DE19629506A1

DE19629506A1 - Plasmabrenner für elektrothermische Rohrwaffen

Info

Publication number: DE19629506A1
Application number: DE1996129506
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Ing Tiefholz; Dieter Dr Rer Nat Zwingel; Thomas Dipl Phys Karasinski; Klaus Dipl Phys Dr Rer N Zocha
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Stiftung and Co KG
Priority date: 1996-07-22
Filing date: 1996-07-22
Publication date: 1998-01-29

Description

Die Erfindung betrifft einen Plasmabrenner für elektrothermische Rohrwaffen, bei welchem ein Lichtbogen in einem axialen Entladungskanal zwischen einer zentralen Elektrode und einer gegen die zentrale Elektrode durch eine Isolierschicht elektrisch isolierten ringförmigen Elektrode erzeugbar ist, durch welchen in dem mit dem Rohr verbundenen Entladungskanal ein Plasma unter hohem Druck erzeugt wird, das ein in dem Rohr sitzendes Projektil aus dem Rohr treibt.

Bei elektrothermischen Rohrwaffen (Kanonen) wird in dem Rohr hinter dem Projektil ein Lichtbogen erzeugt. In das Rohr eingeleitete oder aus Teilen der Struktur abgebrannte Moleküle bilden dann ein Plasma von sehr hoher Temperatur und entsprechend hohem Druck. Dadurch wird das Projektil mit sehr hoher Geschwindigkeit aus dem Rohr getrieben. Es lassen sich damit höhere Drücke und Geschwindigkeiten des Projektilös erzielen als mit den üblichen chemischen Prozessen beim Zünden einer Treibladung. Die elektrische Energie zur Erzeugung des Plasmas wird durch Aufladen eines Kondensators hoher Kapazität gespeichert, der in extrem kurzer Zeit mit entsprechend hohen Strömen in dem Lichtbogen zwischen zwei im Rohr sitzenden Elektroden entladen wird.

Eine elektrothermische Rohrwaffe dieser Art ist in der DE 36 13 259 A1 beschrieben.

Bei dieser bekannten elektrothermischen Rohrwaffe sitzt eine ringförmige Elektrode in dem Rohr. Diese Elektrode ist durch eine Isolierschicht von einer zentralen Elektrode getrennt. Die zentrale Elektrode sitzt mit einem scheibenförmigen Fuß auf einer ebenfalls scheibenförmigen Elektrodenaufnahme. Die ringförmige Elektrode greift um die zentrale Elektrode unter Zwischenlage der Isolierschicht topfförmig herum. Eine Stromzuleitung zu der ringförmigen Elektrode greift, ebenfalls unter Zwischenlage einer Isolierschicht um die Elektrodenaufnahme herum. Die elektrische Verbindung zwischen der Elektrodenaufnahme und der zentralen Elektrode und zwischen der Stromzuleitung und der ringförmigen Elektrode erfolgt durch jeweils eine Kontaktlamellen-Scheibe. Die Kontaktlamellen-Scheiben liegen in einer Ebene. Zwischen den konzentrischen Kontaktlamellen-Scheiben ist zur Isolierung eine Siliconkautschuk-Dichtung vorgesehen. Ein Entladungsraum, in welchem das Plasma gebildet wird, ist innerhalb der ringförmigen Elektrode und vor der zentralen Elektrode gebildet. Das Projektil ist von einer Hülse aus Kunststoff umgeben.

Der Zweck der beschriebenen Konstruktion ist es, den Verschleiß der Rohrteile selbst bei hoher Schußfolge gering zu halten. Zu diesem Zweck werden alle einem starken Verschleiß unterliegenden Teile einschließlich der beiden Elektroden in einer auswechselbaren Kartusche angeordnet. Diese Kartusche ist wiederum teilbar, so daß, insbesondere bei großkalibrigen Waffen, zunächst das Projektil mit der dieses umgebenden Hülse und anschließend die aus Elektroden und Isolierstück bestehende Einheit in das Geschützrohr eingeführt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Plasmabrenner der eingangs genannten Art die Isolierschicht so auszuführen, daß sie

- für die hohen auftretenden Spannungen spannungsfest ist,
- die hohen Temperaturen des Plasmas aushält,
- den hohen Drücken des Plasmas widerseht und
- ohne übermäßige Präzisions-Anforderungen gefertigt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(a) die Isolation des Entladungskanals und der zentralen Elektrode durch eine Isolierschicht aus Keramikmaterial erfolgt und
(b) die Isolierschicht durch Löten mit einer druckfesten Struktur verbunden ist.

