Gauss gun – сказание о 3% КПД
Как-то на просторах интернета я нашел статью про Гаусс пушку и задумался над тем, что неплохо было бы заиметь себе одну (или даже две). В процессе поиска наткнулся я на сайт gauss2k и по простейшей схеме собрал супер-крутую-мега-гаусс-пушку.
Вот она:
И немного пострелял:
И взяла меня тут грусть-печаль сильная о том, что не супер-крутая пушка у меня, а так – пукалка, каких много. Сел я и начал думать, как же мне кпд повысить. Долго думал. Год. Прочитал весь гаусс2к и пол евойного форума. Придумал.
Оказывается, есть программа, написанная учеными заморскими, да нашими умельцами под гаусс пушечку допиленная, и зовется она не иначе как FEMM.
Скачал я с форума .lua скрипт да программу заморскую 4.2 версии и приготовился удариться в расчеты научные. Но не тут-то было, не захотела программа заморская запускать скрипт русский, ибо скрипт под 4.
0 версию сделан был. И открыл я инструкцию (у них мануалом она зовется) на языке буржуинском и воскурил ее полностью.
Открылась мне истина великая о том, что в скрипт, окаянный, нужно вначале добавить строку хитрую.
Вот она:
setcompatibilitymode(1) — включаем режим совместимости с версией femm 4.2
И засел я за расчеты долгие, загудела машина моя счетная, и получил описание я ученое:
ОписаниеЕмкость конденсатора, микроФарад= 680 Напряжение на конденсаторе, Вольт = 200 Сопротивление общее, Ом = 1.800147899376892 Внешнее сопротивление, Ом = 0.5558823529411765 Сопротивление катушки, Oм = 1.244265546435716 Количество витков в катушке = 502.1193771626296 Диаметр обмоточного провода катушки, милиметр = 0.64 Длина провода в катушке, метр = 22.87309092387464 Длина катушки, милиметр = 26 Внешний диаметр катушки, милиметр = 24 Индуктивность катушки с пулей в начальном положении, микроГенри= 1044.92294174225 Внешний диаметр ствола, милиметр = 5 Масса пули, грамм = 2.450442269800038 Длина пули, милиметр = 25 Диаметр пули, милиметр = 4 Расстояние, на которое в начальный момент вдвинута пуля в катушку, милиметр = 0 Материал из которго сделана пуля = № 154 Экпериментально подобранный материал (простое железо) Время процесса (микросек)= 4800 Приращение времени, микросек=100 Энергия пули Дж = 0.2765589667129519 Энергия конденсатора Дж = 13.6 КПД гауса(%)= 2.033521814065823 Начальная скорость пули, м/с = 0 Скорость пули на выходе из катушки, м/с= 15.02403657199634
Максимальная скорость, которая была достигнута, м/с = 15.55034094445013
И тут я сел реализовывать сие колдунство в реальность.
Взял трубку от антенны (одна из секций D = 5mm) и сделал в ней пропил (болгаркой), ибо трубка это замкнутый виток в котором будут наводиться токи окаянные, вихревыми зовущиеся, и будут эту самую трубку нагревать, снижая КПД, который и так невысок.
Вот что получилось: прорезь ~ 30 мм
Начал мотать катушку. Для этого вырезал из фольгированного стеклотекстолита 2 квадрата (30х30 мм) да с отверстием в центре (D = 5мм) и дорожки на нем вытравил хитрые, чтобы к трубке припаять (она то хоть и блестит как железка, но на самом деле латунная).
Со всем этим добром сел мотать катушку:
Намотал. И по все той же схеме собрал сей хитрый девайс.
