Енциклопедія Технологій та Методик - Ствол для Coilgun
Стовбур для Coilgun
Стовбур є важливою складовою електромагнітного прискорювача. При цьому він повинен мати ряд властивостей, деякі з яких досить специфічні. Спробуємо їх сформулювати:
На відміну від звичайної вогнепальної зброї, в якій прискорення снаряда досягається тиском гарячих порохових газів, в електромагнітному прискорювачі відсутні такі фактори впливу на матеріал стовбура, як високі температури і тиску (якщо, звичайно, котушки, що прискорюють, не нагріваються до червона після кожного пострілу). Тому міцність стовбура Coilgun не є таким критичним параметром, як у порохової зброї. Тим не менш, при протіканні імпульсних струмів через котушки, що прискорюють, розвиваються механічні напруги (див. [1]), які при неправильному виборі матеріалу стовбура або його товщини можуть призвести до його руйнування (див. нижче). Крім того, якщо ми все-таки сподіваємося створити гаусовку для застосування в реальних умовах, то маємо забезпечити її досить міцним стволом. Ця вимога особливо суттєва для багатоступінчастих систем з підвищеною довжиною ствола.
Товщина стінок стовбура Coilgun має бути мінімальною. Ця вимога випливає з того факту, що чим щільніше сердечник (снаряд) підігнаний по діаметру до внутрішнього діаметра котушки, що прискорює, тим більше його потокозчеплення з котушкою (тобто тим більша частина поля, створюваного котушкою, проходить через снаряд). Це досить очевидне твердження проілюстровано рис.1.
Тут слід розвіяти один дуже розхожий міф. Зверніть увагу, що основна частина ліній напруженості магнітного поля на малюнку проходить поблизу внутрішньої поверхні соленоїда, а не біля його осі. Саме так і справді. Це суперечить дуже широко поширеномупомилці щодо розподілу напруженості поля в соленоїді, яке свідчить, що напруженість максимальна з його осі. Насправді саме на осі соленоїда поле мінімальне. Щоб переконатися, достатньо розглянути поле кругового витка зі струмом, а потім підсумувати (проінтегрувати) результат по довжині соленоїда. Точні математичні обчислення громіздкі і виходять за рамки статті, які цікавляться можу відіслати, наприклад, до [2] (хоча не сумніваюся, що подібні відомості наведені і в багатьох інших джерелах).
Мал. 1. Залежність потокозчеплення снаряда та прискорюючої котушки. Зліва показаний випадок високого потокозчеплення (тонкий стовбур), праворуч – поганого (тонкий стовбур). Чорними стрілками схематично показані лінії напруженості магнітного поля.
Слід зауважити, що вимога мінімальності товщини стінок ствола специфічна для Coilgun, на відміну від вогнепальної зброї, де цей параметр не має жодного значення. Крім того, ця вимога суперечить п.1 (міцності).
3). Електропровідність та феромагнетизм.
Матеріал ствола повинен бути погано провідним і не бути феромагнетиком. Ця вимога випливає з того факту, що провідний і особливо феромагнітний матеріал стовбура сильно послаблюватиме змінне магнітне поле, під дією якого в гаусовці відбувається прискорення снаряда. Докладніше цей ефект розглянуто у розділі, присвяченому металевим стволам.
4). Легкість у обробці.
Матеріал ствола повинен легко оброблятися (пилятися, свердлитися тощо), т.к. на ньому розміщується безліч елементів конструкції Coilgun (прискорюючі котушки, індуктивні або оптичні датчики положення тощо).
5). Дешевизна та доступність.
Важливі фактори,особливо для аматорських досліджень, адже доводиться перепробувати безліч стовбурів різного калібру та довжини.
Тепер, виходячи з цього набору параметрів, спробуємо розглянути кілька груп матеріалів виготовлення стовбурів Coilgun.
Стовбури у вигляді скляної трубки дуже часто застосовують у аматорських дослідженнях. Цей вибір обумовлений тим, що скляну трубку відповідного діаметра можна знайти майже в будь-якій шкільній хімічній лабораторії, не кажучи вже про спеціалізовані хімічні магазини. Такі трубки, як правило, мають дуже тонкі стінки, що забезпечує хороше потокозчеплення снаряда та соленоїда. Крім того, у них є особлива перевага перед стволами з інших матеріалів: скло прозоре не тільки у видимому, а й у ближньому ІЧ-діапазоні, в якому працюють більшість ІЧ-світлодіодів та фотодіодів. Це дозволяє конструювати багатоступінчасті системи з оптичними датчиками положення без свердління отворів у стволі.
