Проект трехступенчатого гаусс гана

Проект трехступенчатого Гаусс Гана

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.

Блок Управления Силовой Частью

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

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

Преобразователь был применен низковольтный, подробнее о нем можно узнать здесь

Блок распределения напряжений

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.

Универсальная ступень

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.

Проект трехступенчатого Гаусс Гана

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.

Блок Управления Силовой Частью

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 лишь 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

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

Преобразователь был применен низковольтный, подробнее о нем можно узнать здесь

Блок распределения напряжений

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.

Универсальная ступень

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 3-хступенчатого 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 радиоэлементовОбозначение
Тип
Номинал
Количество
ПримечаниеМагазинМой блокнот

Блок управления силовой частью
Операционный усилительLM3583

Резистор10 кОм3
Силовой блокVT1-VT4
Тиристор70TPS124
VD1-VD5
Выпрямительный диодHER3075
C1-C4
Конденсатор560 мкФ 450 В4
L1-L4
Катушка индуктивности4
Преобразователь
Программируемый таймер и осцилляторLM5551

Электролитический конденсатор470 мкФ2

Электролитический конденсатор2200 мкФ1

Электролитический конденсатор220 мкФ2

Конденсатор10 мкФ 450 В2

Конденсатор1 мкФ 630 В1

Резистор5 Ом2
T1
Трансформатор1
Блок распределения напряженийVD1, VD2
Диод2

Светодиод1
C1-C4
Конденсатор4
R1
Резистор10 Ом1
R2
Резистор1 кОм1

Батарея1
Универсальная ступень
Программируемый таймер и осцилляторLM5551

Сказ о том, как сделать Гаусс пушку за семь дней

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.

Читайте также  Розетки для электроплиты при скрытой проводке

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 тут и тут). 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 тут, пока ссылка работает. Также есть два ресурса (тут и тут), 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 Вальдемара.

Для питания затворов IGBT транзисторов верхней части моста нужно было гальванически развязанное напряжение, которое я решил получать с помощью обычного блокинг генератора. В итоге в пушке добавился еще один преобразователь напряжения.

Создание печатных плат

На тот момент для создания печатных плат я пользовался Sprint-Layout. Данная программа весьма проста в освоении и использовании, для небольших проектов самое то.

Нарисовав все схемы, я распечатал их на глянцевой бумаге и затем утюжком перенес рисунки на подготовленный лист стеклотекстолита с медным односторонним покрытием. Дальше оставалось платы вытравить, залудить, потом запаять детали… И так со всеми 5-тью платами.

Залуженные платы

Плата с переполюсовкой

Сборка и тестирование

Собрав все воедино, я получил что-то воде этого:

И первое же тестирование показало несостоятельность идеи с переполюсовкой катушки. Транзисторы горели даже при большом добавочном сопротивлении, а КПД при этом падало так низко, что снаряд «выкатывался» из пушки. Если же снаряд и не выкатывался, а вылетал, транзисторов хватало максимум на пять выстрелов. В итоге я предложил оставить переполюсовку лишь внешне, а на обратной стороне платы переделать схему так, чтобы работа первой ступени пушки не отличалась от работы остальных двух ступеней.

Во всяком случае, рекуперация энергии работала, и она была заметна (хотя бы один плюс от использования мостовой схемы для катушек).

КПД пушки осталось в итоге неизвестным. Однако, во время одного из тестирования пушки я недооценил ее мощность, и снаряд пробил стену и снес полгорода продырявил пластиковый цветочный горшок, который стоял за мишенью. В целом, пушка была способна промять стенку большой и набитой гвоздями жестяной банки.

Заказчик остался вполне доволен результатом. Деньги мы получили (надо сказать, сейчас я понимаю что это было мало за такую работу) и поделили по заслугам поровну между собой в неравной пропорции.

Позже я обнаружил свое детище в одном бизнес-инкубаторе, где она лежала для красоты. Также ее показывали на одном фестивале, правда, на тот момент она была уже в нерабочем состоянии.

Проект трехступенчатого гаусс гана

Высоковольтный многоступенчатый ускоритель: почему он перспективный?

