В этой статье мы постараемся рассмотреть ускорители (пушки) Гаусса, а также предложить ряд действий, для улучшения их работы. В процессе мы не будем сильно акцентироваться на схемотехнике, так как этот вопрос достаточно подробно разобран в других работах. Вместо этого мы остановимся на моментах, требующих приложения усилий и которые могут существенно поднять эффективность этих устройств.
Кроме того, рассмотрим и альтернативные устройства, ещё не встречавшиеся в мировой практике!
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 электромагнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит, так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому, что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).
Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электролитические конденсаторы большой ёмкости и с высоким рабочим напряжением.
Часто, для ускорения снаряда в стволе – используются многоступенчатые схемы, в которых для ускорения снаряда используется более 1 катушки.
Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлёта снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить, что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.
В них образуется «бегущая волна», т.е. катушки включаются одна за другой, по мере входа в них снаряда:
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 надёжность и, в теории, износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту винтовки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.
Первая и основная 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 %. В основном в любительских установках энергия, запасённая в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют тиристоры) для размыкания катушки.
Вторая трудность — большой расход энергии (из-за низкого КПД).
Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.
Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи-конденсаторы.
Пятая трудность — с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.
Кроме того, зачастую, используемые для строительства винтовки Гаусса компоненты, — выбираются по принципу не «оптимальности», а «того, что было под рукой», — ввиду того, что «каждая копейка на счёту». Это, в свою очередь, — ведёт к соответствующему снижению общей эффективности.
Для проектирования винтовки Гаусса её строители обычно используют широко известную программу FEMM и ряд скриптов для неё.
Ряд советов и вариантов моделирования можно глянуть тут.
ВНИМАНИЕ! Любая работа в области проектирования и создания рассмотренных устройств несёт повышенный риск, и автор не несёт ответственности за возможные инциденты! Вся информация даётся только «в познавательных целях» и не призывает к чему-либо!
ПУТИ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВИНТОВКИ ГАУССА
▍ 1. Изменение способа силовой коммутации катушек
После проведённого анализа в сети Интернет было выявлено, что большое количество самодельных устройств используют для силовой коммутации катушек – тиристоры (как было уже сказано выше), что является устаревшим подходом. И только небольшое количество самоделок – построено на IGBT-транзисторах. Как отмечают сами авторы самоделок, по большей части, это обусловлено их гораздо большей ценой.
Здесь уместно рассмотреть, что же такое IGBT-транзисторы.
Биполярный транзистор с изолированным затвором (БТИЗ, англ. Insulated-gate bipolar transistor, IGBT) — трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами.
До 1990-х годов в качестве силовых полупроводниковых приборов, помимо тиристоров, использовались биполярные транзисторы. Их эффективность была ограничена несколькими недостатками:
- необходимость большого тока базы для включения;
- наличие токового «хвоста» при запирании, поскольку ток коллектора не спадает мгновенно после снятия тока управления — появляется сопротивление в цепи коллектора, и транзистор нагревается (и этот момент особо важен для нас, в Гаусс-строении);
- зависимость параметров от температуры;
- напряжение насыщения цепи коллектор-эмиттер ограничивает минимальное рабочее напряжение.
С появлением полевых транзисторов, выполненных по технологии МОП (англ. MOSFET), ситуация изменилась. В отличие от биполярных, полевые транзисторы:
- управляются не током, а напряжением;
- их параметры не так сильно зависят от температуры;
- их рабочее напряжение теоретически не имеет нижнего предела благодаря использованию многоячеистых СБИС;
- имеют низкое сопротивление канала (менее миллиома);
- могут работать в широком диапазоне токов (от миллиампер до сотен ампер);
- имеют высокую частоту переключения (сотни килогерц и больше);
- высокие рабочие напряжения при больших линейных и нагрузочных изменениях, тяжёлых рабочих циклах и низких выходных мощностях.
IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:
- высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от полевых транзисторов с изолированным затвором;
- низкое значение остаточного напряжения во включённом состоянии — от биполярных транзисторов;
- малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
- характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
- управление как у MOSFET — напряжением.
Диапазон использования — от десятков до 1200 ампер по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению.
В диапазоне токов до десятков ампер и напряжений до 500 В целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением.
▍ 2. Увеличение КПД за счёт предварительного разгона снаряда
Предварительное ускорение снаряда позволяет существенно поднять КПД. Об этом хорошо сказано здесь:
КПД такой штуки радикально зависит от выходной скорости снаряда. И очень, прямо очень быстро растёт с ростом выходной скорости. Несколько простейших формул (кинетическая энергия пули, и омические потери за время разгона) об этом более чем однозначно говорят. Ибо работа магнитного поля, это сила умножить на перемещение, а перемещение тем больше чем больше скорость. Так что омические потери на единицу времени остаются условно постоянными (понятно, что зависят от формы импульса, но это уже детали), а КПД перекачки энергии магнитного поля в кинетическую энергию снаряда очень быстро растёт по мере разгона снаряда, и при этом квадратично по скорости — растёт сама энергия снаряда. Иначе говоря, если выходная скорость достаточно высока, то львиная доля энергии будет закачана в снаряд с отличным КПД (ближе к концу разгона), и на этом фоне высокие в процентном отношении на начальном участке разгона омические потери будут крайне незначительны по абсолютной величине (относительно итоговой кинетической энергии снаряда). Так что для скорости в десятки м/c действительно КПД всегда будет — …. (аналог слова «плохим» :-))) ) как ни изощряйся — а поскольку энтузиасты обычно осиливают именно такие энергии/скорости то и КПД «редко превышает 2%». Но если разгонять до нескольких сотен метров секунду (лучше конечно ближе к большим сотням, а не малым) то цифры КПД в районе 70%-85% вполне получабельны. А с добавленной системой рекуперации энергии можно и выше выжать.В этих целях можно было бы использовать какие-либо системы предварительного разгона, в качестве которых можно было бы попробовать использовать существующие пневматические винтовки и пистолеты ( заряжаемые цилиндрическим снарядом). В таком случае, пушка Гаусса выглядела бы как дополнительное устройство, на конце ствола пневматической винтовки или пистолета. Нечто вроде саундмодератора для пневматики (который иногда называют по ошибке «глушителем»).
