La mia pistola Gauss (pistola Gauss). Pistola elettromagnetica: un'arma del futuro Come funziona una pistola gaussiana

Pistola gaussiana(Inglese) Pistola gaussiana, Cannone di Gauss) - una delle varietà acceleratore elettromagnetico peso Prende il nome dallo scienziato Gauss, che studiò principi fisici elettromagnetismo su cui si basa questo dispositivo.

Principio di funzionamento

La pistola Gauss è costituita da un solenoide, all'interno del quale è presente una canna (solitamente realizzata in dielettrico). Un proiettile (fatto di materiale ferromagnetico) viene inserito in un'estremità della canna. Quando una corrente elettrica scorre nel solenoide, si forma un campo magnetico che accelera il proiettile, “tirandolo” nel solenoide. In questo caso, il proiettile riceve poli alle estremità simmetricamente ai poli della bobina, motivo per cui, dopo aver superato il centro del solenoide, il proiettile viene attratto nella direzione opposta, cioè. rallenta. Ma se, nel momento in cui il proiettile passa attraverso il centro del solenoide, la corrente al suo interno viene interrotta, il campo magnetico scomparirà e il proiettile volerà fuori dall'altra estremità della canna. Ma quando la fonte di alimentazione viene spenta, nella bobina si forma una corrente di autoinduzione, che ha la direzione opposta della corrente, e quindi cambia la polarità della bobina. Ciò significa che quando la fonte di alimentazione viene interrotta bruscamente, un proiettile che passa al centro della bobina verrà respinto e accelerato ulteriormente. Altrimenti, se il proiettile non ha raggiunto il centro, rallenterà.

Per ottenere il massimo effetto, l'impulso di corrente nel solenoide deve essere breve e potente. Di norma, per ottenere tale impulso vengono utilizzati condensatori elettrici. Se viene utilizzato un condensatore polare (ad esempio su un elettrolita), nel circuito devono essere presenti diodi che proteggano il condensatore dalla corrente di autoinduzione e dall'esplosione.

I parametri dell'avvolgimento, del proiettile e dei condensatori devono essere coordinati in modo tale che quando viene sparato, quando il proiettile si avvicina al centro dell'avvolgimento, la corrente in quest'ultimo sarebbe già diminuita a valore minimo, cioè la carica dei condensatori sarebbe già stata completamente esaurita. In questo caso, l'efficienza di una pistola Gauss a stadio singolo sarà massima.

Calcoli

Energia immagazzinata in un condensatore

V - tensione del condensatore (in Volt)
C - capacità del condensatore (in Farad)

L'energia immagazzinata quando si collegano i condensatori in serie e in parallelo è uguale.

Energia cinetica del proiettile

M - massa del proiettile (in chilogrammi)
tu - la sua velocità (in m/s)

Tempo di scarica del condensatore

Questo è il tempo durante il quale il condensatore è completamente scarico. È pari a un quarto del periodo:

l - induttanza (in Henry)
C - capacità (in Farad)

Tempo di funzionamento dell'induttore

Questo è il tempo durante il quale la FEM dell'induttore aumenta al valore massimo (scarica completa del condensatore) e scende completamente a 0. È uguale al semiciclo superiore dell'onda sinusoidale.

l - induttanza (in Henry)
C - capacità (in Farad)

Vantaggi e svantaggi

La pistola Gauss come arma presenta vantaggi che altri tipi non hanno armi leggere. Questa è l'assenza di maniche e una scelta illimitata velocità iniziale ed energia delle munizioni, nonché velocità di fuoco della pistola, possibilità di un tiro silenzioso (se la velocità del proiettile non supera la velocità del suono), incluso senza cambiare la canna e le munizioni, rinculo relativamente basso (uguale all'impulso del proiettile espulso, non vi è alcun impulso aggiuntivo da gas in polvere o parti mobili), teoricamente maggiore affidabilità e resistenza all'usura, nonché capacità di lavorare in qualsiasi condizione, compreso lo spazio.

Tuttavia, nonostante l'apparente semplicità del cannone Gauss e i suoi vantaggi, usarlo come arma è irto di serie difficoltà.

La prima difficoltà è la bassa efficienza dell'impianto. Solo l'1-7% della carica del condensatore viene convertita nell'energia cinetica del proiettile. In parte questo svantaggio può essere compensato utilizzando un sistema di accelerazione del proiettile a più stadi, ma in ogni caso l'efficienza raramente raggiunge anche il 27%. Pertanto, la pistola Gauss è inferiore in termini di forza di tiro anche alle armi pneumatiche.

La seconda difficoltà è il consumo energetico elevato (a causa della bassa efficienza) e sufficiente a lungo condensatori di ricarica, che ti obbliga a portare con te una fonte di energia (di solito una potente batteria) insieme alla pistola Gauss. L'efficienza può essere notevolmente aumentata utilizzando solenoidi superconduttori, ma ciò richiederà un potente sistema di raffreddamento, che ridurrà significativamente la mobilità della pistola Gauss.

La terza difficoltà (segue dalle prime due) è il peso e le dimensioni elevati dell'impianto, con la sua bassa efficienza.

Pertanto, oggi il cannone Gauss non ha molte prospettive come arma, poiché è significativamente inferiore ad altri tipi di armi leggere. Le prospettive per il futuro sono possibili solo se verranno create fonti compatte ma potenti di corrente elettrica e superconduttori ad alta temperatura (200-300K).

RailGun

Cannone a rotaia(Inglese) Cannone a rotaia) è una forma di arma basata sulla conversione dell'energia elettrica nell'energia cinetica di un proiettile. Altri nomi: acceleratore di massa ferroviario, railgun, railgun. Da non confondere con la pistola Gauss.