В этой статье речь пойдет о конструкции многоступенчатого магнитного ускорителя, на основе которого можно сделать ручное стрелковое оружие, по мощности конкурирующее с огнестрелом.

Откуда берется КПД или куда девается энергия?

Ужа давно не для кого не секрет, что КПД одноступенчатого гаусс гана редко превышает 1%. Остальная энергия конденсаторов идет на нагревание проводов и электромагнитное излучение. Давайте разберемся, почему же потеря энергии на тепло в магнитных ускорителях стоит столь остро, резко снижая КПД? И в самом деле, ведь например коллекторные электродвигатели постоянного тока, по своим принципам функционирования практически идентичные гауссовке, имеют КПД значительно выше – 7 0-80%! И это несмотря на то, что ЭД состоит из тех же обмоток, коммутационного устройства (коллектора и щеток) и некого подобия сердечника, роль которого в различных конструкциях выполняет либо статор, либо ротор двигателя.

Чтобы понять это, следует рассмотреть физику процесса придания снаряду энергии. Как известно, энергия снаряда равна работе, произведенной над ним внешней силой. Внешняя сила в гауссовке – это магнитное поле катушки. Работа определяется как скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения тела (путь), над которым совершается работа.

С противоположной полезной работе стороны в гауссе стоит нагрев проводов. Работа по нагреву проводов определяется по другой формуле – квадрат тока умножить на сопротивление проводов и умножить на время. Т.е. чем больше время действия тока, тем больше потери на тепло.

Но если мы снова обратимся к формуле работы по разгону снаряда, то обнаружим, что получение снарядом энергии НЕ зависит от времени действия силы! А сила в соленоиде с заданными параметрами пропорциональна величине тока в обмотке.

Таким образом, отсюда следует очень важный вывод – если участок действия ускоряющей силы снаряд преодолеет с как можно большей скоростью, то время совершения силой полезной работы будет очень мало и потери на тепло за это время будут минимальными. Необходимо лишь обеспечить подачу тока нужной величины на строго ограниченное время.

Иначе говоря, чем быстрее движется снаряд, тем меньше потерь при его дополнительном разгоне! И именно поэтому электродвигатели имеют высокий КПД! При высокой скорости вращения вала, отношение полезной работы к потерям на нагрев увеличивается и по этой же причине при старте и на низких оборотах электродвигатель потребляет от источника питания очень большую мощность и его КПД на старте не превышает 10-15%.

Читайте также  Монтаж проводки в гараже своими руками

Из всего вышесказанного следует, что очень перспективно делать многоступенчатый магнитный ускоритель – каждая последующая ступень будет обладать более высоким КПД, чем предыдущая благодаря увеличению скорости снаряда.

Но ситуация эта обоюдоострая. Дело в том, что при малом времени нахождения снаряда в зоне эффективного действия ускоряющего магнитного поля требуется как можно быстрее установить в соленоиде ток нужной величины, а потом его отключить, дабы избежать бесполезных трат энергии. Всему этому препятствует индуктивность катушки и требования к параметрам коммутационных устройств. Разрешить эту проблему можно множеством разных способов – использовать последующие обмотки увеличивающейся длины при постоянном количестве витков – индуктивность будет ниже, а время пролета через них снаряда не намного больше, чем у предыдущей ступени. Что касается ключей – то можно использовать обычные, на запираемые тиристоры – тогда на каждую ступень придется ставить свой конденсатор и при малейшем отклонении параметров движения снаряда от оптимальных КПД ускорителя будет резко снижаться. Снаряд пролетает через обмотку быстрее оптимального значения скорости для ней – магнитное поле не успевает вовремя выключится и прихватывает за задницу снаряд, уменьшая его скорость. Пролетает слишком медленно – магнитное поле уже выключилось, а снаряд ещё не достиг точки, где магнитное поле в соленоиде имеет максимальную плотность – тоже недобор энергии. При чем несовпадение хотя бы на одной ступени вызовет несвоевременность появления снаряда на всех последующих ступенях – в итоге из за малейшего отклонения мощность выстрела такого магнитного ускорителя будет дестрофичной. И только при 100% настройке, 100% одинаковом заряде конденсаторов перед выстрелом и 100% соответствии снарядов и даже их начальной намагниченности такой МУ, с раздельным питанием всех обмоток через НЕ запираемые ключи будет развивать нужную мощность. Именно поэтому идея многоступенчатого гаусса с раздельным питанием не так уж популярна среди любителей (хотя все о нем говорят) и именно поэтому так редко встречаются конструкции с числом ступеней более 3.

