II Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ПУШКА ГАУССА – ОРУЖИЕ ИЛИ ИГРУШКА?

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бекетов К.С. 1

---

1

Мезина О.А. 1

---

1

Работа в формате PDF

625.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Пушка Гаусса принадлежит к недостаточно исследованному виду электромагнитного оружия. Многие учёные пытаются усовершенствовать её принцип действия, но до сих пор характеристики большинства образцов оставляют желать лучшего. Электромагнитный способ приведения физического тела в движение был предложен еще в начале 19 столетия, но отсутствие надлежащих средств накапливания электрической энергии мешало его реализации. Последние разработки привели к значительному прогрессу в накоплении электрической энергии, таким образом, значительно возросла возможность появления систем с электромагнитными пушками. Сейчас, пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия:

- отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса;

- возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса;

- относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей);

- большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Я предположил, что пушку Гаусса можно применять в различных сферах, связанных с жизнедеятельностью человека. Важную роль могут сыграть новые материалы или различные варианты конструкций. Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, может явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе.

Мой интерес к реконструкции пушки Гаусса вызван простотой сборки и доступностью материалов, простота в использовании с одной стороны и большая энергозатратность с другой, что и определило основную проблему исследования. Недостаточно изучен спектр применения электромагнитного ускорителя в повседневной жизни. Создать модель ускорителя масс, на основе анализа экспериментальных данных выяснить, где можно использовать пушку Гаусса, в каких сферах жизнедеятельности человека.

Данные противоречия актуализировали и обусловили выбор темы исследования:

«Пушка Гаусса-оружие или игрушка?».

Почему я выбрал эту тему? Я заинтересовался устройством пушки и решил создать модель такой пушки Гаусса, т.е. любительскую установку. Её можно использовать как игрушку. Но, создавая модель, я стал задумываться, где же ещё можно применять пушку Гаусса и как сконструировать более мощную пушку, что же для этого нужно?! Как можно увеличить бегущее электромагнитное поле?

Цель работы: Создать и исследовать различные варианты конструкций пушки Гаусса при изменении физических параметров частей пушки.

Задачи исследования:

1. Создать действующую модель пушки Гаусса для демонстрации на уроках физики явления электромагнитной индукции.

2. Исследовать эффективность работы пушки Гаусса от ёмкости конденсатора и индуктивности соленоида.

3. На основе результатов исследования предложить новые области применения пушки в сфере жизнеобеспечения человека.

Предмет исследования – явление электромагнитной индукции.

Объект исследования – модель Пушка Гаусса.

Методы исследования:

1. Анализ научной литературы.

2. Материальное моделирование, конструирование.

3. Экспериментальные методы исследования

4. Анализ, обобщение, дедукция, индукция.

Практическая значимость: Данный прибор можно использовать для демонстрации на уроках физики, что будет способствовать лучшему усвоению учащимися данных физических явлений.

Основная часть

Глава 1. Теоретические основы исследования

1. 1.Электромагнитные пушки. Пушки катушечного типа.

Электромагнитные пушки – это общее название установок, предназначенных для ускорения предметов (объектов) с помощью электромагнитных сил. Такие устройства называются электромагнитными ускорителями масс.

Электромагнитные пушки разделяют на следующие виды:

1. Рельсотрон – это устройство представляет собой электродный импульсный ускоритель масс. Работа этого прибора заключается в передвижении снаряда между двух электродов – рельс - по которым течет ток. Благодаря этому электромагнитные пушки такого типа и получили свое название – рельсотрон. В таких приборах источники тока подключаются к основанию рельс, в результате ток течет «вдогонку» движущемуся объекту. Магнитное поле создается вокруг проводников, по которым протекает ток, оно сосредоточено за движущимся снарядом. В результате объект, по сути, является проводником, который помещен в перпендикулярное магнитное поле, создаваемое рельсами. Согласно законам физики, на снаряд воздействует сила Лоренца, которая направлена в противоположную сторону от места подключения рельс и ускоряет объект.

2. Электромагнитные пушки Томпсона – это индукционные ускорители масс. В основу работы индукционных пушек заложены принципы электромагнитной индукции. В катушке устройства возникает быстро нарастающий ток, он вызывает в пространстве магнитное поле переменного характера. Обмотка намотана вокруг ферритового сердечника, на конце которого находится токопроводящее кольцо. Благодаря воздействию магнитного потока, который пронизывает кольцо, возникает переменный ток. Он создает магнитное поле, имеющее противоположную полю обмотки направленность. Проводящее кольцо своим полем отталкивается от противоположного поля обмотки и, ускоряясь, слетает с ферритового стержня. Скорость и мощность вылета кольца напрямую зависят от силы импульса тока.

