Рушниця Гауса або Gauss Gun. Тут я познайомлю вас з одним перспективним зброєю яке можна зробити в домашніх умовах за 20 хвилин. Принцип роботи гаус гана (далі ГГ) полягає в наступному: якщо подати на соленоїд постійна напруга, то будь-яке перебуває у одного з його кінців тіло з магнітного речовини втягнеться всередину нього. Це відбувається тому що котушка намагнічує тіло, і сама котушка з струмом є магнітом. Щоб тіло вилетіло з соленоїда, треба прибрати напругу в той момент, коли воно досягне його середини, тоді магнітне поле не заважатиме рухатися тілу далі за інерцією.

І як же дати короткочасний і потужний імпульс струму? Відповідь очевидна: Конденсатор!

Заряджаємо конденсатор і розряджати його на котушку. Головне розрахувати, щоб ємності вистачило до того моменту коли снаряд досягне середини, тоді достигнется найбільший ККД. Ось вобщем то і вся теорія.

Найпростіша одноступінчатий ГГ

Найпростіша одноступінчатий ГГ (схема на малюнку) складається з батареї накопичувальних конденсаторів, комутатора струму (напівпровідниковий – тиристор або транзистор, або електромеханічний – реле), блоку живлення і соленоїда.

На практиці ККД одноступінчастого прискорювача не перевищує 1% (7% при застосуванні обмоток певної форми).

Випрямляч

Випрямляч використовується для зарядки електролітичних конденсаторів від мережі 220V 50Hz. Резистор бажано використовувати великої потужності і встановити на радіатор. Діоди будь-які, на напругу 350V.

Накопичувальна батарея складається з 3 електролітичних конденсаторів з’єднаних паралельно – сумарна ємність 3000 мкф і напруга 300V. Соленоїд виконаний проводом діаметром 0,8 мм на стержні від гелевою ручки. Довжина обмотки 5см. Котушка багатошарова (5 шарів, ізольованих один від одного ізоляційною стрічкою). Опір 0,3 Ом.

З’єднання соленоїда й батареї конденсаторів здійснюється механічним ключем. Як снаряда добре підходить свердло діаметром 3мм або цвяхи.

Запуску прискорювача

Для запуску прискорювача помістіть снаряд у стовбур, як на малюнку. Підключіть паралельно конденсаторам вольтметр. Увімкніть випрямляч в мережу. Підключіть конденсатори до випрямляча. Дочекайтеся, поки вольтметр покаже напруга 300V (або інше, на яку розраховані конденсатори). Вимкніть випрямляч від конденсаторів і мережі. Замкніть конденсатори на котушку.

Придбаної снарядом енергії достатньо для пробивання наскрізь лист картону товщиною 1мм або шматок пінопласту завтовшки 4мм.

А ось і моя ГГ.

НАСТУПНИЙ ЗРАЗОК

Володіти зброєю, яке навіть в комп’ютерних іграх можна знайти тільки в лабораторії божевільного вченого або біля тимчасового порталу в майбутнє, – це круто. Спостерігати, як байдужі до техніки люди мимоволі фіксують на пристрої погляд, а завзяті геймери спішно підбирають з підлоги щелепу, – заради цього варто витратити день на складання гармати Гаусса.

Як водиться, почати ми вирішили з найпростішої конструкції – Однокатушечний індукційної гармати. Експерименти з багатоступеневим розгоном снаряда залишили досвідченим електронникам, здатним побудувати складну систему комутації на потужних тиристорах і точно налаштувати моменти послідовного включення котушок. Замість цього ми сконцентрувалися на можливості приготування страви з повсюдно доступних інгредієнтів. Отже, щоб побудувати гармату Гаусса, насамперед доведеться пробігтися по магазинах. У радіомагазині потрібно купити кілька конденсаторів з напругою 350-400 В і загальною ємністю 1000-2000 микрофарад, емальований мідний дріт діаметром 0,8 мм, батарейні відсіки для «Крони» і двох 1,5-вольтів батарей типу С, тумблер і кнопку. У фототовари візьмемо п’ять одноразових фотоапаратів Kodak, в автозапчастинах – найпростіше чотирьохконтактне реле від «Жигулів», в «продуктах» – пачку соломинок для коктейлів, а в «іграшках» – пластмасовий пістолет, автомат, дробовик, рушницю або будь-яку іншу гармату, яку ви захочете перетворити в зброю майбутнього.