Чтобы сделать эффективный многоступенчатый магнитный ускоритель масс, не особо критичный к его настройке, требуется обеспечить несколько важных условий:

  1. Использовать ОДИН общий источник питания обмоток
  2. Использовать ключи, обеспечивающее строго заданное по времени включение тока на обмотку
  3. Использовать синхронное с движением снаряда включение и выключение обмоток.
  4. На различных ступенях использовать различные обмотки (вроде понятное условие – но некоторые все равно лепят все обмотки одинаковыми)
  5. Использовать снаряд небольшой массы и высокое напряжение питания.

Использование общего накопителя энергии совместно с запираемыми ключами поможет избежать лишних трат энергии, и тогда в случае недобора энергии на одной из ступеней энергия накопителя обязательно будет использована на последующих ступенях. Естественно, что начальные обмотки следует делать такими, чтобы они не забирали бы всю энергию накопителя (делать их с большой индуктивностью и короткими по длине). Кроме того, имеет даже смысл оставить основную массу энергии на оконечные ступени, где КПД разгона снаряда будет наиболее высок из за его высокой скорости.

Что значит синхронное с движением снаряда включение обмоток? Это значит, что ток в обмотке должен включатся, когда снаряд попадает в зону эффективного действия ускоряющего магнитного поля, и должен отключатся, когда снаряд выходит из этой зоны. Обычно для этого используют фотодетекторы – перед соленоидом стоит оптопара и когда снаряд пересекает луч, управляющая схема открывает ключ, когда снаряд перестает пересекать луч, схема закрывает ключ и отключает обмотку от цепи питания. При этом обмотка шунтируется силовыми диодами с той целью, чтобы мощное напряжение, возникающее в результате самоиндукции обмотки, не повредило бы ключ или источник питания.

Но на этом процесс выжимания из гаусса максимального КПД не закончен!

Очень перспективно использовать конструкцию гаусса на высокое напряжение, а снаряды небольшой массы. Снаряд малой массы в процессе выстрела развивает гораздо большую скорость, следовательно, КПД его разгона будет выше. А так как для разгона снаряда с большой скоростью требуется более быстрое включение тока в обмотках, то необходимо использовать источник питания с высоким напряжением.

Высокое напряжение так же открывает очень простой и перспективный для использования в реальном оружии способ коммутации обмоток – при помощи электрического разряда, идущего через сам движущийся снаряд.

Вы можете возразить — что замыкание тока самим снарядом неэффективно и чревато его привариванием к контактам. Но вспомним тот факт, что с ростом скорости движения снаряда потери на нагрев значительно снижаются, именно поэтому коммутация тока самим снарядом вполне реальна, безопасна и эффективна. А для предотвращения приваривания снаряда к контактам снаряд не должен касаться самих контактов – из за высокого напряжения замыкание будет осуществляться за счет пробоя воздуха.

Общая конструкция магнитного ускорителя будет следующая: система предварительного разгона снаряда, с довольно низким КПД и с использованием обычных ключей для коммутации обмоток. Может так же состоять из нескольких ступеней. И высоковольтная высокоэффективная система окончательного разгона снаряда – имеет множество обмоток с искровой коммутацией и обладает высоким КПД.

Многоступенчатый магнитный ускоритель, собранный по такой схеме, будет обладать очень высоким КПД – думаю не менее 25%. При такой эффективности, ручная гауссовка на основе высоковольтного конденсатора на энергию 1 килоджоуль будет метать снаряд с кинетической энергией в 250Дж, что соответствует мощности хорошей мелкокалиберной винтовки при использовании усиленных патронов.

