DE3708910C2 - Elektromagnetischer Schienenbeschleuniger und Verwendung des Schienenbeschleunigers zur Beschleunigung von Geschossen mit mehreren hintereinander angeordneten plasmabildenden Zonen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Schie­ nenbeschleuniger, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist, sowie auf die Verwendung derartiger Schienenbe­ schleuniger zur Beschleunigung von unterkalibrigen Multipelge­ schoßanordnungen und unterkalibrigen Geschossen, die mindestens zwei hintereinander und durch unterkalibrige Zwischenstücke getrennte Treibkäfigsegmente aufweisen, in denen sich plasma­ bildende Zonen befinden.

Elektromagnetische Schienenbeschleuniger der vorstehend erwähnten Art sind im wesentlichen aus der US 4,677,895 bekannt. Dabei handelt es sich - anders als etwa bei den herkömmlichen Schienenbeschleunigern, wie sie etwa aus der US 4,577,545 oder der US 4,343,223 bekannt sind - nicht um Beschleuniger mit nur einem Schienenpaar, sondern um Beschleuniger mit mehreren parallel angeordneten Schienenpaaren. Die Schienenpaare sind in oder auf der inneren Mantelfläche eines zylindrischen Isolier­ stoff-Rohres befestigt. Jedes Schienenpaar ist dabei einer entsprechenden am Heck eines Geschosses angeordneten Armatur zugeordnet, wobei die Armaturen zwangsläufig ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind.

Nachteilig bei diesen bekannten Schienenbeschleunigern ist vor allem, daß insbesondere bei Plasmaarmaturen einerseits eine störende Wechselwirkung der den Strom leitenden Armaturen auftreten kann. Andererseits tritt die gesamte auf das Geschoß übertragende Kraft nur im heckseitigen Bereich der jeweiligen Geschoßanordnung auf, so daß es bei großkalibrigen Geschossen oder Multipelgeschoßanordnungen zu starken Belastungen der heckseitigen Teile - und damit unter Umständen zu Zerstörungen dieser Teile - kommen kann.

Um eine möglichst gleichmäßige Kraftübertragung zu erreichen, ist es aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung P 36 15 585.3 bereits bekannt, bei einer aus einem Schienenpaar bestehendem Beschleunigungsvorrichtung Geschosse zu verwenden, die aus Teilprojektilen bestehen, so daß am jeweils hinteren Ende der Teilprojektile sich eine Plasmaarmatur ausbilden kann.

Besonders nachteilig ist bei diesem bekannten Schienenbeschleu­ niger, daß der gesamte Strom, der zur Erzeugung der Lorentz­ kraft benötigt wird, über die beiden parallelen Schienen geleitet werden muß. Dadurch werden die einzelnen Plasmaanker von unterschiedlich starken Strömen durchflossen. Außerdem unterliegen diese Schienen einem relativ hohen Verschleiß.

Aus der US 4,480,523 ist zwar ein rohrförmiger Schienenbe­ schleuniger bekannt, bei dem die Schienen zylinderförmig angeordnet sind, doch besitzen auch diese Beschleuniger den Nachteil, daß der Stromfluß, unabhängig von der Anzahl der Anker, über dieselben Schienen fließt, so daß sich auch bei diesen Anordnungen ein relativ hoher Verschleiß ergibt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Schienenbeschleuniger der eingangs erwähnten Art so weiterzuentwickeln, daß einerseits der Ver­ schleiß der Schienen gering ist und andererseits eine möglichst gleichmäßige Kraftübertragung auf die Geschoßanordnung, bei deren Beschleunigung im Rohr, erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie die besonders vorteilhafte Verwendung der elektromagnetischen Schienenbeschleuniger gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der Erfindung liegt im wesentlichen also der Gedanke zugrunde, zum einen durch Verwendung mehrerer parallel geschalteter Schienenpaare, mit einer der Anzahl der Schienenpaare entspre­ chenden Anzahl von plasmabildenden Zonen, den Strom pro Schiene (bei gleicher Beschleunigung des Geschosses) zu vermindern. Zum anderen wird durch eine gleichmäßige Verteilung der Schienen auf der Mantelfläche des Waffenrohres, mit spiegelbildlich zur Rohrlängsachse angeordneten Schienen des jeweiligen Schienen­ paares, erreicht, daß bei Geschossen oder Mehrfachgeschoßanord­ nungen Plasmalichtbogenkissen erzeugt werden können, die ent­ lang der Rohrachse hintereinander angeordnet sind.

Außerdem besitzt der erfindungsgemäße Beschleuniger folgende Vorteile:

• - Die azimuthalen Änderungen der auf das Rohr wirkenden Lorentzkraft werden geringer, das Rohr läßt sich daher für höhere Beanspruchungen auslegen.
• - Wird speziell eine dreizählige Schienenanordnung (3, 6, 12, . . . Schienenpaare) gewählt, läßt sich der Beschleuniger so aufbauen, daß der Strom in benachbarten Schienen in entgegengesetzter Richtung fließt. Dieses bewirkt eine Verringerung des magnetischen Streufeldes.

