DE3814330A1

DE3814330A1 - Elektrothermische beschleunigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE3814330A1
Application number: DE3814330A
Authority: DE
Inventors: Armin Ing Grad Eskam; Guenter Frye; Herbert Dr Ing Krumm
Original assignee: Rheinmetall GmbH
Current assignee: Rheinmetall Industrie AG
Priority date: 1988-04-28
Filing date: 1988-04-28
Publication date: 1989-11-09
Anticipated expiration: 2008-04-29
Also published as: FR2630821A1; GB2217819B; GB2217819A; DE3814330C2; US4957035A; FR2630821B1; GB8908949D0

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrothermische Beschleuni gungsvorrichtung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist.

Bei elektrothermischen Beschleunigungsvorrichtungen wird die Umwandlung elektromagnetischer in thermische Energie ausgenutzt, indem das zum Antrieb des Geschosses benötig te heiße Plasma mit Hilfe eines zwischen feststehenden Elektroden brennenden Lichtbogens erzeugt und aufgeheizt wird (vgl. z. B. DE-A 36 13 259). Die feststehenden Elektroden sind dabei verschlußseitig angeordnet und bilden einen Plasmabrenner. Die Isolation der beiden Elektroden voneinander wird dadurch erreicht, daß der vordere Teil des Gehäuses vom hinteren durch Bauelemente aus nicht leitenden Materialien getrennt ist. Vor allem in diesem Bereich sind besondere Maßnahmen zur Realisie rung ausreichender elektrischer und mechanischer Dichtig keit zu ergreifen. Trotz der geringen Leistung von weniger als 250 kJ kommt es im Bereich der Verschleiß teile zur Zerstörung von Baugruppen durch Erosion, Abbrand und chemischen Umsetzungen. Zur Behebung der Schäden, zum Reparieren des Plasmabrenners und zum Laden des Geschosses ist die Beschleunigungsvorrichtung nahezu vollständig zu zerlegen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu grunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzu geben, die einfach aufgebaut ist und die die erforderliche Gasdichtigkeit, elektrische Isolierung, Abbrandfestigkeit hochbeanspruchter Teile sowie eine hohe Leistungsfähigkeit aufweist.

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

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht also im wesentlichen darauf, daß der Plasmabrenner mehrere Plasmakanäle aufweist und kompakt aufgebaut ist. Die gute Gasdichtigkeit ergibt sich ins besondere aufgrund der konischen Form des Plasmabrenners.

Im folgenden werden anhand von Beispielen und mit Hilfe von Figuren weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfin dung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den verschlußseitigen Teil einer erfindungsge mäßen elektrothermischen Beschleunigungsvor richtung;

Fig. 2 die Ansicht nach Fig. 1 in einer Explosionsdar stellung;

Fig. 3 den Schnitt durch den Plasmabrenner entlang der Linie A-A gemäß Fig. 2;

Fig. 4 die Draufsicht auf eine mit Bohrungen versehene Elektrodenscheibe;

Fig. 5a, b und c sowie Fig. 6, 7 und 8 verschiedene weitere Ausführungsbeispiele des Plasmabrenners,

Fig. 9 eine Munitionseinheit, bestehend aus Geschoß und Plasmabrenner.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 10 der verschlußseitige Teil einer elektrothermischen Beschleunigungsvorrichtung, mit 20 ein zu beschleunigendes Geschoß und mit 30 der er findungsgemäße Plasmabrenner bezeichnet.

Die Beschleunigungsvorrichtung 10 besteht im wesentlichen aus dem Gehäuse 11, dem in das Gehäuse einschraubbaren Rohr 12 und dem Schraubverschluß 13. Vorteilhafterweise befindet sich in dem Rohr 12 eine Isolierbuchse 14, welche als Verschleißbuchse ausgeführt werden kann und verhindern soll, daß das Plasma sich unkontrolliert im Rohr fortpflanzt.

Der heckseitige Teil des Geschosses 20 ist mit 21 und der Geschoßboden mit 22 bezeichnet.

Der Plasmabrenner 30 besteht im wesentlichen aus einem Isolationskörper 31, den Plasmakanälen 32 bis 36 (vgl. auch Fig. 3) und den Elektroden 37 und 38. Bei der Elektroden 37 handelt es sich um eine Metallscheibe, die stegförmige Zapfen besitzt, welche in die Plasmakanäle 32 bis 36 reichen. Die Elektroden 38 ist mit Bohrungen versehen (vgl. auch Fig. 4), so daß in Bezug auf die Plasmakanäle 32 bis 36 Ringelektroden gebildet werden.

