Cañón de plasma.

 Introducción al proyecto:

 Esta página ya no se actualiza. La investigación PowerLabs Rail pistola se continuó en la nueva página PowerLabs Rail Pistola 2,0 (haga clic en el enlace que deben adoptarse para esa página).

El PowerLabs Lineal electromagnética acelerador (" Rail pistola " , o "Railgun" ) proyecto de investigación comenzó oficialmente el 21 de febrero de 2001, cuando Sam Parler, director de investigación de Cornell Dubilier Electronics (CDE) , envió un correo electrónico me elogiándome para mis experimentos con los condensadores electrolíticos . Los experimentos que se refería a todos los involucrados descargar dichos condensadores a tasas muy altas para producir campos magnéticos intensos para la deformación hiperplásico en metálico como en el estado sólido PL Can Crusher página y también acelerar objetos metálicos por medio de cualquiera de inducción de corrientes parásitas y posterior repulsión como en el PL disco tirador , o por la atracción ferromagnética que en tanto el arma sola etapa gauss y losaceleradores lineales magnéticos escenario de múltiples páginas. Sr. Parler preguntó si tenía algún proyecto de futuro en mente, ofrece a que su compañía me patrocine una nueva batería de condensadores (en este momento me había mudado recientemente a la universidad y sea desechado o abandonado en el almacenamiento de todas mis piezas y equipos). Esta era una oferta que no podía rechazar: a pesar de lo largo de los años había intentado casi todos los experimentos que se me ocurrió con los bancos de condensadores, mis intentos anteriores de construcción de ferrocarril de Guns nunca fueron un gran éxito: que, o bien soldar el proyectil a los rieles, o golpe aparte de la presión del plasma; nunca producir fuerza suficiente para disparar un proyectil.Sin embargo, todavía creía que una batería de condensadores más grandes me permitiría producir una fuerza lo suficientemente fuerte Lorenz para acelerar una armadura de metal antes de convertirse en soldado sobre los rieles.  Sobre su e-mail al Sr. Parler menciona algunas pruebas que realizó para CDE donde las corrientes tan alto como 40Kiloamperes se obtuvieron de un solo condensador electrolítico. Me pareció muy impresionante y se dio cuenta rápidamente que una batería de condensadores construido a partir de dichos condensadores podría funcionar tan bien como cualquier otro condensador de impulsos, y como tal suministrar suficiente potencia para acelerar el éxito de una armadura de metal en un diseño de acelerador lineal . 

 Dicha batería de condensadores haría, sin embargo, estar bien fuera de mi presupuesto de estudiante universitario. Sr. Parler no sólo me ayudó a diseñar una batería de condensadores que encajaría mi petición: 3.2kV, 16000Joules (esto fue en realidad más del doble de energía que estaba esperando!), Y la capacidad de entregar un impulso de corriente de hasta 100thousand amperios , sino que también había CDEpagar todos los costos del banco, el hardware y el envío. No le puedo agradecer y CDE suficiente para él! 

 Con un diseño preliminar y una batería de condensadores para alimentarlo presenté una propuesta de investigación para mi consejero departamental del departamento de Mecánica Ingeniería Mecánica / Ingeniería de la Universidad Tecnológica de Michigan. Él arregló para mí trabajar en el Laboratorio de Propulsión Avanzada bajo la supervisión del Dr. Brad King. El arma fue construido durante el verano de 2002 (mi primer verano en la universidad, todavía como estudiantes de primer año), en 150 horas de trabajo de la tienda de máquina y se disparó primero el 19 de octubre de 2002 a las resonancias de Investigación durante el Wisconsin Dells Teslathon. Ha sido a través de varias mejoras y ha disparado varias veces desde entonces, incluyendo tiroteos televisados ​​para TV6 y el Discovery Channel, así como de haber sido presentado en 2 artículos de prensa en los periódicos locales de Michigan. 

 En 2004 el arma, actualmente ubicado en la Universidad Tecnológica de Michigan Dinámica de laboratorio de investigación, ha sido desmantelado y actualmente está siendo reemplazado por un nuevo diseño mejorado enormemente,, El Carril pistola 2.0 ...