Principio di funzionamento

Un cannone ferroviario utilizza una forza elettromagnetica chiamata forza Ampere per accelerare un proiettile elettricamente conduttivo che inizialmente fa parte di un circuito. A volte viene utilizzato un rinforzo mobile per collegare le rotaie. Attuale IO passando attraverso le rotaie eccita un campo magnetico B tra di loro, perpendicolare alla corrente che passa attraverso il proiettile e la rotaia adiacente. Di conseguenza, si verifica la repulsione reciproca delle rotaie e il proiettile accelera sotto l'influenza della forza F.

Vantaggi e svantaggi

Ci sono una serie di problemi seri associati alla produzione di un cannone a rotaia: l'impulso di corrente deve essere così potente e acuto che il proiettile non ha il tempo di evaporare e volare in pezzi, ma si creerebbe una forza di accelerazione che lo accelera in avanti. Pertanto, il materiale del proiettile e della rotaia deve avere la massima conduttività possibile, il proiettile deve avere la minima massa possibile e la sorgente di corrente deve avere quanta più potenza e minore induttanza possibile. Tuttavia, la particolarità dell'acceleratore ferroviario è che è in grado di accelerare masse ultra-basse a velocità ultra-elevate. In pratica, le rotaie sono realizzate in rame privo di ossigeno rivestito d'argento, barre o fili di alluminio vengono utilizzati come proiettili, una batteria di condensatori elettrici ad alta tensione, generatori Marx, generatori unipolari di shock, compulsatori vengono utilizzati come fonte di energia e cercano di dare al proiettile stesso quanto più calore possibile prima di entrare nei binari ad alta velocità iniziale, utilizzando pistole pneumatiche o antincendio. In quei cannoni in cui il proiettile è un filo, dopo che la tensione viene applicata alle rotaie, il filo si riscalda e brucia, trasformandosi in un plasma conduttivo, che quindi accelera anche. Pertanto, il cannone a rotaia può sparare al plasma, ma a causa della sua instabilità si disintegra rapidamente.

Principio di funzionamento

I parametri delle bobine di accelerazione, del proiettile e dei condensatori devono essere coordinati in modo tale che quando viene sparato un colpo, nel momento in cui il proiettile si avvicina al solenoide, l'induzione del campo magnetico nel solenoide è massima, ma con ulteriore avvicinamento del proiettile scende bruscamente. Vale la pena notare che sono possibili diversi algoritmi per il funzionamento delle bobine di accelerazione.

Energia cinetica del proiettile

Massa del proiettile
- la sua velocità

Energia immagazzinata in un condensatore

Tensione del condensatore

- capacità del condensatore

Tempo di scarica del condensatore

Questo è il tempo durante il quale il condensatore è completamente scarico. È pari a un quarto del periodo:

- induttanza
- capacità

Tempo di funzionamento dell'induttore

Questo è il tempo durante il quale la FEM dell'induttore aumenta al valore massimo (scarica completa del condensatore) e scende completamente a 0. È uguale al semiciclo superiore dell'onda sinusoidale.

- induttanza
- capacità

Applicazione

In teoria è possibile utilizzare i cannoni Gauss per lanciare in orbita satelliti leggeri. L'applicazione principale sono le installazioni amatoriali, dimostrazione delle proprietà dei ferromagneti. Viene anche utilizzato molto attivamente come giocattolo per bambini o come installazione fatta in casa che sviluppa la creatività tecnica (semplicità e relativa sicurezza).

Vantaggi e svantaggi

Il cannone Gauss come arma presenta vantaggi che altri tipi di armi leggere non hanno. Questa è l'assenza di cartucce e la scelta illimitata della velocità iniziale e dell'energia delle munizioni, la possibilità di un tiro silenzioso (se la velocità di un proiettile sufficientemente aerodinamico non supera la velocità del suono), anche senza cambiare la canna e le munizioni, relativamente basso rinculo (uguale all'impulso del proiettile espulso, non vi è alcun impulso aggiuntivo dai gas in polvere o dalle parti in movimento), teoricamente maggiore affidabilità e teoricamente resistenza all'usura, nonché la capacità di lavorare in qualsiasi condizione, anche nello spazio .

Tuttavia, nonostante l'apparente semplicità del cannone Gauss, usarlo come arma è irto di serie difficoltà.

La prima e principale difficoltà è la scarsa efficienza dell'impianto. Solo l'1-7% della carica del condensatore viene convertita nell'energia cinetica del proiettile. Questo svantaggio può essere parzialmente compensato utilizzando un sistema di accelerazione del proiettile a più stadi, ma in ogni caso l'efficienza raramente raggiunge il 27%. Fondamentalmente, nelle installazioni amatoriali, l'energia immagazzinata sotto forma di campo magnetico non viene utilizzata in alcun modo, ma è la ragione per utilizzare potenti interruttori (spesso utilizzando moduli IGBT disponibili) per aprire la bobina (regola di Lenz).

La seconda difficoltà è l’elevato consumo energetico (a causa della bassa efficienza).

La terza difficoltà (segue dalle prime due) è il peso e le dimensioni elevati dell'impianto con la sua bassa efficienza.

La quarta difficoltà è il tempo di ricarica cumulativo dei condensatori piuttosto lungo, che rende necessario portare con sé una fonte di alimentazione (solitamente una potente batteria) insieme alla pistola Gauss, nonché il loro costo elevato. In teoria è possibile aumentare l'efficienza utilizzando solenoidi superconduttori, ma ciò richiederà un potente sistema di raffreddamento, che comporta ulteriori problemi e influisce seriamente sul campo di applicazione dell'impianto.

La quinta difficoltà è che con l'aumento della velocità del proiettile, il tempo di azione del campo magnetico durante il passaggio del solenoide da parte del proiettile si riduce significativamente, il che porta alla necessità non solo di accendere ogni successiva bobina di anticipare il sistema multistadio, ma anche aumentare la potenza del suo campo in proporzione alla riduzione di questo tempo. Di solito questo inconveniente viene immediatamente trascurato, poiché la maggior parte dei sistemi fatti in casa hanno un numero limitato di bobine o una velocità del proiettile insufficiente.

