レールガン



今回は、EMLの中で一番の速度を誇るレールガンを製作いたします。このレールガン製作は、電子工作などとはわけが違います。
使用するエネルギーソースは数kJにもなり、感電したら即死、あるいはレールが吹っ飛んだらこれまた死にます。
それが自分ならまだいいのですが、誰かを巻き込もうものなら大問題です。
なので、細心の注意を払い、安全に慎重に事を進めて行きます。

 

レールガンについて

レールガンは、先の説明のように、EMLの中では最高の速度(レールガンもコイルガンも理論上の上限は光速ですが、現実にはレールガンのほうが早い)を誇ります。
この速度を利用し、ISASではスペースデブリの衝突実験が行われています。また、電気的に制御でき、発射速度を調節することが容易なため、核融合炉への燃料投入にも使う予定だそうです。また、変わったところでは、マスドライバーへの転用が考えられますが、リニアモーター式の方がはるかに効率の面でいいと思われます。
今回は、前者の「スペースデブリ実験」として、製作、実験する予定でした。が、発射させ、個人レベルのレールガンである程度の加速を得ることが今回の目的です。
また、写真に「HAXA」ロゴが映っていますが、現在かの組織やその後継組織とは現在何の関わりもありません。一切関係ありません。
で、そもそも「銃刀法違反なんじゃねぇの?」という方がいると思いますので、しっかりご説明いたします。
まず、銃とは「装薬または圧縮空気を用いて金属弾を発射する機能を有する物」と定義されています。今回の実験用レールガンは、プラスティック弾体を使用し、プラズマを用いて加速させるものです。
つまり、これは銃とは定義されないわけです。また、そもそも手に持って使用することができない上、充電、再装填に時間が相当かかるので、実用性は皆無です。

先に忠告しておきますが、個人が「誰かに撃つためにレールガンを作りたい」なんて考えをもった人は、さっさとブラウザの戻るボタンを押してこのサイトから出ていくことをお勧めします。というか、出てください。迷惑極まりないです。
上記の発言を不快に思う方もいるかもしれませんが、ここは言わせていただきます。ハッキリ言ってそんな考えを持った奴は、カルト教団と何ら変わりありません。
そんな薄っぺらい信念のために科学を悪用してもらっちゃ、迷惑です。ボクは、これで実験をして、皆さんに楽しんでいただきたいのです。
まあ、悪用するような奴は、レールが破裂するか感電してすさまじいことになるので、それでもいいならどうぞ。ボクは知りません。

ああ、あと、何回も注意になってしまいますが、この実験を再現しようする方は、必ず「このサイトについて」をお読みください。いかなる結果だろうと、事故だろうと、管理人は責任をとれませんので、ご承知を。

仕組み

よく、レールガン発射の仕組みは、「ローレンツ力」で説明されます。
少しレールガンを知っている人はよくその言葉を聞くと思いますが、実際どういう原理なのかは、わからない方が多いと思いますので、ご説明いたします。
まず、ローレンツ力と言うのは、電気と磁場が関係してくる力のことです。基本的には「フレミングの左手の法則」と同じです。 磁力線の中に、垂直(磁力線と直角に交わる方向)に配置した導線に電流を流すと、導線が動く、というやつです。中学で習いますし、高校の物理でも出てきます。
これで、飛翔体なりプラズマなりを加速させます。
レールガンでは、どのようにローレンツ力が働くのかと言いますと、まず次の図をご覧ください。

まず左上には普通の導線があり、電流が流れて磁力線が出ています。この磁力線の向きは「右ねじの法則」でわかります。
この状態では、磁石を置くなりしないとローレンツ力は働きません。なので、U字型に導線を曲げてみます。これは、右下の状態です。
これは、レールガンのレールと飛翔体(プラズマ)と同じ形の回路です。
そして、次の図です。

左上の図の、赤い楕円で囲まれた部分に注目してください。ここは導線の、上の部分の磁力線、下の部分の磁力線、横の部分の磁力線が同じ方向を向いていることがわかると思います。
つまり、電源側から見た時に、回路全体の磁力線は右下の図のようにみなすことができます。この磁力線中の移動可能な導線、つまり飛翔体がローレンツ力を受け、加速されるのです。
こんな風に働き、飛翔体を発射します。

