Реферат на тему:
Иллюстрация принципа действия
Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится.
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индуктивность магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
— масса снаряда
— его скорость
Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода: — индуктивность
— ёмкость
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды. — индуктивность
— ёмкость
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.
Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27%.
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время накопительной 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.
В условиях водной среды применение пушки без толстого защитного кожуха-диэлектрика также серьезно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе на сверхкороткое время с образованием агрессивных (растворяющих) сред.
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 и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).
Также возможно применение пушек Гаусса для запуска легких спутников на орбиту.
wreferat.baza-referat.ru
Ванчиков В.А. Попов В.С.
Разумова Елена Анатольевна 1
Текст работы размещён без изображений и формул.Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1.Введение.Электромагнитная пушка Гаусса известна всем любителям компьютерных игр и фантастики. Назвали ее в честь немецкого физика Карла Гаусса, исследовавшего принципы электромагнетизма. Но так ли уж далеко смертельное фантастическое оружие от реальности?
[4]Из курса школьной физики мы узнали, что электрический ток, проходя по проводникам, создает вокруг них магнитное поле.[4] [3]Чем больше ток, тем сильнее магнитное поле. Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током, иначе говоря, катушки индуктивности (соленоид). Если катушку с током подвесить на тонких проводниках, то она установится в то же положение, в котором находится стрелка компаса. Значит, катушка индуктивности имеет два полюса - северный и южный.[3]
[1]Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол из диэлектрика. В один из концов ствола вставляется снаряд, сделанный из ферромагнетика. При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд может притягиваться в обратном направлении и тормозиться.
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз, неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела, в том числе без смены ствола и боеприпас. Относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей). Теоретически, большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства. Также возможно применение пушек Гаусса для запуска легких спутников на орбиту.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями:
Низкий КПД – около 10 %. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 30%. Поэтому пушка Гаусса по силе выстрела проигрывает даже пневматическому оружию. Вторая трудность – большой расход энергии и достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания. Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.
Высокое время перезаряда между выстрелами, то есть низкая скорострельность. Боязнь влаги, ведь намокнув, она поразит током самого стрелка.
Но главная проблема это мощные источники питания пушки, которые на данный момент являются громоздкими, что влияет на мобильность [1]
[2] Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса для орудий с малой поражающей способностью (автоматы, пулеметы и т. д.) не имеет особых перспектив в качестве оружия, так как значительно уступает другим видам стрелкового вооружения. Перспективы появляются при использовании ее как крупнокалиберного орудия военно-морского. Так, например, в 2016 году ВМС США приступят к испытаниям на воде рельсотрона. Рельсотрон, или рельсовая пушка — орудие, в котором снаряд выбрасывается не с помощью взрывчатого вещества, а с помощью очень мощного импульса тока. Снаряд располагается между двумя параллельными электродами — рельсами. Снаряд приобретает ускорение за счёт силы Лоренца, которая возникает при замыкании цепи. С помощью рельсотрона можно разогнать снаряд до гораздо больших скоростей, чем с помощью порохового заряда.
Однако, принцип электромагнитного ускорения масс можно с успехом использовать на практике, например, при создании строительных инструментов - актуальное и современное направление прикладной физики. Электромагнитные устройства, преобразующие энергию поля в энергию движения тела, в силу разных причин ещё не нашли широкого применения на практике, поэтому имеет смысл говорить о новизне нашей работы.[2]
1.1Актуальность проекта: данный проект является междисциплинарным и охватывает большое количество материала, изучив который возникла идея создать самим действующую модель пушки Гаусса.
1.2 Цель работы: изучить устройство электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение. Собрать действующую модель Пушки Гаусса и определить скорость полета снаряда и его импульс.
Основные задачи:
1. Рассмотреть устройство по чертежам и макетам.
2. Изучить устройство и принцип действия электромагнитного ускорителя масс.
3. Создать действующую модель.
4. Определить скорость полета снаряда и его импульс.
Практическая часть работы:
Создание функционирующей модели ускорителя масс в условиях дома.
1.3Гипотеза: возможно ли создание простейшей функционирующей модели Пушки Гаусса в условиях дома?
2. Кратко о самом Гауссе.
[1] Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) — немецкий математик, астроном, геодезист и физик. Для творчества Гаусса характерна органическая связь между теоретической и прикладной математикой, широта проблематики. Труды Гаусса оказали большое влияние на развитие алгебры (доказательство основной теоремы алгебры), теории чисел (квадратичные вычеты), дифференциальной геометрии (внутренняя геометрия поверхностей), математической физики (принцип Гаусса), теории электричества и магнетизма, геодезии (разработка метода наименьших квадратов) и многих разделов астрономии.
Карл Гаусс родился 30 апреля 1777, Брауншвейг, ныне Германия. Скончался 23февраля 1855, Геттинген, Ганноверское королевство, ныне Германия. Еще при жизни он был удостоен почетного титула «принц математиков». Он был единственным сыном бедных родителей. Школьные учителя были так поражены его математическими и лингвистическими способностями, что обратились к герцогу Брауншвейгскому с просьбой о поддержке, и герцог дал деньги на продолжение обучения в школе и в Геттингенском университете (в 1795-98). Степень доктора Гаусс получил в 1799 в университете Хельмштедта [1]
Открытия в области физики
[1] В 1830-1840 годы Гаусс много внимания уделяет проблемам физики. В 1833 в тесном сотрудничестве с Вильгельмом Вебером, Гаусс строит первый в Германии электромагнитный телеграф. В 1839 выходит сочинение Гаусса «Общая теория сил притяжения и отталкивания, действующих обратно пропорционально квадрату расстояния», в которой излагает. основные положения теории потенциала и доказывает знаменитую теорему Гаусса—Остроградского. Работа «Диоптрические исследования» (1840) Гаусса посвящена теории построения изображений в сложных оптических системах [1]
3.[1] Формулы, связанные с принципом действия пушки.