 Descripción y objetivos del proyecto:

El objetivo principal de este proyecto fue diseñar y construir un acelerador electromagnético lineal utilizando fuerzas de Lorenz de un alto impulso eléctrico de magnitud para propulsar un inducido por dos rieles conductores paralelos con éxito. Una simple representación gráfica del efecto que se ve en la imagen a la izquierda , la corriente fluye hasta el ferrocarril, a través de la armadura que se desplaza perpendicular a los carriles, y por el otro carril. El resultado es un campo magnético entre los dos carriles ( B = 2x (u0/2pi) x (I / R)) y un campo de interceptar por la armadura. Los raíles se repelen entre sí (F = u0I1I2L/2piR) un ND de ambos repelen el inducido ( F = I L B). Desde carriles se fija tanto el resultado neto es una fuerza de propulsión sobre la armadura, que se aceleró hacia adelante por electromagnético medios ( A =ILB / M) . Esto difiere de los convencionales de masas aceleradores en que ningún gas se utilizan, y se diferencia de los aceleradores electromagnéticos convencionales en que las pruebas de campo detrás del proyectil en todo momento; acoplamiento ya no se utilizan bobinas se produce en un grado mucho mayor y los valores de eficiencia tendería a ser mayor. Las velocidades potenciales alcanzables también pueden ser mucho más alto.  La fuerza de aceleración entre los raíles y armadura depende del campo magnético presente (que a su vez es un producto de la distancia de separación carril y la corriente a través de los carriles) y en el área de actos este campo sobre. Con el fin parámetros óptimos para la aceleración a ser maximizadas deben ser elegidos para todas estas variables (y otros que se mencionarán más adelante). La distancia de separación de ferrocarril se fijó en dos veces el umbral de fallo eléctrico en el aire a la tensión de alimentación pico suponiendo seco a STP aire; 6mm. El margen de seguridad 2x fue elegido debido a consideraciones de fuga dieléctricas. En lo que se refiere a la corriente de impulsos, se puede observar que para que una alta aceleración que se produzca, corrientes muy altas deben ser empleados, que a su vez requiere un alto voltaje de manera que la impedancia del circuito puede ser superada y la corriente requerida se puede lograr . El diseño final es una serie de compensaciones donde voltajes más altos traen corrientes más altas, pero a costa de una mayor distancia de separación del carril. Un diseño típico utiliza alrededor de 4 - 10 kV, con tensiones superiores que se utilizan a altas energías. Este diseño particular requiere un pulso 100kiloampere que deben llevarse a cabo en 3.2kV. Buena parte de los muchos intentos Rail Gun aficionados visto en Internet fracasó porque sus fuentes de alimentación eran simplemente incapaces de suministrar la corriente requerida; diseños de investigación, incluso militar "pequeño" y emplean a corrientes en el rango 300kA +, con algunas de las armas más grandes repasando 5 millones de amperios por pulso. La aceleración cae rápidamente con corrientes más bajas y en un cierto punto de arrastre llega a ser mayor que la aceleración de la fuerza y el proyectil se convierte en soldada por el calentamiento resistivo que se produce.Sin embargo, al mismo tiempo, una corriente muy alta causará erosión ferrocarril y resistivas pérdidas dramáticas. Una vez que el objetivo de acelerar con éxito la armadura se logró el dispositivo fue entonces está bien afinado para una máxima eficiencia para que pueda ser utilizado como una plataforma para la investigación de la siguientes aspectos de la aceleración electromagnética: 1 - Rail Erosión:

