Легендарная гаусс-пушка своими руками. Электромагнитная пушка гаусса на микроконтроллере
Каждому любителю научной фантастики хорошо знакомо электромагнитное оружие. Изображаются подобные технологии в виде сочетания механических, электронных и электрических составляющих. Но как выглядит такое оружие в реальной жизни, имеет ли оно хоть малейший шанс на существование?
Технологические особенности
Винтовка Гаусса интересна исследователям одновременно несколькими особенностями. Реализация данной технологии позволит избежать нагрева оружия. Следовательно, его скорострельные качества возрастут до ранее неизведанных пределов. Более того, воплощение технологических задумок в реальность заставит отказаться от гильз, что существенно упростит стрельбу.
По умолчанию стрелять винтовка Гаусса может тонкими узкими снарядами с высочайшей пробивной способностью. Ускорение патрона в данном случае абсолютно не зависит от диаметра.
Для функционирования оружия достаточно подзарядки электрическим током. Что касается известных схем, то в их структуре практически отсутствуют подвижные элементы.
Принцип стрельбы
В настоящее время оружие остается на стадии разработки. Согласно задумке, стрелять оно должно железными патронами. Однако, в отличие от огнестрельных аналогов, в движение снаряды приводятся не давлением пороховых газов, а воздействием магнитного поля.
На самом деле винтовка Гаусса работает согласно довольно примитивному принципу. Вдоль ствола располагается ряд электромагнитных катушек. Патроны заряжаются из магазина механическим способом. Одна из катушек подтягивает заряд. Как только патрон достигает средины ствола, активизируется следующая катушка, благодаря чему осуществляется его разгон.
Последовательное размещение вдоль ствола произвольного количества катушек теоретически позволяет моментально разогнать снаряд до немыслимых скоростей.
Преимущества и недостатки
Электромагнитная винтовка в теории обладает достоинствами, которые недостижимы для любого другого известного оружия:
- возможность выбора скорости движения снаряда;
- отсутствие гильз;
- выполнение абсолютно бесшумных выстрелов;
- незначительная отдача;
- высокая надежность;
- износостойкость;
- функционирование в безвоздушном, в частности космическом пространстве.
Несмотря на достаточно простой принцип функционирования и несложную конструкцию, винтовка Гаусса обладает некоторыми недостатками, которые создают преграды для ее использования в качестве оружия.
Основная проблема заключается в низком КПД электромагнитных катушек. Специальные тесты показывают, что лишь порядка 7% заряда преобразуется в кинетическую энергию, чего недостаточно для приведения в движение патрона.
Второй трудностью является существенное потребление и длительное накопление энергии конденсаторами. Вместе с пушкой придется носить достаточно тяжелый и объемный источник питания.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что в современных условиях практически не существует перспектив для реализации идеи в качестве стрелкового оружия. Положительный сдвиг в нужном направлении возможен лишь в случае разработки мощных, автономных и в то же время компактных источников электрического тока.
Прототипы
В настоящее время не существует ни одного удачного примера создания высокоэффективного электромагнитного оружия. Однако это не мешает разработке прототипов. Наиболее удачным примером выступает изобретение инженерного бюро Delta V Engineering.
Пятнадцатизарядное устройство разработчиков позволяет вести достаточно скорострельную стрельбу, выпуская по 7 патронов в секунду. К сожалению, пробивной способности винтовки хватает лишь для поражения стекла и жестяных банок. Электромагнитное оружие обладает весом порядка 4 кг и стреляет пулями калибра 6,5 мм.
На сегодняшний день разработчику пока не удалось достичь успехов на пути преодоления основного недостатка винтовки - крайне низкой стартовой скорости снарядов. Здесь данный показатель составляет всего лишь 43 м/сек. Если проводить параллели, то начальная скорость патрона, выпущенного из пневматической винтовки, почти в 20 раз выше.
Изобретение Гаусса в компьютерных играх
В научно-фантастических играх электромагнитная пушка выступает чуть ли не самым мощным, скорострельным и по-настоящему смертоносным оружием. Забавно, но основная масса спецэффектов является нехарактерной для данного изобретения.