どうでもいいかもしれませんが、リニアモーターとは全く原理が違います。あれは、軌道上の電磁石の極を切り替えることによって、物体を移動させます。
また、飛翔体は導体でなくても構いません。ただし、後部に金属膜や、スチールウールなどを配置し、通電と同時にプラズマを生成させる必要があります。プラズマは電気を通しますので、ローレンツ力を受けて加速させる事が可能です。
発射方式としては、
・金属の飛翔体を用いて、レールに触れたままスイッチングする。
・金属の飛翔体を用いて、空気圧で電圧を印加しているレールに打ち込む。
・金属の飛翔体を、線爆発で電圧を印加しているレールに打ち込む。
・絶縁体製の飛翔体の後部に金属を配置し、プラズマを生成、プラズマのローレンツ力で加速させる。
などの方式があります。海外では二番目が多く、2009年現在世界的に一般なのは、四番目です。

製作

2008/10/18

値段が高く、入手が難しいポリカ板を入手することができたので、レールガン開発を本格的に始めます。

このポリカ板は8×210×346で、タダで入手できました。レール長は短くなりますが、この一枚からすべての部品を切りだします。
また、充電に使用するMOTも入手しました。

MOTというのは、Micro wave Oven Transformerの略で、文字通り電子レンジの中で使用されているトランスです。
これは、100Vから、マグネトロンを駆動するのに必要な2000Vまで昇圧するのに使われています。今回は、このMOTとスライダックを組み合わせて、必要な電圧を得ることにします。かなり一般的ですが。

2008/12/20

yahooオーククションでスライダックを購入すると、もれなくコンデンサを購入する資金がなくなるので、頂いてきました。

これは、東京精電製の10Aの物です。周囲が鋳物で出来ているため、かなり重いです。学校の校舎改修の際、廃棄される予定だった物を、許可を頂いて入手できました。実は、入手するよりも持って帰る方が大変でした(笑)
これでひとまず、昇圧系統の機材は揃いました。

2009/01/05

正月になっても製作です。このとき「2月までには試射する」という目標があったので、急いでいたのですが……

8mm厚の樹脂など加工したことがないので、どのようにして切断するか悩んでいました……
アクリルカッターで切断する部分に線を入れたはいいものの、割れるわけもなく、しばらくひたすら削っていました。

次の日、いい加減割れるだろうと、思いっきり体重をかけたところ見事に割れました(笑)
とりあえず、仮に組んでみます。

本体は四つの部品からできていて、上下に各一枚、左右に二枚です。左右は、実質的な厚さが50mm程度なのに対し、上下は8mm+金属レールの厚さとなります。
素材がポリカーボネートであり、3kJの爆発がすべてポリカにかかるわけではないので大丈夫だとは思いますが、結構不安です。
なので、実験は車庫の中で行い、スイッチングはセミオートの方式とすることにしました。

2009/01/10

本体にボルトによる固定用の穴をあけました。電動ドリルのバッテリがへばってきていたのか、すべての穴をあけるまでに三回ほど充電しました。

また、レールは交換性のいいアルミアングルを使用することにし、切断したアングルを組んでみました。

また、ケーブル接続部分は、右のように上下で長さを変えました。これは、レール同士の間隔が8mmであるため、ボルトの頭同士が接触してしまうからです
そして新たな問題が。アルミアングルは傷などを防ぐため、表面にアルマイト処理がしてあり、電気が流れません……これをはがさないことには全く使えないので、ヤスリで地道に削ることに。

2009/01/24

今回のプロジェクタイルは、プラスティク製の物です。プラズマによって加速されるため、弾は軽くなくてはなりません。

今回は塩ビ製の物です。すぐに作れるように、2mmの塩ビ板を積層させて製作しました。重さは、四角柱の方(1型)が1〜1.5g。尖っている方(2型)が1〜1.2gです。正確に計測していないのでわかりませんが、このようになっています。
本来ならば1g以下が望ましいのですが……いずれ、内部を肉抜きした物を製作します。

2009/02/07

コンデンサが届きました。

今回使用するのは、450V@8200μFの電解コンデンサです。四つで計3.3kJ。感電したら間違いなく死ぬか、指が吹っ飛ぶかのどちらかです。
予定では、これを二つ直列にして900V耐圧にした物を、二つ並列にして使用します。

