Импульсное оружие на основе пьезоэлектрического эффекта для поражения БПЛА

XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Импульсное оружие на основе пьезоэлектрического эффекта для поражения БПЛА

Власов А.С. 1Новрузбеков К.М. 1
1ФГКОУ «Ставропольское президентское кадетское училище»
Вдовиченко О.В. 1
1ФГКОУ «Ставропольское президентское кадетское училище»
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

События специальной военной операции показали, что со стороны противника ведут разведку и бомбардировку в непосредственной близости от расположения Российских войск большое количество БПЛА. Для борьбы с ними применяют электромагнитные ружья типа «Ступор». Принцип их действия основан на создании помех радиоуправления беспилотником. Данное оружие имеет существенные недостатки: заряда аккумулятора хватает только на 4 часа работы, беспилотник должен находиться в пределах прямой видимости не дальше 1,5 км от ружья, в 20°-ом секторе, массой 5,5 кг, что довольно сложно удерживать в направленном состоянии, высокая стоимость, вероятность создания помехи той или иной частоте управления беспилотником не высока. Необходимо мощное, более дешевое оружие, направленного действия, которое с высокой вероятностью поразит беспилотник противника. Исходя их данной проблемы, нами предложен альтернативный вариант борьбы с БПЛА. Выдвинута следующая гипотеза: электромагнитный импульс, созданный воздействием на электромеханический преобразователь способен разрушить радиоприемник (электрические цепи) БПЛА.

Объект: получение электромагнитного импульса высокой мощности.

Предмет: возможности пьезоэлектрического эффекта для создания электромагнитного импульса

Методы исследования: наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент, анализ.

Цель: разработать модель электромагнитного оружия на основе пьезоэлектрического эффекта (электромеханического преобразователя).

Задачи:

  1. Изучить пьезоэлектрический эффект, теорию электромагнитных волн.

  2. Сконструировать модель приемника электромагнитных волн А. Попова на основе когерера для демонстрации возможности излучения электромагнитных волн пьезокерамическим излучателем.

  3. Сконструировать излучатель электромагнитных волн на основе пьезокерамического источника.

  4. Исследовать электрические и мощностные характеристики пьезокерамического излучателя.

  5. Смоделировать электромагнитное оружие на основе пьезоэлектрического эффекта.

  1. Теоретическое обоснование возникновения электромагнитного импульса.

Наша работа основана на применении пьезоэлектрического эффекта электромеханического преобразователя c открытым колебательным контуром для создания электромагнитного импульса высокой мощности.

Поражающим действием предложенного электромагнитного оружия является излучённый электромагнитный импульс большой мощности, который принимается антеннами и электронными устройствами беспилотника. В результате этого в токопроводящих частях электронной техники беспилотника наводятся мешающие нормальной работе токи высокой мощности, происходит сбой и поражение электронного оборудования [1].

Известно, что для образования интенсивных электромагнитных волн необходимо создать электромагнитные колебания высокой частоты и высокого напряжения [2].

Для излучения электромагнитных волн Г. Герц использовал вибратор, который представляет собой открытый колебательный контур. Он получал электромагнитные волны, возбуждая в вибраторе с помощью источника высокого напряжения серию импульсов быстропеременного тока (рисунок 1).

Г. Герц получал электромагнитные волны, возбуждая в антенне высокочастотные колебания с помощью громоздкого источника импульсного высоковольтного напряжения [2].

Мы предлагаем создать электромагнитный импульс высокой мощности с помощью экономически выгодного и упрощенного устройства на основе пьезоэлектрического эффекта.

Пьезоэлектрический эффект – явление возникновения разности потенциалов на поверхности анизотропных диэлектрических сред под действием механической деформации. Пьезоэлектрический эффект объясняется изменением состояния электрического и механического равновесия анизотропной диэлектрической среды, вызывающим смещение электронной или ионной подсистемы из исходного состояния, что приводит к поляризации и появлению внутреннего электрического поля, пропорционального вызвавшему его механическому воздействию. В этом смысле пьезоэлектрический эффект можно рассматривать как преобразование механической энергии в электрическую. 

П ьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 году Жаком и Пьером Кюри. Они заметили, что в некоторых кристаллах при механическом воздействии на них появляется электрический заряд, причем величина его пропорциональна силе воздействия (рисунок 2).

Д

Рисунок 2.

ля изучения и наглядного отображения возможностей пьезокерамического источника высокого напряжения выбран пьезокерамический элемент (электромеханический преобразователь) с ударнопусковым устройством от пьезозажигалки.

П од действием силы нажима сжимается ударная пружина до срабатывания пускового устройства. Молоточек 2, освободившись от зацепа 1 под ударной пружиной 3 движется с ускорением и ударяет по пьезокерамике 4 (рисунок 3). В результате чего на концах пьезоэлемента возникает высокое напряжение, и при достижении пробойного напряжения происходит пробой воздушного зазора искрой [3,4].

 

Рисунок 3.

  1. Реализация возможности излучения электромагнитных волн электромеханическим преобразователем.

Для демонстрации возникновения электромагнитного импульса нами разработана принципиальная схема и установка на основе разработки
А. Попова. Установка представляет собой приемник электромагнитных волн, состоящая из когерера 2, светодиода 3, источника постоянного тока 4, антенны 1, соединительных проводов (рисунок 4).

 

5

Рисунок 4.

1- приемная антенна

2- когерер

3- светодиод

4- источник постоянного тока

5 – пьезоэлемент с передающей антенной

При воздействии электромагнитного излучения разработанной установкой пьезокерамического преобразователя (нажатии кнопки на пьезоэлемент) с антенной 5 на антенну 1, сопротивление когерера 2 уменьшается приблизительно в 100-200 раз [2], благодаря этому, сила тока в цепи от источника 4 увеличивается и светодиод 3 светится.

Это устройство позволило наглядно продемонстрировать работоспособность предлагаемого излучателя электромагнитных волн на основе пьезокерамического источника высокого напряжения.

  1. Разработка установки для демонстрации приема электромагнитных волн, созданных электромеханическим преобразователем.

Для реализации задачи проекта: сконструировать излучатель электромагнитных волн на основе пьезокерамического источника рассмотрим установку на рисунке 5, которая состоит из электромеханического преобразователя с передающей антенной и открытого колебательного контура с неоновой лампой и приемной антенной. С целью демонстрации излучения и приема электромагнитного импульса высокой мощности, нами выполнена установка, содержащая пьезокерамическое пусковое устройство 1 с антенной 2 и неоновая лампа 4 с антенной 3. При пуске электромеханического преобразователя, в момент пробоя воздушного зазора в передающей антенне возникают высоковольтные электромагнитные колебания высокой частоты. В пространство антенной излучается короткий электромагнитный импульс, который принимается приемником, состоящим из неоновой лампы 4 с приемной антенной 3 (рисунок 5), о чем свидетельствует кратковременное свечение неоновой лампы 4.

 

Рисунок 5.

 

1- пьезокерамическое пусковое устройство

 

2- передающая антенна

3- приемная антенна

4-неоновая лампа.

  1. Исследование электрических и мощностных характеристик пьезокерамического излучателя.

При пуске электромеханического преобразователя зажигается неоновая лампа с напряжением зажигания U = 85 В, ток разряда I = 0,25 мА.

Рассчитаем мощность принятого сигнала: Р = I*U.
Р = 85 В *0,00025 А = 0,021 Вт = 21 мВт.

Рассчитаем частоту излучаемой электромагнитной волны, индуктивность и емкость проводника (антенны) известны.

Частота передачи: .

Частота передачи равна 65 МГц.

Рассчитаем длину волны.

Длина волны:

Исследования показали, что неоновая лампа зажигается на расстоянии
D = 9 см = 0,09 м от источника электромагнитных волн (электромеханического преобразователя).

Определение мощности пьезокерамического излучателя.

