Койлган EM-3 ("Электрический лук").

Этот койлган первоначально задумывался лишь как настольный стенд для исследований свойств многоступенчатого электромагнитного ускорителя. После того, как все эксперименты были проведены, я решил завершить работу, собрав все части стенда в переносную конструкцию и встроив в нее зарядное устройство (ЗУ).  В итоге получился симпатичный койлган, который и предлагается Вашему вниманию.

Рис. 1. Внешний вид койлгана ЕМ-3. Больше фотографий здесь.

Особенностью EM-3 является использование снаряда в виде неоперенной стрелы с ферромагнитным наконечником (поэтому я его и назвал "Электрический лук"). Определение оптимальных параметров такого снаряда и способов его изготовления потребовало некоторого количества экспериментов, о чем рассказано здесь. Тем не менее, затраты себя оправдали - стабильный в полете снаряд в сочетании с высокой начальной скоростью многоступенчатого ускорителя обеспечили характеристики койлгана, уже сравнимые с некоторыми образцами луков и арбалетов.

Рис. 2. Стрелы для EM-3. Масса каждой стрелы - 5,15 г, из них на наконечник приходится 2,85 г.

В остальном ничего нового по сравнению с имеющимися конструкциями я не применил. Это касается как выбранной принципиальной схемы (простая коммутация тиристорами с отдельной батареей конденсаторов на каждую ступень ускорения), так и использование оптических датчиков для детектирования движения снаряда.

Рис. 3. Принцип действия EM-3.

Из этой анимации виден принцип действия ЕМ-3: при движении в канале ствола непрозрачное "древко" стрелы поочередно перестает затенять фотодатчики, которые открывают силовые ключи соответствующих ступеней. Первая ступень, наоборот, активируется только если датчик затемнен (таким образом, выстрел происходит только в том случае, если койлган заряжен). На картинке ниже схематично изображена компоновка "электрического лука"; кликнув по соответствующим частям схемы, можно ознакомиться с их устройством подробнее.

Рис. 4. Компоновка ЕМ-3.

Прозрачная трубка, в которой движется задняя часть стрелы, изготовлена из детали от баллончика строительной пены. Трубочка, в которой ускоряется железный наконечник - это обычная соломинка от коктейля диаметром 6 мм. Диаметр трубок я подобрал таким образом, что они входят одна в другую с небольшим натягом - это позволило их соединить просто на счет силы трения, Вообще, при работе над ЕМ-3 пришлось перепробовать массу всяческих трубочек.

Рис. 5. Разные трубки, использованные для экспериментов. Посередине (длинная белая) - полипропиленовая трубка, из которой было изготовлено "древко" стрелы.

Ускоряющие катушки наматывались прямо на "коктейльный ствол", предварительно надетый на алюминиевый прут подходящего диаметра, в качестве разделителей служили квадратики из текстолита. Затем эта конструкция помещалась в стандартную алюминиевую трубу квадратного сечения, в одной из стенок которой были просверлены отверстия диаметром 10 мм. Через эти отверстия были выведены провода, припаянные в выводам катушек, и через них же затем все внутреннее пространство залито быстрозастывающим эпоксидным клеем. Предварительно вблизи первой катушки был уложен маленький постоянный магнитик, удерживающий наконечник стрелы в нужном положении перед выстрелом. Потом алюминиевый пруток был осторожно вынут, и получившаяся "ствольная коробка" закреплена на мощные уголки, привинченные к стальной полосе длиной 40 см.  

Рис. 6. Конструкция ствола ЕМ-3. Тонкая пластиковая трубка удерживается в коробке давлением застывшей эпоксидной смолы.

Затем на задний конец "коктельной" трубки надевалась вторая (из прозрачного пластика), вдоль которой через штатные отверстия в уголках пропускались и закреплялись гаечками отрезки резьбовой шпильки диаметром 4 мм - они в дальнейшем служили направляющими для платок оптических датчиков.

Получилась прочная конструкция, причем с минимум трудозатрат и исключительно из стандартных элементов. Благодаря штатным отверстиям в полоске я без труда закрепил ее на деревянный щит, который служил основанием при "настольной" стадии экспериментов, а затем - на цевье портативного ускорителя. Единственный ее минус - приличная масса. 

На фото ниже показана все "ускоряющая часть" ЕМ-3 в сборе. Платки датчиков могут передвигаться вдоль шпилек и фиксироваться гаечками - таким простым образом может точно регулироваться момент срабатывания тиристора конкретной ступени. Кроме того, напротив заднего торца прозрачной трубки я просверлили дополнительное отверстие, нарезал в нем резьбу и вставил короткий винтик диаметром 6 мм. Заряженная в ствол стрела упирается в этот винтик своим задним концом, благодаря чему, вращая винтик, можно регулировать ее стартовую позицию - она очень сильно влияет на КПД ускорителя.

