DE19757443A1

DE19757443A1 - Plasmabrennervorrichtung für elektrothermische und elektrothermisch-chemische Kanonensysteme

Info

Publication number: DE19757443A1
Application number: DE19757443A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Weise; Holger Dr Wisken; Hans Karl Dr Haak
Original assignee: Tzn Forschungs- und Entwicklungszentrum Unterlues 29345 Unterlues De GmbH; Tzn Forschung & Entwicklung
Current assignee: Rheinmetall W&M GmbH
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1997-12-23
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: GB2332736A; SE9804500D0; DE19757443C2; FR2772907A1; SE513468C2; FR2772907B1; GB2332736B; SE9804500L; US6186040B1; GB9826653D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmabrennervorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-5,287,791 ist ein Präzisionsgenerator für ein elektrothermisch-chemisches Kanonensystem bekannt, der eine Anode und eine Kathode zur Entzündung des Plasmas aufweist. Zwischen der Anode und der Kathode im Plasmakanal befindet sich dabei ein dünner Metalldraht. Durch diesen sind die Anode und Kathode elektrisch miteinander verbunden. Bei Anlegung einer Hochspannung verbrennt dieser Draht, wodurch sich ein Lichtbogen bildet, der eine Treibladung anzündet, die ihrerseits ein Projektil antreibt.

Die US-5,355,764 offenbart ebenfalls einen Plasmagenerator für eine elektrothermisch chemische Kanone. Dieser Generator weist eine Anode und eine Kathode sowie zwischen beiden einen dünnen Metalldraht innerhalb eines Plasmakanals zur Entzündung des Plasmas auf.

Nachteilig bei beiden Generatoren ist, daß hierbei lange Isolationsstrecken notwendig sind, um einen Durchschlag von der Hochspannungsseite (Anode) zum geerdeten Kanonenrohr zu verhindern.

Einen weiteren ringförmigen Plasmainjektor für ein elektrothermisch-chemisches Antriebs system beschreibt DE-44 40 829 A1. In einem Ausführungsbeispiel ist eine Erdseite (Kathode) über einen Zünddraht außerhalb einer Plasmakammer mit einer Hochspannungs seite elektrisch verbunden. Der Zünddraht besitzt hierbei die Aufgabe, den Lichtbogen einzuleiten. Das als Zünddraht dienende Element ist in Brennstoffkammern angeordnet. Die Erdseite ist über das Kanonenrohr geerdet. Die Trennung des als Zünddraht dienenden Elementes zum Plasma erfolgt über eine Isolationshülle. Wenn über den Zünddraht der Strompfad genügend ausgebildet ist, verdampft dieses Element und liefert die in dem Element enthaltene Brennstofftmasse für das Plasma.

Die DE-196 17 895 A1 offenbart eine Plasmainjektionsvorrichtung für elektrothermische Kanonen mit einer mehrteiligen Treibladungshülse, durch die nur eine Elektrode geführt ist. Als 2. Elektrode fungiert hier ein geerdetes Kanonenrohr.

Durch die Ausbreitung eines Lichtbogens zwischen der Innenelektrode und dem Kanonen rohr und der damit verbundenen Tatsache, daß die entstehenden Gasströme und Lichtbo genfüßpunkte in das Kanonenrohr hineingetrieben werden, treten starke Erosionserschei nungen im Konusbereich des Ladungraumes und ggf. im Mündungsbereich des Kanonen rohres auf.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Plasmabrennervorrichtung der gattungsge mäßen Art anzugeben, bei der Erosionserscheinungen im Konusbereich eines Kanonenroh res verhindert bzw. minimiert werden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, ein sich im Kanonenrohr aufbauendes magnetisches Feld so zu nutzen, daß ein zur Funktion des Plasmabrenners notwendiger Lichtbogen im hinteren Bereich eines Ladungsraumes der Kanone bleibt. Dazu wird die Geometrie einer Hochspannungselektrode derart gestaltet, daß der zwischen der Hochspannungselektrode und dem Kanonenrohr als 2. Elektrode entstehende Lichtbogen, durch das sich an einem unisolierten Bereich der Hochspannungselektrode aufbauende Magnetfeld in Richtung Rohrende getrieben wird. Dabei wirkt der Lichtbogen auf die Stirnfläche eines Pulvers oder Treibmittels, wobei ein Abbrand bzw. eine Verdampfung in entgegengesetzter Richtung zur Strömung des Treibmittels erfolgt.

