25 марта 2015 в 15:42

Электромагнитная пушка Гаусса на микроконтроллере

• Разработка робототехники

Всем привет. В данной статье рассмотрим, как изготовить портативную электромагнитную пушку Гаусса, собранную с применением микроконтроллера. Ну, насчет пушки Гаусса я, конечно, погорячился, но то, что это – электромагнитная пушка, нет сомнения. Данное устройство на микроконтроллере было разработано для того, чтобы обучить начинающих программированию микроконтроллеров на примере конструирования электромагнитной пушки своими руками.Разберем некоторые конструктивные моменты как в самой электромагнитной пушке Гаусса, так и в программе для микроконтроллера.

С самого начала нужно определиться с диаметром и длиной ствола самой пушки и материалом, из которого она будет изготовлена. Я применил пластиковый футляр диаметром 10 мм из-под ртутного термометра, поскольку он у меня валялся без дела. Вы можете использовать любой доступный материал, обладающий не ферромагнитными свойствами. Это стекло, пластик, медная трубка и т. д. Длина ствола может зависеть от количества применяемых электромагнитных катушек. В моем случае используется четыре электромагнитных катушки, длина ствола составила двадцать сантиметров.

Что касается диаметра применяемой трубки, то в процессе работы электромагнитная пушка показала, что нужно учитывать диаметр ствола относительно применяемого снаряда. Проще говоря, диаметр ствола не должен намного превышать диаметр применяемого снаряда. В идеале, ствол электромагнитной пушки должен подходить под сам снаряд.

Материалом для создания снарядов послужила ось от принтера диаметром пять миллиметров. Из данного материала и были изготовлены пять болванок длиной 2,5 сантиметра. Хотя также можно применять стальные болванки, скажем, из проволоки или электрода – что найдется.

Нужно уделить внимание и весу самого снаряда. Вес по возможности должен быть небольшим. Мои снаряды слегка тяжеловаты получились.

Перед созданием данной пушки были проведены эксперименты. В качестве ствола использовалась пустая паста от ручки, в качестве снаряда – иголка. Иголка с легкостью пробивала обложку журнала, установленного неподалеку от электромагнитной пушки.

Поскольку оригинальная электромагнитная пушка Гаусса строится по принципу заряда конденсатора большим напряжением, порядка трехсот вольт, то в целях безопасности начинающим радиолюбителям следует запитывать её низким напряжением, порядка двадцати вольт. Низкое напряжение приводит к тому, что дальность полета снаряда не очень большая. Но опять же, всё зависит от количества применяемых электромагнитных катушек. Чем больше электромагнитных катушек применяется, тем больше получается ускорение снаряда в электромагнитной пушке. Также имеют значение диаметр ствола (чем меньше диаметр ствола, тем снаряд летит дальше) и качество намотки непосредственно самих электромагнитных катушек. Пожалуй, электромагнитные катушки – самое основное в устройстве электромагнитной пушки, на это нужно обратить серьёзное внимание, чтобы добиться максимального полета снаряда.

Я приведу параметры своих электромагнитных катушек, у вас они могут быть другими. Катушка наматывается проводом диаметром 0,2 мм. Длина намотки слоя электромагнитной катушки составляет два сантиметра и содержит шесть таких рядов. Каждый новый слой я не изолировал, а начинал намотку нового слоя на предыдущий. Из-за того, что электромагнитные катушки запитываются низким напряжением, вам нужно получить максимальную добротность катушки. Поэтому все витки наматываем плотно друг другу, виток к витку.

Что касается подающего устройства, то тут особые пояснения не нужны. Все паялось из отходов фольгированного текстолита, оставшегося от производства печатных плат. На рисунках все подробно отображено. Сердцем подающего устройства является сервопривод SG90, управляемый микроконтроллером.

Подающий шток изготовлен из стального прутка диаметром 1,5 мм, на конце штока запаяна гайка м3 для сцепления с сервоприводом. На качалке сервопривода для увеличения плеча установлена загнутая с двух концов медная проволока диаметром 1,5 мм.

Данного нехитрого устройства, собранного из подручных материалов, вполне хватает, чтобы подать снаряд в ствол электромагнитной пушки. Подающий шток должен полностью выходить из загрузочного магазина. В качестве направляющей для подающего штока послужила треснувшая латунная стойка с внутренним диаметром 3 мм и длиной 7 мм. Жалко было выбрасывать, вот и пригодилось, собственно, как и кусочки фольгированного текстолита.

Программа для микроконтроллера atmega16 создавалась в AtmelStudio, и является полностью открытым проектом для вас. Рассмотрим некоторые настройки в программе микроконтроллера, которые придется произвести. Для максимально эффективной работы электромагнитной пушки вам понадобится настроить в программе время работы каждой электромагнитной катушки. Настройка производится по порядку. Сначала подпаиваете в схему первую катушку, все остальные не подключаете. Задаете в программе время работы (в миллисекундах).

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350); / / время работы

Прошиваете микроконтроллер, и запускаете программу на микроконтроллере. Усилия катушки должно хватать на то, чтобы втянуть снаряд и придать начальное ускорение. Добившись максимального вылета снаряда, подстраивая время работы катушки в программе микроконтроллера, подключаете вторую катушку и также настраиваете по времени, добиваясь еще большей дальности полета снаряда. Соответственно, первая катушка остается включенной.

