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

25 марта 2015 в 15:42

Электромагнитная пушка Гаусса на микроконтроллере

• Разработка робототехники

Всем привет. В данной статье рассмотрим, как изготовить портативную электромагнитную пушку Гаусса, собранную с применением микроконтроллера. Ну, насчет пушки Гаусса я, конечно, погорячился, но то, что это – электромагнитная пушка, нет сомнения. Данное устройство на микроконтроллере было разработано для того, чтобы обучить начинающих программированию микроконтроллеров на примере конструирования электромагнитной пушки своими руками.Разберем некоторые конструктивные моменты как в самой электромагнитной пушке Гаусса, так и в программе для микроконтроллера.

С самого начала нужно определиться с диаметром и длиной ствола самой пушки и материалом, из которого она будет изготовлена. Я применил пластиковый футляр диаметром 10 мм из-под ртутного термометра, поскольку он у меня валялся без дела. Вы можете использовать любой доступный материал, обладающий не ферромагнитными свойствами. Это стекло, пластик, медная трубка и т. д. Длина ствола может зависеть от количества применяемых электромагнитных катушек. В моем случае используется четыре электромагнитных катушки, длина ствола составила двадцать сантиметров.

Что касается диаметра применяемой трубки, то в процессе работы электромагнитная пушка показала, что нужно учитывать диаметр ствола относительно применяемого снаряда. Проще говоря, диаметр ствола не должен намного превышать диаметр применяемого снаряда. В идеале, ствол электромагнитной пушки должен подходить под сам снаряд.

Материалом для создания снарядов послужила ось от принтера диаметром пять миллиметров. Из данного материала и были изготовлены пять болванок длиной 2,5 сантиметра. Хотя также можно применять стальные болванки, скажем, из проволоки или электрода – что найдется.

Нужно уделить внимание и весу самого снаряда. Вес по возможности должен быть небольшим. Мои снаряды слегка тяжеловаты получились.

Перед созданием данной пушки были проведены эксперименты. В качестве ствола использовалась пустая паста от ручки, в качестве снаряда – иголка. Иголка с легкостью пробивала обложку журнала, установленного неподалеку от электромагнитной пушки.

Поскольку оригинальная электромагнитная пушка Гаусса строится по принципу заряда конденсатора большим напряжением, порядка трехсот вольт, то в целях безопасности начинающим радиолюбителям следует запитывать её низким напряжением, порядка двадцати вольт. Низкое напряжение приводит к тому, что дальность полета снаряда не очень большая. Но опять же, всё зависит от количества применяемых электромагнитных катушек. Чем больше электромагнитных катушек применяется, тем больше получается ускорение снаряда в электромагнитной пушке. Также имеют значение диаметр ствола (чем меньше диаметр ствола, тем снаряд летит дальше) и качество намотки непосредственно самих электромагнитных катушек. Пожалуй, электромагнитные катушки – самое основное в устройстве электромагнитной пушки, на это нужно обратить серьёзное внимание, чтобы добиться максимального полета снаряда.

Я приведу параметры своих электромагнитных катушек, у вас они могут быть другими. Катушка наматывается проводом диаметром 0,2 мм. Длина намотки слоя электромагнитной катушки составляет два сантиметра и содержит шесть таких рядов. Каждый новый слой я не изолировал, а начинал намотку нового слоя на предыдущий. Из-за того, что электромагнитные катушки запитываются низким напряжением, вам нужно получить максимальную добротность катушки. Поэтому все витки наматываем плотно друг другу, виток к витку.

Что касается подающего устройства, то тут особые пояснения не нужны. Все паялось из отходов фольгированного текстолита, оставшегося от производства печатных плат. На рисунках все подробно отображено. Сердцем подающего устройства является сервопривод SG90, управляемый микроконтроллером.

Подающий шток изготовлен из стального прутка диаметром 1,5 мм, на конце штока запаяна гайка м3 для сцепления с сервоприводом. На качалке сервопривода для увеличения плеча установлена загнутая с двух концов медная проволока диаметром 1,5 мм.

