Енциклопедия на технологиите и методите - Цев за Coilgun
Цев за Coilgun
Цевта е важна част от електромагнитния ускорител. В същото време той трябва да притежава редица свойства, някои от които доста специфични. Нека се опитаме да ги формулираме:
За разлика от конвенционалните огнестрелни оръжия, при които ускорението на снаряда се постига чрез налягането на горещи прахови газове, в електромагнитния ускорител няма такива фактори, които влияят на материала на цевта като високи температури и налягания (освен ако, разбира се, ускорителните намотки се нагряват до червено след всеки изстрел). Следователно здравината на цевта на Coilgun не е толкова критична, колкото тази на барутното оръжие. Въпреки това, когато импулсни токове протичат през ускоряващи намотки, се развиват механични напрежения (виж [1]), които, ако материалът на цевта или неговата дебелина са избрани неправилно, могат да доведат до нейното разрушаване (виж по-долу). Освен това, ако все още се надяваме да създадем гаусиан за използване в реални условия, тогава трябва да му осигурим достатъчно здрава цев. Това изискване е особено важно за многостепенни системи с увеличена дължина на цевта.
Дебелината на стената на цевта на Coilgun трябва да бъде минимална. Това изискване произтича от факта, че колкото по-плътен е диаметърът на сърцевината (снаряда) към вътрешния диаметър на ускоряващата намотка, толкова по-голяма е нейната потокова връзка с намотката (т.е. по-голямата част от полето, създадено от намотката, преминава през снаряда). Това доста очевидно твърдение е илюстрирано на фигура 1.
Тук трябва да се разсее един много често срещан мит. Моля, обърнете внимание, че основната част от линиите на силата на магнитното поле на фигурата минава близо до вътрешната повърхност на соленоида, а не близо до неговата ос. Точно така работи в действителност. Това противоречи на много разпространенотопогрешно схващане за разпределението на силата на полето в соленоида, което казва, че силата е максимална по неговата ос. Всъщност полето е минимално по оста на соленоида. За да проверите това, достатъчно е да разгледате полето на кръгова намотка с ток и след това да сумирате (интегрирате) резултата по дължината на соленоида. Точните математически изчисления са тромави и извън обхвата на статията, мога да насоча заинтересованите например към [2] (въпреки че не се съмнявам, че подобна информация е дадена в много други източници).
Ориз. 1. Зависимост на потоковата връзка на снаряда и ускоряващата намотка. Отляво е случай на висока връзка на потока (тънък ствол), отдясно - лош (тънък ствол). Черните стрелки показват схематично линиите на напрегнатостта на магнитното поле.
Трябва да се отбележи, че изискването за минимална дебелина на стената на цевта е специфично за Coilgun, за разлика от огнестрелните оръжия, където този параметър няма значение. Освен това това изискване противоречи на параграф 1 (сила).
3). Електрическа проводимост и феромагнетизъм.
Материалът на цевта трябва да е слабо проводим и да не е феромагнитен. Това изискване произтича от факта, че проводящият и особено феромагнитният материал на цевта ще отслаби значително променливото магнитно поле, под въздействието на което снарядът се ускорява по Гаус. Този ефект е разгледан по-подробно в раздела за метални варели.
4). Лекота на обработка.
Материалът на багажника трябва лесно да се обработва (рязан, пробиван и т.н.), т.к той съдържа много елементи от дизайна на Coilgun (ускоряващи намотки, индуктивни или оптични сензори за положение и т.н.).
5). Евтина и наличност.
важни фактори,особено за любителски изследвания, защото трябва да се пробват много цеви с различен калибър и дължина.
Сега, въз основа на този набор от параметри, нека се опитаме да разгледаме няколко групи материали за производството на варели Coilgun.
Варелите под формата на стъклена тръба много често се използват в любителските изследвания. Този избор се дължи на факта, че стъклена тръба с подходящ диаметър може да се намери в почти всяка училищна химическа лаборатория, да не говорим за специализирани химически магазини. Такива тръби като правило имат много тънки стени, което осигурява добро свързване на потока между снаряда и соленоида. В допълнение, те имат специално предимство пред варели, изработени от други материали: стъклото е прозрачно не само във видимия, но и в близкия инфрачервен диапазон, в който работят повечето инфрачервени светодиоди и фотодиоди. Това ви позволява да проектирате многостепенни системи с оптични сензори за положение без пробиване на отвори в цевта.
