Пушка Гаусса - одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду, что этот метод ускорения масс используется в основном в любительских установках, так как не является достаточно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством, известным как линейный двигатель.

Пушка Гаусса 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. На концах снаряда при этом образуются полюса, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодаря тому что снаряд легко перемагничивается (коэрцитивная сила).

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

Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к соленоиду индукция магнитного поля в соленоиде была максимальна, но при дальнейшем приближении снаряда резко падала. Стоит заметить что возможны разные алгоритмы работы ускоряющих катушек.

Применение

Теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту. Основное применение - любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков. Также достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки (простота и относительная безопасность)

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 (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, большамя надежность и теоретически износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями, главное из которых: большие затраты энергии.

Первая и основная трудность - низкий КПД установки. Лишь 1-7% заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27%. В основном в любительских установках энергия, запасенная в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют IGBT модули) для размыкания катушки (правило Ленца).

Вторая трудность - большой расход энергии (из-за низкого КПД).

Третья трудность (следует из первых двух) - большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.

Четвёртая трудность - достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно, теоретически, увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнительные проблемы, и серьёзно влияет на область применения установки. Или же использовать заменяемые батареи конденсаторы.

Пятая трудность - с увеличением скорости снаряда время действия магнитного поля, за время пролёта снарядом соленоида, существенно сокращается, что приводит к необходимости не только заблаговременно включать каждую следующую катушку многоступенчатой системы, но и увеличивать мощность её поля пропорционально сокращению этого времени. Обычно этот недостаток сразу обходится вниманием, так как большинство самодельных систем имеет или малое число катушек, или недостаточную скорость пули.

В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьёзно ограничено - дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе с образованием агрессивных (растворяющих) сред, что требует дополнительного магнитного экранирования.

Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия, так как она значительно уступает другим видам стрелкового оружия, работающего на других принципах. Теоретически, перспективы, конечно, возможны, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200-300К). Однако, установка, подобная пушке Гаусса, может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок, подобных пушке Гаусса, на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей), или объектов на земной поверхности.

Обладать оружием, которое даже в компьютерных играх можно найти только в лаборатории сумасшедшего ученого или возле временного портала в будущее, — это круто. Наблюдать, как равнодушные к технике люди невольно фиксируют на устройстве взгляд, а заядлые геймеры спешно подбирают с пола челюсть, — ради этого стоит потратить денек на сборку пушки Гаусса.

Как водится, начать мы решили с простейшей конструкции — однокатушечной индукционной пушки. Эксперименты с многоступенчатым разгоном снаряда оставили опытным электронщикам, способным построить сложную систему коммутации на мощных тиристорах и точно настроить моменты последовательного включения катушек. Вместо этого мы сконцентрировались на возможности приготовления блюда из повсеместно доступных ингредиентов. Итак, чтобы построить пушку Гаусса, прежде всего придется пробежаться по магазинам. В радиомагазине нужно купить несколько конденсаторов с напряжением 350−400 В и общей емкостью 1000−2000 микрофарад, эмалированный медный провод диаметром 0,8 мм, батарейные отсеки для «Кроны» и двух 1,5-вольтовых батареек типа С, тумблер и кнопку. В фототоварах возьмем пять одноразовых фотоаппаратов Kodak, в автозапчастях — простейшее четырехконтактное реле от «Жигулей», в «продуктах» — пачку соломинок для коктейлей, а в «игрушках» — пластмассовый пистолет, автомат, дробовик, ружье или любую другую пушку, которую вы захотите превратить в оружие будущего.

Мотаем на ус

Главный силовой элемент нашей пушки — катушка индуктивности. С ее изготовления стоит начать сборку орудия. Возьмите отрезок соломинки длиной 30 мм и две большие шайбы (пластмассовые или картонные), соберите из них бобину с помощью винта и гайки. Начните наматывать на нее эмалированный провод аккуратно, виток к витку (при большом диаметре провода это довольно просто). Будьте внимательны, не допускайте резких перегибов провода, не повредите изоляцию. Закончив первый слой, залейте его суперклеем и начинайте наматывать следующий. Поступайте так с каждым слоем. Всего нужно намотать 12 слоев. Затем можно разобрать бобину, снять шайбы и надеть катушку на длинную соломинку, которая послужит стволом. Один конец соломинки следует заглушить. Готовую катушку легко проверить, подключив ее к 9-вольтовой батарейке: если она удержит на весу канцелярскую скрепку, значит, вы добились успеха. Можно вставить в катушку соломинку и испытать ее в роли соленоида: она должна активно втягивать в себя отрезок скрепки, а при импульсном подключении даже выбрасывать ее из ствола на 20−30 см.

