Пушка Гаусса

Не следует путать с рельсотроном.

Иллюстрация принципа действия

Пушка Гаусса (англ. Gauss gun, Coil gun, Gauss cannon) — одна из разновидностей электромагнитного ускорителя масс. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса, заложившего основы математической теории электромагнетизма. Следует иметь в виду что данный метод ускорения масс используется в основном в любительских установках так как данный метод не являеться достачно эффективным для практической реализации. По своему принципу работы (создание бегущего магнитного поля) сходна с устройством известным как линейный двигатель

Принцип действия

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, ориентированные согласно полюсам катушки, из-за чего после прохода центра соленоида снаряд притягивается в обратном направлении, то есть тормозится. В любительских схемах иногда в качестве снаряда используют постоянный магнит так как с возникающей при этом ЭДС индукции легче бороться. Такой же эффект возникает при использовании ферромагнетиков, но выражен он не так ярко благодоря тому что снаряд лего перемагничевается (коэрцитивная сила).

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 ускоряющих катушек, 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. Стоит заметить что возможны разные aлгоритмы работы ускоряющих катушек.

Кинетическая энергия снаряда

$E={mv^{2} \over 2}$
$~m$ — масса снаряда
$~v$ — его скорость

Энергия запасаемая в конденсаторе

$E={CU^{2} \over 2}$
$~U$ — напряжение конденсатора

$~C$ — ёмкость конденсатора

Время разряда конденсаторов

Это время за которое конденсатор полностью разряжается. Оно равно четверти периода:
$~T={\pi {\sqrt {LC}} \over 2}$
$~L$ — индуктивность
$~C$ — ёмкость

Время работы катушки индуктивности

Это время за которое ЭДС катушки индуктивности возрастает до максимального значения (полный разряд конденсатора) и полностью падает до 0. Оно равно верхнему полупериоду синусоиды.
$~T=\pi {\sqrt {LC}}$
$~L$ — индуктивность
$~C$ — ёмкость

Применение

Устройства, основанные на данном принципе, практически не могут применяться в качестве оружия .

Также теоретически возможно применение пушек Гаусса для запуска лёгких спутников на орбиту.

Основное применение — любительские установки, демонстрация свойств ферромагнетиков.

Так же достаточно активно используется в качестве детской игрушки или развивающей техническое творчество самодельной установки(простота и относительная безопасность).

Преимущества и недостатки

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, больша́я надежность и теоритически износостойкость, а также возможность работы в любых условиях, в том числе в космическом пространстве.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту пушки Гаусса, использование её в качестве оружия сопряжено с серьёзными трудностями.

Первая и основная трудность — низкий КПД установки. Лишь 1-7 % 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 %. В основном в любительских установках энергия запасенная ввиде магнитного поля никак не используется, а явлется причиной использования мощных ключей (часто применят доступные IGBT модули) для размыкания катушки (правило Ленца).

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

Третья трудность (следует из первых двух) — большой вес и габариты установки при её низкой эффективности.

Четвёртая трудность — достаточно длительное время накопительной перезарядки конденсаторов, что заставляет вместе с пушкой Гаусса носить и источник питания (как правило, мощную аккумуляторную батарею), а также высокая их стоимость. Можно теоритически увеличить эффективность, если использовать сверхпроводящие соленоиды, однако это потребует мощной системы охлаждения, что приносит дополнителные проблемы, и серьёзно повлияет на область применения установки.

В условиях водной среды применение пушки без защитного кожуха также серьезно ограничено — дистанционной индукции тока достаточно, чтобы раствор солей диссоциировал на кожухе на сверхкороткое время с образованием агрессивных (растворяющих) сред что требует дополнителного магнитного экранирования.

Таким образом, на сегодняшний день у пушки Гаусса нет перспектив в качестве оружия так как значительно уступает другим видам стрелкового оружия и врядли перспективы появятся в будующем так как не может составить конкуренцию установкам работающим на других принципах. Теоритически перспективы возможны лишь в будущем, если будут созданы компактные и мощные источники электрического тока и высокотемпературные сверхпроводники (200—300К). Однако, установка подобная пушке Гаусса может использоваться в космическом пространстве, так как в условиях вакуума и невесомости многие недостатки подобных установок нивелируются. В частности, в военных программах СССР и США рассматривалась возможность использования установок подобных пушке Гаусса на орбитальных спутниках для поражения других космических аппаратов (снарядами с большим количеством мелких поражающих деталей) или объектов на земной поверхности.

