EP0412895B1

EP0412895B1 - Charge propulsive pyrotechnique à allumage électrique

Info

Publication number: EP0412895B1
Application number: EP19900402250
Authority: EP
Inventors: Michel Roche; André Nicolas
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1989-08-08
Filing date: 1990-08-06
Publication date: 1993-05-05
Anticipated expiration: 2010-08-06
Also published as: DE69001525D1; FR2650884B1; FR2650884A1; EP0412895A1; DE69001525T2; ES2041159T3

Description

La présente invention concerne une charge pour lanceur électrothermique. Elle s'applique à l'accélération de projectiles jusqu'à de très grandes vitesses.
Un lanceur électrothermique appartient à la catégorie des lanceurs qui utilisent l'énergie électrique pour propulser des projectiles. On connaît essentiellement trois types de lanceurs électriques :

le lanceur à rails,
le lanceur à induction, et
le lanceur électrothermique auquel se rapporte la présente invention.

Dans un lanceur électrothermique, on forme et l'on chauffe un milieu approprié, grâce à de l'énergie électrique qui est généralement fournie par un banc de condensateurs, afin de propulser un projectile.
La catégorie des lanceurs électrothermiques se divise elle-même en deux grandes classes, à savoir les lanceurs électrothermiques à décharge lente et les lanceurs électrothermiques à décharge rapide.
Dans un lanceur électrothermique à décharge lente, le banc de condensateurs fournit son énergie au milieu propulseur pendant toute la durée du parcours du projectile à l'intérieur du lanceur.
Les lanceurs à décharge lente ont essentiellement été développés par la société américaine J.C.DEVICES et les documents suivants s'y rapportent :

(1) article de R.L. BURTON et al. intitulé "EMET Technology for rail launchers", comptes rendus de "3rd Symposium on electromagnetic launch technology", 21-24 avril 1986, Austin Texas E.U.A.
(2) article intitulé "Plasma -pulse-accelerator", de Jürgen G.H. SALGE et al., Institut Für Hochspannungstechnik, Technische Universität Braunschweig R.F.A. et de Wolfram WITT, Rheinmetal GmbH, Düsseldorf R.F.A.

Dans un lanceur électrothermique à décharge rapide, l'énergie du banc de condensateurs est transférée à une charge pendant un temps très court, de sorte que le projectile n'a pas le temps de se déplacer pendant ce temps de transfert de l'énergie. Les lanceurs à décharge rapide sont mentionnés dans le document suivant : (3) communication de M. GUILLEMOT, A. NICOLAS et M. ROCHE, intitulée "Projectile Launching by an electrothermal gun" et présentée au "4th Symposium on electromagnetic launch technology, Austin, U.S.A., 19-21 avril 1988.
La présente invention concerne une charge pour lanceur électrothermique, qui est adaptée aux lanceurs électrothermiques à décharge rapide et donc plus particulièrement utilisable avec ces derniers.
Pour ce faire, il faut concevoir une charge qui permette une décharge rapide du banc de condensateurs ainsi qu'un chauffage très fort du milieu propulseur au moyen d'une haute tension.
La présente invention vise à résoudre ce problème.
De façon précise, elle a pour objet une charge pour lanceur électrothermique, cette charge comprenant au moins un élément électriquement isolant, décomposable par pyrolyse et, dans cet élément, une résistance électrique dont une extrémité est destinée à être portée à une haute tension électrique par rapport à son autre extrémité afin de chauffer la résistance et de provoquer ainsi une pyrolyse de l'élément, qui transforme ce dernier en un milieu gazeux apte à propulser un projectile hors du lanceur, charge caractérisée en ce que la résistance électrique forme un bobinage dans l'élément isolant, en ce que les deux extrémités de ce bobinage sont éloignées l'une de l'autre, et en ce que le bobinage est très faiblement inductif et réparti de façon sensiblement homogène dans l'élément.
Par "bobinage très faiblement inductif", on entend un bobinage dont l'inductance ne dépasse pas 20 nH environ, cette inductance étant par exemple de l'ordre de quelques nanohenrys.
L'utilisation d'un bobinage très faiblement inductif permet la décharge rapide du banc de condensateurs et ce, même si la résistance électrique en forme de bobinage a, ce qui est préférable, une grande longueur, par exemple de l'ordre de 1 mètre.
L'éloignement l'une de l'autre des deux extrémités du bobinage contribue à éviter les claquages entre les différentes parties ou spires de ce bobinage, ceci étant important pour permettre l'utilisation d'une tension d'alimentation élevée de la résistance, cette tension (de l'ordre de 30 kV par exemple) permettant de réaliser un chauffage à très forte puissance de la résistance.
Selon un mode de réalisation particulier de la charge objet de l'invention, celle-ci comprend en outre :