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

Таким способом настраиваете работу каждой электромагнитной катушки, подключая их по порядку. По мере увеличения количества электромагнитных катушек в устройстве электромагнитной пушке Гаусса скорость и, соответственно, дальность снаряда должны также увеличиваться.

Данную кропотливую процедуру настройки каждой катушки можно избежать. Но для этого придется модернизировать устройство самой электромагнитной пушки, установив датчики между электромагнитными катушками для отслеживания перемещения снаряда от одной катушки к другой. Датчики в сочетании с микроконтроллером позволят не только упростить процесс настройки, но и увеличат дальность полета снаряда. Данные навороты я не стал делать и усложнять программу микроконтроллера. Целью было реализовать интересный и несложный проект с применением микроконтроллера. Насколько он интересен, судить, конечно, вам. Скажу честно, я радовался, как ребенок, «молотя» из данного устройства, и у меня созрела идея более серьезного устройства на микроконтроллере. Но это уже тема для другой статьи.

Программа и схема -

Привет, друзья! Наверняка кто-то из вас уже когда-то читал или лично сталкивался с электромагнитным ускорителем Гаусса, который более известен под «Пушкой Гаусса».

Традиционная Гаусс-пушка строится с применением труднодоступных или довольно дорогих конденсаторов большой емкости, также для осуществления правильной зарядки и выстрела требуется некоторая обвязка (диоды, тиристоры и так далее). Это может быть довольно сложно для людей, которые ничего не понимают в радиоэлектронике, но желание поэкспериментировать не дает сидеть на месте. В этой статье я попытаюсь подробно рассказать о принципе работы пушки и о том, как можно собрать упрощенный до минимума ускоритель Гаусса.

Главной частью пушки является катушка. Как правило ее мотают самостоятельно на каком-либо диэлектрическом немагнитном стержне, который в диаметре несильно превышает диаметр снаряда. В предложенной конструкции катушку можно намотать даже «на глазок», потому что принцип действия просто не позволяет произвести никаких расчетов. Достаточно добыть медный или алюминиевый провод диаметром 0.2-1 мм в лаковой или силиконовой изоляции и намотать на стволе 150-250 витков так, чтобы длина намотки одного ряда была примерно 2-3 см. Можно использовать и готовый соленоид.

При прохождении электрического тока через катушку в ней возникает магнитное поле. Проще говоря, катушка превращается в электромагнит, который втягивает железный снаряд, а чтобы он не оставался в катушке, во время его вхождения в соленоид нужно просто отключить подачу тока.

В классических пушках это достигается за счет точных расчетов, применения тиристоров и других компонентов, которые «обрежут» импульс в нужный момент. Мы же просто будем разрывать цепь «когда получится». Для экстренного разрывания электрической цепи в быту используют плавкие предохранители, их можно использовать в нашем проекте, однако более целесообразно заменить их лампочками от елочной гирлянды. Они рассчитаны на питание низким напряжением, поэтому при питании от сети 220В мгновенно перегорают и разрывают цепь.

Готовое устройство состоит всего из трех деталей: катушки, сетевого кабеля и лампочки, подключенной последовательно катушке.

Многие согласятся, что использование пушки в таком виде крайне неудобно и неэстетично, а порой даже очень опасно. Поэтому я смонтировал устройство на небольшом кусочке фанеры. Для катушки установил отдельные клеммы. Это дает возможность быстро менять соленоид и экспериментировать с разными вариантами. Для лампочки я установил два тонких обрезанных гвоздя. Концы проводов лампочки просто обкручиваются вокруг них, поэтому лампочка меняется очень быстро. Обратите внимание, что сама колба находится в специально проделанном отверстии.

Дело в том, что при выстреле происходит большая вспышка и искры, поэтому я посчитал нужным немного отвести вниз эту «струю».

Скорость вылета снаряда здесь довольно большая, но даже бумагу он пробивает с трудом, иногда железные пули вбиваются в пенопласт.

При желании, можно посмотреть мое видео к этой

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

ЗАРЯЖЕННЫЕ КОНДЕНСАТОРЫ СМЕРТЕЛЬНО ОПАСНЫ!

Электромагнитная пушка (Гаусс-ган, англ. coilgun ) в ее классическом варианте представляет собой устройство, использующее свойство ферромагнетиков втягиваться в область более сильного магнитного поля для ускорения феромагнитного "снаряда".

Мой гаусс-ган:
вид сверху:


вид сбоку:


1 - разъем для подключения дистанционного спуска
2 - переключатель "заряд аккумулятора/работа"
3 - разъем для подключения к звуковой карте компьютера
4 - переключатель "заряд конденсатора/выстрел"
5 - кнопка аварийного разряда конденсатора
6 - индикатор "Заряд аккумулятора"
7 - индикатор "Работа"
8 -индикатор "Заряд конденсатора"
9 - индикатор "Выстрел"

Схема силовой части пушки Гаусса:

1 - ствол
2 - защитный диод
3 - катушка
4 - ИК-светодиоды
5 - ИК-фототранзисторы

Основные элементы конструкции моей электромагнитной пушки :
аккумулятор -
я использую два литий-ионных аккумулятора SANYO UR18650A формата 18650 от ноутбука емкостью 2150 мАч, включенных последовательно:
...
Предельное напряжение разряда этих аккумуляторов составляет 3,0 В.

