Schienen Beschleuniger (Rail Gun)

ein fast sagenumwobener Massenbeschleuniger ist die Schienkanone, besser bekannt als Railgun. Schon 1917 wurde von Fauchon-Villeplee ein funktionierendes Modell gebaut.Und während des zweiten Weltkrieges (Lusar, Rudolf "Die deutschen Waffen und Geheimwaffen des 2 Weltkriegs") wurden entsprechende Versuche angestellt. Später wurden vielfach Geräte dieser Art, vor allem für Forschungszwecke aufgebaut. Auch zahlreiche Bastler versuchten und versuchen sich, mit mehr oder weniger großem Erfolg, an diesen interessanten Experiment.Allerdings ist die Realisierung deutlich schwieriger und aufwendiger, als z.B. einer einfachen >>Coilgun<<

Prinzip: das Prinzip der Railgun ist sehr einfach. Ein beweglicher Kurzschluß zwischen zwei stromdurchflossenen Schienen wird durch die Kraftwirkung des entstehenden magnetischen Feldes beschleunigt und dient als Projektil oder Projektilträger.Die Formeln zeigen, die bei einem bestimmten Strom entstehende Kraft, und die mit dieser Kraft, einer bestimmten Schienenlänge und einer Projektilmasse zu erreichende Mündungsgeschwindigkeit. Nicht berücksichtigt sind Einflüsse wie Reibung, Luftwiderstand u.s.w.

Ein Rechenbeispiel mit den rechten Parametern ergibt nach Umstellung der Formeln folgende Werte. Die notwendige Kraft beträgt 500 N und der dazu erforderliche Strom 34 kA !. Man sieht, so einfach das Prinzip ist, so schwierig ist die tech-nische Umsetzung. Um hohe Beschleunigungen, und somit hohe Geschwindigkeiten, zu erzielen müssen sehr hohe

Masse m = 1g	Schienenlänge s = 1m
Geschwindigkeit v = 1000 m/s	Schienenabstand w = 1cm
	Schienendurchmesser d = 1cm
	Strom J = 34 kA
Kraft F = 500 N	Zeit t = 2 ms

Ströme im Kreis und somit auch durch den Gleitkontakt fliesen. Dies führt zu starken Kontaktabbrand an den Übergangswiderständen zwischen Schienen und Gleitstück. Gleichzeitigt sollte aber der Kontaktdruck nicht zu groß sein um die Reibung des Gleitstückes klein zu halten.
Eine Möglichkeit die Ströme über den Gleitkontakt klein zu halten und trotzdem eine große Beschleunigung zu erzielen bietet sich das Prinzip der "augmented Railgun" zu deutsch etwas unglücklich vermehrte/unterstütze Schienenkanone. Dabei wird das magnetische Feld durch zusätzliche Spulen oder Permanentmagnete erhöht ohne daß der Strom durch den Gleitkontakt erhöht werden muß. Für die Verwirklichung der spulenunterstützten Railgun bieten sich zwei Schaltungsmöglichkeiten, seriel und parallel, an. Bei der seriellen Schaltung wird die Spule (Stromschiene->Gleitstück->Stromschiene) um ein oder mehrere Wicklungen ergänzt, bei der parallelen werden Spule(n) parallel zur den Schienen geschaltet. Eine Abart der Parallelschaltung ist die "autoaugmented" Railgun, dabei wird die Mündung der Schienen mit einem Shuntwiderstand verbunden sodaß nur einTeil des Stromes über den Gleitkontakt fliesst. Das erfordert natürlich eine genaue Abstimmung zwischen Shuntwiderstand und Kontaktwiderstand des Gleitstückes

Aufbau:

Kondensatorbank: Für den Bastler kommt als Stromquelle wohl nur eine Kondensatorbank in Frage. Andere Quellen wie Homo-polargeneratoren, Compulsatoren oder Sprengstoff betriebene Generatoren (Flußkompressoren) scheiden sicher aus. Wie aus dem obigen Rechenbeispiel zu ersehen ist muß der Strom auch über eine verhältnissmaßig lange Zeit (2 ms) fließen. Günstig wäre da eine hochkapazitive Bank mit mittlerer Spannung. Für die Versuche stand eine Bank bestehend aus 10 Einzelkondensatoren zu je 6800uF/350V zur Verfügung. Laut Datenblatt (Epcos) haben diese Kondensatoren eine Impedanz von 25mOhm und eine Eigen-induktivität von 25nH. Die Energie bei 350V Ladespannung beträgt 4 kJ. Geladene Kondensatoren dieser Kapazität sind nicht ganz ungefährlich nicht nur die Gefahr eines elektrischen Schlages, sondern auch die rein mechanische Wirkung der Entladung deren Wirkung immerhin der von etwa 1g TNT entspricht, kann verheerend sein

Schalter: ein Problem stellt der notwendige Hochstromschalter dar. Versuche den Kurzschlußschieber selbst als Schalter zu verwenden scheiternden auf Grund der starken Funkenbildung. Eine Funkenstrecke ist bei Spannungen um 400V auch nicht gut zu gebrauchen. Die beste Lösung wären Thyristoren oder IGBT ' s, die aber in ausreichender Leistung nicht zur Verfügung standen. Relativ einfach selbst zu bauen und für höchste Ströme geeignet ist der

dielektrische Schalter, besser unter seiner englischen Bezeichnung 'dieelectric switch' bekannt. Zwei Elektroden sind nur durch eine dünne Isolierschicht getrennt. Zur Auslösung des Schaltvorganges wird diese Isolierschicht zerstört und somit der Schalter geschlossen. Die lange Wiederholzeit des Schalters, die Isolierschicht muß immer wieder erneuert werden, spielt in diesem Fall keine Rolle, die Railgun soll ja nicht als Repetiergewehr verwendet werden. Aufgebaut wurde der Schalter aus zwei massiven Wolframelektroden (aus einer alten Blitzlampe), dazwischen befindet sich ein dünner Draht, der mit Tesafilm isoliert ist. Wird der Draht nun durch eine Kondensatorentladung zur Explosion gebracht schliest die entstehende Plasmawolke den Schalter. Der Auslöseschalter kann ein einfacher Thyristor sein, da nur relativ kleine Ströme ( einige Hundert Ampere) zur Verdampfung des Drahtes notwendig sind

Railgun: die Railgun wurde als seriell unterstützte Ausführung gebaut, in der Hoffnung das die höhere Impdanz die etwas niedrige Kapazität der Kondensatorbank von 68mF ausgleicht. Der 50 cm lange Beschleuniger ist aus Kupferschienen und Plexiglas aufgebaut.
Das Projektil ist wie üblich aus einem geschlitztem Messingquader gefeilt und passt streng zwischen die Schienen. Die ursprünliche Idee ein Graphitprojektil zu verwenden mußte verworfen werden, da die Schienen nicht genau genug parallel justiert werden konnten und Graphit leider keine Federeigenschaften aufweist.

Die ersten Testschüsse:

Der erste Testschuss war ziemlich enttäuschend. Das Projektil bewegte sich nur etwa 2 mm zwischen den Schienen, dafür flogen Bruchstücke des Schalters ziemlich schnell und weit. Der Schalter muß also neu konstruiert werden, der Isolator (PVC) darf nicht auf Zug sondern muß einer Drucklast ausgesetzt werden. Weiter zeigte sich ein Durchschlag zwischen einer der äußeren Hilfs-schienen und einer Hauptschiene. Auch die verwendeten Kupferlitzenbänder sind zu schwach und werden durch das Magnetfeld stark deformiert. Ignitron: Für die weiteren Versuche wird nun als Schalter ein Ignitron verwendet. Ein Ignitron ist eine Schaltröhre, ähnlich einem Thyratron, nur das die Kathode des Ignitron nicht geheizt ist sondern aus einem Quecksilberpool besteht der sehr hohe Emissionsströme liefern kann. Ein in das Quecksilber eintauchender Halbleiterzündstift zündet einen lokalen Lichtbogen, der sehr schnell (Mikrosekunden) auf die Hauptanode übergreift. Der verwendete Typ > GL-7171 < ist für unsere Zwecke gut geeignet.