Мотаємо на вус

Головний силовий елемент нашої гармати – котушка індуктивності. З її виготовлення варто розпочати складання знаряддя. Візьміть відрізок соломинки довжиною 30 мм і дві великі шайби (пластмасові або картонні), зберіть з них бобіну за допомогою гвинта і гайки. Почніть намотувати на неї емальований провід акуратно, виток до витка (при великому діаметрі дроту це досить просто). Будьте уважні, не допускайте різких перегинів проводу, не зашкодить ізоляцію. Закінчивши перший шар, залийте його суперклеєм і починайте намотувати наступний. Робіть так з кожним шаром. Всього потрібно намотати 12 шарів. Потім можна розібрати бобіну, зняти шайби і надіти котушку на довгу соломинку, яка послужить стовбуром. Один кінець соломинки слід заглушити. Готову котушку легко перевірити, підключивши її до 9-вольтової батарейці: якщо вона утримає на вазі канцелярську скріпку, значить, ви домоглися успіху. Можна вставити в котушку соломинку і випробувати її в ролі соленоїда: вона повинна активно втягувати в себе відрізок скріпки, а при імпульсному підключенні навіть викидати її зі стовбура на 20-30 см.

Препаруємо цінності

Для формування потужного електричного імпульсу як не можна краще підходить батарея конденсаторів (в цій думці ми солідарні з творцями найпотужніших лабораторних Рельсотрон). Конденсатори хороші не тільки великою енергоємністю, але і здатністю віддати всю енергію протягом дуже короткого часу, до того як снаряд досягне центру котушки. Однак конденсатори необхідно якось заряджати. На щастя, потрібне нам зарядний пристрій є в будь-якому фотоапараті: конденсатор використовується там для формування високовольтного імпульсу для спостереження за полум’ям спалаху. Найкраще нам підходять одноразові фотоапарати, тому що конденсатор і «зарядка» – це єдині електричні компоненти, які в них є, а значить, дістати зарядний контур з них простіше простого.

Розбирання одноразового фотоапарата – це етап, на якому варто почати проявляти обережність. Розкриваючи корпус, намагайтеся не торкатися елементів електричного кола: конденсатор може зберігати заряд протягом довгого часу. Отримавши доступ до конденсатора, першим ділом замкніть його висновки викруткою з ручкою з діелектрика. Тільки після цього можна торкатися плати, не побоюючись отримати удар струмом. Видаліть з зарядного контуру скоби для батарейки, відпаяти конденсатор, припаяйте перемичку до контактів кнопки зарядки – вона нам більше не знадобиться. Підготуйте таким чином мінімум п’ять зарядних плат. Зверніть увагу на розташування провідних доріжок на платі: до одних і тих же елементів схеми можна підключитися в різних місцях.

Розставляємо пріоритети

Підбір ємності конденсаторів – це питання компромісу між енергією пострілу і часом зарядки знаряддя. Ми зупинилися на чотирьох конденсаторах по 470 микрофарад (400 В), з’єднаних паралельно. Перед кожним пострілом ми протягом приблизно хвилини чекаємо сигналу світлодіодів на зарядних контурах, які повідомляють, що напруга в конденсаторах досягло покладених 330 В. Прискорити процес заряду можна, підключаючи до зарядних контурам по кілька 3-вольтів батарейних відсіків паралельно. Проте варто мати на увазі, що потужні батареї типу «С» володіють надлишкової силою струму для слабеньких фотоапаратних схем. Щоб транзистори на платах не згоріли, на кожну 3-вольтів збірку має припадати 3-5 зарядних контурів, підключених паралельно. На нашому знарядді до «зарядку» підключений тільки один батарейний відсік. Всі інші служать в якості запасних магазинів.

Визначаємо зони безпеки

Ми нікому не порадимо тримати під пальцем кнопку, розряджає батарею 400-вольтів конденсаторів. Для управління спуском краще встановити реле. Його керуючий контур підключається до 9-вольтової батарейці через кнопку спуску, а керований включається в ланцюг між котушкою і конденсаторами. Правильно зібрати гармату допоможе принципова схема. При збірці високовольтного контуру користуйтеся дротом перетином не менше міліметра, для зарядного і керуючого контурів підійдуть будь тонкі дроти. Проводячи експерименти зі схемою, пам’ятайте: конденсатори можуть мати залишковий заряд. Перш ніж торкатися до них, розряджайте їх коротким замиканням.

