FR2706112A1

FR2706112A1 - Injecteurs de plasma à arc en série.

Info

Publication number: FR2706112A1
Application number: FR9403527A
Authority: FR
Inventors: Robert V Mortensen
Original assignee: FMC Corp
Current assignee: FMC Corp
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1994-12-09
Anticipated expiration: 2014-03-25
Also published as: NL194768C; IL109136A; JPH076896A; NL194768B; GB9405693D0; FR2706112B1; IL109136A0; GB2276801A; GB2276801B; US5444208A; DE4410254A1; NL9400496A; JP3649251B2

Abstract

Le dispositif injecteur d'arcs de plasma en série décrit ici permet la formation d'une chaîne d'arcs de plasma segmentés et isolés qui sont incubés pour atteindre un niveau d'énergie spécifié de décharge plasmique, ajusté pour initier l'amorçage et déterminer la combustion efficace dans un segment particulier d'une masse propulsive (48). Le dispositif comprend un capillaire (20) dans lequel est établi un chemin conducteur comprenant des électrodes. En particulier, des électrodes spécialisées fournissent une flexibilité géométrique et dimensionnelle permettant de déterminer des caractéristiques de l'arc de plasma et de la décharge de plasma qui sont compatibles avec les différentes zones de la masse propulsive (48). Les électrodes spécialisées, en combinaison avec les orifices de décharge, permettent le développement d'une série de régions dans le capillaire (20) par lesquels la décharge de plasma est introduite dans la masse propulsive pour sélectivement initier l'amorçage et promouvoir une combustion efficace.

Description

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INJECTEURS DE PLASMA A ARC EN SERIE

Cette invention concerne des systèmes d'injection et de distribution de plasma contenant des dispositifs discrets de génération d'arcs et plus particulièrement des dispositifs qui, dans des systèmes de bouches à feu électro-thermiques et chimiques (ETC), permettent l'injection d'une quantité d'énergie plasmique compatible dans des segments d'une masse combustible ou propulsive mince en vue d'induire une

combustion efficace.

Le dispositif à arcs de plasma en série de la présente invention permet l'amorçage sélectif de la combustion dans des segments discrets d'une masse propulsive. Jusqu'ici, les dispositifs faisant appel à des fils détonants unitaires explosifs ou fusibles présentent des problèmes de fonctionnement, de reproductibilité et de fiabilité lorsqu'ils sont utilisés dans des cartouches minces contenant des propulseurs. Le problème lié à la fourniture de plasma à une énergie suffisamment élevée pour provoquer l'amorçage et améliorer ensuite la combustion dans une masse de propulseur est compliqué. L'une des principales difficultés techniques est que la combustion d'un fil détonant dans un capillaire n'est pas aisément contrôlable. Plus particulièrement, il n'est pas possible de maintenir un arc électrique dans des fils minces dont la longueur est supérieure à 20

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fois le diamètre d'un capillaire dans lequel l'arc de plasma est établi. Par conséquent, ceci impose une limite à la longueur du fil détonant que l'on peut utiliser dans les systèmes de bouches à feu à plasma et exclut typiquement les systèmes de bouches à feu de gros calibre qui comprennent des cartouches propulsives minces. Le dispositif injecteur d'arcs de plasma en série décrit ici élimine ces problèmes et présente plusieurs progrès.et avantages par rapport à la technique antérieure en permettant l'utilisation de différents types de fils détonants métalliques ainsi que différentes géométries et coupes transversales de

fils détonants, en combinaison.

Les progrès, les caractéristiques et les avantages spécifiques de la présente invention

deviendront évidents à l'examen de la description

suivante et des plans représentant plusieurs

réalisations spécifiques de celle-ci.

La Figure 1 est une coupe centrale du système d'injection et de distribution de plasma de la présente

invention, incorporé dans une cartouche.

La Figure 2 est une vue agrandie de l'espace interélectrodes montrant les orifices de sortie de celui-ci. La Figure 3 est vue agrandie montrant la variation géométrique et structurelle des électrodes

intermédiaires et des espaces interélectrodes.

La Figure 4A est une vue agrandie montrant une

anode et sa connexion d'alimentation.

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La Figure 4B est une vue agrandie d'une

électrode intermédiaire typique.

La Figure 4C est une vue agrandie d'une borne de cathode. La Figure 4D est une vue agrandie d'une électrode intermédiaire faite de deux types de métaux

et/ou d'alliages.

La Figure 5 est une coupe centrale d'une cartouche mince montrant les détails de la structure de support. La douille de la cartouche ne figure pas sur

le dessin.

La Figure 6 est une coupe le long de la ligne 6-

6 de la Figure 5.

La Figure 7 est une coupe centrale d'un appareil d'essai à l'air libre comprenant un capillaire mince et des structures de support. La Figure montre trois espaces interélectrodes o sont prises les mesures d'essai. La Figure 8 est un graphe montrant la Résistance, en milli-ohms, en fonction du Temps, en millisecondes, pour les mesures prises au premier espace interélectrodes au moyen de l'appareil d'essai à

l'air libre.

La Figure 9 est un graphe montrant la Résistance, en milli-ohms, en fonction du Temps, en millisecondes, pour les mesures prises au deuxième espace interélectrodes au moyen de l'appareil d'essai à

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l'air libre.

- La Figure 10 est un graphe montrant la Résistance, en milli ohms, en fonction du Temps, en millisecondes, pour les mesures prises au troisième espace interélectrodes au moyen de l'appareil d'essai à

l'air libre.

La Figure 1t est un graphe de la Puissance, en Mégawatts, en fonction du Temps, en millisecondes, pour les mesures prises au moyen de l'appareil d'essai à

l'air libre.

La Figure 12 est un graphe montrant la Tension, en kilovolts, et le Courant, en kiloampères, en

fonction du Temps, en millisecondes.

La Figure 13 est un graphe montrant le Courant, en kiloampères, et la Pression, enkilopsi, en fonction

du Temps, en millisecondes.

La Figure 14 est un graphe de deux Pressions en fonction des mesures de la Puissance effectuées au

moyen de l'appareil d'essai à l'air libre.

