ЕМ-2 (койлган с питанием от "Кроны").

 

В начале 2013 года я решил тряхнуть стариной и собрать в подарок детишкам маленький coilgun для развлекательной стрельбы. Подарок был кстати, так как наступало 23 февраля.

Исходя из назначения, были поставлены следующие ограничения на параметры coilgun:

1) Габариты небольшого пистолета с маленькой (под детскую ладонь) рукояткой.
2) Запасаемая энергия в диапазоне 50-100 Дж.
3) Питание от 9В батарейки типа «Крона» или аккумулятора с возможностью его извлечения для подзарядки.
4) Время зарядки не более 30 сек.
5) Скорость снаряда не менее 20 м/с.
6) По возможности более низкое напряжение.

Кроме того, поскольку все-таки планировался действующий образец, а не настольный макет, хотелось решить еще проблему стабилизации снаряда в полете, для чего позже  пришлось поставить немало экспериментов. Дополнительным условием (ради экономии времени и средств) было использование в конструкции только имеющихся под рукой электронных компонентов. Поскольку я работаю в конторе, занимающейся испытаниями разной электроники, то никаких проблем это не вызвало. Единственными элементами, которые пришлось приобрести дополнительно, были стандартные пластмассовый корпус и пластиковая трубка, из которой изготовлен ствол.
Ниже описан процесс создания и конструкция получившегося изделия, которое я назвал EM-2.

 

1. Принципиальная схема.


Для начала надо было определиться с  принципиальными элементами coilgun – емкостью и напряжением конденсаторов,  запасающих энергию для выстрела, количеством ступеней и схемой их коммутации. В качестве отправной точки я использовал параметры и количество имеющихся в наличии электролитических конденсаторов (ЭК). Оказалось, что имеется большой запас емкостей на 25, 50 и 63 В, а также на 300 В и более. Использовать высокое напряжение не хотелось (слишком опасно в экспериментах), поэтому остановился на наборе из нескольких емкостей 63В, 2200 мкФ. Точнее, в заданных габаритах корпуса их оказалось 14, что дало суммарную емкость 30 800 мкФ и энергию 61 Дж.
После некоторых размышлений и моделирования в FEMM я пришел к выводу, что при использовании одной ступени необходимых кинетических характеристик снаряда не добиться. Однако, делать многоступенчатую систему (наподобие этой) очень не хотелось – сразу же возникла бы масса проблем с размещением датчиков для коммутации ступеней, их настройкой, обработкой ствола и т.д. Кроме того, габариты системы сразу же выросли бы, а они, по прикидкам, и так были внушительными для «детской» игрушки.

В итоге (после еще нескольких часов игры с FEMM) я решил использовать две ступени ускорения, при этом спад импульса, управляющего первой, открывает вторую, и никакие датчики становятся не нужны. В первой ступени был применен закрываемый ключ (мощный МОП-транзистор), а во второй – незакрываемый (тиристор). Настройка coilgun при этом сводится лишь к выбору длительности импульса, управляющего первым ключём (транзистором) при помощи потенциометра R21.
На рис.1 приведена полная принципиальная схема EM-2 (составлена в PCAD2006).

Рис. 1.

1.1. Преконвертер.
Так как схема питается от напряжения менее 10 В ( которое к тому же может «гулять», достигая при разряженной батарее ≈ 6 В), то для работы EM-2 необходим отдельный преобразователь (преконвертер), который выполнен на микросхеме КР1156ЕУ1 (отечественный аналог LM78S40). Данная ИС хорошо зарекомендовала себя еще в «старушке» EM-1 (кстати, эта пушечка десятилетней давности после сдувания пыли отлично заработала). На ОУ, встроенном в эту же ИС, выполнен контроллер напряжения питающей батареи (элементы R5, R10, R12 и R14). Если напряжение опускается ниже определенного предела, устанавливаемого потенциометром R14, то загорается красный светодиод VD1, а при дальнейшей «просадке» блокируется работа основного преобразователя напряжения через вывод 2 микросхемы DA2.

