Моя первая статья. Я не вдавался в тонкости схемотехники и остальной тех. информации, однако постарался максимально подробно рассказать об этом устройстве более‑менее понятным языком. Возможно вы заметите где‑то недочеты, режущие глаз, буду рад выслушать конструктивную критику, приятного прочтения!

Ускоритель в сборе

Разработку этого аппарата я производил в 10–11 классах. Знаний в теме электромагнитных ускорителей на тот момент (да и сейчас) у меня было не очень то и много, однако их хватило для создания ускорителя с пятью разгонными катушками.

Начнем разбор основных компонентов по порядку:

АКБ — питающими элементами служат 3 Li‑Ion аккумулятора формата 18650, которые обеспечивают напряжение в районе 12 Вольт, а также они способны отдать ток порядка 10 Ампер, что вполне достаточно для питания повышающего преобразователя напряжения.

Преобразователь напряжения — на нем следовало бы остановиться подробнее. Для обеспечения достаточно быстрого заряда конденсаторной батареи до напряжения порядка 400 Вольт необходим преобразователь соответствующей мощности. За основу я выбрал распространенную схему ZVS‑драйвера, при которой ключи, коммутирующие первичную обмотку трансформатора, должны переключаться при нулевом напряжении на их стоках, что должно снизить потери на нагрев транзисторов.

Преобразователь напряжения

В схеме я предусмотрел обратную связь по напряжению на компараторе LM393: После достижения на конденсаторе заданного значения напряжения затворы транзисторов подтягиваются к земле, преобразователь останавливает свою работу и по завершению гистерезиса снова поднимает напряжение до заданного уровня.

По итого этот конвертер выдавал мощность порядка 60 Ватт с КПД в районе 84%. Транзисторы хоть и грелись, но для экономии места я не стал ставить на них радиаторы.

Конденсаторная батарея — состоит из 7 конденсаторов с максимальным напряжением 400 Вольт и емкостью 470 мкФ каждый (на самом деле емкость конденсаторов меньше заявленной и составляет в среднем 390 мкФ). Все конденсаторы были размещены на печатной плате с очень толстыми дорожками, с большим количеством припоя на них (поскольку ток в цепи может превышать 600 Ампер!).

Конденсаторная батарея

На 1-ю и 2-ю катушки по два конденсатора, спаянных в параллель, на последующие — по одному. Также на плате присутствуют диоды, предназначенные для разделения каждого конденсатора во время их разряда.

Датчики положения снаряда — предназначены для коммутации каждой из катушек в тот момент времени, когда снаряд только приближается к торцу соленоида. Датчики представляют собой ИК светодиод и фотодиод, смотрящие друг на друга через отверстие в стволе. При прохождении снаряда через датчик световой поток перекрывается, вследствие чего открывается тиристор, коммутирующий обмотку.

Схема датчика положения снаряда

Размещение датчика на стволе

Сборка из четырёх датчиков

Для удобства вытравил простую платку, которая представляет собой сборку из четырёх датчиков (на все ступени, кроме 1-й). Резистор R1 необходимо ставить в соответствии с питающим напряжением (в моем случае 510 Ом), а резистором R2 уже можно регулировать чувствительность срабатывания (я оставил 10 кОм).

Тиристоры — 5 штук оригинальных 40TPS12A, которые в импульсном режиме должны выдерживать ток больше 1000 Ампер. Как показала практика, дешевые китайские тиристоры чаще всего попадаются поддельные и вылетают при первом же включении. Лучше на них не экономить...

Собственно сам разгонный блок. Представляет собой карбоновую трубку с внутренним диаметром 6 мм и толщиной стенки 0.5 мм с намотанными на ней катушками.

Разгонный блок

Каждая из катушек рассчитана с помощью программы Femm 4.2 и подогнана под свой конкретный конденсатор (или сборку конденсаторов на первых двух ступенях). В настоящее время нашлись умельцы, которые доработали скрипты для расчета электромагнитных ускорителей, в которых автоматизирован процесс перебора параметров катушки, что очень сильно сокращает время выявления оптимальных параметров. Найти их можно в интернете в открытом доступе. К сожалению, параметры каждой из катушек я не сохранил... Однако не думаю что они представляют большую ценность, ведь у каждого, кто делает такие ускорители будет индивидуальный набор компонентов.

Для каждой из катушек, а также для каждого датчика были напечатаны каркасы на 3Д принтере и зафиксированы эпоксидной смолой на стволе. Каждая из катушек была намотана вручную, с промазкой каждого слоя смолой. Блок установлен на пластиковые крепления и накрыт защитной крышкой.

И еще пару слов про монтаж всех деталей. Все компоненты я закрепил на толстом куске фанеры на саморезы. Для управления смоделировал и напечатал небольшую панель с кнопками заряда и инициации выстрела, а также индикаторными светодиодами. Все силовые провода старался брать как можно толще для уменьшения потерь и повышения эффективности всей этой установки.

Испытания

Стрельба производилась отрезками гвоздей 6×30 мм с заостренным концом, по итогу КПД ускорителя составило чуть больше 4%, что не является невероятным результатом, но как мне кажется, и довольно‑таки неплохо! Скорость вылета снаряда находилась в районе 52м/c. Все эти показатели замерялись с использованием китайского хронографа, который прожил у меня не очень долго (один из снарядов прошел его насквозь...).

Также выложил на YouTube испытание сего чуда:

Показатели скорости (кинетическая энергия не действительная)

Спасибо вам за прочтение моей статьи! Как уже говорил, это моя первая публикация на Хабре, надеюсь на вашу обратную связь с вашими пожеланиями!