Ein coilgun ist ein Typ des Kugel-Gaspedals, das aus einer oder mehr Rollen besteht, die als Elektromagneten in der Konfiguration eines gleichzeitigen geradlinigen Motors verwendet sind, die eine magnetische Kugel zur hohen Geschwindigkeit beschleunigen. Die Namenpistole von Gauss wird manchmal für solche Geräte in der Verweisung auf Carl Friedrich Gauss verwendet, der mathematische Beschreibungen der magnetischen durch magnetische Gaspedale verwendeten Wirkung formuliert hat.

Coilguns bestehen aus einer oder mehr entlang einem Barrel eingeordneten Rollen. Die Rollen werden eingeschaltet und von in der Folge, die Kugel veranlassend, schnell entlang dem Barrel über magnetische Kräfte beschleunigt zu werden. Coilguns sind von railguns verschieden, die einen großen Strom durch die Kugel oder den Holzschuh über das Schieben von Kontakten passieren. Coilguns und railguns funktionieren auch auf verschiedenen Grundsätzen. Der erste betriebliche coilgun wurde entwickelt und vom norwegischen Physiker Kristian Birkeland patentiert.

1934 hat ein amerikanischer Erfinder ein Maschinengewehr entwickelt, das im Konzept zum coilgun ähnlich ist. Abgesehen von einem Foto in einigen Veröffentlichungen ist sehr wenig darüber bekannt.

Aufbau

Ein typischer coilgun, weil der Name einbezieht, besteht aus einer Rolle der Leitung, eines Elektromagneten mit einer eisenmagnetischen an einem seiner Enden gelegten Kugel. Effektiv ist ein coilgun ein Solenoid, eine Strom tragende Rolle, die einen eisenmagnetischen Gegenstand durch sein Zentrum ziehen wird. Ein großer Strom wird durch die Rolle der Leitung pulsiert, und ein starkes magnetisches Feld formt sich, die Kugel zum Zentrum der Rolle ziehend. Wenn sich die Kugel diesem Punkt nähert, wird der Elektromagnet ausgeschaltet, und der folgende Elektromagnet kann eingeschaltet werden, progressiv die Kugel unten aufeinander folgende Stufen beschleunigend. In allgemeinen coilgun Designs wird das "Barrel" der Pistole aus einer Spur zusammengesetzt, die die Kugel auf mit dem Fahrer in die magnetischen Rollen um die Spur reitet. Macht wird dem Elektromagneten von einer Art schnellem Entladungsspeichergerät, normalerweise einer Batterie oder für die schnelle Energieentladung entworfenen Hochspannungskondensatoren der hohen Kapazität geliefert. Eine Diode wird verwendet, um Widersprüchlichkeit empfindliche Bestandteile (wie Halbleiter oder elektrolytische Kondensatoren) vom Schaden wegen der umgekehrten Widersprüchlichkeit der Stromspannung nach dem Abdrehen der Rolle zu schützen.

Es gibt zwei Haupttypen oder Einstellungen eines coilgun: einstufig und Mehrstufen-. Ein einstufiger coilgun verwendet einen Elektromagneten, um eine Kugel anzutreiben. Ein Mehrstufencoilgun verwendet mehrere Elektromagneten in der Folge, um die Geschwindigkeit der Kugel progressiv zu vergrößern.

Viele Hobbyisten verwenden preisgünstige rudimentäre Designs, um mit coilguns, zum Beispiel mit Blitzlicht-Kondensatoren von einer Einwegkamera oder einem Kondensator von einem Standardkathodenstrahlröhre-Fernsehen als die Energiequelle und eine niedrige Induktanz-Rolle zu experimentieren, um die Kugel vorwärts anzutreiben.

Einige Designs haben nichteisenmagnetische Kugeln, von wie Aluminium oder Kupfer mit der Armatur der Kugel, die als ein Elektromagnet mit dem inneren durch Pulse der Beschleunigungsrollen veranlassten Strom handelt. Ein Superleiten coilgun hat gerufen eine löschen Pistole konnte durch das aufeinander folgende Löschen einer Linie von angrenzenden koaxialen Superleiten-Rollen geschaffen werden, die einen Gewehrlauf bilden, eine Welle des magnetischen Feldanstiegs erzeugend, der mit jeder gewünschten Geschwindigkeit reist. Eine reisende Superleiten-Rolle könnte gemacht werden, diese Welle wie ein Surfbrett zu reiten. Das Gerät würde ein Massentreiber oder geradliniger gleichzeitiger Motor mit der Antrieb-Energie versorgt direkt in den Laufwerk-Rollen sein. Eine andere Methode würde Nichtsuperleiten-Beschleunigungsrollen und Antrieb-Energie versorgt außerhalb ihrer, aber einer Kugel mit dem Superleiten von Magneten haben.