Вот как это выглядит:
Тиристор и микрик были из старых запасов, а вот конденсатор я достал из компьютерного БП (там их два). Из того же БП впоследствии использовались еще диодный мост и дроссель переделанный в повышающий трансформатор, ибо от розетки заряжаться опасно, да и нет ее в чистом поле, а потому нужен преобразователь построением которого я и занялся. Для этого взял ранее собранный генератор на NE555:
И подключил его к дросселю:
у которого было 2 обмотки по 54 витка 0,8 проводом. Питал я все это от АКБ на 6 вольт. И вот ведь колдунство какое – вместо 6 вольт на выходе (обмотки то одинаковые), я получил целых 74 вольта. Выкурив еще пачку мануалов по трансформаторам я узнал:
Немного подумав, я пришел к выводу: раз выходное напряжение у меня 74 вольта, а надо 200 то – 200/74 = в 2,7 раза нужно увеличить количество витков. Итого 54*2,7 = 146 витков. Перемотал одну из обмоток более тонким проводом (0,45). Количество витков увеличил до 200 (про запас). Поигрался с частотой преобразователя и получил вожделенные 200 вольт (по факту 215).
Вот как это выглядит:
Некрасиво, но это временный вариант потом будет переделываться.
Собрав все это добро, я немного пострелял:
Постреляв, решил измерить, что за ТТХ у моей пушки. Начал с измерения скорости.
Посидев вечерком с бумагой и ручкой, вывел формулу, которая позволяет по траектории полета вычислить скорость:
С помощью сей хитрой формулы я получил:
расстояние до цели, x = 2,14 м отклонение по вертикали, y (среднее арифметическое 10 выстрелов) = 0,072 м
Итого:
Я сначала не поверил, но впоследствии собранные пробивные датчики, подключенные к звуковой карте, показали скорость 17,31 м/с
Мерить массу гвоздика я поленился (да и нечем) поэтому взял массу, которую насчитал мне ФЕММ (2,45 грамма). Нашел КПД.
Энергия запасаемая в конденсаторе = (680 * 10^-6 * 200^2)/2 = 13,6 Дж Энергия пули = (2,45 * 10^-3 * 17,3^2)/2 = 0,367 Дж
КПД = 0,367/13,6*100% = 2,7%
Вот в принципе и все что связано с одноступенчатым ускорителем. Вот как он выглядит:
Источник: http://www.pvsm.ru/diy/30697
Пушка Гаусса своими руками ( Индукционный гауссган)
Источник: http://tech.clan.su/publ/technology_sdelaj_sam/diy/27-1-0-83
Пушка Гаусса своими руками в домашних условиях + немного теории
Пушка Гаусса
Ружьё Гаусса или Gauss Gun. Здесь я познакомлю вас с одним перспективным оружием которое можно сделать в домашних условиях за 20 минут.
Принцип работы гаусс гана (далее ГГ) состоит в следующем: если подать на соленоид постоянное напряжение, то любое находящееся у одного из его концов тело из магнитного вещества втянется внутрь него. Это происходит потому что катушка намагничивает тело, и сама катушка с током является магнитом.
Чтобы тело вылетело из соленоида, надо убрать напряжение в тот момент, когда оно достигнет его середины, тогда магнитное поле не будет мешать двигаться телу дальше по инерции.
И как же дать кратковременный и мощный импульс тока? Ответ очевиден: Конденсатор! Заряжаем конденсатор и разряжаем его на катушку. Главное расчитать, чтобы ёмкости хватило до того момента когда снаряд достигнет середины, тогда достигнется наибольший КПД. Вот вобщем то и вся теория.
Простейшая одноступенчатый ГГ
Простейшая одноступенчатый ГГ (схема на рисунке) состоит из батареи накопительных конденсаторов, коммутатора тока (полупроводниковый — тиристор или транзистор, или электромеханический — реле), блока питания и соленоида. На практике КПД одноступенчатого ускорителя не превышает 1% (7% при применении обмоток определенной формы).
Выпрямитель
Выпрямитель используется для зарядки электролитических конденсаторов от сети 220V 50Hz. Резистор желательно использовать большой мощности и установить на радиатор. Диоды любые, на напряжение 350V. Накопительная батарея состоит из 3 электролитических конденсаторов соединенных параллельно — суммарная емкость 3000 мкф и напряжение 300V.
