DE60112012T2

DE60112012T2 - Plasmabrenner, enthaltend eine reaktive zündersicherung und einen solchen brenner enthaltendes zündrohr

Info

Publication number: DE60112012T2
Application number: DE60112012T
Authority: DE
Inventors: Luc Brunet; Jean Mary Lombard; Jean François PIERROT; Jean Luc Taillandier
Original assignee: Giat Industries SA
Current assignee: Nexter Munitions SA
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2021-03-31
Also published as: ATE300031T1; FR2807610B1; WO2001077604A1; IL145774A0; DE60112012D1; EP1185833B1; EP1185833A1; ZA200110054B; IL145774A; FR2807610A1; US6703580B2; US20020157559A1

Description

Das technische Gebiet der Erfindung betrifft Plasmabrenner und insbesondere Brenner, die dafür verwendet werden, um die Zündung einer Treibladung einer Munition zu gewährleisten.
Ein Plasmabrenner ist ein System, welches es erlaubt, anhand einer elektrischen Entladung von hoher Spannung (in der Größenordnung von 20 KV), die zwischen zwei Elektroden erzeugt wird, Gase mit hohem Druck (in der Größenordnung von 500 MPa) und mit hoher Temperatur (größer als 10000 K) zu erzeugen.
Plasmabrenner werden in der Industrie verwendet, um zum Beispiel das Schneiden von leitfähigen Werkstoffen durchzuführen oder auch um bestimmte Produkte oder Materialien zu zerstören oder um metallische Beschichtungen zu bewerkstelligen. Sie werden auch auf dem Gebiet der Bewaffnung eingesetzt, um einen Druck, der den Abschuss eines Projektils ermöglicht, zu erzeugen.
Die bekannten Plasmabrenner umfassen eine Anode und eine Kathode, die durch eine Kapillare getrennt sind, welche aus einem Material besteht, das elektrisch isoliert und gleichzeitig geeignet ist, sich zu zersetzen, um ein Plasma zu erzeugen (zum Beispiel Kunststoff). Die elektrische Entladung zwischen Anode und Kathode wird mittels einer kupfernen Schmelzsicherung oder eines anderen leitfähigen Materials eingeleitet. Der so erzeugte Lichtbogen ruft ein Plasma hervor, das die Abschmelzung der Wand der Kapillare ausführt, was die Erzeugung von leichten Gasen mit hohem Druck und hoher Temperatur nach sich zieht.
Diese Gase werden entweder zum direkten Beschleunigen eines Projektils oder zum Verdampfen einer Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser) verwendet, was es ermöglicht, das Gasvolumen zu vergrößern.
Es können zum Beispiel die Patente FR2754969 und FR2768810 berücksichtigt werden, die Plasmabrenner gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 offenbaren, welche verwendet werden, um eine Treibladung von Munition zu initiieren.
Ein Nachteil der bekannten Plasmabrenner ist die Zerbrechlichkeit des Schmelzdrahtes, der es erlaubt, das Plasma einzuleiten. Ein solcher Schmelzdraht besitzt einen Durchmesser von 0,1 bis 0,5 mm. Er ist dafür anfällig, in Folge von thermischen und mechanischen Beanspruchungen (Vibration, Stöße), die sich während der Lagerungsphasen oder beim Einsetzen der Munitionselemente ergeben, zu brechen.
Außerdem macht die Montagearbeit eines solchen Schmelzdrahtes die Herstellung der bekannten Brenner heikel und teuer.
Es ist aus dem Patent EP949 224 ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstandes anhand eines granulatförmigen Materials und insbesondere eines Zündungsrohres für Artilleriemunition oder auch einer Treibladung, die anhand von diesem Verfahren hergestellt ist, bekannt. Das Zündungsrohr umfasst auch ein energetisches Material (Schwarzpulver, Sprengstoff oder eine pyrotechnische, oxidoreduktive Zusammensetzung), die von einem Bindemittel umhüllt ist. Ein solches Rohr ist auf keinen Fall dafür geeignet, in der Eigenschaft als Plasmabrenner verwendet zu werden, aufgrund der Tatsache, dass es keine Elektroden besitzt und es die Initiierung mittels eines Drahtes vorsieht, der ein pyrotechnisches Gemisch enthält.
Es ist ebenfalls durch das Patent US5503081 ein Plasmabrenner bekannt, der einen Zünder umfasst, der in der Form eines porösen Aluminiumrohres ausgeführt ist. Er kann eventuell ein energetisches Fluid einschließen, das dann mit dem Plasma durch die Treibladung hindurch verteilt wird.
Dieser Zünder nimmt ein großes Volumen ein und benötigt ein gewisses Energieniveau, um zu verdampfen und einen Plasma-Lichtbogen einzuleiten. Daraus ergeben sich Schwierigkeiten, um einen solchen Brenner in ein Kampffahrzeug zu integrieren, wo die Vorräte an elektrischer Energie zwangsläufig begrenzt sind. Es ist Aufgabe der Erfindung, derartige Nachteile zu beseitigen.
Der Brenner gemäß der Erfindung besitzt auch eine erhöhte Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchungen, die seine Zuverlässigkeit erhöht. Außerdem ist sein Aufbau einfach, und kann er zu geringeren Kosten hergestellt werden.
Darüber hinaus schließt der Brenner gemäß der Erfindung einen Zünder ein, der eine geringere Masse aufweist und ein niedrigeres Energieniveau benötigt, um zu verdampfen. Gemäß der Erfindung verknüpft dieser Zünder wenigstens ein leitfähiges Material mit wenigstens einem energetischen oder reaktiven Material, das heißt, das geeignet ist, mit dem leitfähigen Material zu reagieren.
Diese Materialien sind verknüpft:

– entweder in der Form einer homogenen Mischung fein pulverisierter, eventuell mit einem Bindemittel gepresster Materialien,
– oder in der Form von innigem Kontakt von wenigstens einer Schicht eines leitfähigen Materials mit wenigstens einer Schicht eines energetischen oder reaktiven Materials.

