О пушках Гаусса и не только / Хабр

В этой статье мы постараемся рассмотреть ускорители (пушки) Гаусса, а также предложить ряд действий, для улучшения их работы. В процессе мы не будем сильно акцентироваться на схемотехнике, так как этот вопрос достаточно подробно разобран в других работах. Вместо этого мы остановимся на моментах, требующих приложения усилий и которые могут существенно поднять эффективность этих устройств.
Кроме того, рассмотрим и альтернативные устройства, ещё не встречавшиеся в мировой практике! 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 электромагнитное 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 большой ёмкости и с высоким рабочим напряжением.

Часто, для ускорения снаряда в стволе – используются многоступенчатые схемы, в которых для ускорения снаряда используется более 1 катушки.

Параметры ускоряющих катушек, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлёта 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.

В них образуется «бегущая волна», т.е. катушки включаются одна за другой, по мере входа в них снаряда:

Источник картинки:
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, больша́я надёжность и, в теории, износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту винтовки 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, запасённая в виде магнитного поля, никак не используется, а является причиной использования мощных ключей (часто применяют тиристоры) для размыкания катушки.

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.

Кроме того, зачастую, используемые для строительства винтовки Гаусса компоненты, — выбираются по принципу не «оптимальности», а «того, что было под рукой», — ввиду того, что «каждая копейка на счёту». Это, в свою очередь, — ведёт к соответствующему снижению общей эффективности.

Для проектирования винтовки Гаусса её строители обычно используют широко известную программу FEMM и ряд скриптов для неё.

Ряд советов и вариантов моделирования можно глянуть тут.

ВНИМАНИЕ! Любая работа в области проектирования и создания рассмотренных устройств несёт повышенный риск, и автор не несёт ответственности за возможные инциденты! Вся информация даётся только «в познавательных целях» и не призывает к чему-либо!

ПУТИ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ВИНТОВКИ ГАУССА

▍ 1. Изменение способа силовой коммутации катушек

После проведённого анализа в сети Интернет было выявлено, что большое количество самодельных устройств используют для силовой коммутации катушек – тиристоры (как было уже сказано выше), что является устаревшим подходом. И только небольшое количество самоделок – построено на IGBT-транзисторах. Как отмечают сами авторы самоделок, по большей части, это обусловлено их гораздо большей ценой.
Здесь уместно рассмотреть, что же такое IGBT-транзисторы.

Биполярный транзистор с изолированным затвором

(БТИЗ, англ. Insulated-gate bipolar transistor, IGBT) — трёхэлектродный силовой полупроводниковый прибор, сочетающий два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Используется, в основном, как мощный электронный ключ в импульсных источниках питания, инверторах, в системах управления электрическими приводами.
Источник картинки:
До 1990-х годов в качестве силовых полупроводниковых приборов, помимо тиристоров, использовались биполярные транзисторы. Их эффективность была ограничена несколькими недостатками:

необходимость большого тока базы для включения;
наличие токового «хвоста»
при запирании, поскольку ток коллектора не спадает мгновенно после снятия тока управления — появляется сопротивление в цепи коллектора, и транзистор нагревается (и этот момент особо важен для нас, в Гаусс-строении);
зависимость параметров от температуры;
напряжение насыщения цепи коллектор-эмиттер ограничивает минимальное рабочее напряжение.

С появлением полевых транзисторов,
выполненных по технологии МОП (англ. MOSFET), ситуация изменилась. В отличие от биполярных, полевые транзисторы:

управляются не током, а напряжением;
их параметры не так сильно зависят от температуры;
их рабочее напряжение теоретически не имеет нижнего предела благодаря использованию многоячеистых СБИС;
имеют низкое сопротивление канала (менее миллиома);
могут работать в широком диапазоне токов (от миллиампер до сотен ампер);
имеют высокую частоту переключения (сотни килогерц и больше);
высокие рабочие напряжения при больших линейных и нагрузочных изменениях, тяжёлых рабочих циклах и низких выходных мощностях.