Кинетическая энергия снаряда
где: — масса снаряда, — его скорость
Энергия, запасаемая в конденсаторе
где: — напряжение конденсатора, — ёмкость конденсатора
Время разряда конденсаторов
Это время, за которое конденсатор полностью разряжается:
где: — индуктивность, — ёмкость
Время работы катушки индуктивности
Это время, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0.
где: — индуктивность, — ёмкость [1]
[3] Одним из основных элементом пушки Гаусса это электрический конденсатор. Конденсаторы бывают полярные и неполярные – практически все конденсаторы большой емкости, используемые в магнитных ускорителях, электролитические и являются полярными. Т. е. очень важно правильное его подключение – положительный заряд подаем к выводу “+”, а отрицательный к “-”. Алюминиевый корпус электролитического конденсатора, кстати, так же является выводом “-”. Зная емкость конденсатора и его максимальное напряжение можно найти энергию, которую может накапливать этот конденсатор [3]
4. Практическая часть
Наша катушка индуктивностью С имеет 30 витков (3 слоя по 10 витков, каждый). Два конденсатора суммарной емкостью 450 мкФ. Собрали модель по следующей схеме: см. Приложение 1.
Определение скорости полета снаряда, вылетающего из «ствола» нашей модели, мы осуществили опытным путём с помощью баллистического маятника. В основе опыта лежат законы сохранения импульса и энергии .Поскольку скорость полёта пули достигает значительной величины, прямое измерение скорости, то есть определение времени, за которое пуля проходит известное нам расстояние, требует наличия специальной аппаратуры. Мы измеряли скорость пули косвенным методом, используя неупругое соударение – соударение, в результате которого столкнувшиеся тела соединяются вместе и продолжают движение как одно целое. Летящий снаряд испытывает неупругий удар со свободным телом большей массы. После удара тело начинает двигаться со скоростью во столько же раз меньше скорости пули, во сколько масса пули меньше массы тела.
Неупругий удар характеризуется тем, что потенциальная энергия упругой деформации не возникает, кинетическая энергия тел полностью или частично превращается во внутреннюю энергию. После удара столкнувшиеся тела либо движутся с одинаковыми скоростями, либо покоятся. При абсолютно неупругом ударе выполняется закон сохранения импульса:
,
где – скорость тел после взаимодействия.
Закон сохранения импульса (количества движения) применяется, если взаимодействующие тела образуют изолированную механическую систему, то есть такую систему, на которую не действуют внешние силы, либо внешние силы, действующие на каждое из тел, уравновешивают друг друга, либо проекции внешних сил на некоторое направление равны нулю.
При неупругом ударе кинетическая энергии не сохраняется, поскольку часть кинетической энергии снаряда преобразуется во внутреннюю соударяющихся тел но закон сохранения полной механической энергии выполняется и можно записать:
,
где – приращение внутренней энергии взаимодействующих тел.
4.1 Методика исследования.
Баллистический маятник, который использовался нами, представляет собой деревянный брусок со слоем пластилина. Мишень М подвешена на двух длинных практически нерастяжимых нитях. На мишени укреплена лазерная указка, луч которой при отклонении маятника (после удара снаряда) перемещается вдоль горизонтальной шкалы (рис. 1).
На некотором расстоянии от маятника располагается пушка Гаусса. После удара снаряд массой m застревает в мишени M. Система «снаряд-мишень» изолирована по горизонтальному направлению. Так как длина l нитей много больше линейных размеров мишени, то система «снаряд-мишень» может рассматриваться как математический маятник. После попадания снаряда центр массы системы «снаряд-мишень» поднимается на высоту h.
На основании закона сохранения импульса в проекции на ось x (см. рис. 1) имеем:
,где – скорость снаряда, – скорость снаряда и маятника.
Пренебрегая трением в подвес маятника и силой сопротивления воздуха, на основе закона сохранения энергии можно записать:
,
где – высота подъёма системы после удара.
Отсюда:
.
Величина h может быть определена из измерений отклонения маятника от положения равновесия после попадания пули в мишень (рис. 2):
.
Откуда:
,
где a – угол отклонения маятника от положения равновесия.
Для малых углов отклонения:
и
,
где – горизонтальное смещение маятника.
Поэтому:
Подставляя последнюю формулу к проекции закона сохранения импульса на ось, находим:
U0 =.
4.2 Результаты измерения.
Массу m снаряда мы определили с помощью взвешивания на механических лабораторных весах:
m = 3 г. = 0, 003 кг.
Масса M мишени со слоем пластилина и лазерной указкой приведены в описании лабораторной установки.
M = 297 г. = 0, 297 кг.
Длины нитей подвеса должны быть одинаковы, а ось вращения строго горизонтальна.