Der Plasmabrenner 30 ist konisch ausgebildet und ist so gestaltet, daß er einschließlich des Brennermundes 42 (vgl. Fig. 2) die einzelnen Plasmakanäle voneinander und vom Gehäuse 11 der Beschleunigungsvorrichtung 10 elek trisch isoliert.

Hinter dem Plasmabrenner 30 sitzt der Anschluß 15 eines Poles der nicht dargestellten elektrischen Versorgung, der zum Gehäuse 11 und zum Verschluß 13 hin ebenfalls über einen Isolationskörper 16 elektrisch isoliert ist.

Der Verschluß 13 preßt über einen kegelförmigen Sitz die Baugruppen Plasmabrenner 30, Anschluß 15 und Isolations körper 16 in den konischen Sitz des Gehäuses 11. Vorzugs weise wird der Plasmabrenner 30 vom Verschluß 13 in dem vom Gehäuse 11 und vom Verschluß 13 gebildeten Raum un ter hohe Druckeigenspannung gesetzt, die dem Plasmadruck günstig entgegenwirken. Dabei sorgen die vom Verschluß erzeugten hohen Druckeigenspannungen in den kegeligen Bereichen des Gehäuses 11 und des Verschlusses 13 für eine gute Abdichtung des Plasmas. Das Gehäuse 11 bildet den zweiten Pol der elektrischen Versorgung.

Als Werkstoffe sind im Bereich Gehäuse 11, Rohr 12 und Verschluß 13 hochfeste Rohrstähle (z. B. 35 NiCrMo 12.5) verwendbar. In den Isolationsbereichen Plasmabrenner 30, Isolationsbuchse 14 und Isolationskörper 16 sollten Kunststoffe, Keramik und Verbundwerkstoffe (Kunststoff-/ Keramikmatrix) zum Einsatz kommen. Im Bereich des Plas mabrenners 30 ist auch ein Werkstoffverbund von Keramik körpern, Kunststoffen und Stahlelementen denkbar (vgl. die weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiele).

Die Zündung des Lichtbogens zur Erzeugung und Aufheizung des Plasmas kann vorzugsweise dadurch erreicht werden, daß zwischen den Elektroden 37 und 38 in den Plasmaka nälen 32 bis 36 Metalldrähte 39, 40, 41 (nur in Fig. 2 dargestellt) angeordnet werden, die aufgrund des hohen Stromes verdampfen. Der zwischen den Elektroden 37 und 38 brennende Lichtbogen heizt dann das vorhandene Plasma weiter auf und bewirkt ggf. ein Verdampfen eines Füll materials (vgl. Fig. 7). Außerdem wird in der Regel Material des Isolationskörpers verdampfen. An Stelle des Drahtes kann die Anzündung auch durch eine elektrisch leitende Folie, eine Innenbeschichtung der Plasmakanäle oder durch das Füllmaterial selbst erfolgen.

Die eigentliche Funktionsweise der elektrothermischen Kanone ist an sich bekannt (vgl. die eingangs zitierte Druckschrift) und braucht im folgenden nicht näher er läutert zu werden.

In den Fig. 5a, 5b und 5c sind die Querschnitte weiterer Ausführungsbeispiele von Plasmabrennern 30′, 30′′ und 30′′′ dargestellt. Dabei weisen diese Plasma brenner 3, 4 oder 5 Plasmakanäle auf. Anzahl, Anordnung und Dimensionierung der Plasmakanäle sind so zu opti mieren, daß die zur Verfügung stehende elektrische Energie mit einem günstigen Wirkungsgrad in Geschoß energie umgesetzt wird.

In Fig. 6 ist ein Plasmabrenner 60 dargestellt, bei dem die Wände der Plasmakanäle durch Keramikkörper 61, 62 und 63 gebildet werden. Als Ringelektrode 64 wird in diesem Fall eine Elektrodenscheibe verwendet, die einen Ring in bezug auf das gesamte Plasmakanalbündel bildet, womit die Möglichkeit besteht, den Vernbrennungsraum günstig zu gestalten. Die Auskleidung der Plasmakanäle mit den Keramikkörpern hat den Vorteil, daß vor allem gegenüber der hohen Plasmatemperatur eine bessere Stand festigkeit erreicht wird.

