Будівництво потужного електромагнітного прискорювача. 6
Збірка невеликого електромагнітного прискорювача. 8
Програми, використані при проектуванні МУ. 10
Основні характеристики МУ. 13
Список літератури. 14
Магнітний прискорювач мас (МУ) або електромагнітну гармату частіше називають Gauss gun. Ця назва виникла ще в першій половині минулого століття тому, що величина магнітного поля вимірювалася тоді в гаусах, на ім'я вченого і математика Гаусса. (10000 гс = 1 Тл). Зараз, найчастіше, можна зустріти гауссовку в комп'ютерних іграх або науковій фантастиці, але, тим не менш, можна відшукати і реальні, реалізовані проекти. Можливо, їх показники далекі від бажаних, але роботи по поліпшенню ведуться не припиняючись, наприклад Сполучені Штати щорічно витрачають мільярди доларів на розробку МУ для озброєння ПРО. Вже зараз існують зразки, які 20 років тому дійсно вважалися вигадкою і фантастикою.
Існує, як мінімум 3 типи прискорювачів мас: електромагнітні прискорювачі мас (Gauss gun), індукційні прискорювачі мас (котушка Томпсона), рейкові прискорювачі мас (від англ. "Rail gun" - рейкова гармата).
Рис.1 Схема одноступінчатого МУ
до моменту підльоту снаряда до середини обмотки, струм в останній вже встигав би зменшиться до мінімального значення, тобто заряд конденсаторів був би вже повністю витрачений, і снаряд зміг би продовжити рух за інерцією. В такому випадку ККД одноступінчастого (рис.1) МУ буде максимальним.
Існують різноманітні варіанти схем багатоступінчастого МУ, які передбачають синхронізацію замикання ланцюга (котушка - конденсатор) при підльоті снаряда до обмотці (рис.2).
Рис.2 Зібрана плата (на фотографії плата зібраного МУ)
котушка Томпсона
Рис.3 Котушка Томпсона
В основу функціонування індукційного прискорювача мас покладений принцип електромагнітної індукції. У плоскій обмотці створюється швидко наростаючий електричний струм, який викликає в просторі навколо змінне магнітне поле. В обмотку вставлений феритовий сердечник, на вільний кінець якого надіто кільце з провідного матеріалу. Під дією змінного магнітного потоку, що пронизує кільце в ньому виникає електричний струм, який створює магнітне поле протилежної спрямованості щодо поля обмотки. Своїм полем кільце починає відштовхуватися від поля обмотки і прискорюється, злітаючи з вільного кінця ферритового стрижня. Чим коротше і сильніше імпульс струму в обмотці, тим потужніше вилітає кільце.
Рис.4 Рейкова гармата
Інакше функціонує рейковий прискорювач мас. У ньому проводить снаряд рухається між двох рейок - електродів (звідки і отримав свою назву - рельсотрон), за якими подається струм. Джерело струму підключається до рейок у їх підстави, тому струм тече як би навздогін снаряду і магнітне поле, створюване навколо провідників зі струмом, повністю зосереджено за проводять снарядом. В даному випадку снаряд є провідником зі струмом, вміщеним до перпендикулярного магнітне поле, створене рейками. На снаряд діє сила Лоренца, спрямована в бік протилежний від місця підключення рейок і прискорює снаряд. З виготовленням рельстрона пов'язаний ряд серйозних проблем: імпульс струму повинен бути потужним і різким, снаряд не повинен встигнути випарується (адже через нього протікає величезний струм), але виникла б прискорює сила, розвіюєш його вперед. Тому матеріал снаряда і рейок повинен володіти якомога більше високу провідність, снаряд як можна меншою масою, а джерело струму якомога більшою потужністю і меншою індуктивність. Однак особливість рейкового прискорювача в тому, що він здатний розганяти сверхмалі маси до понад великих швидкостей. На практиці рейки виготовляють з безкисневої міді покритої сріблом, як снаряди використовують алюмінієві брусочки, в якості джерела живлення - батарею високовольтних конденсаторів, а самому снаряду перед входженням на рейки намагаються надати якомога більшу початкову швидкість, використовуючи для цього пневматичні або вогнепальні гармати.
