JPH043897A - 分散電極を有するレールガン型電磁加速装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ｉ！磁加速装置に関するものである。

〔従来の技術〕

を磁力を用いて巨視的な物体を高速に加速するレールガ
ン型電磁加速装置（以下レールガンと呼ぶ）は、火薬の
燃焼ガスや高圧ガスの膨張力を用いる方式では達成が困
難な、秒速１０ｋｍ／ｓ以上の飛翔体速度を得ることが
可能とされ、近年注目されている。

レールガンの電気子のための材料としては、固体金属と
プラズマの２種類が用いられているが、特にプラズマ電
気子を用いる方式は、重量が数グラムの小型飛翔体を超
高速に加速する場合に主として採用され、例えば、物質
同志の衝突により１０００万気圧以上の衝撃超高圧力を
発生させるための加速装置として、また宇宙空間での隅
面衝突問題シミュレーション装置として、さらには核融
合炉への固体水素燃料ペレット打ち込み装置等への利用
が期待され、実用化へ向けての開発が盛んに行なわれて
いる。

レールガンの研究開発とその利用技術に関しては、１８
εεＴｒａｎｓａｃｔｒｏｎｓ　ｏｎ　Ｍａｇｎｅｔｉ
ｃｓ、　ｖｏｌ、　Ｍａｇ２０（１９８９）、同、ｖｏ
ｌ、　Ｍａｇ−１９（１９８７）、及び、同、ｖｏｌ。

Ｍａｇ−１６（１９８５）の諸論文に紹介されている。

プラズマ電気子を用いる従来のレールガンの加速原理お
よび構造を第７図（ａｌ、　（ｂｌ、　（ｅｌに示した
。

第７図（５）に従来形レールガンの一般的な断面形状を
示した。飛翔体及びプラズマ電気子が加速される加速孔
２は、２本のレール状電極１と２の絶縁物支持体の間の
空間に形成され、レール電極の内面は加速孔２内に直接
露出して加速孔断面を形作っている。第７図（ト））に
示すように加速孔内に絶縁物の飛翔体３を設置し、その
背後にプラズマ電気子形成用の金属板あるいは金属箔４
を設置して、２本のレール電極間が電気的に接触するよ
うにする。この状態でキャパシターバンク等の電源５を
２本のレールに接続してスイッチ６を閉じてｔ′ａ。

電圧を付加すると、第７図ｆｃｌのように金属板あるい
は金属箔は大を流によりプラズマ化する。このプラズマ
７はレール間のｉｔ流を保ちつつ、１［誘導の法則によ
るｉｉｍ力を受けて飛翔体に力を及ぼし加速する。この
プラズマは、飛翔体と共に移動して常に飛翔体背後に位
置する電気子としての役割を果たし、ｉｔ流の２乗に比
例する力で飛翔体を加速し続ける。

このようにレールガンにおいては、形成されたプラズマ
電気子に電流が供給される限り飛翔体が加速される筈で
あるが、実際には飛翔体速度が５に一／ｓ以上になると
、飛翔体に働＜ｉｔ磁力は電流値から期待される値より
著しく減少して、加速効率が急速に低下することが知ら
れている。そのため加速孔内部のプラズマ電気子の挙動
に関する詳細な観察を行なった結果、以下の３種類の現
象が、！磁力による加速力を低下させる原因として考え
られている。

（１）　　プラズマ電気子は、その電流の空間的な分布
に対応した長さを持っているため、プラズマ電気子が加
速孔内を高速で移動すると、プラズマガスの粘性により
ガス中に乱流が生じ、その結果プラズマ電気子の長さに
比例し速度の２乗に比例する抵抗力が、プラズマ電気子
全体に働く、この粘性抵抗力によってプラズマ電気子の
長さは更に増加し、全抵抗力は急速に増加する。

（２）　　プラズマ電気子の通過に伴い、加速孔内面の
材質が蒸発やアブレーシヨン等によってプラズマ中に取
り込まれ、プラズマ電気子の重量が増加していく、その
結果、電気子の移動速度と重量増加率の両方に比例した
減速力が電気子に働く。

