Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ Московская гимназия на Юго-Западе №1543

Исследовательская работа

Электромагнитный ускоритель масс, или пушка Гаусса: изготовление, свойства, применение

Демчука Александра Дмитриевича

Тисовского Николая Романовича

Позднякова Егора Максимовича

обучающихся 10 класса «А» физико-химического профиля

Москва, 2017



Содержание

Введение

1. Основная часть

1.1 Литературный обзор

1.1.1 Перспективные возможности применения

1.1.2 Принцип действия

1.2 Описание схемы

1.2.1 Конструктивные элементы

1.2.2 Сборка установки

1.2.3 Фотография установки

1.3 Порядок действия для выстрела

1.4 Предмет исследования

2. Экспериментальная часть

2.1 Эксперимент 1

2.2 Эксперимент 2

2.3 Эксперимент 3

2.4 Эксперимент 4

2.5 Эксперимент 5

2.6 Погрешности

Заключение

Список литературы



1. Введение

Несмотря на то, что огнестрельное оружие мало изменилось за всю вторую половину двадцатого века, оно остаётся актуальным и по сей день. В двадцать первом веке благодаря появлению новых разработок в данной области огнестрельное оружие может быть заменено оружием иного принципа действия. Один из перспективных видов оружия - так называемая пушка Гаусса. Она до сих пор не нашла применения ни в военной, ни в мирной сферах, и её свойства изучены мало. Целью нашей работы является создание собственного прототипа пушки Гаусса и исследование некоторых её свойств. Методы работы - сборка установки по схеме и экспериментальное исследование дальности полёта снаряда и средней скорости, исследование зависимости скорости пули от количества задействованных слоёв проволоки в катушке,

Проблема: как влияет ферритовый сердечник внутри катушки на начальную скорость пули: может ли ферритовый сердечник увеличивать или уменьшать скорость, в зависимости от количества используемых слоёв.

Объект исследования - процесс применения пушки Гаусса.

Предмет исследования - изучение прототипа пушки Гаусса. Подробно о предмете исследования - стр.7. скорость полет катушка дальность

По результатам экспериментов нужно сделать некоторые выводы касательно возможного применения пушки Гаусса в будущем.



1.1 Литературный обзор

1.1.1 Перспективные возможности применения

Конечно, огнестрельное оружие до сих пор остаётся наиболее удобным и эффективным, однако по оценкам экспертов оно достигло своего предела. Скорость снаряда, выпущенного с помощью огнестрельного оружия, не может превысить 2,5 км/с, что связано с ограниченной скоростью горения пороха.

Преимущество пушки Гаусса по сравнению с другими видами оружия -- возможность гибко варьировать начальную скорость и энергию снаряда. Кроме того, выстрел из пушки Гаусса бесшумен (при дозвуковых скоростях снаряда). Но есть и недостаток -- низкий КПД, составляющий не более 27 % и связанные с этим крупные затраты энергии. Поэтому в наше время пушка Гаусса применима только в качестве любительской установки. Однако идея может получить вторую жизнь в случае изобретения новых компактных и сверхмощных источников тока. [5]

Из всех типов электромагнитного оружия наиболее проста в изготовлении именно пушка Гаусса. [2]

Рассматривается также возможность применения крупных многоступенчатых пушек Гаусса для запуска сверхлёгких искусственных спутников на орбиту.

Несмотря на свою простоту, пушка Гаусса обладает неимоверно большим простором для конструкторских решений и инженерных изысканий, так что это направление довольно интересное и перспективное. [5]

1.1.2 Принцип действия

В цилиндрической обмотке при протекании через нее электрического тока возникает магнитное поле. Это магнитное поле втягивает внутрь обмотки снаряд из ферромагнетика, который при этом начинает разгоняться. На концах снаряда образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра обмотки снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. Если в тот момент, когда снаряд окажется в середине обмотки ток в ней пропадёт, то втягивающее магнитное поле исчезнет и снаряд, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

На практике конструкция простейшей пушки Гаусса представляет собой намотанную в несколько слоев на диэлектрическую трубку медную проволоку и конденсатор большой емкости. Внутрь трубки перед самым началом обмотки устанавливается снаряд, и после этого предварительно заряженный конденсатор при помощи электрического ключа замыкается на обмотку.

Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшиться до минимального значения, т.е. заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатого электромагнитного ускорителя будет максимальным. [1][4]

1.2 Описание схемы

Пушка Гаусса, собранная авторами, состоит из двух контуров: контура, заряжающего конденсаторы, и основного контура, включающего в себя катушку индуктивности.



1.2.1 Конструктивные элементы

Шнур с вилкой и выключателем

Шнур с параллельными жилами, поливинилхлоридной изоляцией и поливинилхлоридной оболочкой. Рассчитан на напряжение до 380 В. Оснащен выключателем. Длина 1,5 метра.

Диодный мост

Электрическая схема, предназначенная для преобразования переменного тока в пульсирующий.

Лампа накаливания

Мощность 60 Вт. В схеме играет роль резистора и индикатора заряженности конденсаторов (лампа светится во время зарядки конденсаторов).

Конденсаторы

Мы использовали 6 электролитических конденсаторов емкостью по 470 мкФ, рассчитанных на напряжение до 400 В.

Диод

Электрическая цепь, в которой конденсатор подключён к катушке индуктивности, называется колебательным контуром. При замыкании такой цепи электрическая энергия конденсатора переходит в магнитную энергию катушки. После полной разрядки конденсатора накопившаяся в катушке магнитная энергия снова переходит в электрическую, и при этом происходит перезарядка конденсатора с переменой полярности. Электролитические конденсаторы на это не рассчитаны, и перемена полярности может привести к выходу конденсатора из строя. Чтобы предотвратить перемену полярности, мы соединили «-» и «+» батареи конденсаторов мощным выпрямительным диодом.

Симистор

Служит для быстрой и эффективной разрядки конденсаторов на катушку индуктивности.

Катушка индуктивности

Катушку индуктивности мы решили изготовить из медной проволоки диаметром 1 мм. Изначально мы изготовили катушку, состоящую из 6 слоев проволоки, но она показала себя не лучшим образом. КПД установки с такой катушкой был значительно меньше 1 %, в связи с чем мы решили изготовить новую катушку из той же проволоки, но уже с 15 слоями.

Провод монтажный

Для сборки схемы мы использовали монтажный провод с площадью поперечного сечения 1 мм² и медной жилой.

Кнопка миниатюрная с фиксацией

Служит для подачи открывающего напряжения на симистор.

Потенциометр

Служит для регуляции открывающего напряжения.

1.2.2 Сборка установки

Из вышеперечисленных элементов в ходе работы была собрана следующая схема:

Рис. 1 Схема установки



Рис. 2 Фотография установки

1.3 Порядок действий для выстрела

После включения шнура с вилкой в розетку необходимо привести выключатель в положение «вкл». При этом загорается лампа и постепенно гаснет в течение примерно 7 с. Переменный ток из осветительной сети выпрямляется диодным мостом, после чего поступает на батарею конденсаторов, с которой последовательно соединена лампа в первом контуре. По мере зарядки конденсаторов уменьшается яркость свечения лампы накаливания. После того, как лампа полностью погаснет, необходимо привести выключатель в положение «выкл». За время свечения лампы батарея конденсаторов успевает зарядиться до ~300 В. Чтобы произвести выстрел, теперь достаточно нажать на кнопку управления симистором, которая соединяет управляющий электрод симистора с отрицательным полюсом батареи конденсаторов. Чтобы уменьшить напряжение на управляющем электроде, последовательно с кнопкой подключён потенциометр с предустановленным сопротивлением 3 кОм. Открываясь, симистор пропускает ток от батареи конденсаторов к катушке индуктивности. После выстрела, перед тем, как снова заряжать конденсаторы, нужно ещё раз нажать на кнопку, т. к. используется кнопка «с фиксацией».

1.4 Предмет исследования

Создаваемое катушкой магнитное поле можно условно разделить на три области в порядке прохождения их пулей в процессе разгона: область низкой плотности магнитных линий, область высокой плотности силовых линий неоднородного поля (здесь пуля ускоряется сильнее всего) и область однородного поля.

