DE19617895C2

DE19617895C2 - Plasmainjektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE19617895C2
Application number: DE19617895A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr Ing Krumm; Thomas Dr Ing Weise; Frank Dipl Ing Venier; Guenter Dr Ing Stoeffler
Original assignee: Rheinmetall Industrie AG; MAN Technologie AG
Current assignee: MT Aerospace AG; Rheinmetall Industrie AG
Priority date: 1996-05-04
Filing date: 1996-05-04
Publication date: 1998-02-26
Anticipated expiration: 2016-05-05
Also published as: SE9701482A0; FR2748318B1; US5988070A; IL120713A0; GB9708738D0; SE9701482D0; DE19617895A1; GB2312733A; GB2312733B; SE9701482L; US5898124A; FR2748318A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmainjektionsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Treibladungshülse für eine Plasmainjektionsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 10, 13, 14.

Bei elektrothermischen Kanonen sind neben dem Geschoß auch verschlußseitig eingesetzte Plasmabrenner einschließlich eines Containers für das Plasmamaterial (Kartusche) Bestandteil einer Munition. Wegen der notwendigen hohen Stückzahl muß die Munition möglichst billig sein.

In der US-5,225,624 wird ein innerer Aufbau eines Plasmainjektors beschrieben. Dieser Plasmainjektor besteht aus einem Bodenteil, einer nicht metallischen Kartusche (Treibladungskammer) und einem Geschoß. Alle drei Teile sind fest miteinander verbunden. In einer im Bodenteil befindlichen ersten Plasmakammer erfolgt das Entzünden des Plasmas, wodurch Teile des Bodenteiles zerstört werden, damit sich auch das Plasma in einer zweiten Plasmakammer entzünden kann. Dieser Aufbau läßt eine Wiederverwendbarkeit für den Plasmainjektor nicht zu. Auch weist der Bodenteil einen komplizierten konstruktiven Aufbau auf, der eine einfache Herstellung nicht ermöglicht.

Die US-5,463,928 beinhaltet einen speziellen Aufbau zur Energieversorgung eines Plasmainjektors einer elektrothermischen Kanone. Der Plasmainjektor besteht auch hier aus einem Geschoß, einer Kartusche und einem Bodenteil, die ebenfalls fest miteinander verbunden sind. Eine Wiederverwendung der nach dem Verschuß verbleibenden Teile ist nicht möglich.

Aus der DE-36 13 259 A1 ist bekannt, die einem erhöhten Verschleiß unterliegenden Teile einschließlich zweier Elektroden sowie das Geschoß in Form einer Kartusche zusammengebaut in eine elektrothermische Kanone einzubringen. In einem vereinfachten Ausführungsbeispiel ist die zweite Elektrode mit dem Waffenrohr der Kanone verbunden.

Weiterhin ist aus der DE 38 16 300 A1 bekannt, ein induktives Speicherelement direkt in einer Kartusche anzuordnen. Die Kartusche besteht aus Stahl, glasfaserverstärktem Kunststoff oder einem ähnlich hochfesten Material. Das induktive Speicherelement ist einseitig direkt mit der Energieversorgung (Stromquelle) verbunden, während über die andere Seite der Stromkreis über das Geschützrohr geschlossen wird. Das induktive Speicherelement verglüht beim Anlegen einer Spannung.

Die DE-41 32 657 A1 offenbart eine Abschußvorrichtung, die verschlußseitig eine erste Elektrode und geschoßseitig eine zweite Elektrode aufweist. Dabei ist die verschlußseitige Elektrode als Masseelektrode und die geschoßseitige Elektrode als Hochspannungs elektrode ausgebildet. Zumindest eine Elektrode ist auch hierbei Bestandteil einer Kartusche.

Einen ringförmigen Plasmainjektor, auch Plasmabrenner genannt, beschreibt die DE 44 40 829 A1. Hierbei erfolgt im Zusammenwirken mit einem Membranelement die Realisierung von stabilen diskreten und kontinuierlichen Plasmabögen, um ausgeglichene Verteilungen, Infusion und Permeation des Plasmas in einer Treibladungs- oder Brennstoffmasse zu ermöglichen. Die membranhafte Substanz dient sowohl als Plasmabe hälter als auch als Brennstoffbehälter. Dieser Aufbau läßt aber weder eine Wiederverwend barkeit des Plasma- bzw. Brennstoffbehälters noch des Plasmabrenners zu.

Herkömmliche Treibladungsbehälter bzw. Treibladungshülsen, die aus einem mehrteiligen - schalenförmigen Hülsenboden, einem Hülsenstummel und einem Liderungsring bestehen, sind aus der DE 26 41 665 C2 bekannt.

