Умные мысли и заметки о рельсовом ускорителе.

Автор: ADF

Мой коллега по увлечению электромагнитный оружием (да, впрочем, и не только электромагнитным) Jab сподобился начать загрузку g2k различными статьями, за что ему конечно же честь и хвала. Однако в своих повествованиях за обилием фотографий и эмоциональных фраз глубокая теоретическая часть, на которой строиться конструирование, часто оказывается недостаточно освещенной. А ведь этот сайт посвящен все таки вопросам конструирования электромагнитного оружия, а не только впечатлениям от его эксплуатации!
С целью заполнить этот пробел, я и пишу данную статью, темой которой является домашнее конструирование рельсовых ускорителей, которая в последнее время стала по популярности конкурировать с вопросами создания магнитных ускорителей. Впрочем, очевидно как раз недостатком информации о рельсотронах и вызван возросший интерес к ним в последнее время. В моем рассказе не будет фотографий и описаний конкретных конструкций - основной акцент сделан на теоретической части конструирования рэйлганов и важных моментах, которые следует учесть при работе.
И так, рельсовый ускоритель масс. Всем должно быть уже достаточно хорошо известно, что это за устройство, но чтобы у непосвященного читателя не возникло недоумений, все же начну с самых базовых понятий.
В рельсовом ускорителе метаемое тело представляет собой снаряд из проводящего материала, который движется между двух рельс - электродов. К началам рельс подключен мощный источник тока. Протекающий по рельсам ток замыкается через снаряд и на снаряд действует сила Лоренца (точнее все-таки сила Ампера, хотя с физической т.з. один хрен, формула одна :-) ), возникающая при взаимодействии протекающего через снаряд тока и магнитного поля, созданного током, протекающим через рельсы - электроды. При достаточной мощности источника тока снаряд в рельсовом ускорителе способен за короткий промежуток времени набрать огромную скорость.
Основных проблем у рельсового ускорителя две: необходим мощный источник тока, способный обеспечить огромный ток и скорость выстрела должна быть достаточно велика, чтобы за время выстрела снаряд и рельсы не успели бы испариться или расплавиться от нагрева током.
В качестве мощного источника тока обычно используют большую батарею высоковольтных конденсаторов. В домашних условиях это чуть ли не единственный доступный источник, однако тут есть свои подводные камни: дело в том, что скорость разряда конденсаторов в рельсовом ускорителе значительно выше скорости разряда в магнитном ускорителе и далеко не все конденсаторы способны отдавать свой заряд столь быстро! Поэтому в идеале для рельсового ускорителя приходиться использовать конденсаторы с минимальными внутренними потерями и индуктивностями выводов, которые стоят значительно дороже "обычных" электролитических конденсаторов, традиционно используемых в магнитных ускорителях. Да и напряжение батареи конденсаторов для питания рельсового ускорителя значительно выше, чтобы обеспечить как можно больший ток за как можно меньшее время.
Чтобы решить задачу предотвращения расплавления снаряда во время выстрела, массу снаряда стараются сделать минимальной при как можно большей проводимости, чтобы снаряд успел набрать скорость и покинуть зону между рельс раньше, чем расплавиться. Именно по этой причине снаряды для рэйлгана изготавливают в основном из алюминия, вследствие его малой плотности и высокой проводимости. Но одного этого недостаточно - чтобы еще сократить время разгона, снаряд запускают промеж рельс с как можно большей начальной скоростью.
Таким образом, для рельсового ускорителя характерны такие показатели, как минимальное время разряда конденсаторов и минимальная масса снаряда для достижения максимальной его скорости.
С этой позиции использование снарядов из железа, свинца или, как любят в некоторых компьютерных играх, обедненного урана в случае с рельсовым ускорителем совершенно неоправданно и вредно. К тому же у всех вышеперечисленных металлов достаточно большое удельное сопротивление, что очень сильно способствует их разогреву при выстреле, а большая масса, характерная снарядам из обедненного урана используется лишь в некоторых авиационных пушках для поражения наземной бронетехники, но никак не в электромагнитном оружии!
Кардинальным образом проблема с разогревом решается при использовании в качестве проводящего материала плазмы. Снаряд в данном случае представляет собой легкий снаряд из диэлектрического материала (например, пластика), на заднюю поверхность которого нанесено проводящее напыление. При выстреле под действием огромного тока напыление моментально переходит в состояние высокотемпературной плазмы с очень высокой проводимостью, замыкая собой ток между электродами. Под действием силы Лоренца/Ампера плазма выталкивает снаряд вперед.