Соленоид выполнен проводом диаметром 0,8мм на стержне от гелевой ручки. Длина обмотки 5см. Катушка многослойная (5 слоев, изолированных друг от друга изоляционной лентой). Сопротивление 0,3Ом. Соединение соленоида и батареи конденсаторов осуществляется механическим ключом. В качестве снаряда хорошо подходит сверло диаметром 3мм или гвозди.
Запуск ускорителя
Для запуска ускорителя поместите снаряд в ствол, как на рисунке. Подключите параллельно конденсаторам вольтметр. Включите выпрямитель в сеть. Подключите конденсаторы к выпрямителю.
Дождитесь, пока вольтметр покажет напряжение 300V (или другое, на которое рассчитаны конденсаторы). Отключите выпрямитель от конденсаторов и сети. Замкните конденсаторы на катушку.
Приобретенной снарядом энергии достаточно для пробивания насквозь лист картона толщиной 1мм или кусок пенопласта толщиной 4мм.
А вот и моя ГГ.
— СЛЕДУЮЩИЙ ОБРАЗЕЦ —————–
Обладать оружием, которое даже в компьютерных играх можно найти только в лаборатории сумасшедшего ученого или возле временного портала в будущее, – это круто.
Наблюдать, как равнодушные к технике люди невольно фиксируют на устройстве взгляд, а заядлые геймеры спешно подбирают с пола челюсть, – ради этого стоит потратить денек на сборку пушки Гаусса. Как водится, начать мы решили с простейшей конструкции – однокатушечной индукционной пушки.
Эксперименты с многоступенчатым разгоном снаряда оставили опытным электронщикам, способным построить сложную систему коммутации на мощных тиристорах и точно настроить моменты последовательного включения катушек. Вместо этого мы сконцентрировались на возможности приготовления блюда из повсеместно доступных ингредиентов.
Итак, чтобы построить пушку Гаусса, прежде всего придется пробежаться по магазинам. В радиомагазине нужно купить несколько конденсаторов с напряжением 350–400 В и общей емкостью 1000–2000 микрофарад, эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм, батарейные отсеки для «Кроны» и двух 1,5-вольтовых батареек типа С, тумблер и кнопку.
В фототоварах возьмем пять одноразовых фотоаппаратов Kodak, в автозапчастях – простейшее четырехконтактное реле от «Жигулей», в «продуктах» – пачку соломинок для коктейлей, а в «игрушках» – пластмассовый пистолет, автомат, дробовик, ружье или любую другую пушку, которую вы захотите превратить в оружие будущего.
Мотаем на ус Главный силовой элемент нашей пушки – катушка индуктивности. С ее изготовления стоит начать сборку орудия. Возьмите отрезок соломинки длиной 30 мм и две большие шайбы (пластмассовые или картонные), соберите из них бобину с помощью винта и гайки.
Начните наматывать на нее эмалированный провод аккуратно, виток к витку (при большом диаметре провода это довольно просто). Будьте внимательны, не допускайте резких перегибов провода, не повредите изоляцию. Закончив первый слой, залейте его суперклеем и начинайте наматывать следующий. Поступайте так с каждым слоем. Всего нужно намотать 12 слоев.
Затем можно разобрать бобину, снять шайбы и надеть катушку на длинную соломинку, которая послужит стволом. Один конец соломинки следует заглушить. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: если она удержит на весу канцелярскую скрепку, значит, вы добились успеха.
Можно вставить в катушку соломинку и испытать ее в роли соленоида: она должна активно втягивать в себя отрезок скрепки, а при импульсном подключении даже выбрасывать ее из ствола на 20–30 см.
Препарируем ценности Для формирования мощного электрического импульса как нельзя лучше подходит батарея конденсаторов (в этом мнении мы солидарны с создателями самых мощных лабораторных рельсотронов). Конденсаторы хороши не только большой энергоемкостью, но и способностью отдать всю энергию в течение очень короткого времени, до того, как снаряд достигнет центра катушки.