Erfindungsgemäß weist die Hochspannungselektrode einen in einer Isolation geführten Innenleiter als Energiezufuhrstab auf der im oberen Bereich der Hochspannungselektrode ohne Isolation und außerhalb um den isolierten Energiezufuhrstab geführt endet. Dadurch besitzt die Hochspannungselektrode im oberen Bereich einen dickeren Umfang auf als im unteren Bereich. Dabei befindet sich zwischen dem Energiezufuhrstab und dem nichtisolier ten Teil der Hochspannungselektrode die Isolation. Die Stirnseite der Hochspannungslek trode, die zur Rohrmündung weist, ist mit einer weiteren Isolation kappenartig abgedeckt.

Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Durch eine geschlitzte Hocbspannungselektrode im nichtisolierten Bereich wird erreicht, daß der Lichtbogen um die Hochspannungselektrode rotierend arbeitet und somit ein homogenes Abbrennen des Pulvers oder Verdampfen des Treibmittels ermöglicht. Wird der Bereich vom oberen Ende der Hochspannungselektrode ab außerdem noch konusartig gestaltet, kann sich der Lichtbogen in einer Schleife um die Hochspannungselek trode ausbreiten, wodurch der Lichtbogen schneller bewegt wird. Dies ist auch beim Entzünden von Vorteil, da zu Beginn der Plasmaentzündung der Lichtbogen in die gewünschte Richtung getrieben wird. Durch die neuartige Gestaltung der Hochspannungse lektrode kann herkömmliches Pulver, das bekanntlich aus zylindrischen Körnern besteht, auch als Pulverscheiben ausgebildet verwendet werden, wodurch eine höhere Ladedichte und damit auch eine höhere Energieumsetzung erfolgt, weil der Abbrand an der Oberfläche der Scheiben gleichmäßig und effektiv durch den Lichtbogen stattfindet. Dadurch wird auch eine bessere Beschleunigung des Projektils aus dem Kanonenrohr erreicht. Beim Einsatz einer Metallkartusche kann diese als 2. Elektrode fungieren, wobei diese mit einem Kanonenrohr elektrisch in Verbindung steht. Bei Verwendung einer Kunststoffhülle, beispielsweise Durostone, Plexiglas, wird durch die Elektrodengestaltung der Lichtbogen zum Plasma getrieben und erreicht erst danach die als Gegenelektrode fungierende Ladungsrauminnenwand. Die die Erosionen und Ablationen verursachenden Schädigungen werden durch die besondere Gestaltung der erfindungsgemäßen Hochspannungselektrode im Konusbereich minimiert.

Anhand von Ausführungsbeispielen mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Ansicht einer Hochspannungselektrode;

Fig. 1a eine Darstellung im Schnitt I-I aus Fig. 1;

Fig. 2 eine vereinfachte Schnittdarstellung eines Ladungsraumes einer Kanone;

Fig. 3 eine weitere vereinfachte Schnittdarstellung des Ladungsraumes der Kanone;

Fig. 4 eine weitere Ansicht der Hochspannungselektrode.

Fig. 1 zeigt einen prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Hochspannungselektrode 1.

Diese besteht aus einem Energiezufuhrstab 2 (Metall), der von einer Isolation 3 umhüllt ist. In einem oberen Bereich 4 der Hochspannungselektrode 1 ist der Energiezufuhrstab 2 derart gestaltet, daß sich um die eigene Isolation 3 eine weitere nichtisolierte Außenfläche 2' befindet, so daß die Hochspannungselektrode 1 in diesem Bereich 4 einen größeren Umfang aufweist. Diese nichtisolierte Außenfläche 2' ist Bestandteil eines kappenförmigen Teils 7 des Energiezufuhrstabes 2, das um den Energiezufuhrstab 2 angeordnet ist und die Isolation 3 umschließt. Am Kopfstück 5 des kappenförmigen Teils 7 befindet sich eine weitere kappenförmige Isolation 6, die einen ungewollten Durchschlag zum Kanonenrohr 11 verhindert.