Освоившись с простой однокатушечной схемой, можно испытать свои силы в постройке многоступенчатого орудия — ведь именно такой должна быть настоящая пушка Гаусса. В качестве коммутирующего элемента для низковольтных схем (сотни вольт) идеально подходят тиристоры (мощные управляемые диоды), для высоковольтных (тысячи вольт) — управляемые искровые разрядники. Сигнал на управляющие электроды тиристоров или разрядников будет посылать сам снаряд, пролетая мимо фотоэлементов, установленных в стволе между катушками. Момент выключения каждой катушки будет всецело зависеть от питающего ее конденсатора. Будьте внимательны: избыточное увеличение емкости конденсатора при заданном импедансе катушки может привести к увеличению длительности импульса. В свою очередь это может привести к тому, что после прохождения снарядом центра соленоида катушка останется включенной и замедлит движение снаряда. Детально отследить и оптимизировать моменты включения и выключения каждой катушки, а также измерить скорость движения снаряда поможет осциллограф.

Препарируем ценности

Для формирования мощного электрического импульса как нельзя лучше подходит батарея конденсаторов (в этом мнении мы солидарны с создателями самых мощных лабораторных рельсотронов). Конденсаторы хороши не только большой энергоемкостью, но и способностью отдать всю энергию в течение очень короткого времени, до того как снаряд достигнет центра катушки. Однако конденсаторы необходимо как-то заряжать. К счастью, нужное нам зарядное устройство есть в любом фотоаппарате: конденсатор используется там для формирования высоковольтного импульса для поджигающего электрода вспышки. Лучше всего нам подходят одноразовые фотоаппараты, потому что конденсатор и «зарядка» — это единственные электрические компоненты, которые в них есть, а значит, достать зарядный контур из них проще простого.

Знаменитый рэйлган из игр серии Quake с большим отрывом занимает первое место в нашем рейтинге. В течение многих лет виртуозное владение «рельсой» отличало продвинутых игроков: оружие требует филигранной точности стрельбы, однако в случае попадания скоростной снаряд буквально разрывает противника на куски.

Разборка одноразового фотоаппарата — это этап, на котором стоит начать проявлять осторожность. Вскрывая корпус, старайтесь не касаться элементов электрической цепи: конденсатор может сохранять заряд в течение долгого времени. Получив доступ к конденсатору, первым делом замкните его выводы отверткой с ручкой из диэлектрика. Только после этого можно касаться платы, не опасаясь получить удар током. Удалите с зарядного контура скобы для батарейки, отпаяйте конденсатор, припаяйте перемычку к контактам кнопки зарядки — она нам больше не понадобится. Подготовьте таким образом минимум пять зарядных плат. Обратите внимание на расположение проводящих дорожек на плате: к одним и тем же элементам схемы можно подключиться в разных местах.

Снайперское орудие из зоны отчуждения получает второй приз за реализм: сделанный на основе винтовки LR-300 электромагнитный ускоритель сверкает многочисленными катушками, характерно гудит при зарядке конденсаторов и насмерть поражает противника на колоссальных расстояниях. Источником питания служит артефакт «Вспышка».

Расставляем приоритеты

Подбор емкости конденсаторов — это вопрос компромисса между энергией выстрела и временем зарядки орудия. Мы остановились на четырех конденсаторах по 470 микрофарад (400 В), соединенных параллельно. Перед каждым выстрелом мы в течение примерно минуты ждем сигнала светодиодов на зарядных контурах, сообщающих, что напряжение в конденсаторах достигло положенных 330 В. Ускорить процесс заряда можно, подключая к зарядным контурам по несколько 3-вольтовых батарейных отсеков параллельно. Однако стоит иметь в виду, что мощные батареи типа «С» обладают избыточной силой тока для слабеньких фотоаппаратных схем. Чтобы транзисторы на платах не сгорели, на каждую 3-вольтовую сборку должно приходиться 3−5 зарядных контуров, подключенных параллельно. На нашем орудии к «зарядкам» подключен только один батарейный отсек. Все остальные служат в качестве запасных магазинов.

Расположение контактов на зарядном контуре одноразового фотоаппарата Kodak. Обратите внимание на расположение проводящих дорожек: каждый провод схемы можно припаять к плате в нескольких удобных местах.

