Автор: Утякаев Тимур Шамильевич
Возраст: 17 лет
Место учебы: МАОУ "СОШ №31"
Город, регион: Республика Башкорстостан, г. Стерлитамак
Руководитель: Абдуллина Лилия Рашитовна, учитель физики и астраномии

Пушка Гаусса.
Безракетный способ запуска спутников

Актуальность данного проекта: Человек развивается, чтобы покорять космос в дальнейшем, нам нужно что-то лучше, чем ракеты на химическом топливе, которые слишком дорого запускать. Актуальность данного проекта состоит в том, что данную установку можно использовать для многоразового запуска полезного груза в атмосферу земли.

Цель проекта: В своей работе, я хочу узнать о принципе действия, электромагнитных ускорителей масс и их предназначении в космонавтике. Показать, что за ними будущее многоразовых запусков полезного груза.

Из цели вытекают следующие задачи:

1. Узнать о электромагнитных ускорителей масс и их принцип действия
2. Узнать, как электромагнитные ускорители масс можно применить в космонавтике

Методы исследования: изучение и анализ исторических материалов, документов, информации, содержащейся в сети Интернете, энциклопедиях, исторической литературе, средствах массовой информации.

Продукт проекта: маленькая версия установки «Пушка Гаусса».

Введение

„Ракета под водой — это абсурд. Но именно поэтому я возьмусь сделать это“.
Сергей Павлович Королёв

Электрическое поле — это физическое поле, которое окружает каждый электрический заряд и оказывает силовое воздействие на все другие заряды, притягивая или отталкивая их. Электрические поля возникают из-за электрических зарядов или из изменяющихся во времени магнитных полей. Электрические и магнитные поля рассматриваются как проявления более общего электромагнитного поля, которое является проявлением одной из четырёх фундаментальных взаимодействий (электромагнитное) природы.

Магни́тное по́ле — поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля. Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени) (постоянные магниты).Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.

Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Представляет собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут, при определённых условиях, порождать друг друга, а по сути являются одной сущностью, формализуемой через тензор электромагнитного поля.

Электромагнитное поле (и его изменение со временем) описывается в электродинамике в классическом приближении посредством системы уравнений Максвелла. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой электрическое и магнитное поле в новой системе отсчета — каждое зависит от обоих — электрического и магнитного — в старой, и это ещё одна из причин, заставляющая рассматривать электрическое и магнитное поля как проявления единого электромагнитного поля.

Основная часть

1. Электромагнитные ускорители масс

Электромагнитный ускоритель масс (ЭМУ) - общее название установки для ускорения объектов с помощью электромагнитных сил. Такие устройства называются электромагнитными ускорителями масс. Электромагнитные ускорители масс подразделяются на следующие виды: индукционный ускоритель (катушка Томпсона), магнитно-импульсная пушка, импульсный электродный ускоритель масс (рельсотрон) и электромагнитный ускоритель масс (пушка Гаусса).

1.1. Устройство Катушка Томпсона

В основу функционирования индукционного ускорителя масс положен принцип электромагнитной индукции. В плоской обмотке создается быстро нарастающий электрический ток, который вызывает в пространстве вокруг переменное магнитное поле. В обмотку вставлен ферритовый сердечник, на свободный конец которого надето кольцо из проводящего материала. Под действием переменного магнитного потока, пронизывающего кольцо в нём возникает электрический ток, создающий магнитное поле противоположной направленности относительно поля обмотки. Своим полем кольцо начинает отталкиваться от поля обмотки и ускоряется, слетая со свободного конца ферритового стержня. Чем короче и сильнее импульс тока [1] в обмотке, тем мощнее вылетает кольцо.

