Coilgun - Coilgun

Forenklet diagram over en flertrinnsspiral med tre spoler, et fat og et ferromagnetisk prosjektil

En spiralgevær , også kjent som et Gauss -rifle , er en type massedriver som består av en eller flere spoler som brukes som elektromagneter i konfigurasjonen av en lineær motor som akselererer et ferromagnetisk eller ledende prosjektil til høy hastighet. I nesten alle coilgun konfigurasjoner, spoler og kanonrøret er anordnet på en felles akse. En spiralgevær er ikke et rifle ettersom fatet er glattboret (ikke riflet ). Navnet "Gauss" refererer til Carl Friedrich Gauss , som formulerte matematiske beskrivelser av magneteffekten som brukes av magnetiske akseleratorkanoner.

Spolepistoler består vanligvis av en eller flere spoler anordnet langs et fat, så banen til det akselererende prosjektilet ligger langs spolenes sentrale akse. Spolene slås av og på i en nøyaktig tidsbestemt sekvens, noe som får prosjektilet til å bli akselerert raskt langs fatet via magnetiske krefter. Spolepistoler skiller seg fra jernbanepistoler , ettersom akselerasjonsretningen i et jernbanevåpen er vinkelrett på sentralaksen til strømløkken som dannes av de ledende skinnene. I tillegg krever jernbanepistoler vanligvis bruk av glidekontakter for å føre en stor strøm gjennom prosjektilet eller saboten , men spolepistoler krever ikke nødvendigvis glidekontakter. Mens noen enkle spolepistolkonsepter kan bruke ferromagnetiske prosjektiler eller til og med permanente magnetprosjekter, inneholder de fleste design for høye hastigheter faktisk en koblet spole som en del av prosjektilet.

Historie

Den eldste elektromagnetiske pistolen kom i form av spiralgeværet, den første ble oppfunnet av norsk forsker Kristian Birkeland ved Universitetet i Kristiania (i dag Oslo). Oppfinnelsen ble offisielt patentert i 1904, selv om utviklingen angivelig startet så tidlig som i 1845. Ifølge hans beretninger akselererte Birkeland et 500 gram prosjektil til 50 m/s (110 mph; 180 km/t; 160 ft/s).

I 1933 utviklet den Texanske oppfinneren Virgil Rigsby en stasjonær spiralgevær som var designet for å bli brukt som et maskingevær . Den ble drevet av en stor elektrisk motor og generator. Det dukket opp i mange samtidige vitenskapelige publikasjoner, men vakt aldri interesse for noen væpnede styrker.

Konstruksjon

Det er to hovedtyper eller oppsett av en coilgun: ett-trinns og flertrinns. En etrinnsspiral bruker en elektromagnetisk spole for å drive et prosjektil. En flertrinnsspiralpistol bruker flere elektromagnetiske spoler etter hverandre for gradvis å øke prosjektilets hastighet.

Ferromagnetiske prosjektiler

En ettrinnsspiralgevær

For ferromagnetiske prosjektiler kan en en-trinns spiralgevær dannes av en trådspole, en elektromagnet , med et ferromagnetisk prosjektil plassert i den ene enden. Denne typen spiralgevær er dannet som solenoiden som brukes i et elektromekanisk relé, dvs. en strømførende spole som vil trekke et ferromagnetisk objekt gjennom midten. En stor strøm pulseres gjennom trådspolen og det dannes et sterkt magnetfelt som trekker prosjektilet til midten av spolen. Når prosjektilet nærmer seg dette punktet må elektromagneten slås av for å forhindre at prosjektilet blir arrestert i midten av elektromagneten.

I en flertrinns design blir ytterligere elektromagneter deretter brukt til å gjenta denne prosessen, og gradvis akselerere prosjektilet. I vanlige spiralformede konstruksjoner består "pistolen" av pistolen av et spor som prosjektilet kjører på, med føreren inn i de magnetiske spolene rundt sporet. Strøm tilføres elektromagneten fra en slags lagringsenhet for rask utladning, vanligvis et batteri , eller kondensatorer (én per elektromagnet), designet for rask energiutladning. En diode brukes til å beskytte polaritetsfølsomme komponenter (for eksempel halvledere eller elektrolytiske kondensatorer) mot skade på grunn av invers polaritet av spenningen etter at spolen er slått av.

Mange hobbyister bruker rudimentære design til rimelige kostnader for å eksperimentere med spolepistoler, for eksempel ved å bruke fotoflashkondensatorer fra et engangskamera , eller en kondensator fra en standard katodestrålerør som energikilde, og en lav induktansspole for å drive prosjektilet fremover.