преобразователь напряжения для питания цепей управления -
Напряжение с батарей поступает на повышающий преобразователь напряжения на микросхеме 34063, который повышает напряжение до 14 В. Затем напряжение поступает на преобразователь для заряда конденсатора, а стабилизированное до 5 В микросхемой 7805 - для питания цепи управления.

преобразователь напряжения для заряда конденсатора -
повышающий преобразователь на базе таймера 7555 и MOSFET -транзистора ;
- это N -канальный MOSFET -транзистор в корпусе TO-247 с максимально допустимым напряжением "сток-исток" V DS = 500 вольт, максимальным импульсным током стока I D = 56 ампер и типичным значением сопротивления "сток-исток" в открытом состоянии R DS(on) = 0,33 ома.

Индуктивность дросселя преобразователя влияет на его работу:
слишком малая индуктивность определяет низкую скорость заряда конденсатора;
слишком высокая индуктивность может привести к насыщению сердечника.

В качестве генератора импульсов (oscillator circuit ) для преобразователя (boost converter ) можно использовать микроконтроллер (например, популярный Arduino ), который позволит реализовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ, PWM ) для управления скважностью импульсов.

конденсатор (coil cap(acitor)) -
электролитический конденсатор на напряжение несколько сотен вольт.
Ранее я использовал конденсатор К50-17 от советской внешней фотовспышки емкостью 800 мкФ на напряжение 300 В:

Недостатком этого конденсатора являются, по моему мнению, невысокое рабочее напряжение, повышенный ток утечки (приводит к более долгой зарядке) и возможно завышенная емкость.
Поэтому я перешел на использование импортных современных конденсаторов:

SAMWHA на напряжение 450 В емкостью 220 мкФ серии HC . HC - это стандартная серия конденсаторов SAMWHA , существуют и другие серии: HE - работающие в более широком температурном диапазоне, HJ - с увеличенным временем жизни;

PEC на напряжение 400 В емкостью 150 мкФ.
Также я испытывал третий конденсатор на напряжение 400 В емкостью 680 мкФ, приобретенный в интернет-магазине dx.com -

В итоге я остановился на использовании конденсатора PEC на напряжение 400 В емкостью 150 мкФ .

Для конденсатора также важно его эквивалентное последовательное сопротивление (ESR ).

переключатель -
силовой переключатель SA предназачен для коммутирования заряженного конденсатора C на катушку L :

в качестве переключателя можно использовать либо тиристоры, либо IGBT -транзисторы:

тиристор -
я использую силовой тиристор ТЧ125-9-364 с управлением по катоду
внешний вид

размеры

- тиристор быстродействующий штыревого исполнения: "125" означает максимально допустимый действующий ток (125 А); "9" означает класс тиристора, т.е. повторяющееся импульсное напряжение в сотнях вольт (900 В).

Использование тиристора в качестве ключа требует подбора емкости конденсаторной батареи, так как затянутый импульс тока приведет к втягиванию пролетевшего центр катушки снаряда обратно - "suck-back effect" .

IGBT-транзистор -
применение в качестве ключа IGBT -транзистора позволяет не только замыкать, но и размыкать цепь катушки. Это позволяет прерывать ток (и магнитное поле катушки) после пролета снаряда через центр катушки, иначе бы снаряд втягивался назад, в катушку, и, следовательно, замедлялся. Но размыкание цепи катушки (резкое убывание тока в катушке) приводит к возникновению импульса высокого напряжения на катушке в соответствии с законом электромагнитной индукции $u_L = {L {{di_L} \over {dt}} }$. Для защиты ключа-IGBT -транзистора необходимо использовать дополнительные элементы:

VD tvs - диод (TVS diode ), создающий путь току в катушке при размыкании ключа и гасящий резкий бросок напряжения на катушке
R dis - разрядный резистор (discharge resistor ) - обеспечивает затухание тока в катушке (поглощает энергию магнитного поля катушки)
C rs ringing suppression capacitor ), предотвращающий возникновение импульсов перенапряжения на ключе (может дополняться резистором, образуя RC-snubber )

Я использовал IGBT -транзистор IRG48BC40F из популярной серии IRG4 .

катушка (coil) -
катушка намотана на пластиковом каркасе медным проводом. Омическое сопротивление катушки составляет 6,7 Ом. Ширина многослойной намотки (внавал) $b$ равна 14 мм, в одном слое около 30 витков, максимальный радиус - около 12 мм, минимальный радиус $D$ - около 8 мм (средний радиус $a$ - около 10 мм, высота $c$ - около 4 мм), диаметр провода - около 0,25 мм.
Параллельно катушке включен диод UF5408 (supression diode ) (пиковый ток 150 А, пиковое обратное напряжение 1000 В), гасящий импульс напряжения самоиндукции при прерывании тока в катушке.

