Койлган — это тип привода массы , состоящий из одной или нескольких катушек, используемых в качестве электромагнитов в конфигурации линейного двигателя , которые ускоряют ферромагнитный или проводящий снаряд до высокой скорости. [1] Почти во всех конфигурациях койлгана катушки и ствол ружья расположены на общей оси. Койлган не является винтовкой , так как ствол гладкоствольный (не нарезной ).
Койлганы обычно состоят из одной или нескольких катушек, расположенных вдоль ствола, поэтому путь ускоряющегося снаряда проходит вдоль центральной оси катушек. Катушки включаются и выключаются в точно рассчитанной последовательности, заставляя снаряд быстро ускоряться вдоль ствола за счет магнитных сил.
Койлганы отличаются от рельсотронов , поскольку направление ускорения в рельсотроне находится под прямым углом к центральной оси токовой петли, образованной проводящими рельсами. Кроме того, рельсотроны обычно требуют использования скользящих контактов для пропускания большого тока через снаряд или поддон , но койлганы не обязательно требуют скользящих контактов. [2] Хотя в некоторых простых концепциях койлганов могут использоваться ферромагнитные снаряды или даже снаряды с постоянными магнитами, большинство конструкций для высоких скоростей фактически включают в себя связанную катушку как часть снаряда.
Койлганы также отличаются от пистолетов Гаусса, хотя во многих произведениях научной фантастики их ошибочно путают. Катушка-пушка использует электромагнитное ускорение, тогда как гаусс-пушки предшествовали идее катушек-пушек и вместо этого состоят из ферромагнетиков, использующих конфигурацию, аналогичную колыбели Ньютона, для придания ускорения. [3]
Самая старая электромагнитная пушка представляла собой койлган, первый из которых был изобретен норвежским ученым Кристианом Биркеландом в Университете Кристиании (сегодня Осло). Изобретение было официально запатентовано в 1904 году, хотя его разработка, как сообщается, началась еще в 1845 году. По его словам, Биркеланд разогнал 500- граммовый снаряд примерно до 50 метров в секунду (160 футов/с). [4] [5] [6]
В 1933 году техасский изобретатель Вирджил Ригсби разработал стационарный катушечный пистолет, который предназначался для использования аналогично пулемету . Он приводился в движение большим электродвигателем и генератором. [7] Оно появилось во многих современных научных публикациях, но никогда не вызывало интереса среди вооруженных сил. [8]
Существует два основных типа или конструкции койлгана: одноступенчатый и многоступенчатый. В одноступенчатом койлгане для запуска снаряда используется одна электромагнитная катушка. В многоступенчатом койлгане последовательно используются несколько электромагнитных катушек для постепенного увеличения скорости снаряда.
Для ферромагнитных снарядов одноступенчатая койлган может быть образована катушкой с проволокой, электромагнитом , с ферромагнитным снарядом, помещенным на одном из ее концов. Этот тип койлгана имеет форму соленоида , используемого в электромеханическом реле, то есть катушки с током, которая протягивает ферромагнитный объект через свой центр. Через катушку с проволокой пропускается большой ток , и образуется сильное магнитное поле , притягивающее снаряд к центру катушки. Когда снаряд приближается к этой точке, электромагнит должен быть выключен, чтобы предотвратить остановку снаряда в центре электромагнита.
В многоступенчатой конструкции для повторения этого процесса затем используются дополнительные электромагниты, постепенно ускоряющие снаряд. В обычных конструкциях койлганов «ствол» ружья состоит из гусеницы, по которой движется снаряд, а привод находится в магнитных катушках вокруг гусеницы. Питание на электромагнит подается от какого-либо устройства хранения с быстрым разрядом, обычно от батареи или конденсаторов (по одному на каждый электромагнит), предназначенных для быстрого разряда энергии. Диод используется для защиты чувствительных к полярности компонентов (таких как полупроводники или электролитические конденсаторы) от повреждения из-за обратной полярности напряжения после выключения катушки.
