DE3806553A1 - Elektrische impulsstromquelle und eine von dieser gebrauch machende elektromagnetische kanone - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Impuls­ stromquellen, die dazu geeignet sind, eine hohe Strom­ stärke während einer kurzen Zeitdauer zur Verfügung zu stellen, sowie einen besonders wichtigen, jedoch nicht ausschließlichen Anwendungsfall bei Anlagen mit einer elektromagnetischen Kanone, mittels der in einem Abschuß­ rohr ein Beschleunigungsfeld für ein Projektil erzeugt wird.

Für diesen Anwendungsfall wurden bereits zahlreiche Im­ pulsquellen vorgeschlagen. Bestimmte Ausführungen be­ schränken sich auf primäre Stromquellen, wie beispiels­ weise auf einen gleichpoligen oder homopolaren Generator oder auf eine Kondensatorbatterie zum Versorgen der Elektroden des Rohres mittels einer Induktanz oder mit­ tels Hochgeschwindigkeitsunterbrechern. Gleichfalls wur­ den Stromquellen vorgeschlagen, die zusätzlich zu einer Primärquelle einen Generator zum Verdichten des Magnet­ feldes mit einem umschlossenen Leiter, der stark ver­ formt ist, um durch Reduktion der Induktivität der Um­ hüllung den Fluß zu vermindern.

Die Erfindung befaßt sich mit der Realisierung einer Impulsquelle mit einer Primärstromquelle oder einem Ge­ nerator zum Komprimieren des Feldes oder letztlich im einen und dem anderen dieser beiden Möglichkeiten, unter Verwendung von Energie, die durch einen Sprengstoff oder ein Propergol in festem Zustand erzeugt wird, um von dem höheren Energiewert pro Masseneinheit zu profitieren, der durch einen Sprengstoff oder ein Propergol gespei­ chert werden kann, verglichen beispielsweise mit Konden­ satoren oder einer homopolaren Maschine, und um ferner die permanente plötzliche Verfügbarkeit der Energie aus­ zunutzen, die in der Sprengstoffmasse oder der Masse des Propergol enthalten ist.

Demzufolge schlägt die vorliegende Erfindung eine Im­ pulsquelle vor, bei der der durch die Primärquelle gelie­ ferterStrom und/oder derjenige, der zur Verdichtung des Feldes benötigt wird, durch eine Materieverschiebung er­ zeugt wird, die sich aus einer Detonation oder aus der Verbrennung eines Sprengstoffes oder Propergoles in festem Zustand ergibt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung besteht die Primärquelle aus einem MHD-Generator, d.h. einem Mag­ nethydrodynamik-Generator, mit einer ringförmigen Röhre, dessen konzentrische Wände aus leitfähigem Material die Ausgangselektroden darstellen, mit einer ringförmigen Masse aus Sprengstoff, die in der Röhre enthalten ist und an einem Ende mit einem Zündmittel versehen ist und mit Einrichtungen zum Erzeugen eines Magnetfeldes mit in Umfangsrichtung verlaufenden Kraftlinien in dem Rohr.

Die Mittel zum Erzeugen des Magnetfeldes können in die­ sem Fall unabhängig vom MHD-Generator sein. Diese Lo­ sung hat einen erheblichen Nachteil: Es ist nötig, vor dem Auslösen ein magnetisches Feld zu erzeugen, indem man einen starken Strom in einer Spule oder mehreren Spulen mit hoher Eigeninduktivität fließen läßt. Die Spulen werden nicht benötigt mit Ausnahme der Zeitdauer, während der die Primärquelle einen Strom liefert. Die in der Spule gespeicherte Energie ist vollständig verloren, so daß die gelieferte Leistung in Impulsform kaum die­ jenige übertrifft, die von der Spule verbraucht wird. Dieser Nachteil wird überwunden, indem die Ausgangselek­ troden des MHD-Generators über der Spule in dem Moment wieder geschlossen werden, wenn der Strom ein Maximum erreicht. Eine Quelle mit schwacher Leistung ist demge­ mäß ausreichend, um den Stromanstieg beginnen zu lassen. Ein Hochgeschwindigkeits-Unterbrecher ermöglicht das Trennen des Generators von der Spule und die Versorgung der Ladung, sobald der Strom sich seinem Maximalwert nähert, entweder direkt oder unter Zwischenschaltung eines Generators zum Verdichten des Feldes.

