JPH028695A - 電磁発射方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電磁発射或いは打上げシステムに関し、更に詳
細には発射体を発射する際案内レール間に望ましくない
寄生アークが発生する可能性を減少する構成に関する。

電磁発射装置には、基本的に電源と２つのほぼ平行な導
電性レールおよび該レール間に位置する導電性のアーマ
チャとより成るものがある。電源からの電流が１つのレ
ールを流れアーマチャを通ってもう一方のレールに沿っ
て電源へ戻ると、アーマチャとその搭載物をレールに沿
って加速する力がアーマチャに加わり、所望の砲口ある
いは出口速度を得ることになる。平行なレール間に流れ
る電流は中実の金属あるいは金属繊維より成るアーマチ
ャを介するか、あるいは砲腔長さに沿って発射体を支持
し加速する弾底板後部へ作用する加速力を生ぜしめるプ
ラズマあるいはアークの形のアーマチャを通る。

従来型平行レール電磁発射装置を高電流で高発射体速度
が得られるように作動すると、発射体背後のレール間に
高電圧が生じる。この高電圧は発射体のかなり後方で高
電流のための並列電流路を形成する寄生電圧ブレークダ
ウンを生ぜしめ、その結果発射体加速力が著しく減少す
る。この電圧ブレークダウンの問題は、発射体背後のレ
ール間に高温のカスとプラズマが存在し、プラズマがレ
ール間の絶縁物を加熱して絶縁物表面の絶縁破壊を惹起
し易くなるため、プラズマ駆動式システムにとっては特
に顕著である。

本発明の主要目的は、レール間に寄生電圧ブレークダウ
ンが生じる可能性を実質的に減少し、場合によってはか
かる可能性を７にする電磁発射装置の革新的な設計方法
を提供することにある。

本発明による電磁発射装置は、砲尾および砲口を備えた
ほぼ平行の一対の導電性発射体案内レールを有する。発
射体案内レールに加えて、各々が発射体案内レールのそ
れぞれ１つに隣接してその隣接レールと実質的に磁束が
結合する関係に配置された第１および第２の導電性給電
レールを有する。第１および第２の給電レールはそれぞ
れの発射体案内レールの砲口に電気的に接続されている
。給電レールにはそれに高電流を供給するためのエネル
ギー源が接続され、高電流が発射体案内レールへ流入し
てレール間を延びる金属性あるいはプラズマのアーマチ
ャを横断すると発射体がレールに沿って砲尾から砲口へ
向かつて加速される以下、添付図面を参照して本発明を
好ましい実施例につき詳細に説明する。

第１図に示す従来型のありふれた電磁発射装置は、はぼ
平行の導電性レール部材１０および１１よりなるレール
装置を有し、該レール部材は砲尾１２および砲口１３を
有する。

レールは砲尾１２においてしばしば数百刃アンペアの高
電流を供給出来る電源１６のようなエネルギー源に接続
されている。レールは発射体２０をレールの砲腔長さに
そって砲尾１２から砲口１３の方へ推進する導電性アー
マチャ１９により橋絡される。

発射時高電流が供給されるが、該電流は一方のし−ルを
流れアーマチャ１９を通って他方のレールに沿い電源の
方へ戻るため、ループを流れる電流がアーマチャ１９へ
発射体２０を加速し発射する力を与える。

加速力は本質的に、アーマチャ近傍の磁束密度と電流密
度のベクトルの関数であり、レールを流れる電流はしば
しば数百万アンペアであるため発射体２０は数キロメー
トル７秒の極めて高い速度でレール装置の砲口１３から
発射される。

プラズマ状のアーマチャを用いる装置は発射体のかなり
後方においてレール間に寄生電圧ブレークダウンを特に
生じやすい。この電圧ブレークダウンが生じると並列の
電流通路が形成され、この通路が駆動プラズマ−アマチ
ャへ供給される電流を実質的に減少させる。かかる状況
下において、発射体にかかる加速力が著しく減少し、電
磁発射装置の性能が急激に落ることになる。

第１図に示すような従来型の発射装置では、発射体の加
速時レールにかかる最大電圧は砲尾にあり、この電圧は
実質的に下記の値に等しい。

Ｖ　　＝　　ｉＲ’　　ｘ　　＋　　−（Ｌ’　　ｘｉ
）　　　　　　　（１）ｄし 上式においてｉは電流の瞬時値、 Ｒ′は単位長さ当のレールの実効オーム抵抗、Ｘ　は通
過した砲腔長さ、 Ｌ゛は砲腔インダクタンス勾配である。