Наиболее ярким примером выступают пистолет и ружье Гаусса, которые доступны персонажам культовой серии игр Fallout. Как и реальный прототип, виртуальное оружие функционирует на основе заряженных электромагнитных частиц.
В игре S.T.A.L.K.E.R. пушка Гаусса обладает низкой скорострельностью, что близко к качествам реально существующих прототипов. В то же время оружие отличается наивысшей мощностью. Согласно описанию, действует пушка на основе энергии аномальных явлений.
Игры серии Master of Orion также дают возможность игроку вооружать космические корабли пушками Гаусса. Здесь оружие выпускает электромагнитные снаряды, сила урона которых не зависит от расстояния до цели.
Современные артиллерийские пушки представляют собой сплав новейших технологий, ювелирной точности поражения и возросшей мощности боеприпасов. И все же, несмотря на колоссальный прогресс, пушки XXI века стреляют также, как и их прабабушки — используя энергию пороховых газов.
Поколебать монополию пороха смогло электричество. Идея создания электромагнитной пушки зародилась практически одновременно в России и Франции в разгар Первой мировой войны. В ее основу легли труды немецкого исследователя Йоганна Карла Фридриха Гаусса, который разработал теорию электромагнетизма, воплотившуюся в необычное устройство — электромагнитную пушку.
Опережая время
Идея создания электромагнитной пушки намного опередила свое время. Тогда в начале минувшего века все ограничилось опытными образцами, показавшими к тому же очень скромные результаты. Так французская модель едва сумела разогнать 50 граммовый снаряд до скорости 200 м/сек, что ни шло ни в какое сравнение с действующими на тот момент обычными артиллерийскими системами. Ее российский аналог – магнитно-фугальная пушка и вовсе осталась в чертежах. И все же главный итог – воплощение идеи в реальное «железо», а подлинный успех был вопросом времени.
Гаусс-пушка
Разработанная немецким ученым пушка Гаусса представляет собой разновидность электромагнитного ускорителя масс. Пушка состоит из соленоида (катушки) с расположенным внутри него стволом из диэлектрического материала. Она заряжается снарядом из ферромагнетика. Чтобы заставить снаряд двигаться, на катушку подается электрический ток, создающий магнитное поле, благодаря которому снаряд втягивается в соленоид. Скорость снаряда тем быстрее, чем мощнее и короче генерированный импульс.
Принцип действия Гаусс-пушки
Преимущества электромагнитной пушки Гаусса по сравнению с другими видами оружия — возможность гибко варьировать начальную скорость и энергию снаряда, а также бесшумность выстрела. Есть и недостаток — низкий КПД, составляющий не более 27 % и связанные с этим крупные затраты энергии. Поэтому в наше время пушка Гаусса имеет перспективы скорее в качестве любительской установки. Однако, идея может получить вторую жизнь в случае изобретения новых компактных и сверхмощных источников тока.
Рельсовая электромагнитная пушка
Рельсотрон – еще один вид электромагнитной пушки. В состав рельсотрона входят источник питания, коммутационная аппаратура и два электропроводящих рельса от 1 до 5 метров, которые одновременно являются электродами, расположенными друг от друга на расстоянии 1 см. В нем энергия электромагнитного поля взаимодействует с энергией плазмы, которая образуется в результате сгорания специальной вставки в момент подачи высокого напряжения.
Принцип действия рельсотрона
Порох на большее не способен
Конечно, рано говорить о том, что время традиционных боеприпасов безвозвратно ушло в прошлое. Однако по оценкам экспертов они достигли своего предела. Скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек. Для войн будущего этого явно недостаточно.Рельсовые пушки – больше не фантазия
В США полным ходом идут лабораторные испытания 475-мм рельсотрона, разработанного компаниями General Atomics и BAE Systems. Первые залпы чудо-оружия показали обнадеживающие результаты. 23-кг снаряд вылетал из ствола со скоростью, превышающей 2200 м/сек, что позволит в дальнейшем поражать цели на расстоянии до 160 км. Невероятная кинетическая энергия поражающих элементов электромагнитных орудий делает ненужными метательные заряды, а значит повышается живучесть расчетов. После доводки опытного образца рельсотрон установят на скоростной корабль JHSV Millinocket. Примерно через 5-8 лет US NAVY начнут планомерно оснащаться рельсовыми пушками.
