Однокатушечная электромагнитная пушка Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

«эдущадум-лоугм&у »вттлмд / technical SCHMCE_17

УДК 537.1

Рустамов Н. Т., Досанов Н.Е, Жапаров Е.О.

Международный казахско-турецкий университет имени Х.А.Яссави, Казахстан

ОДНОКАТУШЕЧНАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ПУШКА

Rustamov N. T., Dossanov N., Zhaparov E.O.

International Kazakh-Turkish University. HA.Yassaviyy, Kazakhstan

UNCOIL ELECTROMAGNETIC WEAPON

Аннотация.

В работе рассмотрен вопрос, связанный с использованием магнитной энергии скопленной на соленоиде. Создание импульсной магнитной энергии в соленоиде, порождает большой импульсной силы Лоренца. В работе используя эти силы, разработана одно катушечная разгонная среда. В эту систему, располагая металлический предмет, получен электромагнитная пушка. Предложен электрическая схема такой конструкции и макетный вариант. Приводится техническая реализация предложенного устройства. Отмечается, что предложенную конструкцию можно использовать не только в военных целях.

Abstract.

The paper deals with the issue of the use of magnetic energy accumulated on the solenoid. The creation of pulsed magnetic energy in a solenoid generates a large impulsive Lorentz force. In work using these forces, one coil accelerating medium was developed. By placing a metal object in this system, an electromagnetic gun is obtained. An electrical circuit of such a design and a prototype version are proposed. The technical implementation of the proposed device is given. It is noted that the proposed design can be used not only for military purposes.

Ключевые слова. Импульсная магнитная энергия, катушка, соленоид, импульсная сила, конструкция, разгонная среда

Keywords. Pulsed magnetic energy, coil, solenoid, pulsed force, design, accelerating medium

Введение. Электромагнитный способ приведения снаряда в движение был предложен еще в начале 19 столетия, но отсутствие надлежащих средств накапливания электрической энергии мешало его реализации. Последние разработки привели к значительному прогрессу в накоплении электрической энергии, и, таким образом, значительно возросла осуществимость систем вооружения с электромагнитными пушками.

Сообщается, что в 1845 такая пушка катушечного типа била использована для запуска металлического стержня длиной около 20м. Кристиан Бер-келенд, получил три патента на свою «электромагнитную пушку» [1]. В 1901г. Беркеленд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал ее для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с [2]. До поры до времени казалось невозможным увязать артиллерийских орудий с таким обширным использованием электричества. Только благодаря дальнейшим открытиям электромагнитная пушка стала полезной в бою. Затруднительным является то, что для пушки необходим специальный источник энергии. Коротко говоря, электромагнитная пушка находится в настоящее время в эмбриональной стадии. Но преждевременно пытаться делать выводы на основе ее несовершенства, что эта первая система вооружения в будущем не разовьется в полезное боевое средство поражения» [3].

Тем не менее, весной 1944г. доктор Иоахим Хэнслер и главный инспектор Бун-зель выполнили исследования по пушке катушеч-

ного типа [4]. В 1970-е годы ученые оказались более удачливыми. Во время испытаний одноступенчатой пушки катушечного типа, проводимых в институте Эрнста Маха в Вейле-на-Рейне в 1970г., Хас и Циммерманн разогнали металлическое ядро массой 1,3 г до скорости 490 м/с. В 1976г. в Советском Союзе Бондалетоз и Иванов разогнали металлическое ядро приблизительно такой же массы до скорости 4,9 км/с [5]. Металлическое ядро подвергалось чрезвычайно быстрому ускорению, такому быстрому, что оно, вероятно, недоступно для: орудийного применения. В принципе эти устройства работают в следующим образом. В цилиндрической обмотке (соленоиде) при протекании через нее электрического тока возникает магнитное поле. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида железный предмет, который от этого начинает разгоняться. Если в тот момент, когда железный предмет окажется в середине обмотки, ток в последней отключить, то втягивающее магнитное поле исчезнет и железный предмет, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки. Чем сильнее магнитное поле и чем быстрее оно отключается - тем сильнее вылетает железный предмет.

Целью работы состоит в поиске аргументов, доказывающих необходимость использования электромагнитной пушки в будущем, а также конструировании макета однокатушечной электромагнитной пушки.

