В работе рассматривался вопрос, связанный с использованием магнитной энергии, собранной в соленоиде. Создание импульсной магнитной энергии в соленоиде вызывает большую импульсную силу Лоренца. В работе, используя эти силы, была создана разгонная среда. Эта система получила электромагнитное орудие. В работе были предложены электрические схемы и макетный вариант такой конструкции. Приводится Техническая эксплуатация предлагаемого устройства. Предлагаемую конструкцию нельзя использовать только в военных целях.
Ключевые слова: импульсная магнитная энергия, катушка, соленоид, импульсная сила, конструкция, разгонная среда
Введение. Электромагнитный способ приведения снаряда в движение был предложен в начале 19 века, но отсутствие соответствующих средств сбора электроэнергии препятствовало его проведению. Последние разработки привели к значительному прогрессу в накоплении электроэнергии и таким образом значительно возросла реализация систем вооружения с электромагнитными орудиями. В 1845 году пушка катушного типа использовалась для запуска металлического стержня длиной 20 м Кристиан Беркеленд получил три патента на «электромагнитную пушку». В 1901 году Беркеленд создал первую электромагнитную пушку катушного типа и использовал ее для перегона снаряда массой 500 г до 50 м/с [2]. До сих пор не удалось связать артиллерийское вооружение с широким использованием электричества. Только благодаря дальнейшим открытиям электромагнитная пушка была полезна в битве. Для пушки нужен специальный источник энергии. Коротко говоря, электромагнитная пушка в настоящее время находится на эмбриональном этапе. Но, исходя из его несовершенства, эта первая система вооружения не будет подвергаться полезному боевому поражению в будущем» [3]. Однако весной 1944 года доктор Иоахим Хэнслер и главный инспектор Бунзель провели исследования по орудию катушечного типа [4]. В 1970 году результаты ученых были успешными. В 1970 году в институте Эрнст Маха в Вейле-на-Рейне при испытании пушек одноступенчатого катушного типа. Хас и Циммерманн разогнали металлический ядро весом 1,3 г до скорости 490 м / с. В 1976 году в Советском Союзе Бондалетоз и Иванов разогнали металлическое ядро той же массы до скорости 4,9 км/ч [5]. Металлическое ядро подвергается очень быстрому ускорению, который, вероятно, не доступен: для применение его как оружия. В основном эти устройства работают следующим образом. В цилиндрической обмотке (соленоид) через нее проходит магнитное поле при наличии электрического тока. Это магнитное поле начинает втягивать внутрь соленоида снаряд, который от этого начинает разгоняться. Если в тот момент, когда снаряд окажется в середине обмотки, и отключить ток, то втягивающее магнитное поле исчезнет и снаряд, набравший скорость, свободно вылетит через другой конец обмотки. Чем сильнее магнитное поле и чем быстрее оно отключается — тем сильнее вылетает снаряд.
Целью работы является необходимость использования электромагнитной пушки в будущем, а также конструировании макета однокатушечной электромагнитной пушки.
Чтобы достичь этой цели надо решить следующие задачи:
− разработать расчетные алгоритмы концентрации силы Лоренца в соленоиде и в катушке;
− теоретическийанализ алгоритма и метода обматывания самой катушки;
− разработать электрическую схему порождения импульсного высокого тока;
Методы решение. С начала 1980-х годов электромагнитная пушка является важной частью планомерного совершенствования системы будущего строительства. Физические законы, управляющие электромагнитной тягой снаряда, допускают высокую скорость снаряда, чем скорость снарядов, запускаемых обычным способом это существенное преимущество электромагнитной пушки.
Самый старый вид электромагнитной пушки, действительно, орудие катушечного типа. — Рис. 1 показан принцип его работы. Орудие состоит из ствола с неподвижными катушками ускорения (не показано на рисунке). Когда эти катушки постепенно электризуются, на катушке снаряда образуется перемещающееся магнитное поле, затрагивающее ток. В результате перемещающееся магнитные поля создают силу Лоренца «F«, влияющего на ток катушки снаряда и сообщающего таким образом снаряду ускорение.
