DE3613259A1 - Vorrichtung zur beschleunigung von projektilen durch ein elektrisch aufgeheiztes plasma - Google Patents
Vorrichtung zur beschleunigung von projektilen durch ein elektrisch aufgeheiztes plasmaInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Beschleunigung von in einem einseitig verschlossenen Rohr
befindlichen Projektilen durch ein elektrisch aufgeheiz
tes Plasma mit den Merkmalen des Oberbegriffs des An
spruchs 1.
Es ist bekannt, daß mit elektrisch aufgeheizten Plasmen
Projektile in metallischen Rohren auf hohe Geschwindig
keiten beschleunigt werden können (vgl. Goldstein S.A.
et. al. Final Report on Research and Development of a
Plasma Jet Mass Accelerator as a Driver for Impact Fusion;
GT-Devices, Alexandria, VA, USA, Contract DE-AC 05-81-
ER 10 846, May 1984). Bei diesen bekannten Vorrichtungen
werden in engen Isolierstoffkapillaren Plasmastrahlen er
zeugt, die auf den Projektilboden einwirken. Durch Kon
takt der Gasentladung mit den Kapillarwänden kommt es zur
Ablation von Isolierstoff und zur Aufheizung des Plasmas.
Die Folge sind Plasmastrahlen, die aus den Kapillaröffnun
gen austreten.
Besonders nachteilig ist bei diesen bekannten Vorrichtun
gen, daß durch die Materialverdampfung und Aufheizungs
vorgänge die kapillaren Teile des Beschleunigers einem
großen Verschleiß unterliegen.
Die Rohre entsprechender Waffen, die nach diesem Prinzip
arbeiten, müssen daher sehr häufig ausgewechselt werden.
Dieses gilt insbesondere dann, wenn mit diesen Waffen eine
hohe Schußfolge erreicht werden soll.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so weiterzu
entwickeln, daß die entsprechenden Rohrteile nur einem
geringen Verschleiß, selbst bei hoher Schußfolge, unter
liegen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche geben besonders vorteilhafte Ausge
staltungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, daß
die Ausbreitung des Plasmas nicht mehr - wie bei den
bekannten Vorrichtungen - durch Teile des Beschleunigers
selbst eingeleitet wird, sondern daß sowohl die Einlei
tung der Gasentladung als auch die anschließenden Auf
heizvorgänge in leicht auswechselbaren separaten Ein
heiten, in der sich auch das Projektil befindet, erfolgen.
Es werden daher vorzugsweise dem Rohr nicht nur die
Projektile, sondern die gesamte Kartusche jeweils zuge
führt.
Weitere Vorteile der Erfindung werden im folgenden an
hand von Ausführungsbeispielen, welche mit Hilfe von
Figuren erläutert werden, beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine bekannte Vorrichtung zur Beschleunigung
von Projektilen mittels eines elektrisch auf
geheizten Plasmas;
Fig. 2 den Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Kartusche;
Fig. 3 den Schnitt einer erfindungsgemäßen Plasma
kanone mit Kartusche gemäß Fig. 2;
Fig. 4 den Schnitt eines zweiten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels;
Fig. 5 einen vereinfachten Schaltplan zum Betrieb
der erfindungsgemäßen Plasmakanone;
Fig. 6 den zeitlichen Verlauf des Stromes in der
Plasmakanone.
In Fig. 1 ist noch einmal eine bekannte Beschleunigungs
vorrichtung dargestellt, wie sie etwa in dem eingangs
zitierten Bericht von Goldstein et. al. näher beschrie
ben wird.
In Fig. 1 ist mit 1 ein einseitig verschlossenes Rohr
bezeichnet, an dessen verschlußseitigem Rohrboden eine
erste Elektrode 2 angeordnet ist. Eine zweite Elektrode
(Ringelektrode) 3 ist über eine Spannungsquelle 4 und
einen Schalter mit der ersten Elektrode 2 verbunden.
Durch die beiden Elektroden 2 und 3 wird in dem Rohr 1
eine mit 6 bezeichnete Plasmakammer definiert, die im
Bereich der Ringelektrode 3 zunächst durch ein zu be
schleunigendes Projektil 7 abgeschlossen ist.
Nach dem Schließen des Schalters 5 wird zwischen den Elek
troden 2 und 3 ein Lichtbogen gezündet und das Projektil 7
durch den Druck des Lichtbogenplasmas beschleunigt.
Wie bereits eingangs erwähnt, weist diese Vorrichtung den
Nachteil auf, daß durch die Materialverdampfungs- und Auf
heizungsvorgänge der den Plasmaraum bildende Teil des
Rohres einem außerordentlich starken Verschleiß unterliegt.
Erfindungsgemäß werden daher einer entsprechenden Plasma
kanone nicht mehr nur das Projektil 7 allein, sondern
alle einem starken Verschleiß unterliegenden Teile ein
schließlich der Elektroden, in Form einer Kartusche zuge
führt.
