Электромагнитный ускоритель a.k.a. Гауссовка

[Alex de Vill]

Что-то заинтересовала однажды тема. Пошарил у себя в детальках и подумал: а почему бы и не Да? Перелопатил кучу инфы, перегуглил все интернеты - в принципе, не настолько фантастично. Правда пришлось скурить сотни учебников по электромагнетизму, силовой электронике, кучу даташитов и прочего матана, и вот...

Первый опыт решил проводить на небольших энергиях. За результатами особо не гнался, интересно было просто увидеть, что получится из затеи. Взял за основу конденсатор 450 В 470 мкФ. Для его заряда собрал простой флайбек на 555-м таймере (да, пришлось поломать голову), заряжал эту банку примерно за 1 секунду - ИМХО неплохо для первого раза Основной источник питания - свинцовый аккумулятор 12 В 7 А*ч. К кондеру катушку намотал на латунной трубке-секции от антенны (она тонкостенная, нопрочная и немагнитная) длиной 15 мм, 220 витков эмалированного провода диаметром 0,63 мм. В качестве снаряда использовался обрезок обычного гвоздя диаметром 5 и длиной 15 мм. Чтобы пулька из ствола не вываливалась, приклеил к торцу трубки магнитик. Коммутировал случайно завалявшимся симистором ВТА41-600, он 400 Ампер в импульсе держит.
Собственно, самое интересное - пострелять. Замерял скорость двумя оптопарами и программкой Airsoft на ноуте. Стрелял несколькими пульками для статистики. Поимел скорость в 26-27,5 м/с и эйфорию от успеха После пары десятков выстрелов решил улучшить свою артиллерию. Отматывание и доматывание катушки результаты только ухудшало, решено было запилить магнитопровод. Нарезал гвоздь-"двухсотку", с помощью изоленты обвязал этими огрызками катушку. 29-29,5 м/с, разброс в скорости на разных снарядах стал меньше. Так и оставил.
А если без цифр, то эта ацкая гаубица в упор пробивает насквозь коробку от сока и яблоко до середины

Для эксперимента пострелял подкалиберными пульками 4х15 мм. При меньшей массе скорость их осталась той же, сил такой пули хватало только на застревание в стенке коробки. Плохо, в общем.

На основе этого ускорителя решил соорудить ручное орудие. Т.к. энергия маленькая, то большое ружье делать глупо, сделал компактный и легкий пистолет. Назвал его "Кроха"
Возникла задача: минимизировать зарядную установку и элемент питания. Вот тут то пришлось серьезно озадачиться. Даже батарейки показались большими и тяжелыми. После некоторых раздумий взял батарею от старой нокии литиевую, 3,7 В 880 мАч. Заряжать решил проверенным флайбеком на NE555, но меньшей мощности, а для уверенного открытия-закрытия ключа перед микрухой поставил повышающий маленький автогенератор, приподнимающий питание до 7-8 вольт. Собрал макет на куске картона, получился он настолько удачен, что так на картонке я его в корпус и запихал Добавил индикаторы на питание, заряд конденсатора и аккумулятора. Симистор открывал кнопкой от основной батарейки. Так как ток заряда меньше тока удержания симистора, на время выстрела преобразователь не отключал. Кстати, от таких замыканий ключ преобразователя не перегревался даже без радиатора. Корпус собрал из половинки детского пистолета и какой-то пластмассовой коробочки. Получилось ужасно, но занятно. Плюс свист преобразователя - ощущение какого-то бластера марсианского . Время заряда на свежей батарее - около 7 секунд. Многовато, но больше никак - итак батарейка греется.
Пострелял на дальние расстояния. Похоже не столько на пистолет, сколько на рогатку - пуля тяжелая, летит по заметной дуге, к тому же кувыркается. Но для начала сойдет.

Фото прилагаю.


Продолжение следует...

[Pro-hihin]

Здорово! Хотя и не практично. Можно конечно заняться усовершенствованием сего орудия, но хочу посоветовать направить свой, не слабый экспериментаторскай потенциал, в более практичное русло. Вот пример чудес электротехники:
http://www.001-lab.com/001lab/index.php?topic=639.0

[Alex de Vill]

Практичным электричеством как-нибудь потом может и займусь, а пока я еще в игрушки не наигрался)

Кстати, чойта непрактично? Мощь нарастить, до ума довести - бродячих пёсов гонять самое оно будет. Или бродячих гопов, например.
С такой ерундой проблем с законом меньше - при наличии головы можно доказать полиционерам, что не оружие это, а так, странный электроприбор.

