Моя пушка Гаусса (гаусс-ган). Выстрел в будущее: пушка Гаусса своими руками Пушка гаусса на постоянных магнитах

Во-первых, редакция Science Debate поздравляет всех артиллеристов и ракетчиков! Ведь сегодня 19 ноября - День ракетных войск и артиллерии. 72 года назад, 19 ноября 1942 года с мощнейшей артиллерийской подготовки началось контрнаступление Красной Армии в ходе Сталинградской Битвы.

Именно поэтому мы сегодня приготовили для вас публикацию, посвященную пушкам, но не обычным, а пушкам Гаусса!

Мужчина, даже став взрослым, в душе остается мальчишкой, вот только игрушки у него меняются. Компьютерные игры стали настоящим спасением для солидных дядей, которые в детстве не доиграли в «войнушку» и теперь имеют возможность наверстать упущенное.

У компьютерных боевиков часто встречается футуристическое оружие, которое не встретишь в реальной жизни – знаменитая пушка Гаусса, которую может подбросить какой-нибудь чокнутый профессор или ее случайно можно отыскать в секретной хронике.

А возможно ли обзавестись Гаусс-пушкой в реале?

Оказывается можно, и сделать это не так сложно, как может показаться на первый взгляд. Давайте, скорее, выясним, что такое пушка Гаусса в классическом понимании. Пушка Гаусса – это оружие, в котором используется метод электромагнитного ускорения масс.

В основе конструкции этого грозного оружия лежит соленоид – цилиндрическая обмотка из проводов, где длина провода во много раз больше диаметра обмотки. Когда будет подан электрический ток, в полости катушки (соленоида) возникнет сильное магнитное поле. Оно втянет снаряд внутрь соленоида.

Если в момент, когда снаряд дойдет до центра, убрать напряжение, то магнитное поле не помешает двигаться телу по инерции, и оно вылетит из катушки.

Собираем Гаусс-пушку в домашних условиях

Для того чтобы создать пушку Гаусса своими руками, нам для начала, понадобится катушка индуктивности. На бобину аккуратно намотайте эмалированный провод, без резких перегибов, чтобы ни в коем случае не повредить изоляцию.

Первый слой, после наматывания, залейте суперклеем, подождите, пока он высохнет, и приступайте к следующему слою. Таким же образом нужно намотать 10-12 слоев. Готовую катушку надеваем на будущий ствол оружия. На один из его краев следует надеть заглушку.

Для того чтобы получить сильный электрический импульс, отлично подойдет батарея конденсаторов. Они способны отдавать накопленную энергию в течение короткого времени, пока пуля дойдет до середины катушки.

Для зарядки конденсаторов понадобится зарядное устройство. Подходящее устройство есть в фотографических аппаратах, оно служит для возникновения вспышки. Конечно, речь не идет о дорогой модели, которую мы будем препарировать, но одноразовые «Кодаки» сгодятся.

К тому же в них, кроме зарядки и конденсатора, прочих электроэлементов нет. Разбирая фотоаппарат, будьте осторожны, чтобы вас не ударило электрическим током. С устройства для зарядки смело удаляйте скобы для батареек, отпаяйте конденсатор.

Таким образом, нужно подготовить приблизительно 4-5 плат (можно больше, если желание и возможности позволяют). Вопрос выбора конденсатора заставляет сделать выбор между мощностью выстрела и временем, которое понадобится для зарядки. Большая емкость конденсатора требует и большего отрезка времени, снижая скорострельность, так что придется искать компромисс.

Светодиодные элементы, установленные на зарядные контуры, сигнализируют светом о том, что необходимый уровень зарядки достигнут. Конечно, можно подключить дополнительные зарядные контуры, но не переусердствуйте, чтобы не спалить ненароком транзисторы на платах. Для того чтобы разрядить батарею, в целях безопасности лучше всего установить реле.

Управляющий контур подключаем к батарейке через кнопку спуска, а управляемый – в цепь, между катушкой и конденсаторами. Для того чтобы совершить выстрел, необходимо подать питание на систему, и, после светового сигнала, зарядить оружие. Питание отключаем, прицеливаемся и стреляем!

Если процесс вас увлек, а полученной мощности маловато, то вы можете приступить к созданию многоступенчатой пушки Гаусса, ведь она должна быть именно такой.

