Электромагнитный ускоритель масс


Скачать 136.89 Kb.
НазваниеЭлектромагнитный ускоритель масс
Дата публикации03.08.2013
Размер136.89 Kb.
ТипДокументы
userdocs.ru > Физика > Документы

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………….2

Основная часть………………………………………………………………10

Заключение…………………………………………………………………..22

Библиографический список………………………………………………...23

Приложения…………………………………………………………………24

ВВЕДЕНИЕ

Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУ) - общее название установки для ускорения объектов с помощью электромагнитных сил.

Электромагнитные ускорители масс принято подразделять на следующие виды:

  • Рельсотрон — импульсный электродный ускоритель масс «рэйл ган» (от англ. “Rail gun”).

Он функционирует следующим образом. В нем проводящий снаряд движется между двух рельс — электродов (откуда и получил свое название - рельсотрон), по которым подается ток. Источник тока подключается к рельсам у их основания, поэтому ток течет как бы вдогонку снаряду и магнитное поле, создаваемое вокруг проводников с током, полностью сосредоточенно за проводящим снарядом. В данном случае снаряд является проводником с током, помещённым в перпендикулярное магнитное поле, созданное рельсами. На снаряд по законам физики действует сила Лоренца, направленная в сторону противоположную месту подключения рельс и ускоряющая снаряд.

  • ^ Катушка Томпсона - индукционный ускоритель масс (“Tompson gun”).

В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.

  • ^ Пушка Гаусса — магнитный ускоритель масс «гаусс ган» (от англ. “Gauss gun”). По имени ученого и математика Гаусса, в честь имени которого названы единицы измерения магнитного поля.

Магнитный ускоритель состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд (сделанный из ферромагнетика). При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида.

Изобретателем электромагнитного ускорителя масс обычно считают Кристиана Биркеланда. Кристиан Биркеланд, профессор физики в университете в Осло (работавший с 1898 по 1917г.), за период с 1901 по 1903г. получил три патента на свою "электромагнитную пушку". В 1901г. Биркеланд создал первую такую электромагнитную пушку катушечного типа и использовал ее для разгона снаряда массой 500 г до скорости 50 м/с (2). С помощью второй большой пушки, созданной в 1903г. и выставленной в настоящее время в норвежском техническом музее в г.Осло, он достигал разгона снаряда массой 10 кг до скорости примерно 100 м/с. Калибр пушки 65 мм, длина 10 м. Примерно в это же время электромагнитную пушку патентует Николай Бенардос. К.Э.Циолковский в своих трудах также рассматривал вариант использования электромагнитного ускорителя для запуска ракет.





Задавшись целью увеличить дальнобойность артиллерии, русские инженеры Подольский и Ямпольский в 1915 году создали проект "магнитно-фугальной" (электромагнитной) пушки. Ее ствол предполагалось выполнить в виде ряда катушек индуктивности. В них по команде должен был подаваться ток. Авторы утверждали, что при заданной мощности электростанции снаряд, разгоняемый электромагнитами по 50-метровому стволу, разовьет скорость 915 м/с и пролетит до 300 км. Эксперты Артиллерийского комитета сочли реализацию проекта Подольского и Ямпольского "несвоевременной". Та же участь постигла проект электромагнитной пушки французов Фашона и Виллепле. Ее ствол представлял собой цепь катушек-соленоидов, к которым по мере движения снаряда следовало поочередно подавать напряжение. Изобретатели подтвердили жизнеспособность своей идеи: при стрельбе из модели электромагнитной пушки 50-граммовый снаряд набирал скорость 200 м/с.



^ Общин вид электромагнитной пушки Фашона и Виллепле.

С тех пор периодически предпринимаются попытки превратить теоретическое изобретение в пригодное к практическому употреблению устройство.

Систематические научные работы по созданию принципиально новых электромагнитных ускорителей массы начались в мире в 50-х годах XX века. Одним из родоначальников отечественных разработок в этой области был выдающийся советский ученый, исследователь плазмы Л.А. Арцимович, который ввел в отечественную терминологию понятие «рельсотрон».

Работа по всем решающим узлам электромагнитной пушки быстро продвигается в США, а также начинается в других странах. Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела, относительно малая отдача, теоретически, большая надежность и износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства.

Современные успехи, что касается ускорителя, накопления энергии и образования импульсов, явствуют о вероятности того, что системы вооружения в недалеком будущем могут быть оснащены электромагнитными пушками. Для достижения этой цели потребуется напряженная научно-исследовательская работа почти по всем аспектам электромагнитной пушки, включая энергоснабжение и снаряды. Важную роль сыграют новые материалы. Необходимы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники.

Электромагнитная пушка, кроме ее ожидаемой военной важности, должна явиться сильным импульсом технологического прогресса и новшества при значительном эффекте в гражданском секторе.