[Pro-hihin]

Ну, тогда повышай напругу на банке, КПД инвертора и уменьшай активное сопротивление обмотки солинойда.

[Кустарник]

Что-то не нравится мне вот что.

Латунная трубка хоть и немагнитная, но пуля в магнитном поле намагничивается. А при движении магнита в трубке возникает тормозящая сила из-за наведения эдс в стенках трубки. Если я не путаю направления магнитного потока, стоило бы в трубке сделать продольный разрез, чтоб она не была замкнутой по кругу. А лучше пластиковую взять.

И ещё. После прохода пулей примерно середины катушки, ток в ней уже не нужен, далее он наверное будет пулю тормозить. Как согласованы эти моменты?

Ток прекращается, когда напряжение на тиристоре приближается к нулю и он выключается. Но если удерживать управляющий электрод тиристора дальше, тиристор включится опять от ЭДС самоиндукции катушки, на ней должен возникнуть импульс в киловольты, только он зашунтируется тиристором. Вот эти фазы процесса уже наверное лишние. Или нет? Если хотя бы катушку зашунтировать диодом? (о рекуперации пока даже речи нет). А тиристором управлять очень коротким импульсом.

[Paxom60]

На тему Пушка Гаусса

[Arhangel]

запулил болванку весом 5 кило в сторону Иркутска. Кто нибудь видел? ))

[Alex de Vill]

Ну, тогда повышай напругу на банке, КПД инвертора и уменьшай активное сопротивление обмотки солинойда.

И количество ступеней наращивать еще. Да в курсе, у меня еще в заначке пара наработок есть ;) Потом напишу, чтоб интригу сохранить))

Латунная трубка хоть и немагнитная, но пуля в магнитном поле намагничивается. А при движении магнита в трубке возникает тормозящая сила из-за наведения эдс в стенках трубки. Если я не путаю направления магнитного потока, стоило бы в трубке сделать продольный разрез, чтоб она не была замкнутой по кругу. А лучше пластиковую взять.

Ага, тормозит. Только на малых скоростях это незаметно совсем. На одном форуме опыты проводили - на скоростях до 50 м/с пропил делать необязательно, толку от него практически нет.
Суть в том, что такая трубка тоньше, чем пластик, потому поле плотнее охватывает пульку, и пользы от этого больше, чем вреда от остального.

После прохода пулей примерно середины катушки, ток в ней уже не нужен...

А тока в катушке в этот момент почти и нет - катушка подобрана так, что к этому времени она все электричество из кондера высасывает. В этом, собственно, вся суть.

Ток прекращается, когда напряжение на тиристоре приближается к нулю и он выключается. Но если удерживать управляющий электрод тиристора дальше, тиристор включится опять от ЭДС самоиндукции катушки, на ней должен возникнуть импульс в киловольты, только он зашунтируется тиристором. Вот эти фазы процесса уже наверное лишние. Или нет? Если хотя бы катушку зашунтировать диодом? (о рекуперации пока даже речи нет). А тиристором управлять очень коротким импульсом.

Да хз, вроде бы нет там киловольтов. 600-вольтовый тиристор держит, по крайней мере, не пробивает, уже больше 100 выстрелов. Я ж не большой ток рву, поэтому и скачка большого нет. Это на управляемых ключах голову ломать надо.
Да и диода такого злого нету у меня, чтоб зашунтировать, хотя бы эксперимента ради.
Вот на больших банках или многоступах первым импульсом, бывает, выпрямитель выносит и/или диоды развязки, если преобразователь от накопителей не отключать.

[Arhangel]

а рельсгаус в планах не назревает?

[Alex242]

Америкосы давно уже это оружие испытывают, добились вроде бы скоростей 1,5 -2 км в секунду.....дальность до 400 км..... Так что удачи тебе и дальнейший усовершенствий....Alex de Vill

[Paxom60]

[Alex de Vill]

а рельсгаус в планах не назревает?

Тяжеловато нормальную рельсу "на коленке" сделать...
Классические гауссы освою - на индукционные дискометы Томпсона лучше переключусь.

[Arhangel]

чета смущает меня то, что диэлектриком они стреляют и пластиковой пулькой сталь пробивают. Наверное, чтобы народ дома не начал делать, дезу закинули.

[Alex de Vill]

Ну это у них.
А тем временем в нашей секретной кухонной лаборатории...

Многоступенчатый 6-мм ускоритель.