ствол (barrel) -
сделан из корпуса шариковой ручки.

снаряд (projectile) -
Параметры испытательного снаряда - отрезок гвоздя диаметром 4 мм (диаметр ствола ~ 6 мм) и длиной 2 см (объем снаряда составляет 0,256 см 3 , а масса $m$ = 2 грамма, если принять плотность стали 7,8 г/см 3). Массу я вычислял, представив снаряд как совокупность конуса и цилиндра.

Материал снаряда обязан быть ферромагнетиком .
Также материал снаряда должен иметь как можно более высокий порог магнитного насыщения - значение индукции насыщения $B_s$ . Одним из лучших вариантов является обычное магнитомягкое железо (например, обычная незакаленная сталь Ст. 3 - Ст. 10) с индукцией насыщения 1,6 - 1,7 Тл. Гвозди изготавливают из низкоуглеродистой термически необработанной стальной проволоки (сталь марок Ст. 1 КП, Ст. 2 КП, Ст. 3 ПС, Ст. 3 КП).
Обозначение стали:
Ст. - углеродистая сталь обыкновенного качества;
0 - 10 - процентное содержание углерода, увеличенное в 10 раз. С увеличением содержания углерода снижается индукция насыщения $B_s$.

А самым эффективным является сплав "пермендюр ", но он слишком экзотический и дорогой. Этот сплав состоит из 30-50 % кобальта, 1,5-2 % ванадия и остальное - железо. Пермендюр обладает наивысшей из всех известных ферромагнетиков индукцией насыщения $B_s$ до 2,43 Тл.

Также желательно, чтобы материал снаряда имел как можно более низкую проводимость . Это связано с тем, что возникающие в переменном магнитном поле в проводящем стержне вихревые токи, которые приводят к потерям энергии.

Поэтому в качестве альтернативы снарядам - обрезкам гвоздей я испытал ферритовый стержень (ferrite rod ), взятый из дросселя с материнской платы:

Аналогичные катушки встречаются и в компьютерных блоках питания:

Внешний вид катушки с ферритовым сердечником:

Материал стержня (вероятно, никель-цинковый (Ni-Zn ) (аналог отечественных марок феррита НН/ВН) ферритовый порошок) является диэлектриком , что исключает возникновение вихревых токов. Но недостатком феррита является низкая индукция насыщения $B_s$ ~ 0,3 Тл.
Длина стержня составила 2 см:

Плотность никель-цинковых ферритов составляет $\rho$ = 4,0 ... 4,9 г/см 3 .

Сила притяжения снаряда
Вычисление силы, действующей на снаряд в пушке Гаусса, является сложной задачей.

Можно привести несколько примеров вычисления электромагнитных сил.

Сила притяжения кусочка ферромагнетика к катушке-соленоиду с ферромагнитным сердечником (например, якоря реле к катушке) определяется выражением $F = {{{{(w I)}^2} \mu_0 S} \over {2 {{\delta}^2}}}$ , где $w$ - количество витков в катушке, $I$ - ток в обмотке катушки, $S$ - площадь сечения сердечника катушки, $\delta$ - расстояние от сердечника катушки до притягиваемого кусочка. При этом пренебрегаем магнитным сопротивлением ферромагнетиков в магнитной цепи.

Сила, втягивающая ферромагнетик в магнитное поле катушки без сердечника, определяется выражением $F = {{w I} \over 2} {{d\Phi} \over {dx}}$.
В этой формуле ${{d\Phi} \over {dx}}$ - скорость изменения магнитного потока катушки $\Phi$ при перемещении кусочка ферромагнетика вдоль оси катушки (изменении координаты $x$), эту величину вычислить достаточно сложно. Вышеуказанная формула может быть переписана в виде $F = {{{I}^2} \over 2} {{dL} \over {dx}}$, где ${{dL} \over {dx}}$ - скорость изменения индуктивности катушки $L$.

Порядок выполнения выстрела из гаусс-гана
Перед выстрелом конденсатор необходимо зарядить до напряжения 400 В. Для этого необходимо включить выключатель (2) и перевести переключатель (4) в положение "ЗАРЯД". Для индикации напряжения к конденсатору через делитель напряжения подключен индикатор уровня от советского магнитофона. Для аварийного разряда конденсатора без подключения катушки служит резистор сопротивлением 6,8 кОм мощностью 2 Вт, подключаемый с помощью выключателя (5) к конденсатору. Перед выстрелом необходимо перевести переключатель (4) в положение "ВЫСТРЕЛ". Для избежания влияния дребезга контактов на формирование импульса управления кнопка "Выстрел" подключается к схеме защиты от дребезга на переключающем реле и микросхеме 74HC00N . С выхода этой схемы сигнал запускает одновибратор, который вырабатывает одиночный импульс настраиваемой длительности. Этот импульс поступает через оптопару PC817 на первичную обмотку имульсного трансформатора, обеспечивающего гальваническую развязку цепи управления от силовой цепи. Импульс, формируемый на вторичной обмотке, открывает тиристор и конденсатор разряжается через него на катушку.

