DE10044867A1 - Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle - Google Patents
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Abstract
RF-Strahlenquellen, auch HPM-Quellen genannt, dienen zur nicht letalen Zerstörung, Störung oder Blendung von Zielen. DOLLAR A Eine mit Explosivstoff (10) getriebene autonome RF-Strahlenquelle (2) wird zeit- und aufschlaggesteuert durch eine Batterie (3) ein Zünder (11) eines magnetischen Flußkompressors (4) gezündet, wodurch in herkömmlicher Art und Weise der im Liner (6.3) befindliche Hochexplosivstoff (10) den Spulenkörper (6.3) aufreißt und die einzelnen Windungen (6.2) nacheinander kurzgeschlossen werden. Die erzeugte Spannung wird dann verstärkt und über eine Hochdruck-Funkenstrecke an einen UWB-Pulser zur Erzeugung von Pulsen gegeben, die danach über eine mit dem Kabelwiderstand des UWB-Pulses angepaßte Breitbandantenne abgestrahlt werden. DOLLAR A Hiergegen ist nun vorgesehen, eine explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle (2) nur aus einem Pulsgenerator bzw. eine Pulserzeugungseinrichtung (4) aufzubauen, dessen erzeugte Pulse direkt an ein Ziel abgestrahlt werden. Der Pulsgenerator ist als magnetischer Flußkompressor ausgeführt und weist eine mit Explosivstoff (10) gefüllte Spule (6) auf. In der RF-Strahlenquelle (2) ist eine kapazitive Last (C¶L¶) eingebunden, die mit der Pulserzeugungseinrichtung (4) ausgangsseitig verbunden ist, wodurch die Spule (6) mit der kapazitiven Last (C¶L¶) einen elektrischen Schwingkreis bildet und die kapazitive Last (C¶L¶) gleichzeitig als Antenne fungiert. Weiterhin wird zur Leistungssteigerung der RF-Strahlenquelle (2) im Bereich (13) zwischen ...
Description
Die Erfindung betrifft eine explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Bekannt sind RF-Strahlenquellen (RF = Radio Frequency), auch HPM-Quellen genannt
(HPM = High Power Microwave - Hochleistungsmikrowellen), zur nicht letalen Zerstörung,
Störung oder Blendung von Zielen. Dazu können die RF-Strahlenquellen in einem Trägersy
stemen, beispielsweise einem Gefechtskopf, untergebracht sein.
Eine RF-Strahlenquelle in einem Projektil beschreibt die US 5,192,827. Der zur Erzeugung
einer hohen abzustrahlenden Frequenz notwendige Strom wird vor Abschuß des Projektils in
einer Pulsformeinrichtung gespeichert. Die Pulsformeinrichtung wird dabei von einer Spule,
einem dielektrischen Stab und einem Dielektrikum gebildet. Die Entladung der Pulsformein
richtung erfolgt über einen Nanosekundenschalter. Über diesen wird der erzeugte Puls in eine
im Projektil befindliche Antenne gegeben, die diesen Puls durch das Gehäuse des Projektils
zum Ziel hin abstrahlt. In einem Ausführungsbeispiel befinden sich mehrere Pulsformein
richtungen im Projektil. Dadurch summiert sich die erzeugbare Leistung auf ca. 12 MW.
Einen elektronenbeschleunigten Mikrowellenapplikator für eine Plasma-Quelle beschreibt die
US 5,707,452. Hierbei wird die hohe Energie durch die Beschleunigung der erzeugten Plas
ma-Elektronen beim Passieren von Spalten des geschlitzten Applikators realisiert, der mit
einer Antenne elektrisch verbunden ist. Auch die aus der vorgenannten US 5,707,452 hervor
gegangene US 5,975,014 beschreibt einen solchen Applikator.
Aus der DE 41 41 516 A1 ist ein elektrischer Impulsgenerator mit sättigbarer Induktanz be
schrieben. Zur Impulsformung wird eine Koaxialleitung durch eine magnetische Kompression
belastet und über einen magnetischen Schalter mit sättigbarer Induktanz entlastet, wodurch
Pulse geformt werden.