Obwohl die Kosten der Macht-Schaltung und anderen Faktoren Kugel-Energie beschränken können, vermeidet ein bemerkenswerter Vorteil von einigen coilgun Designs über einfacheren railguns eine innere Geschwindigkeitsgrenze vom physischen Hypergeschwindigkeitskontakt und der Erosion. Durch das Ziehen der Kugel zu oder frei geschwebt innerhalb des Zentrums der Rollen, weil es beschleunigt wird, kommt keine physische Reibung mit den Wänden der langweiligen Angelegenheit vor. Wenn die langweilige Angelegenheit ein Gesamtvakuum ist (wie eine Tube mit einem Plasmafenster), gibt es keine Reibung überhaupt, die anhaltender Wiederverwendbarkeit hilft.

Schaltung

Ein Haupthindernis im coilgun Design schaltet die Macht durch die Rollen. Es gibt mehrere allgemeine Lösungen — das einfachste (und wahrscheinlich am wenigsten wirksam) ist die Funken-Lücke, die die versorgte Energie durch die Rolle veröffentlicht, wenn die Stromspannung eine bestimmte Schwelle erreicht. Eine bessere Auswahl ist, Halbleiterschalter zu verwenden; diese schließen IGBTs oder Macht MOSFETs ein (der Mitte Puls ausgeschaltet werden kann), und SCRs (die die ganze versorgte Energie vor dem Abbiegen veröffentlichen).

Eine schnelle-und-schmutzige Methode für die Schaltung, besonders für diejenigen, die eine Blitz-Kamera für die Hauptbestandteile verwenden, soll die Blitz-Tube selbst als ein Schalter verwenden. Durch die Verdrahtung davon der Reihe nach mit der Rolle kann es still und nichtzerstörend (das Annehmen, dass die Energie im Kondensator unter den sicheren Betriebsgrenzen der Tube behalten wird), erlauben einem großen Betrag des Stroms, zur Rolle durchzugehen. Wie jede Blitz-Tube, das Benzin in der Tube mit einer Hochspannung ionisierend, löst es aus. Jedoch wird ein großer Betrag der Energie als Hitze und Licht, und wegen der Tube zerstreut, die eine Funken-Lücke ist, die Tube wird aufhören, einmal die Stromspannung darüber Fälle genug zu führen, eine Anklage verlassend, die auf dem Kondensator bleibt.

Widerstand

Der elektrische Widerstand der Rollen und der gleichwertige Reihe-Widerstand (ESR) der aktuellen Quelle sind unter anderen Grenzen zur Leistungsfähigkeit eines coilgun.

Der magnetische Stromkreis

Ideal würde an 100 % des magnetischen durch die Rolle erzeugten Flusses geliefert und der Kugel folgen, aber das ist häufig vom Fall wegen des allgemeinen Luftkernsolenoidaufbaus von den meisten coilguns weit, die gewöhnlich relativ einfache und ineffiziente von Hobbyisten gemachte Designs sind.

Mit einem einfachen luftentkernten Solenoid wird die Mehrheit des magnetischen Flusses in die Kugel wegen des hohen Widerwillens des magnetischen Stromkreises nicht verbunden. Der ausgeschaltete Fluss erzeugt ein magnetisches Feld, das Energie in der Umgebungsluft versorgt. Die Energie, die in diesem Feld versorgt wird, verschwindet vom magnetischen Stromkreis nicht einfach, sobald der Kondensator beendet, sich zu entladen, stattdessen zum elektrischen Stromkreis des coilgun zurückkehrend. Weil der elektrische Stromkreis des coilgun einem LC Oszillator, dem unbenutzten Energieumsatz in der Rückwartsrichtung ('das Klingeln') von Natur aus analog ist, das polarisierte Kondensatoren wie elektrolytische Kondensatoren ernstlich beschädigen kann.

Rückseite, die stürmt, kann durch eine Diode verhindert werden, die in der Rückparallele über die Kondensatorterminals verbunden ist; infolgedessen zerstreuen diese Diode und die Rolle die ganze unbenutzte Energie als Hitze. Während das eine einfache und oft verwertete Lösung ist, verlangt sie zusätzliche teure Hochleistungshalbleiter und eine gut bestimmte Rolle mit genug Thermalmasse und Hitzeverschwendungsfähigkeit, um Teilmisserfolg zu verhindern.