Так что грамотно спроектированная пушка Гаусса, вкупе с грамотно спроектированными снарядами — более чем способна быть реальным оружием. Но это уже совсем не «наколенный» уровень мощности в части силовой электроники, и потребны соответственного размера накопители энергии.
Причём вот это «КПД перекачки энергии магнитного поля в кинетическую энергию снаряда очень быстро растёт по мере разгона снаряда» — это общий момент и для пушки Гаусса и для рельсотрона.
▍ 3. Использование рекуперации, накопленной в катушке энергии.
Так как катушка индуктивности является накопителем энергии, имеет некоторый смысл в «сливе» её – обратно в питающий конденсатор. Это было бы полезно для целей увеличения КПД в целом.
Хороший анализ целесообразности подобного проведён здесь.
И выводы следующие (оттуда же):
- Для максимальной реализации возможности рекуперации энергии, заложенной в конфигурации «косого» полумоста, необходимо подбирать геометрические характеристики катушки таким образом, чтобы форма тока была близка к треугольной и «плато», соответствующее состоянию системы с одним открытым ключом, было как можно более коротким. Из этого вытекает необходимость использования различных катушек в каждой ступени многоступенчатого ускорителя. Использование же одинаковых катушек в этом случае резко снижает возможный КПД.
- При выборе геометрии катушки следует скорее увеличивать КПД ускорения снаряда, а не КПД рекуперации — это приводит к росту суммарной эффективности системы. То есть «толстые» катушки, несмотря на повышенную способность к возврату энергии в ёмкость, не являются в полумостовой схеме оптимальными (по крайней мере, в районе скоростей снаряда около 100 м/с).
- Для выбранных характеристик системы использование полумоста позволяет повысить суммарный КПД многоступенчатого ускорителя, вероятно, не более чем в 1,5 раз по сравнению с традиционными схемами без возврата части энергии в конденсатор (например, схемы с гасящим варистором). Это повышение выражается в уменьшении суммарной энергии, затрачиваемой на каждой ступени (а не в росте скорости снаряда), и может быть использовано для соответствующего снижения ёмкости запасающего конденсатора.
▍ 4. Использование сложного программного алгоритма управления скоростью движения снаряда в стволе.
Как уже было сказано ранее:
«с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули».Несмотря на проведённый достаточно тщательный анализ самоделок в сети Интернет, не удалось найти ни одной самоделки, которая бы использовала возможности настоящего момента: а именно использование микроконтроллеров для реализации сложного программного алгоритма для управления ускорением снаряда в стволе.
Максимум, это ускорение по заранее запрограммированным временным интервалам.
Это, на мой взгляд, по большей части обусловлено тем, что большинство гаусс-строителей идут по проторённому пути и стараются достичь результата наиболее коротким путём. Поэтому, они повторяют путь других, не обращая внимания на возможности, которые упускаются многими.
А именно: большинство самодельных конструкций построено с использованием оптических датчиков, которые запускают соответствующие катушки, после прерывания их луча — проходящим снарядом.
На мой взгляд, данный подход является достаточно примитивным, так как он позволяет только в очень общих чертах понимать, где находится снаряд в данный момент, и с какой скоростью он движется ( вернее даже сказать, в изученных самоделках даже анализа скорости не производилось, и оптические датчики использовались исключительно для коммутации катушек при прохождении заряда).
Хотя, для анализа скорости движения снаряда, его местоположения, оптимально подходит анализ индуктивности катушки/катушек (как подсказывает нам википедия, — «катушка индуктивности может применяться как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки»). Это позволит постоянно иметь обратную связь и данные о скорости и местоположении снаряда, что, вкупе с быстродействующими IGBT-транзисторами, может позволить применить ШИМ-контроль, для оптимального разгона снаряда.
При таком подходе, можно обеспечить практически любую кривую ускорения заряда, в рамках имеющихся физических возможностей:
То есть, можно было бы:
- управлять разгоном программно;
- автоматически калибровать и записывать настройки в память микроконтроллера (например, в случае использования esp32 – для этого подойдёт библиотека Preferences);
- использовать различные кривые разгона (в то время как при использовании «жёстко вычисленных и подогнанных катушек» — параметры стрельбы всегда были бы одинаковы).
Говоря более простым языком, можно подавать импульсы ШИМ-контроля на катушку, и постоянно отслеживать, с какой скоростью начал двигаться снаряд.
Такой подход, позволит как: а) отказаться от оптических датчиков; б) иметь постоянную гибкую обратную связь. Например, если микроконтроллер видит, что снаряд «подтормаживает» — он даёт ему дополнительно разгонных импульсов, если видит, что уже оптимально разогнался (согласно выбранной кривой роста скорости) — отключает питание катушки.
▍ 5. Использование шаровидных зарядов, вместо продолговатых.
Так как большинство любителей используют пушку Гаусса для развлекательной стрельбы, изготовление зарядов для неё является делом достаточно трудоёмким и проблемным для большинства.