1.2. Основной преобразователь.
Основной преобразователь напряжения, заряжающий конденсаторы до 63 В, выполнен по стандартной обратноходовой схеме с использованием составного дросселя 235 мкГн (это просто две катушки по 470 мкГн, включенные параллельно) и второй такой же ИС КР1156ЕУ1 (DA2). Так как мощность его невелика (менее 10 Вт), то ключевой элемент (транзистор U10) подключен непосредственно к силовому выходу 3 DA2. При этом потеря напряжения на внутренних ключах этой ИС компенсируется использованием транзистора с логическим уровнем управления (серия IRL). К затвору транзистора подключен светодиод VD3, индицирующий работу преобразователя и заряженное состояние основных конденсаторов – если нужное напряжение достигнуто, он начинает мигать. На встроенном в DA2 ОУ выполнен дополнительный узел контроля выходного напряжения преобразователя, служащий для разрешения работы ускоряющих ступеней. Он настроен на напряжение около 60 В (т.е. coilgun может выстрелить, только когда конденсаторы уже заряжены – это предотвращает ложные срабатывания от помех или случайных нажатий спусковой кнопки до окончания цикла зарядки, а также многократное срабатывание одновибратора U4 ).
Кроме того, преобразователь снабжен дополнительной цепочкой R11-C5-диод1N5814, которая пускает ток через дросель только спустя определенное время после окончания импульса разрядки конденсаторов. Она гарантирует как закрытие тиристора второй ступени, так и отсутствие сверхтоков при включении EM-2.
Остается добавить, что время зарядки конденсаторов преобразователем составляет ≈ 20 сек (при «свежем» аккумуляторе), ток потребления в начале зарядки – около 1100 мА, в конце (когда напряжение составляет более 50 В) – ок. 800мА.

1.3. Управляющий одновибратор.
Одновибратор, управляющий силовыми ключами ускоряющих катушек, собран на таймере NE555 по стандартной схеме, никаких особенностей здесь нет. Мощный выход таймера позволяет напрямую управлять «тяжелым» затвором МОП-транзистора и одновременно заряжать емкость C19, которая при закрытии транзистора разряжается на управляющий электрод тиристора через транзистор bcp69 и открывает его. Практически конструкция EM-2 реализована на одной плате, по периметру которой впаяны силовые конденсаторы. Это позволило  избавится от лишних межсоединений (а при таких низких напряжениях каждый миллиом сопротивления снижает КПД всего устройства). Габариты и форма платы выбирались исходя из параметров выбранного для изделия корпуса (см. раздел 2). Кроме того, для элементов индикации VD1-3 и тумблера включения-выключения SW1 была изготовлена маленькая отдельная платка, размещавшаяся за задней стенкой корпуса.

Электронная часть в процессе отладки изображена на рис. 2.

 

Рис. 2

 

2. Корпус.

 

Зная по собственному и чужому опыту, что изготовление корпуса дла coilgun представляет собой непростую задачу, я, не мудрствуя лукаво, использовал стандартный пластиковый корпус вот такого типа. При этом верхняя крышка использовалась для крепления ствола с ускоряющими катушками, а снизу были просверлены отверстия для крепления рукоятки, предохранительной скобы, и выведения проводов спусковой кнопки и питания. Кроме того, на задней стенке корпуса просверлены отверстия для платы индикации, а на передней – выходное отверстие для снаряда.


3. Рукоятка.


Здесь пришлось повозиться. По плану, рукоятка должна была быть полой, чтобы в нее могла вставляться батарейка. Поискав в интернете стандартные  оружейные рукоятки и увидев цену на них, я решил изготовить рукоять самостоятельно (к тому же, детская ладонь требует нестандартных габаритов). В качестве материала использована обычная фанера толщиной 6 мм, в качестве образца - вот такая технология с упрощениями – я использовал только два слоя фанеры для плоских  боковин и еще два для переднего и заднего торцов.

Внешний вид рукояти после склейки изображен на рис. 3, думаю, из него все понятно.