Однако конденсаторы необходимо как-то заряжать. К счастью, нужное нам зарядное устройство есть в любом фотоаппарате: конденсатор используется там для формирования высоковольтного импульса для поджигающего электрода вспышки.
Лучше всего нам подходят одноразовые фотоаппараты, потому что конденсатор и «зарядка» – это единственные электрические компоненты, которые в них есть, а значит, достать зарядный контур из них проще простого. Разборка одноразового фотоаппарата – это этап, на котором стоит начать проявлять осторожность.
Вскрывая корпус, старайтесь не касаться элементов электрической цепи: конденсатор может сохранять заряд в течение долгого времени. Получив доступ к конденсатору, первым делом замкните его выводы отверткой с ручкой из диэлектрика. Только после этого можно касаться платы, не опасаясь получить удар током.
Удалите с зарядного контура скобы для батарейки, отпаяйте конденсатор, припаяйте перемычку к контактам кнопки зарядки – она нам больше не понадобится. Подготовьте таким образом минимум пять зарядных плат. Обратите внимание на расположение проводящих дорожек на плате: к одним и тем же элементам схемы можно подключиться в разных местах.
Расставляем приоритеты Подбор емкости конденсаторов – это вопрос компромисса между энергией выстрела и временем зарядки орудия. Мы остановились на четырех конденсаторах по 470 микрофарад (400 В), соединенных параллельно.
Перед каждым выстрелом мы в течение примерно минуты ждем сигнала светодиодов на зарядных контурах, сообщающих, что напряжение в конденсаторах достигло положенных 330 В. Ускорить процесс заряда можно, подключая к зарядным контурам по несколько 3-вольтовых батарейных отсеков параллельно.
Однако стоит иметь в виду, что мощные батареи типа «С» обладают избыточной силой тока для слабеньких фотоаппаратных схем. Чтобы транзисторы на платах не сгорели, на каждую 3-вольтовую сборку должно приходиться 3–5 зарядных контуров, подключенных параллельно.
На нашем орудии к «зарядкам» подключен только один батарейный отсек. Все остальные служат в качестве запасных магазинов.
Определяем зоны безопасности Мы никому не посоветуем держать под пальцем кнопку, разряжающую батарею 400-вольтовых конденсаторов. Для управления спуском лучше установить реле. Его управляющий контур подключается к 9-вольтовой батарейке через кнопку спуска, а управляемый включается в цепь между катушкой и конденсаторами.
Правильно собрать пушку поможет принципиальная схема. При сборке высоковольтного контура пользуйтесь проводом сечением не менее миллиметра, для зарядного и управляющего контуров подойдут любые тонкие провода. Проводя эксперименты со схемой, помните: конденсаторы могут иметь остаточный заряд.
Прежде чем прикасаться к ним, разряжайте их коротким замыканием.
Подводим итог
Процесс стрельбы выглядит так: включаем тумблер питания; дожидаемся яркого свечения светодиодов; опускаем в ствол снаряд так, чтобы он оказался слегка позади катушки; выключаем питание, чтобы при выстреле батарейки не отбирали энергию на себя; прицеливаемся и нажимаем на кнопку спуска. Результат во многом зависит от массы снаряда.
Нам с помощью короткого гвоздя с откусанной шляпкой удалось прострелить банку с энергетическим напитком, которая взорвалась и залила фонтаном полредакции. Затем очищенная от липкой газировки пушка запустила гвоздь в стену с расстояния в полсотни метров.
А сердца поклонников фантастики и компьютерных игр наше орудие поражает без всяких снарядов.