Підводимо підсумок

Процес стрільби виглядає так: включаємо тумблер живлення; чекаємо яскравого світіння світлодіодів; опускаємо в стовбур снаряд так, щоб він виявився злегка позаду котушки; вимикаємо харчування, щоб при пострілі батареї не відбирали енергію на себе; прицілюємося і натискаємо на кнопку спуску. Результат багато в чому залежить від маси снаряда. Нам за допомогою короткого цвяха з откусанной капелюшком вдалося прострілити банку з е нергетіческім напоєм, яка вибухнула і залила фонтаном полредакціі. Потім очищена від липкої газованої води гармата запустила цвях у стіну з відстані в півсотні метрів. А серця шанувальників фантастики і комп’ютерних ігор наше знаряддя вражає без всяких снарядів.

Прискорювачі мас – від швидкісного метро до космічного польоту

Розглянута нещодавно рейкова гармата була одним з видів так званих прискорювачів мас (англ. Mass driver). Прискорення в магнітному полі за рахунок сили Лоренца використовується не тільки в експериментальних гарматах, а й у широкому спектрі промислових і наукових пристроїв. Сьогодні розглянемо найближчого родича рейкової гармати – гармату Гаусса та її більш мирні похідні.

Напевно багато хто пам’ятає серію ігор Fallout, де зброя під назвою Gauss rifle стріляло невеликими кульками, маючи найбільший з усіх видів легкої зброї показник утрати і пробивну силу. Гвинтівка була промальована з кількома послідовно розташованими котушками на стовбурі. Ці котушки – електромагніти – і розганяли кулі в стволі.

Принцип роботи гармати Гаусса (англ. Coil gun) найбільш наочно пояснюється наступним малюнком

Феромагнітний снаряд «засмоктується» всередину котушки (соленоїда) з певним прискоренням. По досягненні середини куля продовжує рухатися за інерцією. Однак тепер сила магнітного поля тягне її назад до центру. Таким чином, ми підходимо до першої проблеми – при досягненні розганялися тілом середини магнітного поля котушки це поле починає перешкоджати подальшому руху і повинно відключатися.

Зрозуміло, що чим вище буде напруга і сила струму, що прикладається до котушок, тим сильніше буде вплив магнітного поля на снаряд. І тут криється друга проблема – швидке перемикання заряду між котушками. Не дивлячись на сотні аматорських сайтів і десятки тисяч можливих конструкцій гармат Гаусса, ефективного і технологічно простого механізму перемикання досі не створено. Головна проблема – При високих значеннях сили та напруги струму перегорають кремнієві елементи. Механічне ж перемикання або дуже неточно, або вкрай складно у виготовленні.

Джерелом живлення в усіх наявних на сьогодні моделях прискорювачів подібної конструкції служать блоки конденсаторів. При цьому, ККД перетворення енергії магнітного поля котушки в кінетичну енергію снаряда не перевищує 2%. Кращі зразки саморобних спіральних гармат (coilgun) мають енергію кулі при пострілі в 5-6 Дж. Це в кілька разів менше, ніж у спортивного пневматичного пістолета.

Нічого краще, з того, що можна носити руками, не змогли створити і наукові установи. За все тим же причин – неможливість своєчасного перемикання зарядів між котушками, відсутність невеликих джерел харчування, неможливість точного відключення поля при проходженні його середини. Незважаючи на гадану простоту конструкції, на існуючій технологічній базі світовій науці створити нічого путнього не вдалося.

Пристрої, які розроблялися як військові, не змогли навіть наблизитися за ефективністю до вогнепальної зброї. Так що про гвинтівках з Fallout можна забути. Найближчий варіант електромагнітної гармати – Згадуваний Railgun.

Зате у подібних прискорювачів величезний потенціал цивільного застосування. Більше того, він давно реалізований в промисловості та транспортній сфері. У більш вузькому розумінні це пристрій відомо як соленоїд і лінійний двигун. Такі двигуни широко застосовуються у високошвидкісних поїздах. Конструктивно лінійний двигун представляє з себе всі ті ж ротор і статор звичайного електромотора. Але обмотки ротора нерухомі на шляху проходження транспортного засобу, а обмотки статора вмонтовані в нього. В результаті при додатку електричного струму ротор, будучи прикріплений, наприклад, до поїзда, рухає його вздовж рейок – статорів. Живий приклад – поїзд на магнітній подушці Maglev.