 

 

 

 

Рис. 3

Склеивалось все эпоксидной смолой ЭДП, сверху покрывалось морилкой и слоем льняного масла. Получилась удобная деревянная рукоятка с батарейным отсеком внутри – «Крона» помещается без проблем. Снизу доступ батарейке закрывает плоская стальная крышечка, которая удерживается маленькими магнитами, «вмурованными» в эпоксидную смолу при склейке рукоятки. Для извлечения батарейки (с целью замены или зарядки, если используется аккумулятор) крышечка открывается одним пальцем с небольшим усилием.
Кроме того, на рукоятке закрепляется спусковая кнопка ("FIRE” на рис. 1) и предохранительная скоба, изготовленная из маленького строительного уголка. Вторым концом скоба крепится к корпусу снизу винтом М3. Сама рукоятка стягивается с корпусом при помощи самореза диаметром 4 мм, вкрученного в утолщение на заднем ее торце (где в рукоятку упирается сустав большого пальца). Этих двух точек крепления вполне достаточно, чтобы выдержать силу отдачи (она совсем небольшая, это все-таки не «Макаров» какой-нибудь).

 

4. Ствол и ускоряющие катушки.

 

Ствол для EM-2 изготовлен из стандартной пластиковой трубки внешним диаметром 10 мм и толщиной стенок 1 мм, купленной по случаю в ближайшем «Максидоме». Трубка покупалась под калибр снаряда 8 мм, но реальный внутренний диаметр оказался где-то 7,8 мм. При желании, можно было бы изготовить ствол с более тонкими стенками (например, по описанной мной ранее технологии), что немного повысило бы КПД ускорения, но я решил не усложнять себе жизнь.

Ускоряющий катушки наматывались обычным эмалированным проводом диаметром 1,1 мм по меди, ограничителями служили квадратики из текстолита толщиной 1 мм. Каждый слой пропитывался суперклеем, а после завершения намотки вся катушка покрывалась быстрозастывающий эпоксидной смолой.

Параметры катушек приведены в табл.1.


Таблица 1. Параметры ускоряющих катушек EM-2.

 

 

Параметр

 

 Катушка 1-й ступени Катушка 2-й ступени

Диаметр провода, мм (по меди)

 

 1,1 1,1

Внутренний диаметр, мм
(он же наружный диаметр ствола)

 

 10 10

Длина катушки, мм

 

 21,7 23

Наружный диаметр, мм

 

 29 19,6

Количество витков, шт.

 

 115 66

Активное сопротивление, мОм

 

 132 60
Скорость снаряда
на выходе из катушки, м/с 		16 20

 

Затем к стволу при помощи той же эпоксидной смолы приклеивались два маленьких уголка, при помощи которых он крепился к внутренней стороне верхней крышки корпуса. Итоговый вид конструкции изображен на рис. 4.

 

 

 

Рис. 4

 

На рис. 5 показан coilgun EM-2 в процессе настройки. Видна верхняя крышка корпуса с установленным стволом, основная плата, платка индикации, нижняя часть корпуса и рукоятка с установленной спусковой кнопкой и предохранительной скобой.

Рис. 5

 

5. Снаряд.
 
Это целая отдельная история.
Если просто выстрелить отпиленным куском гвоздя (как это делается в большинстве любительских coilgun’ов), то можно получить хорошую начальную скорость и красиво дырявить  пивные банки и прочие предметы, приставив их вплотную к стволу. Большинство любителей coilgun снимают пару таких роликов, выкладывают в Интернет и этим ограничиваются. Проблемы начинаются, если мишень отодвинуть дальше, чем на метр  – снаряд кувыркается в полете и приходит в цель непредсказуемой стороной, что резко снижает проникающую способность и может привести к рикошету в любом направлении.
Проблема стабилизации снаряда известна давно и многократно обсуждалась. Пути ее решения тоже давно известны – это гироскопическая (раскручиваем перед выстрелом) или аэродинамическая (приделываем хвостик) стабилизация. Евгений  Васильев вот даже патент оформил.