Еще одним немаловажным конструктивным решением при создании рельсового ускорителе является дополнительное подмагничивание пространства между рельс. Дело в том, что все проблемы с омическим нагревом снарядов вызваны тем, что ускоряющая сила зависит как от тока, так и от величины магнитного поля, образованного этим же током и с увеличением тока она растет одновременно с нагревом проводников. Естественно, у конструкторов рельсотронов сразу же возникла мысль - а можно ли сделать величину магнитного поля менее зависимой от тока - ведь это позволит в разы увеличить ускоряющую силу при том же нагреве! После недолгих раздумий, конструкторы взяли и запихали по обе стороны от зазора между рельс сильные постоянные магниты, создающие перпендикулярно движению снаряда мощное постоянное магнитное поле, идентичное тому, которое возникает при протекании тока по рельсам. В итоге получилась очень грамотная вещь: ускоряющая сила при неизменном токе значительно возросла! В итоге снаряд покидает пространство между рельс быстрее двигаясь с более высокой скоростью, тепловые потери стали гораздо меньше и общий КПД системы значительно возрос.
Использование дополнительного подмагничивания окончательно ставит крест на использовании железных снарядов, так как последний будет моментально притянут к магнитам и может даже разрушить все устройство, не говоря уже о том, что выстрела не произойдет.
Естественно, что для создания дополнительного подмагничивания годятся не любые магниты. Ведь требуется создать не просто магнитное поле, а очень сильное магнитное поле! По этой причине в рельсовых ускорителях используются так называемые редкоземельные магниты - сделанные из составов дорогих редкоземельных элементов, они обеспечивают постоянное магнитное поле вокруг себя силой до нескольких Тл. Их магнитное поле столь сильно, что магниты легко разлетаются в куски от удара при прилипании друг к другу или к массивным железным предметам, притом, что стоят они достаточно дорого!
Что касается изготовления рельс, то рельсы изготавливаются из безкислородной меди (ее удельное сопротивление близко к сопротивлению абсолютно чистой меди и очень мало) и имеют площадь сечения в несколько раз больше, чем площадь сечения снаряда во избежание тепловых потерь. С рабочей стороны, вдоль которой движется снаряд, во избежание эрозионных процессов при протекании огромного тока рельсы покрываются слоем серебра (в домашних условиях на покрытие серебром можно забить, но если очень хочется, то… :-) ). Особые требования предъявляются к способу крепления рельс - дело в том, что в процессе выстрела рельсы не только испытывают импульс отдачи, но и стремятся с огромной силой оттолкнуться друг от друга под действием силы Ампера! Причем эти силы гораздо больше тех, которые воздействуют на снаряд при выстреле и если не принять никаких специальных мер по фиксации рельс, то вся конструкция просто развалиться к такой-то матери при первой же попытке стрельнуть из ускорителя.
Про то, что все токоподводящие провода должны быть по толщине сравнимы с толщиной рельс и иметь малую индуктивность я даже не говорю - это самой собой разуметься!
Теперь относительно того, как, чем и с какой скоростью запускать снаряд между рельс и каким образом коммутировать ток. В рельсовых ускорителях коммутирующим ток звеном является сам снаряд, так как включение в силовую цепь питания рельс любых дополнительных устройств неизбежно увеличивает сопротивление и индуктивность цепи питания, да и сами коммутирующие устройства для коммутации столь огромных токов ужасно сложны и дороги. По этой причине ток коммутируется самим снарядом, который запускается с высокой начальной скоростью и попадая в зазор между рельс замыкает цепь. При этом напряжение источника питания таково, что пробоя воздушного зазора промеж рельс не происходит, но при помещении снаряда зазор между рельсами уменьшается до возникновения пробоя. Напряжение питания домашнего рельсового ускорителя должно составлять несколько киловольт. Можно, конечно, и больше, но тогда возникнут серьезные трудности с эффективной изоляцией столь высокого напряжения, да и соответствующие конденсаторы добыть трудновато!
В качестве устройств начального разгона снаряда рассмотрим три варианта - пневмоускорители, огнестрельные ускорители и электротермические ускорители.