Das Keramikmaterial ist druckfest, hochspannungsfest und gegenüber den auftretenden hohen Temperaturen beständig. Es ist jedoch erforderlich, das Keramikmaterial auf der Außenseite gleichmäßig abzustützen, damit es nicht unter dem Einfluß der hohen Druckkräfte brechen kann. Das würde bedeuten, daß die Isolierschicht aus Keramikmaterial mit sehr geringen Toleranzen an die Form der Abstützung angepaßt werden muß. Die Herstellung der Isolierschicht mit solch geringen Toleranzen wäre aber extrem aufwendig. Durch das Löten werden die üblichen Fertigungstoleranzen ausgeglichen.

Die Isolierschicht ist vorzugsweise mit der druckfesten Struktur durch Aktivlötung verbunden.

Bei einer bevorzugten Ausführung entspricht Außendurchmesser der zentralen Elektrode dem Durchmesser des Entladungskanals. Die zentrale Elektrode ragt in den Entladungskanal hinein. Die zentrale Elektrode ist in einer Elektrodenaufnahme fest gehaltert. Die Elektrodenaufnahme ist über die Isolierschicht an einem rohrfesten Stützkörper abgestützt, wobei die Isolierschicht auf ihrer der Elektrodenaufnahme abgewandten Seite mit dem Stützkörper durch Löten verbunden ist. Der Entladungskanal verläuft in einer Bohrung eines rohrförmigen Körpers, die mit der Isolierschicht ausgekleidet ist, wobei die Isolierschicht mit der Wandung der Bohrung durch Löten verbunden ist.

Vorteilhafterweise sind die Isolierschicht und die druckfeste Struktur so dimensioniert und gelötet, daß bei der Abkühlungsphase des Lötvorganges Druckspannungen in dem Keramikmaterial erzeugt werden, welche der im Betrieb auftretenden Zugbelastung entgegenwirken und diese überkompensieren.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Die Figur zeigt schematisch ein Rohr 10 einer Rohrwaffe mit einem "Plasmabrenner" 12 zur Erzeugung eines Plasmas mit hoher Temperatur und hohem Druck. Ein solches Plasma treibt ein Projektil mit sehr hoher Geschwindigkeit aus dem Rohr.

Der "Plasmabrenner" enthält ein Rohrteil 14. Der Rohrteil 14 weist eine zentrale Bohrung 16 auf. An dem vorderen Ende erweitert sich die Bohrung 16 zu einer Ausnehmung 18 von größerem Durchmesser. Am hinteren Ende bildet das Rohrteil 14 eine radiale Stirnfläche 20. In der erweiterten Ausnehmung 18 sitzt eine ringförmige Elektrode 22.

Mit 24 ist eine Elektrodenaufnahme bezeichnet. Die Elektrodenaufnahme sitzt an einem Hals 26 gleichachsig in dem Rohr 10. Die Elektrodenaufnahme 24 weist einen flach zylindrischen Mittelteil 27 auf. Ein zentraler Ansatz 28 ragt auf der Vorderseite koaxial in die Bohrung 16. An dem Ansatz sitzt eine zentrale Elektrode 30.

Eine Isolierschicht 32 sitzt mit einem rohrförmigen Abschnitt 34 in der Bohrung 16. Das Innere des rohrförmigen Abschnitts 34 der Isolierschicht 32 bildet einen Entladungskanal 36. Die Isolierschicht 32 weitet sich dann radial nach außen hin auf. Ein radialer Abschnitt 38 erstreckt sich über die Stirnfläche 20 des Rohrteils 14 und zwischen diesem und der vorderen Stirnfläche der Elektrodenaufnahme 26. Die Isolierschicht 32 greift dann um die Elektrodenaufnahme 26 herum und ersteckt sich dann mit einem radialen Abschnitt 40 über die rückwärtige Stirnfläche der Elektrodenaufnahme 26. Schließlich bildet die Isolierschicht einen rohrförmigen Abschnitt 42, der den Hals 26 umgibt und gegen das Rohr 10 und die damit verbundenen Teile isoliert. Der radiale Abschnitt 40 liegt zwischen der rückwärtigen Stirnfläche der Elektrodenaufnahme 26 und einer mit dem Rohr 10 verbundenen Stützplatte 44.

