Coilgun - elektromagnetická puška

(Pulsní urychlovač feromagnetických projektilů) Radim Laga, student gymnázia v Uherském brodě, se ve volném čase věnuje vědě a technice. Pro soutěž Expo Science AMAVET 2009, ve které obsadil v národním finále 6. místo s právem účasti na mezinárodní studentské soutěži I-SWEEP 2010 v USA, sestrojil funkční Elektromagnetický pulsní urychlovač feromagnetických projektilů. O poznatky ze své práce se podělil s čtenáři 3pólu.

Co bylo cílem tvého projektu?
Hlavním cílem bylo otestovat materiály pro výrobu projektilu, jeho stabilizaci mimo hlaveň a ověření různých zapojení urychlovacích cívek. Druhým cílem bylo sestavení experimentálně-demonstračního třístupňového modelu, na kterém by se daly provádět i další experimenty.

Jak to funguje?
Zařízení, které jsem sestrojil, je založeno na principu lineárního urychlovače. Skládá se z elektromagnetické cívky, kondenzátoru, spínače, hlavně a pohyblivého jádra – projektilu. V kondenzátoru se postupně nahromadí určité množství energie, které se pak v co nejkratším čase uvolní do cívky. Tím se dosáhne obrovského potenciálu. Vzniklé magnetické pole, které se uvnitř cívky vybudí, vtáhne feromagnetický projektil dovnitř. Po přerušení proudu pak projektil již letí sám svou setrvačností ven z hlavně.
Celý děj lze rozdělit na tři fáze (viz obr. 1). V první fázi je projektil přitahován do středu cívky (akceleruje v závislosti na změně B v prostředí). V druhé fázi je již ve středu a není dále akcelerován. Projektil už letí svou vlastní setrvačností ven z cívky, avšak je brzděn magnetickou silou (fáze 3). Proto je vhodné ve chvíli, kdy projektil dosáhne střed cívky, proud do cívky vypnout (nebo o něco dřív vzhledem k tomu, že magnetické pole bude v cívce zanikat pomalu).
Kinetická energie je ve srovnání s pistolemi ráže 9 mm (~ 500 J) poměrně malá, avšak tato zbraň má mnohé výhody. Můžeme dosáhnout obrovských rychlostí, řádově km/s. Další nespornou výhodou je diskrétní střelba, při výstřelu není vidět žádný záblesk a ani nic slyšet.

V urychlovači jsou v provozu celkem tři urychlovací cívky. Pro zajímavost jsou na obr. 3 uvedeny jednotlivé údaje z výstřelu u jednotlivých stupňů. Z grafu lze vyčíst, že opravdu jde o lineární urychlovač. Pokud by se přidaly další cívky nebo se zvýšila dosavadní energie, která je dodávána do urychlovacích cívek, tak by bylo možné výslednou úsťovou rychlost ještě mnohem zvýšit.

Jak to šlo
Celý urychlovač byl postaven z komerčně dostupných součástek, z poloviny rozestavěný model je na obr. 2.
Při vývoji bylo zničeno několik spínacích prvků a desítky citlivých polovodičů, ale nakonec se podařilo celé zařízení dostavět do funkční podoby.

Nejproblematičtější z celého projektu byl vývoj měniče pro nabíjení kondenzátorů. Protože jsem v této oblasti neměl téměř žádné zkušenosti, trvalo mi půl roku najít vyhovující typ měniče. Právě při hledání tohoto optimálního měniče jsem zničil asi nejvíce spínacích tranzistorů.

Naopak nejrychlejší (což mě osobně překvapilo) byla práce s grafickým displejem (obr. 7), který slouží k vykreslování aktuálního stavu celého zařízení, např. nabití kondenzátorů, stavu baterie, teploty cívek aj.
Jednou se mi podařilo omylem prohodit napájecí větve pro nabíjení kondenzátorů (350 V) a napájení logiky (5 V). Efekt to byl vskutku vydařený, všechny křemíkové čipy vystřelily ze svých pouzder, měděné spoje na deskách se vypařily a tantalové kondenzátory se doslova obtiskly na stůl. Největší smůlou bylo, že se to stalo čtyři dny před celostátní přehlídkou EXPO SCIENCE AMAVET, takže následující dny byly plné oprav. Nakonec ale nehoda přinesla i svá pozitiva – během oprav jsem vylepšil budicí stupně a dovedl je téměř k dokonalosti.