Пневматические ускорители хороши тем, что обеспечивают высокое постоянство скорости вылета снарядов, что для электромагнитного оружия, рассчитанного под конкретную скорость пролета снаряда очень немаловажно. К недостаткам можно отнести лишь повышенную сложность конструкции.
Огнестрельные ускорители очень просты, могут разгонять снаряд до достаточно высоких скоростей, однако продуктами сгорания заряда будут сильно загрязнять рельсы, да и для обеспечения работы оружия придется таскать с собой не просто пули, а настоящие патроны - проводящие снаряды в сборе с наполненной взрывчатым веществом гильзой, капсюлем или электрозапалом. Не говоря уже о том, что использование огнестрельного ускорителя сильно дискриминирует идею электромагнитного ускорения снаряда, так как сам огнестрельный ускоритель уже является стрелковым оружием, причем гораздо более компактным и простым, чем рельсотрон той же мощности! Использовать ускорение огнестрельной пушкой имеет смысл, если расчетная энергия выстрела ускорителя как минимум в несколько раз больше кинетической энергии, придаваемой огнестрелом. А это довольно таки большая конструкция и очень маловероятно, что ты сможешь создать такую в домашних условиях. Не говоря уже о том, что за изготовление огнестрельного оружия светит статья УК.
В электротермических ускорителях для разгона снаряда используются давление, возникающее при быстром нагреве рабочего тела сильным током. Например, ток пропускается через емкость с газом, газ нагревается до высокой температуры и расширяясь выталкивает снаряд из ствола. Или же сильный ток взрывает небольшую проволочку и снаряд толкают образовавшиеся газы. Чем привлекателен данный способ - что им удобно разгонять снаряды с плазменным поддоном - плазма, возникающая при взрыве металлического напыления, не только является проводящим поддоном для электромагнитного ускорения снаряда промеж рельс, но и играет роль своеобразного вышибного заряда, своим давлением придавая дополнительную начальную скорость.
Что касается формы снарядов, то зачастую в угоду высокому КПД ускорителя их форма далека от хорошей аэродинамики и ориентирована лишь на то, чтобы при наименьшей массе проводить наибольший ток (обладать минимальным сопротивлением). Это обеспечивает лишь форма параллелепипеда, сечение которого с высокой точностью соответствует каналу ствола промеж рельс с учетом небольшого зазора. К снарядам с плазменным проводящим поддоном требования менее жесткие - снаряд может иметь любую требуемую аэродинамикой форму, с одним лишь условием: чтобы образовавшаяся позади него плазма не могла проскочить вперед снаряда. Соответственно, поперечное сечение снаряда должно хорошо перекрывать зазор между рельсами.

Осмыслив написанное выше и сделав выводы, можно описать образ конструкции самодельного рельсового ускорителя, размеры которого даже позволяют сделать на его основе ручное стрелковое оружие.
Если в качестве снарядов используются пластиковые снаряды с плазменным проводящим поддоном (отлитые из эпоксидки пули с кусочком медной фольги или проволоки на задней части), то ствол надежно закрыт с казенной части герметичной заглушкой чтобы не выпускать давление газов, образующихся при образовании плазмы, а для помещения снаряда в зазор между рельс используется простейшая пружинная катапульта. Так же оружие должно быть оснащено источником питания для зарядки конденсаторов и схемой управления и контроля заряда - как и магнитные ускорители.
Еще хочется сказать пару слов о мерах безопасности. Рельсовый ускоритель в отличие от гаусса представляет собой гораздо большую опасность - в нем используются гораздо более высокие напряжения, а выстрел всегда сопровождается обильным выделением искр и мелких капель расплавленного металла при частичном испарении снаряда током. Я уж не говорю о тех случаях, когда в случае неудачного подбора параметров или недостаточной начальной скорости или еще по какой причине, которых всегда найдется уйма, снаряд и вовсе застрянет промеж рельс! Сила взрыва в таком случае будет напрямую определяться энергоемкостью источника питания и размерами снаряда - эффект будет чрезвычайно опасен для слуха и зрения, особенно если пространство между рельс не будет закрыто снизу и сверху толстыми пластинами из диэлектрика! Впрочем, и в случае успешного выстрела грохоту и пламени будет предостаточно - бесшумности, как у магнитного ускорителя, ожидать не приходиться.