2009/02/28

テストなど諸々の行事があって、しばらく製作が中断していました。
とりあえず、スイッチを製作しました。アルマイト剥しは、毎日ちまちま続けていますが、一向に剥がれません(笑)

左が外見です。二つ用意してあるのは、メインスイッチ用と電荷開放用です。
右は、内部です。損傷が激しいと考えられるので、交換性の面から袋ナットを使用しています。また、周囲は水道管キャップです(笑)

本来なら、サイリスタなどの無接点スイッチの方が、損失の面ではるかに優れているのですが、このようなギャップスイッチを使うのには理由があります。
レールガンは、瞬間的に数万〜数千万Aの電流が流れます。DIYでそのような電流に耐えるサイリスタやサイラトロンなどを買うと、数千万もの値段となります。
また、信頼性の面からも、ギャップスイッチが有効なのです。

2009/03/09

アルマイトと格闘するのもいい加減辛くなってきました。どうも、長期戦に持ち込んで戦意喪失させるのが奴らの戦法のようです(笑)
アルマイトごときで白旗を上げるのも納得いかないので、パイ○ユユッシュによって溶かしてみました。

効果はあったようです。片方は変色して金色になっていますが、削ればどうせ消えるのでそのままにしました。またネットでは、もっと多く使っている例が見れますが、残量がわずかだったので、ビニール袋に入れて使いました。
あと、強塩基のようなので、素手で触るのはやめた方がいいです。また、かなりの短時間にした方がいいです……皮膚が解けてヌルヌルします。

2009/03/21

この間も卒業式やら諸々の行事があって作業ができませんでしたが、必要な物をいろいろ買ってきました。

電力送電用ケーブルには、ブースターケーブルを二本束ねて使用します。
また、波動スイッチは、コンデンサの充電後にOFFにし、整流用ダイオードが吹っ飛ぶのを防ぎます。
圧着端子用のボルトもいくつか買ってきました。が、肝心のM8用の圧着は売っていませんでした……

2009/03/25

ついにアルマイトの駆逐に成功しました。

左はプラズマに面する方です。ここは、全面通電してくれないと困るので、すべて剥がし、裏面は圧着端子が接する部分を削ります。
削るのにこれだけ時間がかかるとなると、交換性がいいのか悪いのかわからなくなります。値段の面では優れているでしょうが……

また、効率をアップさせる構造も、このとき考えつきました。ですが、はじめのうちは、まだ発射できるかどうかすらわからないので、通常の状態で発射できたら取り付けることにします。

2009/03/28

次に日が中学の同窓会だというのに、昇圧ユニット、ギャップスイッチのテストと称して、缶クラッシャーで遊んでみることに。感電して死んだら、親が何と説明したらいいのかわからなくて困ること請け合いなので、かなり慎重に進めます。
缶クラッシャーと言うのは、缶に巻きつけたコイルにパルス電流を流すと、缶に流れる誘導電流によって缶が潰れるという物です。
今回は、450Vで830Jと低めの電圧です。

実験前に写真を撮ればよかったのですが、見事に忘れてしまいました。なので、実験後、半ば片付け終わった写真です。
結果は、電圧が低かったため、表面を触ってわずかにへこんだのがわかる程度でした……
また、こんな問題も出てきました。

袋ナットが、穴があいて使い物にならなくなりました。
三回使ったのですが、こんなもんではとても3.3kJに耐えられません。一回ごとに交換が必要になると考えられます。
なので、新型スイッチを作ることにします。

2009/03/30

29日は、同窓会で女子:男子比率9:3と、自分の学校ではまずあり得ない比率だったので、話したり愚痴を言ったり近況話したりくっつかれたりして過ごしました。
そんなわけで、一日つぶれてしまったのですが、ようやく圧着端子とフラックスなどを買ってきました。

まあ、フラックスを買ってきたのにはわけがありまして、鉄のはんだ付けをするからです。

このように、マウスボールの中身に、ナットをはんだ付けします。これで、ギャップスイッチ改の完成です。
はじめは、ダ○ソーのステンレス用はんだの説明を信用して、そのまま使ったのですが……樹脂製フラックスでは不可能でしたので。

2009/04/01


ケーブルを切りだして製作したのですが、深刻なはんだ不足です(笑)
どうも、見積もりが限りなく甘かったようです。この圧着のはんだ付けも中途半端なので、このまま使うともれなく火花を散らしてえらいことになります。
買ってこないといけないようです……

