DE3814332A1 - Vorrichtung zur beschleunigung von projektilen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beschleuni­ gung von in einem einseitig verschlossenen Rohr befind­ lichen Projektilen, wie sie im Oberbegriff des An­ spruchs 1 näher definiert ist.

Bekanntlich nutzen Abschußvorrichtungen nach dem elek­ trothermischen Prinzip (z. B. US-PS 28 99 864) die Umwandlung elektromagnetischer in thermische Energie aus. Bei derartigen Abschußvorrichtungen wird das zum Antrieb des Projektils benötigte heiße Plasma mit Hilfe eines zwischen feststehenden Elektroden brennenden Lichtbogens erzeugt und aufgeheizt. Die feststehenden Elektroden sind dabei entweder verschlußseitig angeordnet oder über die Länge des Rohres verteilt.

Im Falle einer verschlußseitigen Elektrodenanordnung nimmt der am Projektilboden auftretende Gasdruck zunächst sehr schnell einen großen Wert an, der durch die Festig­ keitseigenschaften der Lichtbogen-Brennkammer, des Rohres und des Projektils begrenzt wird. Während der Beschleunigung des Projektils nimmt dieser Druck jedoch wegen der Strömungsvorgänge im Rohr sehr rasch wieder ab. Die Geschwindigkeit des Projektils am Rohrende ist in diesem Fall deutlich kleiner als es bei einer Beschleunigung mit konstantem Druck möglich wäre.

Sofern die Elektroden über die Länge des Rohres verteilt sind, tritt dieser Nachteil nicht auf. Hier kann durch ein kontrolliertes und kontinuierliches Zuschalten von elektrischen Entladungen und das hierdurch bedingte Ver­ dampfen von Material unmittelbar hinter dem Projektil der Druck am Projektilboden nahezu konstant gehalten werden. Nachteilig an dieser Anordnung ist jedoch der technisch außerordentlich aufwendige Aufbau des aus mehreren Kom­ ponenten bestehenden Rohres und der Energieversorgung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art anzugeben, die einfach aufgebaut ist und mit der es ebenfalls gelingt, den Druck am Projektilboden nahezu konstant zu halten.

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

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

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

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektro­ thermischen Abschußvorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zu Beginn des Beschleunigungsvorganges des Projektiles;

Fig. 3 die Beschleunigungsvorrichtung nach Fig. 1 zu einem späteren Zeitpunkt des Beschleunigungs­ vorganges des Projektiles;

Fig. 4a und 4b ein Ausführungsbeispiel eines Projektils mit Drahtauffangeinrichtung;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektro­ thermischen Abschußvorrichtung gemäß der Er­ findung;

Fig. 6 und 7 die Abschußvorrichtung nach Fig. 5 zu zwei verschiedenen Zeitpunkten.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen das Funktionsprinzip der er­ findungsgemäßen elektrothermischen Abschußvorrichtung. Die Abschußvorrichtung besteht aus einem Rohr 1 (von ca. 4 m Länge und einem Kaliber von 50 mm) aus elektrisch schlecht leitendem, mechanisch hochfesten Material (z. B. glasfaserverstärktem Kunststoff) und einer verschluß­ seitigen Elektrode 2 sowie einem mündungsseitigen ring­ förmigen Kontakt 3. Die Elektrode 2 und der Kontakt 3 sind an das Rohr 1 mit Schraubverbindungen 4 angeflanscht und drücken auf Dichtungsringe 5. Das Rohr 1 ist mit einem auswechselbaren Isolierstoffrohr 6 versehen.

Im Rohr 1 befindet sich ein becherförmiges Projektil 7 aus elektrisch leitfähigem Material. Verschlußseitig ist am Projektil 7 eine elektrisch nicht leitende Hülse 8 angebracht, die mit einem schlecht leitenden flüssigen oder pulverförmigen Material 9 mit einem hohen Wasser­ stoffanteil (z. B. Wasser, Öl, Lithiumhydrid, Polyäthy­ lenpulver) gefüllt ist, um ein Gas mit geringem Mole­ kulargewicht zu erzeugen.

Das Projektil 7 ist mit einem durch das Material 9 und die Hülse 8 gehenden dünnen elektrisch leitfähigen Draht 10 (z. B. aus Aluminium oder Lithium mit einem Durchmesser von ¹/₅ mm) mit der verschlußseitigen Elek­ trode 2 verbunden.

Mit dem mündungsseitigen Kontakt 3 ist das Projektil 7 mit einem elektrisch leitfähigen Draht 11 (z. B. aus Kupfer mit einem Durchmesser von 2,5 mm) verbunden, der am Boden einer becherförmigen Aussparung 12 des Projek­ tiles 7 befestigt ist. Die Elektrode 2 und der Kontakt 3 sind mit einer Energieversorgung verbunden, die aus einer Spannungsquelle 12 mit kapazitiven Eigenschaften, einem Einschalter 13, einer Spule 14 und einem Kurzschluß­ schalter 15 besteht. Dabei kann - wie unten noch be­ schrieben wird - unter bestimmten Bedingungen auf den Kurzschlußschalter 15 auch verzichtet werden.