Рис. 1. Принцип работы электромагнитной пушки катушечного типа
Для того, чтобы определить какое расстояние пройдет поступим следующим образом. В начале определяется траектория магнитного потока в соленоиде. Траектория магнитного потока считается прямолинейной. l — это длина магнитного потока через соленоид, а х — путь магнитных линий за пределами соленоида, который будет обнаружен во время расчета. Два х — причина того, что магнитное поле покрыто с обеих сторон соленоида.
Поскольку соленоид представляет собой электромагнитную систему, в нем генерируется электромагнитная энергия
. Эта энергия в свою очередь представляет собой уравнение:
(1)
Здесь, 
- индуктивность соленоида, Гн; 
- текущее значение тока, заданное для соленоида, А.
Количество энергии в соленоиде, в свою очередь, используется для работы магнитного потока в соленоиде, то он равняется на:
(2)
Здесь, 
- электромагнитная сила или сила Лоренца, Н.
Так как количество энергии в соленоиде используется для работы, то эти энергии будут равны между собой:
(3)
И индуктивность соленоида в свою очередь определяется по формуле:
(4)
Здесь, 
— магнитная проницаемость (безразмерная величина); 
- магнитная постоянная,
Гн/м; 
— площадь поперечного сечение, м2.
Если формулу для индуктивности (4) поставить на уравнение (1) то получается:
(5)
Если уравнение (5) поставить на (3), то:
(6)
Прежде чем составление уравнение, прежде всего выражаем уравнение электромагнитной силы:
(7)
Здесь, В — магнитная индукция, Тл; Н — напряженность магнитного поля, А/м. Из уравнении видно, что магнитная индукция равно 
и напряженность в свою очередь равняется:
. По формуле (7) определяется сила, действующая на снаряд.
А теперь в уравнение (6) на место силы можно поставить уравнение (7), тогда получается:
(8)
Если открыть скобки и выражать х через остальные элементы, то получается:
(9)
Формула (9) и есть расчетная формула для определения дальности снаряда.
Существуют различные варианты исполнения катушки. На различных этапах развития общества прошли качественные «прыжки» в развитии техники: изобретение колеса, двигателя внутреннего сгорания, открытие возможности получения и использования электроэнергии и др.
В этой работе предлагается одно катушное электромагнитное пушка (рисунок 2). В ней при прохождении электрического тока в соленоиде образуется магнитное поле, в которое разгоняет снаряд и «вытягивает» его внутрь.
Рис. 2. Однокатушечная электромагнитная пушка
Как уже отмечалось ранее, если снаряд при прохождении середины соленоида и отключить в нем ток, магнитное поле исчезает и снаряд по инерции вылетел из другого края ствола. Техническая реализация. Для значительного эффекта импульс тока для воздействия на соленоид должен быть кратковременным. Как правило, для получения такого импульса используются электрические конденсаторы с высоким рабочим напряжением. Параметры обмотки, снаряда и конденсаторов должны быть согласованы таким образом, чтобы при вылете к центру обмотки тока в момент прилета снаряда уменьшался до минимального значения в последнем, т. е. заряд конденсаторов должен быть полностью израсходован. В этом случае КПД одноступенчатой пушки будет максимальным.