IGBT сочетает достоинства двух основных видов транзисторов:

высокое входное сопротивление, низкий уровень управляющей мощности — от полевых транзисторов с изолированным затвором;
низкое значение остаточного напряжения во включённом состоянии — от биполярных транзисторов;
малые потери в открытом состоянии при больших токах и высоких напряжениях;
характеристики переключения и проводимость биполярного транзистора;
управление как у MOSFET — напряжением.

Диапазон использования — от десятков до 1200 ампер по току, от сотен вольт до 10 кВ по напряжению.
В диапазоне токов до десятков ампер и напряжений до 500 В целесообразно применение обычных МОП- (МДП-) транзисторов, а не БТИЗ, так как при низких напряжениях полевые транзисторы обладают меньшим сопротивлением.

▍ 2. Увеличение КПД за счёт предварительного разгона снаряда

Предварительное ускорение снаряда позволяет существенно поднять КПД. Об этом хорошо сказано здесь:

КПД такой штуки радикально зависит от выходной скорости снаряда. И очень, прямо очень быстро растёт с ростом выходной скорости. Несколько простейших формул (кинетическая энергия пули, и омические потери за время разгона) об этом более чем однозначно говорят. Ибо работа магнитного поля, это сила умножить на перемещение, а перемещение тем больше чем больше скорость. Так что омические потери на единицу времени остаются условно постоянными (понятно, что зависят от формы импульса, но это уже детали), а КПД перекачки энергии магнитного поля в кинетическую энергию снаряда очень быстро растёт по мере разгона снаряда, и при этом квадратично по скорости — растёт сама энергия снаряда. Иначе говоря, если выходная скорость достаточно высока, то львиная доля энергии будет закачана в снаряд с отличным КПД (ближе к концу разгона), и на этом фоне высокие в процентном отношении на начальном участке разгона омические потери будут крайне незначительны по абсолютной величине (относительно итоговой кинетической энергии снаряда). Так что для скорости в десятки м/c действительно КПД всегда будет — …. (аналог слова «плохим» :-))) ) как ни изощряйся — а поскольку энтузиасты обычно осиливают именно такие энергии/скорости то и КПД «редко превышает 2%». Но если разгонять до нескольких сотен метров секунду (лучше конечно ближе к большим сотням, а не малым) то цифры КПД в районе 70%-85% вполне получабельны. А с добавленной системой рекуперации энергии можно и выше выжать.
Так что грамотно спроектированная пушка Гаусса, вкупе с грамотно спроектированными снарядами — более чем способна быть реальным оружием. Но это уже совсем не «наколенный» уровень мощности в части силовой электроники, и потребны соответственного размера накопители энергии.
Причём вот это «КПД перекачки энергии магнитного поля в кинетическую энергию снаряда очень быстро растёт по мере разгона снаряда» — это общий момент и для пушки Гаусса и для рельсотрона.

В этих целях можно было бы использовать какие-либо системы предварительного разгона, в качестве которых можно было бы попробовать использовать существующие пневматические винтовки и пистолеты ( заряжаемые цилиндрическим снарядом). В таком случае, пушка Гаусса выглядела бы как дополнительное устройство, на конце ствола пневматической винтовки или пистолета. Нечто вроде саундмодератора для пневматики (который иногда называют по ошибке «глушителем»).

▍ 3. Использование рекуперации, накопленной в катушке энергии.

Так как катушка индуктивности является накопителем энергии, имеет некоторый смысл в «сливе» её – обратно в питающий конденсатор. Это было бы полезно для целей увеличения КПД в целом.
Хороший анализ целесообразности подобного проведён здесь. И выводы следующие (оттуда же):

