DE3613014A1 - Elektromagnetischer Linearbeschleuniger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Elektromagnetischen Linearbeschleuniger, insbesondere zur Verwendung als elektrische Kanone gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Die bekannten Vorschläge für als elektrische Kanone ver­ wendbare Elektromagnetische Linearbeschleuniger konnten sich in der Praxis nicht durchsetzen, da bei einer für militärische Anwendungen geeigneten Kadenz und und Mün­ dungsgeschwindigkeit das Gewicht des Linearbeschleunigers zu groß ist: beispielsweise beträgt das Gewicht der zur Zeit aktuellsten in den USA prognostizierten Railgun ca. 27 t, wenn man von einer Geschoßendenergie von 1 MJ und einer Mündungsgeschwindigkeit von 10 km/s ausgeht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektro­ magnetischen Linearbeschleuniger, der insbesondere als elektrische Kanone verwendet werden kann, gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß hohe Geschoßendenergien bei hohen Geschwindigkeiten mit einem vergleichsweise leichten und einfachen Aufbau er­ zielbar sind.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß besteht der als elektrische Kanone ver­ wendbare Elektromagnetische Linearbeschleuniger aus einer Reihe von hintereinander arbeitenden, weitgehend autarken Teilbeschleunigern. Dieser multiple Aufbau hat eine Reihe von Vorteilen: der Aufbau aus standardisierten Komponenten erlaubt es, nach Art eines Baukastens einen in einer speziellen Problemstellung angepaßten Linearbeschleuniger aufzubauen. Vor allem aber ist durch die Segmentierung der Beschleunigungsstrom und damit die Beschleunigung des zu beschleunigenden Objekts viel gleichmäßiger. Durch die Segmentierung und insbesondere die segmentierte Einspei­ sung werden die Rohrverluste (ohmsche Verluste) drastisch verringert.

Das zweite wesentliche kennzeichnende Merkmal des erfin­ dungsgemäßen Linearbeschleunigers ist, daß in jeden Teil­ beschleuniger ein Magnetdynamischer Speicher (MDS) mit Stromumsetzer die elektrische Energie bereitstellt. Die Verwendung von Magnetdynamischen Speichern (MDS) mit Stromumsetzern nach dem System der Fa. Magnet-Motor GmbH hat den Vorteil, daß hohe Energien in vergleichsweise kompakten und leichten Einheiten speicherbar und in sehr kurzen Zeiten entnehmbar sind. Der Magnetdynamische Spei­ cher (MDS) ist ein Rotationsenergiespeicher mit einer innerhalb des Rotors integrierten Einheit zur Umsetzung der mechanischen in elektrische Energie. Die Lade- und Entladeeinrichtung des Magnetdynamischen Speichers (MDS) arbeitet nach dem Prinzip des Multiplen Elektronik-Dauer­ magnetmotors mit permanentmagnetischer Erregung der Spu­ len. Die mechanische Leistung wird innerhalb des Speichers direkt in elektrische Leistung umgewandelt und mit ein­ fachen Kabelanschlüssen aus dem Speicher herausgeführt.

Im oben beschriebenen grundsätzlichen Aufbau des Elektro­ magnetischen Linearbeschleunigers liegen mehrere prinzi­ pielle Vorteile begründet. Hierzu zählen die Geschwindig­ keits- (Energie)-Einstellung des zu beschleunigenden Objekts durch Zu- und Wegschalten von multiplen Teilbe­ schleunigern und die Möglichkeit, im jeweiligen Teilbe­ schleuniger nur die zur gewünschten Beschleunigung des Objekts notwendige Energie freizusetzen. Durch Aufteilung des Elektromagnetischen Linearbeschleunigers in multiple Teilbeschleuniger und die Charakteristik des Magnetdynami­ schen Speichers (MDS) sind mehrere Objekte gleichzeitig in einer Schiene beschleunigbar, so daß hohe Kadenzen er­ reicht werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Beispielsweise wird der Aufbau des erfindungsgemäßen Elektromagnetischen Linearbeschleunigers weiter dadurch vereinfacht, daß der Schalter im Sekundärkreis vom zu beschleunigenden Objekt, beispielsweise einem Geschoß, gebildet wird (Anspruch 6).

Die Ausbildung des Stromumsetzers als Luftspulentransfor­ mator (Anspruch 7) hat den Vorteil, daß - im Gegensatz zu Eisentransformatoren - keine Sättigungseffekte auftreten können. Darüberhinaus sind die Verluste geringer als bei Transformatoren mit Eisenkern.