une gaine électriquement isolante pourvue d'un logement dans lequel est placé chaque élément,
une enveloppe électriquement conductrice qui contient la gaine, et
une électrode qui est électriquement isolée de l'enveloppe et qui est destinée à porter une extrémité du bobinage à la haute tension, l'autre extrémité du bobinage étant portée à un potentiel de référence.

La charge objet de l'invention peut comprendre une pluralité d'éléments dans le logement de la gaine électriquement isolante.
Selon un mode de réalisation préféré de la charge objet de l'invention, chaque élément comprend au moins une feuille faite d'une matière électriquement isolante, décomposable par pyrolyse, la résistance correspondant à cet élément se trouve sur cette feuille et a sensiblement la forme d'une ligne en créneaux allongés suivant leur hauteur, ligne dont les deux extrémités correspondent respectivement aux deux extrémités du bobinage relatif à l'élément et sont respectivement placées en deux bords opposés de la feuille, et cette feuille est roulée sur elle-même de telle façon que les deux bords opposés se trouvent respectivement en les deux extrémités du rouleau ainsi obtenu.
Le bobinage qui en résulte est régulier et la dispersion de ce bobinage (et donc de la résistance) dans l'élément électriquement isolant est sensiblement homogène dans tout le volume de cet élément.
L'élément peut comprendre une pluralité de telles feuilles qui sont empilées de façon que les résistances électriques correspondant respectivement auxdites feuilles soient électriquement isolées les unes des autres, et qui sont roulées ensemble sur elles-mêmes pour former un rouleau unique.
Chaque élément peut être fait d'une matière plastique électriquement isolante, décomposable par pyrolyse et fortement hydrogénée.
Enfin, chaque résistance électrique peut être faite en un matériau métallique ou en carbone.
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante, d'exemples de réalisation donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier de la charge objet de la présente invention, en place dans un lanceur électrothermique à décharge rapide,
la figure 2 illustre schématiquement une feuille que comporte cette charge,
la figure 3 montre cette feuille roulée sur elle-même,
la figure 4 est vue en coupe schématique et partielle de la charge représentée sur la figure 1, et
la figure 5 est une vue en coupe schématique et partielle d'une autre charge conforme à l'invention.

Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un mode de réalisation particulier de la charge objet de l'invention. Dans ce mode de réalisation particulier, la charge 2 comprend un élément 4 qui comporte une feuille roulée suivant l'axe X de la charge et qui sera décrit par la suite. Cet élément 4 se trouve dans un logement 5 en forme de cylindre de révolution d'axe X, dont est pourvue une gaine 6 électriquement isolante, par exemple faite d'une matière plastique telle que le polyéthylène. La gaine isolante 6 est elle-même logée dans une enveloppe métallique 8 par exemple en laiton.
Le logement cylindrique 5 dans lequel se trouve l'élément 4 en forme de rouleau est fermé, d'un côté de ce rouleau, par une rondelle métallique 10 par exemple en laiton. Ce logement cylindrique est fermé, du côté opposé, par une mince feuille métallique 12, par exemple en laiton, qui est en contact par sa périphérie, avec l'enveloppe métallique 8. Le projectile 14, destiné à être lancé au moyen du lanceur électrothermique 36 dans lequel est placée la charge 2, se trouve, avant son lancement, contre la feuille mince 12. La base du projectile peut être fixée ou non à cette feuille mince 12. Le projectile peut également être en contact avec l'enveloppe métallique 8. Ce projectile 14 peut être électriquement isolant ou conducteur.
En variante, il n'y a pas de feuille mince 12 et le projectile 14 est électriquement conducteur, par exemple métallique, ferme ledit côté opposé du logement 5 et peut encore être en contact avec l'enveloppe métallique 8.
Une électrode 16 par exemple en laiton, qui s'étend suivant l'axe X et qui est gainée par un isolateur coaxial 18 par exemple en polyéthylène, traverse la paroi de l'enveloppe métallique 8, qui est en regard de la rondelle 10, de telle façon que l'électrode 16 soit en contact avec cette rondelle 10. L'isolateur 18 permet d'isoler électriquement l'électrode 16 de l'enveloppe métallique 8.
L'élément 4 comporte une feuille 20 de forme rectangulaire (figure 2), faite d'une matière plastique électriquement isolante, décomposable par pyrolyse. Sur une face de cette feuille se trouve une résistance électrique 22 ayant sensiblement la forme d'une ligne en créneaux dont la base est proche d'un bord 24 de la feuille 20 et qui sont allongés suivant leur hauteur, le sommet des créneaux étant proche du bord opposé 26 de la feuille 20.
Les extrémités 23 et 25 de la résistance 22 sont plus larges que le reste de celle-ci et se trouvent respectivement aux deux coins de la feuille qui correspondent aux bords 24 de cette feuille.
Sur la figure 3, on voit que la feuille 20 est roulée sur elle-même de façon à obtenir un rouleau dont l'axe est parallèle au bord 24 de la feuille. Le rouleau ainsi obtenu est, comme on l'a déjà indiqué, placé dans le logement 5 prévu dans la gaine 6. La longueur de ce logement est telle que les extrémités de la résistance 22 soient alors respectivement en contact avec la rondelle 10 et la feuille mince 12 ou, lorsqu'il n'y a pas de feuille mince 12, avec la rondelle 10 et le projectile 14 (électriquement conducteur dans ce cas).
Pour ce faire, il est préférable que les extrémités 23 et 25 de la résistance soient respectivement sur les deux autres bords 27 et 28 de la feuille. Cependant, si les extrémités de la résistance ne sont pas exactement sur les bords 27 et 28 mais en sont très proches, la charge fonctionne tout de même, du fait de claquages se produisant entre la rondelle 10 et l'extrémité correspondante de la résistance et entre la feuille mince 12 (ou le projectile 14 s'il n'y a pas de feuille mince 12) et l'autre extrémité de la résistance lorsque l'électrode 16 est portée à une haute tension par rapport à l'enveloppe métallique 8 (et au projectile 14 si celui-ci est conducteur).
L'élément 4 en forme de rouleau est vu en coupe sur la figure 4 dans son logement 5.
La résistance 22 peut être formée par dépôt d'un métal ou de carbone sur la feuille 20. Cette dernière peut être faite d'un matériau choisi dans le groupe comprenant : le mylar (marque déposée), le kapton (marque déposée), le polyéthylène ou le polychlorure de vinyle.
La feuille 20 munie de sa résistance 22 peut être également obtenue à partir d'une feuille qui est faite de l'un des matériaux précédents et recouverte d'une couche métallique que l'on grave de façon à obtenir la résistance 22 en forme de créneaux.
A titre purement indicatif et nullement limitatif, la feuille 20 a une épaisseur de l'ordre de 1mm et l'on forme sur cette feuille une dizaine de créneaux. Les dimensions de la feuille dépendent du diamètre intérieur du tube du lanceur avec lequel la charge comportant cette feuille est destinée à être utilisée. A titre d'exemple, pour un lanceur dont le tube a un diamètre intérieur de 9mm, on peut utiliser une feuille rectangulaire de 20cm de long et de 5cm de large.
On notera que la forme en créneaux de la résistance 22 confère à celle-ci une inductance très faible et permet par ailleurs de répartir régulièrement les potentiels et donc d'obtenir la meilleure isolation électrique possible.
On notera également que la structure de l'élément 4 représenté sur la figure 3 permet au "contact" thermique entre la feuille électriquement isolante et la résistance d'être bien contrôlé et reproductible.
On voit sur la figure 3 que, si nécessaire, une ou plusieurs feuilles supplémentaires 30, 32 peuvent être utilisées. Chaque feuille supplémentaire est faite de la même matière que la feuille 20 et porte une résistance en créneaux comme la feuille 20. Ces feuilles 20, 30, 32 sont empilées et roulées ensemble de façon à obtenir un rouleau unique, chaque résistance ayant une extrémité située en l'une des extrémités de ce rouleau et une autre extrémité située en l'autre extrémité du rouleau.
En variante, si nécessaire, on peut utiliser, au lieu d'une ou plusieurs feuilles supplémentaires munies de résistances, une ou plusieurs feuilles identiques à la feuille 20 mais non pourvues de résistances, toutes ces feuilles étant superposées et roulées ensemble.