Тим не менш, скло – дуже крихкий матеріал для застосування у більш-менш потужних гаусівках. Так, Sam Barros на http://www.powerlabs.org/multistagecg.htm скаржиться на часте руйнування скляних стволів під час пострілів. Зрозуміло, що в електромагнітному прискорювачі, створеному для застосування в реальних умовах, скляний стовбур не може використовуватися.
Метал – найпривабливіший матеріал для виготовлення ствола. Металеву трубку відповідного діаметра легко дістати (на крайній край, замовити у постачальників), вона добре обробляється, і вона досить міцна. Однак, у металевого стовбура є специфічний для Coilgun недолік - він послаблює магнітне поле прискорюючих котушок і тим самим знижує і без того невисокий ККД процесу прискорення. Цей ефект особливо сильно проявляється дляферомагнітних стволів (наприклад, зі сталі) та на високих частотах (тобто при високих швидкостях снаряда).
Розглянемо спочатку звичайний (не перфорований) металевий стовбур у поперечному розрізі (див. рис. 2).
Мал. 2. Ослаблення магнітного поля усередині металевого ствола індуктивними струмами. Сірий кружок на осі стовбура показує, що поле соленоїда спрямоване на нас перпендикулярно до площини малюнка.
Як показано на малюнку, в товщі стовбура відповідно до закону електромагнітної індукції генерується струм, напрямок якого залежить від похідної за часом струму в соленоїді: при наростанні струму в соленоїді (похідна позитивна) індуктований струм спрямований протилежно струму в котушці, при негативному знаку похідної збігаються у напрямку. Система, по суті, є трансформатором з коефіцієнтом трансформації, що дорівнює кількості витків в прискорювальному соленоїді (т.к. контур, утворений стовбуром, є одиничним витком, замкнутим накоротко). Оскільки опір контуру стовбура мізерно мало, то струм у ньому (який називається вихровим струмом чи «струмом Фуко», англійською «eddy current») може досягати величезних значень. В результаті при подачі на соленоїд імпульсу напруги поле всередині стовбура виявляється значно нижчим від очікуваного. Це ослаблення тим сильніше, що більше магнітна проникність і провідність матеріалу стовбура. Навіть при використанні тонкостінних трубок з неферомагнітної латуні ефект ослаблення поля дуже великий. Так, Barry на http://www.oz.net/%7Ecoilgun/mark2/resultfiringtube.htm вказує, що при використанні латунного ствола замість пластикового швидкість снаряда (при всіх інших рівних параметрах) знизилася з 5,93 м/с до 4 ,78 м/с (падіння ККД на 35%!). За законом електромагнітноюіндукції вихровий струм у стволі пропорційний швидкості зміни струму в соленоїді, тому при більш високих частотах (тобто зі збільшенням швидкості снаряда) зниження ККД буде ще сильніше.
Як вихід із становища, часто використовують перфорований ствол, тобто. ствол, в якому зроблено поздовжній розріз по всій довжині (або кілька розрізів, що перекриваються, не по всій довжині). Справді, такий розріз еквівалентний розриву внутрішнього контуру на рис. 2, що унеможливлює протікання струму в цьому контурі (або сильно його ускладнює у разі множинних розрізів). Гаусовки з такими стволами добре працюють на швидкостях близько кількох десятків метрів за секунду, що цілком достатньо для аматорських конструкцій.
Однак виготовлення такого ствола в домашніх умовах досить трудомістке. Крім того, поздовжні розрізи знижують міцність стовбура, тому як компроміс доводиться збільшувати товщину його стінок, що негативно впливає на потокозчеплення. Як приклад, нижче наведено процес виготовлення такого ствола з навитим соленоїдом.
Береться латунна трубка необхідного діаметра з тонкими стінками (я використовував трубку з товщиною стінок 0,2 мм) та (див. рис. 3) чотири обмежувачі (я використовував оргскло). Далі обмежувачі розсвердлюються та закріплюються на трубці, по два з кожного боку (рис. 4). Для цієї мети я застосував двокомпонентний клей типу «Момент-Ремосет» (він у цьому випадку дуже зручний, тому що, на відміну від звичайної епоксидної смоли, має дуже низьку плинність). При цьому клей міститься між кожною парою обмежувачів. На цьому етапі через одну пару обмежувачів простягається провід від котушки, що згодом дуже полегшує процедуру намотування соленоїда. Потім трубка пропилюється зсередини лобзиком, при цьому обмежувачі не дають їйдеформуватися (рис. 5, 6). Далі навивається котушка і просочується епоксидною смолою (див. рис. 7). Конструкція виходить дуже міцною (хоча і не дуже охайною). Обмежувачі можна далі використовувати для кріплення ствола на конструкцію гаусівки, що несе.
