EP0242501A1 - Vorrichtung zur Beschleunigung von Projektilen durch ein elektrisch aufgeheiztes Plasma - Google Patents

Vorrichtung zur Beschleunigung von Projektilen durch ein elektrisch aufgeheiztes Plasma Download PDF

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EP0242501A1
EP0242501A1 EP87100187A EP87100187A EP0242501A1 EP 0242501 A1 EP0242501 A1 EP 0242501A1 EP 87100187 A EP87100187 A EP 87100187A EP 87100187 A EP87100187 A EP 87100187A EP 0242501 A1 EP0242501 A1 EP 0242501A1
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41B—WEAPONS FOR PROJECTING MISSILES WITHOUT USE OF EXPLOSIVE OR COMBUSTIBLE PROPELLANT CHARGE; WEAPONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F41B6/00—Electromagnetic launchers ; Plasma-actuated launchers

Definitions

  • the present invention relates to a device for accelerating projectiles located in a tube closed on one side by an electrically heated plasma with the features of the preamble of claim 1.
  • a particularly disadvantage of these known devices is that a relatively large initial volume is required in which the plasma is generated and heated.
  • the present invention was therefore based on the object of further developing a device of the type mentioned at the outset so that the initial volume in which the plasma is generated and heated is as small as possible.
  • a known acceleration device is shown again, such as that from the Goldstein et. al. is described in more detail.
  • Fig. 1 denotes a tube which is closed on one side and on the tube bottom of which the closure is located a first electrode 2 is arranged.
  • a second electrode 3 (ring electrode) arranged electrically insulated from the first electrode is connected to the first electrode 2 via a voltage source 4 and a switch.
  • the two electrodes 2 and 3 define a plasma chamber designated 6 in the tube 1, which is initially closed in the area of the ring electrode 3 by a projectile 7 to be accelerated.
  • this device has the disadvantage that the plasma chamber 6 has a relatively large volume in which the driving pressure builds up relatively slowly.
  • FIGS. 2 and 3 show the embodiment of a device according to the invention, which manages with a slit-shaped plasma space.
  • the tube 10 of a plasma cannon is designated by 10, which at the same time forms the ring electrode 100 at its closure-side end.
  • the coaxial central electrode is identified by 11 and the insulating body between central electrode 11 and ring electrode 100 is identified by 12.
  • Part of the inner surface of the tube 10 is at the closure end with a burn-resistant contact material 13, for. B. lined with a sintered material of tungsten and Kopfer.
  • the projectile 14, the inner wall of the ring electrode 100 and the coaxial central electrode form a gap-shaped discharge space 15.
  • the acceleration process is initiated by closing the switch 5 (FIG. 3) by a discharge which is formed in the narrow gap 15 between the projectile 14 and the insulating piece 12 or the coaxial central electrode 11.
  • material is vaporized and heated up predominantly in the base areas of the hot arc.
  • further material is evaporated due to the close contact of the arc with the walls of the gap.
  • the resulting pressure drives the projectile 14 towards the pipe end.
  • a plasma 16 forms in the increasing plasma space behind the projectile 14.
  • FIG. 4 shows a simplified circuit diagram for operating the plasma cannon according to the invention.
  • the schematically represented plasma cannon was designated 9 and the simplified circuit diagram was designated 20.
  • 10 denotes the tube and the ring electrode, and 11 the first electrode.
  • a drive for. B. a motor powered by a liquid fuel
  • 22 denotes a DC generator.
  • the voltage generated by the direct current generator is fed via switch 23 to a capacitor 24, which acts as a capacitive energy store.
  • the capacitance 24 is connected on the one hand via a switch 25 to the first electrode 11 and on the other hand via a current-limited inductor 27 to the second electrode 10.
  • the capacitance 24 can be short-circuited via a switch 26.
  • the capacitive energy store 24 is charged to the voltage Uo.
  • the energy store is discharged via the inductor 27 and via the plasma in the accelerator.
  • the short-circuit switch 26 is closed. The decreasing current flow through the accelerator plasma is then maintained by the inductance of the coil 27.
  • the mode of operation of the plasma cannon does not essentially depend on the gap 15 between the projectile 14 and the coaxial electrode 10 (cf. FIGS. 2 and 3).
  • the gap-shaped intermediate space 15 can preferably also be filled with a slightly gassing material (for example polyethylene).
  • a slightly gassing material for example polyethylene