In condizioni ambiente acquatico anche l'uso di una pistola senza involucro protettivo è seriamente limitato: l'induzione di corrente a distanza è sufficiente affinché la soluzione salina si dissocia sull'involucro con la formazione di ambienti aggressivi (solventi), che richiedono un'ulteriore schermatura magnetica.

Pertanto, oggi la pistola Gauss non ha prospettive come arma, poiché è significativamente inferiore ad altri tipi di armi leggere, ed è improbabile che appaiano prospettive in futuro, poiché non può competere con installazioni che operano secondo altri principi. Teoricamente, le prospettive per il futuro sono possibili solo se verranno create fonti compatte e potenti di corrente elettrica e superconduttori ad alta temperatura (200-300K). Tuttavia, è possibile utilizzare una configurazione simile a una pistola Gauss spazio esterno, poiché in condizioni di vuoto e assenza di gravità molti degli svantaggi di tali installazioni sono livellati. In particolare, i programmi militari dell'URSS e degli USA consideravano la possibilità di utilizzare installazioni simili al cannone Gauss sui satelliti in orbita per distruggere altri veicolo spaziale(gusci con un gran numero di piccole parti danneggiabili), o oggetti sulla superficie terrestre.

Nella letteratura

Molto spesso nella letteratura di fantascienza viene menzionata la pistola di Gauss. Agisce lì come un'arma letale ad alta precisione. Un esempio di tale opera letteraria sono i libri della serie "S.T.A.L.K.E.R.", scritti sulla base della serie di giochi S.T.A.L.K.E.R. , dove la pistola Gauss era una delle armi più potenti. Ma il primo nella fantascienza a portare il cannone Gauss nella realtà è stato Harry Garrison nel suo libro "La vendetta del topo d'acciaio" (non è vero, molto prima di Garrison, A. Kazantsev, "L'isola in fiamme", potrebbe esserci stato anche prima menziona). Citazione dal libro: “Tutti avevano con sé una gaussiana: multiuso e soprattutto arma letale. Le sue potenti batterie immagazzinavano una quantità impressionante di carica. Quando si premeva il grilletto, nella canna veniva generato un forte campo magnetico, che accelerava il proiettile ad una velocità paragonabile a quella di qualsiasi altra arma dotata di cartucce con propulsione a razzo. Ma il gaussiano aveva il vantaggio di avere una cadenza di fuoco più elevata, di essere assolutamente silenzioso e di sparare qualsiasi proiettile, dagli aghi avvelenati ai proiettili esplosivi”.

Nei giochi per computer

• Crimsonland è dotato di un cannone Gauss che trafigge silenziosamente i nemici, causando ingenti danni.
• In Warzone 2100, quando sviluppato al 70%, viene concesso l'accesso al cannone Gauss.
• In BattleTech, nelle serie MechWarrior e MechCommander.
• Nelle strategie Command & Conquer 3: Tiberium Wars e Command & Conquer 3: Kane's Wrath, c'è un miglioramento del "Cannone Gauss", che aumenta i danni per i carri armati Predator e Mammoth, i robot Titan e le armi difensive Sentinel. Inoltre, le forze speciali GDI nel gioco sono armate con fucili Gauss a fuoco rapido.
• Nel gioco S.T.A.L.K.E.R. Il cannone gauss ha una potenza enorme ed è lento a ricaricarsi. Funziona con batterie che utilizzano l'energia del manufatto Flash. Nel gioco “S.T.A.L.K.E.R Call of Pripyat”, sotto l'anomalia “Iron Forest” c'è una stanza dove è stata testata, dove c'è anche un enorme cannone Gauss.
• In StarCraft, i fanti sono armati con il fucile C-14 Impaler Gauss. I Ghost hanno anche fucili C-10, chiamati "fucili a pallini".
• In Crysis, il fucile Gauss è un'arma da cecchino che infligge il massimo danno.
• In "Crysis 2" la pistola Gauss è una modifica per fucile d'assalto, insieme a un lanciagranate sotto la canna. Possiede grosso danno e ricarica lenta.
• In Fallout 2, il fucile Gauss è l'arma più potente con un lungo raggio di tiro, quasi quanto i fucili di precisione.
• In "Fallout 3" e in "Fallout Nuova Las Vegas» Fucile Gauss - energia fucile da cecchino, attrezzato mirino ottico e diverso alta efficienza a medie e lunghe distanze. Infligge danni molto elevati.
• In "Fallout Tactics" c'è una pistola gauss, un fucile gauss e una mitragliatrice gauss a quattro canne.
• Nel gioco X-COM: Terror From The Deep, la pistola Gauss è uno dei primi progetti per distruggere gli alieni sott'acqua.
• Nei giochi X³: Reunion / X³: Terran Conflict Gauss Cannon - arma potente per cacciatorpediniere, con una buona portata ma bassa velocità del proiettile. Non consuma praticamente energia, ma richiede munizioni speciali.
• Il cannone B Ogame Gauss è una potente struttura difensiva.
• In Red Faction: Guerrilla, il fucile Gauss è un'arma ad alta potenza, ma ha un potere distruttivo medio rispetto ad altre armi distruttive.
• Nel gioco MMOTPS S4 ​​League, il cannone Gauss è una mitragliatrice la cui precisione diminuisce gradualmente se si spara continuamente.
• Nella serie di giochi Warhammer 40.000, i cannoni Gauss vengono utilizzati attivamente dai Necron.

In questo caso per pistola Gauss si intende un'arma energetica che spara fulmini verdi e distrugge i legami intermolecolari, in alcuni casi si sostiene che la vittima sia sottoposta ad annientamento.

