БОУ ДОД м.Києва «Центр додаткової освіти дітей« Еврика »
Міська конференція учнів «Кроки в науку»
Секція: фізика
Тема: «Моя перша модель індукційного прискорювача - гармата Гауса»
Виконав: Корабльов Олександр Романович,
який навчається 8 класу БОУ «Ліцей № 92»
Керівник: Початкова Олена Миколаївна,
учитель фізики БОУ «Ліцей № 92»
Глава 1. Принцип дії і застосування прискорювача мас.
1. 1. Історична довідка .......................................................... 4
1. 2. Принцип дії гармати Гаусса ............................................. 4
1.3. Застосування прискорювачів мас ................................................ 5
Глава 2. Моделювання та випробування котушки Гаусса.
2. 1. Моделювання та збирання гармати Гаусса ..................................... 7
2. 3. Дослідження ефективності гармати Гаусса ............................... 8
Бібліографічний список ……………………………………………… …. 10
З середини ХХ століття ведуться систематичні наукові роботи по створенню принципово нових електромагнітних прискорювачів маси. Одним з родоначальників вітчизняних розробок у цій галузі був видатний радянський вчений, дослідник плазми Л.А. Арцимович. Нещодавно в лабораторії Шатурського філії Об'єднаного інституту високих температур Російської академії наук були проведені випробування унікального пристрою - рельстрона Арцимовича, який являє собою електромагнітну гармату, що стріляє поки дуже маленькими снарядами - масою до трьох грамів. Однак руйнівні здібності такої «горошини» вражаючі. Досить сказати, що поставлена на її шляху сталева пластина просто-напросто випарувалася, перетворившись в плазму. (Додаток 1, рис.1)
Актуальність. Сучасні успіхи, що стосується прискорювача, накопичення енергії і освіти імпульсів, виявляється про ймовірність того, що системи озброєння в недалекому майбутньому можуть бути оснащені електромагнітними гарматами. Що також стане сильним імпульсом технологічного прогресу і нововведення при значному ефекті в цивільному секторі. З екзотичних способів застосування прискорювачів на основі соленоїдів варто відзначити концепцію запуску об'єктів в космос без допомоги ракет.
Метою моєї роботи є: створення дослідного зразка, що діє індукційної гармати - Гармати Гауса і проведення ряду експериментів для дослідження дії цього пристрою.
- вивчити існуючу інформацію про способи прискорення мас електромагнітним полем і пристроях, які здійснюють цей спосіб;
- вибрати необхідні матеріали для створення дослідного зразка моделі;
- провести комплекс випробувань з метою експериментальної перевірки дальності польоту, кінетичної енергії снаряда;
- досліджувати ефективність моделі, обчислити ККД установки.
Глава 1.Принцип дії і застосування прискорювача мас
Вважається, що першими висунули ідею електромагнітної гармати французькі інженери Фашон і Віллепле ще в 1916 році. (Додаток 1, рис. 2) Грунтуючись на принципі індукції Карла Гаусса, вони використовували в якості стовбура ланцюжок котушок-соленоїдів, на які послідовно подавався струм. Їх діюча модель індукційного гармати розігнала снаряд масою 50 грам до швидкості 200 метрів в секунду. У порівнянні з пороховими артилерійськими установками результат, звичайно, вийшов досить скромний, проте показав принципову можливість створення зброї, в якому снаряд розганяється без допомоги порохових газів. Втім, і у французів далі моделі «гармати Гаусса» справа не пішла, оскільки для того часу розробки здавалися надто фантастичними. До того ж ця новинка, як уже зазначалося, не давала переваг щодо пороху.
Робота з модернізації електромагнітної гармати швидко просувається в США, а також починається в інших країнах. Гармата Гауса в якості зброї має переваги, якими не володіють інші види стрілецької зброї. Це відсутність гільз та необмеженість у виборі початкової швидкості і енергії боєприпасу, можливість безшумного пострілу, відносно мала віддача, теоретично, велика надійність і зносостійкість, а також можливість роботи в будь-яких умовах, в тому числі космічного простору.