1.2. Устройство Рельсотрон

Основными частями установки являются:

1. Источник электропитания. Он представляет собой батарею конденсаторов, которая создает короткий токовый импульс огромной мощности (Речь идет о сотнях или даже тысячах килоджоулей).
2. Коммутирующая аппаратура. Иными словами это десятки толстенных кабелей, способных передать накопленную энергию и при этом не расплавиться.
3. Пусковая установка. Устройство напоминает орудийный ствол, стянутый многочисленными усилителями прочности. Они необходимы чтобы система могла выдержать внутреннее давление более 1000 атмосфер и температуру 20000–30000 градусов. Внутри ствола, вдоль всей его длины, расположены два длинных параллельных электрода или рельса (Отсюда и название).

Принцип действия:

На рельсы подается мощнейший токовый импульс. Сила разряда превышает энергию молнии более чем в сотню раз. Между рельсами (электродами) тут же загорается плазменная дуга. Некоторые разработчики предлагают перед подачей напряжения помещать в ствол легкоплавкую металлическую вставку. Она поспособствует зажиганию дуги, а расплавившись, превратится в плазму, чем значительно увеличит ее количество. От одного рельса к другому через плазму потечет ток. Ток вызывает возникновение мощнейшего электромагнитного поля, которое будет воздействовать на все устройство. Так как рельсы закреплены жестко, то единственным подвижным элементом системы окажется плазма, через которую, словно через обычный металлический проводник, продолжает течь ток. Под действием силы Лоренца[2] этот самый проводник (плазма) начнет быстро перемещаться вдоль ствола Сгусток плазмы называют «плазменным поршнем», он как бы является аналогом порохового заряда в огнестрельном оружии. Если впереди поршня был размещен метательный снаряд, то его скорость при выходе из ствола может составить до 13–15 км/с (Для справки, современные артиллерийские орудия способны разгонять снаряд максимум до 2 км/с). Любопытно, что рельсотрон может оставаться смертоносным оружием и без применения снарядов. В этом случае установка сможет стрелять плазменными сгустками, и скорость их будет воистину фантастической ― порядка 50 км/с.

Достоинства оружия:

1. Огромная скорость снаряда. В боевых системах она должна составлять до 10 км/с. Как говорилось выше, рельсотрон может обеспечить и гораздо большую скорость разгона, но из-за резко возрастающего сопротивления воздуха, которое будет буквально останавливать выпущенный снаряд, добиваться этого не имеет смысла. Огромная скорость ускоряемого тела ― это основное свойство рельсотрона, ради которого он и создавался. Из этого свойства и вытекают большинство других достоинств данного оружия.
2. Огромная пробивная сила. На лабораторных испытаниях, проведенных на настольном экземпляре рельсотрона, двухграммовая мягкая полимерная пулька пробивала толстые металлические пластины. При этом часть металла превращалась в плазму и просто испарялась. Из этого примера отчетливо видно, что настоящий боевой рельсотрон способен пробивать любые ныне существующие материалы и виды брони. От него практически нет защиты. Не спасет даже мощная активная защита, так как гексоген, используемый в ней, просто не успеет взорваться.
3. Большая дальность прямого выстрела. Она может составлять 8–9 км, причем это расстояние снаряд преодолевает меньше, чем за секунду. Само- собой увернуться от такого удара практически невозможно. Кроме-того значительно упрощается прицеливание. При стрельбе из рельсотрона не требуется давать поправки на упреждение, силу ветра и т. д. Бей в то, что видишь и не промахнешься.
4. Большая дальность стрельбы. Снаряд, выпущенный из рельсотрона, может преодолеть до 400 километров. Понятно, что с такими показателями это оружие отправляет в прошлое не только традиционную артиллерию, но и все виды тактических ракет.

5. Дешевизна, простота изготовления, безопасность хранения боеприпасов. Рельсотроны, предназначенные для боя в прямой видимости (например, танковые или зенитные), будут оснащаться снарядами без взрывчатого вещества. По своей сути это просто болванки. Дело в том, что при скорости 4 км/с и выше снаряд уже не нуждается во взрывчатке. Его кинетическая энергия столь велика, что при попадании в цель происходит не удар, а настоящий взрыв, по своей мощи превышающий взрыв любого из ныне существующих взрывчатых веществ.