Diese beiden Ausführungsformen der Erfindung besitzen als gemeinsames Merkmal, dass sie eine relativ reduzierte Masse an leitfähigem Material innig verknüpfen, die beim Anlegen einer Versorgungsspannung verdampft und sodann entweder die Initiierung eines energetischen Materials oder die chemische Reaktion eines reaktiven Materials mit dem leitfähigen Material bewirkt.
In sämtlichen Fällen äußert sich die chemische Energie, die durch die so ausgelöste Reaktion freigesetzt vorliegt, in Form einer Verbrennungsflamme, die als leitfähige Umgebung dienen wird und die Ausbildung des Plasma-Lichtbogens gewährleistet.
Bei dem aus US5503081 bekannten Brenner verdampft zuallererst ein metallischer, poröser Zünder, um die Einleitung des Lichtbogens zu gewährleisten, und setzt dann ein brennbares oder energetisches Material frei, das durch das Plasma verteilt wird. Die Verdampfung dieses metallischen, porösen Zünders sowie die Verteilung des Materials, das er einschließt, verbraucht Energie und vermindert die Temperatur des erzeugten Plasmas und somit die Wirksamkeit der Zündung.
Im Gegensatz dazu ist bei dem Brenner gemäß der Erfindung die Gesamtmasse des eingesetzten Zünders stark vermindert (in der Größenordnung von einigen Hundert Milligramm). Er verbraucht somit wenig Energie, aber es genügt, um das energetische Material zu initiieren oder die Reaktion eines geeigneten reaktiven Materials mit dem leitfähigen Material einzuleiten.
Die so erzeugte Flamme ist eine leitfähige Umgebung, die es erlaubt, den Bogen zwischen den Elektroden des Brenners mit einer minimalen Versorgungsspannung (in der Größenordnung von 1000 Volt bei 10 cm Abstand, während die bekannten Brenner zwischen 10 KV und 30 KV bei einem Abstand von 10 cm arbeiten) aufrecht zu erhalten.
Man wird feststellen, dass die Struktur der durch US5503081 offenbarten porösen Schmelzsicherung es nicht erlaubt, eine solche Arbeitsweise zu erzielen. Tatsächlich ist die Porosität des Rohres schwer zu beherrschen. Daraus ergibt sich, dass durch die Porosität die relativen Proportionen zwischen leitfähigem Material und reaktivem Material eingefroren sind und somit nicht mehr in der Weise eingestellt werden können, dass eine chemische Reaktion zwischen diesen beiden Materialien gewährleistet wird. Außerdem kann ein metallisches, poröses Rohr, wie es in US5503081 beschrieben wird, in seinen Poren kein festes reaktives oder energetisches Material, wie eine pyrotechnische Zusammensetzung, aufnehmen.
Der Brenner gemäß der Erfindung kann ohne Schwierigkeit in sehr verschiedenen Längen ausgeführt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Zündungsrohr für Munition, das einen solchen Plasmabrenner einschließt.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Plasmabrenner mit wenigstens zwei Elektroden, die durch eine zylindrische, isolierende Hülle, welche ein inneres Volumen abgrenzt, getrennt sind, wobei die Elektroden durch eine leitfähige Zünd-Schmelzsicherung, die in dem inneren Volumen angeordnet ist, verbunden sind, wobei der Brenner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schmelzsicherung wenigstens ein leitfähiges Material umfasst, das mit wenigstens einem energetischen Material oder einem mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignetem Material, verknüpft ist, wobei das leitfähige Material in Form von Pulver oder Teilchen, die entweder mit dem energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignetem Material vermengt sind, oder in Form einer Schicht vorliegt, die an wenigstens einem Teil des energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeigneten Materials abgelegt ist.
Das leitfähige Material wird durch Kohlenstoff oder auch ein Metall gebildet.
Das energetische oder mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignete Material, kann aus den folgenden Verbindungen oder Zusammensetzungen gewählt werden:
Kupferoxid; Polytetrafluoräthylen; Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Polytetrafluoräthylen/Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Magnesium/Polytetrafluoräthylen/Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Bor/Kaliumnitrat; Film oder Folie aus plastifizierter Nitrozellulose; Polyvinylnitrat; Polyoxymäthylen; Polychlorid von Trifluoräthylen; Polyvinylchlorid; Polysulfon; Polyvinylidenfluorid.
Die Schmelzsicherung kann beispielsweise aus einem homogenen Gemisch hergestellt sein, das 6 bis 40% in Masse von Pulver aus leitfähigem Material und 60 bis 94% in Masse eines energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeigneten Materials verknüpft.
Die Schmelzsicherung kann somit aus einer homogenen Mischung ausgeführt sein, die verknüpft:

– 10 bis 40% in Masse von Kupferpulver und vorzugsweise 20%,
– 60 bis 90% in Masse einer Zusammensetzung, die Magnesium, Polytetrafluoräthylen und Kopolymer von Chlorfluoräthylen verknüpft, und vorzugsweise 80%.

Die Schmelzsicherung kann ebenfalls aus einer homogenen Mischung ausgeführt sein, die verknüpft:

– 10 bis 40% in Masse von Silberpulver und vorzugsweise 10%,
– 60 bis 90% in Masse einer Zusammensetzung, die Magnesium, Polytetrafluoräthylen und Kopolymer von Chlorfluoräthylen verknüpft, und vorzugsweise 80%.

Die Schmelzsicherung kann aus einer homogenen Mischung ausgeführt sein, die verknüpft:

– 10 bis 40% in Masse von Silberpulver und vorzugsweise 20%,
– 60 bis 90% in Masse einer Zusammensetzung, die Bor und Kaliumnitrat verknüpft, und vorzugsweise 80%.