В этой части мы измерили с помощью линейки длины нитей.
l = 147 см = 1,47 м.
После выстрела заряженной снарядом пушки Гаусса факт попадания пули в центр маятника определяется визуально.
Для проведения дальнейших вычислений отмечаем на шкале положения n0 светового указателя в состоянии равновесия мишени и положения n светового указателя при максимальном отклонении маятника и находим смещение S = (n – n0) маятника.
Измерения проводились 5 раз. При этом повторные выстрелы осуществлялись только по неподвижной мишени. Результаты измерений приведены ниже:
S1 = 14 мм.
S2 = 15 мм.
S3 = 13 мм.
S4 = 15 мм.
S5 = 17 мм.
Далее были определены среднее значение смещения маятника:
Sср = = 14 мм = 0, 014 м,
и вычислена скорость ʋ0 снаряда по формуле.
U0 = =12,96 км/ч
Определение погрешностей измерений.Определение производится по формуле:, где l₀ – среднее значение длин, Δ l – среднее значение погрешности. Мы уже определили среднее значение длин в предыдущих этапах, поэтому нам остаётся определить среднее значение погрешности. Определять мы его будем по формуле:Δ l = Теперь можем приписать значение длины с погрешностью:Нахождение импульса снаряда.Определение импульса производится по формуле:, где – скорость снаряда.Подставляем значения:
5.Заключение.
Целью нашей работы являлось изучение устройства электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса), а также принципы его действия и применение, а также изготовление действующей модели Пушки Гаусса и определение скорости полета снаряда. Изложенные нами результаты показывают, что нами была изготовлена экспериментальная действующая модель электромагнитного ускорителя масс (пушки Гаусса). При этом нами были упрощены схемы, имеющиеся в интернете и модель была адаптирована к работе в стандартной промышленной сети переменного тока. Проведённая нами работа позволяет сделать следующие выводы:
1. Собрать работающий прототип электромагнитного ускорителя масс в домашних условиях вполне реально.
2. Использование электромагнитного ускорения масс имеет большие перспективы в будущем.
3. Электромагнитное оружие может стать достойной заменой крупнокалиберному огнестрельному орудию, Особенно это будет возможным при создании компактных источников энергии.
6. Информационные ресурсы:
[1] Википедия http://ru.wikipedia.org
[2] Новое электромагнитное оружие 2010 http://vpk. name/news/40378_novoe_elektromagnitnoe_oruzhie_vyizyivaet_vseobshii_interes. html
[3] Работа по теме: ««Изготовление пушки гаусса » http://pandia.ru/text/80/101/12167.php
[4] С. А. Тихомирова, Б. М. Яворский Физика 11 класс стр. 10-25
Приложения
1.
2.
3.
4.
Просмотров работы: 145
school-science.ru
С этим файлом связано 2 файл(ов). Среди них: Nikitin_Boris_Pervye_uroki_estestvennogo_vospit.fb2, Petrov_D_Yu_16_urokov_frantsuzskogo_yazyka_Nachalny_kurs.djvu, REFERAT_PO_FIZIKE.doc.Показать все связанные файлы ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»РЕФЕРАТПО ФИЗИКЕ
Электромагнитное оружие
Выполнил:
Проверил:
Томск 2014
1.Введение 3
2.Электромагнитные ускорители масс. 4
2.1Пушка Гаусса. 4
2.2Rail gun 5
2.3Лазер 8
2.4Микроволновые пушки 8
2.5Электромагнитная бомба 9
2.6Сверхрадиочастотное оружие. 10
3.Воздействие ЭМО на объекты 12
4.Тактика применения ЭМО 15
5.Защита от ЭМО 18
Заключение 20
Список литературы 21
В первом случае магнитное поле используется как альтернатива взрывчатым веществам в огнестрельном оружии. Во втором — используется возможность наведения токов высокого напряжения и выведения из строя электрического и электронного оборудования в результате возникающего перенапряжения, либо вызывание болевых эффектов или иных эффектов у человека. Оружие второго типа позиционируется как безопасное для людей и служащее для вывода из строя техники противника или приводящих к небоеспособности живой силы противника; относится к категории Оружие нелетального действия.
Помимо магнитных ускорителей масс, существует множество других типов оружия, использующих для своего функционирования электромагнитную энергию. Рассмотрим наиболее известные и распространенные их типы.
На практике конструкция простейшего гаусс-гана представляет собой намотанную в несколько слоев на диэлектрическую трубку медную проволоку и конденсатор большой емкости. Внутрь трубки перед самым началом обмотки устанавливается железный снаряд (часто гвоздь со спиленной шляпкой) и предварительно заряженный конденсатор при помощи электрического ключа замыкается на обмотку.
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, т.е. заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатого МУ будет максимальным.
Рисунок 1. Схема сборки "гаус гана"
Рисунок 2. Испытательный выстрел Rail Gun
Рисунок 3. Американский Rail Gun
В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.