Este es actualmente el mayor problema que frena la aplicación de aceleradores lineales electromagnéticos: Las corrientes muy altas empleadas para acelerar la armadura deben fluir a través de parches de contacto muy pequeñas, que a menudo Arco y disipar una gran parte de la energía disponible. El calentamiento por resistencia que se produce rápidamente se eleva la temperatura de la superficie y por encima del punto de vaporización de cualquier metal, causando una erosión. Mediante el estudio de la erosión producida bajo diferentes condiciones, se espera que una solución será encontrada para maximizar la duración de ferrocarril (armaduras de plasma, diferentes composiciones de la armadura, grasas conductoras, revestimientos, pulsos de corriente más bajos, son algunas de las opciones que se barajan). 2 - Condensador La esperanza de vida bancaria: En caso de un fallo de un condensador se produce probablemente será debido a las fuerzas magnéticas en el condensador causando conexiones a lágrima físicamente debido al movimiento mecánico, en este caso se debe determinar a qué corriente esto ocurre de modo que un límite práctico para el poder rendimiento de alimentación puede ser determinado (3 condensadores de recambio están disponibles en caso de fallas individuales).  Además, se espera que la capacitancia de los condensadores a aumentar debido a la anodización cátodo (un fenómeno sólo es común a los condensadores electrolíticos sometidos a tensión reversiones), y su ESR por consiguiente, aumentará debido a la disolución del gas de hidrógeno resultante en el electrolito. Esto será analizado a través de ondas de corriente.

Suministro y formación de impulsos:

La fuente de alimentación se compone de 32 Cornell-Dubilier Condensadores Inversor grado, cada uno valorado en 6300uF y 400V (450V) de sobretensiones.Temperatura de funcionamiento es de-40C a +95 C. Estos condensadores utilizan la última tecnología en la construcción de condensador electrolítico para almacenar 640J cada uno en una lata que mide sólo 3 "de diámetro x 5.63" de largo y 900grams ponderación cada uno. Para ponerlo en perspectiva, es decir 40 veces la cantidad de energía que se necesita para electrocutar a un ser humano en un paquete del tamaño de una cola puede! Los condensadores están montados en 8 bancos sub cableadas en serie, cada banco contiene 4 condensadores en paralelo, para una calificación total de nominal 3200V, carga pico 3.6kV y 3088.3uF (medida) de capacidad. La energía almacenada (1/2CV ^ 2) es, por tanto nominal 16kJ, 20kJ a cargo de pico (véase el gráfico). Cada condensador individuo tiene una resistencia de alambre enrollado 50KOhm 10W para la ecualización de carga y también para servir como purga para evitar la acumulación de carga no deseada cuando se apaga la cámara. Se carga a través de una resistencia limitadora de corriente 900Ohm y pueden ser dados de alta de manera segura a través de un banco de resistencias 6.25kOhm montado en el interior del banco. El banco de condensadores tiene una resistencia interna medida (ESR) de 14.7mOhms y una inductancia interna (ESL) de aproximadamente 1uH. Los bancos sub fueron diseñados utilizando un programa de algoritmo genético que coincide con todos los valores de capacitancia medida individual de tal manera que la capacitancia total sólo varía en un 0,02% de la capacidad total promedio entre cada banco sub. El actual diseño es 100 kA del banco, es decir, 25kA por condensador, con una longitud de pulso mínimo teórico calculado en 56uS, dando el pulso una frecuencia equivalente de aproximadamente (1s / (56uSx2)) 9KHZ, lo que implica que la corriente sólo fluirá en el exterior (66/sqrt9000) = 0,7 mm de las interrelaciones barras de conexión de cobre debido al efecto de la piel. Con el fin de contrarrestar el efecto de la piel pérdidas relacionadas a los condensadores están interconectados por área de superficie muy grande (30 pulg ^ 2) libre de oxígeno tiras de cobre cada 0,064 "de grosor (1,6 mm) . La longitud del pulso real del banco se midió a 63.4uS. El banco está actualmente equipado con una

Los raíles se componen de dos 33.5cm longitud de 6 mm de espesor, de 3 cm de ancho (12x.25x1.76 ") chapado en plata de cobre libre de oxígeno. Esta longitud fue elegido para mantener la resistencia y el costo a un mínimo mientras que todavía permite cierta flexibilidad en la prolongación del impulso eléctrico .  Actualmente, el tren de armas es un diseño "Hot Rail";. IE los actos de la armadura como el interruptor de alimentación cuando se reúna los rieles energizados Por eso, los dos primeros centímetros de los rieles se muele hasta 1/31th de una pulgada y cubierto por un compuesto de teflón con fibra de vidrio que aísla los rieles del proyectil con el fin de garantizar un campo magnético estable detrás de él una vez de conmutación de potencia se lleva a cabo. 