In den Ansprüchen 8 und 9 sind mögliche Ausführungsformen für den Stromumsetzer angegeben. Hierdurch ist ein an die jeweiligen Einsatzgegebenheiten angepaßter integriert-kom­ pakter Aufbau realisierbar. Beide Ausführungsformen haben den Vorteil, daß Induktivität, Streuinduktivität und Innenwiderstand und somit auch Gewicht und Energieverluste optimiert werden können.

In jedem Falle hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Verhältnis zwischen Primärstrom und Sekundärstrom etwa 1 : 100 ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigen:

Fig. 1 perspektivisch einen Teilausschnitt eines erfin­ dungsgemäßen Elektromagnetischen Linearbeschleu­ nigers,

Fig. 2 den Aufbau der Schiene, und

Fig. 3 das Ersatzschaltbild eines Segments eines erfin­ dungsgemäßen Elektromagnetischen Linearbeschleu­ nigers.

Fig. 1 zeigt einen Teil eines Elektromagnetischen Linear­ beschleunigers, der fünf Schienenstücke 1, 2 . . . 5 und fünf Magnetdynamische Speicher (MDS) 6, 7 . . . 10 mit nachfolgen­ dem Stromumsetzer aufweist, die jeweils für den zugeordne­ ten Teilbeschleuniger 1, 2 . . . 5 die elektrische Energie bereitstellen.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Schienenstücks 1 . . . 5. Jedes Schienenstück besteht aus 2 durch Schrauben 11 miteinan­ derverbundene Halbschienen 12 und 13, in die Stromschienen 14 und 15 sowie Isolierstücke 16 und 17 eingesetzt sind. Die Isolierstücke 16 und 17 bestehen aus hitze- und licht­ bogenbeständigem Kunststoff. Auch die Halbschienen 12 und 13 sind aus einem hochfesten Isoliermaterial gefertigt, da andernfalls große Wirbelströme auftreten würden, die den Wirkungsgrad des Beschleunigers stark herabsetzen würden. Als Material für die Schienen 14 und 15 kann beispielswei­ se Kupfer verwendet werden.

Fig. 3 zeigt in einem Ersatzschaltbild eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektromagnetischen Linearbeschleunigers. Der erfindungsgemäße Elektromagne­ tische Linearbeschleuniger weist eine Reihe von Segmenten 1, 2, 3 sowie einen Vorbeschleuniger 21 auf, in dem das Geschoß 22 mit Preßluft vorbeschleunigt wird. Hierzu sind ein Drucklufttank 23 mit einem Inhalt und ein Magnetven­ til mit sehr kurzen Schaltzeiten vorgesehen. Jedes Einzel­ segment 1, 2, . . . des Elektromagnetischen Linearbeschleuni­ gers weist einen Magnetdynamischen Speicher (MDS) 6, 7, . . . nach dem System der Magnet-Motor GmbH, einen Gleich­ richter 25, einen Primärschalter 26 und einen Luftspulen­ transformator auf. Die Sekundärspule des Luftspulentrans­ formators ist mit dem Anfang des Schienensegments ver­ bunden.

Der Luftspulentransformator wandelt den nach dem Gleich­ richter 25 anstehenden Gleichstrom auf höhere Stromstärken um. Er dient außerdem als Energiekompressor, denn er wird vom Magnetdynamischen Speicher (MDS) verhältnismäßig lang­ sam (in einigen 100 ms) auf - und durch die Beschleunigung verhältnismäßig schnell (in einigen ms) entladen.

Sobald durch das Projektil der Sekundärkreis geschlossen ist, wird der geladene Primärkreis geöffnet. Der Strom­ übersetzungsfaktor des Transformators wird so gewählt, daß der primärseitig gelieferte Strom sekundärseitig auf eine Höhe angehoben wird die zur Erzielung typischer Beschleu­ nigungswerte erforderlich ist.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels beschrieben worden. Innerhalb dieses Ausführungs­ beispiels sind selbstverständlich die verschiedensten Modifikationen möglich.

Beispielsweise ist es möglich, zusätzlich in der Schiene ein B-Feld vorzusehen, durch das die beschleunigende Kraft, die auf das zu beschleunigende Objekt wirkt, erhöht wird. Dieses B-Feld kann beispielsweise durch in der Schiene entsprechend gelagerte Permanentmagnete erzeugt werden.