Скачать
— СЛЕДУЮЩИЙ ОБРАЗЕЦ —————–
Скачать
Ускорители масс – от скоростного метро до космического полета
Рассмотренная недавно рельсовая пушка являлась одним из видов так называемых ускорителей масс (англ. Mass driver). Ускорение в магнитном поле за счет силы Лоренца используется не только в экспериментальных пушках, но и в широком спектре промышленных и научных устройств.
Сегодня рассмотрим ближайшего родственника рельсовой пушки – пушку Гаусса и ее более мирные производные.
Наверняка многие помнят серию игр Fallout, где оружие под названием Gauss rifle стреляло небольшими пульками, имея самый большой из всех видов легкого оружия показатель урона и пробивную силу.
Винтовка была прорисована с несколькими последовательно расположенными катушками на стволе. Эти катушки – электромагниты — и разгоняли пули в стволе. Принцип работы пушки гаусса (англ. Coil gun) наиболее наглядно объясняется следующим рисунком
Ферромагнитный снаряд «засасывается» внутрь катушки (соленоида) с определенным ускорением. По достижении середины пуля продолжает двигаться по инерции. Однако теперь сила магнитного поля тянет ее обратно к центру.
Таким образом, мы подходим к первой проблеме – при достижении разгоняемым телом середины магнитного поля катушки это поле начинает препятствовать дальнейшему движению и должно отключаться. Понятно, что чем выше будет напряжение и сила тока, прикладываемого к катушкам, тем сильнее будет воздействие магнитного поля на снаряд.
И здесь кроется вторая проблема – быстрое переключение заряда между катушками. Не смотря на сотни любительских сайтов и десятки тысяч возможных конструкций пушек гаусса, эффективного и технологически простого механизма переключения до сих пор не создано.
Главная проблема – при высоких значениях силы и напряжения тока перегорают кремниевые элементы. Механическое же переключение либо очень неточно, либо крайне сложно в изготовлении. Источником питания во всех имеющихся на сегодня моделях ускорителей подобной конструкции служат блоки конденсаторов.
При этом, КПД преобразования энергии магнитного поля катушки в кинетическую энергию снаряда не превышает 2%. Лучшие образцы самодельных спиральных пушек (coilgun) имеют энергию пули при выстреле в 5-6 Дж. Это в несколько раз меньше, чем у спортивного пневматического пистолета.
Ничего лучше, из того, что можно носить руками, не смогли создать и научные учреждения. зарядов между катушками, отсутствие небольших источников питания, невозможность точного отключения поля при прохождении его середины. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, на существующей технологической базе мировой науке создать ничего толкового не удалось.
Устройства, которые разрабатывались как военные, не смогли даже приблизиться по эффективности к огнестрельному оружию. Так что о винтовках из Fallout можно забыть. Ближайший вариант электромагнитной пушки – упоминавшийся Railgun. Зато у подобных ускорителей огромный потенциал гражданского применения.
Более того, он давно реализован в промышленности и транспортной сфере. В более узком понимании это устройство известно как соленоид и линейный двигатель. Такие двигатели широко применяются в высокоскоростных поездах.
Конструктивно линейный двигатель представляет из себя все те же ротор и статор обычного электромотора. Но обмотки ротора неподвижны на пути следования транспортного средства, а обмотки статора вмонтированы в него.
В результате при приложении электрического тока ротор, будучи прикреплен, например, к поезду, движет его вдоль рельс – статоров. Живой пример – поезд на магнитной подушке Maglev.
Еще более распространенная сфера применения линейных двигателей – высокоточные манипуляторы в станках, современных автоматических дверях и других схожих устройствах. В целом – везде, где есть необходимость преобразования электроэнергии в прямолинейное движение определенных объектов.
Автолюбители могут вспомнить часто выходящие из строя соленоиды би-ксеноновых фар. Да-да, там тоже есть миниатюрные электромагнитные катушки, а шторка линзылампа двигается втягиванием в них ферромагнитного цилиндра. Возвращение в исходный «ближний» свет обеспечивает механическая пружина.