1.2. Принцип дії гармати Гаусса
Гармата Гауса - магнітний прискорювач мас. На ім'я вченого і математика Гаусса, в честь іменем якого названо одиниці виміру магнітного поля. (Додаток 2, рис.3)
Магнітний прискорювач складається з соленоїда, всередині якого знаходиться стовбур (як правило, з діелектрика). В один з кінців стовбура вставляється снаряд (зроблений з феромагнетика). При протіканні електричного струму в соленоїді виникає магнітне поле, яке розганяє снаряд, «втягуючи» його всередину соленоїда. Але пролетівши далі середини котушки, він починає сповільнюватися, так як котушка тягне його в зворотному напрямку. Але якщо в момент проходження снаряда через середину соленоїда відключити в ньому струм, то магнітне поле зникне, і снаряд вилетить з іншого кінця стовбура. Але при виключенні джерела живлення в котушці утворюється струм самоіндукції, який має зворотній напрямок струму, і тому змінює полярність котушки. А це означає, що при різкому виключенні джерела живлення снаряд, що пролетів центр котушки, буде відштовхуватися і отримувати прискорення далі. В іншому випадку, якщо снаряд не досяг центру, він буде гальмуватися.
1.3. Застосування прискорювачів мас
Подібні прискорювачі давно використовують в промисловості і транспортній сфері. У більш вузькому розумінні це пристрій відомо як соленоїд і лінійний двигун. Такі двигуни широко застосовуються в високошвидкісних поїздах. Живий приклад - поїзд на магнітній подушці Maglev. (Додаток 2, рис.4)
Ще більш поширена сфера застосування лінійних двигунів - високоточні маніпулятори в верстатах, сучасних автоматичних дверях і інших схожих пристроях. В цілому - всюди, де є необхідність перетворення електроенергії в прямолінійний рух певних об'єктів.
Більш перспективним вважається будівництво космічних прискорювачів на нашому природному супутнику - Місяці. (Додаток 3, рис. 6) Практична відсутність атмосфери і низька гравітація плюс низька навколишня температура відкривають фантастичні перспективи для надпровідних магнітів. Монорельсовий прискорювач на основі лінійного двигуна або тунель з соленоїдів планується розміщувати горизонтально на поверхні Місяця під невеликим кутом. Харчуватися установка може або від сонячних батарей, або від привезених на Місяць ядерних реакторів. Таким чином, космічному апарату повідомлялася б висока початкова швидкість, а далі в справу вступають іонні двигуни.
Місяць в такому вигляді перетворилася б на перевалочну базу для подальшого освоєння Сонячної системи або навіть в перший земний космопорт. Нескладно уявити, що гігантські прискорювачі, що живляться термоядерними реакторами, будуть здатні розганяти космічні апарати до швидкостей, при яких подорож до віддалених планет буде займати місяці, а не роки.
Глава 2. Моделювання та випробування котушки Гаусса
2.1. Моделювання та збирання гармати Гаусса
Насамперед я вивчив принцип дії і різні схеми гармати Гаусса і написав свою первинну схему даного пристрою. Наступним кроком став вибір деталей та матеріалів для створення електромагнітного прискорювача мас: мій вибір припав на з'єднувальні дроти, мідний емальований провід діаметром 0.7 мм, дерев'яну дошку, 5 гальванічних елементів (крон), конденсатори 4700 мкФ 63V 3 шт. кнопки 4 шт. і латунну трубку.
Першою моделлю став прототип на дерев'яній дошці з одним конденсатором і однією котушкою, природно, він був не без недоліків: патрон летів недалеко. Ретельно проаналізувавши досвід складання прототипу, я склав наступну схему і модернізував прототип забезпечивши його другим соленоидом, тиристором, фотодиодом, светодиодом і ще двома конденсаторами (Додаток 4, рис. 7).
Позбувшись від нестачі прототипу, я приступив до збірки робочої моделі гармати Гаусса.
Спочатку я намотав котушку, використовуючи латунну трубку, дві обрізані кришки і мідний емальований провід. Намотував наступним чином: використовуючи вирізки з пробок, як обмежувач я мотав провід шар за шаром. Після того як намотав котушку, я вирізав три заготовки для кріплення трубки, одну для конденсаторів і два кріплення для кнопок, а потім зігнув їх. Кріплення під батарейки вирізувалося з пластмаси. Ще було знайдено кріплення до тиристору і фотодіоду з світлодіодом. Далі я розташував всі компоненти і розмітив їх розташування і розташування отворів, необхідних для закріплення деталей. Потім закріпив гальванічні елементи, конденсатори, кнопки, тиристор на модельної дошці, фотодіод і світлодіод на трубці з котушками. Але перед тим як кріпити фотодіод і світлодіод, я вирізав два отвори в трубці, для потрапляння світла на світлодіод. Далі йшла пайка. (Додаток 4, рис.8)
Моє поліпшення даного пристрою полягає в наступному: у другій схемі було використано два соленоїди, один з яких включався як тільки снаряд долітав до нього, це дозволило добитися більшої швидкості снаряда і збільшити ККД пристрою.