Рис. 7. Ускоряющий тракт ЕМ-3 в сборе.

Тиристоры - BTA-41-600. Это один из самых мощных тиристоров в пластиковом корпусе, имеющийся в продаже, у него есть даже некоторый запас по току относительно тех значений, которые имеют место при выстреле. В качестве накопительных емкостей использованы конденсаторы К50-17 номинальным напряжением 300 В и емкостью 800 мкФ (4 шт.) и 400 мкФ (10 шт.). Правда, по результатам замеров емкости оказались немного меньше (подробный отчет по энергоемкости и КПД каждой ступени приведен ниже).  Приклад был использован стандартный от пневматической винтовки МР-512 (дерево, бук). С цевьем пришлось повозиться - сначала выпилил заготовку из осинового полока с помощью лобзика, затем обработал шлифмашинкой  и покрыл морилкой и льняным маслом.

Рис. 8. Изготавливаем цевье.

Крышка корпуса изготовлена из 1,5 мм листа алюминия - он был отшлифован и согнут в виде колпака нужной формы. Затем по периметру наклеена обечайка из резинового автомобильного уплотнителя, дополнительно пропитанного жидкой резиной черного цвета.

Рис. 9. Изготавливаем колпак для корпуса.

Торцы корпуса изготовлены из окрашенной в черную эмаль двухслойной фанеры. В ней были выполнены отверстия под светодиоды индикации, тумблер включения-выключения и провод питания от ЗУ (в заднем торце) , и под ствол и шлейф для датчика близости (в переднем торце).

Рис. 10. Торцевые элементы.

На следующем фото показан корпус в сборе. Как видно, он укреплен еще одной продольной металлической полосой, которая конструктивно делит внутреннее пространство на два "этажа" - на первом расположена ствольная коробка  и аккумулятор, на втором - конденсаторы  и зарядно-управляющий блок.  

Рис. 11. Корпус в сборе.

Сборку койлгана я завершил установкой на него стандартного коллиматорного прицела для арбалетов вот такого типа. Для его монтажа пришлось приобрести планку Вивера и закрепить ее на колпаке корпуса при помощи коротких винтиков М3 с потайными головками. 

Собственно, о конструкции ЕМ-3 на этом все. В таблице ниже приведены параметры ускорителя с разбиением для каждой ступени. Все электрические характеристики измерены RLC-метром, скорость стрелы  - хронографом ИБХ-716. Максимальный ток, достигаемый в каждой ступени, рассчитан по формулам, приведенным в этой статье. Как видно, емкость конденсаторов сокращается по мере ускорения снаряда, что удерживает пиковый ток в приемлемом диапазоне и позволяет использовать одинаковые тиристоры на каждой ступени. Кроме того, измеренная емкость конденсаторов (именно она использовалась при обсчете ускорителя в FEMM) оказалась существенно меньше, чем номинальная. В конце графы "КПД" приведено значение интегральной эффективности ускорителя (конечная энергия снаряда деленная на суммарную энергию конденсаторов всех ступеней). При этом учитывалось, что итоговое напряжение, до  которого заряжались емкости, составило ~ 306 В.

Табл. 1. Характеристики ускорителя ЕМ-3.

Предварительный обсчет ускорителя выполнялся в FEMM при помощи моей модификации скрипта, выложенной на этой странице форума Арсенала. В итоге выяснилось, что все ступени лучше всего намотать проводом одинакового диаметра 0,6 мм. Длина каждой катушки - 20 мм, внутренний диаметр - 6 мм, наружный меняется от 20.5 мм у первой ступени до 13 мм у последней. В завершение приведу график сравнения расчетных и реальных характеристик ускорителя. Как видно, совпадение расчета с реальностью хорошее, особенно на 3-6 ступенях. 

Рис. 12. Сравнение реальных (Measured) и рассчитанных в FEMM (Calc-ed) параметров многоступенчатого ускорителя.

Ниже приведены несколько видео стрельб из ЕМ-3, в том числе в замедленной съемке. Всего на момент написания этой странички сделано около 40 выстрелов из готового ускорителя из более полутора сотен - на стадии отладки "стендового" варианта. Пока все работает как надо - электроника функционирует без сбоев, стрелы всегда приходят в мишень наконечником вперед.

Новые видео (например, планируемых стрельб на открытом воздухе) будут выкладываться здесь.

Всем успехов в творчестве, Eugen.

30.06.2015