Увеличиваем мощь. Собрал для начала трехступенчатый ускоритель. Рабочее напряжение то же - 450 В. Ствол - пластмассовая трубка внешним диаметром 9 мм. Катушки стоят вплотную друг к другу.
1 ступень: конденсаторы 470+100 мкФ (просто "сотку" девать некуда было ), катушка 20 мм длиной, 300 витков провода 0,52
2: 470 мкФ, катушка той же длины, 200 витков проводом 0,63
3: 470 мкФ, катушка 150 витков двойным проводом 0,52
Датчики включения ступеней - индуктивные.

Общая энергия установки примерно 150 Дж. Время заряда - 3-4 секунды тем же первым "настольным" преобразователем.

Стрелял 3 типами снарядов: 6х25 мм, примерно 5,5 г; 6х20 мм - около 4,2 г; и заточенными 6х25 мм из наконечника гвоздя, массой 4,3 г (да, взвешивал)
Значит, результаты: наибольшую скорость развили более легкие пули, наибольший же КПД (чуть больше 3,5 - у тяжелых снарядов.
Пули 6х20 и острые 6х25 разогнал до 47 м/с, рекорд - 47,5. Разброс скоростей небольшой. Острой пулькой стрелял по кофейной банке со сверлами - одну стенку насквозь, тормозится содержимым, застревает во второй стенке. По торцу деревянного бруска - входит почти на сантиметр о_О.
Тупые пули 6х25 развили примерно 44 м/с. В бруске оставляют вмятину глубиной 2-3 мм. Средних размеров яблоко разрывает О_О.

Магнитопровод ничего не дал вообще. Испытывал без него.

Недостатки: пули опять же кувыркаются в полете. Хотя летят по более прямой траектории - можно прицельно бить метров на 10. Потом займусь этим вопросом.
При стрельбе одной-двумя катушками проблем не было, после первого же выстрела тремя катушками вынесло выпрямительный диод преобразователя и диоды развязки на банках (стояли IN4007), поставил по два в параллель - держат нормально. Больше, вроде, косяков не было.

Фото:

[Alex de Vill]

4 ступени - и сразу фейл.
После первого же выстрела вынесло диоды 3 и 4 ступени, выпрямительный диод и почему-то диод в снаббере преобразователя, а за ним после первого же невнимательного включения разуплотнился полевик и отчего-то взорвался таймер. Короче, преобразователь погиб эпично. Ко всему еще и потек дополнительный конденсатор 100мкФ >_<

Разжился на халяву свинцовым аккумулятором 6В 7Ач. Сразу идея: т.к. столько кондеров все равно сложно в компактный пистолет упаковать, новое орудие делать в виде ружья, тогда эта могучая батарейка очень удачно встает в приклад - высота и длина такие же как у 12В, а вот толщина в 2 раза меньше, да и вес не запредельный.
На скорую руку собрал новый преобразователь 6-450В. Само собой флайбек - в плане заряда он удачнее. Мощность получилась на том же уровне - примерно 45 ватт на емкостной нагрузке, габариты общие мало изменились, но все равно теперь все это хозяйство можно использовать не только на столе, но и в переносном устройстве.

[Pro-hihin]

Мне кажется что между ступенями должно быть расстояние и оно должно быть регулируемое, под разный вес(скорость) и проницаемость снаряда?
Да и нарисуй схемку ключей - подумаем почему диоды бьёт .

[Alex de Vill]

Тут не столько расстояние между катушками важно, сколько от катушки до датчика ее включения - чем быстрее пуля, тем раньше включать ступень надо по идее, чтоб ток успел нарасти. А вообще имхо гораздо проще и правильнее оптимизировать катушки и датчики под один тип снарядов - ведь если, допустим, будет автоматическая подача пуль, то в обойму же разных снарядов не напихать уже. Готовый вариант я под один тип и сделаю.

Почему у меня катушки вплотную:
Во-первых, конструкция датчика. Это по сути две маленьких катушки, намотанных навстречу друг другу, прямо под основной. Слишком далеко включаемую катушку от такого датчика не оттащишь, только если через таймер.
Во-вторых, получаем коммутацию "с перекрытием" - не отработала еще предыдущая ступень, как включается следующая. Возможно, это тоже дает плюшки (ну я на то надеюсь). А может и нет.
В-третьих, взаимоиндукция. При удачной геометрии катушек она дает приятный бонус в виде прироста КПД. Пусть небольшого, но прироста.