Определяем зоны безопасности

Мы никому не посоветуем держать под пальцем кнопку, разряжающую батарею 400-вольтовых конденсаторов. Для управления спуском лучше установить реле. Его управляющий контур подключается к 9-вольтовой батарейке через кнопку спуска, а управляемый включается в цепь между катушкой и конденсаторами. Правильно собрать пушку поможет принципиальная схема. При сборке высоковольтного контура пользуйтесь проводом сечением не менее миллиметра, для зарядного и управляющего контуров подойдут любые тонкие провода. Проводя эксперименты со схемой, помните: конденсаторы могут иметь остаточный заряд. Прежде чем прикасаться к ним, разряжайте их коротким замыканием.

В одной из самых популярных стратегических игр пехотинцы Глобального Совета Безопасности (GDI) оснащаются мощнейшими противотанковыми рельсотронами. Кроме того, рэйлганы устанавливаются и на танки GDI в качестве апгрейда. По степени опасности такой танк — это примерно то же самое, что Звездный разрушитель в Star Wars.

Подводим итог

Процесс стрельбы выглядит так: включаем тумблер питания; дожидаемся яркого свечения светодиодов; опускаем в ствол снаряд так, чтобы он оказался слегка позади катушки; выключаем питание, чтобы при выстреле батарейки не отбирали энергию на себя; прицеливаемся и нажимаем на кнопку спуска. Результат во многом зависит от массы снаряда. Нам с помощью короткого гвоздя с откусанной шляпкой удалось прострелить банку с энергетическим напитком, которая взорвалась и залила фонтаном полредакции. Затем очищенная от липкой газировки пушка запустила гвоздь в стену с расстояния в полсотни метров. А сердца поклонников фантастики и компьютерных игр наше орудие поражает без всяких снарядов.

Ogame — это многопользовательская космическая стратегия, в которой игроку предстоит почувствовать себя императором планетных систем и вести межгалактические войны с такими же живыми противниками. Ogame переведена на 16 языков, в том числе русский. Пушка Гаусса — одно из самых мощных оборонительных орудий в игре.

1. Вступление.

В этой статье я опишу свой первый макетный электромагнитный метатель ЕМ-1, собранный уже больше года назад. Тем, кого не интересует электрическая схема устройства, принцип действия и т.д., можно пропустить всё, что написано дальше, и сразу перейти к разделам 3 и 4, где находятся фото устройства и видеоролики.

Целью создания ЕМ-1 было:

1. Собрать автономную конструкцию в одном корпусе.
   Все мои предыдущие стрелялки собирались из отдельных компонентов и выглядели как груда соединённых проводами плат (см. рис. 1). Мало того, что это очень неудобно при экспериментах, это ещё и опасно – ничего не стоит что-нибудь случайно зацепить и получить удар высоким напряжением, или спалить одну из плат, случайно что-нибудь закоротив (были такие случаи). Зарядка от сети, которая часто применяется в таких опытных конструкция, тоже достаточно опасна и неудобна. Мне хотелось сделать именно автономное устройство, максимально безопасное в обращении. Сюда относится и максимальная помехоустойчивость – Gordon на http://www.pskovinfo.ru/coilgun/indexr.htm совершенно справедливо замечает, что схема Gauss Gun не должна быть чувствительна ко всякого рода наводкам, в то время как конструкции типа изображённых на рис.1 часто неожиданно выстреливали от случайного прикосновения к одной из плат, никак не связанных с главным силовым контуром.

   
   Рис. 1. Один из опытных образцов Gauss Gun. Видны плата управления тиристорами, мощный конденсатор (здесь я использовал комбинированный К75-40 на 1000В, 100 мкФ), источник высокого напряжения, ствол гауссовки с укреплёнными ИК-датчиками, и ИК-хронограф.