25 marzo 2015 alle 15:42

• Pistola gauss elettromagnetica su un microcontrollore

Sviluppo della robotica

Ciao a tutti. In questo articolo vedremo come realizzare una pistola gauss elettromagnetica portatile assemblata utilizzando un microcontrollore. Beh, per quanto riguarda la pistola Gauss, ovviamente, mi sono emozionato, ma non c'è dubbio che si tratti di una pistola elettromagnetica. Questo dispositivo su un microcontrollore è stato progettato per insegnare ai principianti come programmare i microcontrollori usando l'esempio della costruzione di una pistola elettromagnetica con le proprie mani. Diamo un'occhiata ad alcuni punti di progettazione sia nella stessa pistola gauss elettromagnetica che nel programma per il microcontrollore.

Per quanto riguarda il diametro del tubo utilizzato, durante il funzionamento la pistola elettromagnetica ha dimostrato che è necessario tenere conto del diametro della canna rispetto al proiettile utilizzato. In poche parole, il diametro della canna non dovrebbe essere molto più grande del diametro del proiettile utilizzato. Idealmente, la canna della pistola elettromagnetica dovrebbe adattarsi al proiettile stesso.

Il materiale per creare i proiettili era un asse di una stampante con un diametro di cinque millimetri. Con questo materiale sono stati realizzati cinque pezzi grezzi lunghi 2,5 centimetri. Anche se puoi anche usare pezzi grezzi di acciaio, ad esempio filo o elettrodo, qualunque cosa tu possa trovare.

È necessario prestare attenzione al peso del proiettile stesso. Il peso dovrebbe essere il più basso possibile. Le mie conchiglie si sono rivelate un po' pesanti.

Prima di creare questa pistola, sono stati condotti esperimenti. Una pasta vuota di una penna veniva usata come canna e un ago come proiettile. L'ago ha perforato facilmente il coperchio di un caricatore installato vicino alla pistola elettromagnetica.

Poiché il cannone elettromagnetico originale di Gauss è costruito sul principio di caricare un condensatore con un'alta tensione, circa trecento volt, per motivi di sicurezza, i radioamatori alle prime armi dovrebbero alimentarlo con una bassa tensione, circa venti volt. Una bassa tensione significa che il raggio di volo del proiettile non è molto lungo. Ma ancora una volta, tutto dipende dal numero di bobine elettromagnetiche utilizzate. Più bobine elettromagnetiche vengono utilizzate, maggiore è l'accelerazione del proiettile nella pistola elettromagnetica. Contano anche il diametro della canna (minore è il diametro della canna, più lontano vola il proiettile) e la qualità dell'avvolgimento delle bobine elettromagnetiche stesse. Forse, le bobine elettromagnetiche sono la cosa più basilare nella progettazione di una pistola elettromagnetica, è necessario prestare molta attenzione a questo per ottenere il massimo volo del proiettile;

Fornirò i parametri delle mie bobine elettromagnetiche; le tue potrebbero essere diverse. La bobina è avvolta con filo con un diametro di 0,2 mm. La lunghezza dell'avvolgimento dello strato della bobina elettromagnetica è di due centimetri e contiene sei file di questo tipo. Non ho isolato ogni nuovo strato, ma ho iniziato ad avvolgere un nuovo strato su quello precedente. Dato che le bobine elettromagnetiche sono alimentate a bassa tensione, è necessario ottenere il massimo fattore di qualità della bobina. Pertanto, avvolgiamo tutte le curve strettamente l'una verso l'altra, girando per girare.

Per quanto riguarda il dispositivo di alimentazione non sono necessarie spiegazioni particolari. Il tutto è stato saldato con la lamina di scarto PCB rimasta dalla produzione di circuiti stampati. Tutto è mostrato in dettaglio nelle immagini. Il cuore dell'alimentatore è il servoazionamento SG90, controllato da un microcontrollore.

L'asta di alimentazione è costituita da un'asta di acciaio del diametro di 1,5 mm all'estremità dell'asta per l'innesto del servoazionamento. Per aumentare il braccio, sul bilanciere del servoazionamento è installato un filo di rame con un diametro di 1,5 mm piegato su entrambe le estremità.

Questo semplice dispositivo, assemblato con materiali di scarto, è sufficiente per sparare un proiettile nella canna di una pistola elettromagnetica. L'asta di alimentazione deve fuoriuscire completamente dal caricatore. Un supporto di ottone fessurato con un diametro interno di 3 mm e una lunghezza di 7 mm serviva da guida per l'asta di alimentazione. È stato un peccato buttarlo via, quindi è tornato utile, proprio come i pezzi di pellicola PCB.

Il programma per il microcontrollore atmega16 è stato creato in AtmelStudio ed è un progetto completamente aperto per te. Diamo un'occhiata ad alcune impostazioni che dovranno essere effettuate nel programma del microcontrollore. Per il funzionamento più efficiente della pistola elettromagnetica, sarà necessario configurare il tempo di funzionamento di ciascuna bobina elettromagnetica nel programma. Le impostazioni vengono effettuate in ordine. Innanzitutto, salda la prima bobina nel circuito, non collegare tutte le altre. Impostare il tempo di funzionamento nel programma (in millisecondi).

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_ritardo_ms(350); // orario di lavoro

Flasha il microcontrollore ed esegui il programma sul microcontrollore. La forza della bobina dovrebbe essere sufficiente per ritrarre il proiettile e dare l'accelerazione iniziale. Dopo aver raggiunto la portata massima del proiettile, regolando il tempo di funzionamento della bobina nel programma del microcontrollore, collega la seconda bobina e regola anche il tempo, ottenendo una portata di volo del proiettile ancora maggiore. Di conseguenza, la prima bobina rimane accesa.

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_ritardo_ms(350);
PORTA &=~(1<<1);
PORTA |=(1<<2); // катушка 2
_ritardo_ms(150);

In questo modo si configura il funzionamento di ciascuna bobina elettromagnetica, collegandole in ordine. All'aumentare del numero di bobine elettromagnetiche nel dispositivo di una pistola gauss elettromagnetica, anche la velocità e, di conseguenza, la portata del proiettile dovrebbero aumentare.