Из экзотических способов применения ускорителей на основе соленоидов стоит отметить концепцию запуска объектов в космос без помощи ракет. Предполагается, что, построив многокилометровый тоннель из одного или нескольких соленоидов, можно обеспечить достаточную для преодоления земного притяжения скорость разгона тела. При этом в отличие от рельсовой пушки или обычного выстрела на основе теплового расширения газов, запускаемому объекту обеспечивается сравнительно плавное ускорение. Это делает возможной отправку не только сложного и хрупкого научного оборудования, боящегося перегрузок, но так же и человека.

Стоит заметить, что более перспективным считается строительство подобных космических ускорителей на нашем естественном спутнике – Луне. Практическое отсутствие атмосферы и низкая гравитация + низкая окружающая температура открывают фантастические перспективы для сверхпроводящих магнитов. Монорельсовый ускоритель на основе линейного мотора либо тоннель из соленоидов планируется размещать горизонтально на поверхности Луны под небольшим углом. Питаться установка может либо от солнечных батарей, либо от привезенных на Луну ядерных реакторов. Таким образом, космическому аппарату сообщалась бы высокая начальная скорость, а дальше в дело вступают ионные двигатели.



Луна в таком виде превратилась бы в перевалочную базу для дальнейшего освоения Солнечной системы или даже в первый земной космопорт. Несложно представить, что гигантские ускорители, питаемые термоядерными реакторами, будут способны разгонять космические аппараты до скоростей, при которых путешествие к отдаленным планетам будет занимать месяцы, а не годы. А если вспомнить, что ускорителю не обязательно быть прямым и тоннель можно построить спиральным, с окончанием в произвольную сторону, то возможности получаются действительно революционными.

Мы решили в своих попытках изготовить электромагнитный ускоритель масс остановиться на макете именно магнитного ускорителя. Дело в том, что из всех типов электромагнитных ускорителей он наиболее прост в изготовлении. Кроме того, он имеет довольно высокий по сравнению с другими электромагнитными стрелялками КПД. Может работать на относительно низких напряжениях не сложно достижимых на практике, с использованием современных комплектующих деталей.

На практике конструкция простейшего магнитного ускорителя представляет собой, намотанную на трубку в несколько слоев, проволоку и подключенный к проволоке конденсатор большой емкости. Внутрь трубки перед самым началом обмотки устанавливается железная болванка и предварительно заряженный конденсатор при помощи электрического ключа замыкается на обмотку. При протекании электрического тока в обмотке возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь обмотки.

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

Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы к моменту подлета болванки к середине обмотки ток в последней уже успевал уменьшиться до минимального значения, т.е. заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД будет максимальным.

Для увеличения КПД устройства и скорости снаряда решили сделать многоступенчатый Гаусс.

^ Конструкция макета:

  1. В магнитном ускорителе семь ускоряющих катушек, на которые разряжаются конденсаторы емкостью от 800мкФ до 220мкФ, заряженные до 390В.

  2. Шести канальный контроллер ступеней на оптопарах (на 74HC14).

  3. Обратноходовый преобразователь напряжения (на UC3845).

  4. Система индикация, включающая в себя индикацию состояния аккумулятора, готовности к выстрелу (на LM358) и линейную шкалу заряда конденсаторов (на LM3914).

5. Лазерный целеуказатель.

6. Поворотная управляемая платформа (на ATtiny 2313)

^ ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Ствол для магнитного ускорителя.

Ствол является важной составной частью электромагнитного ускорителя. При этом он должен обладать рядом свойств:

  1. Прочность.

Прочность ствола у ускорителя не является критичным параметром, тем не менее, при протекании импульсных токов через ускоряющие катушки развиваются механические напряжения. Прочность особенно существенна для многоступенчатых систем с повышенной длиной ствола.

  1. Толщина.

Толщина стенок ствола должна быть минимальна. Это требование вытекает из того факта, что чем плотнее сердечник подогнан по диаметру к внутреннему диаметру ускоряющей катушки, тем больше его потокосцепление с катушкой (т.е. тем большая часть поля, создаваемого катушкой, проходит через сердечник).

  1. ^ Электропроводность и ферромагнетизм.

Материал ствола должен быть плохо проводящим и не являться ферромагнетиком. Это требование вытекает из того факта, что проводящий и особенно ферримагнитный материал ствола будет сильно ослаблять переменное магнитное поле, под действием которого в устройстве происходит ускорение снаряда.

  1. ^ Лёгкость в обработке.

Материал ствола должен легко обрабатываться (пилиться, сверлиться и т.д.), т.к. на нём размещается множество элементов конструкции (ускоряющие катушки, индуктивные или оптические датчики положения и т.д.).