Приступая к разработке coilgun, я поставил эту проблему на первое место и сначала провел небольшое изучение вопроса по научным публикациям в Интернете (например, вот). Оказалось, что для гироскопической стабилизации нужны высокие скорости вращения снаряда (по-крайней мере, сотни оборотов в секунду). В огнестрельном оружии они достигают и нескольких тысяч. Я не смог придумать, как простым методом реализовать раскрутку снаряда до таких скоростей в процессе выстрела. Предложенный Евгением метод тоже не подошел, потому что система планировалась всего с одной-двумя ступенями. Поэтому гироскопическую стабилизацию пришлось отбросить. Осталось попробовать аэродинамическую, то есть изготовить снаряд вытянутой формы с воздушным «тормозом» в задней части (такой вариант предлагался вот здесь). Но длинный снаряд в coilgun плохо ускоряется (оптимальная длина составляет от двух до четырех диаметров), поэтому я с неизбежностью пришел к выводу о необходимости изготовления снаряда в виде стрелы с металлическим наконечником (он же служит сердечником, втягивающимся в катушку при выстреле) и легким удлиненным древком. Так как древко должно проходить через катушку вслед за наконечником, то стрела должна быть неоперенной. Оказалось, что для таких стрел существуют определенные соотношения между длиной наконечника и древка и их массой, при которых  достигается стабилизация в полете. Если объяснять «на пальцах», то древко должно быть как можно более легким и длинным по сравнению с наконечником. 
 
Оставалось найти подходящие заготовки и изготовить снаряд в соответствии с этими теоретическими соотношениями. Здесь пришлось немало повозиться и поэкспериментировать. Например, вначале я пытался изготовить снаряд с наконечником из острия 8-мм гвоздя (достать который тоже оказалось непростой задачей – в обычных строительных магазинах продаются гвозди диаметром только до 6 мм) и древком из букового стержня, соединив их при помощи термоусадочной трубки подходящего диаметра. Так как диаметр ствола с уже намотанными катушками оказался меньше 8 мм, то каждый «полуфабрикат» из 8-мм гвоздя приходилось обтачивать. К тому же, чтобы термоусадочная трубка не мешала движению, диаметр наконечника после острия должен был уменьшаться на 0,3 – 0,5 мм. В итоге, деталям пришлось придать специальную форму, как показано на рис. 6.
 

 

 

Рис. 6
 
 
Токарный станок по дереву под рукой был, а вот с металлом приходилось каждый раз работать надфилем и точильным камнем, и все равно качество изделий оставляло желать лучшего. Каково же было разочарование, когда после первых же стрельб выяснилось, что такая стрела тоже нестабильна. Видимо, масса древка оказалась все же великовата. Пришлось заменить дерево на еще более легкий материал – обычную соломинку от коктейля. Намучившись с «гвоздевыми» наконечниками, я решил, наконец, найти им замену и прикупил немного вот таких стандартных наконечников для стрел. Как видно, их форма идеально соответствует тому, что требовалось. Избыточная длина на КПД практически не влияет, поскольку снаряды внутри полые почти до самого острия. Заполняя эту полость (хорошо подходит отрезок 5 мм гвоздя нужной длины, посаженный на эпоксидный клей) на необходимую долю, можно регулировать массу снаряда для получения максимального КПД ускорения.
Результат всех этих мучений изображен на рис. 7.
 

 
Рис. 7

Такая стрела стабильна в полете с начальной скоростью 20 м/с, которая придавалась ей в EM-2. При больших скоростях длину соломинки, вероятно, можно будет еще уменьшить, но я пока не экспериментировал в этом направлении. Конструкция снаряда получилась очень простая и технологичная, и я ее рекомендую всем любителям coilgun.
 
Вот и все. На рис. 8 дано обобщенное фото с магнитными держалками и дарственной надписью. Надпись делалась водостойким маркером на полированной пластинке алюминия и травилась в хлорном железе - в итоге получилась как будто "состаренная поверхность". Интересный способ, но о нем как-нибудь в другой раз.
 

 

 


Рис. 8
 

Вот короткое видео выстрела (стрелял где-то с четырех метров).