Questa scrupolosa procedura di impostazione di ciascuna bobina può essere evitata. Ma per fare questo, dovrai modernizzare il dispositivo della pistola elettromagnetica stessa, installando sensori tra le bobine elettromagnetiche per monitorare il movimento del proiettile da una bobina all'altra. I sensori in combinazione con un microcontrollore non solo semplificheranno il processo di configurazione, ma aumenteranno anche la portata di volo del proiettile. Non ho aggiunto questi fronzoli e non ho complicato il programma del microcontrollore. L'obiettivo era implementare un progetto interessante e semplice utilizzando un microcontrollore. Quanto sia interessante, ovviamente, spetta a te giudicarlo. Ad essere sincero, ero felice come un bambino, "macinando" da questo dispositivo, e l'idea di un dispositivo più serio su un microcontrollore è maturata. Ma questo è argomento per un altro articolo.

Programma e schema -

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CONDENSATORI CARICI MORTALE PERICOLOSO!

Pistola elettromagnetica (pistola Gauss, inglese. pistola a bobina) nella sua versione classica è un dispositivo che sfrutta la proprietà dei ferromagneti di essere attirato in una regione con un campo magnetico più forte per accelerare un “proiettile” ferromagnetico.

La mia pistola Gauss:
vista dall'alto:


vista laterale:


1 - connettore per il collegamento di uno sblocco remoto
2 - Interruttore “carica/lavoro batteria”.
3 - connettore per il collegamento alla scheda audio del computer
4 - interruttore di carica/scatto del condensatore
5 - pulsante di scarica d'emergenza dei condensatori
6 - Indicatore "Carica batteria".
7 - Indicatore "Lavoro".
8 - Indicatore "Carica del condensatore".
9 - Indicatore "Sparo".

Schema della parte di potenza della pistola Gauss:

1 - tronco
2 - diodo protettivo
3 - bobina
4 - LED IR
5 - Fototransistor IR

I principali elementi di design della mia pistola elettromagnetica:
batteria -
Utilizzo due batterie agli ioni di litio SANYO UR18650A Formato 18650 da un laptop con una capacità di 2150 mAh, collegato in serie:
...
La tensione di scarica massima di queste batterie è 3,0 V.

convertitore di tensione per alimentazione circuiti di controllo -
La tensione delle batterie viene fornita a un convertitore di tensione step-up sul chip 34063, che aumenta la tensione a 14 V. Quindi la tensione viene fornita al convertitore per caricare il condensatore e stabilizzata a 5 V dal chip 7805 per alimentare il circuito di controllo.

convertitore di tensione per caricare il condensatore -
convertitore boost basato sul timer 7555 e MOSFET-transistor ;
- Questo N-canale MOSFET- transistor nell'alloggiamento TO-247 con la tensione drain-source massima consentita VDS= 500 volt, corrente di drenaggio pulsata massima ID= 56 ampere e tipica resistenza drain-to-source a stato aperto RDS(acceso)= 0,33 ohm.

L'induttanza dell'induttanza del convertitore influisce sul suo funzionamento:
un'induttanza troppo bassa determina la bassa velocità di carica del condensatore;
un'induttanza troppo elevata può portare alla saturazione del nucleo.

Come generatore di impulsi ( circuito oscillatore) per il convertitore ( convertitore boost) puoi utilizzare un microcontrollore (ad esempio il popolare Arduino), che consentirà di implementare la modulazione della larghezza di impulso (PWM, PWM) per controllare il ciclo di lavoro degli impulsi.

condensatore (cappuccio della bobina (acitore)) -
condensatore elettrolitico per una tensione di diverse centinaia di volt.
In precedenza, utilizzavo un condensatore K50-17 di un flash esterno sovietico con una capacità di 800 μF per una tensione di 300 V:

Gli svantaggi di questo condensatore sono, a mio avviso, la bassa tensione operativa, l'aumento della corrente di dispersione (porta a una ricarica più lunga) e possibilmente una maggiore capacità.
Pertanto, sono passato all'utilizzo di condensatori moderni importati:

SAMWH per tensione 450 V con capacità di serie 220 μF H.C.. H.C.- questa è una serie standard di condensatori SAMWH, ci sono altre serie: LUI- funzionamento in un intervallo di temperature più ampio, H.J.- con durata maggiore;

PEC per una tensione di 400 V con una capacità di 150 μF.
Ho testato anche un terzo condensatore per una tensione di 400 V con una capacità di 680 μF, acquistato da un negozio online dx.com -

Alla fine ho deciso di usare un condensatore PEC per una tensione di 400 V con una capacità di 150 µF.

Per un condensatore, la sua resistenza in serie equivalente ( VES).

interruttore -
interruttore di alimentazione SA progettato per commutare un condensatore carico C per bobina l:

o tiristori o IGBT-transistor:

tiristore -
Utilizzo il tiristore di potenza ТЧ125-9-364 con controllo catodico
aspetto

dimensioni

- tiristore a perno ad alta velocità: “125” indica la corrente effettiva massima consentita (125 A); "9" indica la classe del tiristore, ad es. tensione impulsiva ripetitiva in centinaia di volt (900 V).

Usare un tiristore come chiave richiede la selezione della capacità del banco di condensatori, poiché un impulso di corrente prolungato porterà alla ritrazione di un proiettile che ha oltrepassato il centro della bobina - " risucchio effetto".