Пушка Гаусса своими руками

Привет, в данной самоделке я покажу процесс создания самой простейшей пушки Гаусса. Пушка Гаусса — это электромагнитный ускоритель масс, за счет электромагнетизма, снаряд и получает кинетическую энергию движения.

Перед началом чтения статьи, я рекомендую посмотреть видео, где подробнейшим образом рассказан этап создания и все нюансы, с которыми можно столкнутся.

Вот что потребуется для создания:
-Дуло, я использую каркас из маркера и 2 шайб (разрезанных, что бы не возникали токи Фуко)
-обмоточный провод 10 м диаметром 1.2 мм
-Электролитический конденсатор, емкость 3300 мкФ и напряжением 400 В

-Источник питания (в моем случаи преобразователь 220 В AC в 400 В DC)
-Кусок фанеры (для подложки)
-Несколько винтов М 5
-Кнопка (тактовая)
-Источник питания (батарейка(для управления логикой)) 4.2 В
-Резистор на 10 Ом
-Несколько кусков провода 2.5 мм
-А также:
-Стяжки, плоскогубцы, паяльник, припой, отвертка, нож(скальпель)

Вот схема, которую предстоит собрать

Первое что сделаем, это дуло будущего ускорителя.Как я писал выше в качестве самого каркаса я использую «втулку» из-под маркера, но можно использовать и любой другой НЕМАГНИТНЫЙ материал, в идеале это текстолитовая трубка. Далее разрезаем шайбы и рассверливаем их, что бы они наделись на втулку.

Расстояние между шайбами (а соответственно и длина «намотки») должна быть равна длине снаряда, или быть немного меньшей.

Шайбы можно зафиксировать клеем.

Первым этапом намотаем провод, общая сумма витков должна быть от 140 до 160(в несколько заходов).
Продеваем провод в прорезь в шайбе, и начинаем намотку.

Хотя в столь простой системе можно и не придерживаться «четких» цифр.

После того, как закончили намотку, желательно полностью пропитать все витки эпоксидной смолой. Что бы у Вас не получилось так:

После чего зачищаем оба конца провода ножом.

Далее крепим «ствол» на деревянном каркасе и фиксируем кабельными стяжками.

Анод(«+») конденсатора сразу «идет» а один из концов обмотки. Для этого, возьмите кусок провода 2.5 квадрата, зачистите изоляцию, облудите конец и согните в виде кольца.

После прикручиваем его уже непосредственно на клемму кондера. Второй конец просто зачистите и соедините
методом «скрутка» (можно и спаять) к любому из концов обмотки.

Таким образом вся силовая часть собрана.

Теперь дело за малым, собрать управляющую часть схемы и протестировать что же вышло.
Обратите внимание, из общей «косы» тиристора выходит 1 провод небольшого сечения, и из корпуса
самого тиристора еще 1.

Это и есть провода управляющего сигналом.Хотя управляющий всего 1, 2 провод(тот что идет из самой косы) это всего лишь дополнительный вывод катода. Возьмем батарейку, в моем случаи 4.2В (для большинства тиристоров этого напряжения хватает для их открытия, предварительно посмотрите напряжения открытия именно вашего тиристора по «даташиту»), и припаяем(хотя лучше использовать точечную сварку) этот провод к «-» батарейки.

Обратите внимание! Что на минус батарейки припаиваем именно дополнительный катод, то есть провод, который запараллелен к самой косе(выходит из нее).

Возьмите еще один кусочек провода и тактовую кнопку. На первый контакт кнопки припаяем кусок провода, который в дальнейшем пойдет на уже непосредственно управляющий сигнал, а ко второму резистор на 10Ом. Это резистор является токоограничивающем (что бы батарейка сильно «не уставала»).

Ну а свободный конец с кнопки, уже на управляющий электрод тиристора, тот провод, что выходит из корпуса тиристора!

