оооооооооооооооооооооооо
Ствол для Coilgun Эта статья обзорная. В ней проводится краткий анализ различных материалов, используемых для изготовления ствола электромагнитного ускорителя.. Описываются два способа изготовления ствола гауссовки из доступных материалов, не требующие станочного оборудования. Ствол является важной составной частью электромагнитного ускорителя. При этом он должен обладать рядом свойств, некоторые из которых достаточно специфичны. Попробуем их сформулировать: 1). Прочность. В отличие от обычного огнестрельного оружия, в котором ускорение снаряда достигается давлением горячих пороховых газов, в электромагнитном ускорителе отсутствуют такие факторы воздействия на материал ствола, как высокие температуры и давления (если, конечно, ускоряющие катушки не нагреваются до красна после каждого выстрела). Поэтому прочность ствола у Coilgun не является таким критичным параметром, как у порохового оружия. Тем не менее, при протекании импульсных токов через ускоряющие катушки развиваются механические напряжения (см. [1]), которые при неверном выборе материала ствола или его толщины могут привести к его разрушению (см. ниже). Кроме того, если мы всё-таки надеемся создать гауссовку для применения в реальных условиях, то должны снабдить её достаточно прочным стволом. Это требование особенно существенно для многоступенчатых систем с повышенной длиной ствола. 2). Толщина. Толщина стенок ствола Coilgun должна быть минимальна. Это требование вытекает из того факта, что чем плотнее сердечник (снаряд) подогнан по диаметру к внутреннему диаметру ускоряющей катушки, тем больше его потокосцепление с катушкой (т.е. тем большая часть поля, создаваемого катушкой, проходит через снаряд). Это достаточно очевидное утверждение проиллюстрировано на рис.1. Здесь следует развеять один очень расхожий миф. Обратите внимание, что основная часть линий напряжённости магнитного поля на рисунке проходит вблизи внутренней поверхности соленоида, а не около его оси. Именно так дело и обстоит в действительности. Это противоречит очень широко распространённому заблуждению относительно распределения напряжённости поля в соленоиде, которое гласит, что напряжённость максимальна на его оси. На самом деле, именно на оси соленоида поле минимально. Чтобы в этом убедиться, достаточно рассмотреть поле кругового витка с током, а затем просуммировать (проинтегрировать) результат по длине соленоида. Точные математические вычисления громоздки и выходят за рамки статьи, интересующихся могу отослать, например, к [2] (хотя не сомневаюсь, что подобные сведения приведены и во многих других источниках).
Рис. 1. Зависимость потокосцепления снаряда и ускоряющей катушки. Следует заметить, что требование минимальности толщины стенок ствола специфично для Coilgun, в отличие от огнестрельного оружия, где этот параметр не имеет никакого значения. Кроме того, это требование противоречит п.1 (прочности). 3). Электропроводность и ферромагнетизм. Материал ствола должен быть плохо проводящим и не являться ферромагнетиком. Это требование вытекает из того факта, что проводящий и особенно ферромагнитный материал ствола будет сильно ослаблять переменное магнитное поле, под действием которого в гауссовке происходит ускорение снаряда. Более подробно этот эффект рассмотрен в разделе, посвящённом металлическим стволам. 4). Лёгкость в обработке. Материал ствола должен легко обрабатываться (пилиться, сверлиться и т.д.), т.к. на нём размещается множество элементов конструкции Coilgun (ускоряющие катушки, индуктивные или оптические датчики положения и т.д.). 5). Дешевизна и доступность. Немаловажные факторы, особенно для любительских исследований, ведь приходится перепробовать множество стволов разного калибра и длины. Теперь, исходя из этого набора параметров, попробуем рассмотреть несколько групп материалов для изготовления стволов Coilgun. • Стеклянные стволы. Стволы в виде стеклянной трубки очень часто применяются в любительских исследованиях. Этот выбор обусловлен тем, что стеклянную трубку подходящего диаметра можно найти почти в любой школьной химической лаборатории, не говоря уже о специализированных химических магазинах. Такие трубки, как правило, имеют очень тонкие стенки, что обеспечивает хорошее потокосцепление снаряда и соленоида. Кроме того, у них есть особое преимущество перед стволами из других материалов: стекло прозрачно не только в видимом, но и в ближнем ИК-диапазоне, в котором работают большинство ИК-светодиодов и фотодиодов. Это позволяет конструировать многоступенчатые системы с оптическими датчиками положения без сверления отверстий в стволе. Тем не менее, стекло – слишком хрупкий материал для применения в более-менее мощных гауссовках. Так, Sam Barros на http://www.powerlabs.org/multistagecg.htm жалуется на частое разрушение стеклянных стволов при выстрелах. Ясно, что в электромагнитном ускорителе, созданном для применения в реальных условиях, стеклянный ствол использоваться не может. • Металлические стволы. Металл – самый заманчивый материал для изготовления ствола. Металлическую трубку подходящего диаметра легко достать (на худой конец, заказать у поставщиков), она хорошо обрабатывается, и она достаточно прочная. Однако, у металлического ствола есть совершено специфический для Coilgun недостаток – он ослабляет магнитное поле ускоряющих катушек и тем самым снижает и без того невысокий КПД процесса ускорения. Этот эффект особенно сильно проявляется для ферромагнитных стволов (например, из стали) и на высоких частотах (т.е. при высоких скоростях снаряда). Рассмотрим сначала обычный (не перфорированный) металлический ствол в поперечном разрезе (см. рис. 2).