上式（１）は以下のように表される。

ｄｉ　　　　　　　　　ｄｘ Ｖ　　＝　　ｉＲ’　　ｘ　　＋　　ｘＬ’　−＋　　
ｉＬ’　−（２）ｄｔ　　　　　　　　　ｄｔ 基本的には、砲尾の電圧Ｖが高くなればなるほどレール
間で寄生電圧ブレークダウンの生じる可能性が増加し、
高速プラズマによりアーマチャか駆動されるシステムに
おいては特にそうであるかかるシステムでは、発射体が
砲腔を移動するにつれてレールを流れる電流が一般的に
減少する。従って、上式（２）のｄｉ／ｄｔは負であっ
て該式の真中の項は負となるためレールにかかる電圧Ｖ
の大きさが減少すると言う好ましい結果となる。

しかしながら、■の大きさおよび砲腔内でのアーク再発
生の可能性を減少するためにｄｔ／ａｔの絶対値を増加
するとすれば、その増加により電流が急速に減衰する必
要があり、その結果発射体の加速力が更に急速に減少す
ることとなって著しく逆効果である。

上式（２）の最後の項は発射体の発射時に発生する逆起
電力を表し、これは発射体の速度Ｖの関数である。すな
わちｖ−ｄｘ／ｄｔの関数である。上式（２）の第１項
、　ｉＲ’ｘ、はレール対の長手方向のオーム抵抗によ
る電圧降下を表し、これは典型的な高速電磁発射装置で
は発射体が砲口に接近する際２乃至４キロボルトになる
ことがある。この大きさは発射体背後のレール間に寄生
アークを生ぜしめる可能性を実質的に増加させるに充分
なものであり、もしレールのこのオーム抵抗電圧降下を
なくすることが出来れば寄生アーク発生の可能性が著し
く減少するため、発射体速度を高い信頼度で常に増大す
ることが可能となる。第２図にその１つの実施例を示す
本発明は、この問題となるレールのオーム抵抗電圧降下
を完全になくすことによって発射体の背後でアークの再
発生の可能性を減少し、ある特定の場合には完全に男に
することが可能である。

第２図の電６ｎ発射装置は、はぼ平行な一対の導電性発
射体案内レール３０および３１を有し、該レールは砲尾
および砲口３３を備えている。更に、第１および第２の
導電性給電レール３６および３７を有し、それらは発射
体案内レール３０および３１のそれぞれに隣接してその
隣接レールと実質的に磁束が結合するように配置されて
いる。給電レール３６および３７は隣接する発射体案内
レール３０および３１の砲口３３に電気接続部４０およ
び４１によってそれぞれ接続されている。

給電レール３Ｂおよび３７にはエネルギー源４４が接続
され、該エネルギー源はスイッチ４８を閉じると給電レ
ール３６および３７へ高電流を供給するコンデンサー・
バンク４６型のエネルギー貯蔵手段を有する。電流サー
ジをある最大値へ制限するために、電流制御インダクタ
５０を電源回路へ設けることが出来る。更に、各コンデ
ンサ、あるいはコンデンサ群もしくはコンデンサ・バン
ク全体にクローバ−保護回路（図示せず）を設けること
も可能である。

発射体案内レール３０と３１の間には弾底板を保持した
発射体５２が位置し、その背後に始動用のワイヤあるい
はヒユーズ５３が設けられている。スイッチ４８を閉じ
るとレールからヒユーズ５３へ電流が流れてヒユーズを
溶断し、アークあるいはプラズマが発生して弾底板と発
射体５２を発射体案内レールに沿って駆動する。別の方
法として、弾底板の背後に電圧ブレークダウンあるいは
アークを発生させて電流を始動するために、イオン化し
た流体を適時注入するかあるいは電圧ブレークダウンに
対する抵抗を充分に引下げる電子あるいはレーザビーム
を用いることによって開始させてもよい。