Многие любители используют недорогие элементарные конструкции для экспериментов с койлганами, например, используя конденсаторы для фотовспышек от одноразовой камеры или конденсатор от стандартного телевизора с электронно-лучевой трубкой в качестве источника энергии, а также катушку с низкой индуктивностью для продвижения снаряда вперед. [9] [10]
В некоторых конструкциях используются неферромагнитные снаряды из таких материалов, как алюминий или медь , причем якорь снаряда действует как электромагнит с внутренним током, индуцируемым импульсами ускоряющих катушек. [11] [12] Сверхпроводящая катушка, называемая закалочной пушкой , может быть создана путем последовательного гашения линии соседних коаксиальных сверхпроводящих катушек, образующих ствол пушки, генерируя волну градиента магнитного поля, движущуюся с любой желаемой скоростью. Бегущую сверхпроводящую катушку можно было бы заставить кататься на этой волне, как доску для серфинга . Устройство будет представлять собой массовый драйвер или линейный синхронный двигатель, энергия движения которого будет храниться непосредственно в приводных катушках. [13] Другой метод предполагает использование несверхпроводящих катушек ускорения и энергию движения, хранящуюся вне них, но снаряд со сверхпроводящими магнитами. [14]
Хотя стоимость переключения мощности и другие факторы могут ограничивать энергию снаряда, заметным преимуществом некоторых конструкций койлганов по сравнению с более простыми рельсотронами является отсутствие внутреннего ограничения скорости из-за физического контакта и эрозии на сверхскорости. Благодаря тому, что снаряд притягивается к центру витков или левитирует внутри него при ускорении, физического трения о стенки канала ствола не возникает. Если канал ствола представляет собой полный вакуум (например, трубка с плазменным окном ), трения вообще нет, что помогает продлить период повторного использования. [14] [15]
Одним из основных препятствий при проектировании койлганов является переключение мощности через катушки. Существует несколько распространенных решений: самым простым (и, вероятно, наименее эффективным) является искровой разрядник , который высвобождает накопленную энергию через катушку, когда напряжение достигает определенного порога. Лучшим вариантом является использование полупроводниковых переключателей; к ним относятся IGBT или силовые MOSFET (которые можно отключить в середине импульса) и SCR (которые высвобождают всю накопленную энергию перед выключением). [16]
Быстрый и грязный метод переключения, особенно для тех, кто использует вспышку в качестве основных компонентов, — использовать в качестве переключателя саму лампу-вспышку. Подключая его последовательно с катушкой, он может бесшумно и неразрушающе (при условии, что энергия в конденсаторе поддерживается ниже безопасных рабочих пределов лампы) пропускать большой ток к катушке. Как и любая импульсная лампа, ее запускает ионизация газа в трубке высоким напряжением. Однако большое количество энергии будет рассеиваться в виде тепла и света, а поскольку трубка представляет собой искровой разрядник, она перестанет проводить ток, как только напряжение на ней достаточно упадет, оставив некоторый заряд на конденсаторе.
Электрическое сопротивление катушек и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) источника тока рассеивают значительную мощность.
На низких скоростях нагрев катушек доминирует над эффективностью койлгана, что приводит к исключительно низкому КПД. Однако по мере увеличения скорости механическая мощность растет пропорционально квадрату скорости, но при правильном переключении резистивные потери практически не изменяются, и, таким образом, эти резистивные потери становятся намного меньшими в процентном отношении.
В идеале 100% магнитного потока, генерируемого катушкой, должно доставляться к снаряду и действовать на него; на самом деле это невозможно из-за всегда присутствующих в реальной системе потерь энергии, которые невозможно устранить.
В случае простого соленоида с воздушным сердечником большая часть магнитного потока не передается снаряду из-за высокого сопротивления магнитной цепи . Несвязанный поток генерирует магнитное поле, которое сохраняет энергию в окружающем воздухе. Энергия, запасенная в этом поле, не просто исчезает из магнитной цепи после разрядки конденсатора , а возвращается в электрическую цепь койлгана. Поскольку электрическая цепь койлгана по своей сути аналогична LC-генератору, неиспользованная энергия возвращается в обратном направлении («звон»), что может серьезно повредить поляризованные конденсаторы, такие как электролитические конденсаторы .
Обратный заряд можно предотвратить с помощью диода , подключенного обратно-параллельно к клеммам конденсатора; в результате ток продолжает течь до тех пор, пока диод и сопротивление катушки не рассеют энергию поля в виде тепла. Хотя это простое и часто используемое решение, оно требует дополнительного дорогого мощного диода и хорошо спроектированной катушки с достаточной тепловой массой и способностью рассеивать тепло, чтобы предотвратить выход из строя компонентов.
Некоторые конструкции пытаются восстановить энергию, запасенную в магнитном поле, с помощью пары диодов. Эти диоды, вместо того, чтобы рассеивать оставшуюся энергию, заряжают конденсаторы с правильной полярностью для следующего цикла разрядки. Это также позволит избежать необходимости полной перезарядки конденсаторов, что значительно сократит время зарядки. Однако практичность этого решения ограничена возникающим в результате высоким током перезарядки через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсаторов; ESR будет рассеивать часть тока перезарядки, выделяя тепло внутри конденсаторов и потенциально сокращая их срок службы.