Для максимальной реализации возможности рекуперации энергии, заложенной в конфигурации «косого» полумоста, необходимо подбирать геометрические характеристики катушки таким образом, чтобы форма тока была близка к треугольной и «плато», соответствующее состоянию системы с одним открытым ключом, было как можно более коротким. Из этого вытекает необходимость использования различных катушек в каждой ступени многоступенчатого ускорителя. Использование же одинаковых катушек в этом случае резко снижает возможный КПД.
При выборе геометрии катушки следует скорее увеличивать КПД ускорения снаряда, а не КПД рекуперации — это приводит к росту суммарной эффективности системы. То есть «толстые» катушки, несмотря на повышенную способность к возврату энергии в ёмкость, не являются в полумостовой схеме оптимальными (по крайней мере, в районе скоростей снаряда около 100 м/с).
Для выбранных характеристик системы использование полумоста позволяет повысить суммарный КПД многоступенчатого ускорителя, вероятно, не более чем в 1,5 раз по сравнению с традиционными схемами без возврата части энергии в конденсатор (например, схемы с гасящим варистором). Это повышение выражается в уменьшении суммарной энергии, затрачиваемой на каждой ступени (а не в росте скорости снаряда), и может быть использовано для соответствующего снижения ёмкости запасающего конденсатора.

▍ 4. Использование сложного программного алгоритма управления скоростью движения снаряда в стволе.

Как уже было сказано ранее:

«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
».

Несмотря на проведённый достаточно тщательный анализ самоделок в сети Интернет, не удалось найти ни одной самоделки, которая бы использовала возможности настоящего момента: а именно использование микроконтроллеров для реализации сложного программного алгоритма для управления ускорением снаряда в стволе.
Максимум, это ускорение по заранее запрограммированным временным интервалам.

Это, на мой взгляд, по большей части обусловлено тем, что большинство гаусс-строителей идут по проторённому пути и стараются достичь результата наиболее коротким путём. Поэтому, они повторяют путь других, не обращая внимания на возможности, которые упускаются многими.

А именно: большинство самодельных конструкций построено с использованием оптических датчиков, которые запускают соответствующие катушки, после прерывания их луча — проходящим снарядом.

Источник картинки:

На мой взгляд, данный подход является достаточно примитивным, так как он позволяет только в очень общих чертах понимать, где находится снаряд в данный момент, и с какой скоростью он движется ( вернее даже сказать, в изученных самоделках даже анализа скорости не производилось, и оптические датчики использовались исключительно для коммутации катушек при прохождении заряда).

Хотя, для анализа скорости движения снаряда, его местоположения, оптимально подходит анализ индуктивности катушки/катушек (как подсказывает нам википедия, — «катушка индуктивности может применяться как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах при перемещении ферромагнитного сердечника относительно обмотки»). Это позволит постоянно иметь обратную связь и данные о скорости и местоположении снаряда, что, вкупе с быстродействующими IGBT-транзисторами, может позволить применить ШИМ-контроль, для оптимального разгона снаряда.

При таком подходе, можно обеспечить практически любую кривую ускорения заряда, в рамках имеющихся физических возможностей:

То есть, можно было бы:

управлять разгоном программно;
автоматически калибровать и записывать настройки в память микроконтроллера (например, в случае использования esp32 – для этого подойдёт библиотека Preferences);
использовать различные кривые разгона (в то время как при использовании «жёстко вычисленных и подогнанных катушек» — параметры стрельбы всегда были бы одинаковы).

Говоря более простым языком, можно подавать импульсы ШИМ-контроля на катушку, и постоянно отслеживать, с какой скоростью начал двигаться снаряд.
Такой подход, позволит как: а) отказаться от оптических датчиков; б) иметь постоянную гибкую обратную связь. Например, если микроконтроллер видит, что снаряд «подтормаживает» — он даёт ему дополнительно разгонных импульсов, если видит, что уже оптимально разогнался (согласно выбранной кривой роста скорости) — отключает питание катушки.

▍ 5. Использование шаровидных зарядов, вместо продолговатых.

Так как большинство любителей используют пушку Гаусса для развлекательной стрельбы, изготовление зарядов для неё является делом достаточно трудоёмким и проблемным для большинства.
В связи с этим, представляется достаточно интересным перевод такого устройства на шаровидные стальные пули от пневматического оружия.

В сети приходилось видеть утверждения некоторых людей, которые считали, что разогнать такой заряд невозможно, так как он быстро уйдёт в насыщение и т.д.