2. Получение максимальной скорости при сохранении КПД.
   Известно, что КПД Gauss-gun падает при повышении скорости и уменьшении длины снаряда. С другой стороны, тяжёлый и длинный снаряд, при выстреле которым развивается максимальный КПД, совершенно неустойчив в полёте – чтобы прострелить навылет какую-нибудь алюминиевую банку с пивом, приходится приставлять её вплотную к стволу гауссовки. Поэтому я попытался взять максимально короткий снаряд, сохраняющий приемлемый КПД, и получить максимальную скорость. Забегая вперёд, скажу, что задачу стабилизации снаряда в полёте полностью решить так и не удалось, хотя область, в которой пуля сохраняет устойчивость, расширилась.
3. Разработка оптимальной конструкции электронной части для Gauss Gun.
   Многие гауссостроители стараются делать управляющую часть электромагнитного метателя как можно более простой, при этом часто ограничиваются даже замыканием управляющего электрода тиристора с помощью тумблера или упомянутой выше зарядкой от сетевого напряжения через диодный мост и резистор. С точки зрения надёжности и безопасности конструкции это не самый лучший подход, не говоря уже о повторяемости результатов экспериментов и т.д. Поэтому я разработал электронную часть, обеспечивающую простое и удобное «холодное» управление выстрелом (т.е. без контакта непосредственно с силовой частью метателя), а также зарядку силовых конденсаторов, их автоматический разряд в момент выключения установки, плавный пуск устройства и т.д.. Достоинством этой схемы является также и то, что она (не считая силовых элементов) размещена на одной плате.

   2. Электрическая схема ЕМ-1.

   приведена полная электрическая схема ЕМ-1. Ниже более подробно описаны её составные части и их функционирование.

   2.1. Источник питания.

   В качестве источника питания для ЕМ-1 я использовал батарею из шести последовательно соединённых аккумуляторов типа АА (общее номинальное напряжение 7,2 В), размещённых в специальном батарейном боксе (см. рис. 2). Потребляемый схемой ток невелик (менее 1 А), поэтому не возникает проблемы, связанной с сопротивлением контактов, их окислением и т.д. Это также позволило использовать самые обычные дешёвые аккумуляторные банки всего на 600 мА·ч.

   
   Рис. 2. Источник питания ЕМ-1. Батарейный бокс на 6 аккумуляторов и два Ni-Cd аккумулятора на 600 мА·ч

   2.2. Схема включения и генерации временных задержек.

   Часть схемы ЕМ-1, обеспечивающая подачу питания на управляющую логику и силовой контур, а также генерацию разрешающих сигналов и временных задержек, показана на рис. 2.

   Тумблер S1 обеспечивает подачу положительного напряжения от батареи питания на затвор полевого транзистора. При этом потенциал на затворе растёт с постоянной времени, равной 2,2 мкФ* 76К ≈ 0,17 сек, и так же плавно происходит подача питания на весь контур. Когда потенциал затвора достигает приблизительно половины от напряжения питания, на выходе элемента DD1.1 появляется низкий уровень, а на выходе DD1.2 с задержкой около 0,7*2,2 мкФ*1М ≈ 1,5 сек – высокий уровень (сигнал А), разрешающий работу всей управляющей логики. Такая схема позволила решить сразу две проблемы: избавиться от всякого рода нежелательных всплесков при включении/выключении схемы (как показывает практика, это самый чувствительный момент в работе таких цепей, здесь они часто ведут себя совершенно непредсказуемо), и обеспечить плавную зарядку высокоёмкостного конденсатора, включённого для сглаживания пульсаций от работы импульсного преобразователя напряжения (см. ниже). Последняя проблема может быть решена также включением терморезисторов, меняющих своё сопротивление в зависимости от температуры (т.е. силы протекающего тока), но такие элементы инерционны и не работают при частых включениях/выключениях.

   Вообще, включение подобных элементов в цепь питания очень желательно: в сетевых источниках питания они предотвращают перегрев выпрямительных диодов в начальный момент, когда заряжаются электролитические конденсаторы низковольтной части, а в данном случае предотвращается всплеск тока, очень вредный для аккумуляторных батарей.

   При отключении схемы (S1 заземляется) полевик быстро (с постоянной времени 2,2 мс) закрывается, сигнал разрешения выключается, а на выходе элемента DD1.4 генерируется сигнал сброса длительностью 140 мкс, который открывает тиристор автосброса и разряжает основные конденсаторы (см. раздел 2.6).

   Здесь ещё следует заметить, что сопротивление выбранного полевого транзистора в открытом состоянии (6-7 В на затворе) ничтожно, и при тех уровнях потребляемого тока, которые имеют место, оно никак не влияет на работу схемы (т.е. падение напряжение на ключе очень мало).

   
   Рис.3. Схема подачи питания и генерации временных задержек.