На этом сборка завершена. Немного теории как она работает.
После зарядки конденсатора, вся потенциальная энергия находится в нем (в моем случаи порядка 220Дж). «+» с конденсатора уже находится на одном конце обмотки. Минус же конденсатора «разорван» через тиристор. Что бы тиристор перешел из «закрытого» состояния в открытое (и начал через себя пропускал ток) нужно подать на управляющий сигнал «+» от внешнего источника питания (для этого и используется батарейка).

Когда Вы нажимаете «+» или «отправляете» управляющий сигнал (нажимаете на кнопку) то тиристор начинает пропускать «через себя» ток, и вся емкость разряжается «на обмотку», создается мощное электро магнитное поле, которое и втягивает снаряд.

В качестве источника питания конденсатора, я использую самодельный преобразователь напряжения. Но можно использовать и обычную диодную сборку 220AC to 300V DC(но в таком случаи обязательно использовать последовательно любой балласт, например лампу накаливания).

Средняя скорость порядка 30 м/с.

Всем спасибо за внимание. Удачных самоделок.

Оружие очень далекого будущего. Часть 1. Пушка Гаусса и рельсотрон

Уже, наверное, лет 50 все говорят о том, что век пороха подошел к концу, и дальше огнестрельное оружие уже не может развиваться. Несмотря на то, что с таким утверждением я абсолютно не согласен и считаю, что современному огнестрельному оружию, а точнее патронам, еще есть куда расти и совершенствоваться, не могу пройти мимо попыток замены пороха и вообще привычного принципа работы оружия. Понятно, что пока многое из придуманного просто невозможно, в основном по причине отсутствия компактного источника электрического тока или же из-за сложности производства и обслуживания, но при этом лежат на пыльной полке и ждут своего времени множество интереснейших проектов.

Пушка Гаусса

Начать именно с этого образца хочется по той причине, что он достаточно простой, ну и потому, что есть и собственный небольшой опыт в попытке создания такого оружия, и, надо сказать, не самой безуспешной.

Читайте также  Восстановление свинцовых аккумуляторов

Лично я узнал впервые об этом образце оружия вовсе не из игры «Сталкер», хотя именно благодаря ей об этом оружии знают миллионы, и даже не из игры Fallout, а из литературы, а именно из журнала ЮТ. Представленная в журнале пушка Гаусса было самой примитивной и позиционировалась как детская игрушка. Так, само «оружие» состояло из пластиковой трубки с намотанной на ней катушкой медной проволоки, которая играла роль электромагнита при подаче на нее электрического тока. В трубку вкладывался металлический шарик, который при подаче тока стремился притянуть к себе электромагнит. Чтобы шарик не «завис» в электромагните, подача тока была кратковременной, с электролитического конденсатора. Таким образом, до электромагнита шарик разгонялся, а дальше при отключении электромагнита летел уже самостоятельно. К этому всему предлагалась электронная мишень, но не будем скатываться к теме о том, какая раньше была интересная, полезная и главное востребованная литература.

Собственно, описанное выше устройство и есть простейшая пушка Гаусса, но естественно, что подобное устройство явно не может быть оружием, разве что при очень большом и мощном единственном электромагните. Для достижения приемлемых скоростей метаемого снаряда необходимо использовать, если так можно выразиться, ступенчатую систему разгона, то есть на стволе должно быть установлено несколько электромагнитов один за одним. Главной проблемой при создании такого аппарата в домашних условиях является синхронизация работы электромагнитов, так как от этого напрямую зависит скорость метаемого снаряда. Хотя прямые руки, паяльник и чердак или дача со старыми телевизорами, магнитофонами, грампроигрывателями и никакие трудности не страшны. На данный момент, пробежав глазами по сайтам, где люди демонстрируют свое творчество, я заметил, что практически все располагают катушки электромагнитов на самом стволе, грубо говоря, просто наматывают на него катушки. Судя по результатам испытаний таких образцов, далеко от нынешней общедоступной пневматике по эффективности такое оружие не ушло, но для развлекательной стрельбы вполне годное.