Ток, протекающий через катушку при разряде, создает магнитное поле, втягивающее ферромагнитный снаряд и придающее снаряду некоторую начальную скорость. После вылета из ствола снаряд дальше летит по инерции. При этом следует учитывать то, что после пролета снаряда через центр катушки магнитное поле будет замедлять снаряд, поэтому импульс тока в катушке не должен быть затянут, иначе это приведет к уменьшению начальной скорости снаряда.

Для дистанционного управления выстрелом к разъему (1) подключается кнопка:

Определение скорости вылета снаряда из ствола
При выстреле дульная скорость и энергия сильно зависят от начального положения снаряда в стволе.
Для настройки оптимального положения необходимо измерять скорость вылета снаряда из ствола. Для этого я использовал оптический измеритель скорости - два оптических датчика (ИК-светодиоды VD1 , VD2 + ИК-фототранзисторы VT1 , VT2 ) размещены в стволе на расстоянии $l$ = 1 см друг от друга. При пролете снаряд закрывает фототранзисторы от излучения светодиодов, а компараторы на микросхеме LM358N формируют цифровой сигнал:

При перекрытии светового потока датчика 2 (ближайшего к катушке) загорается красный ("RED ") светодиод, а при перекрытии датчика 1 - зеленый ("GREEN ").

Этот сигнал преобразуется к уровню в десятые доли вольта (делители из резисторов R1 ,R3 и R2 ,R4 ) и подается на два канала линейного (не микрофонного!) входа звуковой карты компьютера с помощью кабеля с двумя штекерами - штекером, подключаемого к разъему гаусс-гана, и штекером, втыкаемым в гнездо звуковой карты компьютера:
делитель напряжения:


LEFT - левый канал; RIGHT - правый канал; GND - "земля"

штекер, подключаемый к пушке:

5 - левый канал; 1 - правый канал; 3 - "земля"
штекер, подключаемый к компьютеру:

1 - левый канал; 2 - правый канал; 3 - "земля"

Для обработки сигнала удобно использовать бесплатную программу Audacity ().
Так как на каждом канале входа звуковой карты включен последовательно с остальной цепью конденсатор, то фактически вход звуковой карты представляет собой RC -цепочку, и записанный компьютером сигнал имеет сглаженный вид:


Характерные точки на графиках:
1 - пролет передней части снаряда мимо датчика 1
2 - пролет передней части снаряда мимо датчика 2
3 - пролет задней части снаряда мимо датчика 1
4 - пролет задней части снаряда мимо датчика 2
Я определяю начальную скорость снаряда по разнице времени между точками 3 и 4 с учетом того, что расстояние между датчиками составляет 1 см.
В приведенном примере при частоте оцифровки $f$ = 192000 Гц для количества сэмплов $N$ = 160 скорость снаряда $v = {{l f} \over {N}} = {{1920} \over 160}$ составила 12 м/с.

Скорость вылета снаряда из ствола зависит от его начального положения в стволе, задаваемого смещением задней части снаряда от края ствола $\Delta$:

Для каждой емкости батареи $C$ оптимальное положение снаряда (значение $\Delta$) различно.

Для вышеописанного снаряда и емкости батареи 370 мкФ я получил следующие результаты:

При емкости батареи 150 мкФ результаты были следующими:

Максимальная скорость снаряда составила $v$ = 21,1 м/с (при $\Delta$ = 10 мм), что соответствует энергии ~0,5 Дж -

При испытании снаряда - ферритового стержня выяснилось, что он требует намного более глубокого расположения в стволе (намного большей величины $\Delta$).

Законы об оружии
В Республике Беларусь изделия с дульной энергией (muzzle energy ) не более 3 Дж приобретаются без соответствующего разрешения и не регистрируются.
В Российской Федерации изделия с дульной энергией менее 3 Дж не считаются оружием.
В Великобритании оружием не считаются изделия с дульной энергии не более 1,3 Дж.

Определение разрядного тока конденсатора
Для определения максимального разрядного тока конденсатора можно использовать график напряжения на конденсаторе при разряде. Для этого можно подключиться к разъему, на который через делитель подается напряжение на конденсаторе, уменьшенное в $n$ = 100 раз. Ток разряда конденсатора $i = {n} \cdot {C \cdot {{du} \over {dt}}} = {{{m_u} \over {m_t}} C tg \alpha}$, где $\alpha$ - угол наклона касательной к кривой напряжения конденсатора в данной точке.
Вот пример такой разрядной кривой напряжения на конденсаторе:

В этом примере $C$ = 800 мкФ, $m_u$ = 1 В/дел., $m_t$ = 6,4 мс/дел., $\alpha$ = -69,4°, $tg \alpha = -2,66 $, что соответствует току в начале разряда $i = {100} \cdot {800} \cdot {10^{-6}} \cdot {1 \over {6,4 \cdot {10^{-3}}}} \cdot (-2,66) = -33,3$ ампера.