給電レール３６および３７の実際に電流を搬送する部分
は常に長さＦであり、発射体案内レール３０および３１
の発射開始時における実際の電流搬送長さはＰであって
ＦはＰより大きい。発射体案内レール対３０および３１
の単位長さ当りの自己インダクタンスはＬ’ｐであり、
給電レール対３６および３７の単位長さ当りの自己イン
ダクタンスはＬ’Ｆである。隣接するレール対３０．３
１および３６．３７の間の結合係数はｋである。Ｌ’Ｐ
　−Ｌ’Ｆ　−Ｌ’であると仮定すると、加速力Ｆは良
好な近似では、 Ｆ　　−−ｉ２Ｌ’（２ｋ　　−１）　　　　　　　　
（３）理想的なケースでは、ｋが１であれば、発射体５
０の前方において発射体案内レール３０と３１の間には
磁界か存在しない。ＦはＰより大きいため、発射体５２
の背後に磁界が存在し、駆動力がｋが１に近ずくに従っ
て第１図に示したような従来型の電磁発射装置の駆動力
に近ずく。

第３図は、発射時発生したプラズマ５６によって駆動中
の発射体を示す。電流が矢印で示すようにレールとプラ
ズマを介して流れる。給電レール３６および３７の両端
間の距離をＡＤ、また発射体案内レール３０および３１
の両端間の距離をＢＤとして表す。発射体、更に詳しく
は電流を運ぶアーク５６の現在位置はＣである。

レール３０と３１の発射体の背後、即ちＢとＣの間には
電流は流れないため、抵抗による電圧降下ｉＲ’ｘ（式
ｌおよび２を参照）は消去出来る。発射体が速度Ｖで砲
腔の長さ部分を移動すると、既に通過した発射体案内レ
ールに逆起電力、ｉＬ’　　（２ｋｌ）ｖが誘導される
。ｋは１に等しいから、この電圧は第１図に示した従来
型の電磁発射装置の逆起電力であり、従って、砲尾のレ
ール電圧への逆起電力の寄与分は式（２）の第３項の値
に近ずくことが出来るがそれを越えることはない。

従って、レール間の電圧へのオーム抵抗電圧降下の寄与
か；であるため、発射体が既に通過したＢとＣの間にお
いて寄生容量によるアーク再発生の可能性は著しく減少
する。発射体の速度はレールの砲口に近ずくに従って極
めて大きなものになるとすれば逆起電力はそれ自身が砲
腔内で寄生アークを発生される点まで増加するかもしれ
ないしかしながら、発射体案内レール間にたとえアーク
が再発生するとしても、その再発生の瞬間発射体案内レ
ールの一部即ちＢとＣの間には電流が流れておらず、ま
たかかるレール部分はかなり高いインダクタンスを有す
るため、寄生容量による電流の上昇は比較的緩慢であり
、そのため寄生電流が砲口速度を測定出来る程度に減少
するに充分な大きさになる前におそらく発射体は既に発
射装置から発射されてしまっているであろう。

発射体案内レール３０および３１の発射体５２の前方に
は電流が流れているため、領域ＣとＤの間にはレール間
電圧が存在するが、これにより発射体前方に寄生アーク
が発生する可能性は非常に少ない。駆動プラズマによる
比較的小さい電圧降下とは別に、砲口３３で測定される
別のオーム抵抗による電圧降下があり、この電圧はＤか
らＣに流れる電流、砲腔の単位長さ当りのレール対の実
効オーム抵抗およびＤとＣの間の距離（従来型の発射装
置の式（２）の第１項と同じ）の関数である。このオー
ム抵抗性電圧降下は発射体が位置Ｂにあるか依然として
比較的ゆっくりと移動中であり、且つ発射体前方におい
てアークが発生する可能性がほとんどない場合には最大
値を取る。ＣがＤへ近ずくとレール間のこのオーム抵抗
性電圧の大きさは連続して減少する。

隣接するレール間の結合係数ｋが１に近いが１に等しく
ないならば、発射体前方の発射体案内レール３０と３１
の間には低い磁束密度の磁界が存在する。ＣがＤに近ず
くにつれて、未だ通過していない砲腔長さ部分の正味の
磁束が減少し、この減少によりレール間のオーム抵抗電
圧降下とは反対の、従ってレール間の全電圧を正味では
減少させて発射体前方においてアークが発生する可能性
を更に減少させる逆起電力が生じる。