3. Электромагнитная пушка Гаусса – магнитный ускоритель масс. Назван в честь математика-ученого Карла Гаусса, который внес огромный вклад в изучение свойств электромагнетизма. Основным элементом пушки Гаусса является соленоид. Он наматывается на диэлектрическую трубку (ствол). В один конец трубки вставляется ферромагнитный объект. В момент появления в катушке электрического тока в соленоиде возникнет магнитное поле, под действием которого разгоняется снаряд (в направлении центра соленоида). При этом на концах заряда образуются полюса, которые ориентированы соответственно полюсов катушки, в результате чего, после прохождения снаряда через центр соленоида, он начинает притягиваться в противоположном направлении (тормозится). Схема электромагнитной пушки показана на фото. Современная наука значительно продвинулась в области изучения ускорения и накопления энергии, а также образования импульсов. Можно предположить, что в ближайшем будущем человечество столкнется с новым типом оружия - электромагнитные пушки. Для развития этой технологии требуется огромная работа во всех аспектах ускорителей масс, включая снаряды и энергоснабжение. Важнейшую роль сыграют новые материалы. Для реализации такого проекта потребуются мощные и компактные источники электрической энергии. А также высокотемпературные сверхпроводники.

1.2.История пушки Гаусса

Доктор Вольфрам Витт является начальником координации научно- исследовательских программ фирмы "Рейн/металл". Вместе с Маркусом Леффлером в настоящее время занимаются исследованиями в области сверхмощных электрических устройств ускорения. В их статье приведены факты по разработке и использованию электромагнитных пушек. Они отмечают, что в1845 такая пушка катушечного типа била использована для запуска металлического стержня длиной около 20 м.

Кристиан Беркеленд, профессор физики в университете в Осло (работавший с 1898 по 1917г.), за период с 1901 по 1903г. получил три патента на свою "электромагнитную пушку". В 1901г. Беркеленд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал ее для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с. С помощью второй большой пушки, созданной в 1903г. и выставленной в настоящее время в норвежском техническом музее в г. Осло, он достигал разгона снаряда массой 10 кг до скорости примерно 100 м/с. Калибр пушки 65 мм, длина10 м.

Весной 1944г. доктор ИоахимХэнслер и главный инспектор Бунзель выполнили исследования по пушке катушечного типа. На Хиллерслебенском испытательном полигоне в Магдебурге, в тщательно отгороженном гараже, они провели испытания стрельбой малокалиберного (10 мм) устройства, предположительно состоящего из множества катушек, стрельба велась по броневым плитам. Источники энергии включали автомобильные аккумуляторные батареи, конденсаторы (емкости) и электрогенераторы. Но испытания были безуспешными и через полгода были прекращены.

Работа по всем решающим узлам электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. Современные успехи, что касается ускорителя, накопления энергии и образования импульсов, явствуют о вероятности того, что системы вооружения через поколение (вскоре после начала века) будут оснащены электромагнитными пушками.

Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, должна явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе.

1.3 Пушка Гаусса

Пушка Гаусса (англ. Gaussgun, Coilgun, Gausscannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс.

Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.

1.4 Принцип действия пушки Гаусса

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, 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, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).

Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.

Кинетическая энергия снаряда

— масса снаряда — его скорость

Энергия, запасаемая в конденсаторе

— напряжение конденсатора

— ёмкость конденсатора

Время разряда конденсаторов

Это время, за которое конденсатор полностью разряжается: — индуктивность — ёмкость

Время работы катушки индуктивности

Это время, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.Т = 2π _ — индуктивность — ёмкость

Стоит заметить, что в представленном виде две последние формулы не могут применяться для расчетов пушки Гаусса, хотя бы по той причине, что по мере движения снаряда внутри катушки, её индуктивность все время изменяется.

Глава 2. Создание макета пушки Гаусса

2.1 Расчет комплектующих

Основой конструирования Пушки Гаусса являются конденсаторы, параметры которых определяют параметры будущей магнитной пушки. Анализируя научную литературу и информационные источники, расскажу о конструировании параметров своей модели.

Конденсатор характеризуется электрической емкостью и максимальным напряжением, до которого его можно заряжать. Кроме того, конденсаторы бывают полярные и неполярные – практически все конденсаторы большой емкости, используемые в магнитных ускорителях, электролитические и являются полярными. Т.е. очень важно правильное его подключение – положительный заряд подаем к выводу “+”, а отрицательный к “-”.

Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение можно найти энергию, которую может накапливать этот конденсатор.

Е = _

Зная энергию конденсатора можно найти ориентировочную кинетическую энергию снаряда – или попросту мощность будущего магнитного ускорителя.

Как правило, КПД пушки примерно равен 1,7% - т.е. раздели на 100 энергию конденсаторов можно найти кинетическую энергию снаряда. Однако при оптимизации гаусса его КПД можно будет поднять до 4-7%, что уже существенно.

Зная кинетическую энергию снаряда и его массу (m), вычисляем его скорость полета.

V= 2𝐸/𝑚 [мс], переводим её в километры в час.

Далее рассчитаем примерную длину обмотки соленоида. Она равна длине снаряда. Обмотка должны быть такова, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к её середине ток в ней уже был бы минимален и магнитное поле не мешало бы вылетать снаряду с другого конца обмотки. Система конденсаторы – катушка это колебательный контур. Найдем его период колебаний. Время первого полупериода колебаний равно времени, которое гвоздь летит от начала обмотки до её середины, а т.к. гвоздь изначально покоился, то примерно это время равно длине обмотки разделить на скорость полета гвоздя.

Т = 2π _В нашей системе колебания будут вовсе не свободными, поэтому период колебаний будет несколько больше этого значения. Впрочем, мы это учтем позже, когда будем рассчитывать непосредственно саму обмотку. Время полупериода колебаний известно, емкость конденсаторов тоже – осталось лишь выразить из формулы индуктивность катушки.

На практике индуктивность катушки возьмем несколько меньше в связи с тем, что период колебаний из-за наличия в цепи активного сопротивления будет больше. Раздели индуктивность на 1,5 – думаю, для оценочного расчета это примерно так.

Теперь найдем через индуктивность и длину параметры катушки – число витков ит.д.Индуктивность соленоида находится по формуле

L=mm₀(N²S)/l [Гн].

Где m – относительная магнитная проницаемость сердечника, m0 – магнитная проницаемость вакуума = 4π10^-7, S – площадь поперечного сечения соленоида, l – длина соленоида, N-число витков.

Найти площадь поперечного сечения соленоида довольно просто – зная параметры будущего снаряда, который мы уже использовали в расчете, ты наверняка уже приглядел трубку, на которой собрался наматывать соленоид. Диаметр трубки легко измерить, примерно прикинь толщину будущей намотки и рассчитай площадь поперечного сечения [м²]. Индуктивность у нас взята с учетом наличия внутри катушки снаряда. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьмем примерно 100-500(больше можно, меньше нельзя!) хотя можешь посмотреть по справочнику и разделить это значение на два (снаряд не все время находится внутри соленоида). Кроме того, что диаметр обмотки больше диаметра снаряда, поэтому значение m взятое из справочника можно разделить еще раз на 2.

Зная длину соленоида, площадь поперечного сечения, магнитную проницаемость сердечника из формулы индуктивности легко выразим количество витков.

Теперь оценим параметры самого провода. Как известно, сопротивление провода рассчитывается как удельное сопротивления материала умножить на длину проводника и разделить на площадь поперечного сечения проводника. Удельное сопротивление меди намоточного провода, кстати, несколько больше табличного значения, данного для ЧИСТОЙ меди. Чем меньше сопротивление, тем лучше. Т.е. вроде как провод большего диаметра предпочтителен, однако это вызовет увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину.

В общем случае типичным для “домашних” гауссов, на энергию порядка 100-500Дж и напряжение 150-400в медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым.

Кстати, мощность активных потерь находится по формуле

P=I²R [Вт]

Где: I – ток в амперах, R – активное сопротивление проводов в омах.

Как правило, 50% энергии конденсаторов ВСЕГДА теряется на активном сопротивлении гауссовки. Зная это, найти максимальный ток катушки можно довольно просто. Энергия катушки равна квадрату тока умноженную на индуктивность и разделённую на 2, по аналогии с конденсатором.

2.2 Создание и отладка работы Пушки Гаусса

Простейшие конструкции могут быть собраны из подручных материалов даже при школьных знаниях физики.

Внимание!

Заряженные конденсаторы большой ёмкости могут быть очень опасны! Будьте аккуратны!