Die US 5,307,079 und die US 5,216,695 offenbaren Mikrowellen erzeugende und verstärken
de Schaltungen. Zur Erreichung hoher Frequenzen sind Transistoren in einen Marx-Generator
integriert, der diese an eine Antenne abgibt.
In der nicht vorveröffentlichten DE 199 59 358 wird eine mit Explosivstoff getriebene auto
nome RF-Strahlenquelle offenbart. Dort wird Zeit- oder aufschlaggesteuert durch eine Batterie
ein Zünder eines magnetischen Flußkompressors gezündet, wodurch in herkömmlicher Art
und Weise der im Liner befindliche Hochexplosivstoff den Spulenkörper aufreißt und die
einzelnen Windungen nacheinander kurzgeschlossen werden. Ausgangsseitig ist der Fluß
kompressor mit einer Verstärkereinheit verbunden, welche die erzeugte Spannung verstärkt
und diese über eine Hochdruck-Funkenstrecke an einen UWB-Pulser zur Erzeugung von Pul
sen gibt. Über eine mit dem Kabelwiderstand des UWB-Pulses angepaßte Breitbandantenne
werden danach die Pulse auf das Ziel abgestrahlt.
Der Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, eine einfache, explosivstoffgetriebene RF-
Strahlenquelle aufzuzeigen, die zudem eine Steigerung der Hochfrequenz aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nur
aus einem Pulsgenerator bzw. eine Pulserzeugungseinrichtung aufzubauen, dessen erzeugte
Pulse direkt an ein Ziel abgestrahlt werden. Der Pulsgenerator ist als magnetischer Flußkom
pressor ausgeführt und weist einen mit Explosivstoff gefüllten Liner, der sich in einer Spule
befindet, auf. In der RF-Strahlenquelle ist eine kapazitive Last eingebunden, die mit dem
Pulsgenerator ausgangsseitig verbunden ist, wodurch die Spule mit der kapazitiven Last einen
elektrischen Schwingkreis bildet und die kapazitive Last gleichzeitig als Antenne fungiert.
Die in diesem Schwingkreis erzeugte Frequenz kann dadurch direkt abgestrahlt werden. Dazu
muß das Gehäuse der RF-Strahlenquelle so gestaltet sein, daß die erzeugten Frequenzen un
gehindert hindurch gelangen können. Weiterhin wird zur Leistungssteigerung der RF-
Strahlenquelle im Bereich zwischen dem Liner in der Spule und den Windungen ein Mittel
eingebracht, wodurch sich die Anzahl freier Elektronen erhöht, um die Plasmabildung zu un
terstützen und eine bessere Umsetzung von chemischer Energie in hochfrequente Energie zu
erreichen, um somit eine höhere Frequenz anzuregen.
Als geeignete Mittel für die Ausbildung eines Plasmas sind Materialien mit geringer elektri
scher Leitfähigkeit, geringer Bindungsenergie für Elektronen sowie mit rauhen Oberflächen
strukturen, die Materialspitzen im Bereich von wenigen Mikrometern (µm) aufweisen.
Eine weitere Möglichkeit der Erhöhung der Plasmaausbildung ist die Erhöhung der elektri
schen Feldstärke im Bereich zwischen der Spule und der explosivstoffgetriebenen Kurz
schlußvorrichtung durch eine entsprechende Gestaltung der Spulenstruktur.
Die Verringerung des Umgebungsdrucks im Bereich zwischen der Spule und der explosiv
stoffgetriebenen Kurzschlußvorrichtung sich öffnender Liner durch Erzeugung eines Unter
drucks (Vakuums) wirkt sich gleichfalls positiv auf die Bildung von freien Elektronen aus.
Außerdem kann ein günstiges Hintergrundgas für die Plasmabildung im Bereich zwischen der
Spule und der explosivstoffgetriebenen Kurzschlußvorrichtung eingebracht werden.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine RF-Strahlenquelle in einem Trägersystem
Fig. 2 eine erste Ausführungsform der RF-Strahlenquelle
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der RF-Strahlenquelle
Fig. 4 ein Parallelschwingkreis als Last.