Ikke-ferromagnetiske prosjektiler

Noen design har ikke-ferromagnetiske prosjektiler, av materialer som aluminium eller kobber , med projektilets anker som en elektromagnet med intern strøm indusert av pulser i akselerasjonsspolene. En superledende coilgun kalles en avkjølingspistol kan bli skapt ved suksessiv bråkjøling en linje av tilstøtende koaksiale superledende spoler som danner et geværløp, genererer en bølge av magnetfeltgradient reising på en hvilken som helst ønsket hastighet. En reisende superledende spole kan bli laget for å sykle på denne bølgen som et surfebrett . Enheten vil være en massedriver eller lineær synkron motor med fremdriftsenergien lagret direkte i drivspolene. En annen metode ville ha ikke-superledende akselerasjonsspoler og fremdriftsenergi lagret utenfor dem, men et prosjektil med superledende magneter.

Selv om kostnadene ved strømskifte og andre faktorer kan begrense prosjektilenergi, er en bemerkelsesverdig fordel ved noen spiralformede konstruksjoner i forhold til enklere jernbanevåpen å unngå en egenhastighetsgrense fra hypervelocity fysisk kontakt og erosjon. Ved å få prosjektilet trukket mot eller levitert i midten av spolene når det akselereres, oppstår det ingen fysisk friksjon med hullene i boringen. Hvis boringen er et totalt vakuum (for eksempel et rør med et plasmavindu ), er det ingen friksjon i det hele tatt, noe som bidrar til å forlenge perioden med gjenbruk.

Veksling

En flertrinns spiralgevær

En av de viktigste hindringene i utformingen av coilgun er å bytte strøm gjennom spolene. Det er flere vanlige løsninger - den enkleste (og sannsynligvis minst effektive) er gnistgapet , som frigjør den lagrede energien gjennom spolen når spenningen når en viss terskel. Et bedre alternativ er å bruke solid-state brytere; disse inkluderer IGBT eller MOSFET- strøm (som kan slås av midtpuls ) og SCR (som frigjør all lagret energi før den slås av).

En rask og skitten metode for bytte, spesielt for de som bruker et blitskamera for hovedkomponentene, er å bruke selve blitsrøret som en bryter. Ved å koble den i serie med spolen, kan den stille og ikke-destruktivt (forutsatt at energien i kondensatoren holdes under rørets sikre driftsgrenser) tillate en stor mengde strøm å passere gjennom spolen. Som et hvilket som helst blitsrør, utløser det ionisering av gassen i røret med høy spenning. Imidlertid vil en stor mengde energi forsvinne som varme og lys, og på grunn av at røret er et gnistgap, slutter røret å lede når spenningen over det synker tilstrekkelig, og etterlater litt ladning på kondensatoren.

Motstand

Den elektriske motstanden til spolene og den ekvivalente seriemotstanden (ESR) til strømkilden avleder betydelig kraft.

Ved lave hastigheter dominerer oppvarmingen av spolene effektiviteten til spiralgeværet, noe som gir eksepsjonelt lav effektivitet. Når hastighetene stiger, vokser imidlertid mekanisk kraft proporsjonalt med kvadratet av hastigheten, men riktig byttet er de resistive tapene stort sett upåvirket, og dermed blir disse resistive tapene mye mindre i prosent.

Magnetisk krets

Ideelt sett vil 100% av magnetfluksen generert av spolen bli levert til og virke på prosjektilet; i virkeligheten er dette umulig på grunn av energitap som alltid er tilstede i et reelt system, som ikke helt kan elimineres.

Med en enkel luftkjernet magnetventil er størstedelen av magnetfluksen ikke koblet til prosjektilet på grunn av magnetkretsens store motvilje . Den ukoblede fluksen genererer et magnetfelt som lagrer energi i luften rundt. Energien som er lagret i dette feltet forsvinner ikke bare fra den magnetiske kretsen når kondensatoren er ferdig utladet, i stedet går den tilbake til spiralvåpenets elektriske krets. Fordi spiralens elektriske krets iboende er analog med en LC -oscillator, returnerer den ubrukte energien i motsatt retning ('ringing'), noe som kan skade polariserte kondensatorer som elektrolytiske kondensatorer alvorlig .

Omvendt lading kan forhindres av en diode koblet i revers-parallell over kondensatorterminalene; Som et resultat fortsetter strømmen å strømme til dioden og spolens motstand sprer feltenergien som varme. Selv om dette er en enkel og ofte brukt løsning, krever den en ekstra dyr kraftig diode og en godt designet spole med nok termisk masse og varmeavledningsevne for å forhindre komponentfeil.

Noen design prøver å gjenvinne energien som er lagret i magnetfeltet ved å bruke et par dioder. Disse dioder, i stedet for å bli tvunget til å spre den gjenværende energien, lader kondensatorene med riktig polaritet for neste utladningssyklus. Dette vil også unngå behovet for å lade opp kondensatorene helt, og dermed redusere ladetiden betydelig. Det praktiske ved denne løsningen er imidlertid begrenset av den resulterende høye ladestrømmen gjennom kondensatorenes ekvivalente seriemotstand (ESR); ESR vil spre noen av ladestrømmen, generere varme i kondensatorene og potensielt forkorte levetiden.