Gemäß einer zweiten Ausführungsform kann das leitfähige Material wenigstens eine Schicht bilden, die auf wenigstens einem Teil des energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeigneten Materials abgelegt ist.
Die Schmelzsicherung kann beispielsweise wenigstens eine leitfähige Schicht aus Aluminium oder Magnesium umfassen, die auf einer reaktiven Schicht aus Polytetrafluoräthylen oder Nitrozellulose oder Polyvinylnitrat oder Kupferoxid oder Kopolymer von Chlorfluoräthylen oder Polyoxymäthylen oder Polychlorid von Trifluoroäthylen oder Polysulfon oder Polyvinylidenfluorid abgelegt ist.
Die Dimensionen der verschiedenen Schichten werden so gewählt, dass 85 bis 95 Massenteile des Materials der leitfähigen Schicht mit 5 bis 15 Massenteilen des oder der Materialien der reaktiven Schicht oder Schichten verknüpft werden.
Die Schmelzsicherung kann wenigstens eine Aluminiumschicht und wenigstens eine Schicht aus Kopolymer von Chlorfluoräthylen umfassen.
Vorteilhafterweise kann die Schmelzsicherung ebenfalls wenigstens eine Schicht eines flammenverstärkenden Materials umfassen.
Das flammenverstärkende Material kann Polyoxymäthylen oder Nitrozellulose sein.
Die Masse des flammenverstärkenden Materials kann zwischen 15 und 25 Massenteilen liegen, die den anderen Materialien der Schmelzsicherung zugegeben werden.
Die Schmelzsicherung kann vorteilhafterweise in Form eines Rohres vorliegen, das in dem inneren Volumen angeordnet ist.
Das Rohr kann wenigstens einen Längsschlitz aufweisen.
Die zylindrische, isolierende Hülle kann in einem leitfähigen, rohrförmigen Körper angeordnet sein, der mit einer Elektrode elektrisch verbunden ist, wobei der rohrförmige Körper über wenigstens einen Teil seiner äußeren Oberfläche mit einem Isolationsmaterial beschichtet ist.
Gemäß einer Ausführungsvariante kann der rohrförmige Körper von wenigstens zwei radialen Lüftungslöchern durchbohrt sein, die gegenüber radialen Löchern, die in der isolierenden Hülle angebracht sind, angeordnet sind, wobei Lüftungslöcher und Löcher durch die rohrförmige Schmelzsicherung verschlossen werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante kann die vordere Elektrode von einem axialen Loch durchbohrt sein.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein Zündungsrohr für Munition, das einen solchen Plasmabrenner umfasst.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung treten an Hand der Lektüre der folgenden, zugefügten Beschreibung verschiedener Ausführungsformen hervor, wobei die Beschreibung sich auf die beigelegten Zeichnungen bezieht, in denen:
1 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform eines Brenners gemäß der Erfindung darstellt,
2 die Anpassung des Brenners gemäß der Erfindung an eine Munition zeigt,
3 einen Längsschnitt einer in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung eingesetzten Schmelzsicherung darstellt,
4 einen Brenner gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung darstellt,
5 eine Ausführungsvariante einer Schmelzsicherung gemäß der Erfindung teilweise im Schnitt darstellt,
6 eine weitere Ausführungsvariante einer Schmelzsicherung gemäß der Erfindung teilweise im Schnitt darstellt,
7 eine weitere Ausführungsvariante einer Schmelzsicherung gemäß der Erfindung im Querschnitt zeigt.
Bezug nehmend auf 1 umfasst ein Plasmabrenner 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung einen metallischen rohrförmigen Körper 2, der im Bereich eines vorderen Teils 2a durch einen Deckel 3, der aus Kunststoff hergestellt ist, verschlossen ist. Der Deckel 3 ist zum Beispiel durch Gewinde am Körper 2 befestigt.
Der hintere Teil 2b des Körpers 2 weist einen vergrößerten Durchmesser auf, so dass ein Anschlag-Bund gebildet wird, der die Befestigung des Brenners in einer Bohrung eines Trägers (nicht dargestellt), zum Beispiel eines Geschoßbodens einer Munition, erleichtert. Um diese Befestigung des Brenners 1 ebenfalls zu ermöglichen, trägt der Körper 2 ein Gewinde 4.
Der Körper 2 weist eine axiale Bohrung 5 auf, in deren Inneren eine zylindrische, isolierende Hülle 6 angeordnet ist, die aus Kunststoff hergestellt und geeignet ist, abzuschmelzen, das heißt, durch die Einwirkung eines Plasmas, leichte Gase zu erzeugen. Die Hülle 6 kann zum Beispiel aus Polyäthylen, Polyoxymethylen oder Polytetrafluoräthylen hergestellt werden. Die Hülle 6 kann ebenfalls aus einem energetischen Material, zum Beispiel aus Nitrozellulose, hergestellt werden.
Eine solche Hülle wird bei den bekannten Plasmabrennern im Allgemeinen Kapillare genannt.
Zwei metallische Elektroden 7 und 8 sind durch die isolierende Hülle 6 getrennt. Die Elektroden sind zum Beispiel aus einer kupferartigen Legierung hergestellt.