Данного нехитрого устройства, собранного из подручных материалов, вполне хватает, чтобы подать снаряд в ствол электромагнитной пушки. Подающий шток должен полностью выходить из загрузочного магазина. В качестве направляющей для подающего штока послужила треснувшая латунная стойка с внутренним диаметром 3 мм и длиной 7 мм. Жалко было выбрасывать, вот и пригодилось, собственно, как и кусочки фольгированного текстолита.

Программа для микроконтроллера atmega16 создавалась в AtmelStudio, и является полностью открытым проектом для вас. Рассмотрим некоторые настройки в программе микроконтроллера, которые придется произвести. Для максимально эффективной работы электромагнитной пушки вам понадобится настроить в программе время работы каждой электромагнитной катушки. Настройка производится по порядку. Сначала подпаиваете в схему первую катушку, все остальные не подключаете. Задаете в программе время работы (в миллисекундах).

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350); / / время работы

Прошиваете микроконтроллер, и запускаете программу на микроконтроллере. Усилия катушки должно хватать на то, чтобы втянуть снаряд и придать начальное ускорение. Добившись максимального вылета снаряда, подстраивая время работы катушки в программе микроконтроллера, подключаете вторую катушку и также настраиваете по времени, добиваясь еще большей дальности полета снаряда. Соответственно, первая катушка остается включенной.

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350);
PORTA &=~(1<<1);
PORTA |=(1<<2); // катушка 2
_delay_ms(150);

Таким способом настраиваете работу каждой электромагнитной катушки, подключая их по порядку. По мере увеличения количества электромагнитных катушек в устройстве электромагнитной пушке Гаусса скорость и, соответственно, дальность снаряда должны также увеличиваться.

Данную кропотливую процедуру настройки каждой катушки можно избежать. Но для этого придется модернизировать устройство самой электромагнитной пушки, установив датчики между электромагнитными катушками для отслеживания перемещения снаряда от одной катушки к другой. Датчики в сочетании с микроконтроллером позволят не только упростить процесс настройки, но и увеличат дальность полета снаряда. Данные навороты я не стал делать и усложнять программу микроконтроллера. Целью было реализовать интересный и несложный проект с применением микроконтроллера. Насколько он интересен, судить, конечно, вам. Скажу честно, я радовался, как ребенок, «молотя» из данного устройства, и у меня созрела идея более серьезного устройства на микроконтроллере. Но это уже тема для другой статьи.

Программа и схема -

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.

Гаусс пушка (гаусс винтовка)

Другие названия: гауссовка, гаусс-ружье, винтовка Гаусса, гаусс-ган, разгонная винтовка.

Гаусс-винтовка (или ее более крупная разновидность гаусс-пушка), как и рельсотрон , относится к электро-магнитному оружию. В настоящий момент боевых промышленных образцов не существует, хотя ряд лабораторий (по большей части любительских и университетских) продолжает настойчиво работать над созданием этого оружия. Система названа по имени немецкого ученого Карла Гаусса (1777-1855). С какого перепугу математик удостоился такой чести, лично я понять не могу (пока не могу, вернее не имею соответствующей информации). Гаусс к теории электромагнетизма имел куда меньшее отношение, чем к примеру Эрстед, Ампер, Фарадей или Максвелл, но, тем не менее, пушку назвали именно в его честь. Название прижилось, а посему будем им пользоваться и мы.

Принцип действия:
Гаусс винтовка состоит из катушек (мощных электромагнитов), насаженных на сделанный из диэлектрика ствол. При подаче тока электромагниты на какой-то краткий момент включаются один за другим в направлении от ствольной коробки к дулу. Они по очереди притягивают к себе стальную пулю (иглу, дротик или снаряд, если говорить о пушке) и тем самым разгоняют ее до значительных скоростей.