Чтобы уменьшить размер, вес, требования к долговечности и, что наиболее важно, стоимость компонентов, магнитную цепь необходимо оптимизировать так, чтобы она доставляла снаряду больше энергии при заданной потребляемой энергии. В некоторой степени эта проблема была решена за счет использования заднего и концевого железа, которые представляют собой куски магнитного материала, окружающие катушку и создающие пути с меньшим сопротивлением, чтобы улучшить величину магнитного потока, передаваемого в снаряд. Результаты могут сильно различаться в зависимости от используемых материалов; В конструкциях любителей могут использоваться, например, самые разные материалы: от магнитной стали (более эффективная, с меньшим сопротивлением) до видеоленты (небольшое улучшение сопротивления). Более того, дополнительные кусочки магнитного материала в магнитной цепи потенциально могут усугубить возможность насыщения потока и других магнитных потерь.
Еще одним существенным ограничением койлгана является возникновение магнитного насыщения в ферромагнитном снаряде. Когда поток в снаряде находится в линейной части кривой B(H) его материала, сила, приложенная к сердечнику, пропорциональна квадрату тока катушки (I) - поле (H) линейно зависит от I, B. линейно зависит от H, а сила линейно зависит от произведения BI. Эти отношения продолжаются до тех пор, пока ядро не будет насыщено; как только это произойдет, B увеличится лишь незначительно с H (и, следовательно, с I), поэтому прирост силы будет линейным. Поскольку потери пропорциональны I 2 , увеличение тока за пределами этой точки в конечном итоге снижает эффективность, хотя и может увеличить силу. Это накладывает абсолютный предел на то, насколько данный снаряд может быть ускорен за одну ступень с приемлемой эффективностью.
Помимо насыщения, зависимость B(H) часто содержит петлю гистерезиса , и время реакции материала снаряда может быть значительным. Гистерезис означает, что снаряд становится постоянно намагниченным, и некоторая энергия будет потеряна в виде постоянного магнитного поля снаряда. С другой стороны, время реакции снаряда заставляет снаряд неохотно реагировать на резкие изменения B; поток не будет расти так быстро, как хотелось бы, пока подается ток, и после исчезновения поля катушки появится хвост B. Эта задержка уменьшает силу, которая была бы максимальной, если бы H и B находились в фазе.
В большинстве работ по разработке койлганов в качестве сверхскоростных пусковых установок использовались системы с «воздушным сердечником», чтобы обойти ограничения, связанные с ферромагнитными снарядами. В этих системах снаряд ускоряется с помощью подвижной катушки «якоря». Если якорь сконфигурирован как один или несколько «коротких витков», то в результате изменения во времени тока в статической пусковой катушке (или катушках) возникнут индуцированные токи.
В принципе, можно также сконструировать койлганы, в которых на подвижные катушки подается ток через скользящие контакты. Однако практическая конструкция таких устройств требует обеспечения надежных высокоскоростных скользящих контактов. Хотя для подачи тока на якорь с многовитковой катушкой может не потребоваться такой большой ток, как тот, который требуется в рельсотроне , устранение необходимости в высокоскоростных скользящих контактах является очевидным потенциальным преимуществом индукционной катушки по сравнению с рельсотроном .
Системы с воздушным сердечником также приводят к тому, что могут потребоваться гораздо более высокие токи, чем в системе с «железным сердечником». Однако в конечном итоге, при условии наличия источников питания соответствующей мощности, системы с воздушным сердечником могут работать с гораздо большей напряженностью магнитного поля, чем системы с «железным сердечником», так что, в конечном итоге, должны быть возможны гораздо более высокие ускорения и силы.
Приблизительный результат для скорости выхода снаряда, ускоренного одноступенчатой койлганом, можно получить по уравнению [17]
m - масса снаряда, определяемая как кг.
V — объем снаряда, определяемый как м 3
µ 0 — вакуумная проницаемость , определяемая в единицах СИ как 4π × 10 −7 В · с /( А · м ).
χ m — магнитная восприимчивость снаряда, безразмерная константа пропорциональности, указывающая степень намагничивания материала в ответ на приложенные магнитные поля . Часто это необходимо определять экспериментально, а таблицы, содержащие значения восприимчивости для определенных материалов, можно найти в Справочнике CRC по химии и физике, а также в статье Википедии о магнитной восприимчивости .
n — количество витков на единицу длины катушки, которое можно найти, разделив общее количество витков катушки на общую длину катушки в метрах.
а я — ток, проходящий через катушку, в амперах .
