Nghiên cứu nguyên lý, chế thử súng điện từ

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 219 NGHIÊN CỨU NGUYÊN LÝ, CHẾ THỬ SÚNG ĐIỆN TỪ Trần Duy Hưng*, Phạm Tuấn Hải, Vũ Quang Bách Tóm tắt: Trong lĩnh vực quân sự hiện nay, hầu hết các loại súng thông thường đều hoạt động dựa trên sự giãn nở không khí do thuốc phóng bị đốt cháy, áp suất của khí này đẩy viên đạn ra khỏi nòng súng. Vận tốc đầu nòng theo lý thuyết sẽ bị chi phối bởi các định luật nhiệt động lực học. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc sử dụng điện từ để bắn viên đạn được cho là sẽ có hiệu quả hơn, tốc độ đầu nòng cao hơn so với giới hạn lý thuyết. Một đặc tính khác của việc sử dụng điện từ so với các phương pháp thông thường đó chính là hệ thống tăng tốc, hệ thống này liên tục tăng tốc cho viên đạn trong suốt quá trình viên đạn chuyển động trong nòng súng. Hệ thống tăng tốc sẽ được chia ra các giai đoạn khác nhau nhằm đạt được tốc độ đầu nòng lớn nhất có thể. Từ khóa: Súng điện từ; Điện từ trường; Lực điện từ; Cuộn dây. 1. MỞ ĐẦU Ngày nay, các loại súng thông thường vẫn được sử dụng hoạt động dựa trên nguyên lý lực đẩy của thuốc phóng khi cháy tạo ra áp suất, áp suất này sẽ đẩy viên đạn bay ra khỏi nòng với sơ tốc đầu nòng lớn. Phương pháp này rất hiệu quả và đang được sử dụng rộng rãi. Tuy nhiên, nó rất tốn kém và việc lưu trữ, bảo quản là khó khăn do sử dụng các loại nhiên liệu hóa học, đặc biệt có thể chứa nhiên liệu độc hại. Ngoài ra, việc bảo quản và sử dụng cũng đòi hỏi độ an toàn rất cao. Do vậy, việc sử dụng các cuộn dây điện từ để bắn các đầu đạn đem lại hiệu quả hơn. Phương pháp này không sử dụng nhiên liệu, thân thiện với môi trường (không có khói thuốc) và tầm bắn của nó cũng có thể hoàn toàn kiểm soát được một cách dễ dàng bằng việc kiểm soát vận tốc đầu nòng. Vận tốc đầu nòng của súng phụ thuộc vào dòng điện chạy trong cuộn dây điện từ khi tiến hành bắn [1] và thời gian chuyển đổi giữa các giai đoạn tăng tốc đầu đạn. Bên cạnh đó, do không sử dụng thuốc phóng nên sau khi bắn không có xuất hiện muội than trong nòng súng, súng sẽ không bị kẹt các bộ phận và bảo quản dễ dàng hơn. Súng điện từ cũng có độ tổn thất ma sát thấp hơn và đặc biệt là khi bắn, súng không phát ra tiếng nổ nên đảm bảo yếu tố bí mật [2, 3]. Bài báo sẽ đi vào phân tích nguyên lý hoạt động của súng điện từ một cuộn dây, ba cuộn dây. Đưa ra một số kết quả nghiên cứu trong quá trình thực nghiệm cũng như đề xuất một số phương án cải tiến công nghệ súng điện từ. 2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA SÚNG ĐIỆN TỪ Viên đạn Số vòng dây Dây đồng Nòng súng Cuộn dây Hình 1. Cấu tạo cơ bản của súng điện từ một cuộn dây. Cấu tạo cơ bản của súng điện từ được trình bày trong hình 1. Súng bao gồm một cuộn dây đồng được quấn thành các lớp xung quanh nòng súng. Nòng súng được làm bằng vật liệu cách điện, có tác dụng dẫn hướng cho đạn chuyển động trong nòng. Đạn được làm bằng vật liệu sắt từ và có đặc tính như một mạch điện. Thông tin khoa học công nghệ T. D. Hưng, P. T. Hải, V. Q. Bách, “Nghiên cứu nguyên lý, chế thử súng điện từ.” 220 Mỗi cuộn dây đều hoạt động dựa trên nguyên lý của cuộn solenoid. Dòng