Im folgenden wird zunächst die in Fig. 2 dargestellte
Kartusche 8 und anschließend ihre Funktion in Verbindung
mit einem Geschütz (Fig. 3) näher beschrieben.
Die Kartusche 8 besteht im wesentlichen aus dem Projektil
80, einer das Projektil umgebenden Hülse 81, einer als
Kontaktring ausgebildeten zweiten Elektrode 82 und einer
als Kontaktstück ausgebildeten ersten Elektrode 83. Die
erste Elektrode 83 und die zweite Elektrode 82 sind durch
ein Isolierstück 84 getrennt. Außerdem weist die zweite
Elektrode 82 auf ihrer vorderen Seite einen Kontaktla
mellenring 85 und auf ihrer Rückseite einen Kontaktla
mellenring 86 auf. Die erste Elektrode 83 besitzt auf
ihrer dem Projektil 80 abgewandten Seite eine Kontakt
lamellenscheibe 87. Zwischem dem Projektil 80 und der
ersten Elektrode 83 befindet sich ein spaltförmiger
Entladungsraum 88.
Die Hülse 81 kann vorzugsweise aus einem verbrennbaren
leichtgasenden Material, beispielsweise Polyäthylen
und der Isolierkörper 84 aus Polycarbonat bestehen. Als
leichtgasendes Material werden dabei solche Stoffe be
zeichnet, die unter der Wirkung der Lichtbogenentladung
in Moleküle (Gase) mit niedrigem Molekulargewicht
(Molekulargewicht < 30) zerfallen.
Als Material für die Elektroden 82 und 83 wurde in einem
Ausführungsbeispiel Aluminium verwendet.
Fig. 3 zeigt, wie die Kartusche 8 in einer Plasmakanone
angeordnet ist. Die nicht erfindungswesentlichen Teile,
wie der Verschluß, wurden nur schematisch dargestellt.
Mit 9 wurde der verschlußseitige Teil des Rohres 90 be
zeichnet. Auf dem Rohr 90 ist ein Bodenstück 91 bei
spielsweise aufgeschraubt. Durch eine Öffnung 95 des
Bodenstückes 91 werden sowohl ein Innenleiter 92 als
auch ein Außenleiter 93, der durch Isoliermittel 94 von
dem Innenleiter 92 elektrisch getrennt ist, in den nicht
extra bezeichneten Verschlußraum des Rohres 90 geführt.
In dem Verschlußraum erfolgt dann die Kontaktierung des
Innenleiters 92 über die Kontaktlamellenscheibe 87 mit der
ersten Elektrode 83. Entsprechend wird der Außenleiter 93
über den Kontaktlamellenring 86 mit der Ringelektrode 82
verbunden.
Die Kontakte 85, 86 und 87 der Kartusche werden
durch den Druck des Bodenstückes 91 fest gegen das Rohr
90 und gegen die koaxiale erste Elektrode gepreßt.
Zwischen den Isoliermitteln 94 und dem Isolierstück 84
ist zur elektrischen Abdichtung eine elastische Silikon
kautschukdichtung 97 angeordnet.
Zur Auslösung des Beschleunigungsvorganges wird zwi;
schen den Innenleiter 92 und den Außenleiter 93 eine
Spannung angelegt. Der Beschleunigungsvorgang wird
dann durch eine Gasentladung eingeleitet, die sich
zwischen der ersten Elektrode 83 und der koaxialen
Elektrode 82 in dem engen Spalt 88 ausbildet und die
in Fig. 3 mit 96 angedeutet ist. Während des raschen
Anstieges des Stromes i, der von der Außenelektrode 93
über die Kontaktlamelle 86, die Ringelektrode 82, die
Gasentladung 96, die koaxiale Innenelektrode 83 und
die Kontaktlamellenscheibe 87 in den Innenleiter fließt,
wird überwiegend in den Fußpunktsgebieten des heißen
Lichtbogens Material verdampft und aufgeheizt. Zusätz
lich wird durch den engen Kontakt des Lichtbogens mit
den Wänden des Spaltes 88 weiteres Material verdampft.
Der dabei entstehende Druck treibt das Projektil 80 in
Richtung des Rohrendes.
Während der Beschleunigung bildet sich in dem größerwer
denden Brennraum hinter dem Projektil 80 ein Plasma aus.
Das Plasma besteht aus einem stromführenden Stiel in der
Achse des Beschleunigers und (bei Verwendung einer aus
Kunststoff bestehenden Hülse 81) einer stromführenden
Hülle, die durch die auftretenden Stromkräfte gegen die
Hülse 81 gedrückt wird. Durch den engen Kontakt der
Plasmahülle mit der Hülse 81 wird diese oberflächlich
verdampft und somit dem Plasma weiteres Material zuge
führt.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der
Erfindung dargestellt. Dabei sind die gleichen Teile wie
in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden.
