Войти
Упрощенная схема многоступенчатого койлгана с тремя катушками, стволом и ферромагнитным снарядом A Койлган, также известный как винтовка Гаусса, представляет собой тип формирователя массы, состоящий из одной или нескольких катушек, используемых в качестве электромагнитов в конфигурации линейный двигатель, который ускоряет ферромагнитный или проводит снаряд до высокой скорости. Почти во всех конфигурациях койлгана катушки и ствол пистолета расположены на общей оси. Койлган не является винтовкой, так как ствол гладкоствольный (не нарезной ). Название «Гаусс» относится к Карлу Фридриху Гауссу, который сформулировал математическое описание магнитного эффекта, используемого пушками магнитных ускорителей.
Спиральные пистолеты обычно состоят из одной или нескольких катушек, расположенных вдоль ствола, поэтому путь ускоряющего снаряда лежит вдоль центральной оси катушек. Катушки включаются и выключаются в точно синхронизированной последовательности, в результате чего снаряд быстро ускоряется вдоль ствола за счет магнитных сил. Койлганы отличаются от рельсотронов, поскольку направление ускорения в рельсотроне находится под прямым углом к центральной оси токовой петли, образованной проводящими рельсами. Кроме того, рельсотроны обычно требуют использования скользящих контактов для пропускания большого тока через снаряд или башмак, но для койлганов не обязательно требуются скользящие контакты. В то время как некоторые простые концепции койлганов могут использовать ферромагнитные снаряды или даже снаряды с постоянными магнитами, большинство конструкций для высоких скоростей фактически включают в себя спаренную катушку как часть снаряда. Другая форма койлгана - это тот, который состоит из сильного магнита на рельсе. На одном конце магнита есть два металлических шарика. Другой шар помещается рядом с магнитом, но не притягивается к нему. Когда мяч подталкивается к магниту, он ускоряется, пока не ударяется о магнит с некоторой силой и скоростью. Импульс передается через магнит последнему шару, который отлетает от конца с почти такой же силой, как и первый шар.
Самая старая электромагнитная пушка представляла собой койлган, первый из которых был изобретен норвежским ученым Кристианом Биркеландом в Университете Кристиании (ныне Осло). Изобретение было официально запатентовано в 1904 году, хотя, как сообщается, его разработка началась еще в 1845 году. Согласно его отчетам, Биркеланд разогнал 500- граммовый снаряд до 50 м / с (110 миль / ч; 180 км / ч; 160 фут / с).
В 1933 году техасский изобретатель Вирджил Ригсби разработал стационарный койлган, предназначенный для использования в качестве пулемета . Он был приведен в действие большим электродвигателем и генератором. Он появлялся во многих современных научных публикациях, но так и не вызвал интереса у вооруженных сил.
Существует два основных типа койлганов: одноступенчатые и многоступенчатые. Одноступенчатый койлган использует один электромагнит для запуска снаряда. В многоступенчатом койлгане последовательно используется несколько электромагнитов для постепенного увеличения скорости снаряда.
Одноступенчатое ружье Для ферромагнитных снарядов одноступенчатое катушечное ружье может быть образовано катушкой с проволокой, электромагнитом, с ферромагнитный снаряд, размещенный на одном из его концов. Этот тип койлгана имеет форму соленоида , используемого в электромеханическом реле, то есть катушки с током, которая протягивает ферромагнитный объект через свой центр. Сильный ток проходит через катушку с проволокой, и формируется сильное магнитное поле, притягивающее снаряд к центру катушки. Когда снаряд приближается к этой точке, электромагнит должен быть выключен, чтобы снаряд не застрял в центре электромагнита.
В многоступенчатой конструкции для повторения этого процесса используются дополнительные электромагниты, которые постепенно ускоряют снаряд. В обычных конструкциях койлганов «ствол» ружья состоит из гусеницы, по которой летит снаряд, с приводом в магнитные катушки вокруг гусеницы. Электроэнергия подается на электромагнит от какого-либо устройства хранения с быстрой разрядкой, обычно от батареи , или (по одной на каждый электромагнит), предназначенной для быстрой разрядки энергии. диод используется для защиты компонентов, чувствительных к полярности (например, полупроводников или электролитических конденсаторов), от повреждения из-за обратной полярности напряжения после выключения катушки.