В связи с этим, представляется достаточно интересным перевод такого устройства на шаровидные стальные пули от пневматического оружия.
В сети приходилось видеть утверждения некоторых людей, которые считали, что разогнать такой заряд невозможно, так как он быстро уйдёт в насыщение и т.д.
Однако, совсем недавно, в 2018 году, на youtube появилось интересное устройство, возможно даже единственное в мире, которое смогло достигнуть скоростей в 130 м в секунду на стандартных шаровых зарядах для пневматических винтовок:
Конечно, точность шариков является весьма посредственной и годится только для развлекательной стрельбы по бутылочкам – «плинкинга».
Использование таких зарядов для развлекательной стрельбы является, на мой взгляд, достаточно рациональным и недорогим, в отличие от классических «гвоздей», на которых сосредоточено творчество большинства гаусс-строителей:
Хотя, именно продолговатый заряд – может достичь больших дальностей, при хорошей точности (как показывает история). Только требуется создать некое закручивающее устройство, как в стандартном огнестрельном оружии. В случае же винтовки Гаусса, можно было бы попробовать реализовать электромагнитное закручивающее устройство, которое бы обеспечило снаряд необходимой точностью.
В КАЧЕСТВЕ ГИПОТЕЗЫ – ДЛЯ РАЗМЫШЛЕНИЯ…
Чтобы отвлечься от темы Гаусс-ганов, хотел бы предложить на обсуждение парочку своих идей, аналоги которых мне не приходилось видеть в сети.
▍ 1. Пулемёт внутреннего сгорания?!
Что если я скажу вам, что прямо у вас «под носом» находится практически готовое устройство, которое позволяет реализовать высокоскоростную стрельбу неким зарядом, с хорошей точностью и мощностью? Скорость стрельбы может достигать 6000 выстрелов в минуту и более.
Если мы посмотрим на обычный двухтактный двигатель внутреннего сгорания (и в принципе на любой двигатель), — то он является устройством, которое служит для совершения полезной работы путём отбора необходимой мощности от вращающегося вала. А что если, отбор мощности производить не от вала, а напрямую, от цилиндра?
Каким образом: в цилиндр монтируется быстродействующий клапан, который открывается на короткое время, в момент сгорания смеси, когда давление в цилиндре является максимальным (обычный двухтактный двигатель внутреннего сгорания, который используется в бензокосах или триммере для стрижки газонов, развивает давление в 60 атмосфер,- в цилиндре, в момент вспышки смеси).
Алгоритм работы такого клапана следует ещё подобрать, например, он может работать через 2 такта: чтобы один оборот вала двигателя использовался для поддержания вращения, а следующий оборот и, соответственно, вспышка, использовалась для отбора части газов высокого давления из цилиндра, — для метания некоего заряда.
Отбор мощности надо вести так и в таких объёмах, чтобы это позволило выполнять работу по метанию заряда, и, в то же время, не нарушало нормальную работу двигателя как такового!
В качестве такого быстродействующего клапана можно было бы попробовать использовать подобие электромагнитного клапана, который некоторые компании сейчас разрабатывают для своих автомобилей:
Таким образом, получается, что имеется неограниченный источник газов высокого давления, которые будут позволять вести скоростную стрельбу очередями или совершать одиночные выстрелы. Запас выстрелов, по сути, ограничен только запасом метаемых зарядов, так как топливо закончится гораздо позднее (кстати, заряды – могут подаваться за счёт работы некоего подающего устройства, приводящегося в движение от вращающегося вала)!
Знающие люди скажут: «да нууу, всего то 60 бар! Даже в CO2-баллончике 70 бар…». Дело не только в давлении, но и в площади, на которую оно воздействует. В двух словах: меньше пуля – нужно больше давление. Больше пуля — нужно меньше давления.
Тут будет уместен такой исторический экскурс:
Пневматическая винтовка Жирардони.Таким образом, становится понятно, что 60 атмосфер – это очень серьёзно, когда даже 33 атмосферы могут «наделать делов»…
В 1779 г. австрийский механик Бартоломео Жирардони (в Австрии его считали тирольцем, хотя по происхождению он был итальянцем) преподнёс Иосифу II, эрцгерцогу Австрии экземпляр «многозарядного пневматического ружья», ставшего едва ли не самым массовым военным пневматическим оружием.
Источник картинки: www.drive2.ru
Точнее было бы назвать это уникальное ружьё магазинной казнозарядной пневматической винтовкой с предварительной накачкой. Деятельный эрцгерцог и члены Военного Совета оценили идею. Учитывая скорострельность мушкетов того времени (3-4 выстрелов в минуту) его образец просто поверг всех в состояние шока со своими двадцатью выстрелами в минуту. Иосиф Второй подсчитав что 500 солдат с таким оружием превзойдут по суммарной огневой мощи такое же количество кремневых стволов минимум в пять раз, распорядился перевооружить армию. Однако из-за очень трудоёмкой технологии и чрезвычайно высокой стоимости таких винтовок, до полного перехода армии на новое оружие дело не дошло, и было выпущено всего порядка 1500 стволов. Также первоначальное их желание вооружить винтовкой армейских егерей разбилось о сравнительно низкую прицельную дальность стрельбы, и винтовка (ружьё) была принята на вооружение особой части пограничной охраны. Винтовка Жирардони имела восьмигранный нарезной ствол калибра 13 мм, сменный приклад-баллон, ударный дозирующий клапан и трубчатый магазин на 20 круглых пуль.
