Электромагнитный ускоритель масс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МБОУ «Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов»

XXIII научно-практическая конференция

Секция «Физика»

Электромагнитный ускоритель масс

Кемерово 2016

Содержание

Введение

Глава I. Устройство и применение ускорителя масс

1.1 История создания

1.2 Устройство электромагнитного ускорителя

1.3 Сферы применения, перспективы

Глава II. Сборка экспериментальной установки

2.1 Блок конденсаторов

2.2 Схема зарядки и катушка

2.3 Финальная сборка

Заключение

Список литературы

Введение

На сегодняшний день, несмотря на мирное время, активно ведутся разработки новых видов вооружения. И если в разведке, беспилотным летательным аппаратом никого не удивишь, то в сухопутных войсках мало что изменилось. Основным средством быстрого ускорения сравнительно малых предметов до сих пор является порох. Но, если вспомнить историю, то когда-то лук и стрелы были венцом военной техники. Так может быть и пороху пора отдать свое и уйти на пенсию. В данной работе мы рассмотрим один из альтернативных способов ускорения тел, устройство под названием гаусс пушка (электромагнитный ускоритель масс).

Рис. 1

Цель работы: - Выяснить эффективность гаусс пушки

Задачи:

- Изучить принцип работы гаусс пушки.

- Собрать экспериментальную установку.

- Выявить перспективы данной технологии.

Глава 1. Устройство и применение ускорителя масс

1.1 История создания

Считается, что первыми выдвинули идею электромагнитной пушки французские инженеры Фашон и Виллепле еще в 1916 году. Основываясь на принципе индукции Карла Гаусса, они использовали в качестве ствола цепочку катушек-соленоидов, на которые последовательно подавался ток. Их действующая модель индукционной пушки разогнала снаряд массой 50 грамм до скорости 200 метров в секунду. По сравнению с пороховыми артиллерийскими установками результат, конечно, получился достаточно скромный, однако показавший принципиальную возможность создания оружия, в котором снаряд разгоняется без помощи пороховых газов. Впрочем, и у французов дальше модели «пушки Гаусса» дело не пошло, поскольку для того времени разработки казались слишком фантастическими.

Работа по модернизации электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. 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, относительно малая отдача, теоретически, большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

1.2 Устройство электромагнитного ускорителя

Магнитный ускоритель состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. Но пролетев дальше середины катушки, он начинает замедляться, так как катушка тянет его в обратном направлении. Но если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола. Но при выключении источника питания в катушке образуется ток самоиндукции, который имеет обратное направление тока, и поэтому меняет полярность катушки. А это значит, что при резком выключении источника питания снаряд, пролетевший центр катушки, будет отталкиваться и получать ускорение дальше.

Рис. 2

1.3 Сферы применения, перспективы

В данный момент подобные устройства используются во многих сферах человеческой деятельности от промышленности до робототехники и мелкой электроники.

На основе данной схемы работает линейный двигатель, который похож по своей структуре на ДВС но в место бензина в качестве ускорения поршня используется электромагнит.

В целом - везде, где есть необходимость преобразования электроэнергии в прямолинейное движение определенных объектов.

Перспективы данной технологии звучат очень по-разному. Ускорители потребляют слишком много энергии, а конденсаторы, вдобавок, ещё и долго перезаряжаются. Возможно, эта технология пригодиться человечеству в условиях безвоздушного пространства для разгона космических кораблей.

пушка электромагнитный ускоритель конденсатор

Глава 2. Сборка экспериментальной установки

2.1 Блок конденсаторов

Для сборки ускорителя нам понадобятся:

-Блок конденсаторов

-Выпрямляющий диод

-Обмоточный провод (1,1мм)

- Ствол (углепластик)

Нагрузка (лампа накаливания)

-Симистор (ВТА - 41)

-Кнопка (без фиксации)

Для начала соберем блок конденсаторов. Я использую конденсаторы из компьютерных блоков питания различных ёмкостей. Обычно они рассчитаны на 200 вольт. Мы планируем зарядку от сети 220в. Помни! Соединяя конденсаторы параллельно напряжение остаётся неизменным, а их ёмкость складывается. Соединяя конденсаторы последовательно напряжение складывается, а их ёмкость вычисляется по формуле 1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3