In Fig. 1 ist ein Trägersystem 1, hier ein Geschoß, zum Verbringen einer RF-Strahlenquelle
2 dargestellt. Die RF-Strahlenquelle 2 besteht dabei aus einer Batterie 3 oder einer ähnlichen
Stromspeichereinheit, die mit einem Zünder 11 einer mit Explosivstoff 10 getriebenen Pul
serzeugungseinrichtung 4 elektrisch in Verbindung steht, sowie einer kapazitive Last CL.
Die kapazitive Last CL ist mit dem Ausgang der Pulserzeugungseinrichtung 4 verbunden.
Die Pulserzeugungseinrichtung 4 ist hier ein magnetischer Flußkompressor, der eine Spule 6
besitzt, die aus einem Spulenkörper 6.1 besteht, auf dem sich Windungen 6.2 befinden und in
dem ein Liner 6.3 integriert ist. Mit Anschluß an die Batterie bzw. an den Zuschalter der
Batterie wird ein Stromfluß in den Windungen 6.2 initiiert. Der Explosivstoff 10 und der
Zünder 11 sind entweder in einer eine zusätzlich in der Spule 6 integrierten Kurzschlußvor
richtung 7 oder im Liner 6.3 untergebracht.
Das allgemeine Wirkprinzip dieser RF-Strahlenquelle 2 läßt sich wie folgt beschreiben.
Mit dem Trägersystem 1 wird die autonome RF-Strahlenquelle 2 zum Ziel vor Ort gebracht.
Dort erfolgt die Zuschaltung der Batterie 3, beispielsweise Zeit- oder aufschlaggesteuert auf
die Spule 6. Beim Erreichen des Strommaximums in der Spule 6, durch die weitere, nicht
näher dargestellte Energieversorgung wird der Zünder 11, beispielsweise ein Ringzünder, des
magnetischen Flußkompressors 4 gezündet, wodurch in herkömmlicher Art und Weise der in
der Kurzschlußvorrichtung 7 (oder im sich öffnenden Liner 6.3) befindliche Hochexplosiv
stoff 10 die Kurzschlußvorrichtung 7 und den Spulenkörper 6.1 aufreißt und die einzelnen
Windungen 6.2 nacheinander kurzgeschlossen werden. Bei einer anfänglich kleinen An
fangsinduktivität und einem konstanten magnetischen Fluß wird bei nur noch einer Windung
6.2 eine fast 100-fache oder höhere Verstärkung erzeugt. Dabei wird chemische Energie in
eine elektrische Energie umgewandelt, wobei die Endenergie W abhängig ist von der An
fangsinduktivität L0/Endinduktivität Ln × Anfangsenergie W0 ist.
Die kapazitive Last CL bildet mit der Spule 6 nach dem Schließen des Stromkreises den sich
öffnenden Liner 6.3 einen Schwingkreis, dessen Frequenz sich durch die zeitliche Änderung
der Induktivität der Spule 6 aufgrund der Schockwelle im Liner 6.3 verändert. Diese Frequenz
bzw. der erzeugte Puls 8 wird direkt von der als Antenne fungierenden kapazitiven Last CL
abgestrahlt.
Zur Erhöhung der abstrahlbaren Frequenzen wird in Fig. 2 und Fig. 3 nun vorgeschlagen,
den magnetischen Pluskompressor 4 konstruktiv zu verändern, um mehrere freie Elektronen
zu erhalten. Dies bewirkt eine spontane Plasmaausbildung mit extrem schnellem Einschalt
verhalten, wodurch höhere Frequenzen ohne zusätzliche elektrische Bauelemente erzeugt
werden können.
In Fig. 2 wird dazu in einer ersten Variante zwischen dem Spulenkörper 6.1 mit seinen Win
dungen 6.2 und dem Liner 6.3 ein die Plasmaausbildung unterstützendes Mittel 14 einge
bracht.
Dieses unterstützende Mittel 14 kann einerseits ein Material 15 sein, das als Schicht zwischen
dem Spulenkörper 6.1 und dem Liner 6.3 aufgesetzt ist, andererseits ein günstiges Hinter
grundgas oder ein Vakuum, wobei auch eine Kombination von Schicht und Gas bzw. Vaku
um möglich ist.