Источник картинки: www.drive2.ru
Баллон конической формы соединялся с казёнником на резьбе, герметизировалось соединение пропитанной водой кожаной манжетой приклада-баллона. Воздух накачивался в баллон ручным насосом (для этого требовалось около 1500 качаний), давление в нём достигало 33 атмосфер, чего вполне хватало, чтобы придать 10-граммовой пуле начальную скорость около 200 м/с (дульная энергия — 200 Дж). Одного баллона хватало на 20 достаточно убойных выстрелов, хотя баллистика, конечно, изменялась от выстрела к выстрелу — первые 10 пуль летели до 150 шагов, следующие падали ближе.
Стрелки австрийской пограничной охраны использовали винтовки Жирардони с 1790 по 1815 г. — как раз в период коалиционных войн с Францией. В боях с французскими войсками они поражали офицеров и артиллерийскую прислугу на 100-150 шагах. Понятно, что столь коварное оружие весьма раздражало французов — Наполеон решился отдать приказ расстреливать или вешать на месте стрелков, захваченных с пневматическим ружьём в руках.
▍ 2. Электрогидравлическое оружие
Это устройство также не приходилось видеть в сети, однако его идея является достаточно привлекательной.
Вот в этой статье, я достаточно подробно разобрал интересный эффект, который успешно используется в разных сферах, но не нашёл ещё своё применение в рамках создания образцов оружия: эффект Юткина.
«В основе электрогидравлического эффекта лежит ранее неизвестное явление резкого увеличения гидравлического и гидродинамического эффектов и амплитуды ударного действия при осуществлении импульсного электрического разряда в ионопроводящей жидкости при условии максимального укорочения длительности импульса, максимально крутом фронте импульса и форме импульса, близкой к апериодической.Таким образом, если теоретически предположить некое устройство, в которое впрыскивается совсем небольшое количество воды, после чего в ней проскакивает электрический разряд между контактами, то, если прочность камеры, в которой это происходит, позволит выдержать такие события,- то метаемый снаряд приобретёт очень большое ускорение…
Отсюда следует, что основными факторами, определяющими возникновение электрогидравлического эффекта, являются амплитуда, крутизна фронта, форма и длительность электрического импульса тока. Длительность импульса тока измеряется в микросекундах, поэтому мгновенная мощность импульса тока может достигать сотен тысяч киловатт. Крутизна фронта импульса тока определяет скорость расширения канала разряда. При подаче напряжения на разрядные электроды в несколько десятков киловольт амплитуда тока в импульсе достигает десятков тысяч ампер.
Основными действующими факторами электрогидравлического эффекта являются высокие и сверхвысокие импульсные гидравлические давления, приводящие к появлению ударных волн со звуковой и сверхзвуковой скоростями; значительные импульсные перемещения объёмов жидкости, совершающиеся со скоростями, достигающими сотен метров в секунду; мощные импульсно возникающие кавитационные процессы, способные охватить относительно большие объёмы жидкости; инфра- и ультразвуковые излучения; механические резонансные явления с амплитудами, позволяющими осуществлять взаимное отслаивание друг от друга многокомпонентных твёрдых тел; мощные электромагнитные поля (десятки тысяч эрстед); интенсивные импульсные световые, тепловые, ультрафиолетовые, а также рентгеновские излучения; импульсные гамма- и (при очень больших энергиях импульса) нейтронные излучения; многократная ионизация соединений и элементов, содержащихся в жидкости».
Такой подход весьма интересен, так как:
- устройство получается очень простым, не сильно сложнее обычной пневматической винтовки;
- может использоваться металлический ствол (соответственно, снаряду можно придать вращение за счёт нарезов);
- для метания заряда достаточно лишь небольшого количества воды и импульсного мощного источника питания. Дозированный впрыск воды может осуществляться, например, с использованием автомобильного инжектора и небольшой ёмкости с водой. Только следует помнить, что инжектор может работать только при давлениях подаваемой жидкости до 2 бар включительно (иначе не хватит сил открыться). Для этого, можно сделать ёмкость с ручной преднакачкой давления (по принципу аэрозольного баллона, с вытесняющим газом). Можно взять даже готовую ёмкость.
UPD. Когда статья уже была готова, совершенно случайно мне на глаза попалась вот эта самоделка, которая является наиболее близким практическим демонстратором идеи электрогидравлического принципа, рассмотренного выше. В любом случае, реального образца оружия на данном принципе ещё не существует (по крайней мере, официально, а уж что там есть «в недрах оборонки» — кто его знает...):
Подытоживая этот рассказ, можно сказать, что пушка Гаусса, хоть и не стала ещё заменой классического огнестрельного оружия, всё же, за счёт своих выдающихся качеств, — привлекает внимание многих разработчиков.
Появление высокотемпературных сверхпроводников и компактных источников энергии с высокой плотностью её хранения, — наверняка заставит по-новому взглянуть на неё в будущем.
Однако, помимо пушки Гаусса, существует ещё ряд любопытных приёмов, которые могут быть использованы в качестве базы для «пушкостроя». У каждого из них есть как свои очевидные плюсы, так и свои минусы, что потребует соответствующего учёта.
В статье использованы материалы (в том числе) wikipedia.org, а также других источников, ссылки на которые проставлены в самом тексте.
Комментарии (42)
tsvetkovpa
22.10.2021 17:59+3Видел схему Гауссовки, с одной катушкой вдоль ствола, но намотанной в три провода.
Идея в том, чтобы за счёт разности фаз на проводниках образовать бегущую волну намагниченности, которая тащила бы за собой снаряд.
Kudesnick33
23.10.2021 07:09+3Одно время заморачивался. Хотел сделать такую штуку, много читал форумов. Практики гауссостроения пробовали и реализовывали всё. А многие "улучшения" в статье разбиваются о практику.