平行なレールがエネルギー源により給電される電磁発射
装置では、発射体がレールから発射されるとレール装置
には比較的大ぎい誘導性のエネルギーが残り、このエネ
ルギーは消散するか次ぎの打上げに用いるために回収さ
れる。第１図に示したような従来型の電磁発射装置では
この消散あるいは回収プロセスが完了するまで発射体案
内レールに電流が継続して流れる。電流およびエネルギ
ーの消散あるいは回収プロセスは発射体の加速時間と比
較すれば非常に長いため発射体案内レールは発射後に流
れる電流により加熱される言う望ましくない現象が生じ
、このため発射体案内レールの特性が打上げ性能の劣化
を来すほどに変化することにもなる。

しかしながら、本発明によると、誘導エネルギーによる
発射後の電流が発射体案内レール３０．３１でなく給電
レール３５．３７だけに限定される。このエネルギーは
幾つかの方法で回収出来るが、その１つは発射体の発射
後砲口３３を短絡させて給電レール上の０４性エネルギ
ーをコンデンサー・バンク４６の方へ発振させて戻し、
電流が７の時短絡スイッチを開放してそこで保持するこ
とが可能である。

従って、本発明では第３図に示すように発射体案内レー
ル３０．３１は従来型の’Ｈ６１１発射装置の構成と比
べて加熱される程度が非常に少ない。

レール電流ｉと加速力Ｆとの間の関係については、式（
３）を給電レールＬ’Ｆと発射体案内レールＬ′２のイ
ンダクタンス勾配がそれぞれＬ゛と等しいと仮定して単
純化した。この単純化によると、本発明の発射装置の加
速力は従来型の発射装置の加速力に近ずくことが出来る
だけでそれを越えることはない。本発明の加速力は、給
電および発射体案内レールの自己インダクタンス勾配が
等しくないようなレールの構成を適当に選択することに
より増加させることが出来る。かかるレールの構成の一
例を、砲腔軸に沿ってみたレールの断面図である第４図
に示す。発射体案内レールを３０ａおよび３１ａで、ま
た給電レールを３６ａおよび３７ａで示した。このレー
ルは、一部を参照番号６０で示す剛性の絶縁拘束構造に
より囲まれている。

第４図の実施例において、Ｌ’ＦはＬ’ｐよりある係数
Ａだけ大きい。即ち、 ｒ−ＡＬｐ 加速力は以下のようになる。

Ｆ　−ｉ’Ｌ’ｐ（２ｋＦＴ−１）　　　　（５）一例
として、式（５）において、ｋを０．８５．Ａを１．５
に等しいとすると、正味の力は発射体案内レールのイン
ダクタンス勾配がＬ′Ｐである従来型の電磁発射装置と
比べて約８堀大きいであろう。

第４図の実施例では、発射体案内レール３０ａおよび３
１ａはそれぞれの給電レール３６ａおよび３７ａの一部
を囲繞する。第５図の実施例では、発射体案内レール３
０ｂおよび３１ｂはそれぞれの給電レール３６ｂおよび
３７ｂの周りに同軸に配置されており、結合係数にはｌ
に非常に近い。

従来型のプラズマ・アーマチャ式電磁発射装置では、発
射体が高速になると発射体のすぐ背後の発射体レールを
流れる電流はレールの内面の非常に薄い表面層に集中す
ることが知られている。

このように電流が集中するとレールのオーム抵抗か高く
なり、従ってレール表面が更に加熱されてレールの損傷
あるいは摩耗が増大する。これに反して、本発明の構成
によれば発射体が進むにつれて発射体の背後のレールか
ら加速電流が次々に消えていくため、電流の集中による
影響が著しく小さくレール表面の寿命が長くなる。

レール表面の損傷はまた、発射体案内レールをまたぐ多
数の金属層からなる山形のアーマチャのような従来型の
金属アーマチャを用いることにより減少する可能性が高
い。第６図に示すような従来型の電磁発射機では、発射
体６２は多数の山形部材よりなる金属アーマチャ６３に
より駆動される。電流は矢印で示すように流れるため、
コンピュータを用いる計算によれば電流源に最も近い端
部の金属層に大きな電流が集中すると考えられそれが確
聞されている。このように電流が集中すると高抵抗が生
じアーマチャ６３を介する薄い層に大きな電流が流れる
ことになる。本発明によれば、第７図に示すようにアー
マチャδ３は矢印で示すように電流供給方向へ移動する
ため、かかる構成がアーマチャの金属層にわたり電流を
より均等に分布させる効果を持つものと考えられ、この
ためアーマチャおよびレールの劣化が少なくなる。