Sur la figure 5, on a représenté schématiquement et partiellement en coupe une charge conforme à l'invention, dans laquelle on utilise non pas un seul élément 4 mais une pluralité d'éléments 4 en forme de rouleaux, qui sont parallèles les uns aux autres et placés dans le logement 5 de la gaine, parallèlement à l'axe X, les résistances correspondant à ces rouleaux étant a lors montées en parallèle.
Dans une variante non représentée, la charge peut comporter non pas un seul élément 4 mais une pluralité d'éléments 4 en forme de rouleaux, disposés les uns à la suite des autres suivant l'axe X dans le logement de la gaine 6. Bien entendu, ces rouleaux sont alors agencés les uns par rapport aux autres de façon que les résistances électriques correspondant à ces rouleaux soient montées en série entre la rondelle 10 et la feuille mince 12 (ou le projectile 14 s'il n'y a pas de feuille 12).
La charge objet de la présente invention est utilisable sur tous les lanceurs électrothermiques à décharge rapide.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un lanceur de ce type qui porte la référence 36. Ce dernier a la forme d'un tube et son extrémité avant est bien entendu ouverte, tandis que son extrémité arrière est fermée par un couvercle de fermeture 38 qui y est vissé après avoir introduit la charge 2 dans une chambre 37a prévue à cet effet dans le lanceur, à l'arrière de celui-ci. Lorsque le projectile est solidaire de la charge 2, il est donc mis en place dans le lanceur en même temps que cette charge et lorsqu'il n'en est pas solidaire, il peut être mis en place dans le lanceur par l'arrière de celui-ci, avant la charge bien entendu, ou par l'avant (ouvert) du tube 37 du lanceur 36.
Le couvercle de fermeture 38 est alésé en son centre pour laisser un espace suffisant pour une électrode 40 appelée "contact électrique". Ce contact électrique 40 traverse le couvercle de fermeture 38 de part en part et en est séparé par un joint électriquement isolant 39.
Une extrémité 39a du contact 40 débouche dans la chambre 37a.
L'autre extrémité 39b du contact 40 est électriquement isolée de la surface extérieure du lanceur et électriquement reliée à une borne d'une alimentation électrique 42 par l'intermédiaire d'un interrupteur rapide à gaz 44.
Cette alimentation électrique 42 comporte un banc de condensateurs, apte à stocker sous forme électrique une énergie de l'ordre de 8 kJ.
Lorsque le couvercle est vissé dans la partie arrière du lanceur 36, l'extrémité 39b du contact électrique 40 est pressée contre l'électrode 16.
La borne de l'alimentation 42 qui est électriquement reliée par l'intermédiaire de l'interrupteur 44 au contact 40 est destinée à être portée à une haute tension, de l'ordre de 30 kV par exemple, par rapport à la masse. L'autre borne de l'alimentation 42 est mise à la masse. Le couvercle 38 et le reste du lanceur sont métalliques et sont également mis à la masse. En conséquence, l'enveloppe métallique 8, qui, comme le projectile, est en contact avec le lanceur, est aussi à la masse et il en est de même pour le projectile lorsque ce dernier est conducteur.
Ainsi, lorsque l'interrupteur 44 est fermé, une extrémité de la résistance 22 est très rapidement portée à la haute tension par rapport à son autre extrémité et le banc de condensateurs se décharge très rapidement à travers cette résistance. Cette dernière est alors chauffée à très haute température, par exemple de l'ordre de 10 000 à 30 000°C. La matière plastique fortement hydrogénée qui constitue la feuille 20 est ainsi très rapidement décomposée par pyrolyse et se transforme en un gaz (et même, si la température est suffisante, en un plasma) dont la détente est utilisée pour lancer le projectile 14.
Les qualités isolantes de la matière plastique fortement hydrogénée sont mises à profit dans la charge pour réaliser la nécessaire isolation électrique entre les différentes parties de la résistance qui est pour ainsi dire intimement mêlée à la matière plastique. Cette isolation électrique se maintient malgré la très haute température atteinte par la résistance du fait de la grande rapidité du chauffage (quelques microsecondes). Mais, rapidement, la température s'homogénéise dans la charge, la résistance se mélange à la matière plastique isolante et l'ensemble devient gazeux et forme le milieu propulseur. Celui-ci est essentiellement constitué d'hydrogène et de carbone, d'où un gaz de faible masse atomique constituant un excellent milieu propulseur.
On précise que la feuille mince 12 a une épaisseur suffisamment faible, par exemple de l'ordre de 0,5 mm, pour que la quasi-totalité de l'énergie résultant de la détente du milieu propulseur serve à la propulsion du projectile 14.
Dans une variante de réalisation, la rondelle 10 est supprimée et le côté correspondant du logement 5 est fermé par l'électrode 16 et par l'isolateur 18. L'électrode 16 est alors en contact avec l'extrémité de la résistance, qui se trouve dudit côté, ou est très proche de cette extrémité de sorte qu'un claquage se produit entre elles lorsque l'électrode est portée à la haute tension. Dans cette variante, de préférence, l'électrode a des dimensions transversales sensiblement égales au diamètre du logement 5, ou la feuille 20 est enroulée de façon que les extrémités 23 et 25 de la résistance 22 se trouvent sensiblement sur l'axe X (alors que dans le cas de la figure 3, ces extrémités 23 et 25 sont à la périphérie du rouleau obtenu).
Les pressions et les températures atteintes avec un lanceur électrothermique à décharge rapide sont beaucoup plus élevées que celles que l'on obtient avec les charges à poudre classiques. Il en résulte la possibilité d'obtenir à la fois un meilleur rendement (rapport de l'énergie cinétique du projectile à l'énergie mise en oeuvre pour propulser celui-ci, c'est-à-dire l'énergie emmagasinée dans le banc de condensateurs, dans le cas du lanceur électrothermique représenté sur la figure 1) et des vitesses plus élevées, d'où l'intérêt du lanceur électrothermique à décharge rapide, notamment vis-à-vis d'un lanceur à poudre classique.
La charge décrite en référence aux figures 1 à 5 est particulièrement bien adaptée à un tel lanceur électrothermique à décharge rapide et elle a un bon rendement.