Einige Designs versuchen, die im magnetischen Feld versorgte Energie durch das Verwenden eines Paares von Dioden wieder zu erlangen. Diese Dioden, anstatt gezwungen zu werden, die restliche Energie zu zerstreuen, laden die Kondensatoren mit der richtigen Widersprüchlichkeit für den folgenden Entladungszyklus wieder. Das wird auch das Bedürfnis vermeiden, die Kondensatoren völlig wieder zu laden, so bedeutsam Anklage-Zeiten reduzierend. Jedoch wird die Nützlichkeit dieser Lösung durch das resultierende hohe beschränkt laden Strom durch den gleichwertigen Reihe-Widerstand (ESR) der Kondensatoren wieder; der ESR wird etwas vom wieder laden Strom zerstreuen, Hitze innerhalb der Kondensatoren erzeugend und potenziell ihre Lebenszeit verkürzend.

Um Teilgröße, Gewicht zu reduzieren, kosten Beständigkeitsvoraussetzungen, und am wichtigsten, der magnetische Stromkreis muss optimiert werden, um mehr Energie an die Kugel für einen gegebenen Energieeingang zu liefern. Das ist einigermaßen durch den Gebrauch von Zurückeisen und Endeisen gerichtet worden, die Stücke des magnetischen Materials sind, die die Rolle einschließen und Pfade des niedrigeren Widerwillens schaffen, um den Betrag des magnetischen in die Kugel verbundenen Flusses zu verbessern. Ergebnisse können sich weit ändern, je nachdem die Materialien verwendet haben; Hobbyist-Designs, können zum Beispiel, Materialien verwenden, die sich überall von magnetischem Stahl (wirksamerer, niedrigerer Widerwille) zur Videokassette (wenig Verbesserung im Widerwillen) erstrecken. Außerdem können die zusätzlichen Stücke des magnetischen Materials im magnetischen Stromkreis die Möglichkeit der Fluss-Sättigung und anderen magnetischen Verluste potenziell verschlimmern.

Eisenmagnetische Kugel-Sättigung

Eine andere bedeutende Beschränkung des coilgun ist das Ereignis der eisenmagnetischen Kugel-Sättigung. Wenn der Fluss in der Kugel im geradlinigen Teil des B seines Materials (H) Kurve liegt, ist die auf den Kern angewandte Kraft zum Quadrat des Rolle-Stroms (I) proportional — das Feld (H) ist darauf linear abhängig mir, B bin auf H linear abhängig, und Kraft ist auf dem Produkt BI linear abhängig. Diese Beziehung geht weiter, bis der Kern gesättigt wird; sobald das geschieht, wird B nur geringfügig mit H (und so mit I) zunehmen, so ist Kraft-Gewinn geradlinig. Da Verluste dazu proportional sind, vermindere mir, Strom außer diesem Punkt vergrößernd, schließlich Leistungsfähigkeit, obwohl es die Kraft vergrößern kann. Das zieht eine absolute Grenze an, wie viel eine gegebene Kugel mit einer einzelnen Bühne an der annehmbaren Leistungsfähigkeit beschleunigt werden kann.

Kugel-Magnetisierung und Reaktionszeit

Abgesondert von der Sättigung enthält der B (H) Abhängigkeit häufig eine Schleife der magnetischen Trägheit, und die Reaktionszeit des Kugel-Materials kann bedeutend sein. Die magnetische Trägheit bedeutet, dass die Kugel dauerhaft magnetisiert wird und eine Energie als ein dauerhaftes magnetisches Feld der Kugel verloren wird. Die Kugel-Reaktionszeit macht andererseits die Kugel widerwillig, auf plötzliche B-Änderungen zu antworten; der Fluss wird sich so schnell wie gewünscht nicht erheben, während Strom angewandt wird und ein B Schwanz vorkommen wird, nachdem das Rolle-Feld verschwunden ist. Diese Verzögerung vermindert die Kraft, die maximiert würde, wenn der H und B in der Phase wären.

Potenzieller Gebrauch

durch ein Barrel, das aus kurzen solenoidal Elektromagneten zusammengesetzt ist, aufgeschobert der Länge nach.]]

Kleine coilguns werden von Hobbyisten, normalerweise bis zu mehrere Joule zu Zehnen der Joule-Kugel-Energie (die letzte vergleichbare Maul-Energie zu einer typischen Luftpistole und einer Größenordnung weniger als eine Schusswaffe) während im Intervall von weniger als einem Prozent zu Mehrer-Prozent-Leistungsfähigkeit Erholungs-gemacht.

Viel höhere Leistungsfähigkeit und Energie können mit Designs des größeren Aufwandes und der Kultiviertheit erhalten werden. Bondaletov 1978 in der UDSSR hat Rekordbeschleunigung mit einer einzelnen Bühne erreicht, indem er einen 2-Gramm-Ring an 5000 m/s in 1 Cm der Länge gesandt hat, aber die effizientesten modernen Designs neigen dazu, viele Stufen einzuschließen. Über 90-%-Leistungsfähigkeit wird für einige gewaltig größere Superleiten-Konzepte für den Raumstart geschätzt. Ein experimenteller 45-stufiger DARPA coilgun Mörser-Design ist mit an eine Runde geliefertem 1.6-Megajoule-KE um 22 % effizient.