Рис. 2. Ослабление магнитного поля внутри металлического ствола индуктивными токами. Серый кружок на оси ствола показывает, что поле соленоида направлено на нас перпендикулярно плоскости рисунка. Как показано на рисунке, в толще ствола в соответствии с законом электромагнитной индукции генерируется ток, направление которого зависит от производной по времени тока в соленоиде: при нарастании тока в соленоиде (производная положительна) индуктированный ток направлен противоположно току в катушке, при отрицательном знаке производной токи совпадают по направлению. Система, по сути, представляет собой трансформатор с коэффициентом трансформации, равным количеству витков в ускоряющем соленоиде (т.к. контур, образованный стволом, является единичным витком, замкнутым накоротко). Так как сопротивление контура ствола ничтожно мало, то ток в нём (который называется вихревым током или «током Фуко», по-английски «eddy current») может достигать огромных значений. В результате при подаче на соленоид импульса напряжения поле внутри ствола оказывается значительно ниже ожидаемого. Это ослабление тем сильнее, чем больше магнитная проницаемость и проводимость материала ствола. Даже при использовании тонкостенных трубок из неферромагнитной латуни эффект ослабления поля очень велик. Так, Barry на http://www.oz.net/%7Ecoilgun/mark2/resultfiringtube.htm указывает, что при использовании латунного ствола вместо пластикового скорость снаряда (при всех прочих равных параметрах) снизилась с 5,93 м/с до 4,78 м/с (падение КПД на 35% !). По закону электромагнитной индукции вихревой ток в стволе пропорционален скорости изменения тока в соленоиде, поэтому при более высоких частотах (т.е. при увеличении скорости снаряда) снижение КПД будет ещё сильнее. Как выход из положения, часто используют перфорированный ствол, т.е. ствол, в котором сделан продольный разрез по всей длине (или несколько перекрывающихся разрезов не по всей длине). Действительно, такой разрез эквивалентен разрыву внутреннего контура на рис. 2, что делает невозможным протекание тока в этом контуре (или сильно его затрудняет в случае множественных разрезов). Гауссовки с такими стволами хорошо работают на скоростях порядка нескольких десятков метров в секунду, что вполне достаточно для любительских конструкций. Однако, изготовление такого ствола в домашних условиях достаточно трудоёмко. Коме того, продольные разрезы снижают прочность ствола, поэтому, как компромисс, приходится увеличивать толщину его стенок, что негативно влияет на потокосцепление. Как пример, ниже приведён процесс изготовления такого ствола с навитым соленоидом. Берётся латунная трубка необходимого диаметра с тонкими стенками (я использовал трубку с толщиной стенок 0,2 мм) и (см. рис. 3) четыре ограничителя (я использовал оргстекло). Далее ограничители рассверливаются и закрепляются на трубке, по два с каждой стороны (рис. 4). Для этой цели я применил двухкомпонентный клей типа «Момент-Ремосэт» (он в этом случае очень удобен, т.к., в отличие от обычной эпоксидной смолы, обладает очень низкой текучестью). При этом клей помещается между каждой парой ограничителей. На этом этапе через одну пару ограничителей продевается провод от катушки, что впоследствии очень упрощает процедуру намотки соленоида. Затем трубка пропиливается изнутри лобзиком, при этом ограничители не дают ей деформироваться (рис. 5, 6). Далее навивается катушка и пропитывается эпоксидной смолой (см. рис. 7). Конструкция получается очень прочной (хотя и не слишком опрятной). Ограничители можно далее использовать для крепления ствола на несущую конструкцию гауссовки.