Eine weitere Treibladungshülse wird in der DE 38 21 669 A1 behandelt. Auch hier besteht die mehrteilige Treibladungshülse aus einem Hülsenschaft und einem Hülsenstummel. Am Hülsenstummel ist ein rotationssymmetrisches Formteil angebracht, das zumindest teilweise den Auswerferabsatz bildet.

Des weiteren ist ein Hülsenboden für großkalibrige Munition aus der DE 42 29 559 A1 bekannt. Hierbei bestehen die Bodenplatte des Hülsenbodens und der metallische Stütz- und Dichtring aus zwei separaten Teilen, die derart formschlüssig miteinander verbunden sind, daß eine radiale Entkopplung der beiden Teile erfolgt.

Keine der genannten Treibladungshülsen ist jedoch bei der Munition elektrothermischer Kanonen verwendbar, da sie keine elektrothermische Zündung mittels Elektroden und Plasmamaterial ermöglichen.

Elektrisch zündbare Patronensysteme offenbart die DE 41 06 186 A1 wo das Gehäuse aus elektrisch nichtleitendem Material besteht. Das dabei beschriebene Gehäuse mit Schlagstück ist jedoch für eine elektrothermische Munition nicht verwendbar, da elektrothermische Munition beim Zünden hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt ist. Auch eine Wiederverwendbarkeit des Gehäuses ist nicht möglich
Ein weiterer Nachteil der vorgenannten Lösungen ist das Entsorgungsproblem.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Plasmainjektionsvorrichtung als billige Massenproduktion zu gestalten, sowie ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer solchen Plasmainjektionsvorrichtung anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 und in den Patentansprüchen 10, 13 und 14 aufgeführten Merkmale.

Durch die Schaffung einer neuen Bauform der Plasmainjektionsvorrichtung, d. h. der Zusammenfassung von Treibladungshülse, Container und Plasmamaterial zu einer Komponente ist eine einfache Integration von Geschoß- und Plasmamaterial (Handhabung) möglich. Ein weiterer Vorteil ist die leichte Integrierbarkeit des Anzündmechanismus. Die Verwendung einer Treibladungshülse bei der Plasmainjektorsvorrichtung für elektro thermische Kanonen gewährleistet gleichfalls die Recyclefähigkeit der Plasmainjektionsvorrichtung.

Durch das neue Verfahren können Zeitaufwand für Herstellung und Recycle der Treibladungshülse sowie Materialaufwand gesenkt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

So wird durch die innere Form der Treibladungshülse und durch die Isolierung eine ange paßte Energieumsetzung und damit eine sehr gute Innenballistik erzielt. Vorteilhaft ist auch die Schaffung der Isolierung von der Elektrode zum Patronenboden und der Isolierung der Treibladungshülse in einem Verfahrensschritt und die damit erzielte Zeiteinsparung.

Eine weitere Material- und Gewichtseinsparung wird durch die neuartige Materialwahl des Patronenbodens erreicht.

Durch die Verwendung von Kunstharzpreßholz oder faserverstärkten Kunststoffen entfällt die Erfordernis einer MC-Lamelle (Multikontaktlamelle) und einer C-Dichtung (Spezialdichtung mit C-förmigem Aussehen) zur Vermeidung von Stromerosionen. Durch die verbesserte Isolation der Anode wird die Betriebssicherheit des Plasmabrenners erhöht und die Begrenzung eines Schadens bei Versagen des Plasmabrennerbodens gewährleistet. Gleichzeitig tritt eine Kostenersparnis ein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Treibladungshülse und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der ringförmigen Plasmainjektionsvorrichtung mit einem davor gelagerten Geschoß.

Fig. 3 eine weitere Prinzipdarstellung der Treibladungshülse.

In Fig. 1 dargestellt ist eine Treibladungshülse 20, bestehend aus einem Hülsenschaft 1, der zugleich eine Liderung 2 darstellt, einem Patronenboden 4 sowie einer darin befindlichen isolierten Elektrode 3. Der Hülsenschaft besteht aus einem elektrisch nicht leitendem Material. Die Isolierung 1′ der Elektrode 3 kann beispielsweise aus GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) gewickelt sein, kann aber auch als Bestandteil des Hülsenschaftes 1 geschaffen werden.

Bei der Umwicklung mit GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) wird die isolierte Elektrode 3 im Patronenboden 4 verklebt und ausgehärtet. Danach wird der Patronenboden 4 mit isolierter Elektrode 3 in ein allgemein bekanntes Vergußgehäuse eingelegt und mittels einer Reaktionsharzmasse der Hülsenschaft 1 mit gleichzeitiger Liderung 2 geschaffen.