Стъклото обаче е твърде крехък материал, за да се използва в повече или по-малко мощни гаусови системи. И така, Сам Барос от http://www.powerlabs.org/multistagecg.htm се оплаква от честото унищожаване на стъклените варели при изстрел. Ясно е, че в електромагнитен ускорител, предназначен за използване в реални условия, не може да се използва стъклен варел.
Металът е най-примамливият материал за направата на варел. Метална тръба с подходящ диаметър е лесна за получаване (в най-лошия случай, поръчана от доставчици), тя е добре обработена и е доста издръжлива. Въпреки това, металният варел има недостатък, специфичен за Coilgun - той отслабва магнитното поле на ускоряващите намотки и по този начин намалява и без това ниската ефективност на процеса на ускоряване. Този ефект е особено изразен приферомагнитни варели (например изработени от стомана) и при високи честоти (т.е. при високи скорости на снаряда).
Нека първо разгледаме обикновен (неперфориран) метален варел в напречно сечение (виж фиг. 2).
Ориз. 2. Отслабване на магнитното поле вътре в металната цев чрез индуктивни токове. Сивият кръг по оста на цевта показва, че полето на соленоида е насочено към нас перпендикулярно на равнината на картината.
Както е показано на фигурата, в съответствие със закона за електромагнитната индукция, в дебелината на цевта се генерира ток, чиято посока зависи от времевата производна на тока в соленоида: когато токът в соленоида се увеличава (производната е положителна), индуцираният ток е насочен противоположно на тока в намотката, с отрицателен знак на производната, токовете съвпадат по посока. Системата всъщност е трансформатор с коефициент на трансформация, равен на броя на навивките в ускоряващия соленоид (тъй като веригата, образувана от цевта, е с единичен оборот на късо). Тъй като съпротивлението на цевната верига е незначително, токът в нея (който се нарича вихров ток или „ток на Фуко“, на английски „вихров ток“) може да достигне огромни стойности. В резултат на това, когато към соленоида се приложи импулс на напрежение, полето вътре в цевта е много по-ниско от очакваното. Това отслабване е толкова по-силно, колкото по-големи са магнитната пропускливост и проводимост на материала на цевта. Дори когато се използват тънкостенни неферомагнитни месингови тръби, ефектът на отслабване на полето е много голям. И така, Бари на http://www.oz.net/%7Ecoilgun/mark2/resultfiringtube.htm показва, че при използване на месингова цев вместо пластмасова скоростта на снаряда (при равни други условия) е намаляла от 5,93 m/s на 4,78 m/s (спад на ефективността с 35%!). Според електромагнитния законИндукция, вихровият ток в цевта е пропорционален на скоростта на промяна на тока в соленоида, така че при по-високи честоти (т.е. с увеличаване на скоростта на снаряда), намаляването на ефективността ще бъде още по-голямо.
Като изход често се използва перфорирана цев, т.е. ствол, в който е направен надлъжен разрез по цялата дължина (или няколко припокриващи се разреза не по цялата дължина). Наистина, такъв разрез е еквивалентен на нарушаване на вътрешния контур на фиг. 2, което прави невъзможно протичането на тока в тази верига (или го прави много трудно в случай на множество прекъсвания). Gaussians с такива варели работят добре при скорости от порядъка на няколко десетки метра в секунда, което е напълно достатъчно за любителски дизайни.
Производството на такъв варел у дома обаче е доста трудоемко. В допълнение, надлъжните разрези намаляват здравината на багажника, следователно, като компромис, е необходимо да се увеличи дебелината на стените му, което се отразява негативно на връзката на потока. Като пример, по-долу е процесът на производство на такъв варел с навит соленоид.
Взема се месингова тръба с необходимия диаметър с тънки стени (използвах тръба с дебелина на стената 0,2 mm) и (виж фиг. 3) четири ограничителя (използвах плексиглас). Освен това ограничителите се пробиват и фиксират върху тръбата, по два от всяка страна (фиг. 4). За тази цел използвах двукомпонентно лепило от типа Moment-Remoset (в случая е много удобно, защото за разлика от обикновената епоксидна смола има много ниска течливост). В този случай между всяка двойка ограничители се поставя лепило. На този етап жица от намотката се навива през една двойка ограничители, което впоследствие значително опростява процедурата за навиване на соленоида. След това тръбата се изрязва отвътре с прободен трион, докато ограничителите не го позволяватдеформират (фиг. 5, 6). След това бобината се навива и импрегнира с епоксидна смола (виж Фиг. 7). Конструкцията е много солидна (макар и не прекалено спретната). След това ограничителите могат да се използват за закрепване на цевта към носещата конструкция на Gaussian.