Obwohl, der Herausforderung der Wettbewerbsfähigkeit gegen herkömmliche Pistolen (und manchmal railgun Alternativen) gegenüberstehend, werden coilguns für die Bewaffnung erforscht.

Das DARPA Elektromagnetische Mörser-Programm ist ein Beispiel von potenziellen Vorteilen, wenn praktische Herausforderungen wie genug niedriges Gewicht geführt werden können. Der coilgun würde ohne Rauch relativ still sein, der seine Position weggibt, obwohl eine coilgun Kugel noch einen Schallboom, wenn Überschall-, schaffen würde. Regulierbar noch kann die glatte Beschleunigung der Kugel überall im Barrel etwas höhere Geschwindigkeit mit einer vorausgesagten Reihe-Zunahme von 30 % für einen EM 120-Mm-Mörser über die herkömmliche Version der ähnlichen Länge erlauben. Ohne getrennte vorantreibende Anklagen, um zu laden, stellen sich die Forscher die Zündungsrate vor, um sich ungefähr zu verdoppeln.

2006 war ein 120-Mm-Prototyp im Bau für die Einschätzung, obwohl die Zeit vor dem Erreichen der Feldaufstellung, wenn solcher vorkommt, dann als 5 bis 10 + Jahre von Sandia Nationalen Laboratorien geschätzt wurde. 2011 wurde Entwicklung 81 Mm coilgun Mörser vorgeschlagen, um mit einer hybrid-elektrischen Version des zukünftigen Gemeinsamen Leichten Taktischen Fahrzeugs zu funktionieren.

Elektromagnetische Flugzeugskatapulte werden einschließlich zukünftiger amerikanischer Klassenflugzeugträger von Gerald R. Ford an Bord geplant. Eine experimentelle Induktion coilgun Version einer Elektromagnetischen Raketenabschussvorrichtung (EMML) ist geprüft worden, um Kriegsbeil-Raketen zu starten. Ein mit Sitz in coilgun aktives Verteidigungssystem für Zisternen ist unter der Entwicklung beim ERFOLG in China.

Potenzial von Coilgun ist als ausstreckend außer militärischen Anwendungen wahrgenommen worden. Das Herausfordern und entsprechend einem Umfang der Kapitalanlage, die wenige Entitäten sogleich finanziell unterstützen konnten, sind riesige coilguns mit der Kugel-Masse und Geschwindigkeit auf der Skala von gigajoules der kinetischen Energie (im Vergleich mit Megajoule oder weniger) bis jetzt nicht entwickelt worden, aber solcher sind als Abschussvorrichtungen vom Mond oder von der Erde vorgeschlagen worden:

• Ein ehrgeiziger innerhalb einer 1975-Studie von NASA betrachteter Mondgrundvorschlag hätte 4000 Tonnen coilgun das Senden von 10 Millionen Tonnen des Mondmaterials zu L5 zur Unterstutzung der massiven Raumkolonisation (kumulativ im Laufe Jahre eingeschlossen, ein großes 9900-Tonne-Kraftwerk verwertend).
• Eine 1992-Studie von NASA hat berechnet, dass ein 330-Tonne-Mondsuperleiten quenchgun jährlich 4400 Kugeln, jede 1.5 Tonne und größtenteils flüssige Sauerstoff-Nutzlast, mit einem relativ kleinen Betrag der Macht, 350-Kilowatt-Durchschnitts starten konnte.
• Nach NASA hat Ames geschätzt, wie man aerothermal Anforderungen für Hitzeschilder mit dem Landoberflächenstart, Sandia entspricht, den Nationale Laboratorien elektromagnetische Abschussvorrichtungen untersucht haben, um, zusätzlich zur Forschung anderer EML Anwendungen, sowohl railguns als auch coilguns zu umkreisen. 1990 wurde ein Kilometer-langer coilgun für den Start von kleinen Satelliten vorgeschlagen.
• Spätere Untersuchungen an Sandia haben eine 2005-Studie des Konzepts von StarTram für einen äußerst langen coilgun, eine als losfahrende Passagiere konzipierte Version eingeschlossen, um mit der survivable Beschleunigung zu umkreisen.

Siehe auch

• Fahrer von Massachusetts
• Elektromagnetischer Antrieb
• Edwin Fitch Northrup

Außenverbindungen

• Coilgun Information und die Galerie Project
• coilgun.info