Несмотря на то, что импульс тока на катушке индуктивности очень кратковременен, начальное положение пули в стволе должно быть таким, чтобы, когда пуля окажется в середине катушки, ток в ней уже отсутствовал. Если пулю перед выстрелом расположить слишком близко к центру катушки, то, во-первых, магнитное поле в области разгона будет близким к однородному, и во-вторых, пуля, пройдя середину катушки, будет заторможена тем же магнитным полем, за счёт которого она разгонялась. Поэтому в таком случае КПД установки будет незначительным. Если же пулю изначально расположить слишком далеко от середины катушки, то, во-первых, в области разгона плотность силовых линий магнитного поля будет невелика, и во-вторых, пуля не успеет за время разгона дойти до области высокой плотности силовых линий неоднородного магнитного поля. Поэтому положение пули перед выстрелом имеет очень большое значение, что было подтверждено экспериментально.

Кроме того, линейные размеры и форма пули тоже играют важную роль при разгоне. Чтобы КПД электромагнитного ускорителя был наибольшим, пуля должна представлять собой относительно тонкий стержень. Длина стержня должна быть примерно равна длине области высокой плотности силовых линий неоднородного магнитного поля. Если пуля будет длиннее, то увеличится её масса, а действующая на неё магнитная сила практически не изменится (силы, действующие на пулю в областях однородного поля и низкой плотности силовых линий, очень малы). Если пуля будет короче, то разница в плотности силовых линий на её концах будет незначительной, следовательно, уменьшение массы пули окажет на её скорость гораздо меньшее влияние, чем уменьшение магнитной силы. Этот факт в процессе работы также был подтверждён экспериментально.

Мы ожидали от созданного ими электромагнитного ускорителя коэффициента полезного действия порядка нескольких процентов, что соответствует скорости пули от 20 до 60 метров в секунду. Ещё до первых экспериментов научным руководителем был предложен метод измерения начальной скорости. Должна была быть собрана установка из двух листов фольги на расстоянии около 1,5 см друг от друга, источника постоянного напряжения и осциллографа, соединённых последовательно. Пуля известной длины должна была замыкать цепь, и с помощью осциллографа должно было фиксироваться время замыкания. Этот метод подходит для измерения высоких скоростей пули благодаря высокой точности осциллографа. К сожалению, наши ожидания не оправдались, и наибольшая скорость пули, которой удалось достигнуть, составила 14,5 м/с. Для таких низких скоростей лучше подходит более простой метод, заключающийся в измерении дальности полёта пули при горизонтальном выстреле с известной высоты. Именно этот метод использовался нами во время экспериментов.



2. Экспериментальная часть

1.1 Эксперимент 1

Цель: проверить работоспособность собранной нами установки

Ход работы: мы подключили к батарее конденсаторов катушку №1; заряжали конденсаторы до момента, когда погасла лампочка, отключили установку от внешнего источника питания и открыли ток к открывающему электроду симистора. Пуля вылетела из пушки с довольно низкой скоростью.

Этот опыт показал верность собранной нами схемы, но также доказал, что у пушки Гаусса очень низкий КПД.

2.2 Эксперимент 2

Цель: исследование зависимости скорости пули от количества задействованных слоёв проволоки в катушке.

Использовалась катушка №1.

Пуля - стальной стержень массой 3 г и длиной 45 мм.

Ход работы: как мы уже описывали выше, мы определяли скорость снаряда по расстоянию, которое он пролетел при горизонтальном броске.



Мы зарядили конденсаторы, выключив ток от внешнего источника питания через несколько секунд после того, как погасла лампочка. Далее открыли ток к открывающему электроду симистора и измерили расстояние между проекцией конца ствола пушки на пол и точкой падения пули. Высоту падения мы измеряли как расстояние между центром ствола и полом. Для каждого количества задействованных слоев мы провели по 7 выстрелов.

Далее приведены результаты эксперимента:

Количество слоев, шт.	1	2	3	4	5	6
Дальность полета снаряда, м	1,08	2,20	3,06	3,78	4,08	4,26
	1,05	2,29	3,07	3,80	4,14	4,27
	1,02	2,25	3,17	3,90	3,99	4,51
	1,04	2,24	3,08	3,69	3,95	4,46
	1,05	2,22	3,03	3,82	4,06	4,35
	1,03	2,25	3,12	3,74	4,01	4,38
	1,15	2,26	3,13	3,70	4,17	4,31
Средняя дальность полета, м	1,05	2,24	3,09	3,77	4,06	4,35

Начальная высота: 1,13м.