In einer Schnittdarstellung I-I, siehe Fig. 1a, ist dieser Aufbau noch einmal verdeutlicht. Innerhalb der Hochspannungselektrode 1 befindet sich der Energiezufuhrstab 2, um den die Isolation 3 geführt ist. Außerhalb der Isolation 3 befindet sich die nichtisolierte Außenfläche 2', über welcher wiederum die Isolation 6 angebracht ist.

Fig. 2 stellt eine vereinfachte Schnittdarstellung eines elektrothermischen bzw. elek trothermisch-chemischen Kanonensystems 10 dar, in der die Hochspannungselektrode 1 angeordnet ist. Dabei weist die Kanone 10 ein Kanonenrohr 11 auf, in dem sich eine Metallkartusche 12, beispielsweise mit einem Material 13 für die Treibgase im Ladungsraum 23 befindet. Dieses Material 13 als Plasmamaterial kann ein Pulver oder ein anderes, beispielsweise flüssiges Treibmittel sein, wie Methanol, Wasser, Metallhydrid. An der Metallkartusche 12 aufgesetzt ist ein Projektil 14. Die Befestigung zwischen der Metallkar tusche 12 und dem Projektil 14 übernimmt hier ein Container 15, wodurch die Metallkartu sche 12 austauschbar ist, kann aber auch direkt ohne Container 15 miteinander erfolgen. Im Bodenbereich 16 der Metallkartusche 12 ist die Hochspannungselektrode 1 senkrecht in die Metallkartusche 12 weisend durchgeführt, so daß sich das Treibmittel 13 um der Hochspan nungselektrode 1 befindet. Der Bodenbereich 16 ist gegen einen Verschlußteil 17 der Kanone 10 gepreßt, wodurch die Hochspannungselektrode 1 mit einer Zentralelektrode 18 im Verschlußteil 17 elektrisch kontaktiert. Eine Isolation 19 isoliert die Zentralelektrode 18 gegenüber der Kanone 10. An der Zentralelektrode 18 liegt eine Hochspannungsquelle 20 an, die gleichzeitig mit dem Kanonenrohr 11 über Masse verbunden ist. Die Hochspannung selektrode 1 ist über einen Draht 21 mit der als Gegenelektrode fungierenden und über das Kanonenrohr 11 geerdeten Metallkartusche 12 elektrisch im Bereich 4 verbunden, wobei der Draht 21 an der nichtisolierten Außenfläche 2', vorzugsweise direkt an der Isolation 6 angrenzend, angebracht ist. Dieser Draht 21 bestimmt einen späteren Lichtbogen 22 im Plasmamaterial 13.

Wird nun an die Zentralelektrode 18 eine Hochspannung aus der Hochspannungsquelle 20 angelegt, fließt ein Strom durch die Hochspannungselektrode 1 über den Draht 21 zur Metallkartusche 12. Durch die Gestaltung der Hochspannungselektrode 1 in Kappenform im oberen Bereich 4 und der am Kopfstück 5 befindlichen Isolation 6 baut sich ein Magnetfeld auf, das entgegen der Flußrichtung im Energiezufuhrstab 2 in Richtung Rohrende bzw. Bodenbereich 16 wirkt. Der durch das Verdampfen des Drahtes 21 hervorgerufene Lichtbogen 22 wird durch dieses magnetische Feld in Richtung des Bodenbereiches 16 gedrückt. Der Lichtbogen 22 trifft dabei direkt auf das Plasmamaterial 13, wodurch in bekannter Art und Weise ein Ausweiten sowie ein Verbrennen des Plasmamaterials 13 erfolgt, so daß das Projektil 14 aus dem Kanonenrohr 11 beschleunigt und herausgedrückt wird.

Vorzugsweise reicht die nichtisolierte Außenfläche 2' weit entlang des isolierten Energiezu führstabes 2, so daß sich ein kurzer Lichtbogen 22 aufbaut. Dieser Lichtbogen 22 wandert durch die Querbeschleunigung in Richtung des Bodenteiles 16. Durch die Schaffung eines kurzen Lichtbogens 22 kann die Hochspannung der Hochspannungsquelle 20 für die Erhaltung der notwendigen Lichtbogenspannung gering gehalten werden.