Однако, совсем недавно, в 2022 году, на youtube появилось интересное устройство, возможно даже единственное в мире, которое смогло достигнуть скоростей в 130 м в секунду на стандартных шаровых зарядах для пневматических винтовок:

Конечно, точность шариков является весьма посредственной и годится только для развлекательной стрельбы по бутылочкам – «плинкинга».

Использование таких зарядов для развлекательной стрельбы является, на мой взгляд, достаточно рациональным и недорогим, в отличие от классических «гвоздей», на которых сосредоточено творчество большинства гаусс-строителей:

Хотя, именно продолговатый заряд – может достичь больших дальностей, при хорошей точности (как показывает история). Только требуется создать некое закручивающее устройство, как в стандартном огнестрельном оружии. В случае же винтовки Гаусса, можно было бы попробовать реализовать электромагнитное закручивающее устройство, которое бы обеспечило снаряд необходимой точностью.

Что это вообще такое?

Пушка Гаусса состоит из соленоида, внутри которого находится ствол (трубка). В один из концов ствола вставляется металлический снаряд. При протекании электрического тока в соленоиде возникает магнитное поле, которое разгоняет снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. Так как в момент прохождения снаряда через середину соленоида ток отключается, то магнитное поле исчезнет, и снаряд вылетит из другого конца ствола.
Для наибольшего эффекта импульс тока в катушке должен быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при выстреле к моменту подлета снаряда к середине обмотки ток в последней уже успевал бы уменьшится до минимального значения, то есть заряд конденсаторов был бы уже полностью израсходован. В таком случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным. Простейшие одноступенчатые Coilgun можно собрать самому, а вот многоступенчатые уже намного сложнее.

В КАЧЕСТВЕ ГИПОТЕЗЫ – ДЛЯ РАЗМЫШЛЕНИЯ…

Чтобы отвлечься от темы Гаусс-ганов, хотел бы предложить на обсуждение парочку своих идей, аналоги которых мне не приходилось видеть в сети.

▍ 1. Пулемёт внутреннего сгорания?!

Что если я скажу вам, что прямо у вас «под носом» находится практически готовое устройство, которое позволяет реализовать высокоскоростную стрельбу неким зарядом, с хорошей точностью и мощностью? Скорость стрельбы может достигать 6000 выстрелов в минуту и более.
Если мы посмотрим на обычный двухтактный двигатель внутреннего сгорания (и в принципе на любой двигатель), — то он является устройством, которое служит для совершения полезной работы путём отбора необходимой мощности от вращающегося вала. А что если, отбор мощности производить не от вала, а напрямую, от цилиндра?

Каким образом: в цилиндр монтируется быстродействующий клапан, который открывается на короткое время, в момент сгорания смеси, когда давление в цилиндре является максимальным (обычный двухтактный двигатель внутреннего сгорания, который используется в бензокосах или триммере для стрижки газонов, развивает давление в 60 атмосфер,- в цилиндре, в момент вспышки смеси).

Алгоритм работы такого клапана следует ещё подобрать, например, он может работать через 2 такта: чтобы один оборот вала двигателя использовался для поддержания вращения, а следующий оборот и, соответственно, вспышка, использовалась для отбора части газов высокого давления из цилиндра, — для метания некоего заряда.

Отбор мощности надо вести так и в таких объёмах, чтобы это позволило выполнять работу по метанию заряда, и, в то же время, не нарушало нормальную работу двигателя как такового!

В качестве такого быстродействующего клапана можно было бы попробовать использовать подобие электромагнитного клапана, который некоторые компании сейчас разрабатывают для своих автомобилей:

Таким образом, получается, что имеется неограниченный источник газов высокого давления, которые будут позволять вести скоростную стрельбу очередями или совершать одиночные выстрелы. Запас выстрелов, по сути, ограничен только запасом метаемых зарядов, так как топливо закончится гораздо позднее (кстати, заряды – могут подаваться за счёт работы некоего подающего устройства, приводящегося в движение от вращающегося вала)!

