Моя первая модель индукционного ускорителя

Департамент образования Администрации города Омска
БОУ ДОД г. Омска «Центр дополнительного образования детей «Эврика»
Городская конференция учащихся «Шаги в науку»
Секция: физика
Тема: «Моя первая модель индукционного ускорителя - пушка Гаусса»
Выполнил: Кораблев Александр Романович ,
обучающийся 8 класса БОУ «Лицей № 92»
Руководитель: Початкова Елена Николаевна,
учитель физики БОУ «Лицей № 92»
Омск, 2014
1
Содержание
Введение ……………………………………………………………………… 3
Глава 1. Принцип действия и применение ускорителя масс.
1. 1. Историческая справка ………………………………………………….. 4
1. 2. Принцип действия пушки Гаусса ……………………………………… 4
1.3. Применение ускорителей масс ………………………………………… 5
1. 4. Перспективы……………………………………………………………… 6
Глава 2. Моделирование и испытание катушки Гаусса.
2. 1. Моделирование и сборка пушки Гаусса ……………………………….. 7
2. 2. Испытание. Расчеты …………………………………………………….. 8
2. 3. Исследование эффективности пушки Гаусса ………………………….. 8
Заключение …………………………………………………………………….10
Библиографический список …………………………………………………. 10
Приложения …………………………………………………………………… 12
2
Введение
С середины ХХ века ведутся систематические научные работы по созданию
принципиально новых электромагнитных ускорителей массы. Одним из
родоначальников отечественных разработок в этой области был выдающийся
советский ученый, исследователь плазмы Л.А. Арцимович. Недавно в
лаборатории Шатурского филиала Объединенного института высоких
температур
Российской
академии
наук
были
проведены
испытания
уникального устройства – рельсотрона Арцимовича, который представляет
собой электромагнитную пушку, стреляющую пока очень маленькими
снарядами – массой до трех граммов. Однако разрушительные способности
такой «горошины» поразительны. Достаточно сказать, что поставленная на
её пути стальная пластина просто-напросто испарилась, превратившись в
плазму. (Приложение 1, рис.1)
Актуальность. Современные успехи, что касается ускорителя, накопления
энергии и образования импульсов, явствуют о вероятности того, что системы
вооружения в недалеком будущем могут быть оснащены электромагнитными
пушками. Что также станет сильным импульсом технологического прогресса
и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе. Из
экзотических способов применения ускорителей на основе соленоидов стоит
отметить концепцию запуска объектов в космос без помощи ракет.
Целью
образца
моей
работы
является:
создание
опытного
действующего
индукционной пушки - Пушки Гаусса и проведения ряда
экспериментов для исследования действия этого устройства.
Задачи:
- изучить существующую информацию о способах ускорения масс
электромагнитным полем и устройствах, осуществляющих этот способ;
- выбрать необходимые материалы для создания опытного образца модели;
3
-
провести комплекс испытаний с целью экспериментальной проверки
дальности полета, кинетической энергии снаряда;
- исследовать эффективность модели, вычислить КПД установки.
Глава 1.Принцип действия и применение ускорителя масс
1.1.Историческая справка
Считается, что первыми выдвинули идею электромагнитной пушки
французские инженеры Фашон и Виллепле еще в 1916 году. (Приложение 1,
рис. 2) 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. К тому же эта новинка, как уже отмечалось, не давала
преимуществ относительно пороха.
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. Принцип действия пушки Гаусса
4
Пушка Гаусса — магнитный ускоритель масс. По имени ученого и
математика Гаусса, в честь имени которого названы единицы измерения
магнитного поля.(Приложение 2, рис.3)
Магнитный ускоритель 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. 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. В ином случае, если снаряд не достиг центра, он
будет тормозиться.
1.3. Применение ускорителей масс
Подобные ускорители давно используют в промышленности и транспортной
сфере. В более узком понимании это устройство известно как соленоид и
линейный
двигатель.
Такие
двигатели
широко
применяются
в
высокоскоростных поездах. Живой пример – поезд на магнитной подушке
Maglev. (Приложение 2, рис.4)
Еще более распространенная сфера применения линейных двигателей –
высокоточные манипуляторы в станках, современных автоматических дверях
и других схожих устройствах. В целом – везде, где есть необходимость
преобразования электроэнергии в прямолинейное движение определенных
объектов.
5
1.4. Перспективы
По-разному звучат
оценки перспектив. «На современных кораблях и
американских, и (Приложение 2,
рис.4) российских использовать такое
оружие нельзя. Для него просто не хватит энергии. Потребуется создание
нового поколения кораблей с энергетической системой, которая обеспечит
как двигатели судов, так и их оружие», — говориться в опубликованном в
печати заявлении управления вооружения и эксплуатации ВМФ РФ. В то же
время американские военные журналы уже публикуют макеты первого
корабля, который может получить новое оружие. Эсминец XXI века DDX
должен (Приложение 3, рис.5) появиться к 2020 году.
