Mini Railgun

1. Die Schienen sind mit 15 cm Länge kurz.
2. Die Kapazität ist mit 200 mF relativ hoch aber die Spannung mit maximal 100V niedrig.
3. Die Schienen sind mit einer Eisenarmierung versehen um das magnetische Feld zu erhöhen.
4. Um die Haftreibung auszuschalten wird ein Injektorsystem verwendet.
5. eingebaute Lichtschranken dienen zur besseren Messung der Vorgänge.
6. Ein Mikrochip Teensy 4.1 steuert das Ganze und nimmt die Messdaten direkt aus.

Die Wirksamkeit der Armierung wurde mit dem Simulationsprogramm >>FEM<< getestet. Man sieht dass eine Armierung das Feld etwa um das Fünffache vergrößern kann.Die experimentelle Überprüfung steht aber noch aus.

Die Schienen sind in serieller Augmention mit zwei Windungen ausgeführt. Die Induktivität des Aufufbaus wurde mit der Resonanzmethode gemessen. Je nach Stellung des Projektils beträgt sie ohne die Eisenarmierung 180 nH wenn sich das Projektil am hinteren Ende befindet und 330 nH wenn das Projektil kurz vor der Mündung ist. Zusammen mit der Eisenarmierung war eine Messung nicht möglich da der massive Eisenkörper die Messfrequenz extrem abschwächt.

Die Kondensatorbank besteht aus 25 Elkos a 10000 µF mit 100 V Betriebsspannung. Sie ist in fünf Reihen aufgeteilt, in einer Reihe sind jeweils fünf Kondensatoren parallel geschaltet.
Vier der fünf Reihen (200mF) werden für die Railgun benützt, eine Reihe mit 50 mF für den Spuleninjektor.
Sowohl für die Railgun wie auch für den Spuleninjektor werden Thyristoren als Schalter verwendet. Für die Railgun rechts im Bild der Typ >T1080N04TOF< und für den Injektor links die etwas kleinere Ausführung Typ >ST230C12<

Der Injektor besteht aus einer Spule und einem beweglichem Eisenkern der das Geschoss beim Schuss mit hoher Geschwindigkeit zwischen die Schienen stösst. Eine Lichtschranke überwacht die Bewegung des Eisenkerns und triggert im richtigen Moment den Thyristor der die Railgun unter Spannung setzt.

Strommessung: Auch diese Railgun besitzt eine Rogowskispule zur Messung des Pulsstromes. Während des Schusses speichert der Mikrocontroller die Messwerte und legt sie als Tabelle zusmmen mit anderen Daten auf einer SD-Karte ab. So können die Messwerte später begutachtet werden. Zur Kalibierung der Spule wird die Railgun mit einem Messwiderstand überbrückt und der Spannungsabfall mit dem Oszi gemessen. Der Wert des Widerstand beträgt 260 µOhm (300A, 78mV).

Die auf der SD-Karte gespeicherten Stromkurven stimmen, abgesehen von der schlechteren zeitlichen Auflösung ganz gut mit den mit dem Oszi gemessen Kurven überein. Auch die beiden Schüsse mit der gleichen Ladespannung von 65 V zeigen die hohe Reproduzierbarkeit.

Die Messungen zeigen auch dass der Entladestrom, wie zu erwarten, linear mit der Ladespannung ansteigt. Bei der zulässigen Ladespannung der Kondensatoren von 100V wäre es ein Strom von ~ 23 kA. Das liegt dann allerdings mit 30% schon deutlich über dem zulässigem Stossstrom des Thyristors der laut Datenblatt 16 kA beträgt. Ein andere Parameter der beachtet werden muss ist die Steilheit des Stromanstiegs die nicht zu groß sein darf. Bildlich gesprochen muss sich der Strom über die gesamte Halbleiterfläche verteilen können damit sich keine lokalen Hotspots bilden. Beim >T1080N40< beträgt der Wert 200A/µs.
Bei vorangegangen Experimenten wurden leider sehr große Thyristoren vom Typ >BStR 65 110< zerstört, die zwar einen Stosstrom von 24 kA vertragen aber nur eine Anstiegsgeschwindigkeit von 50A/µs zulassen.

Zur Gewinnung der Ladespannung für die Kondensatorbank wurden drei 2 x 15 V Trafos in Reihe geschaltet. Ein weiterer 15V Trafo erzeugt die Kleinspannung für die Steuerelektronik.

An der Mündung der Railgun sind zwei Lichtschranken angebracht um die Mündungsgeschwindigkeit zu messen. Direkt am Ende Schienen ist die erste vertikale Schranke. Im Abstand von 35 mm befindet sich die zweite, horizontale Lichtschranke. Auf dem Bild ist der Strahlengang beider Lichtschranke durch rote Striche markiert.
Die erste Lichtschranke besteht aus einer Infrarot-LED und einer Fotodiode. Die zweite Lichtschranke hat, wegen dem größeren Abstand einen roten Laser als Transmitter.

Das Herz der Schaltung ist ein Mikrocontroller Teensy 4.1. Er steuert den Ablauf der Vorgänge, wie das Laden der Kondensatorbank auf die vorgesehene Spannung, die Aktivierung des Injektors und der Railgun in der programmierten Reihenfolge. Zur Triggerung der Thyristoren werden kräftige
Zündpulse benötig die durch Kondensatorentladung mit zwei kleinen Thyristoren erzeugt werden. Die Zündpulse werde über Ringkerntrafos auf die Hauptthyristorenn geschaltet. Die Trafos bewirken eine galvanische Trennung zwischen Steuer- und Entladekreis. Die Ladespannungen werden über Relais auf die Kondensatorbänke geschaltet, Nach Erreichung der programmierten Spannung schalten die Relais ab.
Ursprünglich wurden die Messwerte beim Schuss auf einer SD-Karte abgespeichert. Das wurde aber wegen immer wieder auftretenden Störungen aufgegeben und nach einer anderen Lösung gesucht (siehe weiter unten)

>Schaltplan im PDF-Format<

Testaufbau der Railgun mit Drahtgitterschranke.

	Der erste Schuss mit der Railgun war zwar erfolgreich aber die Geschwindigkeit war mit 17 m/s doch sehr gering. Erfreulich ist der Umstand dass das Geschoss nach dem Schuss keine Schmelzspuren zeigt und auch beim Schuss kein Funkenflug zu sehen war

Wie oben schon erwähnt war die Speicherung der Daten auf der SD-Karte unzuverlässig. Deswegen wurde ein Programm geschrieben das mit der Railgun über eine RS232 Schnittstelle verbunden werden kann.
Da schon mal die Verbindung besteht wird auch die Einstellung und Bedienung der Railgun auf das externe Programm verlagert. Die Messdaten werden direkt nach dem Schuss auf den PC übertragen und können dort ausgewertet und gespeichert werden. Wird auf die Erfassung der Messwerte verzichtet kann das Gerät aber auch ohne PC verwendet werden.
Eine weitere Schwachstelle des Gerät war die unzuverlässige Funktion der Lichtschranke am Injektor die durch den Strompuls der Injektorspule hin und wieder gestört wurde. So wurde z.b. beim obigen Schusstest die Railgun fast gleichzeitig mit dem Injektor ausgelöst, zu einem Zeitpunkt als sich das Geschoss noch in Ruhe befindet und deshalb der Injektor wirkungslos ist. Deshalb wurde zur Triggerung der Railgun eine Zeitfunktion programmiert die die Railgun zeitverzögert nach dem Injektor auslöst. Mit einem Verzögerungswert von 3 ms wurde gute Ergebnisse erreicht, die Mündungsgeschwindigkeit auf ca. 50 m/s verdreifacht.

Der Screenshot zeigt die Daten des Schusses mit einer Ladespannung von 48V (Injektor) b.z.w 85V (Railgun ). Die gemessene Mündungsgeschwindigkeit beträgt 51 m/s. Die roten Kurven zeigen die Signale der Lichtschranken und Triggergeneratoren. Die blaue Kurve stellt den in den Strompuls durch die Railgun dar der etwa 21 kA erreicht. Die Halbwertszeit des Pulses beträgt ca. 600µs. Auch hier ist der Strompuls noch zu kurz, b.z.w. die Schienen zu lang. Das Geschoss erreicht die Mündung der Railgung erst eine Millisekunde nach dem Ende des Impulses. Wird nur die Injektorkapazität geladen bleibt das Geschoss nach etwa 2 cm Weg zwischen den Schienen stecken. Das ist der Beweis für die Wirksamkeit der Railgun auch wenn die Mündungsgeschwindigkeit aufgrund niedrigen Betriebsparameter (~20 kA) bescheiden bleibt.