Скорости снаряда по приведенной выше формуле:

Количество слоев, шт.	1	2	3	4	5	6
Средняя скорость, м/с	2,19	4,66	6,43	7,85	8,45	9,06

График зависимости начальной скорости снаряда от количества слоев:



В этом эксперименте мы увидели, что количество слоёв катушки для оптимального КПД больше, чем количество слоёв в катушке №1. Таким образом, для достижения наивысшей скорости снаряда и КПД, нужно было намотать новую катушку с большим количеством слоёв и так, чтобы средний диаметр её задействованных слоёв был оптимален при большем их количестве. Далее мы называем её катушкой №2.

2.3 Эксперимент 3

Цель: исследование зависимости скорости пули от количества задействованных слоёв проволоки в катушке.

Использовалась катушка №1 с ферритовым сердечником.

Пуля - стальной стержень массой 3 г и длиной 45 мм.

Ход работы: как и в эксперименте 2, мы определяли скорость снаряда по пройденному им расстоянию при горизонтальном выстреле.

Эксперимент проводился так же, как и эксперимент 2, но в катушку был вставлен ферритовый сердечник.

Результаты эксперимента:

При одном слое проволоки снаряд из пушки не вылетел.

Количество слоев, шт.	2	3	4	5	6
Дальность полета снаряда, м	1,46	2,63	3,56	3,76	4,13
	1,45	2,72	3,54	4,02	4,20
	1,40	2,67	3,68	3,63	4,19
	1,42	2,74	3,57	3,93	4,21
	1,43	2,71	3,52	3,96	4,18
	1,46	2,62	3,59	3,67	4,17
	1,51	2,72	3,54	3,83	4,19
Средняя дальность полета, м	1,44	2,69	3,57	3,83	4,19

Начальная высота: 0,78м

Скорости снаряда, рассчитанные по приведенной выше формуле:

Количество слоев, шт.	2	3	4	5	6
Средняя скорость, м/с	3,61	6,74	8,95	9,60	10,50

График зависимости начальной скорости снаряда от количества слоев:

Как мы видим, при использовании 1 и 2 слоев скорость снаряда была меньше, чем без ферромагнетика, при использовании 3-6 слоев - больше. При сопоставлении графиков из экспериментов 2 и 3 видно, что при увеличении количества слоев положительное влияние ферромагнитного сердечника на начальную скорость пули (и на КПД установки) усиливается:



2.4 Эксперимент 4

Цель: исследование зависимости скорости пули от количества задействованных слоёв проволоки в катушке.

Использовалась катушка №2.

Пуля - стальной стержень массой 3 г и длиной 45 мм.

Ход работы: Опыты проводились так же, как и в предыдущих двух экспериментах, но с использованием катушки №2, в которой мы сделали выводы со слоёв 10 - 15.

Результаты эксперимента:

Количество слоев, шт.	10	11	12	13	14	15
Дальность полета снаряда, м	9,07	9,92	9,55	8,81	8,23	6,16
	8,72	9,83	9,62	8,84	8,33	6,60
	8,79	9,96	9,49	9,17	8,12	6,27
	8,80	10,02	9,39	8,73	8,15	6,46
	9,01	10,04	9,44	8,90	7,94	6,20
	9,19	9,92	9,52	8,84	8,06	6,07
	8,80	9,62	9,42	8,95	8,11	6,18
Средняя дальность полета, м	8,89	9,90	9,48	8,91	8,13	6,25

Начальная высота: 1,01м.

Скорости снаряда, рассчитанные по приведенной выше формуле:

Количество слоев, шт.	10	11	12	13	14	15
Средняя скорость, м/с	19,6	21,8	20,9	19,6	17,9	13,8

График зависимости начальной скорости снаряда от количества слоев:

Также во время эксперимента мы подводили ток к контакту, выходящему с пятнадцатого слоя, и выводили его через контакты на более близких к центру слоях, тем самым используя один, два, три и четыре внешних слоя катушки. Данные этого опыта мы также внесли в текст нашей работы, поскольку его результаты показательны для основного эксперимента:

Количество слоев, шт.	2	3	4
Дальность полета снаряда, м	1,38	2,38	3,71
	1,48	2,50	3,77
	1,50	2,30	3,65
	1,49	2,40	3,67
	1,53	2,39	3,77
	1,54	2,42	3,68
	1,50	2,46	3,66
Средняя дальность полета, м	1,50	2,41	3,69

Скорости снаряда, рассчитанные по приведенной выше формуле:

Количество слоев, шт.	2	3	4
Средняя скорость, м/с	3,3	5,3	8,1

Совмещенный график двух экспериментов:

Как и ожидалось, у графика есть вершина в точке (11; 21,8). Таким образом, снаряд имеет максимальную начальную скорость (а, соответственно, и КПД), в среднем равную 21,8м/с, при 11 задействованных слоях катушки индуктивности.