Собственно, больше всего меня мучает вопрос, почему катушки все стараются расположить на стволе, куда более эффективнее было бы использовать электромагниты с сердечниками, которые будут направлены этими самыми сердечниками к стволу. Таким образом, можно разместить, скажем, 6 электромагнитов на площади, которую занимал ранее один электромагнит, соответственно это даст больший прирост к скорости метаемого снаряда. Несколько секций таких электромагнитов по всей длине ствола смогут разогнать небольшой кусочек стали до приличных скоростей, правда весить установка будет немало даже без источника тока. Все почему-то стараются и высчитывают время разрядки конденсатора, питающего катушку, для того чтобы согласовать катушки между собой, чтобы они разгоняли снаряд, а не тормозили его. Согласен, сесть и посчитать занятие очень интересное, вообще физика и математика замечательные науки, но почему не согласовать катушки при помощи фото и светодиодов и простейшей схемки, вроде как дефицита особого нет и вполне за умеренную плату можно получить необходимые детали, хотя посчитать, конечно, дешевле. Ну, а источник питания электрическая сеть, трансформатор, диодный мост и несколько электролитических конденсаторов соединенных параллельно. Но даже при таком монстре весом килограмм под 20 без автономного источника электрического тока впечатляющих результатов навряд ли получиться добиться, хотя смотря у кого какая впечатлительность. И не не не, я ничего подобного не делал (опустив голову, водит ногой в тапочке по полу), я вот только ту игрушку из ЮТ мастерил с одной катушкой.

В общем, даже при использовании как какое-то стационарное оружие, скажем тот же пулемет для защиты объекта, не меняющего свое местоположение, такое оружие будет достаточно дорогим, а главное тяжелым и не самым эффективным, если конечно речь идет о разумных габаритах, а не о монстре с пятиметровым стволом. С другой же стороны, очень высокая теоретическая скорострельность и боеприпасы по цене копейка за полтонны ну очень уж привлекательно выглядят.

Таким образом, для пушки Гаусса основной проблемой является то, что электромагниты имеют большой вес, ну и как всегда требуется источник электрического тока. В целом, разработку именно оружия на основе пушки Гаусса никто не ведет, есть проект по запуску небольших спутников, но он скорее теоретический и уже давно не развивается. Интерес к пушке Гаусса поддерживается только благодаря кинематографу и компьютерным играм, да еще и энтузиастам, любящим работать головой и руками, которых в наше время, к сожалению, не так много. Для оружия есть более практичное устройство, которое потребляет электрический ток, хотя о практичности тут можно поспорить, но в отличии от пушки Гаусса тут есть определенные сдвиги.

RailGun или по-нашему Рельсотрон

Это оружие не менее известно, чем пушка Гаусса, за что нужно сказать спасибо компьютерным играм и кинематографу, правда если с принципом работы пушки Гаусса знакомы все кто заинтересовался этим видом оружия, то с рельсотроном не все понятною.Попробуем разобраться что это за зверь, как он работает и какие у него перспективы.

Началось все в далеком 1920 году, именно в этом году был получен патент на данный образец оружия, причем оружия изначально, никто не планировал использовать изобретение в мирных целях. Автором рельсотрона, или более известного рэилгана, является француз – Андрэ Луи-Октав Фошон Виепле. Несмотря на то, что конструктору удалось достигнуть некоторого успеха по поражению живой силы противника, его изобретением никто не заинтересовался, уж очень громоздкой была конструкция, а результат был так себе и вполне сопоставимый с огнестрельным оружием. Так почти двадцать лет изобретение было заброшено, до тех пор пока не нашлась страна, которая позволяла тратить себе огромные средства для развития науки, и особенно той части науки, которая могла убивать. Речь идет о фашисткой Германии. Именно там французским изобретением заинтересовался Иоахим Хэнслер. Под руководством ученого была создана значительно более эффективная установка, которая имела длину всего два метра, но разгоняла метаемый снаряд до скорости более 1200 метров в секунду, правда сам метаемый снаряд был выполнен из алюминиевого сплава и имел вес 10 грамм. Тем не менее, этого было более чем достаточно для ведения огня, как по живой силе противника, так и по небронированной технике. В частности свою разработку конструктор позиционировал как средство борьбы с воздушными целями. Более высокая скорость полета метаемого снаряда, в сравнении с огнестрельным оружием, делала работу конструктора весьма перспективной, так как вести огонь по движущимся, причем движущимся постоянно, целям было намного проще. Однако конструкция требовала доработки и конструктор проделал очень большой труд по совершенствованию данного образца, несколько изменив начальный принцип его работы.

