GAUSS gun 1#
Почему вы читаете этот текст? А не интересуетесь ли вы случайно электромагнитным оружием? Нет?! И правильно :) Скорее всего, причина, приведшая вас к столь нетипичному виду деятельности скрывается где то в пространственно-временном континиуме, когда пиво в холодильнике уже кончилось, а убитый интерес к Кваке после ночной мясорубки ещё не возродился с новой силой. Зависающий мозговой орган тщетно ищет пути вывода организма из кризиса депрессивно-суицидального пофигизма и вы снизошли до чтения текстовиков, накопившихся на винте со времён последней переустановки мастдая.
Если вы ещё не успели забыть, текст будет про изготовление электромагнитных ускорителей масс. Что такое электромагнитные ускорители, кто и с чем их ест, а самое главное - куда их можно засунуть? Едят их с яблоками. В яблоках много железа :) А сами электромагнитные ускорители масс (ЭМУ) - это такие технологические устройства, которые разгоняют физические тела обладающие определённой массой, до огромных (или не очень) скоростей, используя электромагнитную энергию. Возможное их практическое применение, думаю, объяснять не надо. В то время, как некоторые особо гуманистичные писатели фантазируют о применении этих орудий для уничтожения крупных метеоритов, Соединённые Штаты ежегодно тратят миллиарды долларов на вооружение этими пушками своих кораблей и систем ПРО.
Как и для каких целей будем использовать это оружие мы – зависит только от наших личных пристрастий и от огневой мощи конкретно нашего киллинг-девайса, но то, что мы не будем сбивать им метеориты – это наверняка. Броню танка наша пушка тоже не пробьет. Но самое главное – наше устройство мы изготовим с гораздо меньшими денежными затратами!
Некоторые из читающих это текст наверняка сомневаются вообще в самой возможности изготовления таких технических устройств, не говоря уже дешевизне и простоте технологии. Тем не менее, это возможно. Мы ведь не собираемся делать пушку для сбивания баллистических ракет, а сделаем небольшой ручной образец, который будет нагонять страх на людей не сколько огневой мощью, сколько футуристическим внешним видом :) Это можно сравнить, например, с разницей между дальнобойной 200-миллеметровой пушкой и поджигом. Принцип действия один и тот же, зато последний можно изготовить вообще без денежных затрат и сложных технологий, в то время, как разработке крупнокалиберной артиллерии в своё время военные уделяли столько же внимания и средств, как сейчас разработке баллистических ядерных ракет.
Наверное, каждый понимает, что на смену огнестрельному оружию рано или поздно придут некие другие технические приспособления, более мощные и технологичные, а главное – с использованием других принципов функционирования. А пока тысячи учёных из НИИ различных стран мира бьются над дешёвыми технологиями изготовления компактных импульсных лазеров, ручных микроволновых излучателей и сверх мощных ускорителей масс, мы имеем возможность уже сейчас собрать такой технологический девайс прямо у себя дома, с использованием зубила, молотка и паяльника. И даже если его мощность будет немногим выше мощности пневматического пистолета, то в любом случае сам факт обладания такой пушкой будет заставлять её владельца пухнуть от гордости, с умным видом показывая её своим офигевающим друганам и знакомым :)
Интересные и перспективные дела всегда начинаются с тягомотины. Например, для того, чтобы выпить пива, нужно сходить за ним в киоск. Так и с изготовлением ЭМУ – чтоб его сделать, нужно сначала определится: а что мы, собственно, вообще должны получить и как оно будет функционировать?
Именно поэтому начнём с теории:
(Заранее прошу извинить за возможные ошибки в теоретической части и неточности в расчетах и рассуждениях.)