Wie in Fig. 3 dargestellt, ist auch die Verwendung eines patronierten Plasmabrenners 30 möglich. Dieser besteht aus einer Treibladungshülse 31, einem aufgesetzten Container 32 sowie einem Projektil 33. Die Hochspannungselektrode 1 ragt auch hier senkrecht in die Treibladungshülse 31 hinein. Ein Hülsenschaft 34 der Treibladungshülse 31 besteht aus nichtleitendem Material. Ein Bodenbereich 35 der Treibladungshülse 31 kann gleichfalls aus nichtleitendem Material bestehen. Nicht dargestellt aber gleichfalls verwendbar ist ein metallischer bzw. elektrisch leitender Bodenbereich. Ein Draht oder mehrere Drähte 36 verbinden die Hochspannungselektrode 1 mit dem Kanonenrohr 11. Ein Lichtbogen 37 bildet sich hierbei schräg zum Plasmamaterial 13 und von dort zum Kanonenrohr 11 aus, wobei der Lichtbogen 37 - wie bereits für den Lichtbogen 22 beschrieben - durch das sich aufbauende Magnetfeld in Richtung des Bodenbereiches 35 getrieben wird. In der Treibla dungshülse 31 befindet sich das Plasmamaterial 13, das durch den Lichtbogen 37 abge brannt wird.

Wie bereits in der Fig. 1 dargestellt, ist in einer weiteren Ausführung die Hochspannungse lektrode 1 an ihrer nichtisolierten Außenfläche 2' an ihrem Umfang geschlitzt. Diese Schlitzung erfolgt aus dem Kopfstück 5 heraus und endet am Ende der nichtisolierten Außenfläche 2'. Dabei verlaufen diese Schlitzungen vorzugsweise in einer leichten Krümmung. Durch diese Schlitzung wird der Lichtbogen 22, 37 durch Rotation um die Hochspannungselektrode 1 herumbewegt, wodurch ein kontinuierlicher Abbrand des Plasmamaterials 13 geschaffen wird, da der Lichtbogen 22, 37 homogener auf das Plasma material 13 einwirkt.

Durch die Einwirkung der magnetischen Kräfte im Kanonenrohr 11 verbleibt der Lichtbo gen 22, 37 im Bereich des Ladungsraumes 23, durch die zusätzliche Schlitzung der neugestalteten Hochspannungselektrode 1 wirkt der Lichtbogen 22, 37 zudem rotierend und homogener auf das Plasmamaterial 13. Beide Maßnahmen zusammen dienen dazu, die Wechselwirkung zwischen Lichtbogen 22, 37 und dem Plasmamaterial 13 zu intensivieren. Da der Lichtbogen 22, 37 auf die Stirnfläche, d. h. direkte Oberfläche des Plasmamaterials 13 einwirkt, erfolgt hierdurch ein Abbrand bzw. eine Verdampfung des Plasmamaterials 13 in entgegengesetzter Richtung zur Strömung des sich bildenden Treibgases. Diese können nicht mehr in das Kanonenrohr 11 hineingetrieben werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung zeigt die Fig. 4. Durch eine konische Ausführung des kappenartigen Teils 7 bildet sich der rotierende Lichtbogen 22, 37 schleifenförmig um die Hochspannungselektrode 1 aus, so daß bereits mit Beginn der Entzündung des Plasmama terials 13 der Lichtbogen 23, 37 in die gewünschte Richtung getrieben wird, d. h. in Richtung des Bodenbereichs 16, 35 zur Aktivierung des Plasmamaterials 13.

Die neuartige Gestaltung der Hochspannungselektrode 1 gewährleistet die Verwendung von Pulverscheiben, um eine höhere Leistungsausbeute beim Abbrand des Materials 13 zu erreichen. Bekanntlich ist das Plasmamaterial 13 als Pulver körnig oder als Treibmittel flüssig. Bei Pulver ergibt sich ein Totvolumen innerhalb des Plasmamaterials 13, in der Metallkartusche 12 bzw. der Treibladungshülse 31, weil das Pulver eine zylindrische Form besitzt. Durch die Nutzung von Pulverscheiben als Plasmamaterial 13 und den rotierenden, vorzugsweise in Schleifen um die Hochspannungselektrode 1 abgelenkten Lichtbogen 22, 37 wird die Oberfläche der Pulverscheiben optimal abgebrannt. Löcher in den Pulverscheiben können dabei entfallen, da die Kraft des getriebenen Lichtbogens 22, 37 ausreicht, die Oberfläche der Pulverscheiben ohne weitere Hilfsmaßnahmen abzubrennen. Dies bewirkt neben der optimalen Platzausnutzung im Behälter 12, 21 eine einfache Handhabung der Pulverscheiben.