2009/04/03

レールガンには、パルス電流を延長し、コンデンサを保護するためのインダクタが必要です。今回はレール長が300mm、450Vでの容量が32800μFなので、巻き数は少なめにします。

巻き数はおよそ7回。通電中は強力な磁場が発生しますので、近くに電子機器があると、壊れる可能性が高いです。

2009/04/11

はんだも入手し、圧着は完璧に接続されました。
なので、仮組してみます。

また、尾栓も作成しました。必要以上に強度があると問題なので、塩ビ板一枚だけです。
すでに夜なので、明日、発射試験です。プロジェクタイルは、2型の方です。

発射試験1

2009/04/12

今回は、450Vでの射撃です。プラズマ源には、スチールウールを使用します。
また、スイッチングはセミリモートスイッチング装置が不調なため、絶縁体の棒でスイッチングすることにします。

コンデンサバンクです。端子はM5のボルトなので、M8に変換するためにアルミ板を使用しています。実は、金のこで切ると時間がかかるので、つぶした釘で穴を連続であけて切りました。


昇圧ユニットです。今回は半端整流なので、充電時間は多少遅くなります。


テスタです。今回は500Vレンジまでの物です。

このようなもので、試験をします。
また、今回より、2カメ体制での記録となります。メインカメラにDVDCAM、サブカメラにデジカメです。全体の写真は、撮り忘れてしまいました……

結果は、失敗でした……二回ほど調整して発射しましたが、どうやらプロジェクタイルに根本的な問題があるようです。加工精度が低いため、引っかかる部分があるようなのです。
また、動画で確認してみたところ、後部からプラズマが盛大に漏れていました。

このため、次の週までに改良し、発射できるようにします。

2009/04/18

今回も、同じく450Vでの発射となります。尾栓を改良し、プロジェクタイルは1型を使用します。

どちらも発射の瞬間です。動画からの切り出しなのですが……どちらも同じ動画からなのに、アスペクト比が違ったり、明るさが違っています。
よく見ると、スパークギャップからも、火花が散っていることがわかると思います。
結果ですが……


加工精度、電圧、レール長などの関係から、空き缶貫通はなりませんでした。
他にも口径が大きく、面積あたりにかかる力が小さいことも考えられます。いずれにせよ、改良は必至です。

また、スパークギャップは、こんなことになりました。

かなりのエネルギーであることがわかります。この程度の損傷であれば、あと数十回いけます。

あと、動画をupしました。最近レールガンと言えば、某MGSやエースコン○ットよりも御坂美琴さんの方が有名なので、あれのOPを調べて再現してみました。
今回は、Premiere Proを使いました。WMMクオリティからの脱却です(笑)

改良

2009/05/03

皆さんは、フレミングの左手の法則の実験として、二本の金属棒の上に金属棒を乗せ、電流を流してコロコロ転がす実験を覚えているでしょうか?
そうです。電源装置やら乾電池やらで、導線をつなげると小さな火花が散って、金属棒が転がる小規模もいいところの実験です。
あの実験では、転がる金属棒の下に、磁石を置くことがあったのを覚えているでしょうか? 改良のヒントは、そこにあります。磁石があるときとない時では、ある時の方が、よく動いたのではないでしょうか?
つまり、レールガンでも磁束を増やしてやれば、効率が上がる可能性があるわけです。今回は、パルス延長用のインダクタより発生する磁力を活用します。

今回は、このようにレールの左右にインダクタを配置しました。巻き数は合計で6回です。450Vのときに電荷が余っていたので、これくらいで大丈夫なはずです。また、+と−を間違えると効果がないです。
また、コンデンサバンクはこのように接続します。

二本直列に接続したものを、並列に接続しています。全体で900V@82001μFとなります。
実は、900Vを計測できるテスタがなかったため、分圧器を製作しました。分圧器と言うのは、二つの抵抗を用いて、電圧を計測する物です。
抵抗を直列につなぎ、真ん中とGNDを計測すると、もとの電圧の数分の一ので電圧が表示されます。今回は、同じ抵抗値のものを使うので、1/2で表示されます。