Erfolgt die Gestaltung der Isolation 1′ um die Elektrode 3 ohne GFK, so können beide vorgenannten Arbeitsgänge kombiniert werden. Es werden der Patronenboden 4 und die (noch nicht isolierte) Elektrode 3 in ein dementsprechend anders geartetes Vergußgehäuse eingebracht, ohne daß sich der Patronenboden 4 und die Elektrode 3 berühren. Mittels einer Reaktionsharzmasse erfolgt die Schaffung des Hülsenschaftes 1 und der Isolierung 1′. Bei beiden Varianten bestehen der Hülsenschaft 1 und die Isolierung 1′ aus vorzugsweise linear vernetzten Kunststoffen wie z. B. Elastomeren. Dabei bestimmt der Hülsenschaft 1 eine innere sowie eine äußere Form der Treibladungshülse 20 am Patronenboden 4. Die innere Form ist dabei vorzugsweise als halbkreisförmige Nut gestaltet. Die gießbaren, schwindungsarmen, flexiblen Kunststoffe härten luftblasenfrei aus. Die erforderlichen Genauigkeiten bzw. Toleranzen werden durch das Vergußgehäuse eingehalten, so daß mechanische Nacharbeiten nicht notwendig sind.

Fig. 2 zeigt den allgemeinen Funktionsaufbau einer elektrothermischen Kanone. Ein Rohr 7 umschließt dabei fest einen Verschluß 6 der Kanone. Im Verschluß 6 ist eine Zentralelek trode 5 mit einer Isolierung 12 fest angebracht. Im Ladezustand der Kanone befindet sich am Verschluß 6 der Patronenboden 4 der Treibladungshülse 20. Die isolierte Elektrode 3, deren eines Ende in die Treibladungshülse 20 durch den Patronenboden 4 hineinragt, hat an ihrem anderen Ende Kontakt mit der Zentralelektrode 5. Mit dem Hülsenschaft 1 ist ein Container 10, beispielsweise, in nicht dargestellter Weise, mittels Paßsitz verbunden und in geeigneter Art und Weise mit diesem beispielsweise durch Klebung befestigt. Der Container 10 wird später mit einem Plasmamaterial 9 befüllt. Dabei kann der Container 10 ver schlußseitig, d. h. in Richtung Treibladungshülse 20, offen sein, wodurch auch eine Befüllung der Treibladungshülse 20 erfolgt. Der Container 10 kann aber auch ver schlußseitig einen Boden aufweisen. Des weiteren kann der Container 10 verschlußseitig eine Verjüngung besitzen, wodurch ein Lichtbogen 8 im Plasmamaterial 9 besser geschaffen werden kann. Vor dem Container 10 ist im Rohr 7 ein Geschoß 11 angeordnet und kann mit diesem befestigt sein. Erfindungsgemäß bilden die Treibladungshülse 20, der Container 10 mit Plasmamaterial 9 und das Geschoß 11 eine konstruktive Einheit (Patrone).

Die Form der Plasmainjektionsvorrichtung kann ringförmig oder rechteckig sein und ist abhängig vom verwendeten Container 10.

Mit Schließung eines hier nicht näher beschriebenen bekannten Zündkreises der elektrischen Kanone erhält die isolierte Elektrode 3 durch die Zentralelektrode 5 ihr positives Potential. Dieses Potential entlädt sich an dem Lichtbogen 8 zum Rohr 7, das als Gegenelektrode fungiert.

Durch diesen Lichtbogen 8 wird das Plasmamaterial 9, beispielsweise Methanol, ausgewei tet. Dadurch entsteht eine elektrothermische Volumenvergrößerung, die das Geschoß 11 in Richtung des mündungsseitigen Endes 13 des Rohres 7 in bekannter Art und Weise be schleunigt.

Je nach Größe des Hülsenschaftes 1 mit Liderung 2 ist der Lichtbogen 8 länger oder kürzer. Ist der Hülsenschaft 1 zum Container 10 zu lang, muß die Plasmaspannung hoch gewählt werden, was die Gefahr in sich birgt, daß durch eine Drahtexplosion entstandenes Plasma 9 in sich zusammenbricht. Das Geschoß 11 wird dann nicht oder nicht optimal aus dem Rohr 7 befördert. Wird der Hülsenschaft 1 zu kurz gewählt, so reicht die Energieumsetzung und damit die Ausweitung des Plasmamaterials 9 ebenfalls nicht aus, das Geschoß 11 mit ge wünschter Geschwindigkeit aus dem Rohr 7 zu bewegen. Außerdem fehlt die Isolation zwi schen Stahlteilen verschiedener Potentiale, was zur Zerstörung der elektrothermischen Kanone führen kann. Die innere halbkreisförmige nutartige Form des Hülsenschaftes 1 am Patronenboden 4 bewirkt eine zielgesicherte Ausweitung des Plasmaterials 9 in Richtung Geschoß 11.