Иначе функционирует рельсовый ускоритель масс. В нем проводящий снаряд движется между двух рельс - электродов (откуда и получил свое название - рельсотрон), по которым подается ток. Источник тока подключается к рельсам у их основания, поэтому ток течет как бы в догонку снаряду и магнитное поле, создаваемое вокруг проводников с током, полностью сосредоточенно за проводящим снарядом. В данном случае снаряд является проводником с током, помещённым в перпендикулярное магнитное поле, созданное рельсами. На снаряд по всем законам физики действует сила Лоренца, направленная в сторону противоположную месту подключения рельс и ускоряющая снаряд. С изготовлением рельсотрона связан ряд серьезных проблем - импульс тока должен быть настолько мощным и резким, чтобы снаряд не успел бы испарится (ведь через него протекает огромный ток!), но возникла бы ускоряющая сила, разгоняющая его вперед. Поэтому материал снаряда и рельс должен обладать как можно более высокой проводимостью, снаряд как можно меньшей массой, а источник тока как можно большей мощностью и меньшей индуктивность. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверх больших скоростей. На практике рельсы изготавливают из безкислородной меди покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки, в качестве источника питания - батарею высоковольтных конденсаторов, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки.
Помимо ускорителей масс к электромагнитному оружия относятся источники мощного электромагнитного излучения, такие как лазеры и магнетроны.
Рисунок 4. Передвижная радиолокационная система
По принципу разрушения техники разделяются на низкочастотные, использующие для доставки разрушающего напряжения наводку в линиях электропередач, и высокочастотные, вызывающие наводку непосредственно в элементах электронных устройств и обладающие высокой проникающей способностью — достаточно мелких щелей для вентиляции для проникновения волн внутрь оборудования.
Впервые эффект электромагнитной бомбы был зафиксирован в 50-е годы XX века, когда проходили испытания американской водородной бомбы. Взрыв был произведён в атмосфере над Тихим океаном. Результатом было нарушение электроснабжения на Гаваях из-за воздействия электромагнитного импульса высотного ядерного взрыва.
Изучение показало, что взрыв имел непредвиденные последствия. Лучи достигли Гавайских островов, расположенных в сотнях километров от места испытания, и радиопередачи были нарушены до самой Австралии. Взрыв бомбы, помимо мгновенных физических результатов, воздействовал на электромагнитные поля на огромном расстоянии. Однако в дальнейшем взрыв ядерной бомбы как источник электромагнитной волны был признан неэффективным из-за малой точности, а также множества побочных эффектов и неприемлемости в политическом плане.
В качестве одного из вариантов генератора была предложена конструкция в форме цилиндра, в котором создаётся стоячая волна; в момент активации стенки цилиндра быстро сжимаются направленным взрывом и разрушаются на торцах, в результате чего создаются волна очень малой длины. Поскольку энергия излучения обратно пропорциональна длине волны, в результате уменьшения объёма цилиндра мощность излучения резко возрастает.
Доставка этого устройства может быть произведена любым известным способом — от авиации до артиллерии. Применяются как и более мощные боеприпасы с использованием в боевой части ударно-волновых излучателей (УВИ), так и менее мощные с использованием пьезоэлектрических генераторов частоты (ПГЧ)
Когда впервые это оружие было испробовано, наблюдалось много изменений в поведении организмов (в данном случае подопытных крыс). Например, крысы «шарахались» от стен, «защищались» от чего-то. Некоторые подверглись дезориентации, некоторые погибли (разрыв мозга или сердечной мышцы). В журнале «Наука и жизнь» описывались подобные опыты с «электромагнитным стимулированием мозга», результат их был таков: у крыс нарушалась работа памяти и пропадали условные рефлексы.
Так же существует теория, согласно которой с помощью электромагнитного излучения можно влиять на психику человека, не разрушая организм, а вызывая определенные эмоции либо склонять к каким-либо действиям.
Рисунок 5. Танк Будущего РФ
Помимо необратимых отказов импульсное электромагнитное воздействие может вызвать восстанавливаемые отказы, или парализацию радиоэлектронного устройства, когда из-за возникающих перегрузок оно на какой-то отрезок времени теряет чувствительность. Возможны также ложные срабатывания чувствительных элементов, что может привести, например, к детонации боеголовок ракет, бомб, артиллерийских снарядов и мин.
По спектральным характеристикам ЭМО можно разделить на два вида: низкочастотное, создающее электромагнитное импульсное излучение на частотах ниже 1 МГц, и высокочастотное, обеспечивающее излучение СВЧ-диапазона. Оба вида ЭМО имеют различия также в способах реализации и в какой-то мере в путях воздействия на радиоэлектронные устройства. Так, проникновение низкочастотного электромагнитного излучения к элементам устройств обусловлено, в основном, наводками на проводную инфраструктуру, включающую телефонные линии, кабели внешнего питания, подачи и съема информации. Пути же проникновения электромагнитного излучения СВЧ-диапазона более обширны – они еще включают прямое проникновение в радиоэлектронную аппаратуру через антенную систему, поскольку СВЧ-спектр охватывает и рабочую частоту подавляемой аппаратуры. Имеющее место проникновение энергии через конструктивные отверстия и стыки зависит от их размеров и длины волны электромагнитного импульса – наиболее сильная связь возникает на резонансных частотах, когда геометрические размеры соизмеримы с длиной волны. На волнах, длиннее резонансной, связь резко уменьшается, поэтому воздействие низкочастотного ЭМО, зависящее от наводок через отверстия и стыки в корпусе аппаратуры, невелико. На частотах же выше резонансной спад связи происходит медленнее, но из-за множества типов колебаний в объеме аппаратуры возникают острые резонансы.