Le dispositif d'injection d'arcs de plasma en série de la présente invention permet de réduire et de contrôler l'irrégularité et l'insuffisance de la combustion d'une masse combustible dont la source

d'amorçage est un arc de plasma à haute énergie.

Spécifiquement, cette description concerne des

injecteurs et des dispositifs à arc de plasma en série qui peuvent être intégrés ou couplés- à une cartouche contenant un propulseur. Le mode de réalisation de

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-cette invention est fourni avec chaque nouvelle cartouche de munition chimico-électrothermique. La présente invention se distingue des systèmes précédents dans la mesure o l'injecteur à arcs de plasma en série 5 permet l'injection d'arcs de plasma isolés à des niveaux d'énergie souhaités dans des segments discrets d'une masse combustible ou propulsive. De plus, la présente invention permet l'invasion d'une masse propulsive ayant une forme linéaire, circulaire, hélicoïdale ou toute autre forme ou géométrie tout en maintenant le niveau désiré de décharge plasmique dans toute l'étendue de la masse propulsive. Ainsi, le problème de la création d'une multiplicité de points d'injection d'arcs de plasma isolés, ayant le même niveau d'énergie ou des niveaux d'énergie variables, dans un propulseur est l'un des nombreux points importants de cette invention, comme il le sera précisé

plus loin.

Un mode de réalisation de l'injecteur d'arcs de plasma en série est illustré dans la Figure 1. La douille de la cartouche 10 comprenant un culot 12 et un isolateur annulaire 14 (Polyéthylène ou équivalent) est intégralement attaché au projectile 16. Le couplage 18 est intégralement attaché au culot 12 à une extrémité et fixé par un filetage au capillaire 20 à l'autre extrémité. Le capillaire 20 est fixé au couplage 18 et s'étend en porte-a-faux dans la cartouche 10. La connexion d'alimentation 22 est disposée au centre de l'isolateur annulaire 14 et fournit un contact direct avec l'anode 24. L'anode 24 s'étend partiellement dans le capillaire 20. Le capillaire 20 comprend un boîtier en acier 26 et un isolant diélectrique 28 (Verre PEEK/S2 ou équivalent). Le capillaire 20 comprend en

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outre un alésage central 30 dans lequel sont disposées une pluralité d'électrodes intermédiaires 34. A l'extrémité en porte à faux du capillaire 20, la borne de la cathode 36 est insérée au moyen d'un filetage dans le boîtier en acier 26 et forme une extrémité fermée. L'anode 24, l'électrode intermédiaire 34 et la cathode 36 sont séparés en segments par des espaces interélectrodes "G". Les orifices de sortie 40, formant une surface spécifique totale, entourent chaque segment d'espace interélectrodes "G". Le manche diélectrique 42 (Polyéthylène ou équivalent) d'une épaisseur variable, fournit un support pour les électrodes intermédiaires 34 et leurs extrémités de forme déterminée 34a (Voir Fig. 4B). Des fils détonants métalliques 44 relient

l'anode -24- à une électrode intermédiaire 34.

L'électrode intermédiaire 34 est à son tour reliée à une autre électrode intermédiaire adjacente 34 ou à la cathode 36. Une membrane de revêtement 46 ou un revêtement diélectrique est appliqué à l'extérieur du capillaire 20. Le propulseur 48 entoure le capillaire 20. Le couplage 18, en coopération avec le tube d'alumine (céramique) 50 et le tube d'isolation structurel 52, fournit le support pour le capillaire 20 et solidarise le culot 12 avec l'isolateur annulaire

14, ainsi qu'avec la borne d'alimentation 22.

La Fig. 2 montre le détail d'un segment du capillaire 20 dans lequel les électrodes intermédiaires

34 sont encastrées dans une section du capillaire 20.

Les pointes d'électrodes 34a s'étendent dans le manche diélectrique 42. Les orifices de sortie 40 sont distribués radialement autour de l'espace interélectrodes "G". Les orifices de sortie 40 sont de diamètre variable, comme le montre la Fig. 2. Le fil

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détonant 44 s'étend entre les électrodes intermédiaires 34. La Figure 3 illustre un segment de capillaire 20 dans lequel différents types de matériaux, de géométries et de structures d'électrodes intermédiaires 34, d'espaces "G", des manches diélectriques 42 et de fils détonants 44 sont utilisés. Comme il sera précisé ci-dessous, le dispositif injecteur d'arcs de plasma en série offre souplesse et adaptabilité pour générer un arc de plasma qui est compatible avec le propulseur entourant immédiatement un segment particulier du

capillaire 20.

La Figure 4A montre l'anode 24 et la pointe 24a de l'anode. La Figure 4B montre l'électrode intermédiaire 34 et les pointes 34a, avec des pointes de chaque côté. L'électrode intermédiaire 34 comprend un segment central généralement cylindrique ayant un diamètre plus grand que le diamètre des pointes. La Figure 4C montre la cathode 36 et la pointe 36a de la cathode. La cathode 36 est configurée pour inclure une extrémité en capuchon qui forme l'extrémité fermée du capillaire 20. La Figure 4D montre l'électrode intermédiaire 34 avec des segments comprenant

différents types de substances métalliques M1 et M2.

Les Figs. 5 et 6 montrent un assemblage spécialement conçu pour offrir un support structurel aux cartouches minces. Dans un but de simplification, le boîtier de la cartouche n'est pas montré dans la figure. La structure comprend une paire de douilles métalliques à bride 58 avec un série de trous de boulons 60. Une pluralité de tiges d'acier 62

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solidarisent les douilles métalliques & bride 58 et maintiennent ainsi le contenu du capillaire 20. Les tiges d'acier 62 sont enduites d'un revêtement diélectrique 64. A une extrémité, une base de connexion 66 est fixée par un filetage dans l'une des douilles métalliques à bride 58. Un support de base 68 est intégralement fixé à la base de connexion 66 comme illustré. La base de connexion 66 comprend une borne

d'alimentation 22 qui est ensuite reliée à l'anode 24.