Недостатки и проблемы современных рельсотронов:

1. Огромные размеры и недостаточная мощность источников питания. Для питания ныне существующих рельсотронов используются батареи конденсаторов, занимающие целые комнаты. Именно поэтому они могут устанавливаться лишь на боевых кораблях и в укрепрайонах. Однако американская компания General Atomics[3] уже ведет разработку передвижного сухопутного комплекса Blitzer, который будет размещаться на базе грузового автомобиля. Правда для питания этой пушки планируется применять мобильные электростанции, которые займут еще два грузовика.
2. Быстрый износ ствола. Гигантские перегрузки и воздействие плазмы практически уничтожают ствол. Его ресурс пока удалось довести лишь до тысячи выстрелов. Стоимость одного выстрела (с учетом стоимости износа ствола) по некоторым данным составляет 25000 долларов. Чтобы продлить жизнь дорогостоящему орудию, конструкторы экспериментируют с передовыми композитными материалами, разрабатывают новые системы охлаждения.
3. Нагрузка на боеприпасы в момент выстрела. Эта проблема особо касается боеприпасов, содержащих взрывчатое вещество.
4. Мощный шумовой эффект. При выстреле рельсотрона грохот сравним с раскатом грома. Возникает он, когда вырвавшаяся из ствола плазма оказывается на открытом воздухе и резко расширяется.
5. Низкая скорострельность. Пока по всем перечисленным выше причинам говорить о скорострельности рельсотрона не приходится. Но американские военные поставили перед разработчиками задачу: в ближайшие пять лет довести скорострельность установки до 6–10 выстрелов в минуту.

1.3. Пушка Гаусса

Пушка  Гаусса  состоит  из  соленоида,  внутри  которого  находится: ствол (как правило, из диэлектрика). В один из концов ствола вставляется снаряд  (сделанный  из  ферромагнетика).  При  протекании  электрического тока  в  соленоиде  возникает  магнитное  поле,  которое  разгоняет  снаряд, «втягивая» его внутрь соленоида. На концах снаряда при этом образуются полюса, симметричные полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида  снаряд  притягивается  в  обратном  направлении,  то  есть тормозится.

Для  наибольшего  эффекта  импульс  тока  в  соленоиде  должен  быть кратковременным и мощным. Как правило, для получения такого импульса используются  электрические  конденсаторы  с  высоким  рабочим напряжением.

Параметры  обмотки,  снаряда  и  конденсаторов  должны  быть согласованы  таким  образом,  чтобы  при выстреле к  моменту  подлета снаряда  к  соленоиду  индуктивность  магнитного  поля  в  соленоиде  была максимальна,  но  при  дальнейшем  приближении  снаряда  резко  падала.  В случае КПД одноступенчатой пушки Гаусса будет максимальным (это что касается  одноступенчатого  Магнитного  ускорителя).  Если  усложнить конструкцию и использовать для разгона сразу несколько соленоидов, то можно добиться намного большей эффективности.

2. Преимущество Пушки Гаусс над другими электромагнитными ускорителями

Пушка Гаусса обладает неоспоримым преимуществом перед ними обоими: во-первых, она наиболее проста в изготовлении, во-вторых, она имеет довольно высокий по сравнению с другими электромагнитными ускорителями КПД и, в-третьих, может работать на относительно низких напряжениях. Кроме того, пушка Гаусса, несмотря на свою простоту, обладает неимоверно большим простором для конструкторских решений и инженерных изысканий - так что это направление довольно интересное и перспективное.

3. Применения Пушки Гаусса в космонавтике

Её еще называют Космическая пушка — метод запуска объекта в космическое пространство с помощью огнестрельного оружия типа огромной пушки или электромагнитной пушки. Относится к без ракетным методам вывода объектов на орбиту. В проекте высотных исследований Военно-морских сил США использовалась 16-дюймовая (406 мм) пушка с длиной ствола 100 калибров (40 м), стрелявшая 180-килограммовыми снарядами без разрывного заряда, имевшими начальную скорость 3600 метров в секунду, которые достигали максимальной высоты 180 километров. Следовательно, эта пушка позволяет снаряду выполнить суборбитальный космический полёт. Однако пока ни одна космическая пушка ни разу не осуществила успешный запуск объекта на орбиту. Космическая пушка сама по себе не способна доставить объект на стационарную орбиту вокруг планеты без выполнения корректировки курса объекта после запуска, поскольку сама пушка является точкой траектории, а орбита — это замкнутая траектория. То есть снаряд всё таки должен быть «немного ракетой».

