Railgun

Dnes jsme na kroužku fyziky zkoušeli railgun. Základem konstrukce je 3D výtisk dle obrázku. (zdrojový kód)

Výsledek vypadá takto:

Kondenzátory jsou 3 ks nízkoimpedanční 6m8/250V z TME. Projektily mají protažen kus licny 1,5 mm2. Sepnutí je provedeno úderem na zkřížené dráty.

Projektil se předem zasune cca do středu urychlovací oblasti. Po zapnutí prochází možná až 50 kA, dosažená rychlost 30-60 m/s. Část rychlosti je získána magneticky, ale většina nejspíš elektrotermálně. Po výstřelu zůstane nabito asi 100 V.

Výstřel:

videa (480 FPS):
video1
video2

Pokračování

Protože se vyskytly četné dotazy ohledně konstrukce, přidávám foto vnitřku railgunu i projektilu:

Projektil před a po, hmotnost asi 1 g:

Railgun již notně opoužívaný:

Pokračování

Byl proveden upgrade. Přibyly další 3 kondenzátory, takže akumulovaná energie dosáhla cca 1,2 kJ, původní dráty byly nahrazeny pásky, takže klesl odpor i indukčnost. V této sérii pokusů není žádný externí spínací prvek, zapnutí nastává zasunutím projektilu na začátek aktivní oblasti. Výhodou je, že odpadnou značné spínací ztráty.

Bohužel tak urychlování nenastává mezi rovnoběžnými vodiči, ale v konfiguraci V, takže větší proud nevede k silnějšímu poli v místě projektilu. Výsledky jsou velmi stabilní, ale nic moc. Rychost vždy těsně kolem 50 m/s. Konečné napětí těsně přes 70 V.

Abychom mohli lépe měřit rychlost, střílelo se podél desky s pruhy po 20 cm:

Zjištění rychlosti ale není snadné, projektil není moc vidět:

Efekt je opravdu velmi hlučný, proto je dobré otevřít okno i dveře a zacpat si uši. Railgun se vždy utrhne z místa svého uchycení (na některých videích jsou vidět letící kousky pásky, kterou rozcupoval) a nakloní se nahoru. V té době už v něm projektil není, dráha je tedy vodorovná.

Další videa (480 FPS):
video1
video2
video3

Poznámka: Videa jsou krátká a mají malé rozlišení, proto se nehodí k běžným způsobům přehrávání, spíše k prohlížení po frejmech. Doporučuji použít přehrávač k tomu vhodný, např. Media player Classic, nebo jeho novější obdobu MPC HC. Pro přehrávání si okno zvěčte na max 1/4 velikosti monitoru, fullscreen použijte jedině na mobilu, nebo hodně malinkém tabletu:-)

Pokračování

Jak jste si mohli všimnout na obrázku z předchozího upgradu, pásky vypadají poněkud pokrouceně. Při každém výstřelu se kroutí působením elektrodynamických sil, které je odpuzují od sebe. Proto byl další upgrade, kde byly vývody pevně fixovány. Při té příležitosti se také ukázalo, že se prakticky všech 12 šroubků ve svokrovnicích povolilo.

Diskuse na toto téma vedla ke vzniku této stránky s výpočty a následně i komunikaci s profesorem Kulhánkem, jehož příkladu je v textu využito. Výsledkem bylo, že si výstřel mohla vychutnat i veřejnost na Fyzikálním čtvrtku 19.12.2019. Neobešlo se to bez komplikací, protože krátce před konáním se ukázalo, že se railgun po posledním výstřelu již poněkud rozpadá. Nový se dotisknul 20 minut před začátkem, sestavení skončilo chvíli po začátku. Naštěstí byl tento pokus plánován do času ještě o desítky minut později.
Za zmínku stojí též diplomová práce na toto téma.

Pokračování

Byl proveden další pokus, tentokrát s projektilem zasunutým těsně před optimální pozici a izolovaným kouskem papíru. Vzhledem ke slabšímu osvětlení nebyl na videu vidět ani náznak projektilu, takže rychlost neznáma. Další pokus komplikuje fakt, že v hlavni tentokrát nejsou jen drobné kousky, které by šly snadno vyškrábnout...

Detail

Aby to nerušilo sousedy, byl pokus zakryt složeným ručníkem. S klapkami na uších jsem se nedozvěděl, jak moc to pomohlo, druhá věc je, co na to řekne pračka:-)

Bylo provedeno měření průběhu vybíjení kondenzátorů z 250 V zkratem přiložením lžíce na konce 8 cm dlouhých drátů 1,5 mm2. Na obou obrázcích je 50 V/div, vlevo 50 µs/div, vpravo 250. Na levém obrázku chybí začátek, to je daň za levný osciloskop. Při nabití pod 100 V se lžíce spolehlivě přivaří, vyšší napětí vedou ke značné odpudivé síle, takže se vybíjení zastaví při 100-150 V.

Začátek vypadá, že je téměř přesně 45°, což při dílcích 50 V a 50 µs vede na 1 V/µs, při 40 mF tedy 40 kA. V čase 250-450 µs je cca 4x méně, tedy 10 kA.

16 cm drátu 1,5 mm2 má při měrném odporu 17 výsledný odpor 2,72 mOhm a při 40 kA je na něm něco přes 100 V. To je 40 % celkového napětí. Při 10 kA je úbytek jen 25 V a z tehdejších cca 125 V je to 20 %.

Zajímavá otázka je, jaký úbytek je na nerezové lžíci a dvou výbojích.

Při 1 A je měrná síla mezi vodiči (stejná délka i vzdálenost) ze staré definice Ampéru přesně 0,2 µN. Při 40 kA je 40² a k² krát větší, tedy 1600*0,2=320 N. O pár set µs později, při 10 kA je to již jen 20 N. Původně rovnoběžné vodiče to za tu chviličku zvládne ohnout do O. Jestli jste někdy neúspěšně zkoušeli učebnicový pokus se silou mezi rovnoběžnými vodiči, už víte jak na to:-)