Durch diese Maßnahmen ergibt sich eine angepaßte Energieumsetzung und eine sehr gute Innenballistik.

Der Container 10, der mit dem Geschoß 11 das Rohr 7 verläßt, kann dabei verbrennen oder wird abgedreht. Bedingt durch die Stärke und Qualität des Hülsenschaftes 1 und der gleichzeitigen Liderung 2 kann diese Treibladungshülse 20 weiter bzw. wieder verwendet werden, wozu jeweils ein neuer Container 10 mit neuem Plasmamaterial 9 und ein neues Geschoß 11 aufgesetzt werden.

Nach mehrmaliger Verwendung und damit verbunden einem definierten Verschleiß des Hülsenschaftes 1 mit Liderung 2 werden dann der Patronenboden 4 und die isolierte Elek trode 3 erneut in eine Vergußform gebracht und der Hülsenschaft 1 mit Liderung 2 eingegossen.

Der definierte Verschleiß bestimmt sich dabei aus dem Paßverhalten der Treibladungshülse 20 mit Container 10 sowie der Treibladungshülse 20 im Rohr 7. Wenn dieses Paßverhalten nicht mehr ausreichend ist, wird der Hülsenschaft 1 mit Liderung 2 erneuert.

Die Treibladungshülse 20 ist dann erneut verwendbar.

Eine weitere Plasmainjektionsvorrichtung 20 ist in Fig. 3 dargestellt.

Der Patronenboden 4′ besteht dabei aus einem elektrisch nichtleitenden Material mit Isola tionswirkung für den Plasmabrenner. Als Material für den Patronenboden 4′ eignen sich beispielsweise Kunstharzpreßholz, wie schichtverleimtes Lignostone und faserverstärkte Kunststoffe, beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) wie Durestone oder Duraver, und synthesefaser- oder naturfaserverstärkte Kunststoffe.

Bedingt durch den elektrisch nichtleitenden Patronenboden 4′ entfällt die Notwendigkeit, daß die Elektrode 3 isoliert im Patronenboden 4′ angeordnet sein muß. Das eine Ende der Elektrode 3 ragt durch den Patronenboden 4′ in die Treibladungshülse 20 hinein. Zwischen dem Patronenboden 4′ und der Elektrode 3 befindet sich ein Material, welches den festen Sitz der Elektrode 3 im Patronenboden 4′ gewährleistet. Dies kann beim Einbringen des Patronenbodens 4′, bestehend aus Kunstharzpreßholz mit der Elektrode 3 in ein nicht näher dargestelltes Vergußgehäuse derart erfolgen, daß eine Reaktionsharzmasse, die beispiels weise gleichzeitig der Hülsenschaft 1 bestimmt, zwischen der Elektrode 3 und dem Patro nenboden 4′ in dünner Schicht aushärtet. Eingesetzt werden dabei gießbare, schwindungs arme, flexible Kunststoffe. Die Elektrode 3 kann jedoch im Patronenboden 4′ auch mittels Preßsitz oder ähnlichen Verfahren ohne zusätzliches Material fest durchgeführt werden. Erst danach ist das Einbringen des Patronenbodens 4′ mit Elektrode 3 in das Vergußgehäuse notwendig.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Elektrode 3 alleine in ein Vergußgehäuse eingebracht wird. Der Patronenboden 4′ und die Isolierung bzw. der Hülsenschaft 1 werden aus Kunststoff an die Elektrode angegossen. Dabei wird der Hülsenschaft 1 Bestandteil des Patronenbodens 4′. Die patronenähnliche Form wird durch die innere Form des Ver gußgehäuses bestimmt.

Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Elektrode 3 in ein allgemein bekanntes Spritzgußwerkzeug einzulegen und den Patronenboden 4′ und den Hülsenschaft 1 aus Thermoplasten, wie z. B. Polyamid oder Polycarbonat, anzuformen. Die Thermoplaste können verstärkt oder unverstärkt eingesetzt werden. Diese Thermoplaste können unter Druck bzw. Temperatur in jede beliebige Form gebracht werden. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der kurzen Taktzeit bei der Herstellung bzw. Erneuerung.