Transistor IGBT -
utilizzare come chiave IGBT-il transistor consente non solo di chiudere, ma anche di aprire il circuito della bobina. Ciò consente di interrompere la corrente (e il campo magnetico della bobina) dopo che il proiettile ha attraversato il centro della bobina, altrimenti il ​​proiettile verrebbe tirato indietro nella bobina e quindi rallenterebbe. Ma l'apertura del circuito della bobina (una forte diminuzione della corrente nella bobina) porta alla comparsa di un impulso ad alta tensione sulla bobina secondo la legge dell'induzione elettromagnetica $u_L = (L ((di_L) \over (dt) ))$. Per proteggere la chiave -IGBT-transistor, è necessario utilizzare elementi aggiuntivi:

TV VD- diodo ( Diodo TVS), creando un percorso per la corrente nella bobina quando la chiave viene aperta e smorzando un forte aumento di tensione sulla bobina
Rdis- resistenza di scarica ( resistenza di scarica) - fornisce l'attenuazione della corrente nella bobina (assorbe l'energia del campo magnetico della bobina)
Crscondensatore di soppressione degli squilli), prevenendo il verificarsi di impulsi di sovratensione sulla chiave (può essere integrato con un resistore, formando Soppressore RC)

Ho usato IGBT-transistor IRG48BC40F dalla popolare serie IRG4.

bobina -
la bobina è avvolta su un telaio in plastica con filo di rame. La resistenza ohmica della bobina è di 6,7 ohm. La larghezza dell'avvolgimento multistrato (pila) $b$ è di 14 mm, ci sono circa 30 spire in uno strato, il raggio massimo è di circa 12 mm, il raggio minimo $D$ è di circa 8 mm (il raggio medio $a$ è di circa 10 mm, altezza $c $ - circa 4 mm), diametro del filo - circa 0,25 mm.
Un diodo è collegato in parallelo alla bobina UF5408 (diodo di soppressione) (corrente di picco 150 A, tensione inversa di picco 1000 V), smorzando l'impulso di tensione di autoinduzione quando la corrente nella bobina viene interrotta.

botte -
Realizzato dal corpo di una penna a sfera.

proiettile -
I parametri del proiettile di prova sono un pezzo di chiodo con un diametro di 4 mm (diametro della canna ~ 6 mm) e una lunghezza di 2 cm (il volume del proiettile è 0,256 cm 3 e la massa $m$ = 2 grammi, se consideriamo la densità dell'acciaio pari a 7,8 g/cm 3 ). Ho calcolato la massa immaginando il proiettile come una combinazione di un cono e un cilindro.

Il materiale del proiettile deve essere ferromagnetico.
Inoltre, il materiale del proiettile dovrebbe averne altrettanto soglia di saturazione magnetica elevata - valore di induzione di saturazione $B_s$. Una delle migliori opzioni è il normale ferro magnetico dolce (ad esempio, il normale acciaio non temprato St. 3 - St. 10) con un'induzione di saturazione di 1,6 - 1,7 Tesla. I chiodi sono realizzati in filo di acciaio a basso tenore di carbonio non trattato termicamente (qualità di acciaio St. 1 KP, St. 2 KP, St. 3 PS, St. 3 KP).
Designazione dell'acciaio:
Arte.- acciaio al carbonio di qualità ordinaria;
0 - 10 - percentuale di carbonio aumentata di 10 volte. All'aumentare del contenuto di carbonio, l'induzione di saturazione $B_s$ diminuisce.

E la più efficace è la lega" permanente", ma è troppo esotico e costoso. Questa lega è composta per il 30-50% da cobalto, per l'1,5-2% da vanadio e il resto è ferro. Permendur ha la più alta induzione di saturazione $B_s$ di tutti i ferromagneti conosciuti fino a 2,43 Tesla.

È anche auspicabile che il materiale del proiettile ne abbia altrettanto bassa conduttività. Ciò è dovuto al fatto che le correnti parassite che si formano in un campo magnetico alternato nella barra conduttrice portano a perdite di energia.

Pertanto, in alternativa ai proiettili tagliachiodi, ho testato una barra di ferrite ( asta di ferrite), prelevato dall'induttore della scheda madre:

Bobine simili si trovano anche negli alimentatori dei computer:

Aspetto di una bobina con nucleo in ferrite:

Materiale dell'asta (probabilmente nichel-zinco ( Ni-Zn) (analogo delle marche nazionali di ferrite NN/VN) polvere di ferrite) è dielettrico, che elimina il verificarsi di correnti parassite. Ma lo svantaggio della ferrite è la bassa induzione di saturazione $B_s$ ~ 0,3 Tesla.
La lunghezza dell'asta era di 2 cm:

La densità delle ferriti nichel-zinco è $\rho$ = 4,0 ... 4,9 g/cm 3 .

Gravità del proiettile
Il calcolo della forza che agisce su un proiettile in una pistola Gauss è complesso compito.

Esistono diversi esempi di calcolo delle forze elettromagnetiche.

La forza di attrazione di un pezzo di ferromagnete su una bobina di solenoide con un nucleo ferromagnetico (ad esempio, un'armatura di relè su una bobina) è determinata dall'espressione $F = (((((w I))^2) \mu_0 S) \over (2 ((\delta)^ 2)))$, dove $w$ è il numero di spire della bobina, $I$ è la corrente nell'avvolgimento della bobina, $S$ è la sezione trasversale area del nucleo della bobina, $\delta$ è la distanza dal nucleo della bobina al pezzo attratto. In questo caso trascuriamo la resistenza magnetica dei ferromagneti nel circuito magnetico.

La forza che attira un ferromagnete nel campo magnetico di una bobina senza nucleo è data da $F = ((w I) \over 2) ((d\Phi) \over (dx))$.
In questa formula, $((d\Phi) \over (dx))$ è la velocità di variazione del flusso magnetico della bobina $\Phi$ quando si sposta un pezzo di ferromagnete lungo l'asse della bobina (cambiando le coordinate $x$), questo valore è abbastanza difficile da calcolare. La formula precedente può essere riscritta come $F = (((I)^2) \over 2) ((dL) \over (dx))$, dove $((dL) \over (dx))$ è il tasso di variazione dell'induttanza della bobina $L$.