For å redusere komponentstørrelse, vekt, holdbarhetskrav, og viktigst, kostnad, må magnetkretsen optimaliseres for å levere mer energi til prosjektilet for en gitt energiinngang. Dette har til en viss grad blitt løst ved bruk av bakjern og endejern, som er biter av magnetisk materiale som omslutter spolen og skaper baner med lavere motvilje for å forbedre mengden magnetisk fluks koblet til prosjektilet. Resultatene kan variere mye, avhengig av materialene som brukes; hobbydesigner kan for eksempel bruke materialer som spenner fra magnetisk stål (mer effektivt, lavere motvilje) til videobånd (liten forbedring i motvilje). Videre kan de ekstra stykkene magnetisk materiale i magnetkretsen potensielt forverre muligheten for fluksmetning og andre magnetiske tap.

Ferromagnetisk metning av prosjektiler

En annen vesentlig begrensning av spiralgeværet er forekomsten av magnetisk metning i det ferromagnetiske prosjektilet. Når fluksen i prosjektilet ligger i den lineære delen av materialets B (H) -kurve, er kraften som påføres kjernen proporsjonal med kvadratet med spolestrøm (I) - feltet (H) er lineært avhengig av I, B er lineært avhengig av H og kraft er lineært avhengig av produktets BI. Dette forholdet fortsetter til kjernen er mettet; når dette skjer vil B bare øke marginalt med H (og dermed med I), så kraftforsterkning er lineær. Siden tap er proporsjonal med I 2 , vil økende strøm utover dette punktet til slutt redusere effektiviteten selv om det kan øke kraften. Dette setter en absolutt grense for hvor mye et gitt prosjektil kan akselereres med et enkelt trinn med akseptabel effektivitet.

Prosjektil magnetisering og reaksjonstid

Bortsett fra metning inneholder B (H) -avhengigheten ofte en hysteresesløyfe, og reaksjonstiden til prosjektilmaterialet kan være betydelig. Hysteresen betyr at prosjektilet blir permanent magnetisert og noe energi vil gå tapt som et permanent magnetfelt i prosjektilet. Reaksjonstiden til prosjektilet gjør derimot prosjektilet motvillig til å svare på brå B -endringer; fluksen vil ikke stige så raskt som ønsket mens strøm påføres og en B -hale vil oppstå etter at spolefeltet har forsvunnet. Denne forsinkelsen reduserer kraften, som ville blitt maksimert hvis H og B var i fase.

Induksjonsspole

Det meste av arbeidet med å utvikle spiralvåpen som hyperhastighetsskyttere har brukt "luftkjernede" systemer for å omgå begrensningene knyttet til ferromagnetiske prosjektiler. I disse systemene akselereres prosjektilet av en "armatur" i bevegelig spole. Hvis ankeret er konfigurert som en eller flere "korte svinger", vil induserte strømmer resultere som en konsekvens av tidsvariasjonen av strømmen i den statiske lanseringsspolen (eller spolene).

I prinsippet kan spolepistoler også konstrueres der de bevegelige spolene mates med strøm via glidekontakter. Den praktiske konstruksjonen av slike anordninger krever imidlertid tilveiebringelse av pålitelige glidekontakter med høy hastighet. Selv om strømtilførsel til en flertrådsspiralanker kanskje ikke krever så store strømmer som kreves i et skinnegevær , er eliminering av behovet for høyhastighets glidekontakter en åpenbar potensiell fordel med induksjonsspolen i forhold til skyttegeværet .

Luftkjernede systemer innfører også straffen om at det kan være nødvendig med mye høyere strøm enn i et "jernkjernet" system. Til syvende og sist, med forbehold om levering av passende strømforsyninger, kan luftkjernede systemer imidlertid operere med mye større magnetfeltstyrker enn "jernkjernede" systemer, slik at til slutt mye høyere akselerasjoner og krefter bør være mulig.

Bruker

En M934 mørtelrunde er tilpasset for eksperimentell lansering av coilgun med et konformt ankerhale -sett, som skal avfyres gjennom en tønne sammensatt av korte magnetiske elektromagneter stablet ende til ende

Små spiralvåpen blir laget på fritiden av hobbyfolk, vanligvis opptil flere joule til titalls joules prosjektil energi (sistnevnte kan sammenlignes med en typisk luftpistol og en størrelsesorden mindre enn et skytevåpen), men varierer fra under en prosent til flere prosent effektivitet.