điện chạy trong cuộn dây sẽ sinh ra từ thông xuyên qua tâm của cuộn dây. Khi viên đạn có tính dẫn điện đến gần các vòng dây có lõi không khí sẽ dẫn đến hai hiện tượng: Độ tự cảm của cuộn dây sẽ tăng lên và viên đạn sẽ bị từ hóa. Viên đạn bị từ hóa sẽ bị hút bởi từ trường của cuộn dây và tăng tốc cho viên đạn bay về phía nó (theo chiều mũi tên ở hình 1). Khi viên đạn tiến lại gần, độ tự cảm của cuộn dây sẽ tăng lên, hoàn thành một vòng phản hồi dương tác dụng lên viên đạn và từ trường được tạo ra bởi cuộn dây tăng lên. Quá trình này đạt tới đỉnh khi viên đạn đã hoàn toàn bị bao quanh bởi cuộn dây và tiếp tục chuyển động dẫn đến độ tự cảm của cuộn dây giảm. Tại thời điểm nói trên dòng điện chạy trong cuộn dây phải được ngắt đi nếu không viên đạn sẽ chuyển động chậm dần do tiếp tục bị hút bởi từ trường của cuộn dây. Quá trình bắn của súng được chia làm hai giai đoạn và được biểu diễn ở hình dưới đây. + CU 1 2 Hình 2. Nguyên lý hoạt động của súng điện từ. Năng lượng cần để bắn viên đạn đi sẽ được nạp vào tụ điện C. Tụ điện C sẽ được nạp từ nguồn điện áp U khi khóa ở vị trí 1. Trong giai đoạn kế tiếp năng lượng này sẽ được chuyển qua viên đạn trong quá trình bắn. Transistor FET hoặc Mosfet được sử dụng như một khóa điện để đóng khóa sang vị trí 2. Điều này sẽ đảm bảo cung cấp nguồn năng lượng lớn với dòng điện đỉnh tạo ra từ trường mạnh. Từ trường này sẽ có tác dụng đẩy viên đạn bên trong nòng ra ngoài với vận tốc cao. 3. MÔ PHỎNG VÀ CHẾ THỬ MÔ HÌNH SÚNG ĐIỆN TỪ Nguyên lý làm việc của súng điện từ một cuộn dây được mô phỏng sử dụng phần mềm Matlab, thư viện Simulink và SimPowerSystems, được thể hiện ở hình vẽ 3. Ở đây, tụ điện Cs sẽ được nạp điện từ nguồn DC thông qua việc đóng ngắt của Mosfet sử dụng tín hiệu điều khiển step. Khi quá trình nạp điện cho tụ Cs kết thúc, lúc này năng lượng đã được nạp đủ để chuẩn bị cho phát bắn. Quá trình năng lượng của tụ điện Cs xả qua cuộn dây L được điều khiển bởi khóa Mosfet 1. Hình 3. Mạch mô phỏng nguyên lý làm việc của súng điện từ một cuộn dây. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 221 Để viên đạn có thể bắn đi khỏi nòng súng cần xác định chính xác thời điểm ngắt xung dòng điện khi viên đạn đã đi qua một nửa chiều dài của cuộn dây, điều này giúp cho viên đạn không bị giữ lại khi đi qua trung tâm cuộn dây. Giai đoạn cuối cùng chính là giai đoạn viên đạn bay ra khỏi nòng súng và đi đến mục tiêu. Sơ đồ mạch điều khiển của súng điện từ một cuộn dây được biểu diễn ở hình 4. Giàn tụ 2200 uF 400V được nạp từ nguồn pin 12V thông qua mạch tăng áp. Cảm biến có tác dụng xác định thời điểm viên đạn đến giữa cuộn dây, mạch đóng cắt sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến và thực hiện quá trình đóng cắt theo chương trình đã định sẵn. Cuộn dây ON /OFF 2200uF 400V Cảm biến Mạch tăng áp Pin 12V Giàn tụ điện Mạch đóng cắt Hình 4. Sơ đồ mạch điều khiển súng điện từ một cuộn dây. Hình 5. Mô hình nguyên lý súng điện từ một cuộn dây. Trong khi thử nghiệm, để quá trình nạp cho tụ nhanh hơn. Tụ điện sẽ được nạp từ nguồn điện 220V thông qua mạch chỉnh lưu và ổn áp. Hình 6. Đồ thị biểu thị sự phụ thuộc giữa vị trí đặt đạn đến quãng đường đạn đi được. Thông tin khoa học công nghệ T. D. Hưng, P. T. Hải, V. Q. Bách, “Nghiên cứu nguyên lý, chế thử súng điện từ.” 222 Kết quả bắn thử nghiệm được biểu diễn ở hình 6. Từ đồ thị cho thấy, sự phụ thuộc giữa vị trí đặt đạn ban đầu sẽ ảnh hưởng đến từ trường của cuộn dây tác dụng lên viên đạn. Tại mỗi vị trí thích hợp của từng loại đạn, từ trường của cuộn dây sẽ là lớn nhất, do đó, đạn sẽ bay được cự ly xa nhất. Qua hình 6 có thể lựa chọn sơ bộ loại đạn thích hợp để sử dụng cho súng một cuộn dây, với các đặc tính của cuộn dây như đã chế tạo là đạn có chiều dài 40mm, đường kính 8 mm. Trên cơ sở súng điện từ một cuộn dây, để tăng tốc cho viên đạn theo từng giai đoạn khi đạn chuyển động trong nòng súng, có thể sử dụng nhiều cuộn dây. Số lượng các cuộn dây càng nhiều, viên đạn được tăng tốc qua nhiều giai đoạn thì vận tốc đầu nòng sẽ càng lớn. Việc đóng ngắt các cuộn dây được thực hiện luân phiên thông qua cảm biến và mạch điều khiển. Trong phạm vi bài báo tác giả sử dụng súng điện từ ba cuộn dây. Mô hình súng điện từ ba cuộn dây được mô tả ở hình 7. Hình 7. Mô hình súng điện từ ba cuộn dây. Qua thử nghiệm cho thấy, việc lựa chọn mức điện áp nạp cho tụ ảnh hưởng rất lớn đến tốc độ động cơ, cũng như quãng đường mà viện đạn đi được. Điều này được cụ thể hóa ở các bảng 1 và bảng 2. Bảng 1. Vận tốc đầu đạn phụ thuộc vào số cuộn dây và điện áp. TT Điện áp Vận tốc đạn súng 1 cuộn dây (m/s) Vận tốc đạn súng 2 cuộn dây (m/s) Vận tốc đạn súng 3 cuộn dây (m/s) 1 200 5,6 7,4 11,9 2 240 7,4 10,8 14,7 3 280 8,9 13,4 19,2 4 300 10,1 16,8 24,7 Bảng 2. Cự ly đạn bay phụ thuộc vào số cuộn dây và điện áp. TT Điện áp Cự ly đạn bay súng 1 cuộn dây (m) Cự ly đạn bay súng 2 cuộn dây (m) Cự ly đạn bay súng 3 cuộn dây (m) 1 200 1,1 2,1 3,5 2 240 1,8 4,3 6,1 3 280 2,6 6,2 9,4 4 300 3,2 8,7 13,1 Từ các số liệu của bảng 1,2 có thể thấy rõ: - Số cuộn dây càng nhiều thì vận tốc đầu nòng của viên đạn sẽ càng lớn, do được tăng tốc qua từng giai đoạn; - Điện áp của tụ điện càng lớn, tương ứng với lượng dự trữ năng lượng của tụ càng lớn thì tốc độ đầu nòng của viên đạn sẽ càng tăng; Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 69, 10 - 2020 223 - Cự ly đạn bay được phụ thuộc tương tự vào điện áp, số cuộn dây như đối với vận tốc đầu nòng của viên đạn. 4. KẾT LUẬN Từ kết quả của quá trình nghiên cứu có thể đưa ra một số kết luận như sau: - Qua nghiên cứu nguyên lý có thể thấy rằng việc ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ, lực điện từ vào công nghệ chế tạo súng là hoàn toàn khả thi. Việc kiểm soát năng lượng đầu vào của súng có thể thực hiện được một cách dễ dàng thông qua các thiết bị đo lường, điều khiển; - Năng lượng của tụ điện là yếu tố quan trọng quyết định đến tốc độ đầu nòng của viên đạn khi ra khỏi nòng súng. Năng lượng càng lớn, xung điện ban đầu chạy qua cuộn dây càng lớn, lực tác dụng càng lớn thì tốc độ viên đạn cũng tăng theo; - Việc lựa chọn vật liệu chế tạo đạn, nòng súng, khoảng cách đặt đạn cũng ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng của phát bắn. Chính vì vậy, trong quá trình thiết kế phải nghiên cứu, tính toán một cách chính xác để mang lại