Ein solches die Plasmaausbildung erhöhendes Material 15 weist eine geringe elektrische Leit
fähigkeit, eine geringe Bindungsenergie für Elektronen und/oder eine Oberflächenstruktur
mit Materialspitzen im Bereich von wenigen Mikrometern auf. Ein, alle diese Vorzüge für die
Erhöhung freier Elektronen besitzendes Material 15 ist beispielsweise eine Kohlenstoff-Faser
oder ein Samt.
Fig. 3 gibt eine weitere Maßnahme zur Erhöhung der elektrischen Feldstärke im Bereich 13
an, was gleichfalls die Plasmaausbildung vorteilhaft beeinflußt. Dabei ist der Spulenquer
schnitt der Spule 6 verändert worden, wobei der Spulenkörper 6.1 kegelstumpfartig ausge
führt ist und mit seinem größeren Spulenquerschnitt bereits die ersten Windungen 6.2 der
Spule 6 erreicht. Dabei kommt es zu einer scharfen Kantenbildung zwischen der Kurzschluß
vorrichtung 7 bzw. dem Liner 6.3 und dem Spulenkörper 6.1 mit der ersten Windung 6.2. Die
für den Kurzschluß notwendige Energie, um die Kurzschlußvorrichtung 7 und den Spulen
körper 6.1 aufzureißen, kann, bedingt durch den geringeren notwendigen Weg zwischen der
Kurzschlußvorrichtung 7 und den Windungen 6.2, minimiert werden und steht damit der
Plasmaausbildung zur Verfügung.
Als eine Variante der kapazitiven Last CL kann auch ein LC-Parallelschwingkreis ausgangs
seitig an die Pulserzeugungseinrichtung 4 angeschlossen werden, wie in Fig. 4 dargestellt.
Dadurch wird eine verbesserte Abstrahlcharakteristik der RF-Strahlenquelle 2 erreicht.
Es versteht sich, daß im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen möglich sind. So
kann die vorgenannte und beschriebene RF-Strahlenquelle 2 auch mit herkömmlichen Ver
stärkungseinrichtungen und Antennen kombiniert werden.
Claims (9)
1. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle, aufweisend eine Pulserzeugungseinrichtung
mit einer Spule, die einen Spulenkörper, einen Liner und Windungen besitzt, wobei sich
in dem Liner ein Explosivstoff befindet, welcher durch einen Zünder gezündet wird, da
durch gekennzeichnet, daß
zwischen dem Spulenkörper (6.1) und dem Liner (6.3) in einem Bereich (13) ein die Plasmabildung unterstützendes Mittel (14) eingebracht ist und
die Pulserzeugungseinrichtung (4) ausgangsseitig mit einer als Antenne fungierenden kapazitiven Last (CL) und/oder induktiven Last verbunden ist.
zwischen dem Spulenkörper (6.1) und dem Liner (6.3) in einem Bereich (13) ein die Plasmabildung unterstützendes Mittel (14) eingebracht ist und
die Pulserzeugungseinrichtung (4) ausgangsseitig mit einer als Antenne fungierenden kapazitiven Last (CL) und/oder induktiven Last verbunden ist.
2. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das unterstützende Mittel (14) Materialien (15) sind, die auf der Oberfläche des
Spulenkörpers (6.1) aufgebracht sind und eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufwei
sen, eine geringe Bindungsenergie für Elektronen besitzen und eine rauhige Oberflächen
struktur aufweisen.
3. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem eingebundenem Material (15) um Kohlenstoff-Fasern handelt.
4. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem eingebundenen Material (15) um Samt handelt.
5. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als unterstützendes Mittel (14) der Spulenquerschnitt kegelförmig ist.
6. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das unterstützendes Mittel (14) ein Hintergrundgas
ist.
7. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das Hintergrundgas Helium oder Argon ist.
8. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das unterstützendes Mittel (14) Vakuum ist.
9. Explosivstoffgetriebene RF-Strahlenquelle nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis
8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (CL) mit einer Spule (LL) als Parallel
schwingkreis ausgangsseitig mit der Pulserzeugungseinrichtung (4) elektrisch verbunden
ist.
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