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.

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

1. Вступление.

В этой статье я опишу свой первый макетный электромагнитный метатель ЕМ-1, собранный уже больше года назад. Тем, кого не интересует электрическая схема устройства, принцип действия и т.д., можно пропустить всё, что написано дальше, и сразу перейти к разделам 3 и 4, где находятся фото устройства и видеоролики.

Целью создания ЕМ-1 было:

1. Собрать автономную конструкцию в одном корпусе.
   Все мои предыдущие стрелялки собирались из отдельных компонентов и выглядели как груда соединённых проводами плат (см. рис. 1). Мало того, что это очень неудобно при экспериментах, это ещё и опасно – ничего не стоит что-нибудь случайно зацепить и получить удар высоким напряжением, или спалить одну из плат, случайно что-нибудь закоротив (были такие случаи). Зарядка от сети, которая часто применяется в таких опытных конструкция, тоже достаточно опасна и неудобна. Мне хотелось сделать именно автономное устройство, максимально безопасное в обращении. Сюда относится и максимальная помехоустойчивость – Gordon на http://www.pskovinfo.ru/coilgun/indexr.htm совершенно справедливо замечает, что схема Gauss Gun не должна быть чувствительна ко всякого рода наводкам, в то время как конструкции типа изображённых на рис.1 часто неожиданно выстреливали от случайного прикосновения к одной из плат, никак не связанных с главным силовым контуром.

   
   Рис. 1. Один из опытных образцов Gauss Gun. Видны плата управления тиристорами, мощный конденсатор (здесь я использовал комбинированный К75-40 на 1000В, 100 мкФ), источник высокого напряжения, ствол гауссовки с укреплёнными ИК-датчиками, и ИК-хронограф.

2. Получение максимальной скорости при сохранении КПД.
   Известно, что КПД Gauss-gun падает при повышении скорости и уменьшении длины снаряда. С другой стороны, тяжёлый и длинный снаряд, при выстреле которым развивается максимальный КПД, совершенно неустойчив в полёте – чтобы прострелить навылет какую-нибудь алюминиевую банку с пивом, приходится приставлять её вплотную к стволу гауссовки. Поэтому я попытался взять максимально короткий снаряд, сохраняющий приемлемый КПД, и получить максимальную скорость. Забегая вперёд, скажу, что задачу стабилизации снаряда в полёте полностью решить так и не удалось, хотя область, в которой пуля сохраняет устойчивость, расширилась.
3. Разработка оптимальной конструкции электронной части для Gauss Gun.
   Многие гауссостроители стараются делать управляющую часть электромагнитного метателя как можно более простой, при этом часто ограничиваются даже замыканием управляющего электрода тиристора с помощью тумблера или упомянутой выше зарядкой от сетевого напряжения через диодный мост и резистор. С точки зрения надёжности и безопасности конструкции это не самый лучший подход, не говоря уже о повторяемости результатов экспериментов и т.д. Поэтому я разработал электронную часть, обеспечивающую простое и удобное «холодное» управление выстрелом (т.е. без контакта непосредственно с силовой частью метателя), а также зарядку силовых конденсаторов, их автоматический разряд в момент выключения установки, плавный пуск устройства и т.д.. Достоинством этой схемы является также и то, что она (не считая силовых элементов) размещена на одной плате.

   2. Электрическая схема ЕМ-1.

   приведена полная электрическая схема ЕМ-1. Ниже более подробно описаны её составные части и их функционирование.

   2.1. Источник питания.

   В качестве источника питания для ЕМ-1 я использовал батарею из шести последовательно соединённых аккумуляторов типа АА (общее номинальное напряжение 7,2 В), размещённых в специальном батарейном боксе (см. рис. 2). Потребляемый схемой ток невелик (менее 1 А), поэтому не возникает проблемы, связанной с сопротивлением контактов, их окислением и т.д. Это также позволило использовать самые обычные дешёвые аккумуляторные банки всего на 600 мА·ч.

   
   Рис. 2. Источник питания ЕМ-1. Батарейный бокс на 6 аккумуляторов и два Ni-Cd аккумулятора на 600 мА·ч

   2.2. Схема включения и генерации временных задержек.

