В сентябре этого года я закончил работу по созданию демонстрационного стенда "Пушка Гаусса", предназначенного для визуализации процесса ускорения ферромагнитных тел электромагнитным полем.

Заказчиком выступило ООО "Сигма" (г. Евпатория). Данная организация специализируется на разработке и внедрении солнечных электростанций, что является достаточно высокотехнологичной сферой и требует наличия грамотного и образованного персонала. С целью привлечения оного, а также для общего развития интереса к науке и технике жителей Крыма и окрестностей, дирекцией ООО "Сигма" было начато создание Технопарка с различными увлекательными и необычными экспонатами. В их числе было решено продемонстрировать и электромагнитный ускоритель, для чего заказчик и обратился к Вашему покорному слуге.

В связи с такой спецификой, главным требованием к демонстрационному cтенду (далее - Стенду) стала безопасность и наглядность. Первый пункт решено было обеспечить установкой на все доступные части Стенда концевых выключателей и цепей блокировки, а второй - визуализацией всех состояний системы при помощи светодиодов и индикаторов. Кроме того, заказчик попросил использовать в Стенде специальные конденсаторы, которые используются в сетях солнечных энергоустановок, вот такие:

Фото 1. Полипропиленовый высоковольтный конденсатор, в Стенде таких было использовано 5 штук (их прислал заказчик). Кстати, по удельной энергии не уступают электролитическим моделям.

 

 

Общая компоновка Стенда показана на рис. 1.

Рис. 1. Общая схема размещения составных частей стенда «пушка Гаусса».

 

Как видно, конструктивно Стенд разделен на две части - ускорительную и мишенную, каждая из которых была изготовлена в корпусе из прозрачного полистрола и снабжена откидывающейся крышкой с концевиком. Корпуса с помощью алюминиевых профилей крепились на основания из деревянных щитов толщиной 28 мм - это придавало конструкции необходимую прочность. Управляющая электроника тоже разделена на две части - разрядный блок (в нем помещены балластные резисторы с вентиляторами) и зарядно-управляющий ("мозговую часть"). Оба блока помещены в стандартные алюминиевые корпуса, которые я закупил на АлиЭкспрессе. Вообще, практически все материалы для данной работе закупались на маркетплейсах - это позволило сильно сэкономить в деньгах, но привело к небольшому отклонению параметров Стенда от изначально заданных (см. ниже).

 

Фото 2. Корпуса электронных блоков Стенда.

Фото 3. Готовый разрядный блок, плата "мозга" (см. ниже) и комплект шунтирующих перемычек для конденсаторов (внутри каждой перемычки - обратносмещенный силовой диод и высокоомный резистор, препятствующий эффекту накопления заряда при хранении конденсаторов).

 

Каждая ступень ускорения также изготавливалась из прозрачного полистирола и представляла собой стойку, на которую устанавливался накопительный конденсатор (его оказалось удобнее ставить горизонтально) и контрольно-силовая плата управления (см. Фото 4). 

Фото 4. Одна из ускорительных секций с установленным конденсатором, контрольно-силовой платой и ствольной трубкой.

В итоге получилась довольно красивая конструкция, удобная для обозрения с любого ракурса. Разделка листового полистирола проводилась на лазерном резаке, что обеспечило необходимое качество обработки.

В качестве ствола была использована прозрачная же трубка для аквариумов, ее длина 50 мм, внутренний диаметр 10 мм. Параметры снарядов, соответственно, такие: диаметр 9,5 мм, длина 40 мм (удобнее всего оказалось взять отрезок сверла нужного калибра). Загрузка снарядов в ствол происходила при помощи специально изготовленного методом 3D-печати затворного механизма, который включал в себя винт регулировки начального положения заряда, а также несколько встроенных магнитов - для удержания снаряда, для фиксации подающего штока, и для срабатывания концевого выключателя, призванного запретить выстрел при открытом затворе. Последний я предусмотрел из опасения вылета снаряда в обратную сторону (как это иногда бывает в плохо отлаженных гауссовках), но по итогам моделирования и эксперимента решил от него отказаться для упрощения конструкции Стенда.

Самым интересным было создание разгонного блока - поскольку заказчик выдвинул требование, чтобы мощность ускорителя можно было плавно регулировать в широких пределах, то пришлось источник питания делать с перестраиваемым выходным напряжением, а ускоряющие катушки рассчитывать в FEMM под переменную скорость снаряда. Замечу, что эта задача в корне отличается от обычного стремления гауссостроителей получить максимальную скорость при фиксированном напряжении (энергии) источника. В итоге моделирования выяснились следующие вещи:

1) Все катушки, кроме первой, можно делать одинаковыми (в частности, был выбран провод диаметром 0,8 мм и длина катушки 40 мм).

2) Существует минимальное напряжение, ниже которого система перестает нормально функционировать, т. к. первой катушке просто не хватает энергии "выдернуть" снаряд из начального положения.

3) Начиная где-то с 1000 В, рост скорости останавливается, и последняя ступень вместо ускорения начинает, наоборот, тормозить метаемое тело. 

Расчетные (слева) и реальные (справа) параметры системы при различных питающих напряжениях показаны на рис. 2

Рис. 2. Зависимость скорости снаряда от номера ступени (теория) и от напряжения (факт).

