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Die
Erfindung betrifft Aggregate piezoelektrischer Wandlungsvorrichtungen,
welche kinetische Energie strömender Medien, die bei Verbrennungsvorgängen,
insbesondere Rohrwaffensystemen entstehen, feste, flüssige
oder dampfförmige Bestandteile enthalten können,
in elektrische Nutzenergie wandeln und gewonnene Energie bevorzugt
direkt mittels zeitlich verdichtenden parallel geschalteten (Bogen-)Elektrodenanordnungen
und mindestens einem Hohlraumresonator, durch räumlich
begrenzt, geradlinig ausbreitende, elektromagnetische (Mikro-)Wellensysteme
hoher Energiedichte, gerichteter Abstrahlung, über größere
Distanzen, auf Objekte oder Targets übertragen und bevorzugt
lokal begrenzte EMP-Wirkungen, erzeugen.
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Gemäß der
Druckschrift
DE 10 2007
044 774.6 sind Vorrichtungen bekannt, welche piezoelektrische
Energie hoher Spannungen generieren (Betriebsfeldstärken
bis zu 10 kV/mm), die mittels schneller Schwingungen erzeugter Bogenentladungen
elektromagnetische Wellen erzeugen und diese ausgerichtet abstrahlen.
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Allgemein
sind piezoelektrische Elemente standardisiert in unterschiedlichsten
Aufbauformen, z. B. als elastische Biegestreifen-, Longitudinal-,
Torsions-, und Transversalschwinger, mit einseitiger oder Torsionsstreifenwandler,
mit beidseitiger Fixierung bekannt. Solche Wandler werden allgemein
als polarisierte Einzelelemente, meist durch Anlegen einer Spannung
zur Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem Medium oder invers
für messtechnische Zwecke genutzt.
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Desgleichen
zählen zum Stand der Technik Gunnelemente, die höchstfrequente
Ladungsträger-Domänen erzeugen. Diese Halbleiterelemente wandeln
Gleichstrom in hochfrequente Schwingungen ohne „pn-Übergänge”.
Die Schwingungen, bzw. Ladungsträgerdomänen, entstehen
innerhalb bestimmter Spannungsbereiche als Folge eines negativen
Widerstandes bei steigender Spannung, im Kristall. Der Bereich zurückgehenden
Stromes, trotz wachsender Spannung, wird im Kristall über
die Generierung schwerer Elektronen zur Schwingungserzeugung ausgenutzt
(elektrische Feldstärke über 2 kV/cm). Bei Galliumarsenid
läuft die Domäne (Periodendauer) mit einer Geschwindigkeit
von 107 cm/s. Eine Kristallhöhe
des Flächenelements von ca. 10 μm erzeugt Strom-Intervalle
von 10 GHz.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, Vorrichtungen zu entwickeln, welche die Eigenschaft
besitzen, kinetische Energie strömender Medien, insbesondere üblich
verloren gehende Rohrwaffentreibgase, direkt effizient in elektrische
Nutzenergie zu wandeln, und bevorzugt drahtlos gerichtet zu übertragen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß prinzipiell dadurch
gelöst,
- – dass kinetische
Energie strömender Medien, mittels elastischer piezoelektrischer
Biegestreifenwandler, die der Strömung des Mediums einen geeigneten
Strömungs-Widerstand entgegen setzen, mechanisch in schnelle
Schwingung versetzt werden und direkt in elektrische Energie gewandelt
wird,
- – dass mittels Bogenentladungsstrecken und mindestens
einem Hohlraumresonator, parallelisiert, zeitlich verdichtend, generierte
elektrische Energie in elektromagnetische (Mikro-)Wellensysteme umgewandelt
und deren Energie zu höheren Dichten transformiert wird,
- – und dass gewandelte Energie mittels Auskoppelvorrichtung/-en,
durch elektromagnetische Strahlung räumlich begrenzter
linearer Ausbreitung, transportiert, gerichtet auf Objekte oder
Targets übertragen und lokal begrenzt EMP-Wirkungen oder
vergleichbare Effekte erzeugt werden.