Im Unterschied zu Fig. 2 sind in diesem Ausführungsbei
spiel einerseits das Projektil 80 mit der Hülse 81 und
andererseits die mit den Kontaktlamellen 85, 86, 87
versehenen Elektroden 82, 83 mit dem Isolierstück 84
jeweils zu einer Einheit zusammengefaßt.
Durch eine derartige Aufteilung in getrennte Baueinhei
ten ist es möglich, zunächst das Projektil 80 mit Hülse
81 und in einem nachfolgenden Zeitabschnitt die aus Elek
troden 82, 83 und Isolierstück 84 bestehende Einheit
in das Geschützrohr einzuführen. Eine derartige Auftei
lung des Ladens in zwei Zeitabschnitte ist häufig ins
besondere bei großkalibrigen Waffen erforderlich.
Fig. 5 zeigt einen vereinfachten Schaltplan zum Betrieb
der erfindungsgemäßen Plasmakanone. Mit 10 wurde dabei
die schematisch dargestellte Plasmakanone und mit 11 der
vereinfachte Schaltplan bezeichnet. Dabei wurde in der
Plasmakanone 10 statt einer Kartusche lediglich ein
Projektil 100 dargestellt. Mit 101 ist die erste Elektro
de und mit 102 die zweite Elektrode, die mit dem Rohr
verbunden ist, bezeichnet.
In dem Schaltplan 11 wird mit 110 ein Antrieb, z. B.
ein mit einem Flüssigtreibstoff gespeister Motor, und
mit 111 ein Gleichstromgenerator bezeichnet. Die von
dem Gleichstromgenerator erzeugte Spannung wird über
den Schalter 112 einer Kapazität 113 zugeführt, die
als kapazitiver Energiespeicher wirkt. Die Kapazität
113 ist einerseits über einen Schalter 114 mit der
ersten Elektrode 101 und andererseits über eine Induk
tivität 116 mit der zweiten Elektrode 102 verbunden.
Außerdem kann die Kapazität 113 über einen Schalter 115
kurzgeschlossen werden.
Zu Beginn des Beschleunigungsvorganges ist der kapazitive
Energiespeicher 113 auf die Spannung Uo aufgeladen. Nach
Einlegen des Schalters 114 zum Zeitpunkt t = 0 (vgl. auch
Fig. 6), entlädt sich der Energiespeicher über die In
duktivität 116 und über das Plasma im Beschleuniger.
Wenn zum Zeitpunkt t = t 1 der Strom sein i max erreicht
hat, wird der Kurzschlußschalter 115 geschlossen. Der
abnehmende Stromfluß über das Beschleunigerplasma wird
danach durch die Induktivität der Spule 116 aufrechter
halten.
Um die Abmessungen der Kartusche 8 (Fig. 2) möglichst
klein zu gestalten, kann das Projektil 80 auch direkt
an die koaxiale Innenelektrode 83 anschließen (Abstand
zwischen Innenelektrode und Projektil = 0).
Vorzugsweise kann der spaltförmige Zwischenraum 88 aber
auch mit einem leicht gasenden Stoff (z. B. Polyäthylen)
gefüllt werden. Denn durch die zusätzliche Materialver
dampfung dieses Stoffes erhöht sich der Plasmadruck, so daß
das Projektil mit höherer Geschwindigkeit das Rohr 90
verläßt.
Claims (7)
1. Vorrichtung zur Beschleunigung von in einem einseitig
verschlossenen Rohr befindlichen Projektil durch ein
elektrisch aufgeheiztes Plasma, bei der zur Erzeugung
des Plasmas zwei Elektroden vorgesehen sind, wobei die
erste Elektrode in dem verschlußseitigen Teil des Roh
res koaxial angeordnet und die zweite Elektrode als
Ringelektrode ausgebildet ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß alle einem starken
Verschleiß unterliegenden Teile (81, 82, 83) ein
schließlich der beiden Elektroden (81, 82) leicht aus
wechselbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die einem starken Verschleiß unter
liegenden Teile (81, 82, 83) zusammen mit dem Projektil
(80) in einer auswechselbaren Kartusche (8) am ver
schlußseitigen Teil (9) des Rohres (90) zusammengefaßt
sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Kartusche aus
zwei Einheiten besteht (Fig. 4), wobei die erste Einheit
das Projektil (80) und eine das Projektil umgebende Hülle
(81) und die zweite Einheit die mit Kontaktlamellen (85,
86, 87) versehenen Elektroden ( 82, 83) und ein zwischen
den Elektroden (82, 83) angeordnetes Isolierstück (84)
enthalten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die beiden Elektroden
(82, 83) zusammen mit dem Projektil (80) einen spalt
förmigen Entladungsraum (88) bilden.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß sich in dem spaltförmigen
Entladungsraum (88) leichtgasende Stoffe befinden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß als leichtgasender
Stoff Polyäthylen verwendet wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da
durch gekennzeichnet, daß das
Projektil (80) von einer verbrennbaren Hülse (81) um
geben ist, die aus einem leichtgasenden Stoff besteht.
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