Начнем сборку пушки с соленоида (катушка индуктивности без сердечника). Стволом катушки является кусок пластиковой соломинки длиной 40 см. Аккуратно наматываем на нее медный провод, виток к витку,- от качества сборки будет зависеть дальность стрельбы нашего орудия. Всего надо намотать 9 слоев. На практике я установил, что лучше два слоя обмотки возбуждения намотать проводником в полихлорвиниловой изоляции, которая в этом случае не должна быть слишком толстой (диаметром не более 1,5 мм). Затем можно все разобрать, снять шайбы и надеть катушку на стержень от фломастера, который будет служить стволом. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: она действует как электромагнит. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. Далее выполняем сборку электрической цепи, закрепляем ее элементы на неподвижной подставке. Можно пушке придать форму пистолета, поместив детали цепи в корпус пластиковой детской игрушки. Но я поместил цепь в корпус картонной коробки.

В соответствии с описанной технологией я создал две действующие модели. Я проводил параллельный эксперимент, соответственно изменяя систему конденсаторов (во второй модели несколько конденсаторов, в первой – один), количество витков соленоида, различные типы соединения участков цепи.

Таблица1. Сравнительные параметры моделей пушки Гаусса.

2.3 Анализ исследований

Я исследовал зависимость эффективности работы пушки от ёмкости конденсатора и индуктивности соленоида.

Работая над этим проектом, я пришёл к тому, что скорости снаряда зависит от ёмкости конденсатора и от индуктивности соленоида. Если в мою сборку включить трансформатор, у которого вторичная обмотка в несколько раз больше первичной обмотки, то:

• Повышается скорость заряда конденсатора

• Мощность конденсатора

• Уменьшение входного напряжения в установку

Но по мере изучение свойств пушки, столкнулись с тем, что трансформатор очень сильно греется. Поэтому время работы установки сокращается в разы.

Пытаясь решить проблему тепловых потерь у трансформатора, я выдвинул несколько решений:

• Установить систему охлаждения для трансформатора.

• Переделать установку.

Рассмотрим каждое решение.

• Установить систему охлаждения для трансформатора.

Трансформатор убираем в специальный бокс. В стенках данного бокса монтируем вентиляторы, которые будут прогонять воздух через трансформатор и выбрасывать его наружу. Но возникают побочные проблемы:

• Повышается энергозатратность установки

• Увеличиваются размеры самой установки

• Выброс в атмосферу большого количества углекислого газа.

• Переделать установку.

Смысл заключается в том, чтобы вместо трансформатора использовать несколько конденсаторов, которые будут соединены последовательно.

Мощность установки увеличивается. Но время зарядки конденсаторов увеличивается, как и энергозатратность. Проблему с большим потреблением электричества можно решить с помощью новых технологий. В качестве источника тока можно использовать термоядерный реактор. Но такая установка еще не хорошо изучена:

• Выдает намного меньше электричества, чем потребляет.

При ее использовании выделяется очень много теплоты, вследствие чего, время работы реактора очень маленькое. Время разрядки уменьшить, то инерция будет увеличена.

Заключение

При исследовании пушки, я пришёл к выводу, что материалы для сборки установки доступны; в мире очень много литературы, которая помогает понять принципы работы пушки и различные способы ее сборки. Но при применении пушки возникает проблема ее использования, что в современном мире пушка может быть использована только в военных и космических интересах, т.к. очень сложно просчитать поведение катушки при применении моделей в других отраслях жизнедеятельности человека.

Я выяснил, что теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту. Основное применение — любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность).

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.

Первая и основная трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27 %. В основном в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей для размыкания катушки (правило Ленца).

Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД).

Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.

Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи конденсаторы.

Пятая трудность — с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.

В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.

Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. Теоретически, перспективы, конечно, возможны, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности.

Испытания гаусс-пушки дали цифру в 27% КПД. То есть, по мнению специалистов выстрел из гаусса проигрывает даже китайской пневматике. Перезарядка медленная - про скорострельность не может быть и речи. И самая большая проблема - нет мощных, мобильных источников энергии. И пока эти источники не будут найдены - про вооружения гаусс-пушками можно забыть.

.

Список литературы

1.Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики I, II, III том. Издательство «Просвещение» 1988 год

2.Мелковская Л.Б. Повторим физику. Учебное пособие для поступающих в ВУЗы. Издательство «Высшая школа» 1977 год

Использованные ресурсы:

1. Интернет-ресурсы: статья: http://how-todo.ru/gauss-femm/

2. Видео: «http://youtu.be/tLdUsXEjICM»

3.http://topwar.ru/27233-oruzhie-ochen-dalekogo-buduschego-chast-1-pushka-gaussa-i-relsotron.html

4.http://www.shovkunenko-book.ru/arsenal/gauss-pushka.html

5. http://fb.ru/article/60454/elektromagnitnaya-vintovka-gaussa