В статье рассматривается проблема низкого коэффициента полезного действия (КПД) однокатушечных электромагнитных ускорителей масс (ЭМУМ), известных как «пушки Гаусса». Предложена и экспериментально проверена конструктивная модификация ускорителя, заключающаяся в изменении начального положения ферромагнитного снаряда внутри соленоида и передаче кинетической энергии через ударное взаимодействие немагнитному баллистическому снаряду. В результате проведения работы был разработан, смоделирован и собран прототип ЭМУМ, экспериментальный КПД которого составил 6 %, что существенно превышает средние показатели для устройств подобного класса (1–2 %).
Ключевые слова: электромагнитный ускоритель масс, пушка Гаусса, КПД, соленоид, баллистический маятник, моделирование в FEMM.
Введение
Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУМ), или «пушка Гаусса», — это устройство, разгоняющее ферромагнитный снаряд за счет силы Ампера, возникающей при протекании импульса тока через соленоид. Несмотря на простоту принципа действия, основной проблемой, сдерживающей практическое применение одноступенчатых ЭМУМ, является их крайне низкий КПД, редко превышающий 1–2 % в доступных любительских и экспериментальных конструкциях [1, 2].
Объектом исследования является электромагнитный ускоритель масс. Предмет исследования — методы повышения энергоэффективности (КПД) однокатушечного ЭМУМ.
Цель работы — создание и испытание прототипа однокатушечного ЭМУМ с КПД более 2 %.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Разработать теоретическую модель и гипотезу повышения КПД.
2. Провести компьютерное моделирование работы ускорителя для определения оптимальных параметров.
3. Спроектировать, изготовить и испытать рабочий прототип устройства.
4. Экспериментально измерить КПД установки и проанализировать результаты.
Традиционно снаряд в ЭМУМ располагается на некотором расстоянии от соленоида. Однако, как показывают анализ графика разрядки конденсатора и законы электромагнетизма, максимальная сила, действующая на снаряд, достигается в начальный, кратковременный момент импульса тока, когда магнитное поле наиболее интенсивно и еще не успело значительно рассеяться [3].
Нами была выдвинута гипотеза , что размещение ферромагнитного снаряда (выполняющего роль поршня) частично внутри соленоида в начальный момент времени позволит значительно увеличить эффективность преобразования энергии магнитного поля в кинетическую энергиу. Для дальнейшего повышения дульной энергии и избежания торможения снаряда в соленоиде после спада тока предложено передавать импульс от ферромагнитного «поршня» немагнитному баллистическому снаряду той же массы через упругий удар, в соответствии с законами сохранения импульса и энергии [4].
Для проверки гипотезы и расчета параметров было проведено компьютерное моделирование в программной среде FEMM 4.2 (Finite Element Method Magnetics) с использованием специализированного скрипта для расчета КПД.
В результате моделирования были определены ключевые параметры конструкции:
– Емкость конденсатора: 400 мкФ
– Напряжение заряда: 300 В
– Параметры соленоида: длина 50 мм, внешний диаметр 50 мм, провод сечением 0.4 мм², ~4640 витков.
– Начальное положение ферромагнитного снаряда (сталь): вдвинут на 20 мм в соленоид.
– Расчетный КПД: ~37,5 %, скорость снаряда: ~33,9 м/с.
На основе полученных данных была разработана 3D-модель корпуса и механических компонентов (программа OnShape), которая затем была изготовлена на 3D-принтере. Собрана электрическая схема, включающая повышающий преобразователь напряжения (12В -> 300В), конденсаторную батарею, тиристорный ключ и систему управления.
Для измерения КПД использовался метод баллистического маятника. Кинетическая энергия снаряда рассчитывалась по углу отклонения маятника известной массы после неупругого соударения.
Результаты измерений:
– Энергия, запасенная в конденсаторе: 18 Дж
– Масса снаряда: 10 г
– Средняя измеренная кинетическая энергия снаряда: ~1.08 Дж
– Экспериментальный КПД: 6 % ± 2 %
Несмотря на значительное расхождение с расчетным значением (37,5 %), полученный результат в 6 % является весьма высоким для однокатушечной конструкции и подтверждает эффективность предложенного метода. Основными причинами расхождения являются потери в цепи, неидеальность материалов и неполная упругость соударения.
Заключение. В ходе работы была достигнута поставленная цель: создан однокатушечный ЭМУМ с КПД 6 %, что превышает средние показатели для подобных устройств. Подтверждена эффективность гипотезы о повышении КПД за счет начального размещения снаряда внутри соленоида и передачи импульса.
Перспективным направлением дальнейших исследований автор считает применение подобных ускорителей в космических технологиях, в частности, для дешевого и экологичного запуска грузов с поверхности Луны, где низкая гравитация и отсутствие атмосферы являются благоприятными факторами [5].
Планируется продолжение работы: оптимизация параметров цепи, использование более качественных конденсаторов и ферромагнитных материалов для приближения экспериментального КПД к расчетному.
Литература:
1. ADF. Высоковольтный многоступенчатый ускоритель: почему он перспективный? // Gauss2K. [Электронный ресурс]. URL: https://gauss2k.narod.ru (дата обращения: 25.05.2024).
2. Демирчян К. С., Нейман Л. Р., Коровкин Н. В., Чечурин В. Л. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов. Т. 1. — СПб.: Питер, 2003.
3. Как работает пушка Гаусса? // Хабр. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/articles/488540 (дата обращения: 25.05.2024).
4. Ландау Л. Д., Китайгородский А. И. Физика для всех. Т. 1: Физические тела. — М.: Наука, 1978. — С. 105–107.
5. Пушка Гаусса // Википедия. [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 25.05.2024).
6. Сухачёв К. И., Сёмкин Н. Д., Пияков А. В. Ускорители твёрдых тел // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. — 2014. — Т. 17. — № 2. — С. 49–58.