I 2018 tilbød et Los Angeles-basert selskap Arcflash Labs den første coilgun til salgs for allmennheten. Den avfyrte 6-gram stålsnegler i 45 m/s med en munnkurv på omtrent 5 joule. I 2021 utviklet de en større modell, GR-1 Gauss Rifle som avfyrte 30 gram stålsnegler med opptil 75 m/s med en snuteenergi på omtrent 85 joule, sammenlignbar med et PCP-luftgevær .

Mye høyere effektivitet og energi kan oppnås med design med større kostnader og raffinement. I 1978 oppnådde Bondaletov i Sovjetunionen rekordakselerasjon med et enkelt trinn ved å sende en ring på 2 gram til 5000 m/s i 1 cm lengde, men de mest effektive moderne designene har en tendens til å involvere mange stadier. Over 90% effektivitet er estimert for noen langt større superledende konsepter for romfart. En eksperimentell 45-trinns, 2,1 m lang DARPA coilgun mørtel er utformingen 22% effektiv, med 1,6 MJ KE levert til en rund.

Et stort coilgun -konsept, en koaksial elektromagnetisk bærerakett som skyter prosjektiler i bane

Selv om de står overfor utfordringen med konkurranseevne kontra konvensjonelle våpen (og noen ganger railgun -alternativer), blir spiralvåpen forsket på for våpen.

The DARPA Elektro Mørtel programmet er et eksempel på potensielle fordeler, hvis praktiske utfordringer liker tilstrekkelig lav vekt kan styres. Den coilgun ville være relativt stille med ingen røyk å gi bort sin posisjon, men en coilgun prosjektil ville likevel skape en sonisk boom om supersonisk. Justerbar, men jevn akselerasjon av prosjektilet gjennom fatet kan tillate noe høyere hastighet, med en forutsagt økning på 30% for en 120 mm EM -mørtel over den konvensjonelle versjonen med lignende lengde. Uten separate drivstoffladninger å laste, ser forskerne på at avfyringshastigheten til omtrent det dobbelte.

I 2006 var en 120 mm prototype under konstruksjon for evaluering, men tid før det ble utplassert, hvis dette skjer, ble estimert til 5 til 10 år siden av Sandia National Laboratories . I 2011 ble det foreslått utvikling av en 81 mm spiralmørtel for operasjon med en hybridelektrisk versjon av det fremtidige Joint Light Tactical Vehicle .

Elektromagnetiske flykatapulter er planlagt, inkludert ombord på fremtidige amerikanske hangarskip i Gerald R. Ford -klasse . En eksperimentell induksjonsspoleversjon av en Electromagnetic Missile Launcher (EMML) er testet for oppskytning av Tomahawk -missiler . Et coilgun-basert aktivt forsvarssystem for stridsvogner er under utvikling ved HIT i Kina.

Coilgun -potensialet har blitt oppfattet som å strekke seg utover militære applikasjoner. Utfordrende og tilsvarende en størrelse på kapitalinvesteringer som få enheter lett kunne finansiere, gigantiske spiralvåpen med prosjektilmasse og hastighet på skalaen til gigajoules av kinetisk energi (i motsetning til megajoules eller mindre) har ikke blitt utviklet så langt, men slike har vært foreslått som bæreraketter fra månen eller fra jorden:

  • Et ambisiøst måneforslag som ble vurdert i en NASA- studie fra 1975, ville ha involvert en 4000-tonn spolepistol som sendte 10 millioner tonn månemateriale til L5 til støtte for massiv romkolonisering (kumulativt over år, ved bruk av et stort 9900 tonn kraftverk).
  • En NASA-undersøkelse fra 1992 beregnet at en 330 tonn månens superledende quenchgun kunne skyte 4400 prosjektiler årlig, hver 1,5 tonn og stort sett flytende oksygen nyttelast, ved å bruke en relativt liten mengde kraft, gjennomsnittlig 350 kW .
  • Etter at NASA Ames anslått hvordan de skulle oppfylle aerotermiske krav til varmeskjold med terrestrisk overflatelansering, undersøkte Sandia National Laboratories elektromagnetiske bæreraketter for å gå i bane , i tillegg til å forske på andre EML -applikasjoner, både jernbanevåpen og spiralvåpen. I 1990 ble det foreslått en kilometer lang spiralgevær for oppskyting av små satellitter.
  • Senere undersøkelser ved Sandia inkluderte en studie fra 2005 av StarTram -konseptet for en ekstremt lang spiralgevær, en versjon tenkt som å sette passasjerer i bane med overlevende akselerasjon.
  • En masse driveren er i det vesentlige en coilgun som magnetisk akselererer en pakke som består av et magnetiserbart holder som inneholder en nyttelast. Når nyttelasten er akselerert, skiller de to seg, og holderen senkes og resirkuleres for en ny nyttelast.

Se også

Referanser

Eksterne linker