Fig. 7 zeigt einen Plasmabrenner 70, bei dem die Außen hülle durch eine GFK-Wickellage gebildet wird (GFK = Glasfaserkunststoff). Mit einer derartigen Anordnung wird eine höhere Standfestigkeit bezüglich des Plasma druckes erreicht. Außerdem wird als Füllmaterial 72, 73, 74 ein elektrisch leitender Stoff verwendet, der sowohl das Plasma entstehen läßt als auch durch seine Umsetzung den Plasmadruck steigert.

In Fig. 8 besteht die Außenhülle 81 des Plasmabren ners 80 aus einer Metallschicht, die sehr maßhaltig bearbeitet ist. Dadurch wird eine gute Dichtfläche erreicht. Außerdem wird statt eines Drahtes zur Zündung des Lichtbogens in den Plasmakanälen eine leitende Innenbeschichtung 82, 83, 84 oder eine elektrisch leitende Folie verwendet. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß das Plasma sich besser aus breitet und vor allen in Verbindung mit einem in den Kanälen befindlichen elektrisch leitenden Stoff für ein hohes Plasmadruckniveau sorgt.

Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn Plasmabrenner und Geschoß eine Einheit bilden. Dadurch wird die Hand habung der Zuführung wesentlich erleichtert. Ein ent sprechendes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 9, wobei die gesamte Munition mit 90, der Plasmabrenner mit 91 und das Geschoß mit 92 bezeichnet ist.

Bezugszeichenliste

10 verschlußseitiges Teil einer ETK
11 Gehäuse
12 Rohr
13 Schraubverschluß
14 Isolierbuchse
15 Anschluß
20 Geschoß
21 heckseitiges Teil
22 Geschoßboden
30, 30′, 30′′, 30′′′ Plasmabrenner
31 Isolationskörper
32 Plasmakanäle
33 Plasmakanäle
34 Plasmakanäle
35 Plasmakanäle
36 Plasmakanäle
37 Elektroden
38 Elektroden
39 Metalldraht
40 Metalldraht
41 Metalldraht
42 Brennermund
60 Plasmabrenner
61 Keramikkörper
62 Keramikkörper
63 Keramikkörper
70 Plasmabrenner
71 GFK-Hülle
72 elektrisch leitender Stoff
73 elektrisch leitender Stoff
74 elektrisch leitender Stoff
80 Plasmabrenner
81 Metallschicht

Claims

1. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung (10) zur Beschleunigung von Geschossen (20) mit einem verschluß seitig angeordneten Plasmabrenner (30), in dem zur Er zeugung und Aufheizung des Plasmas ein Lichtbogen zwischen fest angeordneten Elektroden (37, 38) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (30) auswechselbar angeordnet ist und mindestens zwei Plasmakanäle (32 bis 36) auf weist, die voneinander und vom Gehäuse (11) der Be schleunigungsvorrichtung (10) elektrisch isoliert ange ordnet sind.

2. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Plasmabrenner (30) konisch ausgebildet ist.

3. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Plasmabrenner (30) in seinem vorderen, dem Geschoßboden (22) zugewandten Teil eine mit Bohrungen (380 bis 384) versehene Elektrodenscheibe (38) aufweist, die, bezogen auf den jeweiligen Plasmakanal (32 bis 36), eine Ring elektrode darstellt.

4. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Plasmakanäle (32 bis 36) am geschoßseitigen Ende in einem Brenner mund (42) enden, in den der heckseitige Teil (21) des Geschosses (20) hineinragt.

5. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Plasmakanäle (32, 36) zur Anzündung des Plasmas mit einem elektrisch leitenden Draht (39, 40, 41), einer elektrisch leitenden Innenbeschichtung (82, 83, 84) oder mit einer elektrisch leitenden Folie versehen sind.

6. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die einzelnen Plas makanäle (32 bis 36) mit einem elektrisch leitenden Stoff (72, 73, 74) gefüllt sind, der unter dem Ein fluß des Plasmas eine Erhöhung des Druckes in den Plasmakanälen (32 bis 36) und in dem Brennermund (42) verursacht.

7. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß der Plasmabrenner (30) aus Kunststoff hergestellt wird.

8. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Wände der Plasmakanäle (32 bis 36) durch Keramikkörper (61, 62, 63) gebildet werden, die in dem Kunststoffkörper eingebettet sind.

9. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß der Plasmabrenner (30) mit einer außenliegenden GFK-Wickellage (71) umgeben ist.

10. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die Außenschicht (81) der Plasmabrenner (30) eine Metallschicht ist.

11. Elektrothermische Beschleunigungsvorrichtung, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß der Plasmabrenner (91) mit dem Geschoß 92 eine Einheit (90) bildet.