Разные катушки в разных ступенях, рекуперация. Старо как мир и активно применяется. Второе - реже, потому что мост против одного ключа удваивает потери на транзисторах и увеличивает стоимость коммутационного узла в 4 раза.
Активное управление, ШИМ? На скорости даже 10 м/с снаряд пролетает мимо катушки за 10 - 15 тактов процессора.
Ловить прохождение снаряда по изменению индуктивности: это детектирование колебания в единицы миллиампер (хорошо если так) на иголке в сотню ампер.
Шариковые снаряды: малый объем ферромагнетика, мгновенное насыщение и бесполезность увеличения импульса в катушке.
Впрочем, за статью спасибо. Наткнусь еще на парочку таких, вдохновлюсь, и вместо написания комментов пойду таки мотать катуху..
yatanai
23.10.2021 09:05+22 - Это о каком мк речь идёт? Уже давно доступны камни с +300МГц на борту. На крайний случай можно использовать FPGA или сделать логику асинхронной (на FPGA вполне реально замерять время импульсов с точностью в 1нс, но вот "отдавать приказы" придётся на меньшей скорости ~8-2нс)
UPD Немного не подумал, там же АЦП используются? В мк они все медленные, а быстрые стоят по 200 бачей, которые хотя бы 1Гсэмпл берут. Давно смотрел мб цены поменялись*Kudesnick33
23.10.2021 10:17+1Поигрался с FEMM. Да, с МК я промахнулся. Время пролета снаряда через катушку - порядка сотен микросекунд. При 500 МГц у нас есть десятки тысяч тактов. Но я в упор не понимаю, что там можно намерить. Это надо ловить миллиамперы при размахе сигнала в сотни ампер. Дифференциал тоже не поможет, ибо ток импульсный и производная взлетает до небес. Это про АЦП. Про отдавать приказы: их еще надо исполнять. Ключ на 1000 А и 500 В не откроется за наносекунды.
P. S. Да, я понимаю, что при неограниченности бюджета эти задачи решаемы.
DAN_SEA Автор
23.10.2021 10:26+2Да, вы всё правильно говорите. Ну тут просто какое дело: я "подсветил" некоторые моменты, которые просто "режут глаз", когда начинаешь рассматривать эту тему. Решать каждый конкретный выявленный момент или не решать - для этого нужно обстоятельное исследование каждого из вопросов. В том числе, с пониманием, сколько бюджета есть в наличии :-). Хотя, можно пойти и простым путём - как на видео в статье, где люди достигли вполне впечатляющих результатов, даже без этих сложностей. Но, я просто хочу сказать, - что потенциал есть. И он далеко не исчерпан.
d33
23.10.2021 10:32+1По моему, проще сначала отстрелять разными пулями, намерять все что можно, внести в таблицу, и проц просто будет брать табличные значения автоматически в зависимости от веса. Ключевой фактор - начальная скорость пули, от нее и надо отталкиваться при тюнинге.
DAN_SEA Автор
23.10.2021 10:37Верно, просто я имел в виду - сделать то же самое, только калибруясь "наживую". То есть: стреляем 10 пулями, проц знает длину ствола, количество катушек, вес пули. И пытается на заданной длине разогнать её по максимуму. После 10 выстрела - наилучшее сочетание параметров - записывается в прошивку: "пушка" под конкретную пулю откалибрована. В дальнейшем, при обычной, "типовой" стрельбе - проц отслеживает параметры движущейся пули и старается их подогнать под хранящийся в памяти "идеальный профиль выстрела". Как то так...
Kudesnick33
23.10.2021 13:11+1Да, в первом приближении это так. Во всяком случае, затраты несравнимо меньше. Но корректировка всё равно нужна после каждого выстрела. Самый "гуляющий" параметр в системе - это емкость и ESR конденсаторов. Она очень здорово плывет от температуры. Другое дело, что табличная кориектировка на основе отклонений скорости прохождения предыдущей ступени - весьма посильная задача даже для хиленького МК. Моя мысль сейчас работает в этом направлении.
AndreyHenneberg
26.10.2021 13:502. Для задания тока/напряжения на катушке можно использовать внешний модуль ШИМ/ЦАП, который может работать уже, фактически, на любой скорости, не привязанной к тактовой частоте процессора. Надо только придумать, как и в какой момент его настраивать. Например, его можно настраивать заранее, прогнозируя скорость снаряда и к моменту, когда катушку надо задействовать, ШИМ/ЦАП уже будет гнать сигнал и останется только подать его на ключ. Как вариант — сделать отдельные контроллеры на катушки, чтобы каждый рассчитывал значение для своего участка на основе времени прохождения предыдущих участков. Идея сырая, вот прямо сейчас придумал, но мне она кажется рабочей.
3. А если использовать сенсор не для измерения скорости «на месте», а для определения, времени прохождения участка между предыдущим датчиком и текущим? Мне кажется, так вполне можно замерять скорость, не упираясь в стену производительности АЦП. Да, точность будет несколько меньше, но, как мне кажется, если все расчёты привести не к скорости снаряда, а ко времени прохождения участка, предшествующего датчику, может получиться довольно неплохо.Kudesnick33
26.10.2021 14:52А чем внешний модуль ШИМ отличается от встроенного? Встроенный всяко быстрее настроить, ибо напрямую регистры дергать можно. Тут проблема в том, что у IGBT ключа время вкл/выкл порядка сотен нс. Частота ШИМ должна быть на порядок ниже, иначе вся энергия выделится на транзисторе. Любой ШИМ здесь - снижение КПД.