Los carriles se mantienen unidos uno en la parte superior de los demás (lados anchos que se enfrentan, a fin de maximizar el contacto área y el campo magnético de interacción con el inducido, mientras que al mismo tiempo reducir al mínimo la resistencia de contacto) por un G-9 (garolita / Melanita impregnado inter tejida de fibra de vidrio) recinto de material compuesto utilizando espaciadores de teflón de grado vírgenes para mantenerlos paralelos entre sí a una distancia de 6 mm .G-9 fue elegido por su excepcional fuerza de tracción (68KSI) y las propiedades aislantes.Espaciadores de teflón se eligieron debido a que el material de alta resistencia térmica ( una de las temperaturas más altas de trabajo de cualquier polímero disponibles comercialmente ) y bajo coeficiente de fricción (el más bajo conocido por el hombre). La fuerza de tracción máxima esperada entre los carriles se puede estimar mediante la fórmula F = u0i ^ 2L/2piR . Uso de la mitad del espesor de ferrocarril como el radio y 100 kA como la corriente máxima a través de los carriles, y suponiendo que toda la corriente se realiza por toda la longitud de los carriles de este modo se convierte en la fuerza de repulsión F = ((4pi * 10 ^ -7) * 100000 * 100000 * 0.3/2pi * 0.002) = 100 kN (1Ton). Esto en realidad puede llegar a ser mucho mayor durante las pruebas de la armadura de plasma y con la inyección de proyectil. Esta fuerza se distribuye por igual entre 16 5/16 "-24 de ultra recubierto pernos de acero, tuercas y arandelas de presión con el fin de prevenir el pandeo bajo las fuerzas de tiro de grado 8. Dos armaduras fueron probados: 25x25x6mm Al1100 y teflón plasma respaldados fue elegido aluminio. siendo utilizado, ya que se fundirá antes de que los carriles hacen, y por lo tanto reducir en cierta medida de la erosión ferroviario. La longitud del proyectil se ajustó de modo que su efecto sobre la eficiencia de aceleración puede ser verificada. En el proyectil de teflón, el respaldo de aluminio se convierte en un plasma durante la descarga y recicla algunas de las pérdidas de eficiencia en forma de presión de propulsor. 

Desafortunadamente esta presión propulsor era tan grande, que en última instancia provocó el fracaso del recinto arma ferroviario en varios lugares. Así, un nuevo diseño de la pistola de ferrocarril fue desarrollado para ser capaz de resistir a las presiones de la armadura de plasma, el carril del arma 2,0

 Inyección del proyectil:

Si todo el poder debía ser aplicado a una armadura estática los rieles y todo lo que había entre ellos sería instantáneamente derretirse bajo el intenso calor localizado producido por calentamiento óhmico como 100thousand amperios trataron de hacerlo a través de la resistencia de contacto. Con el fin de evitar que el tren de arma de convertirse en una soldadora por puntos, es necesario que la armadura se mueve con un poco de velocidad inicial antes de la aceleración electromagnética. La mayoría de los diseños de aficionados fallan debido a la falta de conocimiento de este. En este diseño la armadura se inyecta por una pistola de gas que consiste en una programación de 1000CC 80 depósito de gas de PVC conectado a un barril largo de 30 cm a través de un reductor que va desde 1/2 "^ 2 a 1/4 "x 0,6" a través de un grado 60 cono. A 1/2 "piloto de diafragma Válvula solenoide controla el flujo de gas y esencialmente sirve como el detonante de la pistola. Aproximadamente el 5% de la capacidad del depósito es utilizado en una sola toma. El sistema está diseñado para 500 psi (35ATM), lo suficiente como para disparar constantemente una babosa 6 gramos de aluminio a cabo a 150m / s, o un trago de teflón a 195m / s ( 634.5fps, 696 kmh, 432,6 mph ). El cañón es una réplica exacta de la Rail arma hecha de policarbonato con teflón grado vírgenes rieles para una máxima eficiencia y velocidad . Actualmente el inyector está siendo operado con gas nitrógeno, que, junto con la disminución de la oxidación de ferrocarril, también tiene un peso molecular menor que 30% de aire, proporcionando velocidades más altas. Idealmente, la velocidad de inyección debería ser tan alta como sea posible, ya que permitirá la armadura para viajar la distancia más larga sobre los carriles potencia y por lo tanto minimizar la erosión del carril localizada y la fricción cinética.Sería deseable para un futuro diseño del carril del arma a emplear un inyector supersónico.

