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.

1.3. 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.

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.

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.

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.

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.