کویل گان 1

کویل گان در واقع یک تفنگ با محرک الکترومغناطیسی است . در این مجموعه تخلیه انرژی در یک سیم پیچ (Coil) باعث می شود تا سیم پیچ مذبور میدان مغناطیسی شدیدی را در راستای خود ایجاد می کند که این میدان می تواند عامل جذب یک گلوله فلزی و پرتاب آن باشد . این مکانیزم ساده هرچند بازده بالایی ندارد اما به دلایل مختلف در صنایع نظامی بسیار مورد توجه واقع شده است در ادامه به بررسی اصول عملکرد این دستگاه خواهیم پرداخت

آشنایی با ساختار کلی :

شکل زیر نشاندهنده اجزای موجود در یک کویل گان است. سیم پیچ عنصر اصلی این مجموعه می باشد که در مرکز آن هیچ هسته ای قرار داده نشده و در واقع توخالی می باشد تا مسیر حرکت گلوله را فراهم کند . عنصر بعدی یعنی بانک خازنی منبع ذخیره انرژی است و در لحظه شلیک انرژی ذخیره شده در خود را درون سیم پیچ تخلیه می کند یک کلید در این مسیر نیز نقش ماشه اسلحه را به عهده دارد .

تصویر: شماتیک کلی کویل گان و اجزای آن

 

با تخلیه انرژی درون سیم پیچ نیروی مغناطیسی اعمالی از سوی میدان ایجاد شده در مرکز سیم پیچ گلوله را به سمت آن می کشد , گلوله که مومنتوم کسب کرده به حرکت خود پس از قطع جریان ادامه می دهد .

سیم پیچ و گلوله:

طراحی سیم پیچ به عنوان مهمترین عنصر و قلب تپنده کویل گان ! نیازمند محاسبات خاصی است . پارامتر های مهم عبارتند از :قطر سیم ؛ طول سیم پیچی شده ؛ تعداد لایه ها و قطر سوراخ مرکز آن . یک قانون تجربی که احتمالا دلیل علمی هم بتوان برای آن یافت نشان می دهد که طول سیم پیچی شده باید برابر با طول گلوله باشد . اما در مورد پارامتر های دیگر قوانین دقیق تری حکم فرماست که با صرفنظر از فرمولها آن را به صورت شهودی تشریح خواهیم کرد.

ابتدا سوراخی را که در مرکز سیم پیچ وجود دارد (و در واقع مسیر عبور گلوله است) بررسی می کنیم . طبیعی است که قطر سوراخ باید تا جای ممکن به قطر گلوله نزدیک باشد در غیر اینصورت بخشی از میدان که باید درون گلوله متمرکز شود به اصطلاح هدر می رود و باعث می شود تا راندمان مجموعه افت کند . هرچند راندمان بهترین کویل گان های دنیا به 5 درصد هم نمی رسد اما همین مقدار ناچیز هم با این کار هدر می رود .

به دو دلیل بهتر است گوله و به طبع آن سوراخ مرکز سیم پیچ بلند و باریک باشد تا کلفت و کوتاه ؛ اول آنکه یک پرتابه با قطر کم نسبت به یک پرتابه با قطر زیاد (و طول و وزن مشابه) اصطکاک کمتری در ضمن حرکت در هوا ایجاد میکند و باعث می شود تا پرتابه برد بیشتری داشته باشد. در ثانی قطور کردن پرتابه به معنای زیاد کردن وزن آن (بیشتر از حالتی که طول آن به همان مقدار افزوده شود) است که طبق قانون بقای انرژی به انرژی بیشتری برای رسیدن به سرعت مشخص نیاز دارد لذا بهترین انتخاب یک پرتابه بلند، سبک و نازک است . هرچند که نباید آن را خیلی بلند هم در نظر گرفت چون محاسبه نیروی وارد از سوی سیم پیچ بر آن در طی فرآیند تخلیه دچار پیچیدگی می شود .  در ضمن فراموش نشود که پرتابه باید از مواد فرومغناطیس باشد و گلوله نمی تواند آلومینیومی باشد.

