Spulen Beschleuniger (Coil Gun)

Prinzip: Eine Möglichkeit zur Beschleunigung ist die sogenannte Coilgun, bei der mittels Elektromagnete ferromagnetische Projektile angezogen und somit beschleunigt werden. Dieses Prinzip ist einfach zu realisieren und man erreicht damit immerhin Geschwindigtkeiten im Bereich von bis zu 50 m/s.
Ein Nachteil sei nicht verschwiegen, die Beschleunigung hängt von den magnetischen Eigenschaften des Projektils ab und so ist der maximale Energiezuwachs pro Beschleunigungsstufe durch die magnetische Sättigung des Materials begrenzt, andere Prinzipien, die auf Wirbelstömen oder der Lorenzkraft z.B. die Railgun beruhen, sind dagegen beliebig skalierbar.

Das einfache Prinzip ist auf dem rechten Bild skizziert. Der nach dem Schliesen des Schalters fliessende Strom erzeugt in der Spule ein Magnetfeld welches das Geschoss in die Spule beschleunigt. Ist es ganz in die Spule eingetaucht wird keine Kraft mehr auf das Geschoss ausgeübt, hingegen würde es beim Verlassen der Spule wieder abgebremst. Wird aber der Strom und somit das Feld im richtigen Moment abgeschaltet kann das Geschoss mit der gewonnenen Geschwindigkeit ungehindert weiterfliegen. Am einfachsten wird der erforderliche hohe Stromimpuls mit einer Kondensatorentladung erzeugt und bei richtiger Bemessung der Kapazität und Induktivität wird die passende Pulsdauer gewährleistet. Insgesamt ergibt sich ein recht undurchschaubarer Zusammenhang zwischen den Parametern Geschosslänge, Durchmesser, Gewicht, Spulenlänge, Startposition, Kondensatorkapazität, Spuleninduktivität, Ladespannung und der Endgeschwindigkeit, der sich leider meinen Rechenkünsten entzieht. So wurde die ganze Sache empirisch angegangen.

Aufbau: Als Projektile wurden Passstifte aus Stahl 1.1 g schwer und 4x12 mm groß, als Lauf ein dünnwandiges Quarzrohr 7x1 mm gewählt. Ein einfache Überlegung ergibt, daß es wenig Sinn hat die Spulenlänge größer als die Geschosslänge zu machen, also wurde ein flache Spule von 12mm Länge und etwa 20 mm Durchmesser mit 150 Wdg 0.63 mm CuL Draht auf einen auf das Rohr passenden Spulenkörper gewickelt. Die Energie stammt aus einem 2000uF Kondensator der über einen Thyristor auf die Spule geschaltet wird. Zuerst wurde die Abhänigkeit der erreichbaren Geschwindigkeit von der Startposition ermittelt. Die Messung ergibt ein flaches Maximum bei einem Abstand von 6 mm

Die nächste Messung betrifft den Spulenstrom und die Geschwindigkeit in Abhänigkeit der Kondensator Ladespannung. Während der Strom erwartungsgemäß mit der Ladespannung linear ansteigt, setzt bei der Projektilgeschwindigkeit ab einer Spannung von 200V und einem Strom von 250A eine Sättigung ein. Ursache könnte die magnetische Sättigung des Stahlgeschosses sein.

Eine Möglichkeit die Geschwindigkeit trotzdem weiter zu steigern ist der Anbau einer weiteren Beschleunigungsstufe. So wurde eine weitere Spule-Kondensator-Thyristorstufe, welche mittels einer Lichtschranke getriggert wird die Geschwindigkeit von 15m/s auf 25m/s gesteigert. Allerdings ist für eine effektive Nachbeschleunigung der Strompuls mit 2 ms zu lang.Die Länge der Spule beträgt 12 mm welche das Geschoss in ~ 1 ms durchfliegt sodaß nach Durchqueren der Spule noch eine Bremswirkung durch den noch fliesenden Strom zu erwarten ist. Eine weitere dritte Stufe steigerte die Geschwindigkeit auf 36m/s, also etwa 130 km/h, das Projektil erhält damit eine Energie von 1.4 Joule.

Um die Pulsdauer der steigenden Geschwindigkeit etwas anzupassen wurden die Speicherkapazitäten der einzelnen Stufen verschieden ausgelegt, 3000 µF für die erste, 860 µF für die zweite und 680 µF für die dritte Stufe. Der Aufbau ist auf dem rechten Bild zu sehen, Vorn das Beschleunigerrohr mit den Spulen und Lichtschranken, dahinter die Kondensatoren und darunter die möglicherweise etwas über- dimensionierten Scheibenthyristoren vom Typ ST230C12CO (1200V, 5700A für 10ms). Angesteuert werden die Thyristoren über Triggertransformatoren und Schaltverstärker.

	Diese Transformatoren sorgen für die nötige galvanische Trennung zwischen den mit dem Netz verbundenen Thyristoren und der Triggerelektronik sorgen. Auf Verzögerungs-glieder wurde verzichtet, stattdessen wird der richtige Zeitpunkt des Beschleunigungspulse durch die Position der Lichtschranke zur Spule eingestellt.
	Geladen werden die Kondensatoren direkt aus dem Netz über einen Strombegrenzungs- widerstand von 700 Ohm und Dioden in etwa 10 Sekunden auf etwa 300V. Eine Glimmlame dient der Ladeanzeige. Die letzte Lichtschranke direkt an der Mündung dient zur Geschwindigkeits- messung und Triggerung des Blitzes zur photograhischen Aufnahme des Schusses.

Betrieb:
Um die Wirkung der Projektile sehen zu können wurde ein ultraschnelles Blitzgerät (Blitzdauer ~ 5 us) gebaut. Die Kamera, Fujifilm Finepix S 5000, wird bei abgedunkeltem Raum auf eine lange Verschlußzeit von etwa einer Sekunde gestellt so wird die Belichtungszeit allein von der Blitzdauer bestimmt. Ausgelöst wird der Blitz mit einer Lichtschranke und einer dieser nachgeschalteten Verzögerungseinheit

Schuß durch eine Erdbeere	Schuß auf eine Glasscheibe	Schuß durch eine Glühbirne

	Der linke Zeitrafferfilm im Makro Media Flash Format (ca. 40kByte) ist aus fünf Einzelaufnahmen erzeugt und zeigt den Durchschuß einer Zuckerglasscheibe