Největší zážitek
Největší zážitek mi přinesl první výstřel se všemi třemi urychlovacími stupni. Protože výstupní energii lze regulovat, zkusil jsem hned napoprvé vystřelit na maximální možný výkon. Výsledek byl ohromující. Dráty v primárním obvodu sebou (vlivem velkého proudu) patřičně pohnuly až tak, že se málem uvolnily ze svorkovnic. Následoval dopad projektilu do zachytávače střel. Bohužel jsem zapomněl, že tato zábrana nebyla navrhnuta na ocelový projektil (obr. 5), který hravě proletěl jednou stěnou a skončil zabodnutý ve zdi laboratoře. Jelikož byly slyšet pouze dvě rány (průlet zachytávačem a náraz do zdi), byl výsledek testovacího výstřelu opravdu velmi působivý.

K čemu taková zbraň bude?
Model váží přibližně 16 kg, není to tedy žádný drobeček a pokud by se podobné zbraně nasadily vojákům, musely by se mnohem zmenšit a odlehčit. Prodleva mezi jednotlivými výstřely je 30 sekund, protože se musí počkat než se z vestavěného 12 V olověného akumulátoru nabijí kondenzátory na použitelných 350 V.

Pokud bych měl k něčemu přirovnat elektromagnetickou a klasickou střelnou zbraň, pak je to něco jako benzínový automobil vs. elektromobil.

Tato technologie má nepochybně budoucnost, i když zatím pár desítek let vzdálenou. Využití lze hledat ve velkých tankových kanónech, popř. obřích dělech pro dělostřelectvo nebo námořnictvo. Tato potenciální zbraň by v menším provedení mohla díky jejímu minimálnímu hluku sloužit i jako diskrétní ostřelovací puška. No nebylo by to skvělé střílet tak, aniž by si vás někdo všimnul?
Ale uvažujme raději o mírovém využití: např. vybudování sítě děl (třeba orbitálních), která by byla schopna ničit nebezpečná vesmírná tělesa ohrožující svým kolizním kurzem bezpečnost planety Země.
Závěrem bych rád poděkoval svým odborným poradcům a sponzorům z České zbrojovky, Slováckých strojíren a společností Polovodiče, a. s., Mesit PCB a Kastek komponenty.

• Průměr projektilu: 6,75 mm
  
• Délka špičky: 5 mm
  
• Délka projektilu: 51 mm
  
• Hmotnost projektilu: 12,3 g
  
• Úsťová rychlost: 90,5 m/s
  
• Kinetická energie: 50 J
  
• Účinnost: 4,75 %

• Byly otestovány jednotlivé typy zapojení urychlovacích cívek a byla vybrána ta konfigurace, při které je úsťová rychlost projektilu nejvyšší.
  
• Stejný postup následoval i při vybírání materiálu pro projektil. Byly použity projektily různých tvarů a materiálů.
  
• Jediným výstupním parametrem byla rychlost, od které se odvíjí i kinetická energie projektilu (čím vyšší rychlost, tím lépe). Rekordní rychlost projektilu s hmotností 13,7 g, které bylo dosaženo, je 90,3 m/s, což odpovídá přibližně 56 J kinetické energie (80 J se již pokládá za smrtící pro kinetické zbraně).
  
• Projektily na bázi slitiny polyamidu s železem nepřinesly dobré výsledky, protože z technologického hlediska nebylo možné dosáhnout dostatečně velké koncentrace železa v polyamidu (prakticky bylo dosaženo pouze 14 % Fe, protože lisovací stroj nedokázal protlačit více železa skrze trysku do formy).
  
• Efektivně se podařilo zvýšit celkovou účinnost urychlovače jednotlivými modifikacemi. Nejvyšší účinnost, která byla dosažena, je 4,75 %, což je v porovnání s počátečními experimenty, kdy účinnost dosahovala pouhých 0,74 %, velký úspěch. (Současné „klasické“ urychlovače dosahují malých účinností obvykle pod 1 %.)