Мал. 3. Стовбур та обмежувачі.
Мал. 4. Обмежувачі та провід закріплені на стволі.
Мал. 5. Робимо пропив у стволі.
Мал. 6. Стовбур із пропилом.
Мал. 7. Стовбур з навитою котушкою.
Сюди я відношу всі матеріали на основі пластмас або матеріалів з полімерним просоченням (текстоліт тощо). У самому примітивному прояві це стовбури зі звичайних кулькових ручок, які часто застосовуються гаус-ганерами-початківцями.
На мій погляд полімерний стовбур – найперспективніший для Coilgun (принаймні для аматорських конструкцій). Дійсно, майже будь-яка пластмаса добре піддається обробці, є діелектриком та діамагнетиком. Дещо гірша справа з міцністю і доступністю, але і тут є рішення. Наприклад, Gordon рекомендує використовувати покупну хвостову балку для авіамоделей (http://www.offtop.ru/gauss2k/view.php?only=&part=1&t=15261).
На закінчення статті хочу описати простий спосіб виготовлення ствола на основі доступних матеріалів, який може легко бути реалізований у домашніх умовах без застосування верстатного обладнання. Візьміть круглу болванку відповідного діаметра (я використав для цієї мети цвях діаметром 6 мм, з якого надалі виготовлявся снаряд), обмотайте 1-2 шарами скотчу та закріпіть (рис. 8). При обмотці намагайтеся, щоб на скотчі не утворювалося ніяких складок. Потім візьміть аркуш звичайного паперу А4, відріжте від нього смужку необхідної ширини(Рівній довжині майбутнього стовбура) і акуратно, за саму кромку, закріпіть на болванці за допомогою ще однієї вузької стрічки скотчу (див. рис. 9).
Мал. 9. Закріпили папір.
Тепер приготуємо епоксидну смолу та нанесемо її бажано рівним шаром на смужку паперу (рис. 10). Зробити це потрібно ближче до заготівлі, т.к. при подальшому намотуванні смола сама видавлюватиметься до зовнішнього кінця паперової стрічки. З іншого боку, треба стежити, щоб смола безпосередньо не склеїла папір і заготовку, інакше потім готовий стовбур буде дуже важко зняти з болванки. Тепер намотайте смужку паперу на заготовку і, поки смола не затверділа, закріпіть її зверху (наприклад, обмотавши її нитками або тонким дротом, рис. 11).
Мал. 10. Приготували смолу.
Мал. 11. Намотали стовбур.
Дочекавшись, коли смола затвердіє (годин через 15), зніміть трубку, що вийшла, з болванки. Для цього, можливо, будуть потрібні пасатижі і деякі зусилля, але не дуже великі. Стовбур готовий (див. мал. 12)!
Мал. 12. Готовий ствол.
Для завершення картини його треба обробити зсередини надфілем, щоб прибрати залишки скотчу і випадковий задирки.
При намотуванні папір добре просочується смолою, що ще не затверділа, тому трубка, що вийшла, з такого саморобного текстоліту дуже міцна. Перевагою такого методу є також те, що стовбур, що вийшов, точно підігнаний по діаметру до майбутнього снаряду (зазор визначається кількістю шарів скотчу, намотаних на болванку на першому етапі). Крім того, стовбур можна виготовити будь-якого необхідного діаметра, потрібна лише відповідна болванка для намотування.
[1]. Карасік В.Р. «Фізика та техніка сильних магнітних полів». М., 1964 [4] [2]. Нейман Л.Р., ДемірчанК.С.. "Теоретичні основи електротехніки", том 2, частина 4. "Енергія", 1967.
Автор: Мітін Євген ВікторовичДжерело: http://coilgun.narod.ruпишіть: [email protected]
Упорядник: Патлах В.В. http://patlah.ru
УВАГА ! Забороняється будь-яка републікація, повне або часткове відтворення матеріалів цієї статті, а також фотографій, креслень та схем, розміщених у ній, без попереднього письмового узгодження з редакцією енциклопедії.