Продолжение следует

Уже, наверное, лет 50 все говорят о том, что век пороха подошел к концу, и дальше огнестрельное уже не может развиваться. Несмотря на то, что с таким утверждением я абсолютно не согласен и считаю, что современному огнестрельному оружию, а точнее патронам, еще есть куда расти и совершенствоваться, не могу пройти мимо попыток замены пороха и вообще привычного принципа работы оружия. Понятно, что пока многое из придуманного просто невозможно, в основном по причине отсутствия компактного источника электрического тока или же из-за сложности производства и обслуживания, но при этом лежат на пыльной полке и ждут своего времени множество интереснейших проектов.

Пушка Гаусса

Начать именно с этого образца хочется по той причине, что он достаточно простой, ну и потому, что есть и собственный небольшой опыт в попытке создания такого оружия, и, надо сказать, не самой безуспешной.

Лично я узнал впервые об этом образце оружия вовсе не из игры "Сталкер", хотя именно благодаря ей об этом оружии знают миллионы, и даже не из игры Fallout, а из литературы, а именно из журнала ЮТ. Представленная в журнале пушка Гаусса было самой примитивной и позиционировалась как детская игрушка. Так, само "оружие" состояло из пластиковой трубки с намотанной на ней катушкой медной проволоки, которая играла роль электромагнита при подаче на нее электрического тока. В трубку вкладывался металлический шарик, который при подаче тока стремился притянуть к себе электромагнит. Чтобы шарик не "завис" в электромагните, подача тока была кратковременной, с электролитического конденсатора. Таким образом, до электромагнита шарик разгонялся, а дальше при отключении электромагнита летел уже самостоятельно. К этому всему предлагалась электронная мишень, но не будем скатываться к теме о том, какая раньше была интересная, полезная и главное востребованная литература.

Собственно, описанное выше устройство и есть простейшая пушка Гаусса, но естественно, что подобное устройство явно не может быть оружием, разве что при очень большом и мощном единственном электромагните. Для достижения приемлемых скоростей метаемого снаряда необходимо использовать, если так можно выразиться, ступенчатую систему разгона, то есть на стволе должно быть установлено несколько электромагнитов один за одним. Главной проблемой при создании такого аппарата в домашних условиях является синхронизация работы электромагнитов, так как от этого напрямую зависит скорость метаемого снаряда. Хотя прямые руки, паяльник и чердак или дача со старыми телевизорами, магнитофонами, грампроигрывателями и никакие трудности не страшны. На данный момент, пробежав глазами по сайтам, где люди демонстрируют свое творчество, я заметил, что практически все располагают катушки электромагнитов на самом стволе, грубо говоря, просто наматывают на него катушки. Судя по результатам испытаний таких образцов, далеко от нынешней общедоступной пневматике по эффективности такое оружие не ушло, но для развлекательной стрельбы вполне годное.

Собственно, больше всего меня мучает вопрос, почему катушки все стараются расположить на стволе, куда более эффективнее было бы использовать электромагниты с сердечниками, которые будут направлены этими самыми сердечниками к стволу. Таким образом, можно разместить, скажем, 6 электромагнитов на площади, которую занимал ранее один электромагнит, соответственно это даст больший прирост к скорости метаемого снаряда. Несколько секций таких электромагнитов по всей длине ствола смогут разогнать небольшой кусочек стали до приличных скоростей, правда весить установка будет немало даже без источника тока. Все почему-то стараются и высчитывают время разрядки конденсатора, питающего катушку, для того чтобы согласовать катушки между собой, чтобы они разгоняли снаряд, а не тормозили его. Согласен, сесть и посчитать занятие очень интересное, вообще физика и математика замечательные науки, но почему не согласовать катушки при помощи фото и светодиодов и простейшей схемки, вроде как дефицита особого нет и вполне за умеренную плату можно получить необходимые детали, хотя посчитать, конечно, дешевле. Ну, а источник питания электрическая сеть, трансформатор, диодный мост и несколько электролитических конденсаторов соединенных параллельно. Но даже при таком монстре весом килограмм под 20 без автономного источника электрического тока впечатляющих результатов навряд ли получиться добиться, хотя смотря у кого какая впечатлительность. И не не не, я ничего подобного не делал (опустив голову, водит ногой в тапочке по полу), я вот только ту игрушку из ЮТ мастерил с одной катушкой.

В общем, даже при использовании как какое-то стационарное оружие, скажем тот же пулемет для защиты объекта, не меняющего свое местоположение, такое оружие будет достаточно дорогим, а главное тяжелым и не самым эффективным, если конечно речь идет о разумных габаритах, а не о монстре с пятиметровым стволом. С другой же стороны, очень высокая теоретическая скорострельность и боеприпасы по цене копейка за полтонны ну очень уж привлекательно выглядят.

Таким образом, для пушки Гаусса основной проблемой является то, что электромагниты имеют большой вес, ну и как всегда требуется источник электрического тока. В целом, разработку именно оружия на основе пушки Гаусса никто не ведет, есть проект по запуску небольших спутников, но он скорее теоретический и уже давно не развивается. Интерес к пушке Гаусса поддерживается только благодаря кинематографу и компьютерным играм, да еще и энтузиастам, любящим работать головой и руками, которых в наше время, к сожалению, не так много. Для оружия есть более практичное устройство, которое потребляет электрический ток, хотя о практичности тут можно поспорить, но в отличии от пушки Гаусса тут есть определенные сдвиги.