Наш ответ
В нашей стране об электромагнитных пушках вспомнили в 50-е годы, когда началась безумная гонка по созданию очередного сверхоружия. До сих пор эти работы строго засекречены. Советским проектом руководил выдающийся физик академик Л. А. Арцимович, многие годы занимавшийся проблемами плазмы. Именно он заменил громоздкое название «электродинамический ускоритель массы» на всем известное сегодня — «рельсотрон».
В России и сейчас ведутся подобные разработки. Свое видение рельсотрона недавно продемонстрировал коллектив одного из филиалов Объединенного института высоких температур РАН. Для разгона заряда был разработан электромагнитный ускоритель. Пулю весом в несколько грамм здесь удалось разогнать до скорости около 6,3 км/сек.
Принцип действия
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. Снаряд при этом получает на концах полюса симметрично полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, т.е. тормозится. 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. В ином случае, если снаряд не достиг центра, он будет тормозиться.Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Если используется полярный конденсатор (напр. на электролите), то в цепи обязательно должны быть диоды, которые защитят конденсатор от тока самоиндукции и взрыва.
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 уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным.
Расчёты
Энергия запасаемая в конденсаторе
V - напряжение конденсатора (в Вольтах)C - ёмкость конденсатора (в Фарадах)
Энергия запасаемая при последовательном и параллельном соединении конденсаторов равна.
Кинетическая энергия снаряда
m - масса снаряда (в килограммах)
u - его скорость (в м/с)
Время разряда конденсаторов
Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:
L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)
Время работы катушки индуктивности
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.
L - индуктивность (в Генри)
C - ёмкость (в Фарадах)
Преимущества и недостатки
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, а так же скорострельности орудия, возможность бесшумного выстрела (если скорость снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а так же возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.
Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает даже 27 %. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию.
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею). Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.
Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки, при её низкой эффективности.
Таким образом, на сегодняшний день 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, но мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).
RailGun
Рельсовая пушка (англ. Railgun ) — форма оружия, основанная на превращении электрической энергии в кинетическую энергию снаряда. Другие названия: рельсовый ускоритель масс, рельсотрон, рейлган (Railgun). Не путать с пушкой Гаусса.Принцип действия
Рельсовая пушка использует электромагнитную силу, называемую силой Ампера, чтобы разогнать электропроводный снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы. Ток I , идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле B между ними, перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда под действием силы F .Преимущества и недостатки
С изготовлением рельсотрона связан ряд серьёзных проблем: импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел бы испариться и разлететься, но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперед. Поэтому материал снаряда и рельс должен обладать как можно более высокой проводимостью, снаряд как можно меньшей массой, а источник тока как можно большей мощностью и меньшей индуктивностью. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей. На практике рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов, генераторы Маркса, ударные униполярные генераторы, компульсаторы, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки. В тех рельсотронах, где снарядом является проволока, после подачи напряжения на рельсы проволока разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким образом рельсотрон может стрелять плазмой, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется.Пушка Гаусса - одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).
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.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.
Применение
Теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту. Основное применение - любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность)
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, большамя надежность и теоретически износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.
Первая и основная трудность - низкий КПД установки. Лишь 1-7% заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27%. В основном в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют IGBT модули) для размыкания катушки (правило Ленца).
Вторая трудность - большой расход энергии (из-за низкого КПД).
Третья трудность (следует из первых двух) - большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.
Четвёртая трудность - достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи конденсаторы.
Пятая трудность - с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.
В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено - дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.
Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. Теоретически, перспективы, конечно, возможны, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200-300К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности.