Die Erfindung kann besser verstanden werden durch die Lektüre der Beschreibung, die anhand spezieller Ausfüh­ rungsformen erfolgt, die jedoch nur beispielhaft und nicht beschränkend zu verstehen sind. Die Beschreibung bezieht sich auf beiliegende Zeichnungen, die folgen­ des zeigen:

Fig. 1 ist ein Prinzipschema der wesentlichen Be­ standteile der Impulsquelle gemäß der Erfin­ dung mit einem Generator zum Verdichten des Feldes und einer durch einen MHD-Generator gebildeten Primärquelle;

Fig. 2 ist eine Kurve, die in Abhängigkeit von der Zeit die Veränderung des durch den Generator zur Verdichtung des Feldes erzeugten Stromes bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung einer möglichen Anordnung von Wicklungen und Spulen zur Felderzeugung in einem MHD-Generator der in Fig. 1 gezeigten Art;

Fig. 4 ist ein elektrisches Schema einer möglichen Beschaltung der Spule zur Erzeugung des Feldes des MHD-Generators über den Ausgang des Gene­ rators selbst;

Fig. 5 ist eine teilweise längs der Achse geschnitte­ ne Darstellung eines MDH-Generators, der eine veränderte Ausführungsform gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform darstellt;

Fig. 6 ist eine vereinfachte perspektivische Darstel­ lung eines möglichen Aufbrechens der Spreng­ stoffmasse des MHD-Generators gemäß Fig. 1 in mehreren Stufen;

Fig. 7 ist eine Detaildarstellung einer veränderten Ausführungsform gegenüber Fig. 6.

Fig. 1 zeigt, teilweise in schematischer Darstellung, die Bestandteile einer Impulsquelle mit einer Primär­ stromquelle 10 und einem Generator zum Verdichten des Feldes. Die gezeigte Primärquelle 10 kann ein MHD-Gene­ rator mit symmetrischer Wicklung sein, dessen Ausgangs­ elektroden an einen Hochgeschwindigkeits-Unterbrecher 12 angeschlossen sind. Der Unterbrecher ermöglicht seiner­ seits die Versorgung des Generators zum Verdichten des Feldes 14, der nachfolgend durch die Abkürzung GCC be­ zeichnet wird.

Der Hochgeschwindigkeits-Unterbrecher 12 kann einen be­ kannten Aufbau haben. Man findet eine Beschreibung eines geeigneten Hochgeschwindigkeits-Unterbrechers in der Ver­ öffentlichung "System design of the ultrahigh velocity gedi experiment", verfaßt von R.L. Laughlin et al, Sei­ ten 139 bis 143, Elektromagnetic launch technology, 3rd symposium, Austin TX 1986.

Die Primärquelle 10 und/oder der GCC 14 erhalten ihre Energie von einem Sprengstoff. Der dargestellte GCC 14 kann aus einer äußeren zylindrischen Wand aus leitfähi­ gem Material bestehen, das in einer Helix enthalten ist oder die Form einer Helix hat und aus einer leitfähigen inneren Wand 18 sowie einer festen oder unterteilten Sprengstoffmasse, die in der Wand 18 enthalten ist. Die leitfähigen Wände 16 und 18, die die Elektroden bilden, sind miteinander über die größere Last 20 verbunden.

In einer besonders einfachen Ausführungsform beschränkt sich der GCC 14 auf die obigen Bestandteile sowie einen Zünder 22 zum Zünden des Sprengstoffes am entgegenge­ setzten Ende der Last 20, die entweder eine Schaltung zum unmittelbaren Gebrauch oder eine Induktanz für das Anspeichern vor der Verwendung sein kann.

Die Detonationswelle, die sich vom Sprengstoff nach vorne ausbreitet, bewirkt eine progressive Ausweitung der inneren Wand 18. Der Teil nahe des Zünders nimmt zu­ nächst eine kegelstumpfförmige Form an, schließt die Primärquelle 10 kurz und verschließt über sich selbst einen Kreis, der die Wände 16 und 18 sowie die Last 20 beinhaltet. Die innere Wand 18 verformt sich weiterhin und kommt zunehmend in Anlage an die äußere Wand 16. Die Verschiebung der Wand 18 verbraucht einen Weg der Fluß­ verdichtung, der die magnetische Energie des Systemes erhöht. Die Wand 16 muß einen ausreichenden Widerstand bieten, um sich nicht aufgrund des Aufschlages der Wand 18 zu verformen oder zu bersten. Der Sprengstoff kann ein hochexplosiver Sprengstoff mit hoher Detonationsge­ schwindigkeit (ungefänr 8000 m/sec) sein. In diesem Fall durchläuft eine gut lokalisierte Detonationswelle den Sprengstoff mit hoher Geschwindigkeit. Gleichfalls ist es möglich, Sprengstoffe mit einer niedrigeren Detona­ tionsgeschwindigkeit zu verwenden.