L'assemblage du capuchon 70 est fileté dans une seconde douille métallique à bride 58. L'assemblage du capuchon fournit le support et les connexions de la cathode 36. La douille métallique à bride 58 comprend des encoches 59 sur lesquelles doivent s'insérer les

attaches-du bottier de la cartouche (non montré).

La Fig. 7 montre un appareil d'essai à l'air libre. Les capteurs de pression 72 et 74 sont situés au premier et au dernier espace interélectrodes "G". Les points centraux 76, aux espaces interélectrodes "G" représentent la position dans laquelle le plasma est émis et o sont effectuées les mesures de la

résistance.-

Les Figs. 8 à 14 sont des représentations graphiques de données de fonctionnement et de performances obtenues au moyen des appareils d'essai à

l'air libre. L'ensemble des résultats est discuté ci-

dessous pour définir clairement certaines caractéristiques et avances distinctives du dispositif

d'injection d'arcs de plasma en série.

La description ci-dessus concerne certaines des

caractéristiques structurelles et certains des

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-paramètres opérationnels les plus importants pour le dispositif d'injection d'arcs de plasma en série. Le fonctionnement du dispositif, dans l'un de ses

meilleurs modes de réalisation, est décrit ci-dessous.

En se référant à la Figure 1, une puissance suffisante est fournie par un réseau donnant des impulsions à haute énergie ou par une source d'énergie

équivalente (non montrée) à la borne d'alimentation 22.

Le courant circule vers l'anode 24. Depuis l'anode 24, le courant circule vers la cathode 36 par un chemin conducteur qui comprend les électrodes intermédiaires 34, les pointes d'électrode 34a et/ou les fils détonants 44. Les pointes d'électrodes 34a et/ou les fils détonants 44 s'ablatissent jusqu'à ce qu'une série d'arcs de plasma se forme dans les espaces interélectrodes "G". Le plasma se décharge finalement par les orifices de sortie 40 pour amorcer les segments de propulseur 48 situés dans la zone qui entoure immédiatement les orifices de sortie 40. Comme il sera discuté plus en détail ci-dessous, la structure de l'électrode intermédiaire 34, des pointes 34a, des espaces interélectrodes "G", des orifices de sortie 40 et la coopération globale de ces éléments avec les structures associées fournissent l'un des nombreux aspects du dispositif d'injection d'arcs de plasma en

série de la présente invention.

Principalement, l'anode 24 s'étend partiellement dans le capillaire 20 en formant une pointe qui se projette dans celui-ci. La pointe de l'anode 24 peut avoir une forme qui correspond aux exigences d'une application particulière, par exemples, des formes géométriques telles que la forme cylindrique, conique,

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tronconique ou en cône effilé ont été utilisées selon le type de propulseur 48 et le type de structure des fils détonants utilisés. L'anode 24 est reliée au fil détonant 44, qui est généralement métallique. Le fil détonant 44 est à son tour relié à une électrode intermédiaire 34. L'électrode intermédiaire 34 constitue l'une des caractéristiques uniques du dispositif d'injection d'arcs de plasma en série. La structure de l'électrode 34 est adaptée pour adopter différents types de formes géométriques et comprendre différentes substances métalliques à la pointe de l'électrode 34a. Par exemple, en se référant aux Figs 3, 4B et 4D, les pointes d'électrode 34a, 34b, 34c et 34d peuvent être faites en aluminium d'un côté et en cuivre -ou en acier de l'autre. De même, comme illustré dans la Fig. 4D, deux types différents de métaux M1 et M2 peuvent être couplés pour former une électrode intermédiaire 34, avec un arrangement symétrique ou non symétrique des différents métaux. En outre, différents types d'alliages peuvent être utilisés en tant qu'électrode intermédiaire 34 afin de la rendre compatible avec un type de propulseur spécifique. La flexibilité- de la structure de l'électrode intermédiaire 34, de l'anode 24 et de la cathode 36 permet non seulement des arrangements géométriques variables pour les électrodes mais aussi des variations dans le type de métaux utilisé dans chaque espace interélectrodes "G". En outre, en fonction du type de propulseur 48 dans la zone qui entoure immédiatement l'espace interélectrodes "G", la longueur, l'arrangement géométrique et le type de métal du fil détonant à utiliser peuvent être adaptés pour fournir l'arc de plasma le plus compatible avec une alimentation et un propulseur donnés. En particulier, l 2706112 1'électrode intermédiaire 34 permet de maintenir différents types de points d'injection d'arcs de plasma tout au long du capillaire 20. La longueur, et les autres paramètres géométriques de l'électrode intermédiaire 34 peuvent être adaptés pour fournir des tailles variables à différents emplacements le long d'un capillaire mince 20. Cette flexibilité permet de générer et d'injecter des quantités spécifiques de

plasma dans un segment de propulseur.

La Fig. 3 montre un exemple d'arrangement d'électrodes intermédiaires 34 formant un détonateur conique au moyen de pointes étendues 34c. Un autre arrangement montre des électrodes intermédiaires 34 ayant des pointes coniques 34d espacées l'une de l'autre. Un autre arrangement montre des pointes d'électrode 34d reliées par un fil détonant 44. De plus, l'arrangement suivant montre un air synthétique "A" contenu entre une paire d'électrodes à pointes en forme de bouton 34b. De même, l'arrangement suivant montre un vide "V" contenu entre des électrodes à pointes en forme de bouton 34b. L'arrangement et la structure de la Fig. 3 montre que la présente invention, en particulier l'électrode intermédiaire 34, permet d'adapter chaque arc de plasma en vue de répondre à des exigences spécifiques. Par exemple, une cartouche mince contenant une architecture et des compositions en propulseurs différentes peut exiger un temps d'amorçage et des températures variables en ses différents segments. Jusqu'à présent, les dispositifs d'injection de plasma ne permettaient pas de fournir un arc de plasma précis et isolé par segment dans toute la masse d'une propulseur mince. De plus, dans l'expérience du Déposant, les pointes de l'électrode

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intermédiaire 34a, la pointe de l'anode 24a et la pointe de la cathode 36a contribuent à maintenir le plasma par une ablation lente et contrôlée, basée sur le dessin géométrique spécifique et sur la surface de la section. Par conséquent, les électrodes intermédiaires 34, l'anode 24, la cathode 36 et les structures associées de la présente invention conduisent à réaliser et à supporter des exigences de vitesses d'ablation variables en différents segments du propulseur mince. Ces caractéristiques permettent la génération d'une source de plasma plus contrôlable par rapport aux fils détonants minces et uniques qui,

généralement, s'ablatissent ou explosent spontanément.