Хотя это приближение полезно для быстрого определения верхнего предела скорости в системе койлгана, существуют более точные и нелинейные дифференциальные уравнения второго порядка. [17] Проблемы с этой формулой заключаются в том, что она предполагает, что снаряд полностью находится внутри однородного магнитного поля, что ток мгновенно гаснет, как только снаряд достигает центра катушки (исключая возможность обратного всасывания катушки), и все это потенциальная энергия переводится в кинетическую энергию (тогда как большая часть уходит в силы трения), и что провода катушки бесконечно тонкие и не накладываются друг на друга, все это в совокупности увеличивает ожидаемую скорость на выходе. [17]
Небольшие койлганы изготавливаются любителями для развлечения, обычно они имеют энергию снаряда от нескольких до десятков джоулей (последняя сравнима с типичной пневматической винтовкой и на порядок меньше, чем у огнестрельного оружия), а эффективность варьируется от одного до нескольких процентов. [18]
В 2018 году лос-анджелесская компания Arcflash Labs предложила широкой публике первый койлган EMG-01A . Он стрелял 6-граммовыми стальными пулями со скоростью 45 м/с и дульной энергией примерно 5 джоулей. [19] В 2021 году они разработали более крупную модель, винтовку Гаусса GR-1 , которая стреляла 30-граммовыми стальными пулями со скоростью до 75 м/с и дульной энергией примерно 85 джоулей, [20] сравнимой с пневматической винтовкой PCP. .
В 2022 году Northshore Sports Club, американский оружейный клуб в Лейк-Форест, штат Иллинойс, начал распространение CS/LW21 , также называемого «E-Shotgun», компактного катушечного ружья с магазинным питанием на 15 джоулей, произведенного China North Industries Group. Корп . [21] Они прогнозируют, что объем продаж в США достигнет 5000 единиц в год, [22] [23] и производитель также обнародовал планы по поставке китайской полиции и вооруженным силам устройств для «несмертоносного подавления беспорядков». [24]
Гораздо более высокую эффективность и энергию можно получить, используя более дорогие и сложные конструкции. В 1978 году Бондалетов в СССР достиг рекордного ускорения с помощью одной ступени, отправив 2-граммовое кольцо на скорость 5000 м/с на 1 см длины [25] , но наиболее эффективные современные конструкции, как правило, включают много ступеней. [26] Предполагается, что для гораздо более крупных сверхпроводниковых систем для запуска в космос потребуется эффективность более 90%. [15] Экспериментальная конструкция 45-ступенчатого миномета DARPA длиной 2,1 м имеет эффективность 22 % и выдает на выстрел 1,6 мегаджоулей КЭ . [27]
Хотя они сталкиваются с проблемой конкурентоспособности по сравнению с обычными пушками (а иногда и с альтернативами рельсотронам ), койлганы исследуются в качестве оружия. [27]
Программа DARPA по созданию электромагнитных минометов является одним из примеров того, как могут быть решены практические задачи, такие как достаточно малый вес. Койлган будет относительно бесшумным, и дым не выдаст его положение, хотя сверхзвуковой снаряд все равно будет создавать звуковой удар . Регулируемое плавное ускорение снаряда по длине ствола обеспечит более высокую скорость с прогнозируемым увеличением дальности на 30% для 120-мм ЭМ миномета по сравнению с обычной версией аналогичной длины. Исследователи предполагают, что без отдельных пороховых зарядов скорость стрельбы увеличится примерно вдвое. [27] [28]
В 2006 году 120-миллиметровый прототип находился в стадии разработки для оценки, хотя, по оценкам Sandia National Laboratories, время, необходимое для развертывания, составило от 5 до 10+ лет . [27] [28] В 2011 году была предложена разработка 81-мм миномета с койлганом для работы с гибридно-электрической версией будущей совместной легкой тактической машины . [29] [30]
Планируются электромагнитные авиационные катапульты , в том числе на борту будущих американских авианосцев класса «Джеральд Р. Форд» . Экспериментальная версия электромагнитной ракетной установки (EMML) с индукционной катушкой была испытана для запуска ракет «Томагавк» . [31] В компании HIT в Китае разрабатывается система активной защиты танков на базе койлгана . [32]
Считается, что потенциал койлгана выходит за рамки военного применения.
Лишь немногие организации смогли преодолеть эти проблемы и соответствующие капиталовложения для финансирования гигантских койлганов с массой и скоростью снаряда в масштабе гигаджоулей кинетической энергии (в отличие от мегаджоулей или меньше). В качестве пусковых установок на Землю или Луну были предложены:
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )