DE3613260A1 - Vorrichtung zur beschleunigung von projektilen durch ein elektrisch aufgeheiztes plasma - Google Patents
Vorrichtung zur beschleunigung von projektilen durch ein elektrisch aufgeheiztes plasmaInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Beschleunigung von in einem einseitig verschlossenem Rohr
befindlichen Projektilen durch ein elektrisch aufgeheiz
tes Plasma mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An
spruchs 1.
Es ist bekannt, daß mit elektrisch aufgeheizten Plasmen
Projektile in metallischen Rohren auf hohe Geschwindig
keiten beschleunigt werden können (vgl. Goldstein S.A.
et. al. Final Report on Research and Development of a
Plasma Jet Mass Accelerator as a Driver for Impact Fusion;
GT-Devices, Alexandria, VA, USA, Contract DE-ACO5-81-
ER10846, May 1984). Bei diesen bekannten Vorrichtungen
werden in engen Isolierstoffkapillaren Plasmastrahlen er
zeugt, die auf den Projektilboden einwirken. Durch Kon
takt der Gasentladung mit den Kapillerwänden kommt es zur
Ablation von Isolierstoff und zur Aufheizung des Plasmas.
Die Folge sind Plasmastrahlen, die aus den Kapillaröffnun
gen austreten.
Besonders nachteilig ist bei diesen bekannten Vorrichtun
gen, daß ein relativ großes Anfangsvolumen erforderlich
ist, in dem das Plasma erzeugt und aufgeheizt wird.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so weiterzu
entwickeln, daß das Anfangsvolumen, in dem das Plasma
erzeugt und aufgeheizt wird, möglichst gering ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche geben besonders vorteilhafte Ausge
staltungen der Erfindung wieder.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgen
den anhand von Ausführungsbeispielen, welche mit Hilfe von
Figuren erläutert werden, beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Beschleunigung
von Projektilen mittels eines elektrisch auf
geheizten Plasmas;
Fig. 2 den Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrich
tung vor Zünden des Plasmas;
Fig. 3 den Schnitt einer erfindungsgemäßen Plasma
kanone nach Zünden des Plasmas;
Fig. 4 einen vereinfachten Schaltplan zum Betrieb
der erfindungsgsmäßen Plasmakanone;
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Stromes in
der Plasmakanone.
In Fig; 1 ist noch einmal eine bekannte Beschleunigungs
vorrichtung dargestellt, wie sie etwa aus dem eingangs
zitierten Bericht von Goldstein et. al. näher beschrie
ben wird.
In Fig. 1 ist mit 1 ein einseitig verschlossenes Rohr
bszeichnet, an dessen verschlußseitigem Rohrboden eine
erste Elektrode 2 angeordnet ist. Eine zweite von der
ersten Elektrode elektrische isoliert angeordnete Elek
trode 3 (Ringelektrode) ist über eine Spannungsquelle
4 und einen Schalter mit der ersten Elektrode 2 verbun
den. Durch die beiden Elektroden 2 und 3 wird in dem Rohr
1 eine mit 6 bezeichnete Plasmakammer definiert, die
im Bereich der Ringelektrode 3 zunächst durch ein zu
beschleunigendes Projektil 7 abgeschlossen ist.
Nach dem Schließen des Schalters 5 wird zwischen den Elek
troden 2 und 3 ein Lichtbogen gezündet und daß Projektil 7
durch den Druck des Lichtbogenplasmas beschleunigt.
Wie bereits eingangs erwähnt, weist diese Vorrichtung den
Nachteil auf, daß die Plasmakammer 6 ein relativ großes
Volumen aufweist, in der der treibende Druck sich ver
hältnismäßis langsam aufbaut.
Die Fig. 2 und 3 zeigen das Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einem spaltför
migen Plasmaraum auskommt.
Mit 10 ist das Rohr einer Plasmakanone bezeich
net, welches gleichzeitig an seinem verschlußseitigen
Ende die Ringelektrode 100 bildet. Die koaxiale Mittel
elektrode ist mit 11 und der Isolierkörper zwischen
Mittelelektrode 11 und Ringelektrode 100 ist mit 12
gekennzeichnet.
Ein Teil der inneren Oberfläche des Rohres 10 ist am
verschlußseitigen Ende mit einem abbrandfesten Kontakt
material 13, z. B. mit einem Sinterwerkstoff aus Wolfram
und Kupfer, ausgekleidet. Das Projektil 14, die Innen
wand der Ringelektrode 100 und die koaxiale Mittelel
ektrode bilden einen spaltförmigen Entladungsraum 15.