-La Figure 2 montre la structure des orifices de sortie 40 de taille variable qui sont distribués radialement dans l'espace interélectrodes "G" du capillaire 20. Les orifices de sortie 40 augmentent en taille, dans les deux directions, depuis le centre de l'espace interélectrodes "G" longitudinalement vers l'extérieur. L'écoulement du plasma est généralement considéré comme étant de nature hydrodynamique et l'arrangement des orifices de sortie 40 permet une décharge presque uniforme du plasma dans le propulseur environnant 48. L'arrangement unique des orifices de sortie 40 comprend deux ensembles d'orifices concentriques. Le premier ensemble d'orifices de sortie a est configuré pour avoir des diamètres variables et le second ensemble comprend des orifices de sortie 40b extérieurs de diamètre constant. Cette structure facilité -la fabrication tout en conservant les

avantages des orifices de sortie de taille variable.

Les orifices de sortie 40 traversent le manche diélectrique 42, qui fournit du carburant pour le

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-plasma par ablation. Le manche diélectrique 42 fournit également un support structurel pour les pointes d'électrodes grâce à son épaisseur variable. En d'autres termes, les pointes d'électrodes sont maintenues en position au moyen de différentes épaisseurs de le manche diélectrique 42 afin d'accepter les tailles et les géométries variables des diverses pointes d'électrodes dans les espaces interélectrodes "G". Le bottier 28 forme une couche par-dessus le manche diélectrique 42. Les orifices de sortie 40 s'étendent à travers le bottier 28. Le bottier 28 est fabriqué dans un matériau diélectrique et fournit le carburant pour le plasma par ablation. Les orifices de sortie 40 sont plus grands dans le bottier d'acier 26 qui forme la couche externe du capillaire 20. La membrane 46 recouvre les orifices de sortie 40 et le bottier d'acier 26. En particulier, la membrane 46 est conçue pour résister à la pression du plasma et ne se rompt qu'à des pressions spécifiées. Dans des conditions de stockage normales, la membrane 46 sépare

le contenu du capillaire 20 du propulseur 48.

Le dispositif d'injection d'arcs de plasma en série fonctionne en utilisant l'injection isolée d'un arc de plasma dans une masse de propulseur à des segments stratégiquement situés. Le plasma est injecté

au niveau des espaces interélectrodes "G".

Principalement, en se référant à la Fig. 1, une énergie suffisante est fournie à l'anode 24 via la borne d'alimentation. L'anode 24 comprend une pointe 24a de forme géométrique qui peut s'étendre en tant qu'électrode dans l'espace interélectrodes "G" ou qui peut alternativement être utilisé pour connecter un fil détonant. De même, l'électrode intermédiaire 34 ayant

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une pointe de forme géométrique 34a s'étend dans l'espace interélectrodes "G" et fait face à la pointe

24a de l'anode, un espace séparant les deux.

Alternativement, un fil détonant métallique 44 peut être utilisé pour relier l'anode 24 et l'électrode intermédiaire 34. De même, l'électrode intermédiaire 34 est reliée, via la pointe 34a ou le fil détonant 44, à

une autre électrode intermédiaire ou à la cathode 36.

La cathode 36 comprend également une pointe d'électrode 36a ayant une forme géométrique conçue pour s'étendre dans l'espace interélectrodes "G" ou pour fournir des connexions avec le fil détonant. En conséquence, l'énergie élevée appliquée à l'anode 24 circule le long de la chaîne d'électrodes intermédiaires et/ou de fils détonants vers la cathode 36. La cathode 36 fournit un chemin conducteur pour le courant, qui circule dans la cartouche 10. En outre, la cartouche 10 transmet le courant dans le tube de la bouche à feu (non montré),

o il est relié à la masse.

Lorsque le courant de haute énergie est appliqué à la borne d'alimentation 22, les pointes d'électrode et/ou les fils détonants commencent à chauffer dans chacun des espaces interélectrodes "G" orientés en série (Voir les Figs 1 et 3). Le plasma commence à se former et finalement se décharge de l'alésage 30 via les orifices de sortie 40 dans le propulseur environnant. Il faut noter que chacune des électrodes intermédiaires 34 comprend une portion centrale filetée ou usinée qui crée des interruptions entre les arcs adjacents.- Ces interruptions ménagent un espace de sécurité entre les segments de propulseur en cours de combustion permettant ainsi d'éviter la détonation

spontanée ou l'amorçage incontrôlée du propulseur 48.

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De plus, en faisant varier la longueur de la partie centrale de l'électrode intermédiaire 34, il est possible de contrôler la séquence d'amorçage et, en fin de compte, la combustion dans les segments d'un propulseur mince. Comme il est précisé ci-dessus, les systèmes d'injection de plasma & fils détonants unitaires présentent des problèmes de fonctionnement et de faisabilité lorsqu'ils sont utilisés dans des systèmes & propulseurs minces. En particulier, le raccourcissement de l'arc de plasma est un problème fréquent dans ces systèmes. La réalisation de la Fig. 5 convient pour des systèmes à propulseurs très minces

qui sont sensibles aux problèmes de formations d'arcs.

Le boulon en acier 62 assure l'intégrité structurelle de l'assemblage. De plus, le manchon diélectrique 64 fournit l'isolation et prévient la formation d'arc courts et de court-circuits plasmiques. L'appareil d'essai à l'air libre illustré dans la Fig. 7 montre un

arrangement semblable à celui de la Fig. 5.

Les paramètres de fonctionnement et de performances des injecteurs d'arcs de plasma sont enregistrés au moyen de l'appareil d'essai à l'air libre de la Fig. 7. Les Figs 8-14 sont des représentations graphiques de certains des paramètres les plus importants. Principalement, les essais visent à mesurer la-distribution du plasma dans les divers espaces interélectrodes "G" du capillaire 20. Les mesures sont prises aux segments 76 qui correspondent aux centres des espaces interélectrodes "G". Les mesures de la résistance prises aux segments 76 montrent des similitudes significatives, à la fois en

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grandeur et en profil (Voir les Figs 8,9 et 10).