すべて直列で40kΩです。実は20kΩ一つと、10kΩ二つを直列に接続しています。
これを作って、試験をしたわけなのですが……元の電圧を計測するのに最大500Vまで計測できる物を使い、分圧器に300Vまでの物を使ったのですが……どうやら、500Vの方は最大450Vまでだった(目盛りは500Vまでですが、実際は450Vまでしか流せない)ようで、抵抗が焼けてしまいました。

カラーコードが読み取れないので、残念ながら修復不可能です……
私的なお願いなのですが、
誰か同じテスタを持っている方がいたら、是非とも抵抗値を教えてください……
お願いします……

そんなわけで、DC1000Vまで計測可能な新しいテスタを購入しました。

今度は、抵抗の写真を撮り、修復できるようにしました。

発射試験2

そんなわけで、今までと同じように充電してみたのですが……電圧がなかなか上がりません。どうやら、テスタの仕様のようです。
なので、計測できたのは700Vまでです。以下、発射時の写真です。

左が発射直前、右が発射直後です。よく見ると、インダクタが吹っ飛んでるのがわかると思います。強力な磁場によって、インダクタが丸くなろうとし、固定していた台から離れています……改良の余地がありまくりなようです。
また、再び後ろからプラズマが漏れ、内部にはスチールウールの残りが。
硬く詰めすぎ、量が多かったのが原因のようです。

そして、再びテスタは焼けました。写真を撮っていたのですが、よく見ると近くに抵抗値の表記が。しかも、基板のパターンまでもが焼けていたので、修復不可能……新しいものを買うしかないようです……
もちろん、DC1000Vレンジ以外は使えるので、抵抗を交換して使います。

 

2009/05/09

と言う訳で、磁力を増加させて効率アップを図りました。
磁力を調節して運動を制御する試みは、レールガンだけではなくモータなどでも行われています。ただしモータの場合は、磁力を弱める方だそうですが。

射撃試験その3

先日900Vで充電できなかったので、450Vでの射撃です。標的は、今までの射撃試験で損傷させることができなかったLas colaです。
セッティングした様子を公開しても、今までと大差ないですので、省略します。なんか、一カ月ぶりに記事を書く(テストなどありましたので)ので、ぐだぐだな文になっていますが、どうかご勘弁ください。
で、射撃の瞬間です。

なんか、微妙に映像に乱れが……強い光を撮ったことによるものなのか、EMPだと思われます。
射撃の後、缶が倒れたくらいだと思っていましたが、実はきれいに貫通していました。

綺麗に四角い穴があいているところを見ると、どうやら相当なスピードが出ていたようです。砲身の調整、インダクタの具合などの影響も考えられますが、少なくとも効率化は成功したようです。
kisaragiさんの実験データを引用させていただくと、500mm級の精度が高いレールガンで3.3kJ(450V)射撃の場合とほぼ同等の結果ですので、全長300mmの精度の低いレールガンでは効率は高い方かと考えられます。
また、缶の裏に置いていた段ボールには、プロジェクタイルがめり込んでいました。

段ボールの中にいろいろ詰めてあったので、まだ行けるかもしれません。
さらに、インダクタは広がってしまいました。

念入りに固定したはずですが、根本的な固定方法の見直しが必要なようです。仕方ありませんので、ガムテープで簡易補修です。
今度は、ペプシに発射してみます。まぐれでなければ、今度も貫通するはずです。
発射の瞬間です。

先ほどの射撃と大差ないですが、やはりスイッチから大量の火花が出ています。

結果は、見事貫通……一歩手前です。ボトルは少々厚いので、まだ微妙なようです。

そんなところで、動画をupしました。

製作、実験を終えて。

今回は、小規模なエネルギー、限られたレール長で、どれほどの効率を得られるのかわかりました。あと、即死級の電気を扱えるようになりました。
まあ、言ってしまえば、作りたいと思っていましたので、作れてよかったです。
インダクタの磁場を利用する方式ですが、インダクタの長さとか、インピーダンスに限界があるので、ある程度の長さでは、電磁石によって他の電源から磁場を供給したほうがいいと思われます。鉄製の砲身の場合、ちょっと怪しいかもしれません……
あと、とりあえず次の写真を見てください。

装置の片付けの最中です。かなり移動が大変です(笑)
外に出しておくと、何があるかわからないので、毎回毎回出し入れの繰り替えしです。まあ、こんなもんへでもないのですが……

最後になりますが、くれぐれも人に向けて撃たないようにしてください。


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