В нашем случае это 2 блока конденсаторов по 3 штуки. В первом и втором блоке соединяем конденсаторы параллельно, после соединяем 2 блока между собой последовательно. Далее необходимо припаять по 1 диоду в каждый блок, причем + диода соединяем с - блока. Нужно это для того что бы конденсаторы не перезаряжались в обратную сторону. Следующим шагом мы присоединяем 2 пары проводов, через одни мы будем заряжать конденсаторы, а через другие разряжать на катушку.

Рис. 3

2.2 Схема зарядки и катушка

Схема зарядки проста до безобразия.

Мы выпрямляем переменный ток через диод, а чтобы ограничить поступающий ток, используем лампу накаливания.

Рис. 4

Теперь нам нужно рассчитать количество витков катушки. Вариант 1

Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение (это 311в) можно найти энергию, которую может накапливать этот конденсатор. Умножаем емкость (не забыть перевести в Фарады! 1Ф=1000000мКф) на квадрат напряжения и делим все это на два. E=(C*U^2)/2 [Дж] Полученная энергия будет в джоулях - т.е. сколько джоулей электрической энергии содержится в конденсаторе, если его зарядить на напряжение U. Зная энергию конденсатора (если конденсаторов несколько, то их энергии можно сложить) можно найти ориентировочную кинетическую энергию снаряда - или попросту мощность будущего магнитного ускорителя. Как правило, КПД МУ примерно равен 1% - т.е. разделим на 100 энергию конденсаторов и найдём кинетическую энергию снаряда (гвоздя), с которой он будет вылетать из «гаусса».

Кинетическая энергия снаряда находится по формуле

E=(m*V^2)/2 [Дж].

Зная кинетическую энергию гвоздя и его массу (m) найдем скорость полета.

После того как мы нашли скорость гвоздя. Мы можем найти примерную длину обмотки соленоида. Она равна длине снаряда-гвоздя. Теперь попробуем рассчитать параметры обмотки. Обмотка должны быть такова, чтобы при выстреле к моменту подлета гвоздя к её середине ток в ней уже был бы минимален и магнитное поле не мешало бы гвоздю вылетать с другого конца обмотки.

Система конденсаторы - обмотка это колебательный контур. Найдем его период колебаний. Время первого полупериода колебаний равно времени, которое гвоздь летит от начала обмотки до её середины, а т.к. гвоздь изначально покоился, то примерно это время равно длине обмотки разделить на скорость полета гвоздя, которые нам уже известны. С другой стороны, как известно, период свободных колебаний равен 2 Пи умножить на квадратный корень из L*C.

В нашей системе колебания будут вовсе не свободными, поэтому период колебаний будет несколько больше этого значения. Впрочем, мы это учтем позже, когда будем рассчитывать непосредственно саму обмотку. Время полупериода колебаний мы знаем, емкость конденсаторов тоже - осталось лишь выразить из формулы индуктивность катушки. На практике индуктивность катушки возьмем несколько меньше в связи с тем, что период колебаний из-за наличия в цепи активного сопротивления будет больше. Разделим индуктивность на 1,5 - для оценочного расчета это примерно так.

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

L=m*m0*(N^2*S)/l [Гн].

Где m - относительная магнитная проницаемость сердечника, m0 - магнитная проницаемость вакуума = 4*Пи*10^-7, S - площадь поперечного сечения соленоида, l - длина соленоида, N-число витков.

Найти площадь поперечного сечения соленоида довольно просто - зная параметры будущего снаряда, который мы уже использовали в расчете, мы примерно представляем диаметр ствола, на который будем наматывать соленоид. Диаметр трубки легко измерить, примерно прикинем толщину будущей. Индуктивность у намотки и рассчитаем площадь поперечного сечения нас взята с учетом наличия внутри катушки гвоздя. Поэтому относительную магнитную проницаемость возьмём примерно 100-500 (больше можно, меньше нельзя!) хотя можно посмотреть по справочнику и разделить это значение на два (гвоздь не все время находится внутри соленоида). Кроме того, учтём то, что диаметр обмотки больше диаметра гвоздя, поэтому значение m взятое из справочника можно разделить еще раз на 2...