Fig. 2 zeigt die Anordnung zu Beginn des Beschleunigungs­ vorganges. Die auf eine Spannung U aufgeladene Spannungs­ quelle 12 treibt nach Schließen des Schalters 13 einen hohen Strom i (z. B. 50 kA) über die Spule 14, den Kon­ takt 3, den Draht 11, das Projektil 7, den Draht 10 und die Elektrode 2. Dabei wird der dünne Draht 10 rasch aufgeheizt und verdampft schließlich, so daß ein Licht­ bogen 16 zwischen der Elektrode 2 und dem Geschoßboden 70 entsteht, der das Füllmaterial 9 erhitzt und verdampft. Der dabei entstehende Druck treibt das Projektil 7 in Richtung des mündungsseitigen ringförmigen Kontaktes 3.

Fig. 3 zeigt die Anordnung zu einem späteren Zeitpunkt des Beschleunigungsvorganges. Nachdem der Strom i sein Maximum erreicht hatte, wurde der Kurzschlußschalter 15 geschlos­ sen, so daß der Strom jetzt weiter von der Spule 14 durch die Anordnung getrieben wird und die elektromagnetische Energie nicht mehr in die kapazitive Spannungsquelle zu­ rückfließen kann.

Dabei kann auf das Schließen des Kurzschlußschalters 15 verzichtet werden, wenn der Entzug elektromagnetischer Energie aus dem Stromkreis durch den intensiv gekühlten Lichtbogen so stark ist, daß die elektromagnetische Energie schon verbraucht ist, bevor sie in die kapazitive Spannungsquelle zurückschwingen kann.

Der zwischen dem Boden 70 des Projektils 7 und der ver­ schlußseitigen Elektrode 2 brennende Lichtbogen 16 heizt weiterhin das verdampfte Füllmaterial 9 auf und paßt dabei seine Länge der vom Projektil zurückgelegten Be­ schleunigungsstrecke an. Außerdem wird Material aus den Isolierstoffrohr 6 verdampft. Dabei wird das Gasvolumen hinter dem Projektil 7 kontinuierlich über seine gesamte Länge aufgeheizt und so der Gasdruck über das gesamte Gasvolumen räumlich und zeitlich nahezu konstant ge­ halten. Der vor dem Projektil 7 befindliche Draht 11 wird dabei in der becherförmigen Aussparung 17 im Projektil 7 aufgefangen und beim Austritt des Projektils 7 aus dem Rohr 1 abgeschert.

Mit entsprechenden Projektilen 7, die eine Masse zwischen 200 und 300 g besitzen, können Mündungsgeschwindigkeiten zwischen 3 und 4 km/s erreicht werden.

Um nach Mündungsaustritt eine Beeinflussung der Lage­ stabilität des Projektils durch das Abscheren des Drahtes und den verhältnismäßig hohen Luftwiderstand des becherförmigen Projektils zu vermeiden, kann das Projektil - wie in Fig. 4a und 4b gezeigt - in der Praxis mit Hilfe eines Treibkäfigs 40 beschleunigt werden.

In dem gezeigten Beispiel besteht der Treibkäfig 40 aus zwei Hälften, die nach Mündungsaustritt aufklappen und das aerodynamisch günstig geformte Projektil 41 freigeben. Während des Beschleunigungsvorgangs wird der Draht 42 in einer der beiden Kammern 43, 44 des Treibkäfigs 40 aufgesammelt. Um nötigenfalls einem Abscheren des Drahtes 42 vorzubeugen, kann der Draht 42 so dimensioniert werden, daß er kurz vor Mündungs­ austritt explosionsartig verdampft.

Um zu vermeiden, daß der Draht 42 vor jedem Schuß von Hand mit dem mündungsseitigen Kontakt 3 (vgl. Fig. 1) verbunden werden muß, kann der Draht 42 auch mit Hilfe einer kleinen Abschußvorrichtung vom Projektil zur mündungsseitigen Elektrode geschossen werden (vgl. die nachfolgende Beschreibung zu Fig. 5). Um zu vermeiden, daß der Draht bei jedem Beschleunigungsvorgang aufge­ fangen werden muß, kann er außerdem so ausgelegt werden, daß er unmittelbar nach Einleitung des Beschleunigungs­ vorgangs verdampft und durch ein leitfähiges Plasma ersetzt wird. Ein Beispiel der vorstehend erwähnten kleinen Abschußvorrichtung zeigt Fig. 5.