Методы решение. С начала 1980-х годов электромагнитная пушка становится все более и более важной частью планируемых усовершенствований

«ш^шетим-лигмаьжш),^» / тшшюеАк еаимси

18

систем сооружения будущего. Физические законы, управляющие электромагнитной тягой снаряда, допускают более высокие скорости снаряда, чем скорости снарядов, приводимых в действие обычным способом - это существенное преимущество электромагнитной пушки.

Самой старой формой электромагнитной пушки, фактически созванной, является, вероятно, пушка катушечного типа. На рис. 1 показан ее ра-

бочий принцип. Пушка состоит из ствола (не показанного на рисунке) с рядом неподвижных катушек ускорения. Когда эти катушки последовательно электризуются, возникает перемещающееся магнитное поле, которое возбуждает ток в катушке снаряда. Как следствие, перемещающееся магнитное поле создает силу Лоренца «Г» , которая действует на силу тока катушки снаряда и таким образом сообщает снаряду ускорение.

Рис. 1. Принцип работы электромагнитной пушки катушечного типа

Чтобы определить на какое расстояние дойдет снаряд поступим следующим образом. В начале в соленоиде определяется траектория магнитного потока. Так как траектория магнитного потока считается прямолинейным. I - это длина магнитного потока через соленоид, ах- путь магнитных линий за пределами соленоида, который будет обнаружен во время расчета. Два х - причина того, что магнитное поле покрыто с обеих сторон соленоида.

Поскольку соленоид представляет собой электромагнитную систему, генерируется электромагнитная энергия Ш. Эта энергия в свою очередь представляет собой уравнение:

(1)

Здесь, Ь- индуктивность соленоида, Гн; I-текущее значение тока, заданное для соленоида, А.

Количество энергии в соленоиде, в свою очередь, используется для работы магнитного потока в соленоиде, то он равняется на:

Ш = А= ¥(х + х + 1) = Р(2х + I) (2)

Здесь, F- электромагнитная сила или сила Лоренца, Н.

Так как количество энергии в соленоиде используется для работы, то эти энергии будут равны между собой:

; I2

\ = ¥(2х + I) (3)

И индуктивность соленоида в свою очередь определяется по формуле:

Ь =

№0 и2

I

5 (4)

Здесь, ^ - магнитная проницаемость (безразмерная величина); ц.0 - магнитная постаянная,4п • 10-7 Гн/м; 5

площадь

поперечного сечение, м2.

Если формулу для индуктивности (4) поставить на уравнение (1) то получается:

21

(5)

Если уравнение (5) поставить на (3), то:

У-У-0 N2 с,2

21

Б12 = ¥(2х + I) (6)

Прежде чем составление уравнение, прежде всего выражаем уравнение электромагнитной силы:

р = ВЛ= цН11 =

(7)

Здесь, В - магнитная индукция, Тл; Н -напряженность магнитного поля, А/м. Из уравнении видно что магнитная индукция равно на В = ¡л.Ни напряженность в свою очередь равняется

2

2

/ TECHNICAL SCIENCE_19_

Формула (10) и есть расчетная формула для определения дальности снаряда.

Существует множество других вариантов пушки катушечного типа.

На различных этапах развития общества происходили качественные «скачки» в развитии техники: изобретение колеса, двигателя внутреннего сгорания, открытие возможности получения и использования электрической энергии и многое другое.

В данной работе предлагается одно катушечная электромагнитная пушка(рис.2). В котором, при протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь.

Рис.2. Одно катушечная электромагнитная пушка

на: Н = у = у. По формуле (7) определяется сила

действующая на снаряд.

А теперь на уравнению (6) на место силы можно поставить уравнение (7), то тогда получается:

= + I) (8)

Если открыть скобки и выражать х через остальные элементы, то получается:

2

ßß0 N' _

х = 2lß0l2N" - (10)

Как уже отметили, если в момент прохождения снаряда через середину соленоида отключить в нём ток, магнитное поле исчезнет, и снаряд по инерции вылетит из другого конца ствола.

Техническая реализация. Для наибольшего эффекта импульс тока в соленоиде должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлёта снаряда к середине обмотки ток, в последней уже успевал бы уменьшиться до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки будет максимальным.