Более перспективным считается строительство космических ускорителей на
нашем естественном спутнике – Луне. (Приложение 3, рис. 6) Практическое
отсутствие атмосферы и низкая гравитация плюс низкая окружающая
температура открывают фантастические перспективы для сверхпроводящих
магнитов. Монорельсовый ускоритель на основе линейного мотора либо
тоннель
из
соленоидов
планируется
размещать
горизонтально
на
поверхности Луны под небольшим углом. Питаться установка может либо от
солнечных батарей, либо от привезенных на Луну ядерных реакторов. Таким
образом, космическому аппарату сообщалась бы высокая начальная
скорость, а дальше в дело вступают ионные двигатели.
Луна в таком виде превратилась бы в перевалочную базу для дальнейшего
освоения Солнечной системы или даже в первый земной космопорт.
Несложно
представить,
термоядерными
реакторами,
что
гигантские
будут
способны
ускорители,
разгонять
питаемые
космические
аппараты до скоростей, при которых путешествие к отдаленным планетам
будет занимать месяцы, а не годы.
6
Глава 2. Моделирование и испытание катушки Гаусса
2.1. Моделирование и сборка пушки Гаусса
Первым делом я изучил принцип действия и различные схемы пушки Гаусса
и составил собственную первичную схему данного устройства. Следующим
шагом стал выбор деталей и материалов для создания электромагнитного
ускорителя масс: мой выбор пал на соединительные провода, медный
эмалированный провод
диаметром 0.7 мм,
деревянную доску, 5
гальванических элементов (крон), конденсаторы 4700 мкФ 63V 3 шт., кнопки
4 шт. и латунную трубку.
Первой моделью стал прототип на деревянной доске с одним конденсатором
и одной катушкой, естественно, он был не без недостатков: патрон летел
недалеко. Тщательно проанализировав опыт сборки прототипа, я составил
последующую схему и модернизировал прототип снабдив его вторым
соленоидом,
тиристором,
фотодиодом,
светодиодом
и
ещё
двумя
конденсаторами (Приложение 4, рис. 7) .
Избавившись от недостатка прототипа, я приступил к сборке рабочей модели
пушки Гаусса.
Сначала я намотал катушку, используя латунную трубку, две обрезанные
крышки и медный эмалированный провод. Наматывал следующим образом:
используя вырезки из пробок, как ограничитель я мотал провод слой за
слоем. После того как намотал катушку, я вырезал три заготовки для
крепления трубки, одну для конденсаторов и два крепления для кнопок ,а
потом согнул их. Крепления под батарейки вырезалось из пластмассы. Ещё
было найдено крепление к тиристору и фотодиоду со светодиодом. Далее я
расположил все компоненты и разметил их расположение и расположения
отверстий,
необходимых
для
закрепления
деталей.
Потом
закрепил
гальванические элементы, конденсаторы, кнопки, тиристор на модельной
доске, фотодиод и светодиод на
трубке с катушками. Но перед тем как
7
крепить фотодиод и светодиод, я вырезал два отверстия в трубке, для
попадания света на светодиод. Далее шла пайка. (Приложение 4, рис.8)
Мое улучшение данного устройства заключается в следующем: во второй
схеме было использовано два соленоида, один из которых включался как
только снаряд долетал до него, это позволило добиться большей скорости
снаряда и увеличить КПД устройства.
2.2. Испытания. Расчёты
Сделав по 10 выстрелов с каждым из снарядов и вычислив кинетическую
энергию снарядов, я занес данные в таблицу, в которой приводятся все
данные по установке – это энергия, запасаемая в конденсаторах, высота
ствола, начальная скорость пули, ее энергия и масса.
Энергия, запасаемая в конденсаторе: W = CU2/ 2
U - напряжение конденсатора (в Вольтах)
C - ёмкость конденсатора (в Фарадах).
Энергия, запасаемая при
параллельном соединении конденсаторов равна:
W=4,801144 Дж (один конденсатор)
W=9,602288 Дж (два конденсатора)
Кинетическая энергия снаряда
,
= ℓ
, где ℓ–дальность полета тела (координата x), h –
высота, с которой падает тело (координата y), которое получило
горизонтальную скорость
- масса снаряда (в килограммах) - его скорость
по оси ОХ (в м/с ). (Приложение 5, Таблица №1 , Таблица №2)
Вывод: Расчеты показывают, что скорость вылета у снаряда достаточно
высока при использовании многоступенчатой системы катушек.
2.3.Исследование эффективность пушки Гаусса
В данной работе я попытался оценить возможный КПД установки η, т.к.
8
основной ее недостаток — низкий КПД. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов
переходят в кинетическую энергию снаряда.
Гипотеза: Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть
согласованы таким образом, чтобы к моменту подлета снаряда к середине
обмотки, ток в последней уже успевал уменьшиться до минимального
значения, т.е. заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В
таком случае КПД должно быть максимальным.