Ориз. 3. Цев и ограничители.
Ориз. 4. На цевта са фиксирани ограничители и тел.
Ориз. 5. Правим разрез в багажника.
Ориз. 6. Барел с разрез.
Ориз. 7. Цев с навита бобина.
Тук включвам всички материали на основата на пластмаса или полимерно импрегнирани материали (текстолит и др.). В най-примитивния вид това са бъчви, направени от обикновени химикалки, които често се използват от начинаещи гаус-стрелци.
Според мен полимерната цев е най-обещаваща за Coilgun (поне за любителски дизайни). Всъщност почти всяка пластмаса се поддава добре на обработка, е диелектрик и диамагнетик. Ситуацията е малко по-лоша с издръжливостта и достъпността, но и тук има решения. Например Гордън препоръчва използването на закупена опашна стрела за авиомодел (http://www.offtop.ru/gauss2k/view.php?only=&part=1&t=15261).
В заключение на статията искам да опиша прост метод за изработване на варел въз основа на наличните материали, който лесно може да се приложи у дома без използването на машинни инструменти. Вземете кръгла заготовка с подходящ диаметър (използвах 6 mm пирон за тази цел, от който по-късно беше направен снарядът), увийте я с 1-2 слоя лепяща лента и я фиксирайте (фиг. 8). Когато опаковате, опитайте се да се уверите, че върху залепващата лента няма гънки. След това вземете лист обикновена хартия А4, изрежете от него лента с необходимата ширина(равно на дължината на бъдещия багажник) и внимателно, на самия ръб, го закрепете към заготовката с друга тясна лента от лента (вижте фиг. 9).
Ориз. 9. Закрепете хартията.
Сега нека подготвим епоксидната смола и я нанесем за предпочитане на равномерен слой върху лента хартия (фиг. 10). Трябва да направите това по-близо до детайла, защото. при по-нататъшно навиване самата смола ще бъде изстискана към външния край на хартиената лента. От друга страна, трябва да се внимава смолата да не залепи директно хартията и заготовката, в противен случай ще бъде много трудно да извадите готовата цев от заготовката по-късно. Сега навийте лента хартия около детайла и, докато смолата се втвърди, я закрепете отгоре (например, като я увиете с конец или тънка тел, фиг. 11).
Ориз. 10. Приготвена смола.
Ориз. 11. Навийте цевта.
След като изчакате смолата да се втвърди (след 15 часа), извадете получената тръба от заготовката. Това може да изисква клещи и известно усилие, но не много. Цевта е готова (виж фиг. 12)!
Ориз. 12. Готов варел.
За да завършите картината, тя трябва да бъде обработена отвътре с иглена пила, за да се отстранят остатъците от лепяща лента и произволни грапавини.
При навиване хартията е добре импрегнирана със смола, която все още не се е втвърдила, така че получената тръба от такъв домашен текстолит е много издръжлива. Предимството на този метод е също така, че полученият барел е прецизно нагласен по диаметър спрямо бъдещия снаряд (пролуката се определя от броя на слоевете тиксо, навити върху заготовката на първия етап). В допълнение, цевта може да бъде направена от всеки необходим диаметър, имате нужда само от подходяща заготовка за навиване.
[1]. Карасик В.Р. "Физика и технология на силните магнитни полета". М., 1964 [2]. Нейман Л.Р., ДемирчанK. S. "Теоретични основи на електротехниката", том 2, част 4. "Енергетика", 1967 г.
Автор: Митин Евгений ВикторовичИзточник: http://coilgun.narod.ruпишете: [email protected]
Съставител: Patlakh V.V. http://patlah.ru
ВНИМАНИЕ! Забранено е всяко повторно публикуване, пълно или частично възпроизвеждане на материалите от тази статия, както и публикуваните в нея снимки, рисунки и диаграми, без предварителното писмено съгласие на редакторите на енциклопедията.