 

سیم پیچ به همراه گلوله در مرکز آن

 

فرآیند عملی درست کردن سیم پیچ توخالی معمولا به اینصورت است که یک میله با قطر مفروض برای مرکز سیم پیچ در نظر گرفته می شود و سیم پیچی به دور آن انجام می شود و در نهایت میله را از مرکز سیم پیچ خارج می سازند اما در اینصورت مشکلات عملی خاصی برای قرار دادن گلوله در مقابل سیم پیچ برای پرتاب و سهولت حرکت آن درون سیم پیچ و هدایت گلوله ایجاد می شود لذا بهتر است سیم پیچی را به دور یک لوله خیلی نازک و غیر فلزی انجام داد تا مسیر مناسبی برای حرکت گوله ایجاد شود . در  تصویر 3 نمونه ای از این کار نشان داده شده است.

حالا نوبت به انتخاب سیم و تعداد لایه های سیم پیچی میرسد . فرض کنید برای ساخت سیم پیچ از یک سیم نازک استفاده کنیم مثلا با قطر 0.5 میلی متر در اینصورت بعد از پیچیدن 10 لایه ضخامت سیم پیچ برابر 5 سانتی متر خواهد بود و بر اساس قانون میدان بوجود آمده در مرکز سیم پیچ با عکس توان دوم این فاصله متناسب است لذا هرچه تعداد لایه ها بیشتر شود یا سیم اصلی قطور تر شود شود اثر لایه های خارجی در مرکز آن کم می شود . این در حالی است که طول اضافه شده به عنوان یک مقاومت در مسیر جریان عبوری عمل می کند و نقطه ای وجود دارد که اثر منفی مقاومتی بر اثر مثبت تولید میدان غالب می شود لذا برای تعداد لایه های سیم پیچی شده و قطر سیم اصلی مقدار بهینه ای وجود دارد. در میان این دو پارامتر، انتخاب قطر سیم تقدم بیشتری دارد. قطر سیم بزرگتر مقاومت کمتری را برای عبور جریان فراهم می کند.

همانطور که گفته شد تخلیه به صورت یک پالس انرژی ضربه ای رخ می دهد لذا فرکانس بالایی دارد. در جریان های با فرکانس بالا اثر مهمی به نام اثر پوسته ای(skin effect)  بروز می کند که می تواند در میزان مقاومت مسیر بسیار موثر باشد . اثر پوسته ای به این معنا است که هرچه جریان فرکانس بالاتری داشته باشد تمایل آن برای حضور در لایه های خارجی رسانا بیشتر و تمایل آن برای حضور در مقاطع داخلی کمتر است . دلیل این پدیده حضور جریان های چرخنده (Eddy) میباشد که در مقاطع داخلی شکل می گیرند و مقاومت این حوزه ها را افزایش داده و باعث تلفات می شوند . شکل زیر نمایی از توزیع جریان در یک سیم در فرکانسهای مختلف را نشان میدهد

 

توزیع جریان در مقطع یک رسانا به ازای فرکانس های مختلف

 

وجود اثر پوسته ای ما را مجبور به استفاده از قطر های زیاد برای سیم می کند هرچند که اثر پوسته ای و مقاومت ناشی از آن در سیم انتخاب شده قابل شبیه سازی و محاسبه است اما معمولا میزان مطلوب حدود 2 میلی متر به بالا می باشد.

در منابع لاتین از استاندارد AWG به جای قطر سیم استفاده شده است که در واقع عددی است که به هر قطر سیم با روکش لاکی معین نسبت داده می شود و در آمریکا کاربرد دارد . جداول تبدیلی آن به وفور در اینترنت موجودند . 

 

بانک خازنی

همانطور که گفته شد یک بانک خازنی تامین کننده یک پالس انرژی برای شلیک است. همانطور که می دانید بانک خازنی از مجموعه ای از خازن ها به صورت موازی تشکیل شده (تا میزان ظرفیت آنها با یکدیگر جمع شود) طبیعی است که هرچه انرژی ذخیره شده در بانک بیشتر باشد گلوله برد و سرعت بیشتری خواهد داشت ( با فرض راندمان ثابت).