Из экзотических способов применения ускорителей на основе соленоидов стоит отметить концепцию запуска объектов в космос без помощи ракет. Предполагается, что, построив многокилометровый тоннель из одного или нескольких соленоидов, можно обеспечить достаточную для преодоления земного притяжения скорость разгона тела.
При этом, в отличие от рельсовой пушки или обычного выстрела на основе теплового расширения газов, запускаемому объекту обеспечивается сравнительно плавное ускорение. Это делает возможной отправку не только сложного и хрупкого научного оборудования, боящегося перегрузок, но также и человека.
Причем, живого! 🙂 Ускорение в подобных установках можно контролировать увеличением напряжения и силы тока. Ну и фрагментарно отключать поле на многокилометровой установке значительно легче, чем в небольших установках с высокими стартовыми скоростями снаряда. Например, когда разгоняемая капсула достигнет заданной скорости, она не обязательно сделает это в середине тоннеля.
Отключение можно произвести на определенном участке, до входа в противоположный магнитный полюс соленоида. Также не исключается возможность применения нескольких катушек и переключения тока между ними. В обычных условиях располагать подобные комплексы планируется либо глубоко под землей, с направлением шахты строго вверх, либо вдоль склонов высоких гор.
В обоих случаях решается проблема опоры гигантских металлических конструкций. Сколько весит многокилометровая катушка медного кабеля и ее опоры, даже не хочется считать.
Желающие могут подержать в руках трансформатор, сравнив соотношение веса к размеру 🙂 Стоит заметить, что более перспективным считается строительство подобных космических ускорителей на нашем естественном спутнике – Луне. Практическое отсутствие атмосферы и низкая гравитация + низкая окружающая температура открывают фантастические перспективы для сверхпроводящих магнитов.
Монорельсовый ускоритель на основе линейного мотора либо тоннель из соленоидов планируется размещать горизонтально на поверхности Луны под небольшим углом. Питаться установка может либо от солнечных батарей, либо от привезенных на Луну ядерных реакторов. Таким образом, космическому аппарату сообщалась бы высокая начальная скорость, а дальше в дело вступают ионные двигатели.
Луна в таком виде превратилась бы в перевалочную базу для дальнейшего освоения Солнечной системы. Или даже в первый земной космопорт. Это, кстати, является одной из причин приоритетного освоения нашего спутника.
Если вспомнить, что на Луне практически доказано существование в реголите (лунном грунте) большого количества гелия-3, то все это даже обретает смысл. Поясню для тех, кто не в курсе: Гелий-3 интересен в качестве топлива для управляемого термоядерного синтеза.
В земных условиях гелий-3 распространен очень слабо, в атмосфере его содержится 0,000137 %. На Земле гелий-3 добывают только путем искусственного синтеза. Годовой объем производства составляет всего несколько десятков граммов. В то же время в реголите содержание этого изотопа составляет 0,04% или 0,01 грамма на тонну.
Чтобы понять энергетическую ценность, достаточно сказать, что при реакции 1 тонны гелия-3 с 0,67 тоннами дейтрия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн. тонн нефти.
Принципиальная возможность управляемого термоядерного синтеза на основе гелия-3 подтверждена, однако строительство коммерческого реактора не имеет смысла, поскольку понадобятся сотни килограмм этого топлива, которые при текущих объемах синтеза взять ближайшие 100-200 лет будет негде.
Несложно представить, что гигантские ускорители, питаемые термоядерными реакторами, будут способны разгонять космические аппараты до скоростей, при которых путешествие к отдаленным планетам будет занимать месяцы, а не годы. А если вспомнить, что ускорителю не обязательно быть прямым и тоннель можно построить спиральным, с окончанием в произвольную сторону, то возможности получаются действительно революционными.
В общем, подобное преобразование электроэнергии в кинетическую имеет массу применений, помимо военного. И, возможно, к концу 2020-х годов мы даже это увидим.
Источник: http://magspace.ru/blog/268254.html
(нет голосов)
Загрузка...
detector