Wenn die Sprengstoffmasse homogen ist und die Fortschrei­ tungsgeschwindigkeit der Detonationsfront konstant ist, so bleibt die Veränderungsgeschwindigkeit des einge­ schlossenen Flusses in Abhängigkeit von der Zeit im we­ sentlichen konstant bis zum Ende der Verbrennung, so daß die Veränderung des der Last zugeführten Stromes in Ab­ hängigkeit von der Zeit eine ungefähr linear ansteigen­ de Funktion bis zum Ende der Verbrennung ist. Für die meisten Anwendungsfälle ist es im Gegensatz hierzu wün­ schenswert, einen starken Stromanstieg zu haben, um da­ raufhin einen im wesentlichen konstanten Wert beizube­ halten.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, sind mehrere Lösungen möglich.

Eine erste Lösung besteht darin, die äußere Wand als eine helixförmige Elektrode mit veränderlicher Steigung längs der Achse auszubilden. Auch bei einer konstanten Detonationsgeschwindigkeit kann man die Veränderungsge­ schwindigkeit des Flusses gegenüber der Zeit verändern und eine Abhängigkeit I(t) der in Fig. 2 gezeigten Art erhalten. Das gleiche Ergebnis kann erhalten werden durch Verwenden einer heterogenen Sprengstoffmasse, die eine abfallende oder absinkende Detonationsgeschwindig­ keit in Abhängigkeit von dem Ort der Detonation hat. Eine weitere Lösung besteht darin, daß von einer Form der Wand 18 Gebrauch gemacht wird, die zu einer Fluß­ veränderungsgeschwindigkeit führt, die sich entspre­ chend und nach Maßgabe der Explosionsausbreitung ändert.

Zwei MHD-Generatoren der in Fig. 1 gezeigten Art können symmetrisch angeordnet sein mit einer in der gleichen Zone angeordneten Zündung, um eine Gleichzeitigkeit des Funktionierens zu gewährleisten. Fig. 5 zeigt eine ver­ wendbare Prinzipanordnung, die auch gut für den Fall einer drehsymmetrischen Anordnung der in Fig. 1 gezeig­ ten Art wie auch für den Fall einer bezüglich einer Ebe­ ne symmetrischen Anordnung derjenigen Art verwendbar ist, die im folgenden Text beschrieben werden wird. Man sieht in Fig. 5, in der Teile, die den in Fig. 1 gezeig­ ten Teilen entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, eine innere Wand 32 und eine äußere Wand 30, wobei lediglich eine Wicklung 36 für den Strom­ fluß zum Erzeugen eines in Umfangsrichtung verlaufenden Feldes H befestigt ist. Die Sprengstoffmasse ist in zwei Anteile 34 a und 34 b unterteilt, zwischen denen ein Zün­ der 25 angeordnet ist. Zwischen den beiden Anteilen ist eine isolierende Trennwand vorgesehen. Diese kann aus einem Ring 26 und einem aus Keramik bestehenden Ver­ schlußteil 28 bestehen.

Wie bereits erwähnt wurde, kann die Primärstromquelle gleichfalls eine Sprengstoffmasse oder ein Propergol­ masse als Primärenergiequelle verwenden.

In einer einfachen Ausführungsform kann die Quelle sich beschränken auf eine Umhüllung mit den beiden konzen­ trischen leitenden Wänden 30 und 32, einer Sprenstoff­ masse im Zwischenraum sowie einer Spule oder Spulen (nicht in Fig. 1 dargestellt) zum Erzeugen eines in Um­ fangsrichtung verlaufenden Feldes H. Die Sprengstoff­ masse 34, die den ringförmigen Raum zwischen den Elek­ troden einnimmt, ist an einem Ende mit einem gleich­ falls ringförmigen Zündgerät versehen, mit dem eine Zone aus leitfähigem, ionisiertem Gas erzeugbar ist, das sich mit hoher Geschwindigkeit in axialer Richtung ausbreitet. Man erreicht erheblich höhere Geschwindig­ keiten als im Fall eines magneto-hydrodynamischen Gene­ rators mit Dauerfunktion.