   В принципе, для работы микросхем, которые используются для управления ЕМ-1, напряжения шести последовательно соединённых аккумуляторов вполне достаточно. Однако, чтобы управлять затвором мощного полевого транзистора импульсного преобразователя (см. ниже), необходимо, по меньшей мере, 10 В. Я выбрал 15 В, т.к. при таком напряжении одновременно хорошо функционирует таймер NE555, и надёжно управляется полевой ключ (см. ниже).

   Для получения такого напряжения из напряжения аккумуляторной батареи, используется специальная ИС КР1156ЕУ1 (отечественный аналог импортной LM78S40). Она содержит встроенный генератор, компаратор, ключ на ток до 1 А, диод, источник опорного напряжения и даже операционный усилитель! Схема включения этой ИС приведена на рис. 4. Резистор 0,39 Ом служит для токоограничения, ёмкость 750 пФ задаёт частоту преобразования, дроссель 470 мкГн накапливает энергию, а делитель устанавливает значение выходного напряжения. Ёмкости 2,2 мкФ и 1,5 мкФ предотвращают помехи по цепи питания и опорного напряжения. ОУ здесь включён как компаратор для контроля напряжения на силовых конденсаторах (вход F на рисунке), его выход используется для разрешения выстрела (сигнал С) и индикации состояния готовности (с помощью светодиода VD 3).

   
   Рис.4. Схема включения ИС КР1156ЕУ1.

   Таким образом, ИС КР 1156ЕУ1 выполняет сразу две функции: компаратора, следящего за напряжением на основных силовых конденсаторах, и маломощного импульсного преобразователя. Последнее особенно удобно, т.к. делает напряжение на управляющей части ЕМ-1 независимым от напряжения аккумуляторной батареи (как показала практика, напряжение на аккумуляторах может сильно меняться: от 8,4 В при свежезаряженных банках до 5,5 В при почти разряженных).

   2.4. Импульсный преобразователь 7,2 В – 600 В.

   Источником энергии при выстреле в ЕМ-1 служат 4 конденсатора 300 В, 800 мкФ в виде двух последовательно соединённых батарей, каждая из двух конденсаторов. То есть суммарное напряжение на батарее силовых конденсаторов составляет 600 В. Чтобы получить такое напряжение, я использовал достаточно стандартное решение в виде импульсного обратноходового преобразователя. Тех, кто интересуется физическими основами работы этого устройства, могу отослать, например, на http://www.coilgun.com/ . Там подробно описаны протекающие в преобразователе процессы. Здесь же я лишь ограничусь описанием схемы преобразователя.

   Основным элементом преобразователя (рис. 5) является мощный полевой транзистор VT3. Входная ёмкость этого транзистора довольно велика (10 нФ), поэтому для управления им от таймера NE555 применён комплементарный каскад на транзисторах VT1 и VT2. Резисторы 1 Ом служат для ограничения сквозного тока через каскад в момент переключения. Таймер управляется компаратором DA2. Два элемента этого компаратора включены по схеме «монтажное ИЛИ»: при наличии низкого уровня на линии А (питание схемы отключено, см. рис. 3) или высокого уровня на линии Е (силовые конденсаторы заряжены до номинального напряжения) выводы 2 и 6 таймера заземляются, и на его выходе устанавливается высокий уровень, при этом работа преобразователя останавливается.

   В качестве сердечника трансформатора Т1 используется феррит из телевизионного трансформатора строчной развёртки. Параметры обмоток: первичная – 110 витков провода 0,5 мм, вторичная – 950 витков провода 0,1 мм. Полученный КПД зарядного процесса составил около 65% - неплохо для такой любительской конструкции. Замечу, что большего КПД я сейчас достигаю, используя чашечные сердечники – они меньше по габаритам и создают меньшую индуктивность рассеяния.

   Первичная обмотка трансформатора зашунтирована электролитическим конденсатором большой ёмкости, чтобы сгладить пульсации напряжения, вызываемые работой преобразователя.

   
   Рис. 5. Схема импульсного преобразователя 7,2 В – 600 В для зарядки силовых конденсаторных батарей.

   2.5. Схема выстрела.

   Это самая ответственная часть Gauss Gun, т.к. она непосредственно включает в себя силовой контур (силовые конденсаторы, ускоряющую катушку и коммутирующий элемент). Главные требования к силовой части – способность выдерживать мощные импульсные нагрузки, возникающие при выстреле, и высокая помехоустойчивость (отсутствие ложных срабатываний).