Легко видеть, что скорость максимальная снаряда оказалась совсем небольшой (порядка 40 м/с) и не достигла теоретического максимума - это связано с тем, что при замерах не было отрегулировано начальное положение снаряда, а оно оказывает сильное влияние на результат. Кроме того, внимательный читатель заметит, что предельное напряжение при эксперименте ограничено всего 900 вольтами. Это вызвано тем, что закупленные на АлиЭкспресс силовые тиристоры 40TPS12, несмотря на маркировку 1200 В, открывались всего при 930...940 В. Перезакупать было уже некогда, и я впаял в схему те, что были, тем более что выше 1000 В, как я уже написал, поднимать напряжение все равно было нецелесообразно.

Схема силовых плат управления каждой ступени показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема контрольно-силовой платы.

 

Как видно, здесь реализован такой же способ управления силовым тиристором (Q1), какой был опробован мной при конструировании койлгана ЕМ-3, а именно: небольшой конденсатор С4 (я использовал электролит на 100 мкФ, 16 В) заряжается через резистор R12 с номиналом в несколько десятков кОм, а в момент выстрела разряжается на управляющий электрод тиристора через маленький МОП-ключик U15, формируя импульс тока необходимой силы (порядка сотен мА). На ИМС U11 я организовал всю контрольную логику, воспринимающую стробирующие сигналы с разъема U14 (их два - сигнал активации ENABLE, срабатывающий при отсутствии запрещающих состояний системы - открытых крышек или затвора, незаряженных конденсаторов, и сигнал выстрела SHOT). Через этот же разъем на все платы от зарядно-управляющего блока подается напряжение логического питания +15 В и потенциал земли. Внешний вид контрольно-силовой платы с назначением индицирующих светодиодов изображен на фото 5.

 

 

Фото 5. Контрольно-силовая плата. Схема индикации: 

cветодиод POWER (белый) – горит все время при включенном состоянии Стенда;  cветодиод DETECT (синий) – горит все время при перекрытии ИК-луча в оптодатчике. Может быть использован для проверки или иллюстрации функционирования оптодатчиков; светодиод ENABLE (желтый) – зажигается на время порядка десятой доли секунды при подаче стробирующего сигнала «Выстрел»; светодиод ACTIVE (зеленый) – горит кратковременно при активации силового ключа соответствующей катушки.

 

На фото 6  показаны ускоряющие катушки. Они изготавливались  по технологии, описанной мной здесь, а затем затягивались в черную термоусадочную пленку. 

Фото 6. Ускоряющие катушки.

 

Наибольшее количество хлопот доставила плата электронного "мозга", встроенная в зарядно-управляющий блок. Ее функциями были: зарядка накопительных емкостей до необходимого напряжения (устанавливалось потенциометром на лицевой панели блока), раздача всех стробирующих сигналов на контрольно-силовые платы, а также обеспечение разряда емкостей (при выключении Стенда и в случае открывания одной из крышек) через разрядный блок. Первоначально я сконструировал ее с использованием преобразователя дроссельного типа (бустера), для чего использовались 8 индуктивностей 33 мкГн с штатным током до 30 А, а также силовой ключ (типа IGBT) с максимальным напряжением 1200 В. Такой же ключ я установил в цепь разряда емкостей. Получилось как-то так:

Фото 7. Первый вариант "мозговой" платы.

 

К сожалению, в процессе отладки плата вышла из строя. Причина, как выяснилось, крылась в скоростных диодах на высоковольтной стороне - они не соответствовали заявленным характеристикам (некоторые вообще имели закоротку анод-катод !). Фейерверка, возможного при авариях в силовом оборудовании, удалось избежать благодаря предусмотренным цепям защиты и токоограничения, но плату все равно пришлось полностью переделывать - из-за этого работа над проектом затормозилась более чем на месяц. В итоге я полностью переделал схемотехнику и изготовил преобразовательную часть в виде трех параллельно включенных обратноходовых конверторов на основе трансформаторов на броневых сердечниках Б30. Пришлось заморочиться с их расчетами и намоткой, но в итоге получилась система с гальванической изоляцией входа и выхода, что дополнительно повысило безопасность ее эксплуатации.

Фото 8. Плата зарядно-управляющего блока без компонентов (слева) и после монтажа (справа). В качестве силовых ключей использованы мощные МОП-транзисторы с максимальным напряжением сток-исток 400 В.

 

Сборка и отладка Стенда отняла немало времени, иногда приходилось засиживаться далеко за полночь. Отдельной проблемой было необходимое пространство для сборки и тестирования установки. В итоге все работы были перенесены за город. Благо, настало лето и погодные условия позволяли действовать даже не открытом воздухе. Кстати, неоценимую помощь оказал высоковольтный блочок питания и индикатор, который я изготовил за несколько месяцев до этого - с его использованием оказалось возможно протестировать высоковольтную разгонную часть еще до того, как был готов и отлажен зарядный преобразователь.

 

Фото 9. Отладка ускорительной части Стенда.

 

Наконец, все работы были закончены и можно было тестировать Стенд в сборе. Для этого пришлось собирать его под открытым небом, а в качестве основания использовать все, что оказалось под рукой. Сборку закончил поздно вечером, а тестирование перенес на утро - в итоге за ночь корпуса запотели и на них выпала роса, из-за чего они потеряли часть своей прозрачности. Зато Стенд с честью выдержал испытания на повышенную влажность :).

Фото 10. Стенд в сборе.

На этом собственно, работа была закончена. Дальше была отдельная история с транспортировкой Стенда заказчику, но это уже к делу не относится...

Больше фото можно посмотреть в соответствующем Фотоальбоме.

Ниже видео с описанием Стенда и с отладкой ускорительной части:

 

 

 

 

Всем успехов в творчестве,

Ваш Eugen.