Многие любители используют недорогие рудиментарные конструкции для экспериментов с койлганами, например, используя конденсаторы фотовспышки от одноразовой камеры или конденсатор от стандартного электронно-лучевая трубка телевизор в качестве источника энергии и катушка с низкой индуктивностью для продвижения снаряда вперед.
В некоторых конструкциях нет - ферромагнитные снаряды из таких материалов, как алюминий или медь, с якорем снаряда, действующим как электромагнит с внутренним током, индуцируемым импульсами ускоряющих катушек. сверхпроводящий койлган, называемый гасящей пушкой, может быть создан путем последовательного гашения линии соседних коаксиальных сверхпроводящих катушек, образующих ствол пушки, генерируя волну градиента магнитного поля, перемещающуюся с любой желаемой скоростью. Бегущую сверхпроводящую катушку можно заставить кататься на этой волне, как доску для серфинга. Это устройство могло бы быть массовым драйвером или линейным синхронным двигателем с энергией движения, хранящейся непосредственно в катушках привода. Другой метод мог бы иметь несверхпроводящие катушки ускорения и энергию движения, хранящуюся вне них, но снаряд со сверхпроводящими магнитами.
Хотя стоимость переключения мощности и другие факторы могут ограничивать энергию снаряда, заметное преимущество некоторых конструкций койлганов перед Более простые рельсотроны позволяют избежать ограничения собственной скорости из-за сверхскоростного физического контакта и эрозии. Поскольку снаряд притягивается к центру катушек или левитирует в нем по мере ускорения, не возникает физического трения о стенки канала ствола. Если отверстие представляет собой полный вакуум (например, трубка с плазменным окном ), трение отсутствует вообще, что помогает продлить период повторного использования.
A Многоступенчатый койлган Одно из основных препятствий в конструкции койлгана - переключение мощности через катушки. Существует несколько распространенных решений - самым простым (и, вероятно, наименее эффективным) является искровой разрядник , который высвобождает накопленную энергию через катушку, когда напряжение достигает определенного порога. Лучше использовать твердотельные переключатели; к ним относятся IGBT или силовые MOSFET (которые можно отключить в середине импульса) и SCR (которые высвобождают всю накопленную энергию перед отключением).
Самый простой способ переключения, особенно для тех, кто использует камеру со вспышкой в качестве основных компонентов, - это использование самой лампы вспышки в качестве переключателя. Подключив его последовательно с катушкой, он может бесшумно и неразрушающим образом (при условии, что энергия в конденсаторе удерживается ниже безопасных рабочих пределов трубки) пропускать большое количество тока через катушку. Как и любая импульсная лампа, ее запускает ионизация газа в трубке с помощью высокого напряжения. Однако большое количество энергии будет рассеиваться в виде тепла и света, и, поскольку трубка является искровым разрядником, трубка перестанет проводить, как только напряжение на ней упадет в достаточной степени, оставив некоторый заряд на конденсаторе.
электрическое сопротивление катушек и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) источника тока рассеивают значительную мощность.
На низких скоростях нагрев катушек преобладает над процентной эффективностью койлгана, что дает исключительно низкий КПД. Однако по мере увеличения скорости механическая мощность растет пропорционально квадрату скорости, но при правильном переключении резистивные потери в значительной степени не затрагиваются, и, таким образом, резистивные потери становятся намного меньше в процентном отношении.
В идеале, 100% магнитного потока, генерируемого катушкой, должно доставляться к снаряду и воздействовать на него; в действительности это невозможно из-за потерь энергии, всегда присутствующих в реальной системе, которые невозможно полностью устранить.
В простом соленоиде с воздушным сердечником большая часть магнитного потока не передается в снаряд из-за высокого сопротивления магнитной цепи. Несвязанный поток создает магнитное поле, которое накапливает энергию в окружающем воздухе. Энергия, которая хранится в этом поле, не просто исчезает из магнитной цепи после завершения разряда конденсатора , а возвращается в электрическую цепь ружья. Поскольку электрическая цепь койлгана по своей сути аналогична LC-генератору, неиспользованная энергия возвращается в обратном направлении («звон»), что может серьезно повредить поляризованные конденсаторы, такие как электролитические конденсаторы.