3.1. Технические аспекты

Большие перегрузки, испытываемые снарядом, означают, что, скорее всего, космические пушки не смогут благополучно вывести на орбиту человека или хрупкие инструменты, а будут ограничиваться доставкой грузов или спутников повышенной прочности. Исключение составляют электромагнитные пушки, в которых время разгона теоретически не ограничено и отсутствует ствол, создающий чрезвычайно высокую силу сопротивления воздуха на носовую часть снаряда. Сопротивление атмосферы создаёт дополнительные трудности и по управлению траекторией полёта уже выпущенного снаряда. Если ствол космической пушки достигает нижних слоёв тропосферы, где атмосфера менее плотная, то частично эти проблемы решаются. Если будут найдены приемлемые решения этих основных проблем, то космическая пушка может обеспечить вывод грузов в космическое пространство по беспрецедентно низкой цене 550$ за килограмм.

3.2. Вывод на орбиту спутников

Космическая пушка сама по себе не способна к размещению объекта на стабильной орбите. Законы тяготения не позволяют достичь стабильной орбиты  без  активной  полезной  нагрузки,  которая  выполняет  коррекцию полёта  после  запуска.  Траектория  может  быть  параболической, гиперболической (если скорость движения будет достигать или превышать скорость  убегания)  или  эллиптической  (Первая  космическая  скорость). Последняя  заканчивается  на  поверхности  планеты  в  точке  запуска  или  в другой  точке,  учитывая  вращение  планеты  и  сопротивление  атмосферы. Это означает, что неоткорректированная баллистическая траектория будет всегда заканчиваться падением на планету в пределах первого витка.

Исаак  Ньютон  в  своём  мысленном  эксперименте  избегает  этого возражения, предполагая наличие невероятно высокой горы, с которой его пушка будет стрелять. Однако, снаряд и в этом случае будет, как правило, делать виток вокруг планеты и возвращаться к точке старта. Полезная  нагрузка,  предназначенная  для  достижения  замкнутой орбиты, позволит, по крайней мере, выполнить некоторую корректировку курса, чтобы выйти на новую орбиту, не пересекающуюся с поверхностью планеты.  Кроме  того,  ракета  может  использоваться для  дополнительного изменения высоты.

Вполне возможно, что в гравитационной системе нескольких тел, каковой является система Земля-Луна, могут существовать траектории, которые не пересекают поверхности Земли, но эти пути, скорее всего, не будут очень простыми и удобными и потребует гораздо больше энергии.

4. Пушка Гаусса в военных целях, почему она не пригодна для войны?

Пушка Гаусса в качестве оружия обладает преимуществами, которыми не обладают другие виды стрелкового оружия. Это отсутствие гильз и неограниченность в выборе начальной скорости и энергии боеприпаса, возможность бесшумного выстрела (если скорость достаточно обтекаемого снаряда не превышает скорости звука) в том числе без смены ствола и боеприпаса, относительно малая отдача (равная импульсу вылетевшего снаряда, нет дополнительного импульса от пороховых газов или движущихся частей), теоретически, большая надежность и износостойкость, использование дешёвых источников энергии (батареек типа АА или ААА), а также возможность работы в любых условиях, в том числе космического пространства. Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса и её преимущества, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.

Первая трудность — низкий КПД установки. Лишь 10 % заряда конденсаторов переходят в кинетическую энергию снаряда. Отчасти этот недостаток можно компенсировать использованием многоступенчатой системы разгона снаряда, но в любом случае КПД редко достигает 27 %.