   Часть схемы ЕМ-1, обеспечивающая подачу питания на управляющую логику и силовой контур, а также генерацию разрешающих сигналов и временных задержек, показана на рис. 2.

   Тумблер S1 обеспечивает подачу положительного напряжения от батареи питания на затвор полевого транзистора. При этом потенциал на затворе растёт с постоянной времени, равной 2,2 мкФ* 76К ≈ 0,17 сек, и так же плавно происходит подача питания на весь контур. Когда потенциал затвора достигает приблизительно половины от напряжения питания, на выходе элемента DD1.1 появляется низкий уровень, а на выходе DD1.2 с задержкой около 0,7*2,2 мкФ*1М ≈ 1,5 сек – высокий уровень (сигнал А), разрешающий работу всей управляющей логики. Такая схема позволила решить сразу две проблемы: избавиться от всякого рода нежелательных всплесков при включении/выключении схемы (как показывает практика, это самый чувствительный момент в работе таких цепей, здесь они часто ведут себя совершенно непредсказуемо), и обеспечить плавную зарядку высокоёмкостного конденсатора, включённого для сглаживания пульсаций от работы импульсного преобразователя напряжения (см. ниже). Последняя проблема может быть решена также включением терморезисторов, меняющих своё сопротивление в зависимости от температуры (т.е. силы протекающего тока), но такие элементы инерционны и не работают при частых включениях/выключениях.

   Вообще, включение подобных элементов в цепь питания очень желательно: в сетевых источниках питания они предотвращают перегрев выпрямительных диодов в начальный момент, когда заряжаются электролитические конденсаторы низковольтной части, а в данном случае предотвращается всплеск тока, очень вредный для аккумуляторных батарей.

   При отключении схемы (S1 заземляется) полевик быстро (с постоянной времени 2,2 мс) закрывается, сигнал разрешения выключается, а на выходе элемента DD1.4 генерируется сигнал сброса длительностью 140 мкс, который открывает тиристор автосброса и разряжает основные конденсаторы (см. раздел 2.6).

   Здесь ещё следует заметить, что сопротивление выбранного полевого транзистора в открытом состоянии (6-7 В на затворе) ничтожно, и при тех уровнях потребляемого тока, которые имеют место, оно никак не влияет на работу схемы (т.е. падение напряжение на ключе очень мало).

   
   Рис.3. Схема подачи питания и генерации временных задержек.

   В принципе, для работы микросхем, которые используются для управления ЕМ-1, напряжения шести последовательно соединённых аккумуляторов вполне достаточно. Однако, чтобы управлять затвором мощного полевого транзистора импульсного преобразователя (см. ниже), необходимо, по меньшей мере, 10 В. Я выбрал 15 В, т.к. при таком напряжении одновременно хорошо функционирует таймер NE555, и надёжно управляется полевой ключ (см. ниже).

   Для получения такого напряжения из напряжения аккумуляторной батареи, используется специальная ИС КР1156ЕУ1 (отечественный аналог импортной LM78S40). Она содержит встроенный генератор, компаратор, ключ на ток до 1 А, диод, источник опорного напряжения и даже операционный усилитель! Схема включения этой ИС приведена на рис. 4. Резистор 0,39 Ом служит для токоограничения, ёмкость 750 пФ задаёт частоту преобразования, дроссель 470 мкГн накапливает энергию, а делитель устанавливает значение выходного напряжения. Ёмкости 2,2 мкФ и 1,5 мкФ предотвращают помехи по цепи питания и опорного напряжения. ОУ здесь включён как компаратор для контроля напряжения на силовых конденсаторах (вход F на рисунке), его выход используется для разрешения выстрела (сигнал С) и индикации состояния готовности (с помощью светодиода VD 3).

   
   Рис.4. Схема включения ИС КР1156ЕУ1.

   Таким образом, ИС КР 1156ЕУ1 выполняет сразу две функции: компаратора, следящего за напряжением на основных силовых конденсаторах, и маломощного импульсного преобразователя. Последнее особенно удобно, т.к. делает напряжение на управляющей части ЕМ-1 независимым от напряжения аккумуляторной батареи (как показала практика, напряжение на аккумуляторах может сильно меняться: от 8,4 В при свежезаряженных банках до 5,5 В при почти разряженных).