Eine hintere Elektrode 7, die im weitesten Sinne zylindrisch ist und dieselbe Achse wie der Körper 2 besitzt, erstreckt sich im Inneren der Hülle 6. Sie weist ein hinteres Ende 7a auf, das im Bereich einer hinteren Fläche 1a des Brenners glatt abschließt. Ihr vorderes Ende 7b ist zugespitzt, so dass ein Feldeffekt erzielt wird und so das Einfangen des Fußes des Lichtbogens ermöglicht wird, der das Plasma erzeugen wird.
Eine vordere Elektrode 8 liegt durch den Deckel 3 gegen die Hülle 6 an. Sie weist eine über den Umfang verlaufende Schulter 8 auf, die in Presspassung mit dem Körper 2 eingepasst ist. Sie weist ebenfalls eine zentrale Spitze 8b auf, die für das Einfangen des Bogens günstig zugespitzt ist, und die sich in das Innere der Hülle 6 erstreckt.
Die hintere Elektrode 7 weist ebenfalls eine Schulter 7c auf, welche die Rolle des Positionierungs-Anschlages der hinteren Elektrode 7 in Bezug auf den Körper 2 spielt. Die Schulter 7c liegt an einer Senkung 9a eines Trägers 9 an, der aus einem isolierenden Material mit hoher mechanischer Widerstandsfähigkeit, zum Beispiel einem Phenoplast oder aus Polyoxymethylen, hergestellt ist. Der Träger 9 umfasst einen hinteren, erweiterten Teil 9b, der am Körper 2 durch ein Gewinde 10 befestigt ist. Der Träger 9 umfasst einen vorderen, rohrförmigen Teil 9c, der in die Bohrung 5 des Körpers 2 eingepasst ist. Dieser vordere Teil umfasst ringförmige Dichtungslippen 30, die durch ringförmige Rillen 31 getrennt sind. Die Lippen 30 gewährleisten durch ihre radiale Verformung beim Betrieb des Brenners die Dichtigkeit gegenüber Gas, das durch den Brenner 1 erzeugt wird. Die Rillen 31 bilden Entspannungskammern, welche die Dichtigkeit ebenfalls verbessern.
Gemäß der Erfindung ist in dem inneren Volumen, das durch die isolierende Hülle 6 abgegrenzt wird, ein Rohr 11 angeordnet.
Dieses Rohr überdeckt die zylindrischen Enden 7b und 8b der Elektroden 7 und 8. Im Bereich der hinteren Elektrode 7 ist das Rohr 11 zwischen die äußere zylindrische Fläche der Elektrode 7 und ein dünner gewordenes Ende 12 der isolierenden Hülle 6 geklemmt, welches selbst in Kontakt mit dem vorderen Teil 9c des Trägers 9 ist.
Das Rohr 11 stellt eine Zünd-Schmelzsicherung für den Plasmabrenner 1 dar. Zu diesem Zweck umfasst das Rohr 11 wenigstens ein leitfähiges Material, das mit wenigstens einem energetischen oder mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignetem Material verknüpft ist.
Es wird unter energetischem Material ein Material verstanden, das geeignet ist, chemische Energie in Form einer Flamme zu liefern, wenn es durch Jouleesche Wärme initiiert wird, die durch Stromfluss in dem leitfähigen Material erzeugt wird, mit dem es innig verknüpft ist.
Es wird unter reaktivem oder mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignetem Material ein Material verstanden, das isoliert inert ist, aber geeignet ist, mit dem leitfähigen Material bei dessen Erwärmung durch Jouleesche Wärme chemisch zu reagieren. Chemische Energie wird nun durch diese Reaktion in Form von einer Flamme geliefert.
Das leitfähige Material kann durch Kohlenstoff oder auch durch ein Metall wie Kupfer, Aluminium, Silber oder Magnesium gebildet werden.
Das energetische oder mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignete Material kann aus den folgenden Verbindungen oder Zusammensetzungen gewählt werden:
Kupferoxid; Polytetrafluoräthylen; Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Polytetrafluoräthylen/Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Magnesium/Polytetrafluoräthylen/Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Bor/Kaliumnitrat; Film oder Folie aus plastifizierter Nitrozellulose; Polyvinylnitrat; Polyoxymethylen; Polychlorid von Trifluoräthylen; Polyvinylchlorid; Polysulfon; Polyvinylidenfluorid.
In dieser Liste sind die energetischen Materialien die Zusammensetzungen: Magnesium/Polytetrafluoräthylen/Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Bor/Kaliumnitrat; Film oder Folie aus plastifizierter Nitrozellulose; Polyvinylnitrat.
Die mit einem leitfähigen Material reaktiven Materialien sind: Kupferoxid; Polytetrafluoräthylen; Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Polytetrafluoräthylen/Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Polyoxymethylen; Polychlorid von Trifluoräthylen; Polyvinylchlorid; Polysulfon; Polyvinylidenfluorid.
Gemäß der Ausführungsform der 1 wird das schmelzbare Rohr aus einer homogenen Mischung gebildet, die 6 bis 20% in Masse von Pulver oder Teilchen aus leitfähigem Material und 80 bis 94% in Masse eines energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu regierenden Materials verknüpft.
Es kann zum Beispiel ein schmelzbares Rohr mit den folgenden Zusammensetzungen hergestellt werden:
Beispiel 1