Если поток СВЧ-излучения достаточно интенсивен, то воздух в отверстиях и стыках ионизируется и становится хорошим проводником, экранирующим аппаратуру от проникновения электромагнитной энергии. Таким образом, увеличение падающей на объект энергии может привести к парадоксальному уменьшению энергии, воздействующей на аппаратуру, и, как следствие, к снижению эффективности ЭМО.
Электромагнитное оружие обладает также биологическим воздействием на животных и человека, в основном связанное с их нагревом. При этом страдают не только непосредственно нагреваемые органы, но и те, что напрямую не контактируют с электромагнитным излучением. В организме возможны хромосомные и генетические изменения, активация и дезактивация вирусов, изменения иммунологических и даже поведенческих реакций. Опасным считается подъем температуры тела на 1оС, и продолжение облучения в этом случае может привести к смертельному исходу.
Экстраполяция данных, полученных на животных, позволяет установить опасную для человека плотность мощности. При длительном облучении электромагнитной энергией с частотой до 10 ГГц и плотностью мощности от 10 до 50 мВТ/см2 могут возникнуть конвульсии, состояние повышенной возбудимости и произойти потеря сознания. Заметный нагрев тканей при воздействии одиночных импульсов такой же частоты происходит при плотности энергии около 100 Дж/см2. На частотах выше 10 ГГц допустимый порог нагрева снижается, поскольку вся энергия поглощается поверхностными тканями. Так, на частоте в десятки гигагерц и плотности энергии в импульсе всего 20 Дж/см2 наблюдается ожог кожи.
Возможны и другие последствия облучения. Так, может временно нарушиться нормальная разность потенциалов мембран клеток тканей. При воздействии одиночного СВЧ-импульса длительностью от 0,1 до 100 мс с плотностью энергии до 100 мДж/см2 меняется активность нервных клеток, возникают изменения в электроэнцефалограмме. Импульсы малой плотности (до 0,04 мДж/см2 ) вызывают слуховые галлюцинации, а при более высокой плотности энергии может быть парализован слух или даже повреждена ткань слуховых органов.
При реализации мобильного варианта ЭМО необходимо предусмотреть сбор соответствующей информации о целях, подлежащих электромагнитному воздействию, в связи с чем важная роль отводится средствам радиотехнической разведки. Поскольку подавляющее большинство интересующих целей излучают радиоволны, обладающие определенными характеристиками, средства разведки способны не только их идентифицировать, но и устанавливать их местоположение с достаточной точностью. Средствами доставки ЭМО в мобильном варианте могут служить самолеты, вертолеты, беспилотные летательные аппараты, различные ракеты, корабли, планирующие бомбы.
Эффективное средство доставки ЭМО к цели представляет планирующая бомба, которую можно запускать с самолета (вертолета) с расстояния, превышающего дальность действия системы ПВО противника, что минимизирует риск поражения самолета этой системой и риск повреждения собственных бортовых радиоэлектронных средств при взрыве бомбы. При этом автопилот планирующей бомбы можно запрограммировать таким образом, что профиль полета бомбы к цели и высота ее подрыва будут оптимальны. При использовании бомбы в качестве носителя ЭМО доля массы, приходящаяся на боеголовку, доходит до 85%. Подрыв бомбы может быть осуществлен с помощью радиолокационного высотомера, барометрического устройства или глобальной спутниковой навигационной системы (ГСНС). На рис. 4 представлен комплект бомб, а на рис.5 – профили их доставки к цели с использованием ГСНС [1].
Доставка ЭМО к цели возможна также с помощью специальных снарядов. Электромагнитный боеприпас среднего калибра (100–120 мм) при срабатывании формирует импульс излучения длительностью в несколько микросекунд со средней мощностью в десятки мегаватт и пиковой – в сотни раз больше. Излучение – изотропное, способное на расстоянии 6–10 м подорвать детонатор, а на расстоянии до 50 м – вывести из строя систему опознавания “свой-чужой”, блокировать пуск зенитной управляемой ракеты из переносного зенитно-ракетного комплекса, временно или окончательно вывести из строя неконтактные противотанковые магнитные мины [11].
При размещении ЭМО на крылатой ракете момент его срабатывания определяется датчиком навигационной системы, на противокорабельной ракете – радиолокационной головкой наведения, а на ракете “воздух-возудух” – непосредственно системой взрывателя. Использование ракеты в качестве носителя электромагнитной боеголовки неизбежно влечет ограничение массы ЭМО из-за необходимости размещения электрических аккумуляторов для приведения в действие генератора электромагнитного излучения. Отношение полной массы боеголовки к массе запускаемого оружия составляет примерно от 15 до 30% (для американской ракеты AGM/BGM-109 “Томагавк” – 28%).
Эффективность ЭМО была подтверждена в военной операции “Буря в пустыне”, где применялись преимущественно самолеты и ракеты и где основой военной стратегии было воздействие на электронные устройства сбора и обработки информации, целеуказания и элементы связи с целью парализации и дезинформации системы ПВО.
Рисунок 6. Генератор сжатия магнитного потока
Проблему защиты от ЭМО усугубляет еще и то, что развитие современных информационных систем идет по пути их дезинтеграции. Вместо больших центров по приему и обработке информации в каждом учреждении предпочитают иметь свои компьютерные сети, использующие телефонные линии. Это повышает уязвимость радиоэлектронной аппаратуры по отношению к ЭМО, в результате чего применение ЭМО в военных конфликтах становится еще более целесообразным и реальным.