Достоинства оружия:
1. Отсутствие патрона. Это позволяет значительно увеличить вместимость магазина. Например, в магазин, в который вмещается 30 патронов, можно зарядить 100-150 пуль.
2. Высокая скорострельность. Теоретически система позволяет начинать разгон следующей пули еще до того, как предыдущая покинула ствол.
3. Бесшумность стрельбы. Сама конструкция оружия позволяет избавиться от большинства акустических составляющих выстрела (см. отзывы), поэтому стрельба из гаусс-винтовки выглядит как серия едва различимых хлопков.
4. Отсутствие демаскирующей вспышки. Данное свойство особенно полезно в темное время суток.
5. Малая отдача. По этой причине при выстреле ствол оружия практически не задирается, а следовательно возрастает точность огня.
6. Безотказность. В гаусс винтовке не используются патроны, а стало быть сразу отпадает вопрос о недоброкачественных боеприпасах. Если же вдобавок к этому вспомнить об отсутствии ударно-спускового механизма, то само понятие «осечка» можно позабыть, как страшный сон.
7. Повышенная износостойкость. Это свойство обусловлено малым количеством подвижных частей, низкими нагрузками на узлы и детали при стрельбе, отсутствием продуктов сгорания пороха.
8. Возможность использования как в открытом космосе, так и в атмосферах, подавляющих горение пороха.
9. Регулируемая скорость пули. Эта функция позволяет при необходимости уменьшать скорость пули ниже звуковой. В результате исчезают характерные хлопки, и гаусс-винтовка становится полностью беззвучной, а стало быть, пригодной для выполнения секретных спецопераций.

Недостатки оружия:
Среди недостатков Гаусс винтовки часто называют следующие: низкий КПД, большой расход энергии, большой вес и габариты, длительное время перезарядки конденсаторов и т. д. Хочу сказать, что все эти проблемы обусловлены лишь уровнем современного развития техники. В будущем при создании компактных и мощных источников питания, при использовании новых конструкционных материалов и сверхпроводников Гаусс пушка действительно может стать мощным и эффективным оружием.

В литературе, конечно же фантастической, гаусс-винтовкой вооружил легионеров Уильям Кейт в своем цикле «Пятый иностранный легион». (Одна из моих любимейших книг!) Была она и на вооружении милитаристов с планеты Клизанд, на которую занесло Джима ди Гриза в романе Гаррисона «Месть крысы из нержавеющей стали». Говорят, гаусовка встречается и в книгах из серии «S.T.A.L.K.E.R.», но я прочел всего пяток из них. Там ничего подобного не обнаружил, а за другие говорить не буду.

Что касается лично моего творчества, то в своем новом романе «Мародеры» я вручил гаусс-карабин «Метель-16» тульского производства своему главному герою Сергею Корну. Правда, владел он им только в начале книги. Ведь главный герой все-таки, а значит, ему полагается пушка посолидней.

Олег Шовкуненко

Отзывы и комментарии:

Александр 29.12.13
По п.3 - выстрел со сверхзвуковой скоростью пули в любом случае будет громким. По этой причине для бесшумного оружия используются специальные дозвуковые патроны.
По п.5 - отдача будет присуща любому оружию, стреляющему "материальными объектами" и зависит от соотношения масс пули и оружия, и импульса силы ускоряющей пулю.
По п.8 - никакая атмосфера не может повлиять на горение пороха в герметичном патроне. В открытом космосе огнестрельное оружие тоже будет стрелять.
Проблема может быть только в механической устойчивости деталей оружия и свойствах смазки при сверхнизких температурах. Но это вопрос решаемый и ещё в 1972 году были проведены испытательные стрельбы в открытом космосе из орбитальной пушки с военной орбитальной станции ОПС-2 (Салют-3).

Олег Шовкуненко
Александр хорошо, что написали. Честно говоря, делал описание оружия исходя из своего собственного понимания темы. Но может кое в чем оказался не прав. Давайте вместе разбираться по пунктам.