2.2. Випробування. розрахунки
Зробивши по 10 пострілів з кожним із снарядів і обчисливши кінетичну енергію снарядів, я заніс дані в таблицю, в якій наводяться всі дані по установці - це енергія, що запасається в конденсаторах, висота стовбура, початкова швидкість кулі, її енергія і маса.
Енергія, запасається в конденсаторі: W = CU2 / 2
U - напруга конденсатора (в Вольтах)
C - ємність конденсатора (в Фарадах). Енергія, запасається при паралельному з'єднанні конденсаторів дорівнює:
W = 4,801144 Дж (один конденсатор)
W = 9,602288 Дж (два конденсатора)
Кінетична енергія снаряда
, = ℓ, де ℓ-дальність польоту тіла (координата x), h - висота, з якої падає тіло (координата y), яке отримало горизонтальну швидкість - маса снаряда (в кілограмах) - його швидкість по осі ОХ (в м / с) . (Додаток 5, Таблиця №1. Таблиця №2)
Висновок: Розрахунки показують, що швидкість вильоту у снаряда досить висока при використанні багатоступінчастої системи котушок.
2.3.Ісследованіе ефективність гармати Гаусса
У даній роботі я спробував оцінити можливий ККД установки η, тому що
основний її недолік - низький ККД. Лише 1-7% заряду конденсаторів переходять в кінетичну енергію снаряда.
Гіпотеза: Параметри обмотки, снаряда і конденсаторів повинні бути узгоджені таким чином, щоб до моменту підльоту снаряда до середини обмотки, струм в останній вже встигав зменшитися до мінімального значення, тобто заряд конденсаторів був би вже повністю витрачений. В такому випадку ККД має бути максимальним.
В якості направляючої була використана латунна труба, котушка намотана мідним дротом діаметром d = 0,7 мм в K = 9 шарів по N = 22 витка в кожному, як снаряд використовувався сталевий стрижень зі сталевим кулькою довжиною s = 66 мм і масою m = 4,452 м Імпульс струму в першій котушці з активним опором обмотки r = 3 Ом виникав при розрядці конденсатора ємністю C = 4700 мФ, зарядженого до напруги U = 45.2 В. Для оцінки ефективності гармати вимірювалася дальність стрільби з піднесення h = 81 см. Час падіння снаряда τ визначається висотою h. а дальність польоту ℓ швидкістю вильоту v.
Я встановлював в трубі на відстані Δ від її краю снаряд, і, розраховуючи ККД, отримав залежність ККД від початкового положення снаряда, який представлений в таблиці. (Додаток 6, таблиця № 3)
Висновок: Як видно з таблиці, ККД максимально при такій закладці снаряда, при якій його центр буде всередині котушки, а при висуванні стержня з котушки ККД різко падає.
Електромагнітні прискорювачі - перспективне пристрій, який, безсумнівно, буде застосовуватися в майбутньому в промисловості, науки, побуті і військовій справі. Однак головною перешкодою в їх використанні є надзвичайно низький ККД. ККД максимально при такій закладці снаряда, при якій його центр буде всередині котушки і краще використовувати не Однокатушечний, а багатоступеневу модель ЕМ прискорювача.
Існує ряд способів його підвищення для соленоїдного електромагнітного прискорювача, які в порівнянні з вихідними результатами дають істотне підвищення, однак в загальному плані ККД все одно залишається досить низьким і не перевищує 17%.
Крім цього, на сьогоднішній день соленоїдний прискорювач - гармата Гауса не має особливих перспектив в якості зброї, так як значно поступається іншим видам стрілецької зброї. Перспективи можливі лише в майбутньому, якщо будуть створені компактні і потужні джерела електричного струму і високотемпературні надпровідники (200-300К).
2. Маліков, В.Г. Визнано несвоєчасним / В.Г.Маліков // Техника молодежи. - 1987. - №5. - С - 30.
3. Потужні напівпровідникові прилади: Довідник / В.Я.Замятін, В.Кондратьев, В.М.Петухов. - М. Радіо і зв'язок, 1988. - С. 336.
Мал. 1. Випробування електромагнітної гармати в лабораторії Шатурського філії Об'єднаного інституту високих температур Російської академії наук.
Мал. 2. Загальний вигляд електромагнітної гармати Фашона і Віллепле.
Рис.3 Електромагнітний прискорювач мас.
Рис.4 Поїзд на магнітній подушці Maglev.
Мал. 5 Багатоцільовий есмінець нового покоління DD (X)
Мал. 6 Прискорювачі мас на Місяці.
Мал. 7 Схема збірки діючої моделі - гармати Гаусса
Мал. 8 Діюча модель гармати Гаусса.
Таблиця №1 Результати обчислення для снаряда з масою 4 г