   2.4. Импульсный преобразователь 7,2 В – 600 В.

   Источником энергии при выстреле в ЕМ-1 служат 4 конденсатора 300 В, 800 мкФ в виде двух последовательно соединённых батарей, каждая из двух конденсаторов. То есть суммарное напряжение на батарее силовых конденсаторов составляет 600 В. Чтобы получить такое напряжение, я использовал достаточно стандартное решение в виде импульсного обратноходового преобразователя. Тех, кто интересуется физическими основами работы этого устройства, могу отослать, например, на http://www.coilgun.com/ . Там подробно описаны протекающие в преобразователе процессы. Здесь же я лишь ограничусь описанием схемы преобразователя.

   Основным элементом преобразователя (рис. 5) является мощный полевой транзистор VT3. Входная ёмкость этого транзистора довольно велика (10 нФ), поэтому для управления им от таймера NE555 применён комплементарный каскад на транзисторах VT1 и VT2. Резисторы 1 Ом служат для ограничения сквозного тока через каскад в момент переключения. Таймер управляется компаратором DA2. Два элемента этого компаратора включены по схеме «монтажное ИЛИ»: при наличии низкого уровня на линии А (питание схемы отключено, см. рис. 3) или высокого уровня на линии Е (силовые конденсаторы заряжены до номинального напряжения) выводы 2 и 6 таймера заземляются, и на его выходе устанавливается высокий уровень, при этом работа преобразователя останавливается.

   В качестве сердечника трансформатора Т1 используется феррит из телевизионного трансформатора строчной развёртки. Параметры обмоток: первичная – 110 витков провода 0,5 мм, вторичная – 950 витков провода 0,1 мм. Полученный КПД зарядного процесса составил около 65% - неплохо для такой любительской конструкции. Замечу, что большего КПД я сейчас достигаю, используя чашечные сердечники – они меньше по габаритам и создают меньшую индуктивность рассеяния.

   Первичная обмотка трансформатора зашунтирована электролитическим конденсатором большой ёмкости, чтобы сгладить пульсации напряжения, вызываемые работой преобразователя.

   
   Рис. 5. Схема импульсного преобразователя 7,2 В – 600 В для зарядки силовых конденсаторных батарей.

   2.5. Схема выстрела.

   Это самая ответственная часть Gauss Gun, т.к. она непосредственно включает в себя силовой контур (силовые конденсаторы, ускоряющую катушку и коммутирующий элемент). Главные требования к силовой части – способность выдерживать мощные импульсные нагрузки, возникающие при выстреле, и высокая помехоустойчивость (отсутствие ложных срабатываний).

   Схема выстрела изображена на рис. 6. В качестве коммутирующего элемента используется тиристор Т142-50-14, способный выдерживать в импульсе напряжение 1400 В, и постоянное напряжение 840 В. Ударный ток, протекающий через этот тиристор в течение 1 мс, может составлять до 1400 А. Таким образом, он подходит для использования в качестве коммутирующего элемента в силовой части ЕМ-1, где нагрузка по напряжению составляет 600 В, а по току – до 1000 А в импульсе.

   Тиристор управляется специальной схемой на логическом элементе DD2, которая при нажатии кнопки S2 генерирует на выходе импульс отрицательной полярности длительностью около 140 мкс. Это происходит только в том случае, если присутствуют уровни логической единицы на входах С (разрешение выстрела по напряжению на силовых конденсаторах) и А (разрешение по питанию всей схемы), что придаёт схеме дополнительную помехоустойчивость. В качестве элемента, непосредственно открывающего тиристор, использован полевой транзистор VT4, который управляется от логической схемы с помощью одного из элементов компаратора DA2.

   Диод VD4 при выстреле препятствует перезарядке силовых конденсаторов в обратной полярности.

   
   Рис. 6. Схема выстрела ЕМ-1.

   2.6. Схема автоматического сброса напряжения.

   Этот контур я ввёл в схему ЕМ-1 исключительно в целях безопасности. Он осуществляет сброс остаточного напряжения на силовых конденсаторах после каждого включения тумблера питания S1 (см. рис. 1) в положение “выкл.”.