Ще більш поширена сфера застосування лінійних двигунів – високоточні маніпулятори у верстатах, сучасних автоматичних дверях та інших схожих пристроях. В цілому – скрізь, де є необхідність перетворення електроенергії в прямолінійний рух певних об’єктів. Автолюбителі можуть пригадати часто виходять з ладу соленоїди бі-ксенонових фар. Так-так, там теж є мініатюрні електромагнітні котушки, а шторка лінзи \ лампа рухається втягуванням в них феромагнітного циліндра. Повернення у вихідний «ближній» світло забезпечує механічна пружина.

З екзотичних способів застосування прискорювачів на основі соленоїдів варто відзначити концепцію запуску об’єктів в космос без допомоги ракет. Передбачається, що, побудувавши багатокілометровий тунель з одного або декількох соленоїдів, можна забезпечити достатню для подолання земного тяжіння швидкість розгону тіла. При цьому, на відміну від рейкової гармати або звичайного пострілу на основі теплового розширення газів, що запускається об’єкту забезпечується порівняно плавне прискорення. Це робить можливою відправку не тільки складного і крихкого наукового обладнання, боїться перевантажень, але так само і людини. Причому, живого! :)

Прискорення в подібних установках можна контролювати збільшенням напруги і сили струму. Ну і фрагментарно відключати поле на багатокілометрової встановлення значно легше, ніж у невеликих установках з високими стартовими швидкостями снаряда. Наприклад, коли разгоняемая капсула досягне заданої швидкості, вона не обов’язково зробить це в середині тунелю. Відключення можна провести на певній ділянці, до входу в протилежний магнітний полюс соленоїда. Також не виключається можливість застосування декількох котушок і перемикання струму між ними.

У звичайних умовах розташовувати подібні комплекси планується або глибоко під землею, з направленням шахти строго вгору, або вздовж схилів високих гір. В обох випадках вирішується проблема опори гігантських металевих конструкцій. Скільки важить багатокілометрова котушка мідного кабелю і її опори, навіть не хочеться рахувати. Бажаючі можуть потримати в руках трансформатор, порівнявши співвідношення ваги до розміру :)

Варто зауважити, що більш перспективним вважається будівництво подібних космічних прискорювачів на нашому природному супутнику – Місяці. Практична відсутність атмосфери і низька гравітація + низька навколишнє температура відкривають фантастичні перспективи для надпровідних магнітів. Монорельсовий прискорювач на основі лінійного двигуна або тунель з соленоїдів планується розміщувати горизонтально на поверхні Місяця під невеликим кутом. Харчуватися установка може або від сонячних батарей, або від привезених на Місяць ядерних реакторів. Таким чином, космічному апарату повідомлялася б висока початкова швидкість, а далі в справу вступають іонні двигуни.

Місяць у такому вигляді перетворилася б на перевалочну базу для подальшого освоєння Сонячної системи. Або навіть у перший земної космопорт. Це, до речі, є однією з причин пріоритетного освоєння нашого супутника. Якщо згадати, що на Місяці практично доведено існування в реголіті (місячному грунті) великої кількості гелію-3, то все це навіть знаходить сенс. Поясню для тих, хто не в курсі: Гелій-3 цікавий в якості палива для керованого термоядерного синтезу. У земних умовах гелій-3 поширений дуже слабко, в атмосфері його міститься 0,000137%. На Землі гелій-3 добувають тільки шляхом штучного синтезу. Річний обсяг виробництва складає всього кілька десятків грамів. У той же час в реголіті зміст цього ізотопу становить 0,04% або 0,01 грама на тонну. Щоб зрозуміти енергетичну цінність, досить сказати, що при реакції 1 тонни гелію-3 з 0,67 тоннами дейтрія, вивільняється енергія, еквівалентна згорянню 15 млн. тонн нафти. Принципова можливість керованого термоядерного синтезу на основі гелію-3 підтверджена, проте будівництво комерційного реактора не має сенсу, оскільки знадобляться сотні кілограм цього палива, які при поточних обсягах синтезу взяти найближчі 100-200 років буде ніде.

Нескладно уявити, що гігантські прискорювачі, що живляться термоядерними реакторами, будуть здатні розганяти космічні апарати до швидкостей, при яких подорож до віддалених планет займатиме місяці, а не роки. А якщо згадати, що прискорювачу не обов’язково бути прямим і тунель можна побудувати спіральним, із закінченням у довільну сторону, то можливості виходять дійсно революційними.

Загалом, подібне перетворення електроенергії в кінетичну має масу застосувань, крім військового. І, можливо, до кінця 2020-х років ми навіть це побачимо.

Джерело: Зроби сам