Пункт №3. «Бесшумность стрельбы».
Насколько я знаю, звук выстрела из любого огнестрельного оружия складывается из нескольких компонентов:
1) Звук или лучше сказать звуки срабатывания механизма оружия. Сюда относятся удар бойка по капсулю, лязг затвора и т.д.
2) Звук, который создает воздух, наполнявший ствол перед выстрелом. Его вытесняет как пуля, так и пороховые газы, просачивающиеся по каналам нарезки.
3) Звук, который создают сами пороховые газы при резком расширении и охлаждении.
4) Звук, создаваемый акустической ударной волной.
Первые три пункта к гауссовке вообще не относятся. Предвижу вопрос по воздуху в стволе, но в гаусс-виновке стволу совсем не обязательно быть цельным и трубчатым, а значит проблема отпадает сама собой. Так что остается пункт номер 4, как раз тот, о котором вы, Александр, и говорите. Хочу сказать, что акустическая ударная волна это далеко не самая громкая часть выстрела. Глушители современного оружия с ней практически вообще не борются. И тем не менее, огнестрельное оружие с глушителем все же называется бесшумным. Следовательно, и гауссовку тоже можно назвать бесшумной. Кстати, огромное вам спасибо, что напомнили. Я забыл указать среди достоинств гаусс-гана возможность регулировки скорости пули. Ведь возможно установить дозвуковой режим (что сделает оружие полностью бесшумным и предназначенным для скрытных действий в ближнем бою) и сверхзвуковой (это уже для войны по-настоящему).

Пункт №5. «Практически полное отсутствие отдачи».
Конечно, отдача у гассовки тоже имеется. Куда же без нее?! Закон сохранения импульса пока еще никто не отменял. Только принцип работы гаусс-винтовки сделает ее не взрывной, как в огнестреле, а как бы растянутой и плавной и потому куда менее ощутимой для стрелка. Хотя, честно говоря, это лишь мои подозрения. Пока еще не доводилось палить из такой пушки:))

Пункт №8. «Возможность использования как в открытом космосе…».
Ну, про невозможность использования огнестрельного оружия в космическом пространстве я вообще ничего не говорил. Только его потребуется так переделать, столько технических проблем решить, что уж легче создать гаусс-ган:)) Что касается планет со специфическими атмосферами, то применение на них огнестрела действительно может быть не только затруднено, но и небезопасно. Но это уже из раздела фантастики, собственно говоря, которой ваш покорный слуга и занимается.

Вячеслав 05.04.14
Спасибо за интересный рассказ об оружии. Все очень доступно изложено и разложено по полочкам. Еще бы схемку для пущей наглядности.

Олег Шовкуненко
Вячеслав, вставил схемку, как Вы и просили).

интересующийся 22.02.15
«Почему винтовка Гауса?» - в Википедии говорят что потому что он заложил основы теории электромагнетизма.

Олег Шовкуненко
Во-первых, исходя из этой логики, авиабомбу следовало назвать «Бомбой Ньютона», ведь она падает на землю, подчиняясь Закону всемирного тяготения. Во-вторых, в той же самой Википедии Гаусс в статье «Электромагнитное взаимодействие» вообще не упоминается. Хорошо, что мы все образованные люди и помним, что Гаусс вывел одноименную теорему. Правда, эта теорема входит в более общие уравнения Максвелла, так что Гаусс тут вроде как опять в пролете с «заложением основ теории электромагнетизма».

Евгений 05.11.15
Винтовка Гауса, это придуманное название оружия. Впервые оно появилось в легендарной постапокалептической игре Fallout 2.

Roman 26.11.16
1) насчет того какое отношение имеет Гаусс к названию) почитайте в Википедии, но не электромагнетизм, а теорема Гаусса эта теорема - основа электромагнетизма и является основой для уравнений Максвелла.
2) грохот от выстрела в основном из-за резко расширяющихся пороховых газов. потому как пуля она сверхзвуковая и через 500м от среза ствола, но грохота от нее нет! только свист от разрезаемого ударной волной от пули воздуха и только-то!)
3) насчет того, что мол существуют образцы стрелкового оружия и оно бесшумно потому, что мол пуля там дозвуковая - это бред! когда приводятся какие-либо аргументы, нужно разобраться с сутью вопроса! выстрел бесшумный не потому, что пуля дозвуковая, а потому, что там пороховые газы не вырываются из ствола! почитайте про пистолет ПСС в Вике.