Diese Anordnung unterscheidet sich von der vorher­ gehenden dadurch, daß an Stelle einer becherförmigen Aussparung eine kleine Rakete 19 auf der Spitze des zu beschleunigenden Projektils 18 angebracht ist. Im Innern der Rakete 19 befindet sich eine kleine Menge Treibladungspulver. An der Rakete 19 ist ein Drahtbe­ hälter 190 angebracht, in dem sich der Draht 20 befindet.

Zur Einleitung der Beschleunigung des Projektils 7 wird die kleine Rakete 19 zur mündungsseitigen Elek­ trode 3 geschossen, indem das Treibladungspulver z. B. durch eine elektrische Zündvorrichtung (in Fig. 5 nicht dargestellt) gezündet wird (Geschwin­ digkeit der Rakete z. B. 10 m/s).

Dabei wird der Draht 20 vom Projektil 18 zum mündungs­ seitigen Kontakt 3 gezogen (vgl. Fig. 6 und 7). Nachdem die kleine Rakete 19 das Rohr 1 verlassen und der Draht 30 den mündungsseitigen Kontakt 3 erreicht und berührt hat, wird der Stromfluß eingeleitet. Der rasch ansteigende Strom i führt zu einer raschen Erhitzung der beiden Drähte 10 und 20 und schließlich zu deren Verdampfung. Es entstehen die in Fig. 7 dargestellten Lichtbögen 22 und 23 zwischen der verschlußseitigen Elektrode 2 und dem Projektil 18 bzw. zwischen dem Pro­ jektil 18 und dem mündungsseitigen Kontakt 3. Dabei ist der Druck im Raum zwischen Projektil 18 und verschluß­ seitiger Elektrode 2 erheblich größer als zwischen dem Projektil 18 und dem mündungsseitigen Kontakt 3, da das im Gasvolumen vor dem Projektil befindliche aufgeheizte Gas aus dem Rohr entweichen kann. Das Projektil 18 wird daher in Richtung der Rohrmündung beschleunigt.

Auch die Einkopplung der in elektromagnetischer Form vorliegenden Energie in das Rohr 1 geschieht überwiegend im Gasvolumen zwischen Projektil 18 und Elektrode 2, da hier der Lichtbogen 22 außerordentlich stark durch das Füllmaterial 9 gekühlt wird und so dessen ohmscher Wider­ stand erheblich größer ist als der ohmsche Widerstand des Lichtbogens 23 zwischen Projektil 18 und der mündungs­ seitigen Elektrode 3.

Bezugszeichenliste

1 Rohr
2 verschlußseitige Elektrode, 1. Elektrode
3 mündungsseitiger Kontakt
4 Schraubverbindung
5 Dichtungsring
6 auswechselbares Isolierstoffrohr
7 becherförmiges Projektil
70 Projektilboden
8 elektrisch nicht leitende Hülse
9 schlecht leitendes flüssiges oder pulverförmiges Material
10 elektrisch leitfähiger Draht
11 elektrisch leitfähiger Draht
12 Spannungsquelle
13 Einschalter
14 Spuler
15 Kurzschlußschalter
16 Lichtbogen
17 becherförmige Aussparung
18 zu beschleunigendes Projektil
180 Projektilboden
19 kleine Rakete
190 Drahtbehälter
20 Draht
21 Treibladungspulver
22 Lichtbogen
23 Lichtbogen
40 Treibkäfig
41 Projektil
42 Draht
43 Kammer
44 Kammer

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Beschleunigung von in einem einseitig verschlossenen Rohr (1) befindlichen Projektil (7, 18) durch ein elektrisch aufgeheiztes Plasma mit zwei Elek­ troden (2; 70; 180) zwischen denen ein das Plasma auf­ heizender Lichtbogen brennt, wobei die erste der bei­ den Elektroden (2) verschlußseitig angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode durch den Boden (70, 180) des Projektiles (7, 18) gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Projektil (7, 18) vor Erzeugung des Lichtbogens mit der verschlußsei­ tigen Elektrode (2) über einen elektrisch leitfähigen Draht (10) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektil (7, 18) vor Erzeugung des Plasmas über einen zweiten elektrisch leitfähigen Draht (11, 20) mit einem an der Rohrmündung angeordneten Kontakt (3) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das Projektil (7) eine becherförmige Aussparung (17) aufweist, um den zweiten Draht (11) beim Abschuß des Projektiles (7) zunächst aufzufangen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf dem bugseitigen Teil des Projektiles (18) eine kleine Rakete (19) angeordnet ist, und daß der elektrisch leitfähige Draht (20) sich in einem Drahtbehälter (190) befindet und sowohl mit dem Projektil (18) als auch mit der kleinen Rakete (19) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Projektil (7, 18) auf einer Hülse (8) aus elektrisch nicht leitendem Material angeordnet ist, und daß die Hülse (8) mit einem elektrisch schlecht leitendem pulverförmigen oder flüssigen Material (9) mit hohem Wasserstoffanteil gefüllt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Hülse (8) mit Wasser, Öl, Lithiumhydrid oder Polyäthylenpulver gefüllt ist.