Die neuartige Bauform der Hochspannungselektrode 1 kann wie folgt geschaffen werden:

An die Stirnseite eines herkömmlichen Energiezufuhrstabes 2, der bekanntlich bis zu dieser Stirnseite mit GFK (glasfaserverstärktem Kunststoff) umwickelt ist, wird ein weiterer Energieleiter in Kappenform aufgesetzt, wodurch dieser als Bestandteil des Energiezu fuhrstabes 2 der kappenförmige Teil 7 wird. Die inneren Flächen des kappenförmigen Teils 7 sind dabei nicht mit GFK-Lagen umwickelt, während die Außenflächen mit GFK-Lagen umwickelt sind. Durch beispielsweise Aufschrumpfung erfolgt die kraftschlüssige Verbin dung des Energiezufuhrstabes 2 mit dem kappenförmigen Teil 7. Die überschüssigen GFK- Lagen vom Teil 7 werden danach beispielsweise abgedreht, so daß der nichtisolierte Teil 2' entsteht und die Isolation 6 stehen bleibt.

Bezugszeichenliste

1

Hochspannungselektrode

2

Energiezufuhrstab

2

' nichtisolierte Außenfläche

3

Isolation

4

oberer Bereich

5

Kopfstück

6

Isolation

7

Kappe

10

Kanone

11

Kanonenrohr

12

Metallkartusche

13

brennbares Material

14

Projektil

15

Container

16

Bodenbereich

17

Verschlußteil

18

Zentralelektrode

19

Isolation

20

Hochspannungsquelle

21

Draht

22

Lichtbogen

23

Ladungsraum

30

Plasmabrenner

31

Treibladungshülse

32

Container

33

Projektil

34

Hülsenschaft

35

Bodenbereich

36

Draht

37

Lichtbogen

Claims

1. Plasmabrennervorrichtung für elektrothermische und elektrothermisch-chemische Kanonen systeme, die eine senkrecht durch einen Bodenbereich eines Behälters zur Aufnahme von Plasmamaterial geführte Hochspannungselektrode aufweist, die mit einem als Gegenelek trode fungierenden Kanonenrohr an einer Hochspannungsquelle angeschlossen ist, wobei die Hochspannungselektrode einen mit einer Isolation versehenen Energiezufuhrstab besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochspannungselektrode (1) in einem oberen Bereich (4) ein kappenförmiges Teil (7) als Bestandteil des Energiezufuhrstabes (2) aufweist, das ei ne nichtisolierte Außenfläche (2') und in seinem Kopfstück (5) eine kappenförmige Isolation (6) besitzt und über den isolierten Energiezufuhrstab (2) gezogen ist.

2. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kappen förmige Teil (7) der Hochspannungselektrode (1) zumindestens auf seiner nichtisolierten Außenfläche (2') geschlitzt ist.

3. Plasmabrennervorrichtung nach einem oder beiden der vorgenannten Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kappenförmige Teil (7) der Hochspannungselektrode (1) konusartig ausgeführt ist.

4. Plasmabrennervorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmamaterial (13) ein Pulver ist.

5. Plasmabrennervorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmamaterial (13) ein flüssiges Treibmittel ist.

6. Plasmabrennervorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (12) eine Metallkartusche ist.

7. Plasmabrennervorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (31) eine Treibladungshülse mit einem Hülsen schaft (34) aus nichtleitendem Material ist.

8. Plasmabrennervorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmamaterial (13) aus Pulverscheiben eines Treibla dungspulvers besteht.

9. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage eines Lichtbogens (22, 37), der sich zwischen der Hochspannungselektrode (1) und der Gegene lektrode (11) bildet, entlang der nichtisolierten Außenfläche (2') durch die Richtung eines sich aufbauenden Magnetfeldes bestimmt ist.

10. Plasmabrennervorrichtung nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Lichtbogen (22, 37) um die Hochspannungselektro de (1) in Längsrichtung rotiert.