	Auch ein anderes Projektil wurde verwendet, von den > Profis < abgeschaut, wird nun ein Plexiglasprojektil mit eingepressten Bürsten aus feindrähtiger Kupferlitze verwendet. Diese Bürsten gleichen Unebenheiten und Abweichungen der Schienen federnd aus, so wird es möglich die Railgun mit voller Energie ohne sichtbare Funken- und Bogenentladung und der damit verbundenen starken Erossion der Schienen, abzufeuern. Das Bild zeigt das Geschoß nach dem Abschuß!

Der Erfolg des neuen Projektils sind auf den obigen Bildern deutlich zu sehen. Während auf dem linken Bild Flammen aus den Schienen schlagen, verbunden mit einem ohrenbetäubendem Knall, ist auf dem rechten Bild mit dem neuen Projektil nichts zu sehen. Wahrscheinlich wird das Projektil im linken Bild durch die entstehende Plasmaarmatur angetrieben, die weitaus größere Stichflame an der Mündung, als am hinteren Ende, ist ein Indiz dafür. Die Stichflame nach oben kommt durch einen Riss in der oberen Plexiglasabdeckung. Die Energie und die Geschossgeschwindigkeit (ca. 100m/s) sind in beiden Fällen gleich. Der Funkenflug an der Anode des Ignitrons stammt von einem schlechtem Schraubkontakt

Neuer Aufbau:

Nach den erfolgreichen Vorversuchen wurde eine neue Railgun mit einer etwas geänderten Konstruktion auf gebaut. Ein einfaches Wechseln der inneren Schienen wird durch die Verwendung von Presskontakten erlaubt. Auch wurde eine neue Kondensatorbank aufgebaut, bestehend aus 30 x 5700F Elkos, die bei einer maximalen Ladespannung von 370V eine Energie von 12kJ speichert. Kondensatorbank, Ignitron, Lade- und Triggerschaltung wurden zusammen mit der Railgun zu einer kompakten Einheit verbaut.

Blick auf das Gerät von der rechten Seite. Auffällig ist der große Netztrafo rechts und links daneben das Ignitron. Alle Verbindungen im Entladungskreis müßen sorgfältig ausgeführt werden, da die elektro-magtischen Zugkräfte sehr große Werte erreichen können. Wo möglich sollte man Lötverbindungen zusätzlich verschrauben oder gleich hartlöten. Vorallem am Anodenanschluß des Ignitrons muß der mechanische Streß abgefangen werden um eine Beschädigung der Glasdurchführung zu verhindern.
Bei höheren Ladespannungen, und den daraus resultierenden Ströme läßt sich trotz Bürstenkontakt ein Übergang in eine Bogenentladung nicht immer vermeiden, sodaß das Projektil von einem helleuchtenden Plasmastrahl begleitet wird.

Dieses Bild zeigt einige interessante Details. Zur Auslösung des Blitzes wurde ein Alufoliestreifen verwendet, dessen Durchtrennung zur Triggerung des Blitzes führt. Es scheint, daß der Alustreifen schon zerstört ist bevor er vom Projektil erreicht wird. Grund ist wohl der Gasstrahl, der offenbar das Projektil überholt. Desweiteren ist ein zweiter Blitz zu sehen, der wahrscheinlich von dem durch den heißen Gasstrahl enzündeten Alustreifens herrührt.

Die Schallmauer ist geknackt !!!

Das rechte Bild zeigt das Geschoß im Flug. Mit einer Ladespannung von 350V und guten Bürsten, das heißt kein Übergang zu Bogenentladung, fliegt Projektil während der Messzeit von 300 us ca. 10 cm weit. Die Geschwindigkeit beträgt somit 333 m/s. Bei diesem Tempo ist die Blitzdauer schon etwas zu lang, und eine Bewegungsunschärfe ist sichtbar. Getriggert wurde der Blitz von einem Draht der durch das Geschoß durchtrennt wird.