Спроби створення електромагнітних гармат робилися багато разів, і в 80 роках 20 століття у Франції побудували електричне знаряддя. Ця модель кидала снаряд вагою в 50 грамів зі швидкістю 200 метрів в секунду. Чому ж не змогли побудувати за цією моделлю справжню бойову зброю, скажімо 76-міліметрову гармату? Для метання снаряда з 76-міліметрової вогнепальної гармати витрачалося в шість тисячних часток секунди величезна енергія в кілограмомметров, тобто була необхідна потужність в кінських сил. Така ж потужність, звичайно, необхідна для стрільби з будь-якої і невогнепальна 76-міліметрової гармати, яка кидає такий же снаряд на тій самій відстані. Але в машині неминучі втрати. У кращому випадку вони складуть не менше 50% її потужності. Значить, потужність машини при нашій електричної гармати повинна бути не менше кінських сил. Ця потужність величезною електростанції. Але мало цього, для того щоб повідомити необхідну для руху снаряда енергію в нікчемний проміжок часу, потрібний струм величезної сили. Щоб виділити величезну енергію в малий проміжок часу, потрібно ввести на електростанції якесь спеціальне обладнання. Обладнання, що застосовується не витримає того "удару", який піде за "короткому замиканні" дуже сильного струму. Якщо ж подовжити час дії струму на снаряд, то потрібно подовжити ствол. Зовсім не обов'язково, щоб постріл "тривав", наприклад, одну соту секунди. Цілком можливо подовжити час пострілу до однієї секунди, тобто в 100 разів. Але тоді приблизно в стільки ж разів потрібно було б подовжити і стовбур. Виявляється, в цьому випадку, для того щоб кинути той же 76-міліметровий снаряд на півтора десятка кілометрів, ствол гармати довелося б зробити довжиною близько 200 метрів.
Рис.5 Можливо, так виглядала б електропушка середньої потужності
Очевидно, що такі величезні споруди (рис.5) дороги і не вигідні. Чому ж розробки все одно ведуться? Справа в тому, що МУ має багато переваг:
Розгін снаряда можна виконувати плавно, що робить можливим створення такого собі подоби поїзда, транспортних мереж, можливо, це буде не на Землі, а в космосі, і станеться не скоро, але перспектива залишається. Теоретично, запустити снаряд можна на сотні і навіть тисячі кілометрів, шляхом подовження стовбура (схожість можна знайти з важелем, ми втрачаємо в відстані, але виграємо в силі). Снаряд можна розігнати до величезних швидкостей, збільшуючи довжину ствола і, можливо, число незалежних обмоток (тільки варто синхронізувати їх роботу). Повна безшумність пострілу.
Gauss gun має великий потенціал і можливості. Звичайно, існують проблеми, здебільшого, полягають в недостатньо розвинених технологіях отримання великих імпульсів струму, досягнення надпровідності, а також створення потужних портативних акумуляторів. Як відомо, ці технології розвиваються дуже швидко, тим самим, готуючи "підстава" для втілення ідеї МУ.
Розглядався варіант із застосуванням світлових або ІК-діодів (інфра-червоних) в парі з фотодіодами. Протягом усього стовбура гармати, за кількістю котушок, навпроти один-одного, попарно стоять підключення ІК - і фото-діоди, при проходженні снаряда між ними, припиняється подача інфра-червоного випромінювання, потім спрацьовує діод - перемикається котушка (подібна система може використовуватися для створення датчика швидкості). Але така система досить складна, і має ряд проблем з налаштуванням.
Вибравши каскадний, незалежний спосіб перемикання (перемикання котушок не залежить від розташування снаряда), більш зручний і практичний, виникла тільки проблема чіткого розміщення котушок уздовж стовбура (рис.7).
Рис.7 Ствол гармати
Проте, чітко розставивши котушки і підібравши опір на резистори, можливе використання снарядів з досить великою різницею мас (від 2-5. До 45-48 грам). Безумовно, при використанні різних тел буде змінюватися і кінцева швидкість пострілу.
Програми, використані при проектуванні МУ
Рис.8. 3-D модель. Варіант 1 (4 котушки)
Рис.9. 3-D модель. Варіант 1 (4 котушки)
Рис.12 Графік зміни струму і напруги в часі найпростішого коливального контуру (рис.11)
Основні характеристики МУ
Довжина стовбура - 100 см
Внутрішній радіус ствола - 2,3см
Розміри основного корпусу - 30х20х15см
Кількість котушок - 8
Діапазон мас снарядів - 2-45гр
Харчування - 220В; 50Гц
Ємність кожного конденсатора - 2200мкФ
Напруга кожного конденсатора - 12В
Характеристики котушки (у вигляді порожнього циліндра) - r-2,7см, R-3.6см, L-3 см. Товщина мідного дроту - 0,05см
Швидкість снаряда безпосередньо залежить від його фізичних властивостей (маси, об'єму, форми і феромагнітних властивостей). Конструкція дозволяє експериментувати з різними снарядами, досліджувати різні варіанти.
Розробляючи, і збираючи невеликий багатоступінчастий МУ типу гаус-гана, виникали проблеми, зокрема через нестачу інформації з цього питання. Доводилося долати багато труднощів, не маючи точного уявлення про кінцевий результат. Але в даній області можна самостійно знайти нові рішення деяких завдань, що робить її дуже цікавою, тим більше що ідеї створення таких установок дуже перспективні. Знаходячи все нові варіанти вирішення проблем, збираючи більш потужні схеми, можна безмежно удосконалювати конструкцію. Так само розвиваються технології створення портативних акумуляторів, що дозволить розширити можливості реалізації проектів.
Сучасні установки різних типів не дають бажаних результатів, але від теорії МУ, вважаю, відмовлятися не будуть, створюючи установки більш потужні, з великим ККД, крім того, вважається, що його можна наблизити до 95%.