Beispiel 2

– 10 bis 40% in Masse von Silberpulver und vorzugsweise 20%,
– 60 bis 90% in Masse einer Zusammensetzung, die Magnesium, Polytetrafluoräthylen und Kopolymer von Chlorfluoräthylen verknüpft, und vorzugsweise 80%.

Beispiel 3

Die Zusammensetzung Bor/Kaliumnitrat verknüpft 80% in Masse an Bor mit 20% in Masse an Kaliumnitrat.
Das Rohr wird zuallererst durch die Mischung der verschiedenen körnigen Materialien und dann durch isostatische Verdichtung in einer geeigneten Pressform hergestellt. Es kann ein nitrozelluloseartiger Binder vorgesehen werden, der die mechanische Widerstandsfähigkeit des Rohres gewährleistet.
Das Patent FR2776656 offenbart zum Beispiel ein Herstellungsverfahren, das eingesetzt werden kann, um ein solches Rohr herzustellen.
Die Dicke des Rohres 11 liegt in der Größenordnung von 0,5 mm, sein Widerstand liegt in der Größenordnung von einigen Hundert Milliohm.
Gemäß der Ausführungsform der 1 weist der metallische Körper 2 radial konische Lüftungsöffnungen 13 auf, die zur Außenseite des Körpers 2 hin konisch erweitert sind, um den Abzug der Gase zu begünstigen.
Diese Lüftungslöcher sind gleichmäßig über den Umfang und in Längsrichtung verteilt (hier sind nur acht von insgesamt sechzehn dargestellt).
Die Lüftungslöcher 13 sind gegenüber von radialen, zylindrischen Löchern 14 angeordnet, die in der isolierenden Hülle 6 angebracht sind.
Lüftungslöcher 13 und Löcher 14 sind dafür vorgesehen, die radiale Diffusion des durch den Brenner 1 erzeugten Plasmas zu erlauben, zum Beispiel, um die Zündung einer Treibladung von Munition (nicht dargestellt) zu gewährleisten.
Der Durchmesser der Löcher 14 ist kleiner als der kleinste Durchmesser der Lüftungslöcher 13, was zum Ziel hat, die Abschmelzung der kapillaren Hülle 6 zu begünstigen.
Die Löcher 14 und die Lüftungslöcher 13 werden durch das schmelzbare Rohr 11 verschlossen.
Um die elektrische Isolation des Brenners zu verbessern, ist der rohrförmige, leitfähige Körper 2 über im Wesentlichen seine gesamten äußeren und inneren Flächen mit einem Isolationsmaterial (nicht dargestellt) beschichtet, zum Beispiel durch eine Beschichtung unter Vakuum von 30 bis 80 Mikrometer eines Kunststoffes wie Di-Parazylilen. Es wird einzig und allein die Beschichtung von Kunststoff im Bereich der zylindrischen Fläche, die den Stromfluss des Rohres 2 zur Elektrode 8 gewährleistet und im Bereich der Zone des Rückstroms zum Generator 19 (zum Beispiel im Bereich der hinteren Fläche 2b) vermieden.
Die Montage dieses Brenners erfolgt ganz einfach durch Stapeln der verschiedenen Elemente im Inneren des Körpers 2. Es kann zum Beispiel damit begonnen werden, den hinteren Träger 9, der die hintere Elektrode 7 trägt, am Körper 2 zu befestigen. Dann wird die Hülle 6 vom Vorderteil des Körpers 2 aus eingeschoben, in deren Inneren das schmelzbare Rohr 11 angeordnet ist. Das Eintreiben der Hülle 6 in den Körper ermöglicht es, die Klemmung des Rohres 11 um die hintere Elektrode 7 herum zu gewährleisten und folglich einen guten elektrischen Kontakt in diesem Bereich herzustellen.
Die Hülle wird in Umfangsrichtung in geeigneter Weise ausgerichtet, um die Positionierung der Löcher 14 gegenüber den Lüftungslöchern 13 zu gewährleisten. Eine solche Indexierung kann erleichtert werden, indem an der Hülle 6 eine Ausbuchtung vorgesehen wird, die in der Nähe der vorderen Elektrode 8 angeordnet ist und mit einer Kerbe zusammenwirkt, die am Körper angebracht ist (Details nicht dargestellt).
Dann wird die vordere Elektrode 8 eingedrückt, die für die Güte der elektrischen Kontakte mit einer Presspassung gleichzeitig in dem Rohr 11 und in dem Körper 2 eingepasst ist, und dann wird der Brenner durch Verschrauben des Deckels 3 geschlossen.
Man sieht, dass eine derartige Montage extrem bequem ist. Das schmelzbare Rohr 11 kann leicht eingesetzt werden. Es ist kein Schweißen notwendig, kein Brechen eines Schmelzdrahtes ist zu befürchten. Die Kontaktwiderstände zwischen den Elektroden 7, 8 und des schmelzbaren Rohres sind wegen der sehr großen Kontaktflächen reduziert. Die hergestellte Gesamteinheit ist robust. Die Hülle gewährleistet die Unterstützung des schmelzbaren Rohres über im Wesentlichen seine gesamte zylindrische Fläche.
Gemäß der 2 ist ein Brenner 1 gemäß der Erfindung zum Beispiel im Bereich eines Geschoßbodens 15 einer Munition 16 (teilweise dargestellt) befestigt. Die Munition 16 umfasst in herkömmlicher Weise eine Pulver-Treibladung 17, die in einer brennbaren Hülle 18 angeordnet ist. Ein Projektil (nicht dargestellt) ist an der brennbaren Hülle 18 im Bereich eines vorderen Teils dieser Letzteren befestigt.
Die Munition 16 ist in der Kammer einer Waffe (nicht dargestellt) angeordnet. Die Waffe umfasst einen elektrischen Generator 19, der über die elektrischen Anschlüsse 24 und 25 mit dem Brenner 1 verbunden ist. Eine erste Verbindung 24 ist über ein geeignetes Mittel (zum Beispiel eine nicht dargestellte Feder-Klemme) mit der hinteren Elektrode 7 elektrisch verbunden. Eine zweite Verbindung 25 ist mit dem metallischen Körper 2 des Brenners elektrisch verbunden, zum Beispiel über eine Feder- Klemme, die sich an dessen hinterem Teil 2b oder auch an dem metallischen Geschoßboden 15 selbst abstützt.
Der Körper 2 ist Dank des Presssitzes der Schulter 8a der Elektrode in der Bohrung 5 des Körpers 2 mit der vorderen Elektrode 8 elektrisch verbunden.