Знающие люди скажут: «да нууу, всего то 60 бар! Даже в CO2-баллончике 70 бар…». Дело не только в давлении, но и в площади, на которую оно воздействует. В двух словах: меньше пуля – нужно больше давление. Больше пуля — нужно меньше давления.

Тут будет уместен такой исторический экскурс:

Пневматическая винтовка Жирардони.
В 1779 г. австрийский механик Бартоломео Жирардони (в Австрии его считали тирольцем, хотя по происхождению он был итальянцем) преподнёс Иосифу II, эрцгерцогу Австрии экземпляр «многозарядного пневматического ружья», ставшего едва ли не самым массовым военным пневматическим оружием.
Источник картинки: www.drive2.ru
Точнее было бы назвать это уникальное ружьё магазинной казнозарядной пневматической винтовкой с предварительной накачкой. Деятельный эрцгерцог и члены Военного Совета оценили идею. Учитывая скорострельность мушкетов того времени (3-4 выстрелов в минуту) его образец просто поверг всех в состояние шока со своими двадцатью выстрелами в минуту. Иосиф Второй подсчитав что 500 солдат с таким оружием превзойдут по суммарной огневой мощи такое же количество кремневых стволов минимум в пять раз, распорядился перевооружить армию. Однако из-за очень трудоёмкой технологии и чрезвычайно высокой стоимости таких винтовок, до полного перехода армии на новое оружие дело не дошло, и было выпущено всего порядка 1500 стволов. Также первоначальное их желание вооружить винтовкой армейских егерей разбилось о сравнительно низкую прицельную дальность стрельбы, и винтовка (ружьё) была принята на вооружение особой части пограничной охраны. Винтовка Жирардони имела восьмигранный нарезной ствол калибра 13 мм
, сменный приклад-баллон, ударный дозирующий клапан и трубчатый магазин на 20 круглых пуль.

Источник картинки:
Баллон конической формы соединялся с казёнником на резьбе, герметизировалось соединение пропитанной водой кожаной манжетой приклада-баллона. Воздух накачивался в баллон ручным насосом (для этого требовалось около 1500 качаний), давление в нём достигало 33 атмосфер
, чего вполне хватало, чтобы придать 10-граммовой пуле начальную скорость около 200 м/с (дульная энергия — 200 Дж). Одного баллона хватало на 20 достаточно убойных выстрелов, хотя баллистика, конечно, изменялась от выстрела к выстрелу — первые 10 пуль летели до 150 шагов, следующие падали ближе.
Стрелки австрийской пограничной охраны использовали винтовки Жирардони с 1790 по 1815 г. — как раз в период коалиционных войн с Францией. В боях с французскими войсками они поражали офицеров и артиллерийскую прислугу на 100-150 шагах. Понятно, что столь коварное оружие весьма раздражало французов — Наполеон решился отдать приказ расстреливать или вешать на месте стрелков, захваченных с пневматическим ружьём в руках.

Таким образом, становится понятно, что 60 атмосфер – это очень серьёзно, когда даже 33 а…

История создания

Впервые данный вид винтовки появился еще в первой части «Сталкера», которая называлась «Тень Чернобыла». На предпоследней локации «Припять» игрока встречали множественные силы противника, они были везде, даже на крышах заброшенных домов, с которых по нам и вели огонь из Гаусса. Винтовка сама по себе невероятно редкая, а если вы правильно не убили «Монолитовца», то смело можем заявить, что вы ее больше в игре не потрогаете. Также есть вероятность того, что труп данного бойца упадет, но патронов к винтовке совсем не будет. Все это обуславливается тем, что разработка первой части велась в невероятной спешке, многие виды оружия были вырезаны, не говоря уже про локации, машины и многое другое.

Если говорить про упоминания о данной винтовке, то на локации «Темная Долина» мы прямо напротив базы бандитов могли спасти сталкера от кровососа, за что он нас благодарит информацией, мол, на свиноферме продают пушку Гаусса всего за 800 рублей. Мы туда приходим, отдаем сталкерам 800 рублей, которые в самом начале игры могут изменить многое, но взамен нам ничего не дают, а даже больше: нас выгоняют с территории свинофермы, т.к. у них никакой винтовки Гаусса нет, а эти деньги пойдут на благотворительность. После этого можно спокойно их убить, а со сталкера «Упырь» выпадет специальная бесшумная винтовка «Гадюка».

