скорее всего они будут наилучшими лишь в некоторой области параметров катушек.
Управление пушкой
Так как пушка трехступенчатая, возникает вопрос, как катушки переключать. Для того, чтобы определить наличие снаряда перед катушкой, было решено использовать стандартное решение в виде оптических датчиков (советую покупать для этих целей импортные ИК светодиоды, так как старые отечественные потребляют очень много энергии). Сигналы от датчиков было решено определять с помощью внешних прерываний микроконтроллера серии AVR. Микроконтроллер также делал замер напряжения на конденсаторах и издавал соответствующие звуки при двух уровнях заряда: когда конденсаторы заряжены полностью, и когда они близки к полной зарядке (80-90% от максимума).
Преобразователи напряжения
Чтобы зарядить от аккумулятора на 12 вольт конденсаторы суммарной емкостью почти 2000 мкф до напряжения 450 вольт, нужен был достаточно мощный преобразователь. Мне было лень делать преобразователь с нуля, и потому я попросту снял его со своей собственной Гаусс пушки. Кому интересно, это был преобразователь
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!
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 .
ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ОБЛАСТНАЯ АКАДЕМИЯ (НАЯНОВОЙ)»
Всероссийский конкурс исследовательских работ
«Познание-2015»
(Секция физика)
Научно-исследовательская работа
по теме: «« из ГОТОВЛЕНИЕ ПУШКИ ГАУССА В ДОМАШНИХ УСЛОВИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИК »
направлению: физика
Выполнил:
Ф. И.О. Егоршин Антон
Мурзин Артем
СГОАН, 9 «А2» класс
учебное заведение, класс
Научный руководитель:
Ф. И.О. Завершинская И. А .
к. п.н., преподаватель физики
зав. кафедры физики СГОАН
(уч. степень, должность)
Самара 2015
1. Введение…………………………………………………….......…3
2. Краткая биография…………………………………………..……5
3. Формулы, для расчета характеристик модели Пушки Гаусса...6
4. Практическая часть…………………………………….…..…….8
5. Определение КПД модели…………………………………..….10
6. Дополнительные исследования…………….…………….….…11
7. Заключение……………………………………………….……...13
8. Список литературы……………………………………………...14
Введение
В данной работе мы исследуем пушку Гаусса, которою многие могли видеть в некоторых компьютерных играх. Электромагнитная пушка Гаусса известна всем любителям компьютерных игр и фантастики. Назвали ее в честь немецкого физика Карла Гаусса, исследовавшего принципы электромагнетизма. Но так ли уж далеко смертельное фантастическое оружие от реальности?
Из курса школьной физики мы узнали, что электрический ток, проходя по проводникам, создает вокруг них магнитное поле. Чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током, иначе говоря, катушки индуктивности (соленоид). Если катушку с током подвесить на тонких проводниках, то она установится в то же положение, в котором находится стрелка компаса. Значит, катушка индуктивности имеет два полюса - северный и южный.
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол 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 может притягиваться в обратном направлении и тормозиться.
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индуктивность магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия . Это отсутствие гильз, неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса , возможность бесшумного выстрела, в том числе без смены ствола и боеприпас. Относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей). Теоретически, большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства. Также возможно применение пушек Гаусса для запуска легких спутников на орбиту.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностям:
Низкий КПД – около 10 %. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 30%. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию. Вторая трудность – большой расход энергии и достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания. Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения , что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.
Высокое время перезаряда между выстрелами, то есть низкая скорострельность. Боязнь влаги, ведь намокнув, она поразит током самого стрелка.
Но главная проблема это мощные источники питания пушки, которые на данный момент являются громоздкими, что влияет на мобильность.
Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса для орудий с малой поражающей способностью (автоматы, пулеметы и т. д.) не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового вооружения. Перспективы появляются при использовании ее как крупно-калиберного орудия военно-морского. Так например, в 2016 году ВМС США приступят к испытаниям на воде рельсотрона. Рельсотрон, или рельсовая пушка - орудие, в котором снаряд выбрасывается не с помощью взрывчатого вещества, а с помощью очень мощного импульса тока. Снаряд располагается между двумя параллельными электродами - рельсами. Снаряд приобретает ускорение за счёт силы Лоренца, которая возникает при замыкании цепи. С помощью рельсотрона можно разогнать снаряд до гораздо больших скоростей, чем с помощью порохового заряда.
Однако, принцип электромагнитного ускорения масс можно с успехом использовать на практике, например, при создании строительных инструментов - актуальное и современное направление прикладной физики . Электромагнитные устройства, преобразующие энергию поля в энергию движения тела, в силу разных причин ещё не нашли широкого применения на практике, поэтому имеет смысл говорить о новизне нашей работы.
Актуальность проекта : данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала.
Цель работы : изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.
Основные задачи :
1. Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.
2. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.
3. Создать действующую модель.
4. Определить КПД модели
Практическая часть работы :
Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях дома.
Гипотеза : возможно ли создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в условиях дома?
Кратко о самом Гауссе.
(1777-1855) - немецкий математик, астроном, геодезист и физик.
Для творчества Гаусса характерна органическая связь между теоретической и прикладной математикой, широта проблематики. Труды Гаусса оказали большое влияние на развитие алгебры (доказательство основной теоремы алгебры), теории чисел (квадратичные вычеты), дифференциальной геометрии (внутренняя геометрия поверхностей), математической физики (принцип Гаусса), теории электричества и магнетизма, геодезии (разработка метода наименьших квадратов) и многих разделов астрономии .
Карл Гаусс родился 30 апреля 1777, Брауншвейг, ныне Германия. Скончался 23 февраля 1855, Геттинген, Ганноверское королевство, ныне Германия). Еще при жизни он был удостоен почетного титула «принц математиков». Он был единственным сыном бедных родителей. Школьные учителя были так поражены его математическими и лингвистическими способностями, что обратились к герцогу Брауншвейгскому с просьбой о поддержке, и герцог дал деньги на продолжение обучения в школе и в Геттингенском университете (в 1795-98). Степень доктора Гаусс получил в 1799 в университете Хельмштедта.
Открытия в области физики
В 1830-1840 годы Гаусс много внимания уделяет проблемам физики. В 1833 в тесном сотрудничестве с Вильгельмом Вебером Гаусс строит первый в Германии электромагнитный телеграф. В 1839 выходит сочинение Гаусса «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», в которой излагает. основные положения теории потенциала и доказывает знаменитую теорему Гаусса-Остроградского. Работа «Диоптрические исследования» (1840) Гаусса посвящена теории построения изображений в сложных оптических системах.
Формулы, связанные с принципом действия пушки.
Кинетическая энергия снаряда
https://pandia.ru/text/80/101/images/image003_56.gif" alt="~m" width="17"> - масса снаряда
- его скорость
Энергия, запасаемая в конденсаторе
https://pandia.ru/text/80/101/images/image006_39.gif" alt="~U" width="14" height="14 src="> - напряжение конденсатора
https://pandia.ru/text/80/101/images/image008_36.gif" alt="~T = {\pi\sqrt{LC} \over 2}" width="100" height="45 src=">
https://pandia.ru/text/80/101/images/image007_39.gif" alt="~C" width="14" height="14 src="> - ёмкость
Время работы катушки индуктивности
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0.
https://pandia.ru/text/80/101/images/image009_33.gif" alt="~L" width="13" height="14 src="> - индуктивность
https://pandia.ru/text/80/101/images/image011_23.gif" alt="индуктивность многослойной катушки, формула" width="201" height="68 src=">
Индуктивность рассчитаем с учетом наличия внутри катушки гвоздя. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьмем примерно 100-500. Для изготовления пушки мы изготовили самостоятельно катушку индуктивности с количеством витков 350 (7 слоев по 50 витков, каждый), получили катушку индуктивностью 13,48 мкГн.