Der Hochgeschwindigkeits-Unterbrecher 12 ermöglicht es, den Ausgangsstrom der Primärquelle an den Elektroden 16 und 18 des GCC hindurchfließen zu lassen. Die Schal­ tung zum Synchronisieren der Funktionsweise zwischen dem Zünder des MHD-Generators, der aus der Primärquelle 10, dem Unterbrecher 12 und dem Zünder 22 besteht, kann die gleiche Bauweise haben wie diejenige, die verwendet wird bei Reihenschaltungen von Generatoren zum Versor­ gen von elektromagnetischen Kanonen.

Fig. 3 zeigt in einer sehr schematischen Darstellung eine mögliche Anordnung der Wicklungen 36 der Spule zum Erzeugen des in Umfangsrichtung verlaufenden Feldes mit hoher Intensität, wobei deren Verbindungen mit einer äußeren Quelle nicht gezeigt sind.

Wie bereits erwähnt wurde, verbraucht die Spule oder verbrauchen die Spulen erhebliche Energie zum Erzeugen des Magnetfeldes H, wobei die Spulen durch eine äußere Quelle versorgt werden und wobei die gespeicherte Ener­ gie, die in induktiver Form vorliegt, letztlich nicht an die Last übertragen wird.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird diesem Nachteil begegnet, indem die elektrische Energie, die durch den MHD-Generator selbst erzeugt wird, zum Erzeugen des Feldes H verwendet wird. Zu diesem Zweck liegt die Spule 36 in Reihe mit den Elektroden 30 und 32 unter Zwischenschaltung des Hochgeschwindigkeits-Un­ terbrechers 12, der in seinem Ruhezustand geschlossen ist. Eine Anfangsquelle von schwacher Kapazität 38 liegt parallel zur Spule 36 und ist mit einem Unterbrecher 40 versehen. Die Funktionsweise ist wie folgt: Der Unter­ brecher 40 wird während einer kurzen Zeitdauer geschlos­ sen, um einen Strom in der Spule 36 fließen zu lassen, der schwach sein kann, und daraufhin geöffnet, sobald der Zünder des MHD-Generators aktiviert ist. Ein Strom beginnt in den Elektroden und der Spule zu fließen und bewirkt einen Selbstverstärkungseffekt für das Feld H. Sobald der Strom seinen Maximalwert erreicht, wird der Unterbrecher 12 geöffnet und gleichfalls der Unterbre­ cher 12 a geschlossen, so daß gleichsam die Gesamtheit der in der Spule 36 gespeicherten Energie daraufhin ver­ wendet wird, um das Feld zu erzeugen, das durch den GCC verdichtet werden wird.

Man vermeidet es auch, die in der Erregungsspule 36 ge­ speicherte Energie ungenutzt zu lassen, welche, äbgesehen von einem sehr kurzen Zeitraum, nicht in dem MHD-Genera­ tor verwendet wird.

Anstatt der Verwendung einer Sprengstoffmasse oder einer Propergolmasse in einem einzigen Stück kann diese Masse auch in mehrere Stufen unterteilt werden, wobei ledig­ lich die erste Stufe mit einem Zündgerät ausgestattet ist, so daß die anderen Stufen durch die Druckwelle der vorhergehenden Stufe gezündet werden.

Zum Erhöhen oder Vermehren der Ionisation und damit der Leitfähigkeit der radialen Stromstrecke zwischen den Elektroden 30 und 32 kann jede Stufe einen mehrfach geschichteten Aufbau haben. Bei der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform, bei der lediglich die Elektroden und die Sprengstoffmasse gezeigt ist, besteht die letztge­ nannte aus zwei Stufen 42 und 44. Die erste Stufe ist allein mit einem Zündgerät, das nicht dargestellt ist, ausgerüstet. Die zweite Stufe wird durch den Aufschlag der Elemente der ersten Stufe gezündet. Die Spitzen­ winkel der beiden Teile können gleich oder entgegenge­ setzt sein, um eine gewünschte Form am Befestigungsort für den Strom als Funktion der Zeit zu geben.

Um die elektrische Kontinuität der durch die Implosion mit den Elektroden geformten Platten zu gewährleisten, verwendet man leicht ionisierbare Materialien, wie bei­ spielsweise Cäsium. Diese Platten 46 sind schematisch lediglich als Beispiele in Fig. 7 gezeigt. Diese Mate­ rialien können einheitlich von einer Elektrode (nicht in Fig. 7 dargestellt) ausgehend gehalten werden.