Initialement, à environ 0,2 millisecondes, une pointe apparaît, révélant que le flux initial de courant dans l'électrode est faible, ce qui donne une mesure de la résistance plus élevée. Cependant, après 0,3 millisecondes environ, la résistance est substantiellement réduite et suit un chemin linéaire presque constant, montrant l'établissement d'un flux de courant stable. Après 4 millisecondes, la résistance augmente de manière substantielle, témoignant d'une instabilité dans l'arc de plasma et de la détérioration de l'arc. Au-delà de 5 millisecondes, les mesures deviennent erratiques, événement après lequel l'arc de plasma s'éteint. La Figure 11 montre que la puissance (,mégawatts) augmente lorsque la résistance atteint un niveau pratiquement constant. Cela signifie que le courant et la tension augmentent tous les deux et que la puissance atteint son pic maximum dans l'intervalle allant de 1,5 à 2,0 millisecondes. En conséquence, la puissance diminue lorsque la résistance augmente. La Figure 12 permet de comparer la tension (kilovolts) et le courant (kiloampère5). La tension et le courant augmentent donc tous deux, ce qui explique l'augmentation de puissance durant le même intervalle

de temps, c'est-à-dire de 1,5 à 2,0 millisecondes.

Après 2,0 millisecondes environ, le courant diminue à une vitesse plus rapide que la tension, ce qui confirme la résistance élevée observée pendant cette période de temps (Voir les Figs. 8-11). Le courant (kiloampères) est également comparé à la pression (kilo psi, livres par pouce- carré) à travers le capillaire 20 (Voir Fig. 13). Le graphe montre qu'il existe une relation directe entre le courant et la pression. Le courant et la pression suivent tous deux une courbe semblable

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d'augmentation initiale et de diminution subséquente en grandeur. La Figure 14 montre un graphe pour deux mesures de la Pression (millions de livres par pouce carré) en fonction de la Puissance (Tégawatts) au cours du même essai. Les courbes montrent une relation générale linéaire entre la Pression et la Puissance. ce résultat implique que la connaissance de l'une permet de prédire l'autre. En d'autres termes, le dispositif d'injection d'arcs de plasma en série de la présente invention- permet une prédiction très précise de la puissance ou de la pression lorsque l'une ou l'autre est connue. Il est intéressant de noter que la puissance et la pression sont deux des paramètres parmi les plus significatifs concernant les performances et

la conception des systèmes de bouches à feu chimico-

électrothermiques. Il est également intéressant de noter que le dispositif d'injection d'arcs de plasma en série de la présente invention permet de prévoir ces paramètres et d'autres paramètres en créant une distribution uniforme du plasma dans toute l'étendue de

la masse propulsive mince.

En conséquence, le dispositif d'injection d'arcs de plasma décrit ici permet la formation d'arcs de plasma fiables adaptés pour amorcer et promouvoir la combustion efficace de segments spécifiques d'une masse propulsive mince. Jusqu'ici, les systèmes d'injection de plasma utilisent des fils et des électrodes explosifs pour créer une source d'arc de plasma unique et continue sur toute la longueur d'un propulseur. De plus, la pratique antérieure de cette technique est limitée à l'utilisation d'un fil détonant continu qui est disposé de façon centrale et parallèle à l'axe longitudinal d'une cartouche. Le dispositif d'injection

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d'arcs de plasma en série décrit ici permet non seulement l'injectiond'arcs de plasma en série selon un arrangement linéaire, mais pourrait aussi être utilisé avec des cartouches ayant une masse propulsive orientée de façon hélicoïdale, circulaire, en quinconce, non linéaire ou aléatoire. De plus, contrairement aux fils détonants uniques et continus, il n'est nul besoin d'une cartouche structurée dans le sens longitudinal. Les électrodes intermédiaires des injecteurs d'arcs en série pourraient être configurées pour suivre à la fois un chemin linéaire et non linéaire afin de permettre l'injection de plasma dans toute région de confinement d'une masse propulsive. En conséquence, les électrodes intermédiaires et les structures associées de la présente invention sont particulièrement adaptées pour créer des stations d'arcs de plasma discrètes le long du chemin désiré dans une masse propulsive. En particulier, la présente invention constitue un progrès significatif de la technique lorsque le propulseur est non seulement mince mais comprend aussi différents types de produits chimiques combustibles dont l'amorçage nécessite des niveaux d'énergie différents. La présente invention permet l'injection stratégique d'une quantité mesurable de plasma dans plusieurs segments d'un propulseur mince. L'électrode intermédiaire 34 peut être conçue pour inclure des pointes de géométrie, de longueur et

de types de métaux différents pour chaque pointe 34a.

En outre, comme il a été mentionné plus haut, la partie centrale de l'électrode intermédiaire 34 peut être modifiée -pour contrôler les fronts d'amorçage et de combustion dans la masse de propulseur mince environnante.

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- De plus, la présente invention permet le contrôle des séquences d'amorçage et de combustion dans le propulseur mince. Le dispositif de cette invention permet la création d'arcs de plasma cohérents, fiables, contrôlables, multiples et isolés qui sont discrètement adaptés pour répondre aux besoins de combustion des différents segments d'une masse propulsive. En particulier, la présente invention permet une injection segmentée et isolée de plasma dans une masse propulsive sans poser les problèmes classiques que sont, entre autres, l'extinction de l'arc, la mise en court-circuit de l'arc, l'amorçage insuffisant, l'amorçage erratique, la combustion non uniforme du propulseur et la détonation dommageable ou prématurée. Plus particulièrement, la combustion non uniforme génère des pics et des fluctuations de pression qui réduisent l'efficacité des systèmes de bouches à feu. La combustion non homogène d'une masse de propulseur crée des ondes de pression à pic élevé qui limitent le type, la géométrie et l'arrangement d'un propulseur pouvant être utilisé dans une bouche à feu. Les pointes de pression incontrôlées génèrent des contraintes thermiques et cinétiques significatives sur le système de bouche à feu, imposant par là même des matériels lourds destinés à résister aux contraintes, et réduisant également le rendement énergétique du propulseur en raison d'une dégradation de la courbe pression-temps. La présente invention permet d'éviter toutes ces limitations et tous ces problèmes. Elle fournit une chaîne d'arcs de plasma isolés et segmentés qui sont incubés pour établir un niveau énergétique spécifié de décharge plasmique conçu pour initier l'amorçage et déterminer une combustion efficace dans

un segment particulier de la masse propulsive.