   Сброс напряжения осуществляется с помощью схемы, изображённой на рис. 7. При поступлении сигнала B на вход четвёртого элемента компаратора DA2 на его выходе генерируется импульс, который через транзистор VT5 открывает тиристор T2. Длительность импульса составляет 140 мкс (см. раздел 2.2). Разряд силовых конденсаторов происходит через мощные резисторы Rs. Затем тиристор самопроизвольно закрывается и не препятствует процессу зарядки конденсаторов при новом включении схемы.

   
   Рис. 7. Схема автосброса напряжения.

   3. Общие характеристики ЕМ-1.

   В этом разделе я кратко опишу параметры готового устройства.

   Сначала пара фоток:

   
   Рис. 8. ЕМ-1 на этапе сборки. Видны батарея силовых конденсаторов, аккумуляторный бокс, силовой и сбросовый тиристоры, мощные резисторы схемы автосброса и ускоряющая катушка. Сзади к катушке прикреплён постоянный магнит, удерживающий снаряд перед выстрелом.

   
   Рис. 9. Готовое устройство. Здесь видна управляющая плата, трансформатор и диод импульсного преобразователя. Можно видеть также кнопку выстрела S2.

   Как видно, схема получилась сравнительно компактная, хотя я и не старался уменьшить её размеры. Габариты ЕМ-1 25 х 12 х 13 см, что позволяет без проблем положить её в небольшую сумку. Масса 1,5 кг.

   Снарядами для ЕМ-1 служат отпиленные острия гвоздей диаметром 6 мм (см. рис. 10). Длина таких пулек составляет 30 мм, масса – 5,4 г. Их легко изготовить при помощи ножовки по металлу и напильника.

   
   Рис. 10. Метательные снаряды для ЕМ-1.

   При выстреле из ЕМ-1 эти пульки получают начальную скорость 24 м/с, что в сочетании с заострённой формой и сравнительно большой массой позволяет, например, легко пробить пластмассовую бутыль с водой (см. раздел 4). Алюминиевую банку с водой или пивом такая пуля пробивает навылет.

   Здесь, однако, возникает проблема, связанная с устойчивостью пули в полёте. Люди, которые пробовали изготавливать подобные устройства, наверняка сталкивались с этой проблемой. По мнению Gordon"а, неустойчивость связана с импульсом отдачи при выстреле, который подбрасывает пулю вверх при выходе из ствола. Выходом из положения может стать повышение скорости пули и уменьшение её массы.

   В ЕМ-1 ствол с ускоряющей катушкой дополнительно закреплён на корпусе с помощью эпоксидной смолы, а скорость пули сравнительно велика, что позволило увеличить дистанцию уверенной стрельбы до ~1 м.

   В заключение приведу общие характеристики ЕМ-1:
   • Масса – 1,5 кг;
   • Габариты - 25 х 12 х 13;
   • Напряжение на конденсаторной батарее – 600 В;
   • Ёмкость конденсаторной батареи – 800 мкФ;
   • Запасаемая энергия – 144 Дж;
   • Калибр – 6 мм;
   • Энергия снаряда – 1,5 Дж;
   • Скорость снаряда - 24 м/с;
   • Масса снаряда – 5,4 г;
   • Напряжение питания – 7,2 В (6х1,2 В);
   • Средний потребляемый ток при зарядке батареи – 930 мА;
   • Потребляемый ток в холостом режиме (при заряженной батарее) – 80 мА;
   • Среднее время зарядки конденсаторной батареи – 35 сек.

   Это, пожалуй, всё, что можно рассказать об этой игрушке. С практической точки зрения устройство, конечно, абсолютно бесполезное, но очень забавное. Кроме того, такие штуки сами по себе являются неплохим пособием по электронике и схемотехнике – работая с ними, узнаёшь много нового из этих областей.

   4. Фото и видео.

   В этом разделе помещены некоторые фотографии и видеоролики с ЕМ-1 в главной роли.

   1. ЕМ-1 пробивает пластмассовую бутыль с водой, снаряд остаётся внутри

Обладать оружием, которое даже в компьютерных играх можно найти только в лаборатории сумасшедшего ученого или возле временного портала в будущее, — это круто. Наблюдать, как равнодушные к технике люди невольно фиксируют на устройстве взгляд, а заядлые геймеры спешно подбирают с пола челюсть, — ради этого стоит потратить денек на сборку пушки Гаусса.