Ferner ist es möglich, die in einem Teilstück der Schiene enthaltene Energie nach Durchgang des zu beschleunigenden Objekts durch dieses Schienenstück auf das nachfolgende Schienenstück zu übertragen. Hierzu ist es möglich, zwi­ schen zwei Schienenteilstücken eine schaltbare elektri­ sche Verbindung vorzusehen, die beispielsweise durch einen Lichtbogen realisiert werden kann.

Auch ist es möglich, die entstehende Verlustwärme bei­ spielsweise durch Verdampfungskühlung abzuführen. Ferner können Beschleunigungsschiene und/oder die Zuleitungen und/oder die Stromumsetzer supraleitend ausgeführt sein.

Ferner ist es auch möglich, mehrere Körper, beispielsweise Geschosse gleichzeitig in der Schiene zu beschleunigen.

Claims (24)

1. Elektromagnetischer Linearbeschleuniger, insbesondere zur Verwendung als elektrische Kanone, mit einer Schiene, auf der das zu beschleunigende Objekt verschiebbar ange­ ordnet und am Schienenende ausstoßbar ist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale,

• - der Beschleuniger besteht aus mehreren in Reihe arbei­ tenden und weitgehend autarken Teilbeschleunigern, in denen auf das zu beschleunigende Objekt jeweils ein Teilbetrag der beim Austritt erreichten Gesamtenergie übertragen wird.
• - ein Magnetdynamischer Speicher (MDS) mit Stromumsetzer stellt die elektrische Energie für mindestens einen Teil der Teilbeschleuniger bereit.

2. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeits- bzw. Energieeinstellung des zu beschleunigenden Objekts durch Zu- und Wegschalten von multiplen Teilkomponenten erfolgt.

3. Beschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß multiple Teilbeschleuniger durchpermutiert werden.

4. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverlauf in jedem Teilbeschleuniger auf die Bewegung des zu beschleunigenden Objekts abgestimmt ist.

5. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Primär- und im Sekundär­ kreis des Stromumsetzers Schalter vorgesehen sind, die beim Eintritt des zu beschleunigenden Objekts in den Teilbeschleuniger geöffnet bzw. geschlossen werden.

6. Beschleuniger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschleunigende Objekt den Schalter im Sekundärkreis für den jeweiligen Teilbe­ schleuniger bildet.

7. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromumsetzer ein Luftspu­ lentransformator ist.

8. Beschleuniger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromumsetzer als flacher Zylinder ausgeführt und bei der Schiene angeordnet ist.

9. Beschleuniger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromumsetzer koaxial zur Schiene ausgeführt ist.

10. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetdynamischen Speicher (MDS) jedes Teilbeschleunigers durch einen Generator oder durch einen Versorgungs-Magnetdynamischen Speicher (MDS) gespeist werden.

11. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Teilbeschleuniger ein einziger Magnetdynamischer Speicher (MDS) vorgesehen ist.

12. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen Pri­ mär- und Sekundärstrom etwa 1 : 100 ist.

13. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärschalter den vom Magnetdynamischen Speicher (MDS) abgegebenen Wechselstrom schaltet.

14. Beschleuniger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der geschaltete Wechselstrom gleichgerichtet wird.

15. Beschleuniger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß passende Halbwellen des ge­ schalteten Wechselstroms in den Stromumsetzer eingespeist werden.

16. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die nach dem Durchlauf des zu beschleunigenden Objekts in einem Teilbeschleuniger ent­ haltene Restenergie durch eine schaltbare elektrische Verbindung im folgenden Teilbeschleuniger genutzt wird.

17. Beschleuniger nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare elektrische Verbindung durch einen Lichtbogen realisiert wird.

18. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Beschleunigung des Objekts am letzten Teilbeschleuniger die Schiene durch ein energiemäßig nicht versorgtes Endrohr verlängert ist.

19. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckluft-Vorbeschleuniger das Objekt in den ersten Teilbeschleuniger überführt.

20. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des Rückstosses die Stromumsetzer, die Schiene und der bzw. die Magnetdy­ namischen Speicher (MDS) in einer entsprechenden Lagerung miteinander verbunden sind.

21. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstoßkompensation durch einen entsprechend angeordneten Rohrmantel realisiert wird.

22. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Beschleunigung des Objekts ein Dauermagnetfeld vorgesehen ist.

23. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsschiene und/oder die Zuleitungen und/oder die Stromumsetzer supra­ leitend ausgeführt sind.

24. Beschleuniger nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustwärme von Beschleu­ nigerschiene und/oder Zuleitungen und/oder Stromumsetzer durch Verdampfungskühlung abführbar ist.