Схему ключей... да нет там никакой схемы, двухкатушечные хитродатчики управляют тиристорами последующих ступеней напрямую, никакой электроники. Система получается простая как топор, и при том люто надежная. А проблема диодов, думаю, в самих диодах - слабенькие, импульс не держат. Да и расположил их не совсем удачно, параллельно намотке катушки. Победил эту проблему уже, поставил более серьезные HER208 - держат.

Добавлено через 1 час 5 минут
Ах, да, новый ускоритель:
4 ступени, на каждой по конденсатору 450В 470мкФ, итого 190 Дж накачки. Тиристоры 40TPS12. Ствол чуть наростил похожей пластмассовой трубкой, размотал третью катушку для намотки датчика, потом по новой намотал, на четвертой ступени катушку сделал такую же - 150 витков двойным проводом 0,52. Время заряда новым преобразователем - 4 секунды.

Теперь лучше результаты дали более тяжелые пули 6х25 - почти 51 м/с, примерно 6,9 Дж дульной энергии. Подобрался вплотную к запрещенной пневматике Остальные разогнались где-то до 48,5-49,5 м/с. Появился толк от магнитопроводов на катушках - без них лучший результат составил всего 49 м/с. Стрельбу по кухонным мишеням жена запретила после разбитого рикошетом стакана, стрелял с балкона по дереву в 15 м от дома - щепки отлетали) Баллистическая траектория заметна только на больших расстояниях - 50-70 м. Причем все это почти бесшумно, самый громкий звук - щелчок кнопки спуска. Стала заметна небольшая отдача, ускоритель надо держать крепко.
Телевизор в соседней комнате ловит помеху от выстрела.

Недостатки:
Накосячил с намоткой третьей катушки. Если после первых двух с магнитопроводом скорость стала чуть выше, чем раньше, то после третьей она заметно упала, на 2-3 м/с.
Четвертую катушку надо было попробовать мотать проводом потолще, двойным 0,63 например или одиночным 0,8. К сожалению, на тот момент подходящего не было.
Диоды развязки. Из партии в 20 штук половину выбросил :( Горели в неподходящий момент, собаки. Таки это не столько из-за выброса, сколько из-за некачественных диодов.



Мало. Есть еще пара конденсаторов, на 330 и 470 мкФ, надо их тоже в дело пустить - 270 Дж накачки получится.
Теперь новый проект: 3 ступени, 800+940+940 мкФ; ствол из латунной трубки от антенны, последнюю ступень хочу попробовать сделать запираемой, основной снаряд 6х25 незаточенный. Рассчитываю подобраться к 60 м/с. Этот ускоритель станет окончательным в данном проекте, буду оформлять в корпус. Пока ищу время для сборки ствола.

[Pro-hihin]

Объясни почему катушка датчиков состоит из двух секций, да ещё и намотанных встречно? Думаю ты надеялся закрывать тиристор вторым импульсом, но этого не произойдет.Тиристор закроется только когда напряжение на лите приблизится к нулю.От сюда может оказаться, что увеличение ёмкости(времени разряда) ухудшет результат(осциллограф бы тебе). ИМХО конструкцию датчиков можно упростить и расположить у входной части катушки, а литы в послед и заряжать до 600-800V.

[Alex de Vill]

Очевидно же. Если просто катушку под катушкой намотать, то это не датчик, а ерунда получится - она просто будет бестолково дублировать ток в рабочей катушке. Здесь же две одинаковых обмоточки, намотанных навстречу друг другу, при токе в катушке без пули создают встречные ЭДС, которые гасят друг друга, и в итоге на выходе имеем ноль. Другое дело, если через одну из полуобмоток пролетает пуля. Она нарушает равенство индуктивностей, разбалансирует систему, одна ЭДС превышает другую, и появляется импульс, которого достаточно для непосредственного открытия тиристора. Отличная помехозащищенность, отсутствие ложных срабатываний, дикая простота изготовления и лютая надежность.
Можно его улучшить, введя балансировку - подсоединив переменный резистор концами к свободным концам катушки, а "бегунком" - к общему. Такой датчик даже мотать можно как попало, все равно четко работать будет.

Многоступенчатые системы эффективней одиночной катушки, факт, поэтому объединять не стал, а сделал раздельные ступени. Потом может для интереса и посчитаю катушку на 900В 470 мкФ, т.е. те же кондеры попарно-параллельно, но уверен, что я такую катушку переплюнул.

[Pro-hihin]

Логично.........