Обратный заряд можно предотвратить с помощью диод, подключенный параллельно клеммам конденсатора; в результате ток продолжает течь до тех пор, пока диод и сопротивление катушки не рассеивают энергию поля в виде тепла. Хотя это простое и часто используемое решение, оно требует дополнительного дорогостоящего мощного диода и хорошо спроектированной катушки с достаточной тепловой массой и способностью рассеивать тепло, чтобы предотвратить отказ компонентов.
Некоторые конструкции пытаются восстановить энергию, запасенную в магнитном поле, с помощью пары диодов. Эти диоды не должны рассеивать оставшуюся энергию, а заряжают конденсаторы с правильной полярностью для следующего цикла разряда. Это также позволит избежать необходимости полностью заряжать конденсаторы, что значительно сокращает время зарядки. Однако практичность этого решения ограничена результирующим высоким током перезарядки через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсаторов; ESR рассеивает часть тока перезарядки, выделяя тепло внутри конденсаторов и потенциально сокращая их срок службы.
Чтобы уменьшить размер компонента, вес, требования к долговечности и, что наиболее важно, стоимость, магнитная цепь должна быть оптимизирована для передачи большего количества энергии снаряду при заданном потреблении энергии. В некоторой степени это было решено за счет использования задней части и торца железа, которые представляют собой куски магнитного материала, которые окружают катушку и создают пути с меньшим сопротивлением, чтобы улучшить величину магнитного потока, передаваемого в снаряд. Результаты могут сильно различаться в зависимости от используемых материалов; В конструкциях для любителей могут использоваться, например, самые разные материалы, от магнитной стали (более эффективный, с меньшим сопротивлением) до видеоленты (небольшое улучшение сопротивления). Более того, дополнительные куски магнитного материала в магнитной цепи могут потенциально увеличить вероятность насыщения магнитного потока и других магнитных потерь.
Другим существенным ограничением койлгана является наличие магнитного насыщения в ферромагнитном снаряде. Когда поток в снаряде лежит в линейном участке кривой B (H) его материала, сила, приложенная к сердечнику, пропорциональна квадрату тока катушки (I) - поле (H) линейно зависит от I, B линейно зависит от H, а сила линейно зависит от продукта BI. Эта связь продолжается до тех пор, пока ядро не насыщается; как только это произойдет, B будет увеличиваться лишь незначительно с H (и, следовательно, с I), поэтому усиление будет линейным. Поскольку потери пропорциональны I, увеличение тока сверх этой точки в конечном итоге снижает эффективность, хотя может увеличить силу. Это устанавливает абсолютный предел того, насколько данный снаряд может быть ускорен за одну ступень с приемлемой эффективностью.
Помимо насыщения, зависимость B (H) часто содержит петлю гистерезиса, и время реакции материала снаряда может быть значительным. Гистерезис означает, что снаряд становится постоянно намагниченным, и некоторая энергия будет потеряна в виде постоянного магнитного поля снаряда. С другой стороны, время реакции снаряда заставляет снаряд сопротивляться резким изменениям B; при подаче тока поток не будет расти так быстро, как хотелось бы, и после исчезновения поля катушки появится B-хвост. Эта задержка уменьшает силу, которая была бы максимальной, если бы H и B были в фазе.
В большинстве работ по разработке койлганов в качестве сверхскоростных пусковых установок использовались системы с воздушным сердечником, чтобы обойти ограничения, связанные с ферромагнитными снарядами. В этих системах снаряд разгоняется подвижной катушкой «якорь». Если якорь сконфигурирован как один или несколько «закороченных витков», то индуцированные токи будут результатом изменения во времени тока в статической катушке пусковой установки (или катушках).
В принципе, могут быть сконструированы ружья, в которых движущиеся катушки запитываются током через скользящие контакты. Однако практическая конструкция таких устройств требует наличия надежных высокоскоростных скользящих контактов. Хотя для подачи тока на якорь с многооборотной катушкой могут не потребоваться токи, такие большие, как те, которые требуются в рельсотроне , устранение необходимости в высокоскоростных скользящих контактах является очевидным потенциальным преимуществом индукционного ружья по сравнению с рельсотрон.