В литературе

Довольно часто в литературе научно-фантастического жанра упоминается пушка Гаусса. Она выступает там в роли высокоточного смертоносного оружия. Примером такого литературного произведения являются книги из серии «S.T.A.L.K.E.R.», потому что они были написаны по играм S.T.A.L.K.E.R., где Гаусс-пушка была одним из мощнейших видов оружия. Но первым в научной фантастике пушку Гаусса воплотил в реальность Гарри Гаррисон в своей книге «Месть Стальной Крысы». Цитата из книги: «Каждый имел при себе гауссовку — многоцелевое и особо смертоносное оружие. Его мощные батареи накапливали впечатляющий заряд. Когда нажимали на спуск, в стволе генерировалось сильное магнитное поле, разгоняющее снаряд до скорости, не уступающей скорости снаряда любого другого оружия с реактивными патронами. Но гауссовка имела то превосходство, что обладала более высокой скорострельностью, была абсолютно бесшумной и стреляла любыми снарядами, от отравленных иголок до разрывных пуль.»

В компьютерных играх

• В игре S.T.A.L.K.E.R. гаусс-пушка имеет огромную мощность и медленно перезаряжается. Она работает на батареях, которые используют энергию артефакта «Вспышка». В игре «S.T.A.L.K.E.R Зов Припяти» под аномалией «Железный лес» есть помещение, где стоит огромная пушка Гаусса.

• В «Half-Life» гаусс-пушка — экспериментальное оружие, впервые появляющееся в главе «Сомнительная этика». Её можно найти на втором этаже лаборатории биологических исследований. Если игрок решает не брать её в исследовательской лаборатории, он может получить её на складе снабжения реактора в конце главы «Ядро Лямбды».

• В «StarCraft» пехотинцы вооружены автоматической винтовкой Гаусса C-14 «Impaler». Призраки также имеют винтовки C-10, которые называются «Картечные винтовки».

• В «Crysis» винтовка Гаусса представляюет собой снайперское оружие, наносящее максимальный урон.

• В «Fallout 2» винтовка Гаусса является самым мощным оружием с высокой дальностью стрельбы, почти не уступающей снайперским винтовкам.

• В «Fallout 3» и в «Fallout New Vegas» винтовка Гаусса — энергетическая снайперская винтовка, оснащённая оптическим прицелом и отличающаяся высокой эффективностью на средних и больших дистанциях. Наносит очень большой урон.

• В «Fallout Tactics» есть три вида оружия, являющихся гаусс-пушками. Во-первых, это Гаусс-пистолет — самый мощный пистолет в игре, обладающий слабым уроном, но высокими, в сравнении с другими пистолетами, бронебойными характеристиками и прицельной дальностью. Гаусс-винтовка обладает снайперской дальностью и хорошим уроном — это один из немногих видов оружия, могущих убить противника с одного выстрела (если противник не робот и не супермутант). Это самое мощное оружие из класса Small Guns («Маленькие пушки»). Четырёхствольный Гаусс-пулемёт — убойное автоматическое оружие, являющееся самым мощным пулемётом в игре. Всё это оружие использует двухмиллиметровые безгильзовые патроны. Дополнительных источников электроэнергии не требуют.

• В игре UFO (Terror from the Deep) орудие Гаусса является одной из первых разработок для уничтожения инопланетян под водой.

См. также

• Рельсотрон

Ссылки

• Выстрел в будущее: Пушка Гаусса своими руками
• Видеоролик. Пушка Гаусса в игре S.T.A.L.K.E.R., в игре Fallout 2 и самодельная реальная пушка Гаусса
• Coilgun systems
• Another Coilgun Site — Single/Multiple and portable coilguns
• Coil gun на HV-wiki
• Coilgun.ru
• Gauss2k
• Оружие будущего
• Теория индукционного ускорения (не Гаусс, а Томпсоган)
• США тестируют электромагнитную пушку
• «Месть крысы из нержавеющей стали»
• «Российская Империя. Гаусс-пушка. Исследования.»