Die Isolierschicht 32 besteht aus einem Keramikmaterial. Der rohrförmige Abschnitt 34 der aus Keramikmaterial bestehenden Isolierschicht 32 ist durch aktiv-gelötete Verbindungstechnik in die Bohrung 16 der druckfesten Struktur des Rohrteils 14 eingelötet. Das ist durch eine Lötschicht 46 angedeutet. Diese Lötschicht 46 gleicht die üblichen Fertigungs-Toleranzen der Teile 14 und 34 aus. Der Durchmesser der Bohrung 16 und der Außendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts 34 sind dabei so bemessen, daß während der Abkühlungsphase des Lötvorganges, bei der sich die Teile zusammenziehen, in dem Keramikmaterial des Abschnitts 34 eine Druckspannung erzeugt wird. Das sich thermisch zusammenziehende Rohrteil 14 drückt den Abschnitt 34 der Isolierschicht 32 radial zusammen. Dadurch entsteht in dem Keramikmaterial des Abschnitts 34 eine Druckvorspannung. Diese Druckvorspannung wirkt der auswärts gerichteten Zugspannung entgegen, die durch den Druck des Plasmas im Entladungskanal 36 hervorgerufen wird.

In entsprechender Weise ist der rückwärtige radiale Abschnitt 40 der Isolierschicht 32 durch aktiv-gelötete Verbindungstechnik mit der Stützplatte 44 verbunden. Das ist durch eine Lötschicht 48 dargestellt. Auch hier ist durch die Bemessung der Isolierschicht, der Elektrodenaufnahme 24 und der Stützplatte 44 dafür gesorgt, daß während der Abkühlungsphase des Lötvorganges in dem Abschnitt 40 der Isolierschicht 32 eine Druckvorspannung erzeugt wird, welche der durch den Druck im Entladungskanal 36 über die zentrale Elektrode 30 und die Elektrodenaufnahme 24 auf die Isolierschicht 32 ausgeübte Zugspannung entgegenwirkt und diese überkompensiert.

Auf diese Weise werden Zugspannungen in der Isolierschicht auch bei den hohen auftretenden Drücken vermieden. Auch axiale Beschleunigungskräfte führen bei der beschriebenen Konstruktion nicht zu Scher- und Zugspannungen in dem Keramikmaterial.

Claims

1. Plasmabrenner für elektrothermische Rohrwaffen, bei welchem ein Lichtbogen in einem axialen Entladungskanal (36) zwischen einer zentralen Elektrode (30) und einer gegen die zentrale Elektrode (30) durch eine Isolierschicht (32) elektrisch isolierten ringförmigen Elektrode (22) erzeugbar ist, durch welchen in dem mit dem Rohr (10) verbundenen Entladungskanal (36) ein Plasma unter hohem Druck erzeugt wird, das ein in dem Rohr (10) sitzendes Projektil aus dem Rohr (10) treibt, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Isolation des Entladungskanals (36) und der zentralen Elektrode (30) durch eine Isolierschicht (32) aus Keramikmaterial erfolgt und
(b) die Isolierschicht (32) durch Löten mit einer druckfesten Struktur (10, 44) verbunden ist.

2. Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (32) mit der druckfesten Struktur (10, 44) durch Aktivlötung verbunden ist.

3. Plasmabrenner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Außendurchmesser der zentralen Elektrode (30) dem Durchmesser des Entladungskanals (36) entspricht,
(b) die zentrale Elektrode (30) in den Entladungskanal (36) hineinragt,
(c) die zentrale Elektrode (30) in einer Elektrodenaufnahme (24) fest gehaltert ist und
(d) die Elektrodenaufnahme (24) über die Isolierschicht (32) an einem rohrfesten Stützkörper (10) abgestützt ist, wobei die Isolierschicht (32) auf ihrer der Elektrodenaufnahme (24) abgewandten Seite mit dem Stützkörper (44) durch Löten verbunden ist.

4. Plasmabrenner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungskanal (36) in einer Bohrung (16) eines rohrförmigen Körpers (14) verläuft, die mit der Isolierschicht (32) ausgekleidet ist, wobei die Isolierschicht (32) mit der Wandung der Bohrung (16) durch Löten verbunden ist.

5. Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (32) und die druckfeste Struktur so dimensioniert und gelötet sind, daß bei der Abkühlungsphase des Lötvorganges Druckspannungen in dem Keramikmaterial erzeugt werden, welche der im Betrieb auftretenden Zugbelastung entgegenwirken und diese überkompensieren.