Чтобы собрать рельсовый ускоритель, рассчитывать на халявные детали не приходиться. В этом, пожалуй, основной недостаток самодельной рельсы перед самодельной же магнитной пулялкой. Подавляющее большинство деталей для рельсторона придется покупать в магазине. А что делать? Такое вот капризное это устройство! Конденсаторы с требуемыми параметрами из советского телевизора не вырвешь - надо покупать в магазине, причем скорее всего на заказ, редкоземельные магниты, которые требуются в немалом количестве, тоже придется где то заказывать, перед тем хорошо потрахавшись с поиском мест их потенциального произрастания. Что касается рельс, то если найти медные профили затруднительно (а именно так оно скорее всего и окажеться!...) то можно на худой конец использовать алюминиевые профили. Ведь алюминий, как и медь, относиться к материалам высокой проводимости, хотя его удельное сопротивление в 1,5-2 раза больше, чем у меди. Железные рельсы исключены не только по причине высокого сопротивления железа, но и по причине того, что силовые линии магнитного поля магнитов системы подмагничивания замкнуться через железо и НЕ ПОПАДУТ в зазор между рельс, где они непосредственно нужны!
Наверное, пытливых читателей уже давно мучает вопрос, как же рассчитать рельсовый ускоритель? К сожалению, не могу привести расчеты реальных рельсовых ускорителей с подтверждающими их результатами, однако могу хорошо описать физическую сторону процесса, которая легко может быть принята за основу расчета рэйлгана.
Весь расчет рельсотрона сводиться фактически к противостоянию двух формул: формулы ускоряющей силы от величины тока и формулы электрического нагрева. Нагрев определяется простой формулой Q=dT*R*I^2. Где dT - время процесса; R - сопротивление проводника; I - сила тока. Ну а Q - количество теплоты. Чтобы определить собственно температуру нагрева - надо рассчитать теплоемкость проводника. Нагреваемым проводником, напомню, является алюминиевый снаряд (для плазменного снаряда нагрев неважен). Открываем справочник по физике и смотрим удельную теплоемкость алюминия. Тебе конечно же в лом смотреть справочник, поэтому я уж, так и быть, скажу тебе эту гребаную удельную теплоемкость: p=0,88 кДж*(кг*К). Т.е. столько килоджоулей тепла нужно чтобы нагреть килограмм алюминия на 1 градус. Теперь найдем теплоемкось нашей пульки. Для этого надо удельную теплоемкость умножить на массу тела. Если наша пуля весит 1 грамм, то теплоемкость будет p*m=0,88*0,001=0,00088 кДж или 0,88 Дж. Если масса пули неизвестна, то массу можно найти через объем и плотность. Плотность алюминия 2,7 кг/м^3. Объем множим на плотность получаем массу.
Теперь найдем температуру, до которой снаряд может нагреться не расплавившись. Температура плавления алюминия 660 градусов Цельсия. Если начальная температура снаряда была 20 градусов, то мы имеем право нагреть снаряд на 640 градусов, что соответствует энергии 0,88*640=563,2Дж. Т.е. за время выстрела снаряду может передаться тепла не более 560 Дж.
Теперь что же мы имеем в области механических сил? Сила Ампера, если мне не изменяет память, имеет величину, определяющуюся как I*dL*sin(a)*B. Вроде ничего не забыл. Sin(a) у нас равен 1 (угол 90 градусов между током и полем), поэтому его выкинем. I - это ток; dL - длина участка проводника, на который действует сила; B - индукция магнитного поля в Тл. Магнитное поле у нас создается током в рельсах и его определим по формуле… Ебаный урод, все-таки забыл! Ну да ладно, откроешь учебник по физике, типа того, что дырявил своим рэйлогнестрелом Jab и прочтешь сам. Только учти, что интересующее нас магнитное поле, возникающее промеж рельс имеет двойную величину, так как образовано полями сразу двух рельс.
Предположим, ты в конечном итоге нашел эту самую силу, действующую на снаряд. Массу снаряда мы уже знаем (использовали при расчете его тепловых характеристик), геометрические размеры тоже неплохо бы уже знать - ведь длина снаряда (зазора между рельс) определяет ускоряющую силу, а общие размеры его сопротивление. Кстати, чтобы найти сопротивление алюминиевого снаряда, нужно длину умножить на удельное сопротивление алюминия и поделить на площадь поперечного сечения. Удельное сопротивление алюминия равно 2,8*10^-8 Ом*м. А меди, кстати, 1,7 умножить на то же самое. Но масса у меди шибко большая, чтобы снаряды с нее делать. Только рельсы.