С учетом скорости пролета пули проще использовать одновибратор с управляемой длительностью импульса. И с управляемой задержкой включения, соответственно.
Но таки да - коррекция этих двух параметров на основе времени пролета между двумя датчиками видится единственной практической возможностью.
Остается только построить таблицу поправок и можно не заморачиваться с высокопроизводительными чипами.
AndreyHenneberg
26.10.2021 15:11В электронике, к сожалению, не особо силён: я всё-таки больше программист, хотя и пытаюсь расширить область применения рук и мозгов. Но да, если контроллером каким-то образом задавать две задержки — на запуск импульса и на его длительность — должно работать даже на достаточно больших скоростях. А если за весь ствол не будет думать один контроллер, то и времени на экстраполяцию у него должно хватить. Благо, уже есть в доступе достаточно дешёвые контроллеры с тактовой частотой в сотни мегагерц.
Кстати, получается, что вообще всё можно сводить одной единице измерения — времени, а остальное — различные константы. По крайней мере, на момент начала ускорения снаряда эти значения будут константами и их можно будет преобразовать в несколько промежуточных констант, которые уже подставлять в формулы вместе со временем.Kudesnick33
26.10.2021 23:55Вот я тоже примерно в этом направлении думаю. Запилить ступенек эдак 8. А на мозги должно и одного МК хватить. Он же все равно последовательно все времена считает.
AndreyHenneberg
27.10.2021 00:12Мне кажется, что всё-таки лучше, чтобы за каждый участок отвечал свой контроллер. Это и гарантия запаса производительности, и большая ремонтопригодность.
Kudesnick33
27.10.2021 06:23Позволю себе заметить минусы такого решения:
Оверхед на разработку. Как минимум, в каждом МК своя калибровочная таблица. Плюс минимальное взаимодействие между отдельными ступенями реализовывать придется.
Трудности с комплексной отладкой.
Производительность тут большая не нужна. Измерения интервалов, выдержка времени импульса - это всё аппаратные функции периферии МК. Выбор по таблице - копеечная операция.
Основные вычислительные мощности в таком проекте пойдут на мониторинг состояния конденсаторов и аккумуляторов и отображение этого добра на какой-нибудь показометр.
Вообще, думаю сначала провести моделирование, чтобы оценить, можно ли ожидать от такого адаптивного управления прироста эффективности или проще поставить одновибраторы на 555 и один раз откалибровать? Хотя для экспериментов и диагностики это будет негибко совсем.
AndreyHenneberg
27.10.2021 14:15Если снаряды будут разными, то настройка должна производиться динамически и тут одного процессора может не хватить. Но это надо проверять. А калибровочные таблицы и так будут разными для разных участков, так что не имеет значения, будут ли они все залиты в один контроллер, по одной в контроллер отдельной секции или как-то сгруппированы в нескольких контроллерах.
MichaelBorisov
23.10.2021 11:06+2Я занимался расчетом предельно достижимых параметров.
Действие гаусс-ружья основано на вхождении ферромагнетика в некоторый объём. Если в этом объёме было магнитное поле — то его энергия при этом уменьшается. Уменьшение энергии магнитного поля идет на ускорение снаряда.
Ферромагнетики имеют такую проблему, как насыщение. При некоторой предельной величине магнитного поля они перестают действовать. Дальнейшее повышение магнитной индукции не имеет смысла, так как не приводит к более высокому ускорению снаряда. А каждый лишний мТл поля — это более высокий ток в катушке, большие потери на ее сопротивление.
Наибольшую индукцию насыщения имеет сплав железа-кобальта "Пермендюр" с индукцией насыщения 2-2,4Тл. Можно также использовать трансформаторную сталь. Но мало выточить из такого материала пулю — ее еще нужно подвергнуть термообработке, иначе индукция насыщения будет меньше.
Так вот, представим себе, что дуло заполнено полем в 2Тл. В это дуло входит длинный стержень из ферромагнетика. Тогда почти вся энергия магнитного поля переходит в кинетическую энергию стержня. Нетрудно посчитать эту энергию, задавшись геометрией дула.
Если входит не стержень, а пуля небольшой длины — то результаты расчета от этого не меняются, при условии, что магнитное поле отключается за пулей по мере ее прохождения через ствол. Также не обязательно включать все магнитное поле сразу, а достаточно только непосредственно перед подхождением к нему пули. Так и получается стандартная конструкция гаусс-ружья.
Из тех результатов расчетов, что я запомнил, выходит следующее. Чтобы ускорить пулю массой 10г и диаметром 10мм до скорости звука — нужно иметь дуло длиной порядка 2м.
Если же используется не пермендюр, а феррит с полем насыщения в 0,6Тл — то потребуется дуло длиной в 10м.DAN_SEA Автор
23.10.2021 11:34А можно пульку попробовать взять в 5грамм и 5мм диаметром - тогда понадобится ствол в 1 метр (понятно, что я утрирую, наверняка там не так всё линейно, но всё же...)
Или вообще взять вот тот, другой вариант, про который я писал - пушки Юткина. Вообще никаких катушек - искру в воду дали и "пуля ушла в космос" :-) . Эту тему никто не исследовал подробно (по крайней мере, в открытых источниках). Интернет - пуст ;-)
Возможно, по энергозатратам и простоте - будет проще "вкачать" джоули в электроразряд и разогнать снаряд до безумных скоростей, чем городить катушки...
