VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Оружие будущего
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Электромагнитное стрелковое оружие (ЭМСО) — оружие, в котором для придания начальной скорости снаряду используется магнитное поле. Магнитное поле используется как альтернатива взрывчатым веществам в огнестрельном оружии.
На сегодняшний день проекты электромагнитного стрелкового оружия делятся на два вида : пушка Гаусса (coil gun) и рельсотрон (rail gun). Это оружие часто упоминается в различных фильмах, книгах, играх в жанре научной фантастики, но и в современных реалиях постройка электромагнитного оружия, пусть и не самого эффективного, вполне реальна, даже при наличии школьных знаний по физике, а этот проект служит этому доказательством.
Цель работы:
Возможно ли собрать рабочую модель электромагнитного стрелкового оружия и, если возможно, показать возможный потенциал данного вида вооружения в последующих разработках.
Задачи:
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнение чертежей, схем, 3d - модели
3.Сборка и тестирование модели пушки Гаусса
Методы:
1.Работа с литературой. Изучение видео, статей, руководств по данной теме
2.Работа в программах EasyEDA (создание схемы цепи), Autodesk Fusion 360 (создание 3D модели), AutoCAD (создание чертежа).
3.Сборка модели пушки Гаусса.
4.Анализ работы.
Пушка Гаусса
Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — 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.
Принцип действия
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 электромагнитное 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.
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы большой ёмкости и 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.
Сборка пушки Гаусса
Для создания портативной пушки Гаусса я использовал конденсатор 450 В 1000пФ, 4 аккумулятора 18650 с напряжением 4 В и ёмкостью 3000 мА/ч, тиристор 70TPS12, катушку, преобразователь переменного тока 12-400 В. Параметры катушки рассчитать не удалось, поэтому была намотана до заполнения медной проволокой диаметром 0,8мм по схеме, которую можно найти в приложении.
Этапы создания устройства
1.Подготовка корпуса и контактов для аккумуляторов
2. Пайка коммутации и установка преобразователя постоянного тока
3. Установка конденсатора и коммутирование всех частей устройства
Преимущества и недостатки
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это 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), теоретически, большая надёжность и, в теории, износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.
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, запасённая в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют IGBT модули) для размыкания катушки.
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 есть перспективы в качестве оружия, но она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. 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.
Список литературы
Г.Я. Мякишев "Учебник по физике 9-11 класс. Профильный уровень" 2007 г.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D1%81%D0%BE%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%83%D1%88%D0%BA%D0%B0_%D0%93%D0%B0%D1%83%D1%81%D1%81%D0%B0
https://www.popmech.ru/diy/7864-vystrel-v-budushchee-pushka-gaussa-svoimi-rukami/#part4
http://www.sciencedebate2008.com/handmade-gauss-cannon/
Приложение