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Im
Einzelnen wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
- – dass das strömende
Medium, über verteilende (dosierende) Vorrichtungen (7)(4),
in eine Anzahl entsprechender (Strömungs-)Kanäle
(5), die jeweils mit polarisierten piezoelektrischen Biegestreifenwandlern
(3) versehen sind, geleitet wird,
- – eine Reihe von Kanälen (5) durch
jeweils eine (schalldämpfende) Druckplatte, (8)
die mit Durchbrüchen (8.1) versehen ist, ein Hindurchschlagen (oder
Aufschlagen) der piezoelektrischen Biegestreifenwandler (3)
als Ventilvorrichtungen bewirkt, überdeckt sind, und die
piezoelektrischen Biegestreifenwandler (3) innerhalb oder über
den Kanälen (5) durch diese befestigt werden,
- – dass die durch die Druckplatte überdeckten
piezoelektrischer Biegestreifenwandler (3), zu einem kompakten
Modul (2) zusammengefasst und das Modul kammartig aufgebaut
wird, sodass die kinetische Energie des strömenden Mediums, über die
Dimensionierung der Biegestreifen mechanisch gepumpt, direkt in
piezoelektrische Ströme, bevorzugt höher (Streu-)Frequenz
und geringerer Stoßspannungsspitzen gewandelt wird,
- – erzeugte Stromfrequenz, mittels direkter flächiger
Gunnelementbeschichtung kammartiger Querverbindung aufgebauter Biegestreifen-Module
(2), in Höchstfrequenzschwingungen gewandelt wird,
- – gewandelte piezoelektrische Energie mittels Schwingkreisvorrichtung,
gebildet aus parallel geschalteten Bogenelektrodenvorrichtungen
(9), die über geeignete Widerstandbrücken
(10) mit einer ringförmig plattenartigen Kondensatorvorrichtung (11)
und mindestens einem Hohlraumresonator (13), der quasi
aus, um eine Achse endlos umlaufend angeordneten Induktivitäten
(22), einer einzelnen Wicklung aufgebaut ist, durch schnelle Schwingung
parallel erzeugter Bogenentladungen, in elektromagnetische Mikro-Wellensysteme gewandelt,
und deren Energie unmittelbar verdichtet wird, – (d. h.,
bestimmt auf tiefste Eigenschwingungen des Resonators, dass durch
aufgebauten metallischen, abgeschlossenen Raum, in dessen Inneren
elektromagnetische Schwingungszustände durch induktive
Energieeinkopplung der Bogenstrahlung einerseits (diskreten nicht
harmonischen Linien- bzw. Frequenzspektrums), und andererseits durch
Leiterkopplung kapazitiv, erzeugt werden, dementsprechend (induktiv
und kapazitiv) diese mittels Schlitz und folgend durch Löcher,
im Hohlraumresonator, über Hohlleiter mit weiteren Hohlraumresonatoren
gekoppelt werden können oder direkt (aus-)differenzierend
fortgeleitet werden),
- – und erzeugte elektromagnetische Energie, mittels
Auskoppelvorrichtung/-en (19), durch Strahlung linearer
Ausbreitung, auf Ziele übertragen, und elektrodynamisch
EMP-Wirkungen erzeugt werden.
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Das
dargestellte elektromagnetische Wandlungsverfahren ist mithin charakterisiert
durch das Kriterium, dass generierte elektrische Energie, durch (Entladungs-)Bögen,
direkt weiter gewandelt wird. Die (Entladungs-)Bögen erzeugen
durch Ionisation (des umgebenden Mediums) schnelle (Wechselfeld-)Schwingungen
zwischen den Kondensatorplatten. Durch diese Weseneigenschaft wirken
erzeugte Bögen als (Strahlungs-)Dipole bzw. als parallel
geschaltete Höchstfrequenz-Wechselfeldgeneratoren die das
Schwingkreissystem antreiben und entsprechendes E-Feld und dazu
senkrecht stehendes magnetisches Feld erzeugen.