Cargador:

Cada condensador individual en el banco de condensadores 20000Joule está equipado con su propia resistencia 50kohm 10W para ecualización de carga y también para servir como un sangrador que drene el condensador de carga no deseada y evitar la acumulación. Estas resistencias hacen que el banco se disipe 130Watts continuamente cuando se mantiene en el cargo máximo. Eso, y la capacidad de almacenamiento de energía 20kJ significa que el cargador debe generar una gran cantidad de energía para lograr las tasas de recarga rápida deseados. El cargador de corriente consiste en un autotransformador (Variac) y un transformador de microondas (MOT) de carga de los condensadores a través de un doblador de media tensión de onda (0,86 condensador y el combo de diodos). Corriente máxima de carga es de 0.8A y el voltaje pico es 3.5kV. Ambos son monitoreados desde la fuente de alimentación.Este enfoque fue escogido debido a su bajo costo, la disponibilidad y el hecho de que los transformadores de horno microondas son actuales limitada, lo que simplifica el circuito de carga significativamente. El sistema de carga está protegido por un golpe rápido 15Ampere fusible y una resistencia limitadora de corriente dentro de la Rail Gun. Espero reemplazar esto con un cargador basado en inversor en algún momento del futuro.

 Dispositivo Completado:

A la izquierda es un esquema eléctrico de la pistola. La conmutación proyectil se asume sin pérdidas y un valor arbitrario de 1uH se ha asignado a los raíles temporalmente. Esta PSpice 9.0 esquemática puede simular el impulso eléctrico que se produce cuando se pueden calcular las descargas de armas y comparando la simulación con valores reales formas de onda del osciloscopio para inductancia ferrocarril y resistencia. . Luego, mediante la variación de la inductancia y la resistencia de los carriles que puedo encontrar los valores exactos de una vez las formas de onda esperados y obtenidos coinciden (ver resultados por debajo)  El arma tiene 4 partes principales: El inyector neumático que consiste en un tanque de aire / válvula / teflon conjunto de barril, el banco de condensadores 20kJ, el carril del arma en sí (raíles, caja y espaciadores), y un cargador de alta tensión para cargar la batería de condensadores 20kJ. A continuación partes de la pistola se puede ver (Pase con su ratón sobre las imágenes para una descripción, o haga clic en ellos una imagen grande):

En primer lugar el depósito de inyector / aire se une a la del carril del arma, que el arma ferroviario se conecta a la batería de condensadores, y, finalmente, la batería de condensadores se conecta a la alimentación de carga y el tanque se conecta al compresor de aire o tanque de nitrógeno en la alimentación de carga. continuación se puede ver el conjunto del banco Rail pistola / inyector / Capacitor completado: Por favor,compruebe el esfuerzo de construcción la página de fotos y descripciones de cómo se hizo cada parte individual. ..

 Resultados!

 Construcción, Planos, esquemas, How-To, FAQ:

 Debido a la abrumadora demanda de planes y esquemas para la pistola se me permite algún día, si hay tiempo, armar un proyecto y la construcción manual de Rail Pistola amateur. Esta arma en particular tomó 150 horas de diseño y construcción antes de que finalmente podría ser despedido y aunque los planes específicos no están disponibles en ese momento, un registro completo y detallado de los esfuerzos de la construcción, incluyendo fotos y videos, está disponible de forma gratuita en el tren Esfuerzo Pistola construcción página. La información sobre las pruebas realizadas y causa de la falla se encuentra disponible en el carril pistola Testing Página.

 Para obtener información actualizada sobre el proyecto de investigación railgun PowerLabs 'ir a la página de PowerLabs Railgun 2.0 .