 |
Высоковольтный многоступенчатый ускоритель: почему он перспективный? Автор ADF В этой статье речь пойдет о конструкции многоступенчатого магнитного ускорителя, на основе которого можно сделать ручное стрелковое оружие, по мощности конкурирующее с огнестрелом. Откуда берется КПД или куда девается энергия? Ужа давно не для кого не секрет, что КПД одноступенчатого гаусс гана редко превышает 1%. Остальная энергия конденсаторов идет на нагревание проводов и электромагнитное излучение. Давайте разберемся, почему же потеря энергии на тепло в магнитных ускорителях стоит столь остро, резко снижая КПД? И в самом деле, ведь например коллекторные электродвигатели постоянного тока, по своим принципам функционирования практически идентичные гауссовке, имеют КПД значительно выше – 70-80%! И это несмотря на то, что ЭД состоит из тех же обмоток, коммутационного устройства (коллектора и щеток) и некого подобия сердечника, роль которого в различных конструкциях выполняет либо статор, либо ротор двигателя.Чтобы понять это, следует рассмотреть физику процесса придания снаряду энергии. Как известно, энергия снаряда равна работе, произведенной над ним внешней силой. Внешняя сила в гауссовке – это магнитное поле катушки. Работа определяется как скалярное произведение вектора силы на вектор перемещения тела (путь), над которым совершается работа. С противоположной полезной работе стороны в гауссе стоит нагрев проводов. Работа по нагреву проводов определяется по другой формуле – квадрат тока умножить на сопротивление проводов и умножить на время. Т.е. чем больше время действия тока, тем больше потери на тепло. Но если мы снова обратимся к формуле работы по разгону снаряда, то обнаружим, что получение снарядом энергии НЕ зависит от времени действия силы! А сила в соленоиде с заданными параметрами пропорциональна величине тока в обмотке. Таким образом, отсюда следует очень важный вывод – если участок действия ускоряющей силы снаряд преодолеет с как можно большей скоростью, то время совершения силой полезной работы будет очень мало и потери на тепло за это время будут минимальными. Необходимо лишь обеспечить подачу тока нужной величины на строго ограниченное время.Иначе говоря, чем быстрее движется снаряд, тем меньше потерь при его дополнительном разгоне! И именно поэтому электродвигатели имеют высокий КПД! При высокой скорости вращения вала, отношение полезной работы к потерям на нагрев увеличивается и по этой же причине при старте и на низких оборотах электродвигатель потребляет от источника питания очень большую мощность и его КПД на старте не превышает 10-15%. Из всего вышесказанного следует, что очень перспективно делать многоступенчатый магнитный ускоритель – каждая последующая ступень будет обладать более высоким КПД, чем предыдущая благодаря увеличению скорости снаряда. Но ситуация эта обоюдоострая. Дело в том, что при малом времени нахождения снаряда в зоне эффективного действия ускоряющего магнитного поля требуется как можно быстрее установить в соленоиде ток нужной величины, а потом его отключить, дабы избежать бесполезных трат энергии. Всему этому препятствует индуктивность катушки и требования к параметрам коммутационных устройств. Разрешить эту проблему можно множеством разных способов – использовать последующие обмотки увеличивающейся длины при постоянном количестве витков – индуктивность будет ниже, а время пролета через них снаряда не намного больше, чем у предыдущей ступени. Что касается ключей – то можно использовать обычные, на запираемые тиристоры – тогда на каждую ступень придется ставить свой конденсатор и при малейшем отклонении параметров движения снаряда от оптимальных КПД ускорителя будет резко снижаться. Снаряд пролетает через обмотку быстрее оптимального значения скорости для ней – магнитное поле не успевает вовремя выключится и прихватывает за задницу снаряд, уменьшая его скорость. Пролетает слишком медленно – магнитное поле уже выключилось, а снаряд ещё не достиг точки, где магнитное поле в соленоиде имеет максимальную