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Zur
Generierung der elektromagnetischen (Strahlungs-)Dipole sind die
(Bogen-)Elektroden, durch geeignete Widerstandbrücken (11)
mit den Kondensatorplatten, und diese mit der Induktivität verknüpft,
wodurch ein kompaktes und effizientes Resonanzschwingkreissystem
erhalten wird. Folglich werden erzeugte elektrische und die durch
parallele Anordnung mehrer Entladungsstrecken durch die (Strahlungs-)Dipole
erzeugten hohen Streu-Frequenzen der Wandlervorrichtung, im Wesentlichen
durch die gemeinsame ringförmig ausgebildete plattenartige
Kondensatorvorrichtung (E-Feld und dieses umgebende magnetische
Feld), abgeglichen.
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Es
ist offensichtlich, dass durch Kopplung mehrerer Hohlraumresonatorvorrichtungen,
durch (Wellen-) differenzierende Koppelvorrichtungen und/oder direkter
Auskopplung von Wellen höherer Ordnung bzw. Gruppengeschwindigkeiten,
sowie differenzierten Energietransports und differenzierter Polarisationsausrichtung,
Energie gerichtet und stoßartig auf reflektierende oder
elektromagnetisch besonders geschützte Oberflächen übertragen
und unterschiedliche Wirkeffekte, erzeugt werden können.
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Die
Vorteile des dargelegten Aggregates liegen an Rang breiter Stelle,
in der Möglichkeit, üblich verloren gehende kinetische
Energie, z. B. Treibmittel-, Motoren- oder Turbinenabgase, unkompliziert durch
Modellübertragung verwandt und ausgereifter Kanzellenmechanik,
oder Flatterventiltechnik, auf piezoelektrisches Stromerzeugeraggregat
und deren Wandlerelemente, mittels Batterie- oder Kaskadenschaltung
vornehmen zu können, da vorteilhafter Weise, durch Verteilung
des strömenden Mediums in Kanäle, die kinetische
Energie des Treibmittels, durch parallel und seriell angeordnete
Biegestreifenwandler, gestufter mechanischer Frequenz, bzw. Rückstellkräfte
und Freiheitsgrade, effizient abgearbeitet und zeitlich verdichtet übertragen
werden kann.
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In
spezieller Anwendung als Defensiv-Subsystem für Rohrwaffen,
wird zudem erreicht, dass die Vorrichtung durch den Einsatz von
Biege- aber auch Torsionsschwinger, selbst bei geringen kinetischen Treibmittelenergien,
z. B. CO2-Systemen einsetzbar wird und lokal
begrenzt EMP-Wirkungen, über entsprechende Distanzen, d.
h. ohne Projektile, durch verschließen des Laufes und ohne
präzise Objekterfassung erzeugt werden können.
Der hierdurch und das durch die Modulbauweise erzeugte Baukastensystem
ermöglichen einen relativ hohen Wirkungsgrad, der gekennzeichnet
ist, durch kostengünstige Produktion, geringes Gewicht,
gute Wartung und hohe Lebensdauer der Vorrichtung.
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Im
Folgenden wird der prinzipielle Aufbau eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, in Anwendung für Rohrwaffen, zur Erzeugung
piezoelektrischer Energie und deren Wandlung in elektromagnetische
Wellen, mittels oben beschriebenem Aggregates von Wandlungsvorrichtungen
(13), anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Die 2 zeigt
Elemente der (Stromerzeuger-)Vorrichtung, die sternförmig,
ohne weiterführende Kaskadierung, achsensymmetrisch um
ein Rohr (6) angeordnet sind. Das Gehäuse (1)
dient zur stabilen Festhaltung innen liegender Elemente und als äußere
Fortleitungsröhre des abgearbeiteten Treibgases. Weiter
das Rohr (6) selbst, mit abgestuft dimensionierten Lochungen
(7) zur sukzessiven Differenzierung des Stoßdruckes
und Einleitung des Treibgases in die (Expansions-)Kammern (4).
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Die
Treibgas verteilenden (Expansions-)Kammern verbinden zur Achse des
Rohres (6) senkrecht stehende Kanalvorrichtungen (5).