При рассмотрении способов защиты от ЭМО следует также учитывать необходимость устранения любых паразитных излучений защищаемой аппаратуры, поскольку они не только демаскируют аппаратуру, но и способствуют прицельному наведению ЭМО.
Существует достаточно оснований полагать, что в будущем все значимые боевые операции будут начинаться с массированного применения ЭМО, способного нанести серьезный ущерб военно-промышленному потенциалу страны и облегчить проведение последующих военных операций.
Учитывая эффективность и перспективность использования ЭМО в военных операциях, а также преимущества тех, кто владеет этим видом оружия, разработку ЭМО держат в строжайшей тайне под грифом более высоким, чем “Совершенно секретно”, и все проблемы обсуждают только на закрытых заседаниях. Примером может служить секретная научно-техническая конференция, проведенная в июне 1995 г. в предместье Вашингтона только для американцев, на которой обсуждались эффекты от воздействия ЭМО не только на радиоэлектронное оборудование, но также на животных и человека [8]. Отсутствие данных о результатах использования ЭМО в Югославии объясняется и режимом секретности, и желанием сохранить столь эффективное оружие для более серьезных боевых операций.
Сегодня технологией ЭМО в полной мере владеют только США и Россия, однако нельзя не учитывать возможности овладения этой технологией и другими странами, в том числе странами третьего мира.
Рисунок 7. Взрыв ЭМО
(Лекция Александр Прищепенко Доктор физико-математических наук 11 ноября 2010г)
перейти в каталог файлов
referad.ru
Основная часть………………………………………………………………10
Заключение…………………………………………………………………..22
Библиографический список………………………………………………...23
Приложения…………………………………………………………………24
Электромагнитные ускорители масс принято подразделять на следующие виды:
Изобретателем электромагнитного ускорителя масс обычно считают Кристиана Биркеланда. Кристиан Биркеланд, профессор физики в университете в Осло (работавший с 1898 по 1917г.), за период с 1901 по 1903г. получил три патента на свою "электромагнитную пушку". В 1901г. Биркеланд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал ее для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с (2). С помощью второй большой пушки, созданной в 1903г. и выставленной в настоящее время в норвежском техническом музее в г.Осло, он достигал разгона снаряда массой 10 кг до скорости примерно 100 м/с. Калибр пушки 65 мм, длина 10 м. Примерно в это же время электромагнитную пушку патентует Николай Бенардос. К.Э.Циолковский в своих трудах также рассматривал вариант использования электромагнитного ускорителя для запуска ракет.
Задавшись целью увеличить дальнобойность артиллерии, русские инженеры Подольский и Ямпольский в 1915 году создали проект "магнитно-фугальной" (электромагнитной) пушки. Ее ствол предполагалось выполнить в виде ряда катушек индуктивности. В них по команде должен был подаваться ток. Авторы утверждали, что при заданной мощности электростанции снаряд, разгоняемый электромагнитами по 50-метровому стволу, разовьет скорость 915 м/с и пролетит до 300 км. Эксперты Артиллерийского комитета сочли реализацию проекта Подольского и Ямпольского "несвоевременной". Та же участь постигла проект электромагнитной пушки французов Фашона и Виллепле. Ее ствол представлял собой цепь катушек-соленоидов, к которым по мере движения снаряда следовало поочередно подавать напряжение. Изобретатели подтвердили жизнеспособность своей идеи: при стрельбе из модели электромагнитной пушки 50-граммовый снаряд набирал скорость 200 м/с.
^
С тех пор периодически предпринимаются попытки превратить теоретическое изобретение в пригодное к практическому употреблению устройство.
Систематические научные работы по созданию принципиально новых электромагнитных ускорителей массы начались в мире в 50-х годах XX века. Одним из родоначальников отечественных разработок в этой области был выдающийся советский ученый, исследователь плазмы Л.А. Арцимович, который ввел в отечественную терминологию понятие «рельсотрон».
Работа по всем решающим узлам 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.
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. Для достижения этой цели потребуется напряженная научно-исследовательская работа почти по всем аспектам электромагнитной пушки, включая энергоснабжение и снаряды. Важную роль сыграют новые материалы. Необходимы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники.
Электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, должна явиться 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. Предполагается, что, построив многокилометровый тоннель из одного или нескольких соленоидов, можно обеспечить достаточную для преодоления земного притяжения скорость разгона тела. При этом в отличие от рельсовой пушки или обычного выстрела на основе теплового расширения газов, запускаемому объекту обеспечивается сравнительно плавное ускорение. Это делает возможной отправку не только сложного и хрупкого научного оборудования, боящегося перегрузок, но так же и человека.
Стоит заметить, что более перспективным считается строительство подобных космических ускорителей на нашем естественном спутнике – Луне. Практическое отсутствие атмосферы и низкая гравитация + 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, что гигантские ускорители, питаемые термоядерными реакторами, будут способны разгонять космические аппараты до скоростей, при которых путешествие к отдаленным планетам будет занимать месяцы, а не годы. А если вспомнить, что ускорителю не обязательно быть прямым и тоннель можно построить спиральным, с окончанием в произвольную сторону, то возможности получаются действительно революционными.