системы с воздушным сердечником также вводят штраф, поскольку могут потребоваться гораздо более высокие токи, чем в системе с «железным сердечником». Тем не менее, в конечном итоге, при условии обеспечения надлежащим образом рассчитанных источников питания, системы с воздушным сердечником могут работать с гораздо большей напряженностью магнитного поля, чем системы с «железным сердечником», так что, в конечном итоге, должны быть возможны гораздо более высокие ускорения и силы.
Миномет M934 адаптирован для экспериментального запуска койлгана с конформным хвостовым комплектом якоря, который может стрелять через ствол, состоящий из коротких соленоидных электромагнитов, уложенных друг на друга. производимые любителями, обычно от нескольких джоулей до десятков джоулей энергии снаряда (последняя сравнима с типичным пневматическим пистолетом и на порядок меньше, чем у огнестрельного оружия), в диапазоне от менее КПД от одного процента до нескольких процентов.
В 2018 году компания Arcflash Labs из Лос-Анджелеса предложила на продажу первый койлган для широкой публики. Он стрелял 6-граммовыми стальными пулями со скоростью 45 м / с с дульной энергией примерно 5 джоулей.
Гораздо более высокий КПД и энергия могут быть получены при более дорогостоящих и сложных конструкциях. В 1978 году Бондалетов в СССР достиг рекордного ускорения на одной ступени, отправив 2-граммовое кольцо на скорость 5000 м / с на 1 см длины, но самые эффективные современные конструкции, как правило, включают много ступеней. Эффективность более 90% оценивается для некоторых значительно более крупных сверхпроводящих концепций для запуска в космос. Экспериментальная 45-ступенчатая конструкция койлгана миномета DARPA имеет КПД 22%, при этом на патрон приходится 1,6 мегаджоулей KE.
Концепция большого койлгана, соосный электромагнитная пусковая установка, запускающая снаряды на орбиту Несмотря на то, что сталкивается с проблемой конкурентоспособности по сравнению с обычными пушками (и иногда рельсотронами альтернативами), койлганы исследуются для вооружения.
DARPA Программа электромагнитных минометов является примером потенциальных преимуществ, если можно решить практические задачи, такие как достаточно низкий вес. Койлган будет относительно бесшумным, без дыма, выдающего его положение, хотя снаряд койлгана все равно будет создавать звуковой удар, если он сверхзвуковой. Регулируемое, но плавное ускорение снаряда по стволу может обеспечить несколько более высокую скорость с прогнозируемым увеличением дальности на 30% для 120-мм миномета EM по сравнению с обычной версией аналогичной длины. При отсутствии отдельных пороховых зарядов для загрузки исследователи предполагают, что скорострельность увеличится примерно вдвое.
В 2006 году для оценки строился 120-мм прототип, хотя время до развертывания в полевых условиях, если такое произойдет, было оценено тогда. от 5 до 10+ лет Sandia National Laboratories. В 2011 году была предложена разработка 81-мм миномета с койлганом для работы с гибридно-электрической версией будущего Joint Light Tactical Vehicle.
Планируются катапульты с электромагнитным летательным аппаратом, в том числе на борту будущего US Джеральд Авианосцы класса R. Ford. Экспериментальная версия электромагнитной ракетной пусковой установки (EMML) с индукционным катушечным ружьем была испытана для запуска ракет Tomahawk. Система активной защиты танков на основе койлгана разрабатывается на HIT в Китае.
Считается, что потенциал койлгана выходит за рамки военных приложений. Гигантские койлганы с массой снаряда и скоростью в масштабе гигаджоулей от кинетической энергии (в отличие от ) - сложная задача и соответствует размеру капиталовложений, которые могут легко профинансировать немногие организации. мегаджоулей или меньше) до сих пор не были разработаны, но были предложены такие ракеты-носители с Луны или с Земли:
 | На Викискладе есть средства массовой информации, связанные с Coilguns. |