  1. ^ Дешевизна и доступность.

Немаловажные факторы, особенно для любительских исследований, ведь приходится перепробовать множество стволов разного калибра и длины.

Основываясь на этом наборе параметров, мы провели эксперименты на одной ступени ускорителя по выбору материала ствола. В ходе промежуточных экспериментов не было выявлено существенных различий в свойствах куска ствола изготовленного из бумаги промазанной эпоксидным клеем и куска изготовленного из латуни. Исходя из этого, остановились на латунном стержне ввиду его большей прочности, доступности и простоты обработки.

^ Силовая часть.

В неё входят семь ускоряющих катушек, банк конденсаторов, схема развязки напряжения для конденсаторов, а также схема гашения обратного напряжения на конденсаторах. Схема развязки состоит из последовательно RD цепочки. Резистор должен ограничивать ток, проходящий через диод, тем самым, защищая его от токового пробоя при быстрой зарядке конденсатора. Схема гашения обратного напряжения так же состоит из RD цепочки. Эта схема позволяет защитить конденсатор от обратного напряжения. Обратное напряжение на конденсатор попадает из-за ЭДС самоиндукции катушки и может его повредить.

Контроллер.

Схема питается от источника 5В. Чтобы открыть тиристор, на него разряжается конденсатор. Таким способом достигается достаточный ток для открытия тиристора. Светодиод еще и служит в качестве индикатора прохождения снаряда в ступени и соответственно срабатывания ступени. В составе микросхемы 74HC14 шесть триггеров Шмидта с инверсией на выходе. Чтобы на выходе микросхемы появилась логическая 1 (закрыт транзистор) нужно закоротить ее вход на землю. Это достигается с помощью фототранзистора. Если фототранзистор освещен на выходе микросхемы присутствует логическая 1, что не дает транзистору разрядить конденсатор и открыть тиристор. Как только снаряд перекрывает свет к фототранзистору, его сопротивление резко возрастает и уже на выходе микросхемы присутствует логический 0, который и открывает транзистор. Далее через транзистор разряжается конденсатор, тиристор открывается и катушка "зажигается".

Преобразователь.

Классический «обратноходовый» преобразователь, построенный на микросхеме UC3845 (ШИМ контроллер с мощным полевым тразистором на выходе) и низковольтном силовом ключе IRF3205. Рассчитан стандартно по даташиту на микросхему, частота работы преобразователя порядка 15кГц, импульсный трансформатор намотан на броневом сердечнике Ч36. Мощность преобразователя около 25 вт.



Индикация.

В схеме индикации используется ОУ в режиме компаратора. Схема индикации разряда (красный светодиод) сигнализирует о разряженном аккумуляторе. Схема индикации заряда конденсаторов (зеленый светодиод) сигнализирует о максимальном заряде конденсаторов. Схема делителя напряжения для внешней индикации зарядки предназначена для внешнего индикатора. Внешний индикатор сделан на микросхеме LM3914, схема рассчитана по справочным данным на микросхему, используется режим столбика.

^ Поворотная платформа.

Управление униполярным шаговым двигателем осуществляется с помощью микропроцессора ATtiny 2313. Двигатель применен от дисководов и сделан редуктор, позволяющий платформе вращаться плавно.



^ Расчет параметров составных частей ступеней (количества витков катушек, диаметра провода катушек, емкость конденсаторов ступеней) с учетом диаметра ствола и массы ускоряемого тела велись с помощью программы FEMM. Задача расчетов была в том, чтобы, оптимизируя расчетные данные добиться совпадения максимальной скорости ускоряемого предмета в теле катушки с максимальной скоростью на выходе каждой катушки в ступенях. На основе расчетов составлены графики.









После изготовления макета магнитного ускорителя и проведенных испытаний стрельбы, возникла необходимость в проверке расчетных результатов скорости металлической болванки с реальной скоростью вылета. Для этих целей был применен метод определения скорости - баллистический маятник. Метод работает следующим образом. Металлическая болванка попадает в маятник и остается в нем. Это полностью неупругий удар. Часть энергии неизбежно уходит в тепло, но зато мы можем воспользоваться законом сохранения импульса. Импульс подвеса с пулей будет равен импульсу пули до попадания. Т.е. зная импульс (скорость) подвеса, можно узнать импульс (скорость пули). Получив импульс, который имеет аналог в виде кинетической энергии (пока неизвестной), маятник начинает отклоняться. При отклонении, подвес начинает подниматься вверх, кинетическая энергия переходит в потенциальную. Когда подвес остановится (максимальное отклонение, высота) кинетическая энергия полностью перешла в потенциальную. (Рис. 1)






Узнав высоту, получаем потенциальную (кинетическую в момент попадания) энергию подвеса, через энергию - импульс подвеса, через импульс подвеса - импульс пули, скорость пули.