Zur Beschleunigung des Projektils 14 wird dieses un
mittelbar vor bzw; so, daß ein spaltförmiger Entladungs
raum 15 gebildet wird, angeordnet. Der Beschleunigungs
vorgang wird durch Schließen des Schalters 5 (Fig. 3)
durch eine Entladung eingeleitet, die sich in dem engen
Spalt 15 zwischen Projektil 14 und Isolierstück 12 bzw.
koaxialen Mittelelektrode 11 ausbildet. Während des
raschen Anstieges des Stromes i wird überwiegend in den
Fußpunktsgebieten des heißen Lichtbogens Material ver
dampft und aufgeheizt; Zusätzlich wird durch den engen
Kontakt des Lichtbogens mit den Wänden des Spalts wei
teres Material verdampft. Der dabei entstehende Druck
treibt das Projektil 14 in Richtung des Rohrendes.
Während der Beschleunigung bildet sich in dem größer
werdenden Plasmaraum hinter dem Projektil 14 ein Plasma
16 aus.
Fig 4 zeigt einen vereinfachten Schaltplan zum Betrieb
der erfindungsgemäßen Plasmakanone; Mit 9 wurde dabei
die schematisch dargestellte Plasmakanone und mit 20 der
vereinfachte Schaltplan bezeichnet. Mit 10 ist das Rohr
und die Ringelektrode, und mit 11 die erste Elektro
de bezeichnet.
In dem Schaltplan 20 wird mit 21 ein Antrieb, z. B.
ein mit einem Flüssigtreibstoff gespeister Motor, und
mit 22 ein Gleichstromgenerator bezeichnet. Die von
dem Gleichstromgenerator erzeugte Spannung wird über
den Schalter 23 einer Kapazität 24 zugeführt, die
als kapazitiver Energiespeicher wirkt. Die Kapazität
24 ist einerseits über einen Schalter 25 mit der ersten
Elektrode 11 und andererseits über eine strombegrenzte
Induktivität 27 mit der zweiten Elektrode 10 verbunden.
Außerdem kann die Kapazität 24 über einen Schalter 26
kurzgeschlossen werden.
Zu Beginn des Beschleunigungsvorganges ist der kapazi
tive Energiespeicher 24 auf die Spannung Uo aufgeladen.
Nach Einlegen des Schalters 25 zum Zeitpunkt t = t 0 (vgl.
auch Fig. 5), entlädt sich der Energiespeicher über die
Induktivität 27 und über das Plasma im Beschleuniger;
Wenn zum Zeitpunkt t = t 1 der Strom i seinen maximalen
Wert i max erreicht hat, wird der Kurzschlußschalter 26
geschlossen. Der abnehmende Stromfluß über das Beschleu
nigerplasma wird danach durch die Induktivität der Spule
27 aufrechterhalten.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der erfindungs
gemäßen Vorrichtung wurde bei einer Ladespannung von
9 kV ein Aluminiumkörper der Masse von m = 15g
beschleunigt; Der Strom erreichte nach t 1 = 88 µs
sein Maximum von i max = 282 kA und fiel danach nahezu
linear ab. Die Fluggeschwindigkeit des Projektiles be
trug dabei 1020 m/s.
Bei allen durchgeführten Versuchen hat sich ergeben, daß
die Funktionsweise der Plasmakanone nicht wesentlich von
dem Spalt 15 zwischen Projektil 14 und der koaxialen
Elektrode 10 (vgl. Fig. 2 und Fig. 3) abhängt. So war es
beispielsweise auch möglich, das Projektil 15 direkt vor
der koaxialen Innenelektrode 11 anzuordnen (Abstand
zwischen Innenelektrode und Projektil = 0).
Vorzugsweise kann der spaltförmige Zwischenraum 15 aber
auch mit einem leicht gasenden Material (z. B. Poly
äthylen) gefüllt werden. Als leichtgasendes Material
werden dabei solche Stoffe bezeichnet, die unter der
Wirkung der Lichtbogenentladung in Moleküle (Gase) mit
niedrigem Molekulargewicht (Molekulargewicht < 30)
zerfallen. Durch die zusätzliche Materialverdampfung
dieses Stoffes wird der Energieumsatz im Plasma gesteuert
und es erhöht sich der Plasmadruck, so daß das Projektil
mit höherer Geschwindigkeit das Rohr 10 verläßt.
Claims (4)
1. Vorrichtung zur Beschleunigung von in einem einseitig
verschlossenen Rohr befindlichen Projektil durch ein
elektrisch aufgeheiztes Plasma, bei der zur Erzeugung
des Plasmas zwei Elektroden vorgesehen sind, wobei die
erste Elektrode in dem verschlußseitigen Teil des Roh
res koaxial angeordnet und die zweite Elektrode als
Ringelektrode ausgebildet ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß die zweite Elektrode am
verschlußseitigen Ende des Rohres (10) angeordnet ist
und daß die Elektroden (11, 10) zusammen mit dem zu
beschleunigenden Projektil (14) einen spaltförmigen
Entladungsraum (15) bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich in dem spaltförmigen
Entladungsraum (15) leichtgasende Stoffe befinden.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die
zweite Elektrode durch das Rohr (10) selbst gebildet
wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Rohr (10) am
verschlußseitigen Ende mit abbrandfestem Kontaktma
terial (13) ausgekleidet ist.
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