La procedura per sparare un colpo da una pistola gauss
Prima dell'accensione, il condensatore deve essere caricato ad una tensione di 400 V. Per fare ciò, accendere l'interruttore (2) e spostare l'interruttore (4) sulla posizione “CHARGE”. Per indicare la tensione, un indicatore di livello di un registratore sovietico è collegato al condensatore tramite un partitore di tensione. Per la scarica di emergenza del condensatore senza collegare la bobina, viene utilizzata una resistenza da 6,8 kOhm con una potenza di 2 W, collegata tramite un interruttore (5) al condensatore. Prima di sparare è necessario spostare l'interruttore (4) sulla posizione “SHOT”. Per evitare l'influenza del rimbalzo dei contatti sulla formazione di un impulso di controllo, il pulsante "Shot" è collegato al circuito antirimbalzo sul relè di commutazione e sul microcircuito 74HC00N. Dall'uscita di questo circuito, il segnale attiva un dispositivo one-shot, che produce un singolo impulso di durata regolabile. Questo impulso arriva attraverso un fotoaccoppiatore PC817 all'avvolgimento primario del trasformatore di impulsi, che fornisce l'isolamento galvanico del circuito di controllo dal circuito di alimentazione. L'impulso generato sull'avvolgimento secondario apre il tiristore e attraverso di esso il condensatore viene scaricato nella bobina.

La corrente che scorre attraverso la bobina durante la scarica crea un campo magnetico che attira il proiettile ferromagnetico e conferisce al proiettile una certa velocità iniziale. Dopo aver lasciato la canna, il proiettile continua a volare per inerzia. Va tenuto presente che dopo che il proiettile ha attraversato il centro della bobina, il campo magnetico rallenterà il proiettile, quindi l'impulso di corrente nella bobina non dovrebbe essere prolungato, altrimenti ciò porterà ad una diminuzione della velocità iniziale del proiettile.

Per controllare a distanza uno sparo, un pulsante è collegato al connettore (1):

Determinazione della velocità con cui un proiettile lascia la canna
Quando viene sparato, la velocità della volata e l'energia sono fortemente dipendenti dalla posizione iniziale del proiettile nel bagagliaio.
Per impostare la posizione ottimale, è necessario misurare la velocità del proiettile che lascia la canna. Per questo ho utilizzato un misuratore di velocità ottico - due sensori ottici (LED IR VD1, VD2+ Fototransistor IR VT1, VT2) sono posti nel tronco ad una distanza di $l$ = 1 cm l'uno dall'altro. Durante il volo, il proiettile copre i fototransistor dalla radiazione dei LED e dai comparatori sul chip LM358N generare un segnale digitale:

Quando il flusso luminoso del sensore 2 (quello più vicino alla bobina) è bloccato, si accende la luce rossa (" ROSSO") LED e quando il sensore 1 è bloccato - verde (" VERDE").

Questo segnale viene convertito ad un livello di decimi di volt (divisori dai resistori R1,R3 E R2,R4) e viene alimentato a due canali dell'ingresso lineare (non microfono!) della scheda audio del computer utilizzando un cavo con due spine: una spina collegata al connettore gaussiano e una spina inserita nella presa della scheda audio del computer:
partitore di tensione:


SINISTRA- canale sinistro; GIUSTO- canale destro; GND- "Terra"

spina collegata alla pistola:

5 - canale sinistro; 1 - canale destro; 3 - "terra"
spina collegata al computer:

1 - canale sinistro; 2 - canale destro; 3 - "terra"

È conveniente utilizzare un programma gratuito per elaborare il segnale Audacia().
Poiché su ciascun canale di ingresso della scheda audio è collegato un condensatore in serie con il resto del circuito, l'ingresso della scheda audio lo è effettivamente RC-catena, e il segnale registrato dal computer ha una forma smussata:


Punti caratteristici sui grafici:
1 - volo della parte anteriore del proiettile oltre il sensore 1
2 - volo della parte anteriore del proiettile oltre il sensore 2
3 - volo della parte posteriore del proiettile oltre il sensore 1
4 - volo della parte posteriore del proiettile oltre il sensore 2
Determina la velocità iniziale del proiettile in base alla differenza di tempo tra i punti 3 e 4, tenendo conto che la distanza tra i sensori è di 1 cm.
Nell'esempio fornito, con una frequenza di digitalizzazione $f$ = 192000 Hz per il numero di campioni $N$ = 160, la velocità del proiettile $v = ((l f) \over (N)) = ((1920) \over 160 )$ era di 12 m/s .

La velocità di un proiettile che lascia la canna dipende dalla sua posizione iniziale nella canna, determinata dallo spostamento della parte posteriore del proiettile dal bordo della canna $\Delta$:

Per ciascuna capacità della batteria $C$, la posizione ottimale del proiettile (valore $\Delta$) è diversa.

Per il proiettile sopra descritto e una capacità della batteria di 370 uF, ho ottenuto i seguenti risultati:

Con una capacità della batteria di 150 µF i risultati sono stati i seguenti:

La velocità massima del proiettile era $v$ = 21,1 m/s (a $\Delta$ = 10 mm), che corrisponde ad un'energia di ~ 0,5 J -

Durante il test di un proiettile con barra di ferrite, si è scoperto che richiede una posizione molto più profonda nella canna (un valore $\Delta$ molto maggiore).

Leggi sulle armi
Nella Repubblica di Bielorussia, i prodotti con energia alla volata ( energia della volata) non più di 3 J acquistati senza autorizzazione appropriata e non sono registrati.
Nella Federazione Russa, prodotti con energia alla volata meno di 3 J non sono considerate armi.
Nel Regno Unito, i prodotti dotati di energia alla volata non sono considerati armi. non più di 1,3 J.