В первом образце все было более или менее понятно и ничего фантастического не было. Имелось две рельсы, которые были «стволом» оружия. Между ними укладывался сам метаемый снаряд, который изготавливался из пропускающего электрический ток материала, в результате при подаче тока на рельсы, под воздействием силы Лоренца, метаемый снаряд стремился вперед и в идеальных условиях, которых, естественно, никогда не добиться, его скорость могла приближаться к скорости света. Так как существовало множество факторов, которые мешали разогнать сметаемый снаряд до таких скоростей, то конструктор решил от некоторых из них избавиться. Главным достижением стало то, что в последних наработках уже не метаемый снаряд замыкал цепь, делало это электрическая дуга позади метаемого снаряда, собственно это решение используется до сих пор, только совершенствуясь. Таким образом, конструктору удалось приблизиться к скорости полета метаемого снаряда равной 3 километрам в секунду, в это был 1944 год прошлого века. К счастью конструктору не хватило времени на то, чтобы завершить свою работу и решить те проблемы которые имело оружие, а их было не мало. Причем настолько не мало, что эту разработку спихнули американцам и работ в этом направлении в Советском Союзе не проводили. Только в семидесятых годах начали развивать у нас данное оружие и на данный момент мы, к сожалению, отстаем, ну по крайней мере по общедоступным данным. В США же уже давно достигли скорости в 7,5 километров в секунду и не собираются останавливаться. Работы на данный момент ведутся в направлении развития рельсотрона как средства противовоздушной обороны, так что как ручное огнестрельное оружие рельсотрон все еще фантастика или очень далекое будущее.

Главной проблемой рельсотрона является то, что для достижения максимальной эффективности нужно использовать рельсы с очень малым сопротивлением. На данный момент они покрыты серебром, что вроде бы не так накладно в финансовом плане, однако с учетом того, что «ствол» оружия длиной совсем не один и не два метра, это уже существенные затраты. Кроме того, после нескольких выстрелов рельсы нужно менять и восстанавливать, что деньги, да и скорострельность такого оружия остается очень низкой. Кроме того, не стоит забывать о том, что сами рельсы стараются оттолкнуться друг от друга под воздействием все тех же сил, которые разгоняют метаемый снаряд. По этой причине конструкция должна обладать достаточной прочностью, но в тоже время сами рельсы должны иметь возможность быстрой замены. Но не это главная проблема. Для выстрела требуется огромное количество энергии, так что одним автомобильным аккумулятором за спиной не отделаешься, тут уже нужны более мощные источники электрического тока, что ставит под вопрос мобильность такой системы. Так в США планируют устанавливать подобные установки на эсминцах, причем уже говорят об автоматизации подачи метаемых снарядов, охлаждении и прочих прелестях цивилизации. На данный момент заявленная дальность стрельбы по наземным целям составляет 180 километров, о воздушных пока молчат. Наши же конструкторы пока еще не определились с тем, где они будут применять свои наработки. Однако по обрывкам информации можно сделать вывод, что как самостоятельное оружие рельсотрон пока использоваться не будет, а вот как средство, которое дополняет уже существующее дальнобойное оружие, позволяя существенно добавить к скорости метаемого снаряда желаемые пару сотен метров в секунду, рельсотрон имеет хорошие перспективы, да и стоимость такой разработки будет куда ниже нежели какие-то мегапушки на собственных кораблях.

Остается только вопрос стоит ли считать нас в этом вопросе отставшими, так как обычно то, что работает плохо стараются пропиарить всеми возможными способами «шоб усе боялись», а вот то, что действительно эффективно, но его время еще не пришло, закрыто за семью замками. Ну, по крайней мере, в это хочется верить.