Der Expansionskammerkorpus (5.1) trägt die zum
Rohr (6) parallel angeordneten piezoelektrischen Module
(2) der Vorrichtung. Jeder einzelne Kanal (5)
ist keilartig auslaufen vollvolumig geschlossen und mit einem polarisierten
piezoelektrischen Biegestreifenwandler (3) abgedeckt. Die
Kanalkörper (5.1) bilden wiederum das Auflagersystem
der piezoelektrischen Module (2). Eine Druckplatte (8)
mit Durchbrüchen (8.1) für die Durchschlagschwingungen
der Biegewandler (3), befestigt die Module (2)
auf dem Auflagersystem (5.1) der Kanalkörper (5.1)
durch Widerlagerung des Gehäuses (1).
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Der
einzelne mechanische Biegewandler (3) des Moduls (2)
besteht vorzugsweise aus einem Federblech(-elektrode) guter elektrischer
Leitfähigkeit, die bei Verformung, durch die kinetische
Energie des strömenden Gases, entsprechend Energie aufnehmen
kann. Die Federelektrode gibt, mit Erreichen eines Biegemaximums
die mechanische aufgenommene Energie wieder ab und unterstützt
als zusätzlicher Arbeitsspeicher die Wandlung (kadenzabhängig)
höherer kinetischer Energien des Treibgases, in elektrische
Energie. Hierdurch zusätzlich erhaltene Zeitfenster erweiternde
Verteilung stoßartig auftretender Treibgasenergie, ist
durch Differenzierung der Länge der Biegestreifenwandler
(3), also über deren Schwingungsfrequenzen ausgenutzt,
auf dem Ziel auftreffendes Projektil (Weglänge), zumindest
mit Welle niedrigster Gruppengeschwindigkeit (Zeit-Ionisationsverlauf)
zu koppeln, bevor der Leistungswert der Ionisationsenergie der Bögen,
unter Schwellenwert fällt.
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Das
auf der ebenen Federelektrode, polarisiert aufgebaute piezoelektrische
(PVDF-)Material, ist jeweilig deckungsgleich mit einer diametralen Elektrode
entsprechen der elastischer Dehnungseigenschaft polarisiert. Der
Aufbau ist plattenförmig vorgenommen und durch Einschnitte
kammartig strukturiert. Die hierdurch erhaltenen Biegestreifenwandler
(3) weisen somit eine Verbindung zum gebildeten Quersteg
und eine einseitig freistehende Endung, auf. Die Anordnung bildet
ein (Stromerzeuger-)Modul (2).
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Die
negative Polarisations-Elektrode der Querverbindung (2.1)
des Moduls (2) ist in Stromrichtung mit einem Gunnflächenelement
und einer Metallelektrode beschichtet.
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Die
Elektroden des Moduls (2) sind direkt als Leiterbahnen
(negativ (14)) (positiv (15)) zur Verschaltung
mit jeweilig einer (Bogen-)Elektrodenanordnung (9) verlängert
und verbinden diese über (Feder-)Klemmungen (16)
mit negativer (17), und positiver Elektrode (18)
der elektromagnetischen Wandlervorrichtung (13). Der Aufbau
der Module (2) ist mit einer zusätzlichen dielektrischen
Mantelbeschichtung versehen. Die Module (2) sind lösbare
Steckvorrichtungen (20), durch welche die (Strom-)Erzeugervorrichtung über
kürzeste Leiterverbindung mit der elektromagnetischen Wandlervorrichtung
(13) verbunden ist und die Vorrichtung als Baukastensystem
organisiert. Die gemäß 1 aufgebaute
elektromagnetische Wandlungsvorrichtung (13) ist durch
dielektrische Träger (12) auf dem Rohr (6)
befestigt.
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Das
Rohr (6) der Vorrichtung wirkt als Laufverlängerung
der genutzten Waffe. Die Lochungen (7) sind gemäß der
kinetischen Energie des Treibgases dimensioniert und leiten strömendes
Treibgas sukzessiv differenziert in die einzelnen verteilenden Kammern
(4) ein, in dem das Projektil das Rohr (6) verschließt.