Сопротивление проводов рассчитаем по стандартной формуле .
Чем меньше сопротивление, тем лучше. На первый взгляд кажется, что провод большого диаметра лучше, однако это вызывает увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину.
Из анализа литературы мы пришли к выводу, что для пушки Гаусса, изготавливаемую в домашних условиях медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым.
Мощность активных потерь находится по формуле [Вт] Где: I – ток в амперах, R – активное сопротивление проводов в омах.
В этой работе мы не предполагали измерение силы тока и расчет потерь, это вопросы будущей работы, где мы планируем определить ток и энергию катушки..jpg" width="552" height="449">.gif" width="12" height="23"> ; https://pandia.ru/text/80/101/images/image021_8.jpg" width="599 height=906" height="906">
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД МОДЕЛИ.
Для определения КПД мы провели следующий опыт: стреляли снарядом известной массы в яблоко, известной массы. Яблоко было подвешено на нити длиной 1 м. мы определяли расстояние, на которое отклонится яблоко. По данному отклонению определяем высоту подъема, воспользовавшись теоремой Пифагора.
Результаты опытов по расчёту КПД
Таблица№1
Основные расчеты основаны на законах сохранения:
По закону сохранения энергии определим скорость снаряда, вместе с яблоком:
https://pandia.ru/text/80/101/images/image024_15.gif" width="65" height="27 src=">
https://pandia.ru/text/80/101/images/image026_16.gif" width="129" height="24">
https://pandia.ru/text/80/101/images/image029_14.gif" width="373" height="69 src=">
0 " style="border-collapse:collapse">
Из таблицы видно, что сила выстрела зависит от типа снаряда и от его массы, так как сверло весит столько же, сколько и 4 иглы вместе, но оно толще, цельнее, поэтому его кинетическая энергия больше.
Степени пробития снарядами разных тел:
Тип мишени: тетрадный лист.
Тут все понятно, лист пробивается идеально.
Тип мишени: тетрадь в 18 листов .
Сверло мы брать не стали, так как оно тупое, но отдача существенная.
В данном случае снарядам хватило энергии, чтобы пробить тетрадь, но не хватило ее, чтобы преодолеть силу трения и вылететь с другой стороны. Здесь многое зависит от пробивной способности снаряда, то есть формы, и от его шероховатости.
Заключение.
Целью нашей работы являлось изучение устройства электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить ее КПД.
Цель мы достигли : изготовили экспериментальную действующую модель электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), упростив схемы, имеющиеся в интернете, и адаптировав модель к сети переменного тока стандартных характеристик.
Определили КПД полученной модели. КПД оказался равным примерно 1%. КПД имеет малое значение, что подтверждает все, что мы узнали из литературы.
Проведя исследование, мы сделали для себя следующие выводы:
1. Собрать работающий прототип электромагнитного ускорителя масс в домашних условиях вполне реально.
2. Использование электромагнитного ускорения масс имеет большие перспективы в будущем.
3. Электромагнитное оружие может стать станет достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному орудию, Особенно это будет возможным при создании компактных источников энергии.
Список литературы:
1. Википедия http://ru. wikipedia. org
2. Основные виды ЭМО (2010) http://www. gauss2k. narod. ru/index. htm
3. Новое электромагнитное оружие 2010
http://vpk. name/news/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. html
4. Все о Пушке Гаусса
http://catarmorgauss. ucoz. ru/forum/6-38-1
5. www. popmech. ru
6. gauss2k. narod. ru
7. www. physics. ru
8. www. sfiz. ru
12. Физика: учебник для 10 класса с углубленным изучением физики/ , и др.; под ред. , . – М.: Просвещение, 2009.
13. Физика: учебник для 11 класса с углубленным изучением физики/ , и др.; под ред. , . – М.: Просвещение, 2010.