Рис. 3. Электрическая схема однокатушечной элмагнитной пушки(ОКЭП)

При использований схемы с удвоенным напряжением происходит сбой при заряде конденсаторов и увеличивается нагрузка обратному напряжению на выпрямительные диоды. В связи с высше указанным, более практичной и рациональной была принята вышее указаная схема. В ней применен оригинальный метод удвоения напряжения цепи, с помощью релейно- контактных элементов.

Схема работает следующим образом, при включени тумблера SA1 подается напряжения на схему. При ключени SA2 указанной на схеме подается напряжение на катушку промежуточного реле KL1, которое своими контактами KL1.1, KL1.2, KL1.3, KL1.4 подает напряжение на конденсаторы C1 и C2, лампа HL1 показывает момент полного заряда конденсаторов после чего лампа гаснет. Лампа

«C@yL@qyiym-J©yrMaL»#2i26),2@19 / TECHNICAL SCUEMCII

20

ИЬ2 сигнализирует о процессе заряда канденсато-ров. После чего тумблер SA2 переводится в правое по схемы положение, при этом падается напряжение на катушку промежуточного реле КЬ2. Которое обезточивает контакт КЬ1 и размыкает контакты КЫ.1; КЬ1.2; КЫ.3; КЬ1.4 .) После замыканий КЬ2.1 происходит последовательное соединение

конденсаторов С1 и С2, при этом напряжение на выходе увеличивается в 2 раза и подается на катушку Ь1 который пройзводит выстрел снаряда. Диод VД5 установлен для защиты конденсаторов от так называемых экстратоков (индукционные) в момент переходных процесов.

Рис.4. Макет одно катушечной электромагнитной пушки(ЭП) Здесь 1-магнитная катушка, 2-ствол ЭП, 3-конденсатор, 4-манитопускатель, 5- реле прерыватель, 6-

пульт управление.

Технические характеристики: напряжение на конденсаторе 600В, емкость конденсаторе, длина катушки 60м, кол.витков 4181,58, длина пули 50мм, диаметр пули 2.5мм,внешний диаметр ствола 3мм, масса пули 1.9г, максимальная сила 8.44Н, сила тока 16.4 А.

Выводы. Работа по всем решающим узлам электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. Современные успехи, что касается ускорителя, накопления энергии и образования импульсов, явствуют о вероятности того, что системы вооружения через поколение (вскоре после начала века) будут оснащены электромагнитными пушками [5].

Для достижения этой цели потребуется напряженная научно-исследовательская работа почти по всем аспектам электромагнитной пушки, включая энергоснабжение и снаряды. Важную роль сыграют новые материалы. Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, должна явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе.

Какими бы преимуществами ни обладало электромагнитное оружие, и какие бы перспективы не внушало его использование, в настоящее время достаточно трудно судить о том, будет ли оно когда-нибудь содержаться на постоянном вооружении[6]. На данном этапе развития науки подобный тип оружия развит довольно слабо и для большинства людей остается просто красивой сказкой. Нам кажется, что электромагнитный ускоритель масс должен, прежде всего, использоваться на благо людей.

Использование принципа электромагнитного ускорения масс в таких областях, как, например, строительная индустрия может частично улучшить сложившуюся ситуацию. Принцип работы электромагнитного ускорения масс можно и нужно использовать в гражданском строительстве, в промышленности и других областях жизнедеятельности человека [7].

Литература

1. Гаусс К.Ф. Сборник статей под ред. Виноградова. - М.: АН, 1956, C.71-96.

2. «Википедия-свободная энциклопедия» ( http :// ru . wikipedia . org ).

3. Андреев А.Н., Бондалетов В.Н. Индукционное ускорение проводников и высокоскоростной привод // Электричество.-1973.-№10. - С.36-40.

4. Бондалетов В.Н., Иванов Е.Н., Калихман С.А., Пичугин Ю.П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. - М., 1984 - С. 234-238.

5. Заявка Российская Федерация № 2009116786 Электромагнитный инженерный бое-припас. / УдинцевД.Н., РусинП.В., УсмановР.И.

6. Wolfram Witt, Marcus Loffler The Electromagnetic Gun - СС1 to Weapon-System Status //Military Technology. - 1998. - № 5. - P.80-86.

7. Бондалетов В.Н., Иванов Е.Н., Калихман С.А., Пичугин Ю.П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. - М., 1984. - С. 234-238.