Determinazione della corrente di scarica del condensatore
Per determinare la corrente di scarica massima di un condensatore, è possibile utilizzare un grafico della tensione ai capi del condensatore durante la scarica. Per fare ciò è possibile collegarsi ad un connettore al quale viene fornita, tramite un partitore, la tensione sul condensatore ridotta di $n$ = 100 volte. Corrente di scarica del condensatore $i = (n) \cdot (C \cdot ((du) \over (dt))) = (((m_u) \over (m_t)) C tg \alpha)$, dove $\alpha$ - l'angolo di inclinazione della tangente alla curva di tensione del condensatore in un dato punto.
Ecco un esempio di tale curva di tensione di scarica su un condensatore:

In questo esempio $C$ = 800 µF, $m_u$ = 1 V/div, $m_t$ = 6,4 ms/div, $\alpha$ = -69,4°, $tg\alpha = -2 ,66 $, che corrisponde alla corrente di inizio scarica $i = (100) \cdot (800) \cdot (10^(-6)) \cdot (1 \over (6.4 \cdot (10^(-3) ))) \cdot (-2,66) = -33,3$ ampere.

Continua

I moderni cannoni d'artiglieria sono una fusione tra la tecnologia più recente, precisione millimetrica e maggiore potenza delle munizioni. Eppure, nonostante i progressi colossali, le armi del 21° secolo sparano allo stesso modo delle loro bisnonne, utilizzando l'energia dei gas in polvere.

L'elettricità è riuscita a scuotere il monopolio della polvere da sparo. L'idea di creare un cannone elettromagnetico nacque quasi contemporaneamente in Russia e Francia al culmine della prima guerra mondiale. Si basa sui lavori del ricercatore tedesco Johann Carl Friedrich Gauss, che sviluppò la teoria dell'elettromagnetismo, incarnata in un dispositivo insolito: una pistola elettromagnetica.

In anticipo

L'idea di creare una pistola elettromagnetica era molto in anticipo sui tempi. Poi, all'inizio del secolo scorso, tutto si limitò ai prototipi, che diedero risultati anche molto modesti. Pertanto, il modello francese riuscì a malapena ad accelerare un proiettile da 50 grammi fino ad una velocità di 200 m/s, che non poteva essere paragonata ai sistemi di artiglieria convenzionali allora in vigore. Il suo analogo russo, la pistola magnetica fugale, rimane del tutto nei disegni. Eppure, il risultato principale è stato l’incarnazione dell’idea in un hardware reale, e il vero successo era una questione di tempo.

Pistola gaussiana

Sviluppato da uno scienziato tedesco, il cannone Gauss è un tipo di acceleratore di massa elettromagnetico. La pistola è costituita da un solenoide (bobina) al cui interno è collocata una canna in materiale dielettrico. Si carica con un proiettile ferromagnetico. Per far muovere il proiettile, viene applicata una corrente elettrica alla bobina, che crea un campo magnetico che attira il proiettile nel solenoide. Più veloce e breve è l'impulso generato, maggiore è la velocità del proiettile.

Principio di funzionamento di una pistola di Gauss

I vantaggi della pistola elettromagnetica Gauss rispetto ad altri tipi di armi sono la capacità di variare in modo flessibile la velocità iniziale e l'energia del proiettile, nonché la silenziosità del tiro. C'è anche uno svantaggio: una bassa efficienza, pari a non più del 27%, e i relativi elevati costi energetici. Pertanto, ai nostri giorni, la pistola Gauss ha prospettive piuttosto come un'installazione amatoriale. Tuttavia, l’idea può avere una seconda vita se vengono inventate nuove fonti di corrente compatte e ultrapotenti.

Cannone elettromagnetico ferroviario

Il railgun è un altro tipo di cannone elettromagnetico. Il railgun è costituito da una fonte di alimentazione, apparecchiature di commutazione e due binari elettricamente conduttivi da 1 a 5 metri, che sono anche elettrodi situati a una distanza di 1 cm l'uno dall'altro. In esso, l'energia del campo elettromagnetico interagisce con l'energia di il plasma, che si forma a seguito della combustione di uno speciale inserto quando viene applicata l'alta tensione.

Principio di funzionamento di un cannone a rotaia

La polvere da sparo non è capace di altro

Naturalmente, è troppo presto per dire che il tempo delle munizioni tradizionali appartiene irrevocabilmente al passato. Tuttavia, secondo gli esperti, hanno raggiunto il limite. La velocità della carica rilasciata con il loro aiuto è limitata a 2,5 km/sec. Questo chiaramente non è sufficiente per le guerre future.

I railgun non sono più una fantasia

Negli Stati Uniti sono in pieno svolgimento i test di laboratorio del cannone a rotaia da 475 mm sviluppato da General Atomics e BAE Systems. Le prime salve dell'arma miracolosa hanno mostrato risultati incoraggianti. Il proiettile da 23 kg è volato fuori dalla canna ad una velocità superiore a 2200 m/s, il che consentirà in futuro di colpire bersagli a una distanza massima di 160 km. L'incredibile energia cinetica degli elementi che colpiscono le armi elettromagnetiche rende superflue le cariche di propellente, il che significa che aumenta la sopravvivenza degli equipaggi. Dopo aver terminato il prototipo, il cannone verrà installato sulla nave ad alta velocità JHSV Millinocket. Tra circa 5-8 anni, la Marina americana inizierà ad essere sistematicamente equipaggiata con cannoni ferroviari.

La nostra risposta

Nel nostro paese, le armi elettromagnetiche furono ricordate negli anni '50, quando iniziò una folle corsa per creare la prossima superarma. Fino ad ora, queste opere sono rigorosamente classificate. Il progetto sovietico fu guidato dall'eccezionale fisico accademico L. A. Artsimovich, che da molti anni lavorava sui problemi del plasma. Fu lui a sostituire l’ingombrante nome “acceleratore di massa elettrodinamico” con quello che tutti conosciamo oggi – “railgun”.

Sviluppi simili sono ancora in corso in Russia. Un team di una delle filiali dell'Istituto congiunto per le alte temperature dell'Accademia russa delle scienze ha recentemente dimostrato la sua visione di un cannone a rotaia. Per accelerare la carica è stato sviluppato un acceleratore elettromagnetico. Qui un proiettile del peso di diversi grammi è stato accelerato ad una velocità di circa 6,3 km/s.