In den vorgenannten Fällen werden nach mehrmaliger Verwendung und definiertem Verschleiß des Hülsenschaftes 1 und Liderung 2 der Patronenboden 4′ mit nichtisolierter Elektrode 3 erneut in ein Formwerkzeug eingelegt, um den Hülsenschaft 1 und dadurch die Liderung 2 zu erneuern.

Bezugszeichenliste

1 Hülsenschaft
1′ Isolierung
2 Liderung
3 Elektrode
4 Patronenboden
4′ Patronenboden
5 Zentralelektrode
6 Verschluß
7 Rohr
8 Lichtbogen
9 Plasmamaterial
10 Container
11 Geschoß
12 Isolierung
13 Rohrende
20 Treibladungshülse

Claims

1. Plasmainjektionsvorrichtung, bestehend aus einem Container (10) zur Aufnahme eines Plasmamaterials (9) und einem am Container (10) aufgesetzten Geschoß (11) dadurch gekennzeichnet, daß

- die Plasmainjektionsvorrichtung vor dem Container (10), dessen Wandung aus elektrisch leitendem Material besteht, eine Treibladungshülse (20) aufweist,
- die Treibladungshülse (20) aus einem Patronenboden (4, 4′), einer Elektrode (3) und einem Hülsenschaft (1) aus elektrisch nichtleitendem Material gebildet wird, wobei die Elektrode (3) zentral durch den Patronenboden (4, 4′) geführt ist,
- die Treibladungshülse (20) und der Container (10) mit Geschoß (11) durch den Hülsenschaft (1) derart trennbar miteinander verbunden sind, daß der Treibladungshülse (20) ein Container (10) mit Geschoß (11) erneut aufsetzbar ist.

2. Plasmainjektionsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hülsenschaft (1) direkt am Patronenboden (4) angebracht ist.

3. Plasmainjektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3) eine Isolierung (1′) aufweist.

4. Plasmainjektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (1′) der Elektrode (3) und der Hülsenschaft (1) einteilig ausgeführt sind.

5. Plasmainjektionsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Patronenboden (4′) aus elektrisch nichtleitendem Material besteht, wodurch die Isolierung (1′) der Elektrode (3) entfällt.

6. Plasmainjektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch nichtleitende Material ein Kunstharzpreßholz ist.

7. Plasmainjektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch nichtleitende Material ein faserverstärkter Kunststoff ist.

8. Plasmainjektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hülsenschaft (1) neben einer äußeren Form auch eine innere Form der Treibladungshülse am Patronenboden (4, 4′) be stimmt, wobei die innere Form der Treibladungshülse als halbkreisförmige Nut ausgebildet ist.

9. Plasmainjektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (3) durch den Hülsenschaft (1) am Patronenboden (4, 4′) in die Treibladungshülse (20) hineinragt.

10. Verfahren zur Herstellung einer Treibladungshülse (20) für eine Plasmainjektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) ein Patronenboden (4) und eine Elektrode (3) werden in ein Vergußgehäuse eingebracht;
b) in das Vergußgehäuse wird ein gießbarer Kunststoff gegeben, der als Hülsenschaft (1) und Isolation (1′) aushärtet

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Vergußge häuse eingebrachte Elektrode (3) bereits die Isolation (1′) aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem definierten Abrieb des Hülsenschaftes (1) der Patronenboden (4) mit isolierter Elektrode (3) erneut in eine Vergußform eingebracht und mittels Kunststoff der Hülsenschaft (1) erneut aufgebaut wird.

13. Verfahren zur Herstellung einer Treibladungshülse (20) für eine Plasmainjektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) eine Elektrode (3) wird in ein Vergußgehäuse eingebracht,
b) in das Vergußgehäuse wird ein gießbarer Kunststoff eingebracht,
c) der Kunststoff härtet als Hülsenschaft (1) und als Patronenboden (4′) aus.

14. Verfahren zur Herstellung einer Treibladungshülse (20) für eine Plasmainjektionsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) eine Elektrode (3) wird in ein Spritzgußwerkzeug eingelegt;
b) in das Spritzgußwerkzeug wird unter Druck und Temperatur ein thermoplastischer Kunststoff eingespritzt;
c) der Kunststoff kühlt als Hülsenschaft (1) und als Patronenboden (4′) ab.

15. Verfahren nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem definierten Abrieb des Hülsenschaftes (1) der Patronenboden (4′) mit Elektrode (3) erneut in eine Vergußform eingebracht und mittels Kunststoff der Hülsenschaft (1) erneut aufgebaut wird.