RailGun или по-нашему Рельсотрон

Это оружие не менее известно, чем пушка Гаусса, за что нужно сказать спасибо компьютерным играм и кинематографу, правда если с принципом работы пушки Гаусса знакомы все кто заинтересовался этим видом оружия, то с рельсотроном не все понятною.Попробуем разобраться что это за зверь, как он работает и какие у него перспективы.

Началось все в далеком 1920 году, именно в этом году был получен патент на данный образец оружия, причем оружия изначально, никто не планировал использовать изобретение в мирных целях. Автором рельсотрона, или более известного рэилгана, является француз – Андрэ Луи-Октав Фошон Виепле. Несмотря на то, что конструктору удалось достигнуть некоторого успеха по поражению живой силы противника, его изобретением никто не заинтересовался, уж очень громоздкой была конструкция, а результат был так себе и вполне сопоставимый с огнестрельным оружием. Так почти двадцать лет изобретение было заброшено, до тех пор пока не нашлась страна, которая позволяла тратить себе огромные средства для развития науки, и особенно той части науки, которая могла убивать. Речь идет о фашисткой Германии. Именно там французским изобретением заинтересовался Иоахим Хэнслер. Под руководством ученого была создана значительно более эффективная установка, которая имела длину всего два метра, но разгоняла метаемый снаряд до скорости более 1200 метров в секунду, правда сам метаемый снаряд был выполнен из алюминиевого сплава и имел вес 10 грамм. Тем не менее, этого было более чем достаточно для ведения огня, как по живой силе противника, так и по небронированной технике. В частности свою разработку конструктор позиционировал как средство борьбы с воздушными целями. Более высокая скорость полета метаемого снаряда, в сравнении с огнестрельным оружием, делала работу конструктора весьма перспективной, так как вести огонь по движущимся, причем движущимся постоянно, целям было намного проще. Однако конструкция требовала доработки и конструктор проделал очень большой труд по совершенствованию данного образца, несколько изменив начальный принцип его работы.

В первом образце все было более или менее понятно и ничего фантастического не было. Имелось две рельсы, которые были «стволом» оружия. Между ними укладывался сам метаемый снаряд, который изготавливался из пропускающего электрический ток материала, в результате при подаче тока на рельсы, под воздействием силы Лоренца, метаемый снаряд стремился вперед и в идеальных условиях, которых, естественно, никогда не добиться, его скорость могла приближаться к скорости света. Так как существовало множество факторов, которые мешали разогнать сметаемый снаряд до таких скоростей, то конструктор решил от некоторых из них избавиться. Главным достижением стало то, что в последних наработках уже не метаемый снаряд замыкал цепь, делало это электрическая дуга позади метаемого снаряда, собственно это решение используется до сих пор, только совершенствуясь. Таким образом, конструктору удалось приблизиться к скорости полета метаемого снаряда равной 3 километрам в секунду, в это был 1944 год прошлого века. К счастью конструктору не хватило времени на то, чтобы завершить свою работу и решить те проблемы которые имело оружие, а их было не мало. Причем настолько не мало, что эту разработку спихнули американцам и работ в этом направлении в Советском Союзе не проводили. Только в семидесятых годах начали развивать у нас данное оружие и на данный момент мы, к сожалению, отстаем, ну по крайней мере по общедоступным данным. В США же уже давно достигли скорости в 7,5 километров в секунду и не собираются останавливаться. Работы на данный момент ведутся в направлении развития рельсотрона как средства противовоздушной обороны, так что как ручное огнестрельное оружие рельсотрон все еще фантастика или очень далекое будущее.

Главной проблемой рельсотрона является то, что для достижения максимальной эффективности нужно использовать рельсы с очень малым сопротивлением. На данный момент они покрыты серебром, что вроде бы не так накладно в финансовом плане, однако с учетом того, что «ствол» оружия длиной совсем не один и не два метра, это уже существенные затраты. Кроме того, после нескольких выстрелов рельсы нужно менять и восстанавливать, что деньги, да и скорострельность такого оружия остается очень низкой. Кроме того, не стоит забывать о том, что сами рельсы стараются оттолкнуться друг от друга под воздействием все тех же сил, которые разгоняют метаемый снаряд. По этой причине конструкция должна обладать достаточной прочностью, но в тоже время сами рельсы должны иметь возможность быстрой замены. Но не это главная проблема. Для выстрела требуется огромное количество энергии, так что одним автомобильным аккумулятором за спиной не отделаешься, тут уже нужны более мощные источники электрического тока, что ставит под вопрос мобильность такой системы. Так в США планируют устанавливать подобные установки на эсминцах, причем уже говорят об автоматизации подачи метаемых снарядов, охлаждении и прочих прелестях цивилизации. На данный момент заявленная дальность стрельбы по наземным целям составляет 180 километров, о воздушных пока молчат. Наши же конструкторы пока еще не определились с тем, где они будут применять свои наработки. Однако по обрывкам информации можно сделать вывод, что как самостоятельное оружие рельсотрон пока использоваться не будет, а вот как средство, которое дополняет уже существующее дальнобойное оружие, позволяя существенно добавить к скорости метаемого снаряда желаемые пару сотен метров в секунду, рельсотрон имеет хорошие перспективы, да и стоимость такой разработки будет куда ниже нежели какие-то мегапушки на собственных кораблях.