Как водится, начать мы решили с простейшей конструкции — однокатушечной индукционной пушки. Эксперименты с многоступенчатым разгоном снаряда оставили опытным электронщикам, способным построить сложную систему коммутации на мощных тиристорах и точно настроить моменты последовательного включения катушек. Вместо этого мы сконцентрировались на возможности приготовления блюда из повсеместно доступных ингредиентов. Итак, чтобы построить пушку Гаусса, прежде всего придется пробежаться по магазинам. В радиомагазине нужно купить несколько конденсаторов с напряжением 350−400 В и общей емкостью 1000−2000 микрофарад, эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм, батарейные отсеки для «Кроны» и двух 1,5-вольтовых батареек типа С, тумблер и кнопку. В фототоварах возьмем пять одноразовых фотоаппаратов Kodak, в автозапчастях — простейшее четырехконтактное реле от «Жигулей», в «продуктах» — пачку соломинок для коктейлей, а в «игрушках» — пластмассовый пистолет, автомат, дробовик, ружье или любую другую пушку, которую вы захотите превратить в оружие будущего.

Мотаем на ус

Главный силовой элемент нашей пушки — катушка индуктивности. С ее изготовления стоит начать сборку орудия. Возьмите отрезок соломинки длиной 30 мм и две большие шайбы (пластмассовые или картонные), соберите из них бобину с помощью винта и гайки. Начните наматывать на нее эмалированный провод аккуратно, виток к витку (при большом диаметре провода это довольно просто). Будьте внимательны, не допускайте резких перегибов провода, не повредите изоляцию. Закончив первый слой, залейте его суперклеем и начинайте наматывать следующий. Поступайте так с каждым слоем. Всего нужно намотать 12 слоев. Затем можно разобрать бобину, снять шайбы и надеть катушку на длинную соломинку, которая послужит стволом. Один конец соломинки следует заглушить. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: если она удержит на весу канцелярскую скрепку, значит, вы добились успеха. Можно вставить в катушку соломинку и испытать ее в роли соленоида: она должна активно втягивать в себя отрезок скрепки, а при импульсном подключении даже выбрасывать ее из ствола на 20−30 см.

Освоившись с простой однокатушечной схемой, можно испытать свои силы в постройке многоступенчатого орудия — ведь именно такой должна быть настоящая пушка Гаусса. В качестве коммутирующего элемента для низковольтных схем (сотни вольт) идеально подходят тиристоры (мощные управляемые диоды), для высоковольтных (тысячи вольт) — управляемые искровые разрядники. Сигнал на управляющие электроды тиристоров или разрядников будет посылать сам снаряд, пролетая мимо фотоэлементов, установленных в стволе между катушками. Момент выключения каждой катушки будет всецело зависеть от питающего ее конденсатора. Будьте внимательны: избыточное увеличение емкости конденсатора при заданном импедансе катушки может привести к увеличению длительности импульса. В свою очередь это может привести к тому, что после прохождения снарядом центра соленоида катушка останется включенной и замедлит движение снаряда. Детально отследить и оптимизировать моменты включения и выключения каждой катушки, а также измерить скорость движения снаряда поможет осциллограф.

Препарируем ценности

Для формирования мощного электрического импульса как нельзя лучше подходит батарея конденсаторов (в этом мнении мы солидарны с создателями самых мощных лабораторных рельсотронов). Конденсаторы хороши не только большой энергоемкостью, но и способностью отдать всю энергию в течение очень короткого времени, до того как снаряд достигнет центра катушки. Однако конденсаторы необходимо как-то заряжать. К счастью, нужное нам зарядное устройство есть в любом фотоаппарате: конденсатор используется там для формирования высоковольтного импульса для поджигающего электрода вспышки. Лучше всего нам подходят одноразовые фотоаппараты, потому что конденсатор и «зарядка» — это единственные электрические компоненты, которые в них есть, а значит, достать зарядный контур из них проще простого.

Знаменитый рэйлган из игр серии Quake с большим отрывом занимает первое место в нашем рейтинге. В течение многих лет виртуозное владение «рельсой» отличало продвинутых игроков: оружие требует филигранной точности стрельбы, однако в случае попадания скоростной снаряд буквально разрывает противника на куски.