Это все происходило в первой части, но вот уже во второй, название которой «Чистое Небо», можно вполне легко найти данную винтовку. Право на ее приобретение дается игрокам, чьи поступки являются безупречными (статистику можно смотреть в ПДА), после чего каждый торговец с радостью вам продаст Гаусс и экзоскелет первого поколения.

«Зов Припяти» попытался быть максимально похожим на первую часть, что, собственно, и получилось, ведь в данной части винтовка достается опять же с крыши и опять же с трупа павшего бойца «Монолит». После ее поднятия активируется специальный квест, о котором мы расскажем чуточку позже.

Где можно использовать электрическую тепловую пушку?

Поскольку электрические тепловые пушки не продуцируют вредных продуктов сгорания и при соблюдении условий эксплуатации являются пожаробезопасными, их можно использовать для обслуживания практически любых объектов.

Электрическими тепловыми пушками можно обогревать неотапливаемые жилые дома, дачные домики, гаражи, мастерские, теплицы. Тепловые пушки считаются одним из самых эффективных способов нагрева «сложных» объектов − очень больших по площади, сильно промерзших. Их приобретают для обслуживания цехов промышленных предприятий, складов, торговых объектов, производственных помещений, ангаров, строительных площадок (открытых в том числе).

Тепловую пушку часто используют, когда нужно максимально быстро нагреть помещение, какие-либо физические объекты или поверхности. В строительстве электрические тепловые пушки активно применяют для просушки отштукатуренных поверхностей и при монтаже натяжных потолков. В быту может возникнуть потребность быстро отогреть автомобиль или просушить погреб − для этих целей тоже подойдет электрическая тепловая пушка. Пушки также используют в промышленности для выполнения некоторых технологических операций.

Gauss Gun на АлиЭкспресс

Двухступенчатая пушка Гаусса

Медные эмалированные обмоточные провода диаметром 0.8 мм
Два тиристора типа SCR
Блок оптического переключателя
Установлены конденсаторы 450 В 1000 мкФ
Трубки диаметром 8 мм и длинной 200 мм
Цена около 1000 руб.

Четырёх ступенчатая пушка Гаусса

Внешний диаметр трубки 10 мм и внутренний 8 мм
Нужна 12 В литиевая батарея и 70 Вт мощность питания
Полный набор контроля напряжения, зарядки и разрядки, литиевая батарея и встроенное зарядное.
Цена около 10000 руб.

Многоступенчатая пушка Гаусса

Самые мощные экземпляры, имеющие 6 ступеней и разгоняющие металлический снаряд до предельно разрешённой законодательством энергии в 7 Дж.
Суммарная ёмкость накопительных конденсаторов может превышать 10000 микрофарад.
Цена около 12000 руб.

Предупреждение! Устройство запрещено к продаже и использованию людьми в возрасте до 16 лет, только для взрослых. Нельзя стрелять в людей и животных. Не прикасаться к элементам схемы – высокое напряжение.

Обслуживание и ремонт нагревателей

В процессе длительной эксплуатации пушки возникают мелкие неисправности, которые пользователь может устранить своими руками. Признаки неполадок и способы ремонта:

После включения аппарат запускается, но быстро тухнет. Извлеките из гнезда фотодатчик пламени и удалите копоть с рабочей линзы.
Если снизилась интенсивность нагрева, прочищайте воздушные и топливные фильтры. Производитель рекомендует менять фильтрующие элементы с интервалом 500 часов работы.
Затруднен либо отсутствует розжиг топливовоздушной смеси. Выверните запальную свечу, уберите сажу и отрегулируйте зазор между электродами (обычно выставляется 1.4…1.5 мм).
Снижение эффективности и появление черного дыма свидетельствует о засорении форсунки. В большинстве моделей деталь легко снимается и прочищается, если не можете справиться, — вызывайте мастера.
Другая причина затрудненного пуска – проблемы с компрессором. Агрегат следует почистить и настроить рабочее давление, при необходимости – смазать электродвигатель.