плотность – тоже недобор энергии. При чем несовпадение хотя бы на одной ступени вызовет несвоевременность появления снаряда на всех последующих ступенях – в итоге из за малейшего отклонения мощность выстрела такого магнитного ускорителя будет дестрофичной. И только при 100% настройке, 100% одинаковом заряде конденсаторов перед выстрелом и 100% соответствии снарядов и даже их начальной намагниченности такой МУ, с раздельным питанием всех обмоток через НЕ запираемые ключи будет развивать нужную мощность!... Именно поэтому идея многоступенчатого гаусса с раздельным питанием не так уж популярна среди любителей (хотя все о нем говорят) и именно поэтому так редко встречаются конструкции с числом ступеней более 3.Чтобы сделать эффективный многоступенчатый магнитный ускоритель масс, не особо критичный к его настройке, требуется обеспечить несколько важных условий:
Использование общего накопителя энергии совместно с запираемыми ключами поможет избежать лишних трат энергии, и тогда в случае недобора энергии на одной из ступеней энергия накопителя обязательно будет использована на последующих ступенях. Естественно, что начальные обмотки следует делать такими, чтобы они не забирали бы всю энергию накопителя (делать их с большой индуктивностью и короткими по длине). Кроме того, имеет даже смысл оставить основную массу энергии на оконечные ступени, где КПД разгона снаряда будет наиболее высок из за его высокой скорости. Что значит синхронное с движением снаряда включение обмоток? Это значит, что ток в обмотке должен включатся, когда снаряд попадает в зону эффективного действия ускоряющего магнитного поля, и должен отключатся, когда снаряд выходит из этой зоны. Обычно для этого используют фотодетекторы – перед соленоидом стоит оптопара и когда снаряд пересекает луч, управляющая схема открывает ключ, когда снаряд перестает пересекать луч, схема закрывает ключ и отключает обмотку от цепи питания. При этом обмотка шунтируется силовыми диодами с той целью, чтобы мощное напряжение, возникающее в результате самоиндукции обмотки, не повредило бы ключ или источник питания. Но на этом процесс выжимания из гаусса максимального КПД не закончен! Очень перспективно использовать конструкцию гаусса на высокое напряжение, а снаряды небольшой массы. Снаряд малой массы в процессе выстрела развивает гораздо большую скорость, следовательно, КПД его разгона будет выше. А так как для разгона снаряда с большой скоростью требуется более быстрое включение тока в обмотках, то необходимо использовать источник питания с высоким напряжением. Высокое напряжение так же открывает очень простой и перспективный для использования в реальном оружии способ коммутации обмоток – при помощи электрического разряда, идущего через сам движущийся снаряд. Вы можете возразить - что замыкание тока самим снарядом неэффективно и чревато его привариванием к контактам. Но вспомним тот факт, что с ростом скорости движения снаряда потери на нагрев значительно снижаются, именно поэтому коммутация тока самим снарядом вполне реальна, безопасна и эффективна. А для предотвращения приваривания снаряда к контактам снаряд не должен касаться самих контактов – из за высокого напряжения замыкание будет осуществляться за счет пробоя воздуха.
Общая конструкция магнитного ускорителя будет следующая: система предварительного разгона снаряда, с довольно низким КПД и с использованием обычных ключей для коммутации обмоток. Может так же состоять из нескольких ступеней. И высоковольтная высокоэффективная система окончательного разгона снаряда – имеет множество обмоток с искровой коммутацией и обладает высоким КПД.
Многоступенчатый магнитный ускоритель, собранный по такой схеме, будет обладать очень высоким КПД – думаю не менее 25%. При такой эффективности, ручная гауссовка на основе высоковольтного конденсатора на энергию 1 килоджоуль будет метать снаряд с кинетической энергией в 250Дж, что соответствует мощности хорошей мелкокалиберной винтовки при использовании усиленных патронов. |
(C) 2002 Gauss2k.narod.ru |