Вторая  трудность —  большой  расход  энергии  (из-за небольшого КПД).

Третья  трудность  (следует  из  первых  двух) —  большой  вес  и габариты.

Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе спушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно значительно увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что значительно уменьшит мобильность пушки Гаусса.

В условиях водной среды применение пушки без толстого защитного кожуха-диэлектрика также серьезно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссонировал на кожухе на сверхкороткое время с образованием агрессивных (растворяющих) сред. Таким образом, на сегодняшний день пушка Гаусса не имеет особых перспектив в качестве оружия так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия. Перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К)

Практическая часть

1. Расчеты
1000 микроФарад, ёмкость конденсатора
450 вольт, напряжение на конденсаторе
0.3 мм, Диаметр обмоточного провода катушки
0.05 мм, удвоенная толщина изоляции провода

0 мм, расстояние, на которое в начальный момент вдвинута
7 мм, внешний диаметр ствола
0.1 м/с, начальная скорость пули
10 микросек, приращение времени
Количество витков-814
Индуктивность-133 мкГн

Результаты
Энергия пули Дж = 79
Энергия конденсатора Дж = 380.7
КПД гауса(%)= 20.85
Скорость пули на выходе из катушки, м/с= 189.73

Расчеты произведены в программе FEMM 4.0

2. Элементы для сборки
  2.1. Конденсатор 1000мкФ, 450v
  2.2. Преобразователь до 45 ~ 390V/DC 8-32V до ± 45V-390V
  2.3. Тиристор 40А,1200v
  2.4. Батарейки «Крона»
  2.5. Диод IN4007
  2.6. Резистор 68 ОМ
  2.7. Спусковая кнопка

Я последовательно соединил всю схему, тем самым получил готовую Пушку Гаусса

4. Схема Использования

1. поставить все выключатели в позицию 0
2. поставить выключатель в позицию 1
3. поместить в ствол снаряд.
4. подождать 40сек -1 мин.
5. поставить выключатель в позицию 2
6. произвести выстрел
7. поставить выключатель в позицию 0
8. можно начинать снова.

Заключение

Пушка Гаусса-это будущее, она гораздо лучше остальных электромагнитных ускорителей масс. Без ракетный вывод полезного груза на орбиту земли поможет сэкономить много миллиардов бюджетных денег. Я считаю, что вкладывая в такой способ запуска, мы вкладываем в будущее.

«Человек перенесет любые тяготы космических путешествий, кроме, пожалуй, их стоимости».
Ли Олвин Дюбридж

Литература

1. Сухачёв К.И., Сёмкин Н.Д., Пияков А.В. Ускорители твёрдых тел // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2014. Т. 17, № 2. С. 49-58.
2. Буль О.Б. Методы расчета магнитных систем электрических аппаратов: Магнитные цепи, поля и программа FEMM: Учебное пособие для вузов/ О.Б .Буль. – М.: Академия,2005. – С.191
3. Физика: Учебник для 11 класса с углубленным изучением физики / А.Т. Глазунов, О.Ф. Кабардин, А.Н. Малинин и др.; под ред. А.A. Пинского, О.Ф. Кабардина.- М: Просвещение,2010.
4. Каримуллин, Т. Р. Электромагнитные ускорители масс / Т. Р. Каримуллин, А. Е. Заяц. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2018. — № 4 (18). — С. 59-62.

Интернет источники

1. https://www.femm.info/wiki/HomePage
2. http://www.shovkunenko-book.ru/arsenal/relsotron.html
3. https://moluch.ru/young/archive/18/1287/

[1] Импульс тока-Кратковременный ток, нарастающий без заметных колебаний до максимума и затем, как правило, более медленно спадающий до нуля

[2] Сила Лоренца-Сила, с которой электромагнитное поле, согласно классической электродинамике, действует на точечную заряженную частицу

[3] General Atomics-Компания США, занимающаяся проектами в области ядерных технологий и оборонными заказами. General Atomics разрабатывает широкий спектр систем: от частей цикла ядерного топлива до БПЛА