   Схема выстрела изображена на рис. 6. В качестве коммутирующего элемента используется тиристор Т142-50-14, способный выдерживать в импульсе напряжение 1400 В, и постоянное напряжение 840 В. Ударный ток, протекающий через этот тиристор в течение 1 мс, может составлять до 1400 А. Таким образом, он подходит для использования в качестве коммутирующего элемента в силовой части ЕМ-1, где нагрузка по напряжению составляет 600 В, а по току – до 1000 А в импульсе.

   Тиристор управляется специальной схемой на логическом элементе DD2, которая при нажатии кнопки S2 генерирует на выходе импульс отрицательной полярности длительностью около 140 мкс. Это происходит только в том случае, если присутствуют уровни логической единицы на входах С (разрешение выстрела по напряжению на силовых конденсаторах) и А (разрешение по питанию всей схемы), что придаёт схеме дополнительную помехоустойчивость. В качестве элемента, непосредственно открывающего тиристор, использован полевой транзистор VT4, который управляется от логической схемы с помощью одного из элементов компаратора DA2.

   Диод VD4 при выстреле препятствует перезарядке силовых конденсаторов в обратной полярности.

   
   Рис. 6. Схема выстрела ЕМ-1.

   2.6. Схема автоматического сброса напряжения.

   Этот контур я ввёл в схему ЕМ-1 исключительно в целях безопасности. Он осуществляет сброс остаточного напряжения на силовых конденсаторах после каждого включения тумблера питания S1 (см. рис. 1) в положение “выкл.”.

   Сброс напряжения осуществляется с помощью схемы, изображённой на рис. 7. При поступлении сигнала B на вход четвёртого элемента компаратора DA2 на его выходе генерируется импульс, который через транзистор VT5 открывает тиристор T2. Длительность импульса составляет 140 мкс (см. раздел 2.2). Разряд силовых конденсаторов происходит через мощные резисторы Rs. Затем тиристор самопроизвольно закрывается и не препятствует процессу зарядки конденсаторов при новом включении схемы.

   
   Рис. 7. Схема автосброса напряжения.

   3. Общие характеристики ЕМ-1.

   В этом разделе я кратко опишу параметры готового устройства.

   Сначала пара фоток:

   
   Рис. 8. ЕМ-1 на этапе сборки. Видны батарея силовых конденсаторов, аккумуляторный бокс, силовой и сбросовый тиристоры, мощные резисторы схемы автосброса и ускоряющая катушка. Сзади к катушке прикреплён постоянный магнит, удерживающий снаряд перед выстрелом.

   
   Рис. 9. Готовое устройство. Здесь видна управляющая плата, трансформатор и диод импульсного преобразователя. Можно видеть также кнопку выстрела S2.

   Как видно, схема получилась сравнительно компактная, хотя я и не старался уменьшить её размеры. Габариты ЕМ-1 25 х 12 х 13 см, что позволяет без проблем положить её в небольшую сумку. Масса 1,5 кг.

   Снарядами для ЕМ-1 служат отпиленные острия гвоздей диаметром 6 мм (см. рис. 10). Длина таких пулек составляет 30 мм, масса – 5,4 г. Их легко изготовить при помощи ножовки по металлу и напильника.

   
   Рис. 10. Метательные снаряды для ЕМ-1.

   При выстреле из ЕМ-1 эти пульки получают начальную скорость 24 м/с, что в сочетании с заострённой формой и сравнительно большой массой позволяет, например, легко пробить пластмассовую бутыль с водой (см. раздел 4). Алюминиевую банку с водой или пивом такая пуля пробивает навылет.

   Здесь, однако, возникает проблема, связанная с устойчивостью пули в полёте. Люди, которые пробовали изготавливать подобные устройства, наверняка сталкивались с этой проблемой. По мнению Gordon"а, неустойчивость связана с импульсом отдачи при выстреле, который подбрасывает пулю вверх при выходе из ствола. Выходом из положения может стать повышение скорости пули и уменьшение её массы.

   В ЕМ-1 ствол с ускоряющей катушкой дополнительно закреплён на корпусе с помощью эпоксидной смолы, а скорость пули сравнительно велика, что позволило увеличить дистанцию уверенной стрельбы до ~1 м.