（３）　　プラズマ電気子の長さの増加、即ち電流分布
の拡散や、電気子が通過した後のレール電極間の絶縁破
壊によって生じる再点弧等により、プラズマ電気子の背
後に移動速度の遅い２次的なｔ流分布が発生する。その
ためプラズマ電気子電流が急速に２次ｉｉ２を分布の方
に移行し、飛翔体に作用するｔ磁力が急激に減衰してし
まう。

上記の問題点を解決するために現在試みられている対策
として、 （Ａ）電磁加速される飛翔体を、高圧に圧縮された水素
ガスによって初期加速し、［磁加連初期のプラズマ電気
子の移動速度をできるだけ増して、上記（２）に示した
加速孔内面の蒸発やアブレーションを軽減すると共に、
水素ガスをプラズマ化して粘性の低いプラズマ電気子を
形成することにより、上記（１１に示した粘性抵抗を軽
減し、なおかつプラズマ電気子の背後に存在する高圧水
素ガスが電気子背後のレール電極間の耐電圧性を増して
、上記（３）に示した再点弧による２次電流分布の発生
を防ぐ方式　（例：　Ｒ，Ｓ、ｌ１ＡＷＫε、　ｅｔ　
ａｌ、＋ＩＥＥＥ、Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　
Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ、νｏ１．２５．　Ｎｏ、１．　ｐ
２１９（１９８９））（Ｂ）加速孔内の片方のレール電
極表面を絶縁膜で覆い、その内側に、長さが１００ｍｍ
程度の多数の金属菌板を互いに絶縁された状態ではりっ
け、それぞれの金ＩＩ板とレール電極をヒユーズを介し
て接続しておき、プラズマ電気子がひとつの金属薄板の
領域を通過する間にその金属薄板に接続されているヒユ
ーズを作動させ、プラズマ電気子が次の金属薄板の領域
に達した時点で、それ以前の９１域の金ｒ！Ｉｋ薄板を
全てレール電極から絶縁された状態にしてしまうことで
、再点弧の発生を防ぐ方式％式％ 上記（Ａ）の方式は現在実験が進行中であり、上記＋１
１．　＋２１．　＋３１の全ての問題に対する有力な対
策としてその結果が期待されている。しかしこの方式は
、危険な水素ガスを高圧に圧縮して、数グラムの飛翔体
を５ｋｍ／ｓ以上に初期加速するための高性能な２段式
ガス銃を必要とし、また、レールガンに高速で流入する
高圧水素ガスを特定の場所で確実にプラズマ化する方法
が確立されていないという難点がある。上記（Ｂ）の方
式に関しては、プラズマ電気子のみの加速実験結果がら
、その原理的な有効性が確認されている。しかしこの方
式で飛翔体加速を行なう場合、強大な１！磁カを保持し
つつ飛翔体をスムーズに加速するための加速孔、及びそ
の周辺の構造が、電気的・機械的に非常に複雑になり、
実用的な飛翔体加速装宜の開発にとって、この方式は現
実的ではない。

以上（１１，＋２１．　＋３１に述べたようなプラズマ
電気子の性質に関する問題点の他に、レールガンはその
構造上、以下のような問題点がある。

（４）　　加速孔内で大電流のアークプラズマが発生す
るため、加速孔内面の、特にレール電極表面の若干の損
傷は免れず、再度加速を行なうためには加速孔内面を円
形にして、リーマ−切削加工で加速孔の径を広げる方式
が一般化しているが、金属と絶縁物によって構成された
加速孔内面の直径を、加速製全域に亘って精度よ（広げ
るのは実際上困難であり、多大な労力を要する。

（５）　　空気抵抗を避けるために加速孔内部を真空排
気する場合、従来のレールガンの基本構造が第７図ｆａ
＋に示すようなレール電極と絶縁物支持体を束ねた構造
になっているため、０−リング等を用いる一般的な密閉
方法が採用できない、そのためレール電極を含めたレー
ルガンの基本構造全体を真空容器内に収納する方式が採
用されているが、この方式は、レールガンの加速状況の
診断やメンテナンスを困難にするだけでなく、電気絶縁
性の確保という点で不利であり望ましくない、更に、第
７図ｔａ＋に示すようなレールガンの構造は、レールガ
ンを他の加速管と接続する場合においても、接続部の機
械的、電気的な設計を困難にしている。