Полная формула:
V=((M + m) / m) * sqrt(2*g * (L - sqrt(L*L - S*S)))
Упрощенная практическая формула:
V = ((M + m) / m) * S * sqrt (g / L)
V - скорость пули, м/с
M - масса подвеса, кг
m - масса пули, кг
g - ускорение свободного падения, 9.81
L - длина подвеса, метры
S - отклонение маятника, метры.

В процессе проводимых экспериментов получены результаты (Рис. 2).

Рис.2

Для уточнения измерений величины скорости по методу «баллистический маятник» был применен еще один способ измерения по звуковой карте компьютера. Расчет велся с помощью программы от Sony «Sound Forge». Для этого был собран макет (Рис. 3)

Рис. 3

КПД устройства получилось следующим:



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проделанной практической работы был изготовлен макет магнитного ускорителя. Анализ результатов и физических измерений показал, что подобный вид ускорителя масс практически осуществим. Результаты расчетов параметров ступеней с помощью программы «FEMM» оказались аналогичными с результатами практических испытаний. Макет работоспособен и на нем можно продолжить серию экспериментов с целью увеличения скорости снаряда и КПД устройства. Можно проанализировать влияние на эти параметры диаметра и веса снаряда, состава материала из которого он изготовлен, количества ступеней.

И еще одно немало важное замечание: не смотря на то, что это устройство имеет небольшие энергетические параметры, во время экспериментов с ним и проведения пробных запусков необходимо соблюдать все меры безопасности, связанные с высоким напряжением и вылетом металлической болванки.

^ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Бут, Д.А. Основы электромеханики/ Д.А.Бут. – М.: МАИ, 1996. – С. 363.

  2. Маликов, В.Г. Признано несвоевременным/В.Г.Маликов// Техника молодежи. – 1987. – №5. – С. 30.

  3. Мощные полупроводниковые приборы: Справочник/ В.Я.Замятин, Б.В.Кондратьев, В.М.Петухов. – М.: Радио и связь, 1988. – С. 336.

  4. Буль, О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM: Учебное пособие для вузов/О.Б.Буль. – М.:Академия,2005. – С.191

  5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Пушка_Гаусса

  6. http://www.popmech.ru/archive/2008/issue/70/

  7. http://topwar.ru/3742-novoe-oruzhie-rossii-relsotron-arcimovicha.htm

  8. http://itc.ua/blogs/uskoriteli_mass_ot_skorostnogo_metro_do_kosmicheskogo_poleta_44184

  9. http://www.gauss2k.narod.ru/

  10. http://besson.of.by/



Похожие:

Электромагнитный ускоритель масс iconСовременное материаловедение !
Это одни из наиболее старинных и всем известных масс, которые тем не менее с успехом применяются в стоматологии и по сей день, несмотря...
Электромагнитный ускоритель масс iconЛабораторная работа №3 исследование зависимости момента инерции системы от расспределения масс
Цель работы: проверить характер зависимости момента инерции вращающейся системы от распределения в ней масс
Электромагнитный ускоритель масс icon-
«Искусство принадлежит народу. Оно должно уходить своими глубочайшими корнями в самую толщу широких трудящихся масс. Оно должно быть...
Электромагнитный ускоритель масс iconУдарная волна, световое излучение, проникающая радиация, электромагнитный...
Общие свед-я о ядерном оружии. Виды ядерных взрывов и их хар-ка. Поражающие факторы ядерного взрыва
Электромагнитный ускоритель масс iconОхапкин Иван Наука и техника: Точные науки Лазер, лёд и пламень
Точнейшие атомные часы, которые ошибаются на 1 секунду в миллиард лет. Мини-ускоритель в лаборатории. Замедление атомов до сверхнизких...
Электромагнитный ускоритель масс iconТрансформатор – это статический электромагнитный аппарат, служащий...
Трансформатор состоит из 2-х основных частей: магнитопровода (сердечника) и обмоток
Электромагнитный ускоритель масс iconВопросы по магистратуре
Представить принципиальную схему масс-спектрометра и пояснить назначение отдельных узлов прибора
Электромагнитный ускоритель масс iconЕ. Ф. Грекулов Православная инквизиция в России
Vii. Разжигание национальной и религиозной нетерпимости, как средство отвлечения масс от классовой борьбы 46
Электромагнитный ускоритель масс icon=4= Аварии на гидродинамических сооружениях
Гиа разрушители гтс, или его частей, с послед и управ перемещ больших масс воды
Электромагнитный ускоритель масс icon-
Гроза ведь тоже ощущается заранее. Но не придумано ещё способа её отогнать: движение атмосферных масс подчиняется только объективным...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2015
контакты
userdocs.ru
Главная страница