Возвращаясь к нашим баранам, зная длину рельс (придумай на ходу), ускоряющую силу (ток нам вроде как известен) и массу снаряда, найдем время пролета снаряда от начала рельс до конца, полагая, что изначально снаряд покоился (V=0). Ускорение определяется как сила деленная на массу, а путь - как квадрат времени на ускорение и разделить на два (a*t^2)/2. Путь (длину рельс) мы знаем, поэтому из формулы пути выражаем время t. Если ты не совсем дол60еб в математике, то уже легко это посчитал. Теперь зная время и ток, найдем, сколько же тепла за время выстрела выделиться в нашем бедном снаряде? Расплавился? Сочувствую :-) Погоняв формулы взад-вперед, легко видеть, что для достижения хорошего соотношения кинетической энергии снаряда к его температуре надо увеличивать ток, одновременно уменьшая длину рельс и увеличивая скорость снаряда (как начальную, так и конечную).
Думаю, не составит особого труда пересчитать происходящие в ускорителе процессы с учетом наличия дополнительного магнитного поля, которое увеличит ускоряющую силу без дополнительного увеличения нагрева и с учетом того, что снаряд имеет не нулевую начальную скорость, что существенно уменьшает время выстрела.
Предположим, ты рассчитал параметры рельсового ускорителя, при которых снаряд развивает неплохую кинетическую энергию (скажем, пара сотен джоулей) и не расплавляется. Тогда переходим к расчету источника питания. Зная время выстрела и ток, а так же активное сопротивление снаряда и подводящих проводов, нетрудно найти напряжение питающих конденсаторов. В реальности напряжение должно быть раза в 1,5 больше для компенсации индуктивности проводов. Емкость конденсаторов найдем через энергию - при уже рассчитанном напряжении и известном энергопотреблении системы (кинетическая энергия снаряда + энергия нагрева снаряда и проводов) найдем емкость конденсаторов. Если ты рассчитал все правильно, то у тебя наверняка получились довольно таки космические параметры - потому, что на практике нельзя свести к минимуму время выстрела, что было бы очень полезно для КПД ускорителе, так как реальные физические конденсаторы имеют ограниченное по величине напряжение (выше 5-6 кВ найти кондеры очень непросто) и скорость разряда. Поэтому приходиться искать золотую середину между КПД ускорителя и его физической осуществимостью.
Еще я забыл сказать о геометрических параметрах снаряда, о которых ты наверняка должен был задуматься, если пытался рассчитать ускоритель по ходу повествования (в чем я сомневаюсь). С одной стороны, для увеличения ускоряющей силы длину ширину снаряда (расстояние между рельс) надо увеличивать. Но с увеличением длины растет его сопротивление, да и масса не отстает! А с ростом массы мы проигрываем в скорости вылета и, как следствие, во времени выстрела. Можно, конечно, попытаться скомпенсировать потерю в скорости увеличением начальной скорости снаряда, но тогда, учитывая возросшую массу снаряда, оказывается, что мощность устройства предварительного ускорения для сохранения КПД ускорителя должна быть в разы выше. Погоняв различные формулы можно прийти к выводу, что наиболее приемлемой является форма снаряда, когда его длина рвана его ширине. А варьируя толщину можно менять сопротивление и массу снаряда для достижения максимальной эффективности ускорения в данном ускорителе.
В конечном итоге мы имеем сложную хитросплетенную взаимосвязь формул, определяющую сущность рельсового ускорителя. Понять, как в конечном итоге влияют те или иные параметры рельсотрона на его КПД непросто, поэтому для полномасштабных расчетов нужно загнать все приходящие в голову формулы в, например, MathCAD и построить множество зависимостей КПД ускорителя (соотношение кинетической энергии и тепловых потерь) от тех или иных параметров и попытаться найти оптимальное решение с учетом технических ограничений. Как только у меня будет достаточно свободного времени, я обязательно поиграюсь с маткадом и сделаю подобный расчет, а пока даю тебе бесплатную возможность поиграть в маткад самостоятельно :-)

09.10.2003 ADF

К списку статей