Außerdem ist das schmelzbare Rohr 11 dank eines Presssitzes durch Klemmung des Rohres 11 zwischen der Hülle 6 und den zylindrischen Teilen 7b und 8b der Elektroden (siehe 1) mit den beiden Elektroden 7 und 8 elektrisch verbunden.
Die Funktionsweise dieses Brenners ist wie folgt.
Der Generator 19 ist dafür vorgesehen, eine Energie von 10 KJ bis 1 Megajoule in Form von Spannungsimpulsen von 1000 Volt bis 20 Kilovolt zu liefern. Ein derartiger Generator ist klassisch und enthält zum Beispiel Kondensatoren, eine Spule, Thyristoren und ein stabilisiertes Netzteil.
Ein kleiner Bruchteil der von dem Generator gelieferten Energie wird zum Initiieren des schmelzbaren Rohres 11 durch Jouleesche Wärme verwendet. Das energetische Material wird nun initiiert beziehungsweise die Reaktion zwischen dem leitfähigen Material und dem reaktiven Material wird initiiert. Eine Verbrennungsflamme stellt sich über im Wesentlichen die gesamte Länge des Rohres 11 ein und macht die Löcher 14 und die Lüftungslöcher 13 frei.
Diese Flamme wird natürlich von ionisierten Atomen und Molekülen gebildet. Sie gewährleistet eine elektrische Leitfähigkeit mit vermindertem Widerstand zwischen den Elektroden 7 und 8, was die Aufrechterhaltung des Bogens zwischen den Elektroden 7 und 8 ermöglicht.
Der Einschluss des Lichtbogens in der auf abschmelzbarem Material basierenden Hülle 6 ermöglicht auf eine herkömmliche Weise die Erzeugung eines Plasmas, das durch die Lüftungslöcher 13 aus dem Körper ausströmt.
Das Plasma gewährleistet die Initiierung der Treibladung 17 der Munition, indem es die mit der Zündung durch elektrisches Plasma üblicherweise verbundenen Vorteile mit sich bringt: Druck- und Temperaturniveau größer als das einer herkömmlichen pyrotechnischen Zündung, bedingt durch die Zufuhr von elektrischer Energie durch den Generator. Daraus ergibt sich eine höhere Geschwindigkeit für das Projektil.
Die durch die Erfindung vorgeschlagene energetische Schmelzsicherung weist ebenfalls den Vorteil auf, dass auch sie Zündenergie (in chemischer Form) liefert. Sie ermöglicht es somit, einen Generator zu verwenden, der eine geringere Spannung als die der in den herkömmlichen Plasmabrennern verwendeten Generatoren liefert. Es genügt praktisch eine Spannung von 1000 Volt gegenüber 10 bis 35 Kilovolt bei den bekannten Plasmabrennern. Es wird so der Wirkungsgrad des Brenners verbessert und es wird seine Integration in ein Waffensystem erleichtert.
Es ist festzustellen, dass selbst, wenn ein örtlich begrenzter Riss in dem schmelzbaren Rohr 11 auftreten würde, ein solcher Riss die Zündung des schmelzbaren Rohres nicht verhindern könnte. Die Lichtbogen entstehen zwischen den leitfähigen Teilchen und genügen, um die Reaktion zu initiieren, die in dem gesamten Rohr fortschreitet. Das Niveau an Zuverlässigkeit eines solchen Brenners ist somit weit höher als das des Brenners mit Schmelzdraht, dessen Betrieb im Falle vom Bruch des Drahtes unmöglich ist.
3 stellt eine bevorzugte Ausführungsform für das schmelzbare Rohr 11 dar, das in einem Brenner, wie er in 1 dargestellt ist, eingesetzt werden kann.
Dieses Rohr 11 unterscheidet sich vom Vorangegangenen dadurch, dass das leitfähige Material nicht in homogener Weise mit dem energetischen oder mit diesem zu reagieren geeignetem Material vermischt ist.
Das leitfähige Material bildet hier eine Schicht 26, die auf wenigstens einem Teil des energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignetem Material abgelegt ist.
Bei dieser besonderen Ausführungsform ist die leitfähige Schicht 26 zylindrisch und im Inneren eines Rohres 27 aus energetischem oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignetem Material abgelegt. Eine derartige Anordnung erlaubt es, den elektrischen Kontakt zwischen den Elektroden 7 und 8 und der leitfähigen Schicht zu gewährleisten. Die metallische Ablagerung wird zum Beispiel durch Dampfbeschichtung unter Vakuum eines Metalls auf dem energetischen oder auch zu reagieren geeignetem Material erzielt. Sie kann auch durch Aufspritzen einer Mischung aus einem Kleber und dem energetischen oder mit dem leitfähigen Material reagieren zu könnenden Material auf eine Metallfolie erzielt werden.
Es kann vorteilhafterweise ein Blatt, das aus zwei Schichten gebildet wird, ausgeschnitten werden und so aufgerollt werden, dass es das schmelzbare Rohr 11 bildet.
Das Rohr 11 kann ebenfalls zwei, von einer energetischen Schicht getrennte, leitfähige Schichten umfassen. Eine derartige Anordnung begünstigt die Erzeugung von Entladungsbögen zwischen den beiden leitfähigen Schichten.
Konkret kann ein schmelzbares Rohr hergestellt werden, das wenigstens eine Schicht aus Aluminium oder Magnesium umfasst, die auf einer Schicht aus Polytetrafluoräthylen oder Polyvinylchlorid abgelegt ist.
Die Dicke der metallischen Schicht (oder Schichten) liegt in der Größenordnung von 100 Mikrometer. Die des energetischen Materials liegt in der Größenordnung von 150 Mikrometer.
Es kann auch wenigstens eine Schicht aus Aluminium oder Magnesium mit einer Schicht aus Nitrozellulose oder Polyvinylnitrat verknüpft werden.
Es kann eine Ablagerung von Kupferoxid oder Kopolymer von Chlorfluoräthylen auf einer Aluminium- oder Magnesiumfolie ausgeführt werden.
Es kann ebenfalls eine Ablagerung von Aluminium auf einer Schicht aus Polyoxymethylen ausgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform (die sich auch in Bezug auf 3 darstellen lässt) wird wenigstens eine Schicht aus Kopolymer von Chlorfluoräthylen (bekannt unter dem Markenzeichen Viton) auf eine Schicht aus Aluminium abgelegt.