انرژی ذخیره شده در یک خازن و به طور مشابه یک بانک خازنی از رابطه E=(0.5)CV^2 تبعیت می کند . به عبارتی با ظرفیت نسبت مستقیم و با اختلاف پتانسیل دو سر مجموعه به توان دو نسبت دارد . لذا استفاده از خازن های ولتاژ بالا می تواند راهکار بسیار مناسبی برای بانک خازنی کویل گان باشد . ساخت خازن در محدوده ولتاژ کیلوولتی نیازمند عایق های قوی است لذا اینگونه خازن ها کمیاب و گران قیمت هستند اما خازنهای الکترولیتی با ولتاژ ماکزیمم 400 ولت به سهولت در بازار قابل دستیابی اند . این خازن ها را می توان با یک پل دیود به برق شهر متصل کرده و آن ها را شارژ کرد باید بسیار مراقب یک خازن شارژ شده بود چرا که انرژی ذخیره شده در آن به سادگی می تواند موجب برق گرفتگی و مرگ شود . بهتر است این تذکر را با یک محاسبه همراه کنیم ؛ فرض کنید یک خازن 470 میکرو فاراد را (که در پاور کامپیوتر وجود دارد) با برق شهر یکسو شده (220 ولت) شارژ کنیم در اینصورت طبق فرمول بالا میزان انرژی ذخیره شده در آن حدود 23 ژول خواهد بود که مقدار قابل توجهی می باشد و می توان به راحتی یک قلب ضعیف را متوقف کند. ( بهتر است بدانید که انرژی منتقل شده از طریق دستگاه شوک به بیمار ایست قلبی حداکثر 300 ژول است) از جهتی بنا به قانون بقای انرژی و با فرض راندمان در حدود 5 درصد تنها 1 ژول به گلوله منتقل می شود که اگر جرم گلوله 4 گرم باشد طبق معادله انرژی جنبشی سرعت گلوله 22 متر بر ثانیه خواهد بود که این مقدار خیلی کمتر از سرعت یک گلوله جنگی واقعی است . برای مقایسه گلوله کلاش 16 گرم و سرعت اولیه آن 710 متر بر ثانیه است و مرمی ژ3 برابر 8.3 گرم وزن دارد و سرعت اولیه آن 800 متر بر ثانیه است . بنابر این سازندگان کویل گان از بانک خازنی استفاده می کنند که انرژی بیشتری به گلوله منتقل شود اما به همان نسبت خطرات استفاده از آن نیز افزایش می یابد .

مثلا بانک خازنی یک کویل گان (پست بعدی رو ملاحظه بفرمائید) از 15خازن موازی 470 میکرو فارادی با توان تحمل 400 ولت اختلاف پتانسیل تشکیل شده که ظرفیت کلی این بانک خازنی تقریبا برابر 7 میلی فاراد می شود . این بانک خازنی بوسیله برق شهر شارژ می شود به این ترتیب که با قرار دادن یک پل دیودی در مسیر برق یکسو شده و متناظرا به دو سر مثبت و منفی خازن متصل می گردد تا آن را شارژ کند طبق فرمول E=(0.5)CV^2 انرژی کلی ذخیره شده در این بانک خازنی حدود  170 ژول است . این مقدار انرژی بسیار زیادی بوده و به راحتی می تواند موجب مرگ یک شخص شود .. می توان برای آگاهی از میزان شارژ خازن یک مقاومت ( در اینجا یک لامپ) را در مسیر شارژ قرار داد که در اینصورت آن را به یک مدار RC با ثابت زمانی معین تبدیل می کند با اتصال مدار به دو سر خازن خالی لامپ نیز روشن خواهد شد چرا که در مسیر جریان قرار داد اما به تدریج با هم پتانسیل شدن بانک با منبع، جریان قطع شده و لامپ خاموش می گردد. از این طریق حتی می توان به کمک زمان میزان شارژ خازن ها را کنترل کرد.

بانک خازنی که توسط برق شهر شارژ شده دارای انرژی بالایی است . طبیعی است که با اتصال دو سر بانک به یکدیگر شاهد جریان بسیار بالایی با فرکانس زیاد خواهیم بود که به صورت یک قوس الکتریکی در محل جرقه بروز می کند . جریان لحظه ای فرآیند تخلیه می تواند تا 200 آمپر نیز باشد که به صورت یک تابع ضربه ای است هرچند که مقدار متوسط آن نیز قابل توجه است . این جریان بالا به همراه جرقه به راحتی می توانند موجب تخریب سطوح اتصال گردند به نحوی که این پدیده مهمترین معظل در کلید های قدرت به شمار می رود . در مورد این کویل گان هرچند جریان در محدوده ای است که کلید مناسبی را می توان برای آن انتخاب کرد اما به دلیل ملاحظات مالی استفاده از کلید دست ساز ترجیح داده شده است . این کلید در واقع چیزی جز دو صغحه اتصال دهنده با یکدیگر نیست . به راحتی می تواند شاهد جرقه بزرگ و خرابی بعد از آن در این کلید بود

 

تخریب الکترود ها پس از تخلیه الکتریکی

 

کلید تخلیه :

همانطور که گفته شد . کلید تخلیه در واقع دو صفحه فلزی است که با هم تماس داده می شوند . و جریان خازن ها از طریق آنها از سیم پیچ عبور می کند . در مورد کویل گان های با فعالسازی غیر دستی نمی توان از این سیستم استفاده نمود و باید یک سوئیچ جریان قابل تحریک را در مسیر قرار داد. طبیعی است که یک ترانزیستور معمولی نمی تواند این وظیفه را بر عهده بگیرد چرا که عبور جریان لحظه ای شدید برای آن تعریف شده نیست . در عوض سوئیچ های SCR یا به عبارتی تریستور ها برای این منظور بهینه شده اند و می توان از آن ها برای عبور جریان بوسیله یک تحریک دیجیتالی استفاده نمود . در عین حال کنتاکتور های قدر ت که به دستگاههای PLC متصل می شوند نیز برای این منظور مناسب به نظر می رسند . 

کویل گان چند مرحله ای :

کویل گان می تواند عملیات انتقال انرژی به پرتابه را در چند مرحله و از طریق چند سیم پیچ انجام دهد . این کویل گانها به مراتب کارا تر و قوی تر از حالت های تک مرحله عمل می کنند و غالبا در کاربرد های عملی از این نوع استفاده می شود . کویل گان ها در صنایع نظامی برای پرتاب گلوله یا موشک و یا ماهواره کاربرد پیدا کرده اند

که شکل های زیر نمونه هایی از آنها را نشان می دهند . برای ساخت کویل گان چند مرحله ای باید چند سیم پیچ را در امتداد مسیر حرکت گلوله قرار داد تا گلوله پس از تحریک توسط سیم پیچ اولیه از درون بقیه نیز عبور کرده و به ترتیب از آنها نیز انرژی دریافت کند . عملیات فعالسازی ترتیبی سیم پیچ ها بسیار سریع باید انجام پذیرد و برای این منظور نمی توان از سیستم های مکانیکی استفاده کرد بلکه نیازمند یک سیستم کنترلی ترجیحا هوشمند است تا موقعیت گلوله را در هر لحظه در طول مسیر بررسی کرده و مطابق با آن سیم پیچ های پیش رو را فعال کند .

نمونه ای از کویل گان چند مرحله ای

 

ذکر یک نکته در اینجا ضروری به نظر میرسد : گلوله ساکن برای پرتاب از خود لختی نشان می دهد و اصطکاک گلوله با بدنه این موضوع را تشدید می کند لذا اکثر انرژی صرف شده در کویل گان برای خارج کردن گلوله از حالت سکون است. در کاربرد های عملی به خصوص در پرتاب موشک می توان گلوله را ابتدا با پیشرانش معمولی ( مثل سوخت جامد یا باروت ) به حرکت در آورد و سپس از کویل گان برای شتاب دادن به آن استفاده کرد .

یک گروه نظامی در حال استفاده از کویل گان