Im folgenden wird anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe von Figuren die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den Längsquerschnitt eines elektromagnetischen Schienenbeschleunigers mit einem Projektil, das drei plasmabildende Zonen aufweist;

Fig. 2 bis 4 Querschnitte des Schienenbeschleunigers nach Fig. 1 entlang der Schnittlinien I-I, II-II und III-III;

Fig. 5 den Schaltplan einer Stromversorgungsvorrich­ tung für den erfindungsgemäßen Schienenbeschleu­ niger;

Fig. 6 den Längsquerschnitt des elektromagnetischen Schienenbeschleunigers mit drei hintereinander angeordneten Projektilen; und

Fig. 7 den Querschnitt des Schienenbeschleunigers nach Fig. 6 entlang der Schnittlinie IV-IV.

In Fig. 1 ist mit 1 ein elektromagnetischer Schienenbe­ schleuniger bezeichnet, in dem sich ein Projektil 2 be­ findet. Der elektromagnetische Schienenbeschleuniger 1 besteht im wesentlichen aus einem Isolierstoffrohr 10 ausreichender Festigkeit und den Schienen 11, 12, 13, 14, 15, 16 (vgl. auch Fig. 2 bis 4).

Das Projektil 2 setzt sich aus einem unterkalibrigen Penetrator 20 und einem Treibkäfig 30 zur Führung des Penetrators im Rohr des Schienenbeschleunigers zusammen. Der Treibkäfig 30 besteht aus drei Treibkäfigsegmenten 31, 32 und 33, an deren rückseitigen Ende plasmabildende Stoffe 34, 35 und 36 angeordnet sind. Zwischen den Treibkäfigsegmenten 31, 32 und 33 befinden sich Aussparungen bzw. Zonen 37, 38, in denen sich das Plasma ausbilden kann. Außerdem bildet sich durch den plasmabildenden Stoff 36 hinter dem Treibkäfig im Bereich 39 ein Plasma aus. Die Treibkäfigsegmente sind mit einer Isolierstoffhülse 40 umgeben, die sicherstellt, daß jeweils nur ein Schienenpaar 11, 12; 13, 14; 15, 16 mit einer plasmabildenden Zone Kontakt hat.

Die Treibkäfigsegmente 31 bis 33 werden vorzugsweise aus Isolierstoff (z. B. aus Epoxyharz) hergestellt. Die Isolierstoffhülse 40 kann beispielsweise aus Polycarbonat bestehen. Auch das Rohr 10 kann aus einem Epoxyharz-Material hergestellt werden. Als Schienenmaterial haben sich vor allem Kupfer-Chrom-Legierungen bzw. Kupfer-Wolfram-Legie­ rungen bewährt, die besonders verschleißfest sind.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen Querschnitte des Schienenbeschleu­ nigers nach Fig. 1 an den angegebenen Schnittlinien I-I, II-II und III-III. Dabei wurden für die gleichen Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwandt. Deutlich sieht man die gegenüberliegenden Schienenpaare 11, 12; 13, 14 und 15, 16, die in das Kunststoffrohr 10 eingelassen sind. In Fig. 2 besitzt die Hülse aus Iso­ lierstoff 40 Aussparungen, derart, daß lediglich die Schienen 13 und 14 Kontakt mit dem plasmabildenden Stoff 36 haben, so daß diese Schienen nur Strom für diese plasmabildende Zone liefern. In Fig. 3 haben die Schienen 15 und 16 mit dem plasmabildenden Stoff 35 Kontakt und in der Fig. 4 schließlich haben die Schienen 11 und 12 mit dem plasmabildenden Stoff 34 Kontakt.

In Fig. 5 ist schematisch die Stromversorgung der elek­ tromagnetischen Kanone 1 dargestellt. Dabei ist die Strom­ versorgungseinheit mit 41 bezeichnet, die sich im wesent­ lichen aus einem Gleichstromgenerator 42, einem ersten Schalter 43, einer Spule 44 und einem zweiten Schalter 45 zusammensetzt. Die Verbindung zwischen der Stromversor­ gungseinheit und dem elektromagnetischen Schienenbeschleu­ niger 1 erfolgt über die Leitungen 17, 18, wobei der Plus­ pol mit den Schienen 14, 15 und 11 und der Minuspol mit den Schienen 12, 13 und 16 verbunden ist.

Im folgenden wird kurz die Wirkungsweise der elektromag­ netischen Geschoßbeschleunigungsvorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 5 erklärt: Zunächst werden die Schalter 43 und 45 der Stromversorgungseinheit 41 geschlossen. Da­ durch lädt der Gleichstromgenerator 42 den induktiven Energiespeicher 44 auf. Anschließend wird der Schalter 45 geöffnet, wodurch über die Leitungen 17 und 18 an den Schienen 11 bis 16 Spannungen erzeugt werden. Die plasmabildenden Folien (z. B. Metallfolien) 34, 35 und 36 müssen so ausgelegt werden, daß sie zu elektrisch leitenden Plasmawolken verdampfen. Es bilden sich daher am Ende der Treibkäfigsegmente 31, 32 und 33 Lichtbögen aus, so daß zwischen den jeweiligen Schienenpaaren ein geschlossener Stromkreis gebildet wird, der aus dem induktiven Energiespeicher 44 den Beschleunigerschienen 11, 12; 13, 14; und 15, 16; und den Plasmakissen hinter den Treibkäfigsegmenten 34, 35 und 36 bestehen. Die auf diese Weise gebildeten Stromflüsse bewirken eine elek­ tromagnetische Beschleunigung des Projektils 2, welches sehr hohe Geschwindigkeiten erreicht.