Схема крепления свечи зажигания и форсунки в горелке аппарата Master
Свеча накала и форсунка располагается на задней плоскости головки горелочного устройства. К распылителю подведены 2 трубки (воздух от компрессора и топливоподача), к запальнику – высоковольтный кабель. Последний нередко пробивает на «массу», отчего пропадает искра на свече.

Топливный сетчатый фильтр находится внутри подающей трубки, опущенной в бак. Кстати сказать, емкость тоже надо промывать с периодичностью 500 часов работы. Элементы очистки воздуха стоят на задней панели компрессора и откручиваются с помощью отвертки. Как выполняется очистка форсунки тепловой пушки, смотрите на видео:

Принцип действия

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 электромагнитное 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).

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.

Кинетическая энергия снарядаE=mv22{displaystyle E={mv^{2} over 2}} m{displaystyle m} — масса снарядаv{displaystyle v} — его скоростьЭнергия, запасаемая в конденсатореE=CU22{displaystyle E={CU^{2} over 2}} U{displaystyle U} — напряжение конденсатораC{displaystyle C} — ёмкость конденсатораВремя разряда конденсаторов

Это время за которое конденсатор полностью разряжается:

T=πLC2{displaystyle T={pi {sqrt {LC}} over 2}} L{displaystyle L} — индуктивностьC{displaystyle C} — ёмкостьВремя работы катушки индуктивности

Это время, за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.

T=πLC{displaystyle T=pi {sqrt {LC}}} L{displaystyle L} — индуктивностьC{displaystyle C} — ёмкость

Стоит заметить, что в представленном виде две последние формулы не могут применяться для расчетов пушки Гаусса, хотя бы по той причине, что по мере движения снаряда внутри катушки, её индуктивность все время изменяется.

Рельсотрон — оружие будущего

Рельсотрон (Railgun), или в простонародье «рельса» — импульсный электродный ускоритель масс, принцип действия которого объясняется с помощью силы Лоренца, превращающей электрическую энергию в кинетическую. Является перспективным оружием, имеющим ряд преимуществ перед классической компоновкой на базе химического взрыва. И боевые испытания этой красавицы уже не за горами.

Принцип действия и ограничения

Рельсовая пушка использует электромагнитную силу, называемую силой Лоренца, чтобы разогнать электропроводный снаряд, который изначально является частью цепи. Иногда используется подвижная арматура, соединяющая рельсы. Ток I, идущий через рельсы, возбуждает магнитное поле B между ними, перпендикулярно току, проходящему через снаряд и смежный рельс. В результате происходит взаимное отталкивание рельсов и ускорение снаряда под действием силы F.

Одна из проблем рельсотрона заключается в том, что для изготовления его снарядов необходим материал с максимально возможной проводимостью, т.к. для создания движущей силы по рельсам пускается очень мощный моментальный разряд тока. Если материал снаряда обладает недостаточной проводимостью, он может испариться в рельсотроне под воздействием силы тока еще до выхода из пушки. Второй ограничитель — источник питания. В ближайшее время ВМФ США планируют провести испытания рельсотрона на базе корабля (только корабль на сегодняшний день может выдержать выстрел из этого оружия). Для залпа из современного рельсотрона требуется импульс в 25 (!) мегаватт. Один из кораблей ВМФ США, который проектировался специально с учетом возможности комплектации рельсотроном, оснащен силовыми установками на 78 мегаватт, а самым распространенным значением эл. мощности установки на корабле является цифра в 9 мегаватт. Для одного выстрела рельсотрона требуется почти 30% мощности установки спец. корабля флота. Об использовании данного типа вооружения на рядовых судах и думать не стоит. Видео с экспериментальной установки ВМС США: Вопрос в зал: откуда взялась огненная вспышка на выходе?