hiệu quả tối ưu; - Sử dụng nhiều cuộn dây để tăng tốc viên đạn cần kết hợp với việc sử dụng các loại cảm biến chính xác, các thiết bị điều khiển đóng ngắt hợp lý, luân phiên giữa các cuộn dây. Có như vậy, tốc độ đầu nòng của viên đạn mới đạt ở mức cao nhất. Đặc điểm của súng điện từ là khi bắn không phát ra tiếng động, đây cũng là một trong những ưu thế nổi bật so với các loại súng thông thường hiện nay. Chính vì vậy, súng có thể nghiên cứu phát triển để ứng dụng trong các nhiệm vụ đặc biêt, đòi hỏi độ bí mật cao như các lực lượng đặc công, trình sát trong quân đội. Tuy nhiên, để có thể phát triển được ứng dụng trong thực tế thì cần tập trung nghiên cứu mốt số vấn đề như sau: - Số lượng phát bắn phụ thuộc vào dung lượng của tụ, dòng xả của tụ cũng ảnh hưởng rất lớn đến vận tốc đầu nòng của viên đạn; - Hiệu suất của súng nhỏ, chỉ đạt khoảng 3÷5%, do từ trường tác dụng lên viên dạn chỉ chiếm một phần nhỏ. Vì vậy, đây cũng là một trong những nhược điểm của súng; - Số lượng các cuộn dây tăng, tốc độ đầu nòng sẽ được tăng lên. Tuy nhiên, khối lượng và kích thước của súng cũng sẽ tăng. Bài báo này đã được báo cáo tại Hội thảo Quốc gia: “Ứng dụng Công nghệ cao vào thực tiễn – 60 năm phát triển Viện KH-CN quân sự”. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bohumil Skala & Vladimir Kindl,“Electromagnetic Coil Gun – Design and Construction”,University of West Bohemia in Pilsen, published in Proceedings of Electrotechnical Institute, Issue 263, 2013, pp 115-124. MCNAB, I. R. Early electric gun research. IEEE Transactions on Magnetics. 1999, vol. 35, iss.1, pp. 250–261. ISSN 0018-9464. DOI: 10.1109/20.738413. [2]. Kyle Lorentsen, “The Magnetic physic and Mechanics of a coil-gun”, Honors University physic II. [3]. Su-Jeong lee, Ji-Hun Kim, Bong Sob Song & Jim Ho Kim, “Coil Gun Electromagnetic Launcher (EML) system with Multi-stage electromagnetic coils”, Journal of Magnetics IS(4), 481-486(2013), November 21, 2013. Thông tin khoa học công nghệ T. D. Hưng, P. T. Hải, V. Q. Bách, “Nghiên cứu nguyên lý, chế thử súng điện từ.” 224 ABSTRACT WORKING PRINCIPLE OF ELECTROMAGNETIC COIL GUN In the current military field, most conventional guns operate on the expansion of the air caused by the launcher being burnt, the pressure of this gas pushes the bullet out of the barrel of the gun. The muzzle velocity is theoretically governed by the laws of thermodynamics. Along with the development of science and technology, the use of electricity to shoot bullets is expected to be more effective, and the muzzle speed is higher than the theoretical limit. Another feature of using electricity compared to conventional methods is the acceleration system, which continually accelerates the bullet during the movement of the bullet in the barrel of the gun. The acceleration system will be divided into different stages to achieve the maximum muzzle speed possible. Keywords: Electromagnetic coil gun; Electromagnetic field; Electromagnetic force; Coil. Nhận bài ngày 16 tháng 08 năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: Trường Cao đẳng Công nghiệp quốc phòng. *Email: tranhungcdcnqp@gmail.com.