Остается только вопрос стоит ли считать нас в этом вопросе отставшими, так как обычно то, что работает плохо стараются пропиарить всеми возможными способами «шоб усе боялись», а вот то, что действительно эффективно, но его время еще не пришло, закрыто за семью замками. Ну, по крайней мере, в это хочется верить.

Привет. Сегодня мы соорудим пушку Гаусса в домашних условиях из частей, которые легко можно найти в местных магазинах. Используя конденсаторы, выключатель и кое-какие другие части, мы создадим пусковую установку, способную при помощи электромагнетизма запускать небольшие гвозди на расстояние примерно до 3 метров. Приступим!

Шаг 1: Смотрим видео

Сначала посмотрите видео. Вы изучите проект и увидите пушку в действии. Читайте дальше для изучения более детальной инструкции сборки устройства Гаусс Ган.

Шаг 2: Собираем необходимые материалы

Для проекта вам понадобится:

1. 8 больших конденсаторов. Я использовал 3,300uF 40V. Ключевым моментом здесь является то, что чем меньше вольтаж — тем меньше опасности, поэтому поищите варианты в районе 30 — 50 Вольт. Что касается ёмкости, то чем больше — тем лучше.
2. Один выключатель для токов высокой силы
3. Одна катушка на 20 витков (я скрутил свою из провода стандарта 18awg)
4. Медный лист и/или толстый медный повод

Шаг 3: Склеиваем конденсаторы

Возьмите конденсаторы и склейте их вместе таким образом, чтобы положительные клеммы находились ближе к центру склеивания. Склейте их сначала в 4 группы по 2 штуки. Затем склейте по две группы вместе, получив в итоге 2 группы из 4 конденсаторов. Затем положите одну группу на другую.

Шаг 4: Собираем группу конденсаторов

Фотография показывает, как должна выглядеть итоговая конструкция.

Теперь возьмите позитивные клеммы и соедините их друг с другом, а затем припаяйте к медной накладке. Накладкой может послужить толстый медный провод или лист.

Шаг 5: Спаиваем медные накладки

Используйте при необходимости направленное тепло (небольшой промышленный фен), разогрейте медные накладки и припаяйте к ним клеммы конденсаторов.

На фото видна моя группа конденсаторов после выполнения этого шага.

Шаг 6: Спаяйте отрицательные клеммы конденсаторов

Возьмите еще один толстый проводник, я использовал изолированный медный повод с большим сечением, сняв с него в нужных местах изоляцию.

Согните провод так, чтобы он максимально эффективно покрывал всю дистанцию нашей группы конденсаторов.

Спаяйте его в нужных местах.

Шаг 7: Подготовьте снаряд

Далее нужно подготовить для катушки подходящий снаряд. Я намотал свою катушку вокруг бобины. В качестве дула я использовал небольшую соломину. Следовательно, мой снаряд должен входить в соломинку. Я взял гвоздь и обрезал его до длины примерно в 3 см, оставив острую его часть.

Шаг 8: Найдите подходящий выключатель

Затем мне нужно было найти способ сбросить заряд из конденсаторов на катушку. Большинство людей для таких нужд используют выпрямители (SCR). Я решил действовать проще и нашел выключатель, работающий при высокой силе тока.

На выключателе есть три отметки силы тока: 14.2A, 15A, и 500A. Мои расчеты показали максимальную силу примерно в 40A на пике, продолжающемся около миллисекунды, так что всё должно было сработать.

ЗАМЕТКА. Не используйте мой метод включения, если ёмкость ваших конденсаторов будет больше. Я испытывал удачу и всё обошлось, но вам не захочется, чтобы выключатель взорвался из-за того, что вы пропустили 300A через выключатель, рассчитанный на 1A.

Шаг 9: Наматываем катушку

Мы почти закончили собирать электромагнитную пушку. Время намотать катушку.

Я испробовал три разных катушки и обнаружил, что примерно 20 витков изолированного провода стандарта 16 или 18 awg действуют лучше всего. Я использовал старую бобину, намотал на неё проволоку и продел внутрь пластиковую соломину, запаяв один конец соломины горячим клеем.

Шаг 10: Собираем устройство по схеме

Теперь, когда вы подготовили все части, соедините их вместе. Если у вас возникли какие-то проблемы — следуйте схеме.

Шаг 11: Пожаробезопасность

Мои поздравления! Мы сделали пушку Грасса своими руками. Используйте зарядник, чтобы зарядить ваши конденсаторы до почти максимального напряжения. Я зарядил свою установку на 40V до 38V.

Зарядите снаряд в трубку и нажмите кнопку. Ток пойдёт на катушку и она выстрелит гвоздём.

БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ! Даже учитывая, что это низкоточный проект, и что он вас не убьёт, но всё же такой ток может навредить вашему здоровью. На второй фотографии видно, что станет, если вы случайно соедините плюс и минус.