Мы решили в своих попытках изготовить электромагнитный ускоритель масс остановиться на макете именно магнитного ускорителя. Дело в том, что из всех типов электромагнитных ускорителей он наиболее прост в изготовлении. Кроме того, он имеет довольно высокий по сравнению с другими электромагнитными стрелялками КПД. Может работать на относительно низких напряжениях не сложно достижимых на практике, с использованием современных комплектующих деталей.
На практике конструкция простейшего магнитного ускорителя представляет собой, намотанную на трубку в несколько слоев, проволоку и подключенный к проволоке конденсатор большой емкости. Внутрь трубки перед самым началом обмотки устанавливается железная болванка и предварительно заряженный конденсатор при помощи электрического ключа замыкается на обмотку. При протекании электрического тока в обмотке возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь обмотки.
Для наибольшего эффекта импульс тока в обмотке должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы к моменту подлета болванки 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 будет максимальным.
Для увеличения КПД устройства и скорости снаряда решили сделать многоступенчатый Гаусс.
^
6. Поворотная управляемая платформа (на ATtiny 2313)
^
Ствол для магнитного ускорителя.
Ствол является важной составной частью электромагнитного ускорителя. При этом он должен обладать рядом свойств:
Основываясь на этом наборе параметров, мы провели эксперименты на одной ступени ускорителя по выбору материала ствола. В ходе промежуточных экспериментов не было выявлено существенных различий в свойствах куска ствола изготовленного из бумаги промазанной эпоксидным клеем и куска изготовленного из латуни. Исходя из этого, остановились на латунном стержне ввиду его большей прочности, доступности и простоты обработки.
^ .
В
неё входят семь ускоряющих катушек, банк конденсаторов, схема развязки напряжения для конденсаторов, а также схема гашения обратного напряжения на конденсаторах. Схема развязки состоит из последовательно RD цепочки. Резистор должен ограничивать ток, проходящий через диод, тем самым, защищая его от токового пробоя при быстрой зарядке конденсатора. Схема гашения обратного напряжения так же состоит из RD цепочки. Эта схема позволяет защитить конденсатор от обратного напряжения. Обратное напряжение на конденсатор попадает из-за ЭДС самоиндукции катушки и может его повредить.
Контроллер.
С
хема питается от источника 5В. Чтобы открыть тиристор, на него разряжается конденсатор. Таким способом достигается достаточный ток для открытия тиристора. Светодиод еще и служит в качестве индикатора прохождения снаряда в ступени и соответственно срабатывания ступени. В составе микросхемы 74HC14 шесть триггеров Шмидта с инверсией на выходе. Чтобы на выходе микросхемы появилась логическая 1 (закрыт транзистор) нужно закоротить ее вход на землю. Это достигается с помощью фототранзистора. Если фототранзистор освещен на выходе микросхемы присутствует логическая 1, что не дает транзистору разрядить конденсатор и открыть тиристор. Как только снаряд перекрывает свет к фототранзистору, его сопротивление резко возрастает и уже на выходе микросхемы присутствует логический 0, который и открывает транзистор. Далее через транзистор разряжается конденсатор, тиристор открывается и катушка "зажигается".
Преобразователь.
Классический «обратноходовый» преобразователь, построенный на микросхеме UC3845 (ШИМ контроллер с мощным полевым тразистором на выходе) и низковольтном силовом ключе IRF3205. Рассчитан стандартно по даташиту на микросхему, частота работы преобразователя порядка 15кГц, импульсный трансформатор намотан на броневом сердечнике Ч36. Мощность преобразователя около 25 вт.
Индикация.
В
схеме индикации используется ОУ в режиме компаратора. Схема индикации разряда (красный светодиод) сигнализирует о разряженном аккумуляторе. Схема индикации заряда конденсаторов (зеленый светодиод) сигнализирует о максимальном заряде конденсаторов. Схема делителя напряжения для внешней индикации зарядки предназначена для внешнего индикатора. Внешний индикатор сделан на микросхеме LM3914, схема рассчитана по справочным данным на микросхему, используется режим столбика.
^ .
Управление униполярным шаговым двигателем осуществляется с помощью микропроцессора ATtiny 2313. Двигатель применен от дисководов и сделан редуктор, позволяющий платформе вращаться плавно.
^ составных частей ступеней (количества витков катушек, диаметра провода катушек, емкость конденсаторов ступеней) с учетом диаметра ствола и массы ускоряемого тела велись с помощью программы FEMM. Задача расчетов была в том, чтобы, оптимизируя расчетные данные добиться совпадения максимальной скорости ускоряемого предмета в теле катушки с максимальной скоростью на выходе каждой катушки в ступенях. На основе расчетов составлены графики.
После изготовления макета магнитного ускорителя и проведенных испытаний стрельбы, возникла необходимость в проверке расчетных результатов скорости металлической болванки с реальной скоростью вылета. Для этих целей был применен метод определения скорости - баллистический маятник. Метод работает следующим образом. Металлическая болванка попадает в маятник и остается в нем. Это полностью неупругий удар. Часть энергии неизбежно уходит в тепло, но зато мы можем воспользоваться законом сохранения импульса. Импульс подвеса с пулей будет равен импульсу пули до попадания. Т.е. зная импульс (скорость) подвеса, можно узнать импульс (скорость пули). Получив импульс, который имеет аналог в виде кинетической энергии (пока неизвестной), маятник начинает отклоняться. При отклонении, подвес начинает подниматься вверх, кинетическая энергия переходит в потенциальную. Когда подвес остановится (максимальное отклонение, высота) кинетическая энергия полностью перешла в потенциальную. (Рис. 1)
Полная формула:V=((M + m) / m) * sqrt(2*g * (L - sqrt(L*L - S*S)))Упрощенная практическая формула:V = ((M + m) / m) * S * sqrt (g / L)V - скорость пули, м/сM - масса подвеса, кгm - масса пули, кгg - ускорение свободного падения, 9.81L - длина подвеса, метрыS - отклонение маятника, метры.