Зная длину соленоида, площадь поперечного сечения, магнитную проницаемость сердечника из формулы индуктивности легко выразим количество витков. Теперь оценим параметры самого провода. Как известно, сопротивление провода рассчитывается как удельное сопротивления материала умножить на длину проводника и разделить на площадь поперечного сечения проводника.

Чем меньше сопротивление, тем лучше. Т.е. провод большего диаметра предпочтителен, однако это вызовет увеличение геометрических размеров катушки и уменьшение плотности магнитного поля в её середине, так что тут придется искать свою золотую середину. В общем случае типичным для “домашних” гауссов, на энергию порядка 100-500Дж и напряжение 150 400в медный намоточный провод диаметром 0,8-1,2 мм является вполне приемлемым. Мощность активных потерь находится по формуле

P=I^2*R [Вт]

Где: I - ток в амперах, R - активное сопротивление проводов в Омах.

Как правило, 50% энергии конденсаторов всегда теряется на активном сопротивлении гауссовки. Зная это, найти максимальный ток катушки можно довольно просто. Энергия катушки равна квадрату тока умножить на индуктивность и поделить на 2, по аналогии с конденсатором. Индуктивность мы заем, энергию тоже - максимум 50% от энергии конденсаторов. Можно взять цифру меньше чем 50% - расчет будет более реалистичным. Находим ток. Вот, собственно, и весь оценочный расчет.

Вариант 2. Так же существуют программы которые подберут оптимальные значения гаусс пушки. Например программа FEMM

Вариант 3. Ни формула, ни программа не может учесть всех факторов, так что по-прежнему самым оптимальным способом создания катушки является экспериментальный подбор значений. По формуле

E=(C*U^2)/2 [Дж]

мы нашли энергию заряженных конденсаторов (59 Дж) и предположили что КПД = 1%. Следовательно, энергия вылета снаряда приблизительно равна 0,59 Дж. Нами была намотана катушка длинной 20мм, проводом диаметром 1.1 мм, с числом витков 360. Перед нами стал вопрос как узнать кинетическую энергию снаряда по факту. Для этого нами был разработан способ измерения скорости снаряда используя высокоскоростную камеру. Сделав несколько выстрелов и посчитав количество кадров за которое снаряд пролетал фиксированное расстояние, мы смогли вычислить его скорость

Таблица 1

Средняя скорость = 11,3 м/с

Следовательно, кинетическая энергия снаряда при массе в 3,4г равна 0,22 Дж Мы рассчитывали получить хотя бы 0,59 Дж, Составив пропорцию 360 - 0.22 x - 0.59. Найдем желаемое количество витков х = 965 Но продолжив наматывать, и достигнув цифры в 540 мы решили провести оценочный тест и выяснить увеличились ли показатели. Но как оказалось скорость начала стремительно падать до 8, 7 м/с. Это значило, что золотая середина упущена и нам пришлось вернуться к 360 виткам. Так как дальнейшее уменьшение числа витков так же не давало положительных результатов.

2.3 Финальная сборка

Теперь, когда у нас есть все части гаусс пушки остаётся только смонтировать все это в корпус и готово. Вот 3д модель нашей гаусс пушки

Рис. 5

Мы предусмотрели возможность модернизации и добавления дополнительных катушек с конденсаторами.

Заключение

Электромагнитные ускорители - перспективное устройство, которое, несомненно, будет применяться в будущем в промышленности, науки, быту и военном деле. Однако главным препятствием в их использовании является чрезвычайно низкий КПД. Существует ряд способов его повышения для соленоидного электромагнитного ускорителя, которые по сравнению с исходными результатами дают существенное повышение, однако в общем плане КПД все равно остается довольно низким и не превышает 17%.

Помимо этого, на сегодняшний день соленоидный ускоритель - пушка Гаусса не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока.

Размещено на Allbest.ru