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Alors qu'une réalisation préférée du dispositif d'injection d'arcs de plasma en série a été montrée et décrite, il sera admis que différents changements et différentes modifications peuvent y être apportées sans s'éloigner de l'esprit de l'invention telle qu'elle est

définie par l'étendue des revendications jointes.

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Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif injecteur d'arcs de plasma en série intégré dans une cartouche (10) pour un projectile (16) contenant une masse combustible et ayant en outre une borne d'alimentation en énergie (22) destinée à fournir à la cartouche (10) une énergie suffisante pour accélérer le projectile (16) comprenant: une structure permettant d'incuber les arcs de plasma afin de développer ainsi une séries de décharges de plasma; un moyen pour confiner lesdites décharges de plasma dans des segments de ladite structure; et un moyen pour guider lesdites décharges de plasma vers des positions sélectivement situées afin d'initier l'amorçage et la combustion dans des zones

discrètes de la masse combustible.

2. Le dispositif de la Revendication 1, dans

lequel ladite structure destinée à incuber le plasma comprend un capillaire (20) formé d'une paroi de couches de substances métalliques (26) et diélectriques (28, 46) ayant une première et une seconde extrémité et ayant en outre un volume interne défini par l'alésage

central (30) de celui-ci.

3. Le dispositif selon la Revendication 2, dans lequel une anode (24) ayant une extrémité de contact

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-(24a) pour le raccordement à l'alimentation en énergie, un segment moyen (34) et une extrémité en pointe (34a), disposée & ladite première extrémité dudit capillaire (20), s'étend dans ledit alésage (30) formant une extrémité fermée de celui-ci.

4. Le dispositif selon la Revendication 2, dans lequel une cathode (36) ayant une extrémité en capuchon, une section moyenne et une extrémité en pointe (36a) disposée à ladite seconde extrémité dudit capillaire (20), ladite section moyenne (34) étant engagée dans ladite couche métallique (26) et ladite extrémité en pointe (36a) s'étendant dans ledit alésage

(30) pour former une extrémité fermée de celui-ci.

5. Le dispositif selon la Revendication 2, dans lequel une électrode intermédiaire (34) au moins est placée à l'intérieur dudit alésage (30) dudit

capillaire (20).

6.- Le dispositif de la Revendication 1, dans lequel ledit moyen de confinement de la décharge de plasma comprend un espace défini, à l'intérieur du capillaire (20), par une anode (24) et au moins une électrode intermédiaire (34); et par une cathode (36)

et au moins une électrode intermédiaire (34).

7. Le dispositif de la Revendication 1, dans lequel ledit moyen de guidage de ladite décharge de plasma comprend une série d'orifices de sortie (40) ayant des-diamètres d'ouverture variables et uniformes,

entourant lesdites positions sélectivement situées.

8. Le dispositif de la Revendication 1, dans

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lequel ladite structure destinée & incuber les arcs de plasma comprend un capillaire (20) ayant des segments

non perforés et des segments perforés.

9. Dispositif injecteur d'arcs de plasma en série disposé dans une cartouche (10) pour un projectile (16) contenant une masse combustible et ayant en outre une borne d'alimentation en énergie (22) destinée à fournir à la cartouche (10) une énergie suffisante pour accélérer le projectile (16), comprenant: une structure capillaire (20) ayant un moyen permettant d'introduire sélectivement la décharge de plasma dans différentes zones de la masse combustible; un chemin conducteur incluant une anode (24), au moins une électrode intermédiaire (34) et une cathode (36) à travers lesquelles l'énergie suffisante est appliquée à la cartouche (10) pour produire la décharge du plasma; ladite anode (24), ladite électrode intermédiaire (34) et ladite cathode (36) définissant des régions dans ledit capillaire (20) o se produit ladite décharge de plasma; et une série d'orifices de sortie (40) dans ledit capillaire (20) par lesquels ladite décharge de plasma est injectée dans lesdites différentes zones de la

masse combustible.

10. Le dispositif selon la Revendication 9, dans lequel ledit capillaire (20) comprend une première

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et une seconde extrémité et comprend en outre une paroi constituée de couches de substances métalliques (26) et diélectriques (28, 46) et un volume interne défini par

l'alésage central (30) de celui-ci.

11. Le dispositif selon la Revendication 9, dans lequel ladite anode (24), ladite électrode intermédiaire (34) et ladite cathode (36) disposées dans ledit capillaire (20) forment des segments de

sections non perforées dans ledit capillaire (20).

12. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel ledit moyen permettant d'introduire sélectivement la décharge de plasma comprend des perforations interposées entre les sections non

perforées dudit capillaire-(20).

13. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel ledit capillaire comprend une membrane de revêtement externe destinée à se rompre sous la pression de la décharge de plasma à l'emplacement o se

produit ladite décharge de plasma.

14. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel ladite anode (24) et ladite électrode intermédiaire (34) sont reliées par un fil détonant métallique (44) formant ledit chemin conducteur dans

ledit capillaire (20).

15. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel lesdites électrodes intermédiaires (34) sont reliées l'une à l'autre par un fil détonant métallique (44) formant ledit chemin conducteur dans ledit

capillaire (20).

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16. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel ladite électrode intermédiaire (34) et ladite cathode (36) sont reliées par un fil détonant métallique (44) formant ledit chemin conducteur dans ledit capillaire (20).

17. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel ladite anode (24), ladite cathode (36) et lesdites électrodes intermédiaires (34) comprennent des pointes de géométries différentes conçues pour établir ledit chemin conducteur et générer une série d'arcs de plasma.

18. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel lesdites régions définies par ladite anode (24), ladite cathode (36) et lesdites électrodes intermédiaires (34) comprennent des pointes desdites électrodes de géométries et de dimensions variées entourées par une couche diélectrique (42) ayant une

épaisseur variable pour correspondre auxdites pointes.

19. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel ladite anode (24), ladite cathode (36) et lesdites électrodes intermédiaires (34) comprennent des pointes de formes géométriques dans lesquelles ledit chemin conducteur est établi, formant une série de régions o se forment des arcs de plasma et o ladite décharge de plasma se produit dans ledit capillaire (20).

20. Le dispositif de la Revendication 9, dans lequel ladite série d'orifices de sortie (40) comprend des ouvertures de diamètre variable et constant distribuées dans lesdites régions o se produit ladite

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décharge de plasma.

- 21. Dispositif injecteur d'arcs de plasma en série intégré dans une cartouche (10) pour un projectile (16) contenant une masse combustible et ayant en outre une borne d'alimentation en énergie (22) destinée à fournir à la cartouche (10) une énergie suffisante pour accélérer le projectile comprenant: une structure capillaire (20) comprenant un moyen permettant de créer une pluralité d'arcs de plasma discrets pour introduire sélectivement les décharges de plasma dans des segments distincts de la masse combustible; un chemin conducteur incluant une anode (24), au moins une électrode intermédiaire (34) et une cathode (36) par lesquelles une énergie suffisante est appliquée à la cartouche (10) pour créer ladite décharge de plasma; ladite anode (24), ladite électrode intermédiaire (34) et ladite cathode (34) définissant des régions dans lesquelles lesdits arcs de plasma se forment dans ledit capillaire (20); et une série d'orifices de sortie (40) dans ledit capillaire (20) par lesquels ladite décharge de plasma est injectée dans différentes zones de la masse

combustible.

22. Le dispositif selon la Revendication 21, dans lequel ledit moyen de créer une pluralité d'arcs de plasma discrets comprend lesdites électrodes (34)

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-formant un chemin conducteur dans ladite structure capillaire (20) et formant en outre des régions dans

lesquelles se forment lesdits arcs de plasma.

23. Le dispositif selon la Revendication 21, dans lequel lesdites électrodes (34) ont des pointes géométriques formant un ensemble de détonateurs

coniques (34a) opposés dans ledit capillaire (20). -

24. Le dispositif selon la Revendication 21, dans lequel lesdites électrodes (34) ont des pointes géométriques formant un ensemble de pointes coniques

séparées (34a) par un espace (G).

25. Le dispositif selon la Revendication 21, dans lequel lesdites électrodes (34) ont des pointes géométriques séparées l'une de l'autre par un fil

détonant métallique (44).

26. Le dispositif selon la Revendication 21, dans lequel lesdites électrodes ont des pointes géométriques séparées l'une de l'autre par un milieu

d'air synthétique (A).

27. Le dispositif selon la Revendication 21, dans lequel lesdites électrodes (34) sont disposées

dans un segment de vide (V) dudit capillaire (20).

28. Le dispositif selon la revendication 21, dans lequel ladite électrode intermédiaire (34) est faite de deux types de métaux (M1 et M2) joints pour former deux types différents de conducteurs dans ledit

capillaire (20).

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29. Le dispositif selon la Revendication 21, dans lequel une structure de support fixe le contenu

dudit-capillaire (20) dans une cartouche mince.

30. Le dispositif selon la Revendication 22, dans lequel ladite structure de support comprend un manchon diélectrique (64) destiné à éliminer la formation d'arcs courts et de court- circuits plasmiques.

31. Dispositif injecteur d'arcs de plasma en série intégré dans une cartouche (10) pour une masse de projectile (16) et ayant en outre une borne d'alimentation en énergie (22) permettant de fournir à la cartouche (10) une énergie suffisante pour accélérer le projectile (16) comprenant: une structure dans laquelle générer un arc de plasma; des moyens permettant de contenir isolément ledit arc de plasma dans des segments de ladite

structure;-

des moyens permettant d'incuber ledit arc de plasma et de générer la décharge de plasma à partir de ceux-ci; et des moyens pour distribuer ladite décharge de plasma depuis lesdits segments de ladite structure dans

la masse combustible.

32. Le dispositif de la Revendication 31, dans lequel ladite structure destinée à générer des arcs de

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-plasma comprend une alimentation en énergie (22), une série d'électrodes formant un chemin conducteur et définissant également des régions dans lesquelles lesdits arcs de plasma sont formés, et une série d'orifices de sortie (40) permettant d'introduire ladite décharge de plasma dans le propulseur (48) environnant.

33. Le dispositif de la Revendication 31, dans lequel ledit moyen permettant de distribuer le plasma comprend des ouvertures de diamètre variable formées dans une couche interne (28, 42) et des ouvertures de diamètre constant formées dans la couche externe (26,

46) de ladite structure.

- 34. Dispositif injecteur d'arcs de plasma en série intégré dans une cartouche (10) pour un projectile (16) contenant une masse combustible et ayant en outre une borne d'alimentation en énergie (22) destinée -à fournir à la cartouche (10) une énergie suffisante pour accélérer le projectile (16) comprenant: une structure capillaire (20) entourée par une masse combustible, ayant des connexions d'alimentation et ayant en outre des compartiments dans lesquels une série d'arcs de plasma sont générés et incubés; un moyen permettant de contenir lesdits arcs de plasma jusqu'à ce que la décharge du plasma soit initiée dans ledits compartiments; et un moyen permettant de diriger ladite décharge

de plasma dans la masse combustible environnante.

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35. Le dispositif de la Revendication 34, dans lequel lesdits arcs de plasma sont générés par une série d'électrodes (34) disposées dans ledit capillaire (20).

36. Le dispositif de la revendication 34, dans lequel ledit moyen permettant de contenir les arcs de plasma comprend une série d'électrodes (34) adjacentes formant des extrémités fermées et isolées définissant

lesdits compartiments dans ledit capillaire (20).