Рис. 3. Электрическая схема однокатушечной электромагнитной пушки (ОКЭП)
При использовании схемы двукратным напряжением, при зарядке конденсаторов происходит сбой и увеличивается нагрузка на выпрямительные диоды. В зависимости от вышеуказанной, более практической и рациональной схемы принята вышеуказанная схема. В нем с помощью релейно-контактных элементов применялся специфический метод удвоения напряжения цепи. Схема работает следующим образом, при включении тумблера SA1 подается напряжения на схему. При включении SA2 указанной на схеме подается напряжение на катушку промежуточного реле KL1, которое своими контактами KL1.1, KL1.2, KL1.3, KL1.4 подает напряжение на конденсаторы C1 и C2, лампа HL1 показывает момент полного заряда конденсаторов после чего лампа гаснет. Лампа HL2 сигнализирует о процессе заряда конденсаторов. После чего тумблер SA2 переводится в правое по схемы положение, при этом подается напряжение на катушку промежуточного реле KL2, которое обесточивает контакт KL1 и размыкает контакты KL1.1; KL1.2; KL1.3; KL1.4. После замыканий KL2.1 происходит последовательное соединение конденсаторов C1 и C2, при этом напряжение на выходе увеличивается в 2 раза и подается на катушку L1 который производит выстрел снаряда. Диод VД5 установлен для защиты конденсаторов от так называемых экстратоков (индукционные) в момент переходных процессов.
Рис. 4. Макет однокатушечной электромагнитной пушки(ЭП). Здесь 1- магнитная катушка, 2-ствол ЭП, 3-конденсатор, 4-манитопускатель, 5- реле прерыватель, 6- пульт управление.
Технические характеристики: напряжение на конденсаторе 600 В, емкость конденсаторе, длина катушки 60 м, количество витков 4181,58, длина пули 50 мм, диаметр пули 2.5 мм, внешний диаметр ствола 3 мм, масса пули 1.9 г, максимальная сила 8.44Н, сила тока 16.4 А.
Выводы. Работа по всем ключевым узлам электромагнитной пушки быстро внедряется в США, а также начинается в других странах. Современные достижения, связанные с ускорителями, накоплением энергии и появлением импульса, являются о вероятности снабжения электромагнитной пушкой системы войск через поколения (вскоре после века) [5]. Для достижения этой цели требуется интенсивная научно-исследовательская работа по всем аспектам электромагнитной пушки, в том числе включая энергоснабжение и снаряды. Важную роль играют новые материалы. Таким образом, электромагнитная пушка, кроме ожидаемой военной значимости, должна иметь мощный импульс технологического прогресса и новизны при значительном воздействии в гражданском секторе. В настоящее время он не обладает экономичным перспективами [5], какие есть избытки электромагнитного оружия и какие существуют перспективы его использования [6]. На данном этапе развития науки этот вид оружия очень слабо развит, поэтому для многих людей это остается прекрасной фантастикой. Нам кажется, что электромагнитная масса должна быть использована, прежде всего, во благо людей. Например, использование принципа электромагнитного ускорения масс в таких отраслях, как строительная индустрия, может частично улучшить сложившуюся ситуацию. Принцип работы электромагнитного ускорения масс можно и нужно использовать гражданском строительстве, промышленности и в других областях жизнедеятельности человека [7].
Литература:
- Гаусс К. Ф. Сборник статей под ред. Виноградова. — М.: АН, 1956, C.71–96.
- «Википедия-свободная энциклопедия» (http:// ru. wikipedia. org).
- Андреев А. Н., Бондалетов В. Н. Индукционное ускорение проводников и высокоскоростной привод // Электричество.-1973.-№ 10. — С.36–40.
- Бондалетов В. Н., Иванов Е. Н., Калихман С. А., Пичугин Ю. П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. — М., 1984 — С. 234–238.
- Заявка Российская Федерация № 2009116786 Электромагнитный инженерный боеприпас./Удинцев Д.Н., Русин П.В., Усманов Р.И.,
- Wolfram Witt, Marcus Loffler The Electro-magnetic Gun — СС1оиег to Weapon-System Status //Military Technology. — 1998. — № 5. — P.80–86.
- Бондалетов В. Н., Иванов Е. Н., Калихман С. А., Пичугин Ю. П. Метание проводников в сверхсильном импульсном магнитном поле // Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение. — М., 1984. — С. 234–238.