Существует два типа ускорителей: Rail gun и Gauss gun. Первый - электростатический, отбрасываем сразу, так как в домашних условиях практически невозможно создать систему гироскопического стабилизирования углепластиковых снарядов с титановым напылением и охлажденным до сверхпроводимости тороидальным накопителем энергии. А сами композитные снаряды с термостойкими электродами (аж самому страшно стало! 8]) и тем более достать негде. По этой же причине на изучении первого типа ускорителей останавливаться не будем. (учёных мудаков просьба помолчать! :])
Для нас интересен второй тип ЭМУ – гауссовка или Магнитный Ускоритель Масс (как звучит, а?!). Название "Гауссовка" возникло как бы само собой примерно в 20-ых годах прошлого столетия, потому, что величина магнитного поля измерялась тогда в гауссах (10000 гс = 1 Тл). Разгон снарядов в ней осуществляется последовательным "втягиванием" их в расположенные по длине ствола соленоиды. Соленоид – это такая цилиндрическая обмотка из одного или нескольких проводов. В идеале, конечно, все соленоиды должны быть сверхпроводящими и без инерционными, т.е. должны иметь нулевое активное сопротивление и, желательно, низко индуктивное.
Смысл идеи ускорения в том, что ферромагнитный предмет (снаряд), обладающий огромной по сравнению с воздухом магнитной проницаемостью, всегда стремится в область более плотного (в данном случае магнитного) поля. Любая система всегда стремится уменьшить свою энергию, а относительно магнитного поля железный снаряд обладает определённой потенциальной энергией, аналогично с энергией тела поднятого над землёй.
Не в даваясь в теорию магнитных цепей (никто не испугался? :]), общий принцип ускорения можно описать так: этап прохождения снаряда через соленоид состоит из двух фаз. Первая – снаряд движется к центру соленоида, увеличивая свою кинетическую энергию, вторая фаза, паразитная в нашем случае, снаряд движется от центра соленоида и магнитное поле его тормозит. Чтобы избежать потерю скорости, надо в момент нахождения снаряда в центре соленоида быстро поменять магнитное поле, изменив в ток катушке на противоположный по направлению. В таком случае снаряд не только не замедлит своё движение, а ещё больше увеличит свою скорость. Проблема в том, что моментально изменить ток, величина которого, кстати, очень большая (тысячи и даже миллионы ампер), невозможно из-за индуктивного сопротивления катушки, а приложение большого напряжения для ускорения процесса переключения требует дополнительную трату энергии и огромной мощности источника питания. Поэтому нужно если не инвертировать, то хотя бы уменьшить ток в катушке. В таком случае снаряд вылетит из соленоида, сохранив некоторую скорость.
Кроме того, существует ещё ряд проблем. Так как ток в катушке очень большой, а его действие кратковременное, то переменное магнитное поле индуцирует во всех близко расположенных проводящих предметах электрический ток (тот самый электромагнитный импульс, которым находчивые создатели киберпанковых боевиков до смерти запугивают простых смертных юзеров 8]) - возникают потери энергии. Бороться с этим практически невозможно, к тому же существуют и другие, более значимые проблемы.
В процессе развития теории, магнитные ускорители разделились на два типа: одноступенчатые и многоступенчатые.
Простейшие одноступенчатые гауссовки представляют собой систему из накопителя энергии (конденсатора или батареи конденсаторов), системы включения тока, и самой катушки для разгона снарядов или пуль. Базовая схема может быть дополнена системой отрицательной обратной связи (ООС) для предотвращения возникновения в цепи колебательного процесса (если кто ещё помнит: система кондёра и катушки это колебательный контур). Идея работы одноступенчатого МУ заключается в том, что ток разряжающегося через катушку с незначительной индуктивностью конденсатора возрастает очень быстро. А за счёт наличии в катушке небольшого активного сопротивления, влияние которого резко зависит от величины тока, нарастание величины магнитного поля будет происходить быстрее, чем спад. Таким образом, в период времени, когда снаряд втягивается в соленоид, поле будет сильнее, чем когда снаряд будет выходить из соленоида и снаряд не успеет затормозится после начального разгона.
На практике КПД (коэффициент полезного действия) одноступенчатых магнитных ускорителей редко превышает 3%. Обычно же он составляет около 1-ого процента, т.е. только одна сотая энергии накопителя (конденсатора) превратится в кинетическую энергию пули. Остальные 99% пойдут на нагрев обмотки и других проводников системы, кроме того, часть энергии улетит в виде мощного электромагнитного импульса, от которого, кстати, надо оберегать любые электронные и электрические приборы (телефоны, компьютеры, телевизоры) и различные магнитные накопители (аудио/видео кассеты, дискеты, пластиковые карты), расположенные поблизости.
Получается, что если энергия конденсаторов была 100 джоулей, то энергия пули будет всего 1 джоуль.