В процессе проводимых экспериментов получены результаты (Рис. 2).
Рис.2
Для уточнения измерений величины скорости по методу «баллистический маятник» был применен еще один способ измерения по звуковой карте компьютера. Расчет велся с помощью программы от Sony «Sound Forge». Для этого был собран макет (Рис. 3)
Рис. 3
КПД устройства получилось следующим:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проделанной практической работы был изготовлен макет магнитного ускорителя. Анализ результатов и физических измерений показал, что подобный вид ускорителя масс практически осуществим. Результаты расчетов параметров ступеней с помощью программы «FEMM» оказались аналогичными с результатами практических испытаний. Макет работоспособен и на нем можно продолжить серию экспериментов с целью увеличения скорости снаряда и КПД устройства. Можно проанализировать влияние на эти параметры диаметра и веса снаряда, состава материала из которого он изготовлен, количества ступеней.
И еще одно немало важное замечание: не смотря на то, что это устройство имеет небольшие энергетические параметры, во время экспериментов с ним и проведения пробных запусков необходимо соблюдать все меры безопасности, связанные с высоким напряжением и вылетом металлической болванки.
^
userdocs.ru
ГБОУ СОШ с.Бузаевка м.р. Кинельский Самарской области
Пушка Гаусса
Выполнили
Чалдаева Татьяна
Салманов Олег
Ученики 10 класса ГБОУ СОШ с.Бузаевка
Руководитель Идт Е.В., учитель физики
2015-2016 учебный годПлан:
Введение
Введение
Не следует путать с рельсотроном.
Иллюстрация принципа действия
Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.
1. Принцип действия
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится.
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индуктивность магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
1.1. Кинетическая энергия снаряда
— масса снаряда
— его скорость
1.2. Время разряда конденсаторов
Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:
— индуктивность
— ёмкость
1.3. Время работы катушки индуктивности
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.
— индуктивность — ёмкость
2. Преимущества и недостатки
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.
Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27%.
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время накопительной 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.
В условиях водной среды применение пушки без толстого защитного кожуха-диэлектрика также серьезно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе на сверхкороткое время с образованием агрессивных (растворяющих) сред.
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 и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К).
Также возможно применение пушек Гаусса для запуска легких спутников на орбиту.
infourok.ru
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
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
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 моей работы является: создание опытного действующего образца 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;
- 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
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.
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, что гигантские ускорители, питаемые термоядерными реакторами, будут способны разгонять космические аппараты до скоростей, при которых путешествие к отдаленным планетам будет занимать месяцы, а не годы.
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 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.
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.
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:
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса
5. http://www.popmech.ru/archive/2008/issue/70/
6. http://www.gauss2k.narod.ru/
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.
Приложение 2
Рис.3 Электромагнитный ускоритель масс.
Рис.4 Поезд на магнитной подушке Maglev.
Приложение 3
Рис. 5 Многоцелевой эсминец нового поколения DD(X)
Рис. 6 Ускорители масс на Луне.
Приложение 4
Рис. 7 Схема сборки действующей модели – пушки Гаусса
Рис. 8 Действующая модель пушки Гаусса.
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 |
| 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 |
| 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 |
Таблица № 3 Зависимости КПД от смещения снаряда
| Масса, m, (кг) | Высота h(м) | Смещение Δ (мм) | Средняя скорость снаряда V (м/с) | Кинетическая энергия снаряда E (Дж) | η = ,% |
| 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 |
filling-form.ru
ГБОУ СОШ с.Бузаевка м.р. Кинельский Самарской области
Пушка Гаусса
Выполнили
Чалдаева Татьяна
Салманов Олег
Ученики 10 класса ГБОУ СОШ с.Бузаевка
Руководитель Идт Е.В., учитель физики
2015-2016 учебный годПлан:
Введение
Введение
Не следует путать с рельсотроном.
Иллюстрация принципа действия
Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) - одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма.
1. Принцип действия
Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится.
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.
Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индуктивность магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала.
1.1. Кинетическая энергия снаряда
- масса снаряда- его скорость
1.2. Время разряда конденсаторов
Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:
- индуктивность- ёмкость
1.3. Время работы катушки индуктивности
Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.
- индуктивность- ёмкость
2. Преимущества и недостатки
Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, больша́я надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.
Первая трудность - низкий КПД установки. Лишь 1-7 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27%.
Вторая трудность - большой расход энергии (из-за низкого КПД) и достаточно длительное время накопительной 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.
В условиях водной среды применение пушки без толстого защитного кожуха-диэлектрика также серьезно ограничено - дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе на сверхкороткое время с образованием агрессивных (растворяющих) сред.
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 и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200-300К).
Также возможно применение пушек Гаусса для запуска легких спутников на орбиту.
botana.cc