В пьезокерамическом излучателе используется штыревая антенна, излучение электромагнитного импульса направлено радиально (рисунок 6).

 

Рисунок 6.

Мощность излучателя будет больше мощности электромагнитного импульса, принятого приемным устройством во столько раз, во сколько раз площадь поверхности воображаемого цилиндра радиусом r, равным расстоянию до приемника больше площади продольного сечения антенны приемника [2,5].

Площадь сечения антенны.

Диаметр провода антенны d = 0,01 м, высота антенны h = 10 см = 0,1 м.
S = d*h.

S = 10-2 м * 10-1 м = 10-3 м2.

Площадь поверхности цилиндра вокруг передающей антенны.

Высота 10 см = 10-1м, радиус воображаемого цилиндра 9 см = 9*10-2 м.

S = 2πrh = 6,28* 9*10-2 м * 10-1 =56,5* 10-3 м2.

Соотношение площадей и мощностей:

= 21 *10-3 Вт *

Исследовав электрические и мощностные характеристики пьезокерамического излучателя приходим к выводу, что при помощи пьезоэлемента можно создать экономичное электромагнитное оружие высокой мощности.

  1. Модель кумулятивного заряда на основе электромеханического преобразователя.

Мощность электромагнитного импульса убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до объекта поражения. Необходимо разместить источник электромагнитных поражающих импульсов как можно ближе к объекту поражения. Предлагаем использовать пьезоэлектрический излучатель электромагнитного импульса в составе кумулятивного снаряда, для поражения малоразмерных летательных аппаратов. Принципиальная схема устройства представлена на рисунке 7.

Внутри снаряда помещены последовательно соединенные пьезоэлектрические элементы 1, на торцах которых расположены кумулятивные заряды 2, с металлическими детонаторами 3, снаряженные металлической фольгой 4.

При подрыве кумулятивных зарядов на пьезоэлектрические элементы с двух сторон действует сила ударной волны взрыва, что приводит к возникновению электромагнитного импульса. Антенной в этом случае будет служить плазменные струи кумулятивных зарядов (рисунок 8).

 

Рисунок 7.

 

Рисунок 8.

Электромагнитный импульс, полученный при взрыве кумулятивного снаряда будет достаточно мощным, чтобы физически разрушить электрические цепи беспилотника противника, даже нескольких, попадающих в радиус действия снаряда. Такой заряд будет эффективен, если необходимо одновременно поразить большое количество БПЛА противника.

Заключение.

В результате работы над данной темой гипотеза подтверждена, задачи выполнены. Сконструирована модель приемника электромагнитных волн на основе когерера А. Попова, демонстрирующая возможность излучения электромагнитных волн пьезокерамическим излучателем. Сконструирован излучатель электромагнитных волн на основе пьезокерамического источника. Рассчитаны электрические и мощностные характеристики пьезокерамического излучателя, показывающие о довольно мощном излучении электромагнитного сигнала, принимаемого приемной антенной. Предложена конструкция кумулятивного заряда на основе электромеханического преобразователя.

Литература:

  1. Комплекс радиоэлектронного противодействия. https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Хибины_(комплекс_радиоэлектронного_противодействия)&stable=1 (дата обращения: 03.10.2023).

  2. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс: учеб. для общеорзоват. Организация с прил. на электрон. носителе: базовый уровень / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; под ред. Н.А. Парфентьевой. – М.: Просвещение, 2020. – 432 с. : [4] л. Илл. – (Классический курс).

  3. О пьезокерамике и перспективах ее применения. https://www.eham.ru/articles/poleznaya-informaciya/3017-o-pezokeramike-i-perspektivah-ee-primeneniya (дата обращения: 06.12.2023).

  4. Пьезокерамические источники высокого напряжения. https://avrora-binib.ru/stati/pezokeramicheskie_istochniki_vysokogo_napryazheniya/ (дата обращения 10.02.2024).

  5. Радиоаппаратура. http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200301/p53-54.html (дата обращения 10.10.2023).

Просмотров работы: 10