Олег Шовкуненко
Roman, вы случайно не родственник Гауссу? Уж больно рьяно вы отстаиваете его право на данное название. Лично мне по барабану, если людям нравится, пусть будет гаусс-пушка. Насчет всего остального, почитайте отзывы к статье, там вопрос бесшумности уже детально обсуждался. Ничего нового к этому добавить не могу.

Даша 12.03.17
Пишу научную фантастику. Мнение: РАЗГОНКА – это оружие будущего. Я бы не стала приписывать чужаку-иноземцу право иметь первенство на это оружие. Русская РАЗГОНКА НАВЕРНЯКА ОПЕРЕДИТ гнилой запад. Лучше не давать гнилому иноземцу ПРАВО НАЗЫВАТЬ ОРУЖИЕ ЕГО ГОВЕНЫМ ИМЕНЕМ! У русских своих умников полно! (незаслуженно забытых). Кстати, пулемет (пушка) Гатлинга появился ПОЗЖЕ, чем русская СОРОКА (система вращающихся стволов). Гатлинг просто запатентовал украденную из России идею. (Будем впредь звать его Козел Гатл за это!). Поэтому Гаусс тоже не имеет отношения к разгонному оружию!

Олег Шовкуненко
Даша, патриотизм это конечно хорошо, но только здоровый и разумный. А вот с гаусс-пушкой, как говорится, поезд ушел. Термин уже прижился, как и многие другие. Не станем же мы менять понятия: интернет, карбюратор, футбол и т.д. Однако не столь уж и важно чьим именем названо то или иное изобретение, главное, кто сможет довести его до совершенства или, как в случае с гаусс-винтовкой, хотя бы до боевого состояния. К сожалению, пока не слышал о серьезных разработках боевых гаусс-систем, как в России, так и за рубежом.

Божков Александр 26.09.17
Все понятно. Но можно и про другие виды оружия статьи добавить?: Про термитную пушку, электромёт, BFG-9000, Гаусс-арбалет, эктоплазменный автомат.

Всем привет. В данной статье рассмотрим, как изготовить портативную электромагнитную пушку Гаусса, собранную с применением микроконтроллера. Ну, насчет пушки Гаусса я, конечно, погорячился, но то, что это – электромагнитная пушка, нет сомнения. Данное устройство на микроконтроллере было разработано для того, чтобы обучить начинающих программированию микроконтроллеров на примере конструирования электромагнитной пушки своими руками.Разберем некоторые конструктивные моменты как в самой электромагнитной пушке Гаусса, так и в программе для микроконтроллера.

С самого начала нужно определиться с диаметром и длиной ствола самой пушки и материалом, из которого она будет изготовлена. Я применил пластиковый футляр диаметром 10 мм из-под ртутного термометра, поскольку он у меня валялся без дела. Вы можете использовать любой доступный материал, обладающий не ферромагнитными свойствами. Это стекло, пластик, медная трубка и т. д. Длина ствола может зависеть от количества применяемых электромагнитных катушек. В моем случае используется четыре электромагнитных катушки, длина ствола составила двадцать сантиметров.

Что касается диаметра применяемой трубки, то в процессе работы электромагнитная пушка показала, что нужно учитывать диаметр ствола относительно применяемого снаряда. Проще говоря, диаметр ствола не должен намного превышать диаметр применяемого снаряда. В идеале, ствол электромагнитной пушки должен подходить под сам снаряд.

Материалом для создания снарядов послужила ось от принтера диаметром пять миллиметров. Из данного материала и были изготовлены пять болванок длиной 2,5 сантиметра. Хотя также можно применять стальные болванки, скажем, из проволоки или электрода – что найдется.

Нужно уделить внимание и весу самого снаряда. Вес по возможности должен быть небольшим. Мои снаряды слегка тяжеловаты получились.

Перед созданием данной пушки были проведены эксперименты. В качестве ствола использовалась пустая паста от ручки, в качестве снаряда – иголка. Иголка с легкостью пробивала обложку журнала, установленного неподалеку от электромагнитной пушки.