Es kann eventuell das Kopolymer von Chlorfluoräthylen auf den beiden Seiten einer leitfähigen Schicht 26 aus Aluminium abgelegt werden (diese letztere Variante ist in 5 schematisiert). Die Bezugszeichen 27a und 27b bezeichnen die beiden Schichten aus Kopolymer von Chlorfluoräthylen, die beiderseits der Aluminiumschicht 26 abgelegt sind.
Die Dicken und Längen der verschiedenen Folien werden in Abhängigkeit von den jeweiligen gewünschten Proportionen für die untereinander reagierenden Komponenten bestimmt (Aluminium und Kopolymer von Chlorfluoräthylen).
Es werden 85 bis 95 Massenteile des Materials der leitfähigen Schicht mit 5 bis 15 Massenteilen des oder der Materialien der reaktiven Schicht oder Schichten verknüpft werden. Es werden vorzugsweise die stöchiometrischen Proportionen von 90 Massenteilen von Aluminium für 10 Massenteile von Kopolymer von Chlorfluoräthylen verknüpft.
Gemäß einer Variante, die in 6 schematisiert ist, kann in ein und derselben Schmelzsicherung eine Schicht aus leitfähigem Material 26 (zum Beispiel aus Aluminium) mit einer oder zwei Schichten (27a, 27b) aus Kopolymer von Chlorfluoräthylen und mit einer Schicht 30 aus einem flammenverstärkendem Material verknüpft sein, das Polyoxymethylen oder auch Nitrozellulose sein kann.
Die Dimensionen und Massen der verschiedenen Schichten halten vorzugsweise die vorhergehende Stöchiometrie von 90 Massenteilen von Aluminium für 10 Massenteile von Kopolymer von Chlorfluoräthylen ein. Die Masse von zugegebenem Polyoxymethylen stellt zwischen 15 und 25 Massenteile dar, die den anderen Materialien der Schmelzsicherung zugegeben werden. Sie beträgt vorzugsweise 20 Massenteile.
Diese letztere Variante erlaubt es, eine Plasmatemperatur von 17000 K bis 20000 K zu erzielen, was weit über der Temperatur liegt (bei gleicher elektrischer Energie), die mit den Brennern erzielt wird, die Polyäthylen einsetzen (in der Größenordnung von 6000 K).
7 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsvariante einer Schmelzsicherung in Form eines Rohres 11 eines Materials, wie es zuvor in Bezug auf 6 beschreiben wurde. Dabei verknüpft diese Schmelzsicherung noch eine Schicht 26 aus leitfähigem Material (zum Beispiel aus Aluminium) mit einer oder zwei Schichten (27a, 27b) aus Kopolymer von Chlorfluoräthylen und mit einer Schicht 30 aus einem flammenverstärkendem Material, das Polyoxymethylen oder auch Nitrozellulose sein kann.
Diese Variante unterscheidet sich von der Vorhergehenden dadurch, dass nach Aufrollen der Schmelzsicherung vor deren Einsetzen in den rohrförmigen Körper 2 (1) die Schmelzsicherung keinen Bogen von 360° überdeckt. Es besteht ein Spalt 31, der einen Bogen darstellt, der kleiner als 180° ist. Diese Variante erlaubt es, die Masse der Schmelzsicherung noch zu reduzieren, wobei die jeweiligen Proportionen der leitfähigen und energetischen Komponenten bewahrt bleiben. Diese Verminderung an Masse erlaubt es, die Dauer der Aufwärmphase der Schmelzsicherung durch Jouleesche Wärme zu reduzieren. Es wird so die verbrauchte Energie vermindert, ohne dabei die Temperatur des erzielten Plasmas zu vermindern. Der Fachmann passt die Breite des Schlitzes, die er benötigt, in Abhängigkeit von den für das Waffensystem, welches er bestimmt, gewünschten Eigenschaften an. Die Funktionsweise der verschiedenen Ausführungsformen der 3, 5, 6 und 7 ist analog zu der in Bezug auf die 1 und 2 zuvor beschriebenen Form.
Der Vorteil dieser Ausführungsformen, die wenigstens zwei Schichten (ein leitfähiges Material und ein reaktives Material) verknüpfen, ist, dass sie einfach in der Herstellung sind.
4 zeigt einen Brenner gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Diese Form unterscheidet sich von der gemäß der 1 dadurch, dass der Körper 2 keine radialen Lüftungslöcher aufweist und die isolierende Hülle 6 keine radialen Löcher besitzt.
Die vordere Elektrode 8 ist hier durch ein Gewinde am Körper 2 befestigt. Sie umfasst ein axiales Loch 28, das sie durchdringt und das dafür vorgesehen ist, das durch den Brenner erzeugte Plasma axial hindurch treten zu lassen. Das schmelzbare Rohr 11 ist wie bei der vorhergehenden Ausführungsform um die Elektroden 7 und 8 herum angeordnet und wird von der abschmelzbaren Hülle 6 umgeben.
Das Loch 28 wird vorteilhafterweise von einer Scheibe oder Verschlussriegel 29 verschlossen, die/der aus Metall oder aus Kunststoff hergestellt ist und an die Elektrode 6 angeklebt ist. Diese Scheibe ist dafür vorgesehen, eine Abdichtung bei der Lagerung zu gewährleisten. Sie wird bei der Zündung des Brenners zerbrochen.
Diese Ausführungsform erlaubt es, einen Plasmabrenner zu erzielen, der kompakt ist (Länge L kleiner oder gleich 40 mm) und der eine axiale Wirkungsrichtung besitzt. Ein derartiger Brenner kann für Munitionen mit vermindertem Kaliber (kleiner als 50 mm) oder auch für zivile Anwendungen (Zuschneiden von Material, Sicherheitsöffnungen, Materialbeschichtungen mit geringen Dicken, Herstellung von Metallen aus Nanometer-Pulver) verwendet werden.
Es ist selbstverständlich möglich, für diesen Brenner ein schmelzbares Rohr 11 aus homogenem Material, wie jenes, das in Bezug auf 1 beschrieben wurde, oder auch ein mehrschichtiges schmelzbares Rohr zu verwenden wie jenes, das in Bezug auf die 3, 5, 6 und 7 beschrieben wurde.

