Здесь будут кратко описаны результаты моделирования в FEMM гауссовки ЕМ-4, выполненной по оригинальной "биступенчатой" конфигурации. С принципами работы этой схемы можно познакомиться на странице, посвященной этому койлгану.

Поскольку основой биступенчатой схемы является взаимосвязанная работа двух катушек, то пришлось написать скрипт, проводящий обсчет сразу двух обмоток. При этом (кроме "традиционных" параметров) отдельно можно задавать:

- расстояние между катушками (в теле скрипта этот параметр называется coils separation),

- координату активации (включения) первой катушки (т. е. координату острия снаряда относительно торца первой катушки, при которой открывается ключ, активирующий катушку) (start arrow position in coil),

- координату выключения первой катушки (Off coordinate xoff),

- задержку по времени между выключением первой катушки и активацией второй катушки биступени (2nd coil delay).

Кроме того, поскольку в ЕМ-4 предполагается использование оперенного снаряда, для задания параметров сердечника использовался кусок кода, разработанный при обсчете "Электрического лука" ЕМ-3.

Итоговый скрипт для расчета приведен здесь: http://coilgun.ucoz.ru/FEMM_calc/EM-4/bistage.lua

Расчет проводился для 3 скоростей снаряда: 3 м/с (имитируется попадание снаряда в первую катушку после подающей обмотки, "вытягивающей" снаряд из магазина), 30 м/с (вторая ступень), 60 м/с (последняя ступень). При этом учитывалось, что значения емкостей, питающих ступени ЕМ-4, спадает по мере роста номера ступени (всего их планировалось 5) . Первая ступень питается от 450 мкФ (расчетное внутреннее сопротивление 33 мОм), вторая и третья - от 300 мкФ ( 50 мОм), четвертая и пятая - от 150 мкФ (100 мОм). Начальное напряжение - 400 В. Масса снаряда - около 3 г, калибр - 5,5 мм, внутренний диаметр катушек (он же наружный диаметр ствола) - 7 мм. При моделировании рассматривался случай, когда на обеих катушках каждой биступени рассеивается приблизительно одинаковое количество энергии (т. е. разряд емкости на первой катушке идет до ~ 285 В) - по предварительным обсчетам, такой вариант является наиболее благоприятным.

Ниже приведены графические зависимости, иллюстрирующие некоторые из полученных результатов.

Для первой ступени приведу только одну зависимость - скорость снаряда на выходе биступени от диаметра второй (коммутируемой тиристором) катушки (D2):

Рис. 1. Зависимость скорости снаряда от диаметра второй катушки первой биступени.

Как видно, оптимальным является диаметр D2 = 16 мм. Аналогичным образом было определено, что наиболее выгодный диаметр первой катушки составляет D1 = 20 мм, диаметр провода для намотки первой и второй катушек - 0,3 и 0,5 мм соответственно.

Перейдём ко второй биступени. 

На рис. 2 показано влияние на скорость снаряда задержки момента активации второй (управляемой тиристором) катушки.

Рис. 2. Зависимость скорости снаряда второй биступени от задержки активации второй катушки. Обозначения: КА - координата активации биступени, КВ - координата выключения первой катушки.

Как видно, влияние это невелико. Гораздо более существенно влияет изменение других параметров системы (например, наружного диаметра катушек).

На рис. 3 показано влияние на скорость диаметра второй катушки (при фиксированных всех остальных параметрах ). Как видно, его оптимальное значение - ок. 16 мм (что совпадает с оптимальным диаметром первой катушки).

Рис. 3. Влияние диаметра второй катушки второй биступени.

На следующем рисунке отображена зависимость достигаемой скорости от координаты активации биступени.

 

Рис. 4. Влияние КА второй биступени.

Как видно, оптимальная КА лежит где-то в 2 мм до начала первой катушки и совпадает с таковой при расчетах для начальной скорости 3 м/с и 60 м/с.

Наконец, для начальной скорости снаряда 60 м/с получились следующие результаты:

Рис.5. Результаты расчетов для условной последней ступени (начальная скорость 60 м/с)

 

По результатам моделирования были сделаны следующие выводы:

1) Все биступени можно наматывать одинаковым образом - первую катушку проводом 0,3 мм, вторую - 0,5 мм. При этом оптимальная длина каждой катушки оказалась равной 16 мм.

2) Координаты активации всех биступеней, обеспечивающие максимальный КПД ускорения, близки к - 2 мм (т. е. нос снаряда находится за 2 мм до переднего торца первой катушки). При этом задержка активации второй катушки влияет на КПД очень слабо и фактически для всех ступеней может быть принята равной нулю.

Эти два обстоятельства позволяют упростить схемотехнику койлгана, т. к. оказывается возможным управление ступенями непосредственно по сигналам от фотодатчиков, установленных в фиксированных (одинаковых относительно каждой биступени) положениях, без какой либо дополнительной обработки.

3) Расчетный ток в первых катушках биступеней не превышает 100 А.

Это позволяет использовать для их коммутации всего один силовой ключ (планируется IGBT транзистор типа IRGPS60B120KDP).

4) Расчетный КПД койлгана достаточно высок (на последней ступени он оказывается более 10%).

Вообще, изначально я полагал средний КПД гауссовки на уровне 6 %, что при энергоемкости 108 Дж (9 конденсаторов по 150 мкФ, десятый планируется использовать для "подающей" обмотки) и массе снаряда 3 г давало скорость на выходе ускорителя порядка 66 м/с. Но полученные результаты позволяют с известной осторожностью надеяться на получение выходной скорости более 70 м/с....

Посмотрим, что покажет эксперимент.