2.5 Эксперимент 5

Цель: исследование зависимости скорости снаряда от начального положения пули.

Использовалась катушка №2, 11 слоев.

Пуля - стальной стержень массой 3 г и длиной 45 мм.

Ход работы: начальная скорость снаряда определялась способом, описанным выше. Мы подключили пушку так, что использовалось 11 слоёв катушки. На стволе пушки мы отметили засечки через каждые 2,5мм так, что по ним можно было определить расстояние между центром пули и центром катушки, и провели по 7 опытов для каждого.

Результаты эксперимента:

Расстояние между центрами, мм	52,5	50,0	47,5	45,0	42,5
Дальность полета снаряда, м	Результат взят из эксперимента 3	9,84	10,37	8,55	8,78
		10,42	10,10	8,54	8,30
		10,21	9,92	9,03	8,27
		10,37	9,97	8,43	8,11
		10,46	9,75	8,41	7,94
		10,26	10,01	8,52	8,05
		10,35	10,28	8,88	8,01
Средняя дальность полета, м	9,90	10,32	10,06	8,58	8,15

Начальная высота: 1,01м.

Скорости снаряда, рассчитанные по приведенной выше формуле:

Глубина погружения снаряда, мм	52,5	50,0	47,5	45,0	42,5
Средняя скорость, м/с	21,8	22,7	22,2	18,9	18,0

График зависимости начальной скорости снаряда от глубины его погружения:

Как видно из нашего графика, наибольшая начальная скорость данного снаряда с данной катушкой достигается при расстоянии между центрами 47,5 - 50,0 мм. Поскольку в этом эксперименте использовалось 11 слоев (количество, при котором начальная скорость снаряда максимальна), мы можем сказать, какую максимальную начальную скорость может иметь снаряд, выпущенный из нашей установки с использованием катушки №2. Эта скорость равна 22,7 м/с.



2.6 Погрешности

Для данной формулы формула относительной погрешности выглядит так: .

Абсолютную погрешность рулетки мы приняли за 5 мм (поскольку сложно точнее определить расстояние, пройденное пулей и также сложно оценить точную высоту ствола), и, поскольку все наши измерения много больше 500 мм, можно сказать, что относительные погрешности всех линейных измерений много меньше 1%. Относительная погрешность ускорения свободного падения составляет Таким образом, если мы подставим максимально возможные значения погрешностей в указанную выше формулу, относительная погрешность все равно составит менее 1%.



Заключение

В ходе работы нами был создан собственный рабочий прототип пушки Гаусса. Также было проведено исследование некоторых её свойств.

В ходе экспериментов подтвердились прогнозы о зависимости начальной скорости пули от её положения относительно катушки перед выстрелом, а также от количества задействованных слоёв проволоки в многослойной катушке.

Выяснилось, что ферритовый сердечник внутри катушки оказывает существенное влияние на начальную скорость пули: он может её увеличивать или уменьшать, в зависимости от количества используемых слоёв.

При экспериментах с катушкой на 15 слоёв оказалось, что наибольшая скорость пули достигается при подключённых 11 слоях, а дальнейшее увеличение количества слоёв приводит к уменьшению скорости пули.

Таким образом, чтобы пушка Гаусса работала наилучшим образом, параметры конденсаторов, катушки и пули должны быть точно согласованы.



Список литературы

1. Выстрел в будущее: пушка Гаусса своими руками. http://www.popmech.ru/diy/7864-vystrel-v-budushchee-pushka-gaussa-svoimi-rukami/.

2. Лабораторное оборудование. Пушка Гаусса. http://www.coilgun.eclipse.co.uk/experiments.html.

3. Пушка Гаусса основы. http://www.coilgun.eclipse.co.uk/theory.html.

4. Сайт Гаусс. http://www.gauss2k.narod.ru/.

Размещено на Allbest.ru

...