Poprzez odpowiednie wykorzystanie prostych zjawisk fizycznych jesteśmy w stanie osiągnąć bardzo wiele, starożytni do budowy katapult wykorzystali spadek swobodny ciała dzięki czemu byli w stanie skutecznie przebijać mury zamku, który atakowali. Ogromny postęp w technice związany z magazynowaniem energii, układami elektronicznymi oraz materiałami magnetycznymi stworzył nowe możliwości w dziedzinie elektromagnetycznego przyśpieszania przedmiotów. Obecnie najbardziej zaawansowane badania są prowadzone w dziedzinach militarnych oraz kosmicznych.

Wykorzystanie sił elektromagnetycznych do przyspieszania pocisków jest znakomitą alternatywą dla broni konwencjonalnych, dla których to, istnieje nie przekraczalna prędkość graniczna związana z szybkością spalania substancji chemicznych. Dodatkowymi wadami broni konwencjonalnej jest wydzielanie dymu, zanieczyszczeń oraz często towarzyszący hałas, żadna z wymienionych wad nie występuje w przypadku akceleracji magnetycznej. Jest również szansa iż w przyszłości akceleratory magnetyczne będą stosowane do wynoszenia ładunków na orbitę około ziemską.

Niniejsza publikacja ma na celu przybliżenie tematu akceleracji magnetycznej oraz zaprezentować prototyp urządzenia wykonany przez autorów.

Kluczowym procesem w całym procesie akceleracji jest wytworzenie odpowiednio silnego pola magnetycznego, do tego celu wykorzystano solenoid wykonany z drutu miedzianego, w środku którego umieszczany jest ładunek (pocisk wykonany z kawałka stalowego pręta). W pierwszym przybliżeniu wartość indukcji magnetycznej w solenoidzie o zwojach przez który płynie prąd o natężeniu możemy szacować przez :

Uzyskanie dużych wartości pola magnetycznego jest równoważne z dostarczeniem dużych prądów. Siec energetyczna ani konwencjonalne akumulatory nie nadają się do tego celu, konieczne wiec jest magazynowanie energii w baterii kondensatorów które są w stanie oddać całą energie w ułamku sekundy.

Jako iż pocisk wykonany jest z substancji paramagnetycznej, gdy znajdzie się w zewnętrznym polu magnetycznym następuje uporządkowanie wewnętrznych domen magnetycznych zgodnie z kierunkiem zewnętrznego pola. Takie uporządkowanie będzie miało miejsce dotąd dopóty zewnętrzne pole porządkujące nie zaniknie.. Wyznaczenie dokładnego rozkładu pola oraz sił działających na pocisk sposób analityczny jest praktycznie nie możliwe. W celu przeprowadzenia symulacji i otrzymania wyników zarówno jakościowych jak i ilościowych autorzy posłużyli się programem wykorzystującym metody numeryczne do symulacji zjawisk magnetycznych(Rys 1.).

Rys. 1 Wynik symulacji w programie FEMM.

W idealnym przypadku pole magnetyczne powinno być załączone na czas przelotu pocisku prze lufę a następnie wyłączone po przekroczeniu przez pocisk połowy solenoidu (aby pocisk nie był hamowany). Uzyskanie tak idealnej charakterystyki wymagało by użycia idealnego źródła napięcia (ogromnych kondensatorów) i układów przełączających ogromne prądy. Wykonany przez autorów układ ma postać prostego obwodu RLC (Rys. 2).

Rys. 2 Schemat ideowy układu działa magnetycznego	Rys. 3 Model działa magnetycznego

Rozwiązując równanie możemy wyznaczyć prąd płynący przez solenoid jako

XX , gdzie XX. Odpowiednio dobrane wartości elementów pozwoliły na uformowanie zamierzonego kształtu impulsu(Rys 6.).

Uwzględnienie tak wielu czynników jest rzeczą nie zwykle trudną, pełna analiza tego problemu była by bardzo czasochłonna. Autorzy w swym projekcie podeszli do zadania od tyłu. Najpierw został zbudowany układ o wstępnie oszacowanych parametrach, następnie korzystając z opracowanych narzędzi były prowadzone prace optymalizacyjne.

W celu badania sprawności układu oraz porównywania jej dla różnych konfiguracji konieczne było wykonanie odpowiedniej aparatury testowej. Podczas wykonywania projektu zostało opracowane kilka modułów elektronicznych umożliwiających :

• obrazowanie charakterystyk prądowych oraz napięciowych na solenoidzie w dziedzinie czasu.
• ładowanie baterii kondensatorów wysokim napięciem
• przetłaczanie dużych prądów
• wymianę informacji z komputerem za pośrednictwem interfejsu USB (z dodatkową separacją galwaniczną)
• pomiar prędkości rzeczywistej wylatującego pocisku. Schemat koncepcyjny został przedstawiony na Rys 4.

a)	b)
c)	d)
Rys. 4 Układ pomiaru prędkości składający się z dwóch barier podczernieni oddalonych od siebie o ustaloną odległość. Kolejne rysunki przedstawiają fazy pomiaru prędkości a) rozpoczęcie pomiaru b) lot pocisku c) zakończenie pomiaru d) wylot pocisku z lufy. Na podstawie czasu przelotu pocisku wyznaczana jest jego prędkość chwilowa.

Integralną częścią całego projektu jest program "CoilGun - Manager" służący do zarządzania częścią sprzętową oraz przetwarzania i obrazowania danych pomiarowych. Program umożliwia wydawanie poleceń do układu (rozpoczęcie procesu ładowania kondensatorów, wystrzał pocisku). Dzięki pełnej interaktywności procesy te można obserwować na bieżąco na ekranie komputera, kontrolując czy doświadczenie przebiega pomyślnie czy może wystąpiły jakieś zakłócenia. Wyniki pobrane w trakcie eksperymentu można porównać (na tym samym wykresie) z krzywymi teoretycznymi (wyznaczonymi numerycznie) danego przebiegu. Dzięki swojej konstrukcji i zastosowanym technologiom informatycznym program jest w pełni przenośny i działa na takich platformach jak Linuks czy Windows.

Rys. 5 Działo magnetyczne.	Rys. 6 Aplikacja CoilGun - Manager tuż po strzale.

Publikacja ta omawia zjawisko akceleracji magnetycznej na podstawie działa o bardzo prostej konstrukcji, które jest w stanie wyrzucić mały pocisk na pewną odległość czy przebić kawałek cienkiego aluminium. Konstrukcja ta jest skalowalna, warto więc prowadzenia dalsze badania w zakresie pomiaru impulsowych pól magnetycznych oraz łączenia kaskadowo kolejnych stopni przyśpieszających.

Pierwszy coilgun [avi]
Szalony doktorem [avi]
Pomiar prędkości [avi]
Wystrzał [avi]

Referat pt. "COILGUN - ZABÓJCZY MAGNETYZM" - autorstwa Szymona Kulisa i Stanisława Kulczyckiego został wygłoszony na XXXII Sesji Studenckich Kół Naukowych Pionu Hutniczego AGH w Sekcji Fizyki oraz wyróżniony I nagrodą. Opiekun naukowy referatu: Krzysztof Malarz.