MichaelBorisov
23.10.2021 18:17попробовать взять в 5грамм и 5мм диаметром
Чем больше диаметр ствола — тем больше его объём (V=l*pi*r^2), и тем больше энергия магнитного поля, отдаваемая пуле при прохождении ею через ствол. Так что уменьшение диаметра уменьшит достижимую скорость пули, а уменьшение её массы — наоборот, увеличит.vasimv
24.10.2021 03:58Ну, то есть пулю надо делать в виде пустотелого цилиндра или, лучше, кольца/тора? Заодно и направляющую можно сделать в виде стержня... Стабильность полета, конечно, будет хреноватенькой.
MichaelBorisov
31.10.2021 15:37в виде пустотелого цилиндра или, лучше, кольца/тора
Если пуля из ферромагнетика — то лучше сплошной цилиндр. Ведь кинетическая энергия пули растет за счет уменьшения энергии магнитного поля.
Энергия однородного магнитного поля равна произведению объёма, заполненного полем, на магнитную индукцию B, и на напряженность поля H.
При вхождении ферромагнетика в поле индукция остается прежней, а напряженность падает пропорционально магнитной проницаемости внесенного в поле тела. Так как проницаемость ферромагнетиков составляет 1-100 тысяч (в зависимости от материала) — то и энергия поля убывает в такое же количество раз, т.е. практически до нуля.
AndreyHenneberg
26.10.2021 13:05дуло длиной порядка 2м
Извините, глаз от такого дёргается. Потому что…Ду́ло — передний конец, выходное отверстие ствола огнестрельного оружия.
Википедия
То есть у него не может быть такой размерности, как длина. А то, о чём Вы пишете называется стволом.
MilesSeventh
24.10.2021 18:08У меня как-то была задумка использовать полупериодный генератор Кокрофта в качестве батареи конденсаторов, чтобы они заряжались параллельно, а разряжались последовательно, упрощая таким образом преобразователь, но проверить так и не получилось, понять, должно ли это работать -- тоже, потому что дурак.
AndreyHenneberg
26.10.2021 13:19Винтовка Гаусса состоит из
Винтовка — это оружие с нарезным стволом. А у ружья Гаусса не то, что нарезов нет, в нём снаряд даже не должен касаться стенок ствола, потому что во время выстрела оказывается подвешенным в магнитном поле. И главная проблема, которую я наблюдал у всех моделей, описания которых мне попадались, это именно отсутствие стабилизации снаряда, ради которой огнестрельному оружию и начали нарезать ствол.DAN_SEA Автор
26.10.2021 14:47Всё верно, поправил ;-)
Насчет стабилизации: тоже много думал. И появилось 2 идеи: 1) некрасивая - потому что дорогая; 2) красивая.
1) снаряд содержит выдвижные крылышки - как у ракет ручных огнеметов или ракет систем залпового огня,
2) красивая - когда каждая катушка не цельная, а сегментная. И даже не катушка - а соленоиды - как "лучи солнца" идущие вокруг ствола. Теоретически, такая компоновка дает возможность закрутить снаряд, помимо его ускорения. Правда будет ли такое работать в реале -не уверен.
P.S. а сам снаряд - то магнит. По сути система представляет собой принцип обычного электродвигателя - где вал, помимо его закручивания, - еще и "всасывается" одной катушкой, за другой.AndreyHenneberg
26.10.2021 15:311. Скорее, как на выстрелах РПГ-7: там стабилизаторы раскрываются назад, а потом не требуется удерживать их пружинами или ещё каким-то силовым элементом.
Собстсвенно, есть даже управляемые пули калибра .50, у которых внутри есть источник питания, какие-то крылышки и на носу инфракрасный приёмник для приёма сигнала подсветки. Понятно, что за гоняться целью, как любят показывать в кино, такая пуля не будет, но скорректировать траекторию позволяет. Потому что таким калибром обычно стреляют на пару километров и пуля летит туда несколько секунд.
Но да, дорого и неинтересно, потому что если дорого, то можно и традиционными решениями обойтись, а прикол гауссгана в том, что он может стрелять гвоздями. Как в «Пятом Иностранном Легионе». И снаряд даже ствола не касается, так что реально хоть гвоздями.
2. Ну как, есть же асинхронные двигатели, у которых якорь — просто кусок металла сложной формы и закручивается бегущим магнитным полем за счёт наведённых на якорь токов. Правда, тут есть проблема: якорь асинхронного двигателя имеет сложную форму, да и не монолитный он. В общем, мне идея с использованием такого эффекта уже приходила в голову, но как-то получается не очень.
Возможно, на больших скоростях получится использовать аэродинамическую закрутку с помощью «нарезки» на самом снаряде или за счёт формирования простого оперения. Тогда на большой скорости он будет стабилизироваться за счёт обтекания плотным потоком воздуха, а при снижении скорости — за счёт оперения. И, думаю, надо посмотреть на решения, используемые в охотничьем гладкоствольном оружии: там ситуация схожая, как мне кажется.DAN_SEA Автор
26.10.2021 17:23Есть еще вариант "дурного на вид ружья-переломки" : пуля насажена на винтовой стержень, и у самой пули внутри резьба. Небольшая - где-нибудь 0,1 оборота на длину пули. Заряжается как охотничья переломка - переламываем ствол, вставляем пулю, насаженную на стержень, закрываем ствол. При выстреле- пуля улетает, а резьбовой закручивающий стержень - остается (как патрон обычно остается после выстрела, так и тут).
Да, медленно. Но если пуля уходит на субсветовой скорости - почему бы и нет, можно и заморочиться с переламыванием ствола...
AndreyHenneberg
26.10.2021 17:43Тогда проще сделать «патронник» с резьбой, а снаряду накатать резьбу. Получится, что снаряд выглядит наподобие продольно перекрученной пластины, только это будет не пластина, а стержень с накаткой. К сожалению, такой способ лишает ускоритель универсальности, потому что для каждого снаряда нужен свой вкладыш для патронника.
