Описание схематического изображения пушки Гаусса
Основными составляющим пушки Гаусса являются источник питания как источник энергии для работы пушки; батарея конденсаторов как накопитель электрической энергии; коммутационный узел для управления потоками энергии и собственно пушка, состоящая из направляющей из изоляционного материала, на которую намотана катушка индуктивности (см. Рис. 1)
Рис.1 Схема пушки Гаусса.
Установка для проведения экспериментов
Для проведения серии экспериментов собрана оригинальная установка собственного изготовления (см. Рис. 2).
Рис.2 Экспериментальная установка.
Рис.3 Пульт управления. Электромагнитный ускоритель масс.
Данная установка использует в качестве источника энергии универсальный блок питания от сети 220В с выходным напряжением U0 = 250 В. В качестве батареи конденсаторов использованы конденсаторы С=10мкФ в количестве 5 штук. В качестве коммутационного узла разработан и изготовлен оригинальный пульт управления, который позволяет собирать блок конденсаторов за счёт их параллельного соединения. Трёхпозиционный переключатель позволяет осуществить 3 варианта команды: нижнее крайнее положение позволяет зарядить батарею конденсаторов (команда «ЗАРЯД»); среднее положение позволяет подготовиться к выстрелу (команда «ТОВСЬ»); верхнее крайнее положение обеспечивает выстрел (команда «ПЛИ»). В качестве соленоида выбрана катушка индуктивности от стандартного промышленного коммутатора. В центральной части соленоида установлена направляющая из изоляционного материала. В качестве снаряда выбран ферромагнитный материал массой m=(0,573+-0,001)г. Направляющая установлена под углом 30 градусов и в процессе эксперимента не менялся.
|
|
|
Проведены 5 серий опытов с изменением ёмкости батареи конденсаторов от 10 мкФ до 50 мкФ. В каждой серии производилось по 3 выстрела и измерялась дальность полёта снаряда по металлической линейке. Заметим, что первая серия выстрелов не обеспечивала вылета снаряда из направляющей и поэтому не представляет интереса. Полученные данные занесены в таблицу 1.
Таблица 1 – полученные экспериментальные данные.
5 Обработка полученных данных
Обработка полученных данных производилась по формулам:
|
Полученные данные занесены в таблицу 1 в соответствующие столбцы.
Физическая модель
Физическая модель представляет собой последовательные взаимопревращения одного вида энергии в другой вид энергии. Схематически изображена на Рис.2.
Рис.2
Математическая модель
Зависимость КПД от ёмкости:
В различных источниках упоминается, что КПД пушки Гаусса составляет 1-7%. В собранной установке, к сожалению, КПД менее 1%. Но это не препятствует исследованию по поставленной цели. Данный процесс по всем признакам обладает свойством масштабируемости. Построенный график зависимости КПД от ёмкости показывает, что КПД линейно уменьшается (см. Рис.3).
|
|
|
Рис.4
Поэтому любопытно проанализировать приведённую дальность полёта снаряда по формуле (6) п. 4.
Зависимость дальности полёта снаряда от ёмкости:
На графике (Рис. 4) представлена зависимость дальности полёта от ёмкости конденсаторной батареи.
Рис.5
Заметим, что график приведённой дальности полёта снаряда по формуле (6) п. 5 представляет собой прямопропорциональную зависимость. Причём график проходит через начало координат.
График дальности полёта снаряда при малых ёмкостях возрастает, а при больших ёмкостях убывает. Для данной экспериментальной установки оказалось, что максимальная дальность составляет 335мм при ёмкости 35мкФ.
Данный график можно описать 2-мя способами:
1) Первый вариант математической модели – описание через параболу.
Рис.6
Используя квадратичную зависимость, т.е. парабола с координатами вершины (35, 335), а ветви направленны вниз (см. Рис.5).
|
|
|
Усредним d:
Итого: при C в мкф, L в мм
Погрешность, как разность между экспериментальными данными и полученными критериями по первому варианту математической модели, составляет не более 3%.
Достоинство: простота.
Недостаток: трудности в оценке физического смысла.
2) Второй вариант математической модели – сумма двух экспонент.
Используя классическую сумму двух экспонент.
Погрешность, как разность между экспериментальными данными и полученными критериями по второму варианту математической модели, составляет не более 3%.
Достоинство: преимущество в оценке физического смысла.
Недостаток: сложность формулы.
Очевидно, что 𝜉1 характеризует динамику разряда конденсатора, 𝜉2 характеризует динамику разгона снаряда. Поэтому существуют противоречивые два начала:
- чтобы энергия конденсатора передалась снаряду, необходимо, чтобы снаряд дольше по времени находился в направляющих;
- при разгоне снаряда с большей скоростью, снаряд будет находиться меньше времени в направляющих.
Следовательно, требуется согласование временных характеристик разряда конденсатора и разгона снаряда.
Заключение
|
|
|
Можно сделать некоторые выводы из проделанной работы, а именно:
1. Прямое увеличение ёмкости конденсатора не приводит к улучшению результата стрельбы;
2. Существует оптимальная ёмкость конденсатора применительно к массе и габаритам снаряда;
3. Время движения снаряда в стволе орудия составляет порядка нескольких миллисекунд;
4. Характеристическое время разряда конденсаторной батареи должна составлять десятые доли миллисекунды. Но с учётом целесообразности многократного разряда конденсаторной батареи за время движения снаряда в стволе орудия характеристическое время разряда конденсаторной батареи должна составлять микросекунды;
5. Индуктивность подводящих коммутационных проводов должна составлять не более 1 нГн;
Используя прием масштабирования, произведена оценка тактико-технических характеристик (ТТХ) составляющих ЭМУМ в соответствии с привязкой, например, к характеристикам гладкоствольной пушки 2А82:
• время движения снаряда в стволе орудия составляет порядка нескольких миллисекунд;
• характеристическое время разряда конденсаторной батареи должна составлять десятые доли миллисекунды. Но с учётом целесообразности многократного разряда конденсаторной батареи за время движения снаряда в стволе орудия характеристическое время разряда конденсаторной батареи должна составлять микросекунды;
• индуктивность подводящих коммутационных проводов должна составлять не более 1 нГн; Очевидны и перспективы использования ЭМУМ:
• отказ от пороха или прочих энергетических смесей с их традиционными недостатками;
• заметное снижение габаритов боеприпасов. Увеличение скорости боеприпаса выгоднее увеличения массы;
• принципиально иной эффект воздействия высокоскоростного снаряда на броню.
Список литературы
1. Выстрел в будущее: пушка Гаусса своими руками. http://www.popmech.ru/diy/7864-vystrel-v-budushchee-pushka-gaussa-svoimi-rukami/
2. Ишлинский А. Ю. Классическая механика и силы инерции / Отв. Ред. Раушенбах Б. В. Изд. 2-е – М.: ЛЕНАНД, 2018 – 320 с. (Физико-математическое наследие: физика (механика).)
3. Ишлинский А. Ю. Инерциальное управление баллистическими ракетами: Некоторые теоретические вопросы. Изд. 2-е – М.: ЛЕНАНД, 2019 – 144 с. (Физико-математическое наследие: физика (механика).)
4. Лабораторное оборудование. Пушка Гаусса. http://www.coilgun.eclipse.co.uk/experiments.html
5. Пушка Гаусса основы. http://www.coilgun.eclipse.co.uk/theory.html
6. Сайт Гаусс. http://www.gauss2k.narod.ru/
Дата добавления: 2019-11-16; просмотров: 180; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!