Beim Austreten des Projektiles 2 aus dem Rohr 10 wird der Schalter 45 geschlossen, so daß nunmehr der induk­ tive Energiespeicher 43 für den nächsten Schußvorgang erneut geladen wird.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung, wobei in dem mit 1 bezeichneten Schienenbeschleu­ niger eine Multipelgeschoßanordnung, d. h. eine in axia­ ler Richtung aus mehreren Geschossen bestehende Anord­ nung verwendet wird. Dabei sind mit 50, 51 und 52 die unterkalibrigen Geschosse und mit 53, 54 und 55 die Treibkäfige bezeichnet. Am heckseitigen Ende der Treib­ käfige 53, 54, 55 befinden sich wiederum plasmabildende Folien 56, 57 und 58. Der Beschleuniger und die Energie­ versorgung können dabei - wie oben beim Ausführungsbei­ spiel nach den Fig. 1 bis 5 - ausgebildet sein. Die Wirkungsweise der Beschleunigungsvorrichtung entspricht der oben beschriebenen Vorrichtung mit nur einem Geschoß.

Fig. 7 zeigt den Querschnitt des Schienenbeschleunigers nach Fig. 6 entlang der Linie IV-IV. Die Schienen sind wiederum mit 11 bis 16 und das Rohr mit 10 bezeich­ net.

Der Vorteil der Multipelgeschoßanordnung ist darin zu sehen, daß die Schußkadenz auf diese Weise vervielfacht werden kann. Dies ist wichtig für die Flugabwehr, spe­ ziell bei schnellfliegenden Flugobjekten.

Claims (4)

1. Elektromagnetischer Schienenbeschleuniger (1), bei dem zur Beschleunigung von Projektilen (2) mehrere, sich zwischen den Schienen ausbildende Plasmalichtbogenkissen erzeugt werden, wobei die Anzahl der Schienenpaare (11, 12; 13, 14; 15, 16) gleich der Anzahl der Zonen (37, 38, 39) ist, in denen sich Plasmalichtbogenkissen ausbilden und wobei die Schienen in oder auf der inneren Mantelfläche eines zylindrischen Rohres (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienen (11 bis 16) gleichmäßig auf der inneren Mantelfläche des Rohres (10) verteilt sind und daß jedes Schienenpaar (11, 12; 13, 14; 15, 16) jeweils aus zwei zur Rohrachse symmetrisch ge­ genüberliegenden Schienen besteht, und daß geschoßseitig eine Isolierung vorgesehen ist, die jeweils nur den Kontakt von einem Schienenpaar (11, 12; 13, 14; 15, 16) mit einer plasmabildenden Zone (37, 38, 39) zuläßt.

2. Elektromagnetischer Schienenbeschleuniger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schienenbeschleuniger (1) eine dreizählige Schienenanordnung (3, 6, 9 . . . Schienenpaare) aufweist.

3. Verwendung des elektrischen Schienenbeschleunigers nach Anspruch 1 oder 2, für die Beschleunigung von unterkalib­ rigen Geschossen (2), die von mindestens zwei hintereinander angeordneten und durch unterkalibrige Zwischenstücke getrennte Treibkäfigsegmente (31, 32, 33) umgeben sind, wobei die Zonen (37, 38, 39), in denen sich Plasmalicht­ bogenkissen ausbilden, im Bereich der Zwischenstücke liegen, und daß die Treibkäfigsegmente (31, 32, 33) mit einer Öffnung aufweisenden Isolierstoffhülse (40) umgeben sind, wobei die Öffnungen derart angeordnet sind, daß jeweils ein Schienenpaar (11, 12; 13, 14; 15, 16) nur mit einer plasmabildenden Zone Kontakt hat.

4. Verwendung des elektromagnetischen Schienenbeschleunigers nach Anspruch 1 oder 2, für die Beschleunigung von einer unterkalibrigen Multipelgeschoßanordnung, wobei jedes Geschoß (50, 51, 52) einen aus einem Isolierstoff bestehenden Treibkäfig (53, 54, 55) aufweist, an dessen jeweiligem heckseitigen Ende sich eine plasmabildende Folie (56, 57, 58) befindet, welche nach dem Verdampfen zu einer plasma­ bildende Zone führt, und daß die Treibkäfige (53, 54, 55) die plasmabildenden Zonen teilweise überdecken, so daß jeweils ein Schienenpaar (11, 12; 13, 14; 15, 16) mit einer plasmabildenden Zone Kontakt hat.