Помнится, для настольной игры прорабатывал такое чудовище, у которого было три вида штатных боеприпасов: резаная проволока a.k.a. гвозди, патроны от чего-то огнестрельного (пуля тяжелая, а поскольку летит вместе с разгонным зарядом, то ещё и немножко взрывается), и какие-то гранаты чего-то вроде подствольника. Причём, первые два были в параллельных магазинах и переключались на ходу, а гранаты засовывались поштучно. И всё выстреливалось через один ствол. В общем, как мне кажется, одно из преимуществ гауссгана — это вот такая универсальность, потому что снаряд подвешивается магнитным полем по оси ствола. Остаётся только вопрос оптимизации разгона.
P.S. Да, идею чудовища честно спёр из «Пятого Иностранного легиона».
iboltaev
26.10.2021 16:55+1можно скомбинировать, начальный разгон на эффекте Юткина, доразгон катушками. Перед пневматическим предварительным разгоном некоторое преимущество в том, что источник тока у нас уже есть, и не нужны баллоны с воздухом.
DAN_SEA Автор
26.10.2021 17:13Вполне себе вариант. Только есть один маленький нюанс - с очень большой вероятностью, эффекта Юткина будет достаточно, для решения большинства задач :-))) Даже катушки не понадобятся в принципе.
Просто некоторые цифры: давление пороховых газов у дульного среза автомата Калашникова, - порядка 850 атмосфер. Охотничьего гладкоствольного ружья - около 100 атмосфер. Эффект Юткина дает - 100 000 атмосфер и более (смотря сколько энергии "вкачано" в разряд). Так что...есть немалая вероятность только разрядными электродами и капелькой воды и ограничиться :-)
Опять же повторюсь, исследования такого рода в сети отсутствуют. Интернет - пуст;-) Так что - "may be or may be not".
iboltaev
26.10.2021 17:31ну нет, сравнивать у дульного среза давление газа и давление жидкости в камере - это совсем разные вещи. В гильзе при воспламенении пороха вполне себе те же 100к атм могут быть. Плюс там газовая динамика, разгон идет на всей длине ствола, а тут - на маленьком участке в гидравлической камере. Так что точно эффекта Юткина не хватит.
AndreyHenneberg
26.10.2021 18:12Что мешает сделать ствол для разгона? По сути, получим ту же самую пневматику, только не на воздухе, а на пару, или что там получается в результате взрыва. Такой вот стимпанк в космосе.
iboltaev
26.10.2021 18:33пара слишком мало, и рабочее тело для разгона он довольно дерьмовое - показатель адиабаты вроде как не очень, конденсируется, является смесью агрегатных состояний итд
AndreyHenneberg
26.10.2021 17:48и не нужны баллоны с воздухом.
Толпы страйболистов с Вами не согласятся. Вам стоит вспомнить, что такое «привод». То есть для ускорителя на эффекте Юткина нужная жидкость, которая в данном случае — вода, а в случае с пневматическим разгоном она не нужна. Как вариант, можно использовать даже механический толкатель, тогда и воздух не нужен.iboltaev
26.10.2021 18:30для пневматики нужен насос, для механического толкателя - рычаг взвода пружины, перед каждым выстрелом придется его дергать, это позапрошлый век уже. Баллоны с воздухом травят. А воды нужно немного, ее гораздо проще хранить, она даже не расходуется, насколько я понял.
AndreyHenneberg
26.10.2021 19:31Открываем «Утку», «гугл» или чем Вы там пользуетесь, вбиваем в поле ввода: «страйкбольный привод». Первая же ссылка в «Утке» — статья в Википедии "Страйкбольный привод". А в этой статье есть картинка, которая показывает, как это всё работает без «насоса». Вот эта картинка:
Да, это маломощный вариант, но что мешает придумать что-то помощнее? Упомянутая в статье винтовка Жирардони вполне неплохо стреляла, а нам тут даже не надо получать такое большое давление, потому что надо только придать снаряду начальную скорость, чтобы соленоиды не тянули его из состояния покоя.iboltaev
26.10.2021 19:44винтовка Жирардони вполне неплохо стреляла
это для 18 века она неплохо стреляла, со своим 1500 качаний насоса на 10-20 выстрелов. Ваш страйкбольный привод стравит баллон с воздухом за месяц. Не говоря уже о том, что надежность сразу в разы падает, так как в 2 раза больше точек отказа.
AndreyHenneberg
26.10.2021 20:03Вы правда такой или притворяетесь? Зачем приводу баллон? Да, есть газобалонная страйбольная пневматика, но привод — он потому и привод, что с ЭЛЕКТРОприводом. Ну прочитайте уже статью в Википедии, на которую я даже ссылку дал.
Kudesnick33
27.10.2021 06:43Мне кажется, все эти гибриды и хитрые снаряды убивают основные плюсы любительских ускорителей Гаусса: простоту механики и использование любого гвоздя в качестве ускоряемого тела. Использовать две ступени ускорения, работающих на совершенно разных физических принципах, каждая из которых может сама выдать нужный результат - такое себе. Да и каждая ступень в таком гибриде - это разные (порой, взаимоисключающие) требования к системе ствол - пуля.
DAN_SEA Автор
08.12.2021 10:51Кстати сказать, появилась интересная новость: "Нейросеть помогла китайским военным создать электромагнитный пистолет Гаусса — при длине ствола в 12 сантиметров он развивает мощность на уровне огнестрельных винтовок малого калибра".
RaymanOne
Как игрушка интересная штука