   В заключение приведу общие характеристики ЕМ-1:
   • Масса – 1,5 кг;
   • Габариты - 25 х 12 х 13;
   • Напряжение на конденсаторной батарее – 600 В;
   • Ёмкость конденсаторной батареи – 800 мкФ;
   • Запасаемая энергия – 144 Дж;
   • Калибр – 6 мм;
   • Энергия снаряда – 1,5 Дж;
   • Скорость снаряда - 24 м/с;
   • Масса снаряда – 5,4 г;
   • Напряжение питания – 7,2 В (6х1,2 В);
   • Средний потребляемый ток при зарядке батареи – 930 мА;
   • Потребляемый ток в холостом режиме (при заряженной батарее) – 80 мА;
   • Среднее время зарядки конденсаторной батареи – 35 сек.

   Это, пожалуй, всё, что можно рассказать об этой игрушке. С практической точки зрения устройство, конечно, абсолютно бесполезное, но очень забавное. Кроме того, такие штуки сами по себе являются неплохим пособием по электронике и схемотехнике – работая с ними, узнаёшь много нового из этих областей.

   4. Фото и видео.

   В этом разделе помещены некоторые фотографии и видеоролики с ЕМ-1 в главной роли.

   1. ЕМ-1 пробивает пластмассовую бутыль с водой, снаряд остаётся внутри

В статье будет рассмотрен пример создания простейшей Гаусс-пушки. Суть устройства заключается в том, что оно работает на электромагнитном поле, то есть заряд запускается в полет при помощи электричества. Собирается такая пушка очень просто, при наличии всех необходимых материалов на сборку уходит около часа. Конечно, мощность пушки не велика, так как ее КПД составляет всего лишь 1%, но этого вполне хватает, чтобы пробить картон или пивную банку. Для накопления заряда используются легкодоступные конденсаторы, а источником напряжения является обычная розетка, то есть 220В переменного тока. Стрелять пушка может стальными шариками или дротиками, которые можно сделать из гвоздей.

Материалы и инструменты для сборки:
- лампочка (220В, 60 Ватт) с патроном;
- провода;
- конденсаторы (можно достать с компьютерного блока питания);
- диоды;
- металлические и пластиковые трубки;
- медный лакированный провод;
- клей (подойдет Titan);
- паяльник с припоем;
- изолента.

Процесс изготовления Гаусс-пушки:

Шаг первый. Как устроена пушка
Чтобы понять, как работает пушка, предлагается изучить схему. Она очень простая, здесь нет преобразователей, работает все от сети 220В. Цепь состоит из конденсаторов, которые накапливают заряд, диода (необходим для выравнивания переменного тока), катушки (собственно сам электромагнит), а также лампочки, которая будет ограничивать ток зарядки конденсаторов.

Шаг второй. Изготавливаем катушку
Катушка будет работать как электромагнит, когда на нее будет поступать напряжение от конденсаторов. Для изготовления катушки будет необходим лакированный провод, толщина которого составляет не менее 0.7 мм. Наматывается провод на пластиковую или металлическую трубочку, она также будет выступать в качестве ствола. Провод нужно наматывать аккуратно, ровно, виток за витком. Когда будет намотан первый слой, его нужно зафиксировать с помощью клея. Затем сверху наматывается новый слой. Чтобы выровнять витки, можно использовать деревянные предметы или бамбучины. В итоге катушка должна принять такой вид, как можно увидеть на фото.

Шаг третий. Делаем батарею конденсаторов
Батарея конденсаторов является источником питания пушки. Чем больше будет конденсаторов, тем больший заряд они смогут накопить, а значит, тем мощнее будет стрелять пушка. Для этих целей отлично подойдут конденсаторы от компьютерного блока питания, их номинальное напряжение составляет 200В. Что касается емкости, то это может быть 470 мкФ либо 560 мкФ. Всего автор использует шесть конденсаторов, они соединяются с помощью паяльника и проводов параллельно.

Шаг четвертый. Завершающий этап сборки
Для зарядки подобных конденсаторов понадобится постоянный ток, чтобы его получить, будут нужны диоды. Такие диоды можно найти опять же в компьютерном блоке питания. Чтобы система была надежной, можно установить параллельно 4 и более диодов. Минус диода должен подключаться к плюсу конденсатора, или наоборот.

Помимо всего прочего в цепь включается лампочка, она выполняет задачу резистора и не позволяет конденсаторам перезарядиться до состояния пробоя. Также лампочка выполнят роль индикатора зарядки, по ней можно определять, когда конденсаторы будут заряжены и можно делать выстрел.

Что же касается курка, то для выстрелов понадобится переключатель, а лучше всего тумблер. Важно, чтобы переключатель или тумблер мог выдерживать высокие нагрузки.

