Пушка гаусса принцип действия. Электромагнитный ускоритель гаусса

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.

Принцип действия

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

Энергия запасаемая при последовательном и параллельном соединении конденсаторов равна.

Кинетическая энергия снаряда

Время разряда конденсаторов

Время работы катушки индуктивности

Преимущества и недостатки

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

Принцип действия

Преимущества и недостатки

Гаусс-Ган достаточно распространенное устройство среди радиолюбителей. Устройство Гаусс-пушки достаточно простое. Пушка состоит из нескольких частей:
1) Источник питания
2) Преобразователь напряжения
3) Электромагнитная катушка

Это основные части устройства, которое широко известно под названием электромагнитный ускоритель масс Гаусса. Основные части устройства не критичны, все зависит от фантазии авторов. Основа работы тоже достаточно проста. Преобразователь напряжения повышает начальное напряжение источника питания до уровня 300-450 вольт, далее это напряжение выпрямляется и накапливается в электролитических конденсаторах. От емкости конденсаторов зависит мощность самой пушки. В момент пуска, весь потенциал конденсатора (часто используется блок из нескольких конденсаторов) подается на катушку, в последствии чего она превращается в мощный электромагнит и выталкивает железную массу. Принцип работы Гаусс-пушки в чем то схож с принципом работы реле, только тут питание подается на катушку кратковременно.

Мы сегодня рассмотрим конструкцию достаточно простого ускорителя масс достаточно высокой мощности. Устройство предназначено только для демонстрации принципа работы, просим соблюдать все меры по безопасности, поскольку такого рода устройства достаточно опасны по нескольким причинам.

Во-первых, на конденсаторах образуется высокое напряжение, а поскольку емкость конденсаторов большая, то есть опасность для жизни.
Во-вторых, ударная сила массы достаточно велика, поэтому не направляйте на людей и соблюдайте некоторую дистанцию от пушки.

В качестве преобразователя напряжения была выбрана однотактная схема на популярном таймере серии 555. Таймер работает в режиме генератора прямоугольных импульсов. Как известно, микросхема не содержит в себе дополнительного усилителя, поэтому было бы хорошо использовать дополнительный драйвер на выходе микросхемы, но как показала практика, драйвер тут не нужен, поскольку выходное напряжение более, чем достаточно для срабатывания транзистора, а ток на выходе микросхемы порядка 200мА. Таким образом, даже без дополнительного драйвера микросхема не перегружается, все работает отлично. Полевой транзистор - выбор не критичен, можно использовать любые транзисторы с током от 40 А, в моем случае использован IRFZ44, как дешевый и достаточно надежный вариант. В этой схеме не нужен фильтр гашения обратного тока - еще один плюс схемы.

Мощность схемы напрямую зависит от источника питания, от аккумулятора бесеребойника схема развивает порядка 45-60ватт, потребление при этом составляет 7,5-8 А.
С таким питанием очень сильно греется транзистор, но не стоит использовать громадные теплоотводы, поскольку устройство предназначено для кратковременной работы, и перегрев будет не очень уж и страшным.
В моем случае преобразователь собран на компактной макетной плате, монтаж двухсторонний. Мощность резисторов можно 0,125ватт.

Трансформатор

Намотка импульсного трансформатора самая ответственная часть, но тут ничего сложного нет, поскольку мы мотаем не высоковольтный трансформатор и опасности пробоя во вторичной обмотке тут нет, следовательно, требования к качестве намотки не очень уж и суровые.
Сердечник был использован от ЭПРА (балласт ЛДС на 60 ватт). На каркасе сначала была намотана первичная обмотка, которая состоит из 7 витков провода 1 мм (желательно мотать сразу двумя жилами провода 0,5мм).

После намотки первичной обмотки ее нужно изолировать. В качестве изоляции я почти всегда использую прозрачный скотч.
Вторичная обмотка мотается поверх первичной, состоит из 120 витков провода с диаметром 0,2-0,3 мм. Через каждые 40-50 витков желательно ставить изоляции тем же скотчем.

Такой преобразователь заряжает емкость в 1000 мкФ всего за одну секунду!

После того, как у нас есть готовый преобразователь напряжения 12-400 Вольт, можно идти дальше. В качестве выпрямителя можно использовать мост из импульсных диодов с током не менее 1 Ампер. Диоды FR207 или FR107 отлично подходят для наших целей.
Конденсаторы были выпаяны от старых компьютерных блоков питания (такие конденсаторы стоят достаточно дорого, поэтому проще найти старые блоки питания). Всего использовано 6 конденсаторов 200Вольт/470мкФ.

Соленоид намотан на трубке от шариковой ручки. Для намотки использовался провод с диаметром 1 мм, число витков 45.
Намотка делается слоями (мотать в навал не желательно).

В качестве снаряда подойдут любые железные предметы, которые будут свободно входить в трубку. Длина трубки (каркаса) 15см (можно использовать трубки с длиной 10-25 см)

Пушка уже почти готова, остается только собрать схему пускового механизма. На сей раз был использован тиристор серии КУ 202М(Н). Пуск схемы осуществляется отдельной пальчиковой батарейкой, при помощи которой подается питание на управляющий вывод тиристора, в следствии чего, последний срабатывает и емкость конденсаторов подается на соленоид.

Список радиоэлементов

В статье будет рассмотрен пример создания простейшей Гаусс-пушки. Суть устройства заключается в том, что оно работает на электромагнитном поле, то есть заряд запускается в полет при помощи электричества. Собирается такая пушка очень просто, при наличии всех необходимых материалов на сборку уходит около часа. Конечно, мощность пушки не велика, так как ее КПД составляет всего лишь 1%, но этого вполне хватает, чтобы пробить картон или пивную банку. Для накопления заряда используются легкодоступные конденсаторы, а источником напряжения является обычная розетка, то есть 220В переменного тока. Стрелять пушка может стальными шариками или дротиками, которые можно сделать из гвоздей.

Материалы и инструменты для сборки:
- лампочка (220В, 60 Ватт) с патроном;
- провода;
- конденсаторы (можно достать с компьютерного блока питания);
- диоды;
- металлические и пластиковые трубки;
- медный лакированный провод;
- клей (подойдет Titan);
- паяльник с припоем;
- изолента.

Шаг первый. Как устроена пушка
Чтобы понять, как работает пушка, предлагается изучить схему. Она очень простая, здесь нет преобразователей, работает все от сети 220В. Цепь состоит из конденсаторов, которые накапливают заряд, диода (необходим для выравнивания переменного тока), катушки (собственно сам электромагнит), а также лампочки, которая будет ограничивать ток зарядки конденсаторов.

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.