Claims

Charge pour lanceur électrothermique, cette charge (2) comprenant au moins un élément électriquement isolant (4), décomposable par pyrolyse et, dans cet élément, une résistance électrique (22) dont une extrémité est destinée à être portée à une haute tension électrique par rapport à son autre extrémité afin de chauffer la résistance et de provoquer ainsi une pyrolyse de l'élément électriquement isolant (4), qui transforme ce dernier en un milieu gazeux apte à propulser un projectile (14) hors du lanceur, charge caractérisée en ce que la résistance électrique (22) forme un bobinage dans l'élément isolant (4), en ce que les deux extrémités de ce bobinage sont éloignées l'une de l'autre, et en ce que le bobinage est très faiblement inductif et réparti de façon sensiblement homogène dans l'élément (4).
Charge selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre :
- une gaine électriquement isolante (6), pourvue d'un logement (5) dans lequel est placé chaque élément (4),

- une enveloppe électriquement conductrice (8) qui contient la gaine (6), et

- une électrode (16) qui est électriquement isolée de l'enveloppe (8) et qui est destinée à porter une extrémité du bobinage à la haute tension, l'autre extrémité du bobinage étant portée à un potentiel de référence.
Charge selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité d'éléments (4) dans le logement (5) de la gaine électriquement isolante (6).
Charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que chaque élément (4) comprend au moins une feuille (20) faite d'une matière électriquement isolante, décomposable par pyrolyse, en ce que la résistance (22) correspondant à cet élément se trouve sur cette feuille et a sensiblement la forme d'une ligne en créneaux allongés suivant leur hauteur, ligne dont les deux extrémités correspondent respectivement aux deux extrémités du bobinage relatif à l'élément et sont respectivement placées en deux bords opposés (27, 28) de la feuille (20), et en ce que cette feuille est roulée sur elle-même de telle façon que les deux bords opposés (27, 28) se trouvent respectivement en les deux extrémités du rouleau ainsi obtenu.
Charge selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'élément (4) comprend une pluralité de feuilles (20, 30, 32) qui sont empilées de façon que les résistances électriques (22) correspondant respectivement auxdites feuilles soient électriquement isolées les unes des autres, et qui sont roulées ensemble sur elles-mêmes pour former un rouleau unique.
Charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que chaque élément (4) est fait d'une matière plastique électriquement isolante, décomposable par pyrolyse et fortement hydrogénée.
Charge selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que chaque résistance électrique (22) est fait en un matériau métallique ou en carbone.