Рис. 3. Ствол и ограничители.
Рис. 4. Ограничители и провод закреплены на стволе.
Рис. 5. Делаем пропил в стволе.
Рис. 6. Ствол с пропилом.
Рис. 7. Ствол с навитой катушкой. • Полимерные стволы. Сюда я отношу все материалы на основе пластмасс или материалов с полимерной пропиткой (текстолит и т.д.). В самом примитивном проявлении это стволы из обычных шариковых ручек, которые часто применяются начинающими гаусс-ганерами. На мой взгляд полимерный ствол – самый перспективный для Coilgun (по-крайней мере, для любительских конструкций). Действительно, почти любая пластмасса хорошо поддаётся обработке, является диэлектриком и диамагнетиком. Несколько хуже обстоит дело с прочностью и доступностью, но и здесь есть решения. Например, Gordon рекомендует использовать покупную хвостовую балку для авиамоделей (http://www.offtop.ru/gauss2k/view.php?only=&part=1&t=15261). В заключение статьи хочу описать простой способ изготовления ствола на основе доступных материалов, который может легко быть реализован в домашних условиях без применения станочного оборудования. Возьмите круглую болванку подходящего диаметра (я использовал для этой цели гвоздь диаметром 6 мм, из которого в дальнейшем изготовлялся снаряд), обмотайте 1-2 слоями скотча и закрепите (рис. 8). При обмотке старайтесь, чтобы на скотче не образовывалось никаких складок. Затем возьмите лист обычной бумаги А4, отрежьте от него полоску необходимой ширины (равной длине будущего ствола) и аккуратно, за самую кромку, закрепите на болванке с помощью ещё одной узкой ленты скотча (см. рис. 9).
Рис. 8. Заготовка.
Рис. 9. Закрепили бумагу. Теперь приготовим эпоксидную смолу и нанесём её желательно ровным слоем на полоску бумаги (рис. 10). Сделать это нужно ближе к заготовке, т.к. при дальнейшей намотке смола будет сама выдавливаться к наружному концу бумажной ленты. С другой стороны, надо следить, чтобы смола непосредственно не склеила бумагу и заготовку, иначе потом готовый ствол будет очень трудно снять с болванки. Теперь намотайте полоску бумаги на заготовку и, пока смола не затвердела, закрепите её сверху (например, обмотав её нитками или тонкой проволокой, рис. 11).
Рис. 10. Приготовили смолу.
Рис. 11. Намотали ствол. Дождавшись, когда смола затвердеет (часов через 15), снимите получившуюся трубку с болванки. Для этого, возможно, потребуются пассатижи и некоторые усилия, но не очень большие. Ствол готов (см. рис. 12)!
Рис. 12. Готовый ствол. Для завершения картины его надо обработать изнутри надфилем, чтобы убрать остатки скотча и случайный заусенцы. При намотке бумага хорошо пропитывается ещё не затвердевшей смолой, поэтому получившаяся трубка из такого самодельного текстолита очень прочная. Достоинством такого метода является также то, что получившийся ствол точно подогнан по диаметру к будущему снаряду (зазор определяется количеством слоёв скотча, намотанных на болванку на первом этапе). Кроме того, ствол можно изготовить любого необходимого диаметра, нужна лишь соответствующая болванка для намотки. Список литературы. [1]. Карасик В.Р. «Физика и техника сильных магнитных полей». М., 1964 г. Автор: Митин Евгений Викторович
Составитель: Патлах В.В. © "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг. ВНИМАНИЕ ! Напоминаю! Что за любое противоправное и противозаконное использование материалов, опубликованных в энциклопедии, редакция ответственности не несет.
|
оооооооооооооооооооооооо
|
|