Es ist nicht nötig, daß der MHD-Generator, der die Quel­ le 10 bildet, drehsymmetrisch aufgebaut ist. Die Elek­ troden 30 und 32 können einen Abschnitt haben, der sich an ein Rechteck oder jedes andere Polygon annähert, wo­ bei das Feld auch durch Spulen gebildet werden kann, deren Wicklungen den in Fig. 3 gezeigten Verlauf haben. Es ist sogar möglich, dem MHD-Generator einen Aufbau zu geben, der sich an einen Generatoraufbau für Dauer­ betrieb annähert, bei dem das Magnetfeld H senkrecht zur Achse gerichtet ist, und bei dem die Elektroden dann zwei parallele Platten in der Richtung des Magnetfeldes im Raum zwischen den Elektroden sind.

Bei einer anderen Ausführungsform besteht die Primär­ quelle aus einer Kondensatorbatterie, einer homopolaren Impuls-Drehmaschine oder aus Akkumulatoren mit niedri­ gem Innenwiderstand. Bei einer weiteren Variante haben die V-förmigen Ladungen verschiedene Überzüge oder Ver­ kleidungen entsprechend den verschiedenen Stufen.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die speziellen Ausführungsformen, die beispielshaft gezeigt und be­ schrieben worden sind, und es sei angemerkt, daß der Schutzbereich des vorliegenden Patentes sich auf alle Varianten erstreckt, die im Bereich der Äquivalente lie­ gen.

Claims (10)

1. Elektrische Impulsstromquelle mit hoher Stromstärke, mit einer Primärstromquelle (10) sowie möglicher­ weise einem Generator zum Verdichten eines Feldes (14) mit einer leitfähigen Umhüllung für das Ver­ dichten des von der Primärquelle erzeugten Feldes, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Primärquelle erzeugte Strom und/oder der für das Verdichten benötigte Strom durch Verbrennung oder Detonation einer Propergolmasse oder eines Sprengstoffes in einem festen Zustand erzeugt wird.

2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärquelle (10) ein MHD-Generator mit einer ring­ förmigen Röhre ist, die konzentrische Wände (30, 32) aus Leitermaterial, die die Ausgangselektroden bil­ den, aufweist, eine ringförmige Masse aus Spreng­ stoff (34) aufweist, die in der Röhre enthalten ist und mittels eines Zünders an einer Außenseite ge­ zündet wird, und Mittel zum Erzeugen eines magneti­ schen Feldes mit in Umfangsrichtung der Röhre ver­ laufenden Feldlinien aufweist.

3. Quelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Sprengstoffmasse zwei Ladungen (34 a, 34 b) enthält, die symmetrisch angeordnet sind und deren benachbarte Außenseiten mit Zündern versehen sind, denen Mittel für ein simultanes Zünden zuge­ ordnet sind.

4. Quelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Sprengstoffmasse in mehrere Stufen (42, 44) unterteilt ist, die längs der Achse der Röhre angeordnet sind, die sich gegenseitig sowie der Rei­ he nach zünden, die eine bestimmte Form haben, um V-förmige Ladungen zu bilden, die winkelmäßig um die Achse herum angeordnet sind und denen jeweils eine Platte (46) aus Leichtmetall mit guter Leitfähigkeit und möglicherweise eine Ionisierbarkeit, wie bei­ spielsweise Cäsium, zugeordnet ist.

5. Quelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die V-förmigen Ladungen Winkel und/oder Verdickungen mit verschiedenen Umhüllungen entsprechend der Stufen haben.

6. Quelle nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengstoffmasse heterogen ist und daß ihre Zusam­ mensetzung veränderlich ist gemäß einer bestimmten Verteilung, um eine Abhängigkeit des Stromes von der Zeit zu bewirken, die einen schnellen anfängli­ chen Anstieg gefolgt von einem Abschnitt mit nie­ driger oder keiner Steigung darstellt.

7. Quelle nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule oder die Spulen zum Erzeugen des Feldes des MHD-Generators in Reihe bezüglich der Ausgangselek­ troden geschaltet sind.

8. Quelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die leitfähige Umhüllung zum Verdichten des Feldes eine Sprengstoffzusammensetzung und wenigstens eine durch den Sprengstoff verformbare Wand (18) aufweist und derart angeordnet ist, daß die Veränderung des Stromes in Abhängigkeit von der Zeit einen schnel­ len anfänglichen Anstieg hat, dem eine geringe Stei­ gung oder ein Bereich ohne Steigung folgt.

9. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärquelle aus einer Kondensatorbatterie, einer homopolaren Impuls-Drehmaschine oder aus Akkumula­ toren mit schwachem Innenwiderstand besteht.

10. Elektromagnetische Kanone mit Mitteln zum Erzeugen eines Beschleunigungsfeldes in einer Röhre, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel auf einer Quelle nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche beruhen.