Современные артиллерийские пушки представляют собой сплав новейших технологий, ювелирной точности поражения и возросшей мощности боеприпасов. И все же, несмотря на колоссальный прогресс, пушки XXI века стреляют также, как и их прабабушки — используя энергию пороховых газов.

Поколебать монополию пороха смогло электричество. Идея создания электромагнитной пушки зародилась практически одновременно в России и Франции в разгар Первой мировой войны. В ее основу легли труды немецкого исследователя Йоганна Карла Фридриха Гаусса, который разработал теорию электромагнетизма, воплотившуюся в необычное устройство — электромагнитную пушку.

Опережая время

Идея создания электромагнитной пушки намного опередила свое время. Тогда в начале минувшего века все ограничилось опытными образцами, показавшими к тому же очень скромные результаты. Так французская модель едва сумела разогнать 50 граммовый снаряд до скорости 200 м/сек, что ни шло ни в какое сравнение с действующими на тот момент обычными артиллерийскими системами. Ее российский аналог – магнитно-фугальная пушка и вовсе осталась в чертежах. И все же главный итог – воплощение идеи в реальное «железо», а подлинный успех был вопросом времени.

Гаусс-пушка

Разработанная немецким ученым пушка Гаусса представляет собой разновидность электромагнитного ускорителя масс. Пушка состоит из соленоида (катушки) с расположенным внутри него стволом из диэлектрического материала. Она заряжается снарядом из ферромагнетика. Чтобы заставить снаряд двигаться, на катушку подается электрический ток, создающий магнитное поле, благодаря которому снаряд втягивается в соленоид. Скорость снаряда тем быстрее, чем мощнее и короче генерированный импульс.

Принцип действия Гаусс-пушки

Преимущества электромагнитной пушки Гаусса по сравнению с другими видами оружия — возможность гибко варьировать начальную скорость и энергию снаряда, а также бесшумность выстрела. Есть и недостаток — низкий КПД, составляющий не более 27 % и связанные с этим крупные затраты энергии. Поэтому в наше время пушка Гаусса имеет перспективы скорее в качестве любительской установки. Однако, идея может получить вторую жизнь в случае изобретения новых компактных и сверхмощных источников тока.

Рельсовая электромагнитная пушка

Рельсотрон – еще один вид электромагнитной пушки. В состав рельсотрона входят источник питания, коммутационная аппаратура и два электропроводящих рельса от 1 до 5 метров, которые одновременно являются электродами, расположенными друг от друга на расстоянии 1 см. В нем энергия электромагнитного поля взаимодействует с энергией плазмы, которая образуется в результате сгорания специальной вставки в момент подачи высокого напряжения.

Принцип действия рельсотрона

Порох на большее не способен

Конечно, рано говорить о том, что время традиционных боеприпасов безвозвратно ушло в прошлое. Однако по оценкам экспертов они достигли своего предела. Скорость выпущенного с их помощью заряда ограничена 2,5 км/сек. Для войн будущего этого явно недостаточно.

Рельсовые пушки – больше не фантазия

В США полным ходом идут лабораторные испытания 475-мм рельсотрона, разработанного компаниями General Atomics и BAE Systems. Первые залпы чудо-оружия показали обнадеживающие результаты. 23-кг снаряд вылетал из ствола со скоростью, превышающей 2200 м/сек, что позволит в дальнейшем поражать цели на расстоянии до 160 км. Невероятная кинетическая энергия поражающих элементов электромагнитных орудий делает ненужными метательные заряды, а значит повышается живучесть расчетов. После доводки опытного образца рельсотрон установят на скоростной корабль JHSV Millinocket. Примерно через 5-8 лет US NAVY начнут планомерно оснащаться рельсовыми пушками.

Наш ответ

В нашей стране об электромагнитных пушках вспомнили в 50-е годы, когда началась безумная гонка по созданию очередного сверхоружия. До сих пор эти работы строго засекречены. Советским проектом руководил выдающийся физик академик Л. А. Арцимович, многие годы занимавшийся проблемами плазмы. Именно он заменил громоздкое название «электродинамический ускоритель массы» на всем известное сегодня — «рельсотрон».

В России и сейчас ведутся подобные разработки. Свое видение рельсотрона недавно продемонстрировал коллектив одного из филиалов Объединенного института высоких температур РАН. Для разгона заряда был разработан электромагнитный ускоритель. Пулю весом в несколько грамм здесь удалось разогнать до скорости около 6,3 км/сек.