В качестве направляющей была использована латунная труба, катушка
намотана медным проводом диаметром d= 0,7мм в K= 9 слоёв по N=22 витка
в каждом, в качестве снаряда использовался стальной стержень со стальным
шариком длиной s= 66 мм и массой m=4,452 г. Импульс тока в первой
катушке с активным сопротивлением обмотки r= 3 Ом возникал при разрядке
конденсатора ёмкостью C =4700 мФ, заряженного до напряжения U= 45.2 В.
Для оценки эффективности пушки измерялась дальность стрельбы с
возвышения h= 81см. Время падения снаряда τ определяется высотой h, а
дальность полёта ℓ скоростью вылета v.
Я устанавливал в трубе на расстоянии Δ от её края снаряд, и, рассчитывая
КПД, получил зависимость КПД от начального положения снаряда, который
представлен в таблице. (Приложение 6, таблица № 3)
Вывод: Как видно из таблицы, КПД максимально при такой закладке
снаряда, при которой его центр будет внутри катушки, а при выдвигании
стержня из катушки КПД резко падает.
9
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. КПД максимально при такой закладке снаряда,
при которой его центр будет внутри катушки и лучше использовать не
однокатушечную, а многоступенчатую модель ЭМ ускорителя.
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 и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).
Библиографический список
1. Бут Д.А. Основы электромеханики/ Д.А.Бут. – М.: МАИ, 1996. – С. 363.
2. Маликов, В.Г. Признано несвоевременным/В.Г.Маликов// Техника
молодежи. – 1987. – №5. – С – 30.
3. Мощные полупроводниковые приборы: Справочник/В.Я.Замятин,
В.Кондратьев, В.М.Петухов. – М.: Радио и связь, 1988. – С. 336.
Интернет – ресурсы:
10
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса
5. http://www.popmech.ru/archive/2008/issue/70/
6. http://www.gauss2k.narod.ru/
11
Приложение 1
Рис. 1. Испытание электромагнитной пушки в лаборатории Шатурского
филиала Объединенного института высоких температур Российской
академии наук.
Рис. 2. Общий вид электромагнитной пушки Фашона и Виллепле.
12
Приложение 2
Рис.3 Электромагнитный ускоритель масс.
Рис.4 Поезд на магнитной подушке Maglev.
13
Приложение 3
Рис. 5 Многоцелевой эсминец нового поколения DD(X)
Рис. 6 Ускорители масс на Луне.
14
Приложение 4
Рис. 7 Схема сборки действующей модели – пушки Гаусса
15
Рис. 8 Действующая модель пушки Гаусса.
16
Приложение 5
Таблица №1 Результаты вычисления для снаряда с массой 4 г
Масса, m, (кг) Координата
Y (м), h(м)
Координата
X(м)
Скорость
снаряда
V (м/с)
Кинетическая
энергия
снаряда
E (Дж)
4*10-3
0,81
5,8
3,486
11,4*10-3
4*10-3
0,81
5,61
3,38
12.03*10-3
4*10-3
0,81
5,3
3,325
12.06*10-3
4*10-3
0,81
5,77
3,4425
12.1610-3
4*10-3
0,81
5,03
3,5
12,5*10-3
4*10-3
0,81
5,5
3,375
11,78*10-3
4*10-3
0,81
5,93
3,4825
12,4*10-3
4*10-3
0,81
5.82
3,455
12,23*10-3
4*10-3
0,81
5,43
3,36
12,8*10-3
4*10-3
0,81
5,07
3,52
12,6*10-3
Талица №2 Результаты вычисления для снаряда с массой 6 г
Масса, m, (кг) Координата
Y (м), h(м)
Координата
X(м)
Скорость
снаряда
V (м/с)
Кинетическая
энергия
снаряда
E (Дж)
6*10-3
0,81
0,48
3,2
13.2*10-3
6*10-3
0,81
0,45
3,125
12,8*10-3
6*10-3
0,81
0,5
3,25
12,7*10-3
6*10-3
0,81
0,46
3,15
12,45*10-3
17
6*10-3
0,81
0,53
3,325
11,9*10-3
6*10-3
0,81
0,52
3,3
12,07*10-3
6*10-3
0,81
0,49
3,225
12.04*10-3
6*10-3
0,81
0,52
3,3
13,1*10-3
6*10-3
0,81
0,5
3,25
12,7*10-3
6*10-3
0,81
0,507
3,27
11,8*10-3
Приложение 6
Таблица № 3 Зависимости КПД от смещения снаряда
Масса,
Высота
Смещение
m, (кг)
h(м)
Δ (мм)
Средняя
скорость
снаряда
Кинетическая η = ,%
энергия
снаряда
V (м/с)
E (Дж)
4*10-3
0,81
10
3,36
11,5*10-3
0,12
4*10-3
0,81
15
3,4
12,1*10-3
0,135
4*10-3
0,81
20
3,52
12,6*10-3
0,152
4*10-3
0,81
25
3,6
12,8*10-3
0,158
4*10-3
0,81
30
3,36
12,7*10-3
0,122
4*10-3
0,81
35
2,37
11,7*10-3
0,09
18
19