Поскольку оригинальная электромагнитная пушка Гаусса строится по принципу заряда конденсатора большим напряжением, порядка трехсот вольт, то в целях безопасности начинающим радиолюбителям следует запитывать её низким напряжением, порядка двадцати вольт. Низкое напряжение приводит к тому, что дальность полета снаряда не очень большая. Но опять же, всё зависит от количества применяемых электромагнитных катушек. Чем больше электромагнитных катушек применяется, тем больше получается ускорение снаряда в электромагнитной пушке. Также имеют значение диаметр ствола (чем меньше диаметр ствола, тем снаряд летит дальше) и качество намотки непосредственно самих электромагнитных катушек. Пожалуй, электромагнитные катушки – самое основное в устройстве электромагнитной пушки, на это нужно обратить серьёзное внимание, чтобы добиться максимального полета снаряда.

Я приведу параметры своих электромагнитных катушек, у вас они могут быть другими. Катушка наматывается проводом диаметром 0,2 мм. Длина намотки слоя электромагнитной катушки составляет два сантиметра и содержит шесть таких рядов. Каждый новый слой я не изолировал, а начинал намотку нового слоя на предыдущий. Из-за того, что электромагнитные катушки запитываются низким напряжением, вам нужно получить максимальную добротность катушки. Поэтому все витки наматываем плотно друг другу, виток к витку.

Что касается подающего устройства, то тут особые пояснения не нужны. Все паялось из отходов фольгированного текстолита, оставшегося от производства печатных плат. На рисунках все подробно отображено. Сердцем подающего устройства является сервопривод SG90, управляемый микроконтроллером.

Подающий шток изготовлен из стального прутка диаметром 1,5 мм, на конце штока запаяна гайка м3 для сцепления с сервоприводом. На качалке сервопривода для увеличения плеча установлена загнутая с двух концов медная проволока диаметром 1,5 мм.

Данного нехитрого устройства, собранного из подручных материалов, вполне хватает, чтобы подать снаряд в ствол электромагнитной пушки. Подающий шток должен полностью выходить из загрузочного магазина. В качестве направляющей для подающего штока послужила треснувшая латунная стойка с внутренним диаметром 3 мм и длиной 7 мм. Жалко было выбрасывать, вот и пригодилось, собственно, как и кусочки фольгированного текстолита.

Программа для микроконтроллера atmega16 создавалась в AtmelStudio, и является полностью открытым проектом для вас. Рассмотрим некоторые настройки в программе микроконтроллера, которые придется произвести. Для максимально эффективной работы электромагнитной пушки вам понадобится настроить в программе время работы каждой электромагнитной катушки. Настройка производится по порядку. Сначала подпаиваете в схему первую катушку, все остальные не подключаете. Задаете в программе время работы (в миллисекундах).

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350); / / время работы

Прошиваете микроконтроллер, и запускаете программу на микроконтроллере. Усилия катушки должно хватать на то, чтобы втянуть снаряд и придать начальное ускорение. Добившись максимального вылета снаряда, подстраивая время работы катушки в программе микроконтроллера, подключаете вторую катушку и также настраиваете по времени, добиваясь еще большей дальности полета снаряда. Соответственно, первая катушка остается включенной.

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350);
PORTA &=~(1<<1);
PORTA |=(1<<2); // катушка 2
_delay_ms(150);

Таким способом настраиваете работу каждой электромагнитной катушки, подключая их по порядку. По мере увеличения количества электромагнитных катушек в устройстве электромагнитной пушке Гаусса скорость и, соответственно, дальность снаряда должны также увеличиваться.

Данную кропотливую процедуру настройки каждой катушки можно избежать. Но для этого придется модернизировать устройство самой электромагнитной пушки, установив датчики между электромагнитными катушками для отслеживания перемещения снаряда от одной катушки к другой. Датчики в сочетании с микроконтроллером позволят не только упростить процесс настройки, но и увеличат дальность полета снаряда. Данные навороты я не стал делать и усложнять программу микроконтроллера. Целью было реализовать интересный и несложный проект с применением микроконтроллера. Насколько он интересен, судить, конечно, вам. Скажу честно, я радовался, как ребенок, «молотя» из данного устройства, и у меня созрела идея более серьезного устройства на микроконтроллере. Но это уже тема для другой статьи.