37. Le dispositif de la Revendication 34, dans lequel ledit moyen permettant de contenir les arcs de plasma jusqu'à l'initiation de la décharge de plasma comprend une membrane de revêtement externe (46) dudit

capillaire (20).

38. Le dispositif de la Revendication 34, dans lequel ledit moyen permettant de diriger la décharge de plasma comprend des orifices de sortie (40) ayant des ouvertures de diamètre variable et constant dans ledit capillaire (20) et situées autour desdits compartiments

dans lesquels sont générés une série d'arcs de plasma.

39. Dispositif d'injection d'arcs de plasma en série intégré dans une cartouche (10) pour un projectile (16) contenant une masse combustible et ayant en outre une borne d'alimentation en énergie (22) reliée à une alimentation unique de la cartouche (10) d'une puissance suffisante pour accélérer le projectile (16) comprenant: un moyen permettant de créer des régions d'arcs de plasma discrètes dans un capillaire (10) ayant une

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-connexion avec ladite alimentation en énergie (22); ledit capillaire (10) étant entouré par la masse combustible et renfermant en outre une série d'électrodes (34) définissant lesdites régions d'arcs dans un espace clos (G) entre eux; un moyen permettant d'incuber lesdits arcs de plasma jusqu'à ce que la décharge de plasma se produise dans lesdites régions d'arcs; et un moyen permettant de diriger ladite décharge de plasma depuis ledit capillaire (10) vers la masse combustible.

40. Dispositif d'injection d'arcs de plasma en série intégré dans une cartouche (10) pour un projectile (16) contenant une masse combustible et ayant en outre une borne d'alimentation en énergie (22) reliée à une alimentation unique fournissant une énergie suffisante à la cartouche (10) pour accélérer le projectile (16), comprenant: un moyen permettant de générer des arcs de plasma discrets et isolés dans un capillaire (10) ayant des connexions avec une alimentation unique; ledit capillaire (10) ayant une première extrémité, une section moyenne et une seconde extrémité; une anode (24) disposée à ladite première extrémité dudit capillaire (10) ayant des connexions avec l'alimentation unique;

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une cathode (36) disposée à ladite seconde extrémité dudit capillaire (10); au moins une électrode intermédiaire (34) disposée dans ladite section moyenne dudit capillaire (10); lesdits arcs de plasma discrets formés entre ladite anode (24), ladite électrode intermédiaire (34) et ladite cathode (36); un moyen permettant d'incuber les arcs de plasma jusqu'à ce que la décharge de plasma se produise dans ledit capillaire (10); et un moyen permettant de diriger ladite décharge de plasma depuis ledit capillaire (10) vers la masse combustible.

41. Le dispositif de la Revendication 40, dans lequel ladite anode (24), ladite électrode intermédiaire (34) et ladite cathode (36) forment une série de - segments isolés et fermés dans ledit capillaire (10), et dans lesquels se forment lesdits

arcs de plasma discrets.

-42. Le dispositif de la Revendication 40 comprend en outre une série d'électrodes intermédiaires (34) formant des segments isolés et fermés dans ledit capillaire (10), dans lesquels se forment lesdits arcs

de plasma-discrets.

43. Dispositif injecteur d'arcs de plasma en série intégré dans une cartouche (10) pour un projectile (16) contenant une masse combustible et ayant en outre une borne d'alimentation en énergie (22) permettant de fournir une énergie suffisante à la cartouche (10) pour accélérer le projectile (16), comprenant: une structure capillaire formée à partir d'une paroi constituée de couches de substances métalliques (26) et diélectriques (28, 46) ayant une première et une seconde extrémité et une section moyenne, ayant en outre un volume interne défini par son alésage central (30); une anode (24) disposée à ladite première extrémité ayant des connexions avec l'alimentation en énergie (22); une cathode (36) disposée à ladite seconde extrémité; une série d'électrodes intermédiaires (34) disposées dans ledit alésage (30); des régions d'arcs de plasma se formant entre ladite anode (24) et ladite électrode intermédiaire (34), entre ladite cathode (36) et ladite électrode intermédiaire (34), et entre ladite série d'électrodes intermédiaires (34); un moyen permettant d'incuber les arcs de plasma dans lesdites régions d'arcs de plasma pour déterminer ainsi la décharge de plasma; et un moyen permettant de guider la décharge de

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plasma vers des positions sélectivement situées afin d'initier l'amorçage et d'améliorer la combustion dans

des zones discrètes de la masse combustible.

44. Le dispositif de la Revendication 43, dans lequel lesdites couches capillaires (26, 28, 46) formant ladite paroi comprennent une couche métallique (26) à l'extérieur et des substances diélectriques à l'intérieur (28, 46), ayant en outre une membrane de

revêtement formant la couche la plus externe (26).

45. Le dispositif de la Revendication 43, dans lequel ledit alésage (30) comprend des orifices de diamètre variable distribués de façon intermittente le

long de la couche interne (28) dudit capillaire (20).

46. Le dispositif de la Revendication 43, dans lequel ledit alésage (30) comprend des orifices de diamètre constant distribués de façon intermittente le

long de la couche externe dudit capillaire (20).

47. Le dispositif de la Revendication 43, dans lequel ladite anode (24) comprend une partie filetée, une partie taillée en pointe (24a) et une extrémité faisant contact, ladite partie en pointe (24a) ayant des formes géométriques en vue de coopérer avec une électrode intermédiaire (34) adjacente et ladite pointe s'étendant dans ledit alésage (30) et formant une

extrémité fermée à l'intérieur de celui-ci.

48. Le dispositif de la Revendication 43, dans lequel ladite cathode (36) comprend une extrémité en capuchon, une section moyenne et une extrémité en pointe (36a), et dans laquelle ladite section moyenne

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s'engage dans ladite couche métallique (26) et ladite pointe (36a) s'étend dans ledit alésage (30), formant

une extrémité fermée à l'intérieur de celui-ci.

49. Le dispositif de la Revendication 43, dans lequel ladite électrode intermédiaire (34) comprend une section centrale, une première section en pointe (34a) et une seconde section en pointe (34a) disposées dans

ledit alésage (30) dudit capillaire (20).