Claims

Plasmabrenner (1) mit wenigstens zwei Elektroden (7, 8), die durch eine zylindrische, isolierende Hülle (6), welche ein inneres Volumen abgrenzt, getrennt sind, wobei die Elektroden durch eine leitfähige Zünd-Schmelzsicherung (11), die in dem inneren Volumen angeordnet ist, verbunden sind, wobei der Brenner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Schmelzsicherung (11) wenigstens ein leitfähiges Material umfasst, das mit wenigstens einem energetischen Material oder einem mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignetem Material, verknüpft ist, wobei das leitfähige Material in Form von Pulver oder Teilchen, die entweder mit dem energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignetem Material vermengt sind, oder in Form einer Schicht (26) vorliegt, die an wenigstens einem Teil (27) des energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeigneten Materials abgelegt ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Material durch Kohlenstoff oder auch ein Metall gebildet wird.
Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das energetische oder mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeignete Material aus den folgenden Verbindungen oder Zusammensetzungen gewählt wird: Kupferoxid; Polytetrafluoräthylen; Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Polytetrafluoräthylen/Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Magnesium/Polytetrafluoräthylen; Kopolymer von Chlorfluoräthylen; Bor/Kaliumnitrat; Film oder Folie aus plastifizierter Nitrozellulose; Polyvinylnitrat; Polyoxymethylen; Polychlorid von Trifluoräthylen; Polyvinylchlorid; Polysulfon; Polyvinylidenfluorid.
Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung (11) aus einem homogenen Gemisch hergestellt ist, das 6 bis 40% in Masse von Pulver aus leitfähigem Material und 60 bis 94% in Masse eines energetischen oder auch mit dem leitfähigen Material zu reagieren geeigneten Materials verknüpft.
Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung (11) aus einer homogenen Mischung ausgeführt ist, die verknüpft: – 10 bis 40% in Masse von Kupferpulver und vorzugsweise 20%, – 60 bis 90% in Masse einer Zusammensetzung, die Magnesium, Polytetrafluoräthylen und Kopolymer von Chlorfluoräthylen verknüpft, und vorzugsweise 80%.
Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung (11) aus einer homogenen Mischung ausgeführt ist, die verknüpft: – 10 bis 40% in Masse von Silberpulver und vorzugsweise 10%, – 60 bis 90% in Masse einer Zusammensetzung, die Magnesium, Polytetrafluoräthylen und Kopolymer von Chlorfluoräthylen verknüpft, und vorzugsweise 80%.
Plasmabrenner nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung (11) aus einer homogenen Mischung ausgeführt ist, die verknüpft: – 10 bis 40% in Masse von Silberpulver und vorzugsweise 20%, – 60 bis 90% in Masse einer Zusammensetzung, die Bor und Kaliumnitrat verknüpft, und vorzugsweise 80%.
Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung wenigstens eine leitfähige Schicht (26) aus Aluminium oder Magnesium umfasst, die auf einer reaktiven Schicht (27) aus Polytetrafluoräthylen oder Nitrozellulose oder Polyvinylnitrat oder Kupferoxid oder Kopolymer von Chlorfluoräthylen oder Polyoxymethylen oder Polychlorid von Trifluoräthylen oder Polysulfon oder Polyvinylidenfluorid abgelegt ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionen der verschiedenen Schichten so gewählt werden, dass 85 bis 95 Massenteile des Materials der leitfähigen Schicht mit 5 bis 15 Massenteilen des oder der Materialien der reaktiven Schicht oder Schichten verknüpft werden.
Plasmabrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung wenigstens eine Aluminiumschicht und wenigstens eine Schicht aus Kopolymer von Chlorfluoräthylen umfasst.
Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung ebenfalls wenigstens eine Schicht eines flammenverstärkenden Materials umfasst.
Plasmabrenner nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das flammenverstärkende Material Polyoxymethylen oder Nitrozellulose ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das flammenverstärkende Material zwischen 15 und 25 Massenteilen liegt, die den anderen Materialien der Schmelzsicherung zugegeben werden.
Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherung (11) in Form eines Rohres vorliegt, das in dem inneren Volumen angeordnet ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr wenigstens einen Längsschlitz aufweist.
Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrische, isolierende Hülle (6) in einem leitfähigen, rohrförmigen Körper (2) angeordnet ist, der mit einer Elektrode elektrisch verbunden ist, wobei der rohrförmige Körper über wenigstens einen Teil seiner äußeren Oberfläche mit einem Isolationsmaterial beschichtet ist.
Plasmabrenner nach Anspruch 16 und einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (2) von wenigstens zwei radialen Lüftungslöchern (13) durchbohrt ist, die gegenüber radialen Löchern, die in der isolierenden Hülle (6) angebracht sind, angeordnet sind, wobei Lüftungslöcher und Löcher durch die rohrförmige Schmelzsicherung (11) verschlossen werden.
Plasmabrenner nach Anspruch 16 und einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Elektrode (8) von einem axialen Loch (28) durchbohrt ist.
Zündungsrohr für Munition, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens einen Plasmabrenner nach einem der Ansprüche 1 bis 18 umfasst.