上述した逆方向電流供給式電磁発射装置において適当な
加速性能を得るためには、発射体組立体の直後に高磁束
密度の領域が存在する必要がある。発射体速度が高いと
、主として通過したばかりの発射体案内レールだけでな
く給電レールにも渦電流が発生して発射体の直後にこの
高磁束密度領域が迅速に発生する可能性が妨げられる。

かかる渦電流は加速力を減少させるため、発射体案内レ
ールは勿論のことおそらく給電レールも薄いそして好ま
しくは交差したワイヤーの素線で形成する必要がある。

以上、プラズマ・アーマチャにより駆動される発射体背
後のレール間においてアークが発生する可能性を実質的
に減少させるかそれをなくする電磁発射装置について説
明した。本発明の構成は重設発射装置あるいは逐次多段
装置として用いることが出来、発射体の打上げに用いる
と発射体案内レールの摩耗が実質的に減少する。これら
全てのファクターは性能の改善、保守の容易化だけでな
く反復性の向上にも寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、公知の電磁発射装置の一例を示す第２図は、
本発明の一実施例を示す。 第３図は、発射シーケンスにある発射体を示す。 第４図は、発射体案内レールおよび給電レールの一実施
例を示す断面図である。 第５図は、発射体案内レールおよび給電レールの第２の
実施例を示す断面図である。 第６図は、従来型電磁発射装置の金属アーマチャを電流
が流れる態様を示す。 第７図は、本発明の構成による金属アーマチャを電流が
流れる。態様を示す。 ３６．３７ ４６　・　・ ４８　・　・ ５２　・　・ ５３　・　・ 給電レール コンデンサー・バンク スイッチ 発射体 ヒユーズ 出願人：ウェスチングハウス・エレクトリック・コーポ
レーション 代理人：加藤紘一部（ばか１名）

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. （１）砲尾と砲口を備えたほぼ平行に延びる一対の導電
   性発射体案内レールと、それぞれが発射体案内レールの
   一つに隣接して該レールと磁束が実質的に結合する関係
   に配置されると共に砲口で該発射体案内レールと電気接
   続された第１および第２の導電性給電レールと、発射体
   案内レール間に電流を導通させて発射体を砲尾から砲口
   の方へ発射体案内レールに沿って加速するためのアーマ
   チャと、給電レールへ高電流を供給するように接続され
   たエネルギー源とよりなることを特徴とする電磁発射装
   置。
2. （２）アーマチャは、発射体の背後で電圧ブレークダウ
   ンを適時に発生させることにより始動されるプラズマで
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装
   置。
3. （３）給電レールの単位長さ当りの自己インダクタンス
   はＬ’＿Ｆであり、発射第案内レールの単位長さ当りの
   自己インダクタンスはＬ’＿Ｐであり、Ｌ’＿Ｆ＞Ｌ’
   ＿Ｐ であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   装置。
4. （４）各発射体案内レールが対応の給電レールを部分的
   に囲繞することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記
   載の装置。
5. （５）各発射体案内レールが対応の給電レールを完全に
   囲繞することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載
   の装置。
6. （６）給電レールの長さはＦであり、発射体案内レール
   の長さはＰであり、 Ｆ＞Ｐ であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   装置。
7. （７）エネルギー源はコンデンサー・バンクにより構成
   され、スイッチ手段がコンデンサー・バンクと給電レー
   ルの間に接続されていることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項に記載の装置。
8. （８）スイッチ手段が閉位置にある時給電レールへ供給
   される電流を制御するためにインダクターがコンデンサ
   ー・バンクに直列接続されていることを特徴とする特許
   請求の範囲第７項に記載の装置。
9. （９）砲尾と砲口を備えた発射体案内レールを橋絡する
   駆動アーマチャにより発射体案内レール間に位置する発
   射体を電磁的に発射する方法であって、エネルギー源か
   らレールの砲口へ高電流を給電し、レールへ供給される
   高電流によりレール間のアーマチャの前方に生じる磁束
   を実質的に零にするステップよりなることを特徴とする
   発射方法。
10. （１０）砲尾と砲身を備えた発射体案内レール間の砲腔
    内に位置する発射体を電磁的に発射する方法であって、
    給電レールにより発射体案内レールの砲口へエネルギー
    源から高電流を供給し、給電レール間の発射体の背後に
    生じる磁束とレールを流れる電流との相互作用により生
    じる加速力により発射体を実質的に加速するステップよ
    りなることを特徴とする発射方法。