Das dort expandierende Treibgas wird über die (Expansions-)Kammern
(4) verteilenden in radial parallel angeordnete Kanäle
(5) geleitet, die mit parallel liegenden piezoelektrischen
Modulen (2) überdeckt sind. Der einzelne Kanal
(5) ist an der Endung keilartig geschlossen, sodass dort
das Treibgas verdichtet wird. Die frei (stehende bzw.) schwingende Endung
des Biegelements (3) weist zur Öffnung des Kanals
(5). Auf der geschlossenen Endung des Kanals (5)
oder Kanalkörpers (5.1) ist jeweiliges Biegestreifenelement
(3) des Moduls einseitig aufgelagert und durch die Druckplatte
(8) festgespannt. Hierdurch weist das Biegestreifenelement
(3) an der Endung des Kanal einen quasi unendlich hohen
Strömungswiderstand auf, wodurch es mit steigendem Staudruck
des Treibgases an freistehender Endung mechanisch ausgelenkt und
durch dessen Rückstellkraft in Schwingung versetzt wird.
Die Federblech elektrode weist an freistehender Endung des Biegstreifenelements
(3) eine Materialverdickung auf, durch welche mit Einströmen
des Treibgases, eine zusätzliche Wirbelbildung mittels
Druckplattendurchbruchs (8.1) bewirkt wird und bereits
bei geringen kinetischen Treibgas-Energien die Biegestreifenwandler
(3) des Modulabschnitts über den einzelnen Expansionskammern
(4) in Schwingung versetzt werden.
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Die
sukzessiv durch die kinetische Energie des Treibgases mechanisch
erzeugten piezoelektrischen Streufrequenzen der Biegestreifenwandler
(3) der Module (2), werden durch die elektrische
Ventilwirkung der Gunnflächenelemente in höhere
Streufrequenzen transformiert und mittels (Bogen-)Elektrodenanordnung
(9) die dem Polarisationsaufbau und der Anzahl der piezoelektrischen
Module (2) entspricht, elektromagnetisch gewandelt.
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Die
elektromagnetische Wandlung erfolgt mittels parallel geschalteten
Bogenelektrodenvorrichtungen (9), die über geeignete
Widerstandbrücken (10) mit einem kreisringförmigen
Platten-Kondensator (11) und einer Induktivität
(22) eines geschlitzten Hohlrohres (21), ringförmig
geschlossenen Aufbaus verschaltet sind und oben beschriebene Schwingkreisvorrichtung
(13) bildet.
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In
der Abhängigkeit der (Resonator-)Welle, die sich längs
im Hohlrohr (21) etwa mit Vakuumlichtgeschwindigkeit ausbreitet,
ist radialer Abstand, Achse-Bogenelektroden, Endpunkt-Hohlrohrwandung, gegenüber
dem Bogenelektrodenabstand der Bogenelektroden (17)(18)
(Achse „Bogenstrahllänge”) im gleichen
Verhältnis größer gewählt.
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Der
Plattenabstand der Kondensatorvorrichtung (11) betrat λ/4
der Wellenlänge der Resonatorwelle, erweitert auf λ/2
zum ringförmigen Hohlrohr (21). Der Achsenabstand
der Elektrodenanordnung (9) zueinander beträgt,
dem folgend eine ganzzahlige Wellenlänge bestimmter Grundwelle.
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Bezogen
auf das Kriterium das Elektronen bei einem Potentialunterschied
von 100 V die Geschwindigkeit ν = 5930 km/s, bei 1000 V
= 18.770 km/s und bei 10.000 V = 58.300 km/s, unter Berücksichtigung
relativistischer Geschwindigkeitsabnahme haben und hier erzeugter
Potentialunterschied direkt für EMP-Wirkungen (Mikrowellen
bis in den Submillimeterbereich) ausgenutzt wird, ist deren Bewegung zu
deren Bewegungsgeschwindigkeit im Vakuum, hier im mindesten um das
30 fache langsa mer bestimmt. Das Hohlrohr (21) ist mit
einem Stickstoff-Luftgemisch befüllt und durch Polyäthylenmaterial
(24) nach außen verschlossen.
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Die
Kreisringplatten (11) der Kondensatorvorrichtung sind durch
isolierende Stützen aus Diacond (12) befestigt,
die inneren Hohlraumresonator (13) verschließen.
Die Auskoppelvorrichtung (19) ist als Rundhohlrohrleiter
aufgebaut, durch die insbesondere Wellentypen höherer Ordnung
parallel zur Seelenachse der Rohrwaffe ausgerichtet ausgekoppelt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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