Разборка одноразового фотоаппарата — это этап, на котором стоит начать проявлять осторожность. Вскрывая корпус, старайтесь не касаться элементов электрической цепи: конденсатор может сохранять заряд в течение долгого времени. Получив доступ к конденсатору, первым делом замкните его выводы отверткой с ручкой из диэлектрика. Только после этого можно касаться платы, не опасаясь получить удар током. Удалите с зарядного контура скобы для батарейки, отпаяйте конденсатор, припаяйте перемычку к контактам кнопки зарядки — она нам больше не понадобится. Подготовьте таким образом минимум пять зарядных плат. Обратите внимание на расположение проводящих дорожек на плате: к одним и тем же элементам схемы можно подключиться в разных местах.

Снайперское орудие из зоны отчуждения получает второй приз за реализм: сделанный на основе винтовки LR-300 электромагнитный ускоритель сверкает многочисленными катушками, характерно гудит при зарядке конденсаторов и насмерть поражает противника на колоссальных расстояниях. Источником питания служит артефакт «Вспышка».

Расставляем приоритеты

Подбор емкости конденсаторов — это вопрос компромисса между энергией выстрела и временем зарядки орудия. Мы остановились на четырех конденсаторах по 470 микрофарад (400 В), соединенных параллельно. Перед каждым выстрелом мы в течение примерно минуты ждем сигнала светодиодов на зарядных контурах, сообщающих, что напряжение в конденсаторах достигло положенных 330 В. Ускорить процесс заряда можно, подключая к зарядным контурам по несколько 3-вольтовых батарейных отсеков параллельно. Однако стоит иметь в виду, что мощные батареи типа «С» обладают избыточной силой тока для слабеньких фотоаппаратных схем. Чтобы транзисторы на платах не сгорели, на каждую 3-вольтовую сборку должно приходиться 3−5 зарядных контуров, подключенных параллельно. На нашем орудии к «зарядкам» подключен только один батарейный отсек. Все остальные служат в качестве запасных магазинов.

Расположение контактов на зарядном контуре одноразового фотоаппарата Kodak. Обратите внимание на расположение проводящих дорожек: каждый провод схемы можно припаять к плате в нескольких удобных местах.

Определяем зоны безопасности

Мы никому не посоветуем держать под пальцем кнопку, разряжающую батарею 400-вольтовых конденсаторов. Для управления спуском лучше установить реле. Его управляющий контур подключается к 9-вольтовой батарейке через кнопку спуска, а управляемый включается в цепь между катушкой и конденсаторами. Правильно собрать пушку поможет принципиальная схема. При сборке высоковольтного контура пользуйтесь проводом сечением не менее миллиметра, для зарядного и управляющего контуров подойдут любые тонкие провода. Проводя эксперименты со схемой, помните: конденсаторы могут иметь остаточный заряд. Прежде чем прикасаться к ним, разряжайте их коротким замыканием.

В одной из самых популярных стратегических игр пехотинцы Глобального Совета Безопасности (GDI) оснащаются мощнейшими противотанковыми рельсотронами. Кроме того, рэйлганы устанавливаются и на танки GDI в качестве апгрейда. По степени опасности такой танк — это примерно то же самое, что Звездный разрушитель в Star Wars.

Подводим итог

Процесс стрельбы выглядит так: включаем тумблер питания; дожидаемся яркого свечения светодиодов; опускаем в ствол снаряд так, чтобы он оказался слегка позади катушки; выключаем питание, чтобы при выстреле батарейки не отбирали энергию на себя; прицеливаемся и нажимаем на кнопку спуска. Результат во многом зависит от массы снаряда. Нам с помощью короткого гвоздя с откусанной шляпкой удалось прострелить банку с энергетическим напитком, которая взорвалась и залила фонтаном полредакции. Затем очищенная от липкой газировки пушка запустила гвоздь в стену с расстояния в полсотни метров. А сердца поклонников фантастики и компьютерных игр наше орудие поражает без всяких снарядов.

Ogame — это многопользовательская космическая стратегия, в которой игроку предстоит почувствовать себя императором планетных систем и вести межгалактические войны с такими же живыми противниками. Ogame переведена на 16 языков, в том числе русский. Пушка Гаусса — одно из самых мощных оборонительных орудий в игре.