  • light-gassing materials are substances that break down into molecules (gases) with a low molecular weight (molecular weight ⁇ 30) under the effect of the arc discharge. Due to the additional material evaporation of this substance, the energy conversion in the plasma is controlled and the plasma pressure increases, so that the projectile leaves the tube 10 at a higher speed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschleunigung von in einem einseitig verschlossenen Rohr (10) befindlichen Projektil (14) durch ein elektrisch aufgeheiztes Plasma. Zur Erzeugung des Plasmas sind zwei Elektroden (100, 11) vorgesehen, wobei die erste Elektrode (11) in dem verschlußseitigen Teil des Rohres koaxial angeordnet und die zweite Elektrode (100) als Ringelektrode ausgebildet ist. Um das Anfangsvolumen, in dem das Plasma erzeugt und aufgeheizt wird, möglichst gering zu halten, wird vorgeschlagen, 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.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschleunigung von in einem einseitig verschlossenem Rohr befindlichen Projektilen durch ein elektrisch aufgeheiz­tes Plasma mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An­spruchs 1.
  • Es ist bekannt, daß mit elektrisch aufgeheizten Plasmen Projektile in metallischen Rohren auf hohe Geschwindig­keiten 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-AC05-81-­ER10846, May 1984). Bei diesen bekannten Vorrichtungen werden in engen Isolierstoffkapillaren Plasmastrahlen er­zeugt, die auf den Projektilboden einwirken. Durch Kon­takt der Gasentladung mit den Kapillarwänden kommt es zur Ablation von Isolierstoff und zur Aufheizung des Plasmas. Die Folge sind Plasmastrahlen, die aus den Kapillaröffnun­gen austreten.
  • Besonders nachteilig ist bei diesen bekannten Vorrichtun­gen, 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 weiterzu­entwickeln, 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 Ausge­staltungen der Erfindung wieder.
  • Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgen­den 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 auf­geheizten Plasmas;
    • Fig. 2 den Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrich­tung vor Zünden des Plasmas;
    • Fig. 3 den Schnitt einer erfindungsgemäßen Plasma­kanone nach Zünden des Plasmas;
    • Fig. 4 einen vereinfachten Schaltplan zum Betrieb der erfindungsgemäßen Plasmakanone;
    • Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Stromes in der Plasmakanone.
  • In Fig. 1 ist noch einmal eine bekannte Beschleunigungs­vorrichtung dargestellt, wie sie etwa aus dem eingangs zitierten Bericht von Goldstein et. al. näher beschrie­ben wird.
  • In Fig. 1 ist mit 1 ein einseitig verschlossenes Rohr bezeichnet, an dessen verschlußseitigem Rohrboden eine erste Elektrode 2 angeordnet ist. Eine zweite von der ersten Elektrode elektrische isoliert angeordnete Elek­trode 3 (Ringelektrode) ist über eine Spannungsquelle 4 und einen Schalter mit der ersten Elektrode 2 verbun­den. 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 Elek­troden 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 ver­hältnismäßis langsam aufbaut.
  • Die Fig. 2 und 3 zeigen das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit einem spaltför­migen Plasmaraum auskommt.
  • Mit 10 ist das Rohr einer Plasmakanone bezeich­net, welches gleichzeitig an seinem verschlußseitigen Ende die Ringelektrode 100 bildet. Die koaxiale Mittel­elektrode 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 Kontakt­material 13, z. B. mit einem Sinterwerkstoff aus Wolfram und Kopfer, ausgekleidet. Das Projektil 14, die Innen­wand der Ringelektrode 100 und die koaxiale Mittelel­ektrode bilden einen spaltförmigen Entladungsraum 15. Zur Beschleunigung des Projektils 14 wird dieses un­mittelbar vor bzw. so, daß ein spaltförmiger Entladungs­raum 15 gebildet wird, angeordnet. Der Beschleunigungs­vorgang 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 ver­dampft und aufgeheizt. Zusätzlich wird durch den engen Kontakt des Lichtbogens mit den Wänden des Spalts wei­teres 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 Elektro­de 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 kapazi­tive Energiespeicher 24 auf die Spannung Uo aufgeladen. Nach Einlegen des Schalters 25 zum Zeitpunkt t = t0 (vgl. auch Fig. 5), entlädt sich der Energiespeicher über die Induktivität 27 und über das Plasma im Beschleuniger. Wenn zum Zeitpunkt t = t1 der Strom i seinen maximalen Wert imax erreicht hat, wird der Kurzschlußschalter 26 geschlossen. Der abnehmende Stromfluß über das Beschleu­nigerplasma wird danach durch die Induktivität der Spule 27 aufrechterhalten.
  • Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der erfindungs­gemäßen Vorrichtung wurde bei eine Ladespannung von 9 kV ein Aluminiumkörper der Masse von m = 15g beschleunigt. Der Strom erreichte nach t1 = 88 µs sein Maximum von imax = 282 kA und fiel danach nahezu linear ab. Die Fluggeschwindigkeit des Projektiles be­trug 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. Poly­äthylen) 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 gersteuert 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 Roh­res koaxial angeordnet und die zweite Elektrode als Ringelektrode ausgebildet ist, dadurch ge­kennzeichnet, 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 ge­kennzeichnet, 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 ge­kennzeichnet, daß das Rohr (10) am verschlußseitigen Ende mit abbrandfestem Kontaktma­terial (13) ausgekleidet ist.
EP87100187A 1986-04-19 1987-01-09 Vorrichtung zur Beschleunigung von Projektilen durch ein elektrisch aufgeheiztes Plasma Expired EP0242501B1 (de)

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