〔発明が解決しようとする！ＩＩＢ） 本発明は、従来型レールガンのプラズマ電気子に関する
上記ｌ！！題を解消するため、プラズマ電気子の電流分
布を加速孔外部から積極的に制御する方法を提供すると
共に、加速孔内面の修復、加速孔内の真空排気、及び他
の加速管との接続に関する従来の困難を解消するため、
新しいレールガンの構造を提供するものである。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するために、発明者らは鋭意研究を重ね
た結果、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の構成は、レールガン型Ｔｌ１ｍ加速
装置において、２本のレールを加速孔内に直接露出させ
ず、絶縁物飛翔体及びプラズマ電気子を加速するための
円形または方形の加速孔を有し、更に加速孔に沿って等
間隔にかつ加速孔の中心線に垂直で加速孔の中心に対し
て対称になるように、両側面から加速孔中心に向かって
あけられた多数の貫通孔を有する絶縁体加速管を２本の
レール電極で挟むように設置し、前記貫通孔のそれぞれ
に、一端をレール電極と直接あるいはヒユーズ等のスイ
ッチング素子を介して電気的に接続され他端を前記加速
孔内面に露出する分岐電極を挿入して、互いに向かい合
い等間隔に配列する多数の分散電極面を加速孔内面に形
成し、レール電極をｔｉｔに接続し、加速孔内面に対向
する分散電極の間でアーク放電を発生させて、アークプ
ラズマをプラズマ電気子として加速孔内で加速すること
により、飛翔体を加速するプラズマ電気子の電流の空間
的分布を前記スイッチング素子等により制御し、なおか
つ放を後の加速孔内面の損傷修復を容易にし、また加速
孔内を減圧するためのガス密閉構造や他の加速管との接
合構造の設計を容易にしたことを特徴とするａｍ加速装
置である。すなわち、本発明では、レール電極に直接あ
るいはヒユーズ等のスイッチング素子を介して櫛状に接
続された多数の分岐電極と、各分岐電極の端面によって
形成される分散電極をその加速孔内に有する絶縁体加速
意図である。レール電極１には多数の分岐電極８が、等
間隔に、直接またはヒユーズ等のスイッチング素子９を
介して接続されている。それぞれの分岐電極の端面ば、
２本のレール電極間に設置された絶縁体加速管１０の加
速孔２内に露出し、等間隔で互いに向き合った分散電極
面を形成している。

このレールｔ８ｉを１源に接続して、加速管内の対向し
た電極間に何らかの方法でアーク放電を発生させると、
アーク電流はｔＭｉ力を受けて移動するプラズマ電気子
７として働き、絶縁物飛翔体３を加速する。この場合第
１図（１））に示すように電気子のｉ！ＩＩ通に伴いヒ
ユーズ９が次々に作動して分岐電極をレール電極から絶
縁していくので、電気子の電流分布は常に飛翔体背後の
限定された傾城に閉じこめられる。この方式によれば、
前述の２次電流分布の発生を防ぐことが可能であるのみ
ならず、ヒユーズの作動速度を調節してｉｔ電流分布長
さを微妙に制御することも可能であり、前述プラズマガ
スの粘性及び質量増加による加速力の減衰が最小になる
ように、プラズマ電気子の長さを最適化することができ
る。また、第２図に示すように、レール電極間の絶縁体
加速管１０を一体の絶縁物で成形できるので、他の加速
管１１との接続部の機械的・電気的設計が容易になり、
また加速孔内部の真空排気に関しても、各分岐電極や他
の加速管との接続部におけるガス密閉法としてＯ−リン
グ１２等の標準的な方法が採用できる。更に、第３図に
示すように、各分岐電極をネジ構造にできるので、大を
流により各分岐電極の端面が損傷を受けた場合、分岐電
極を回転して端面を僅かに加速孔内部に突出させ、突出
した部分のみを加速孔内部からリーマ−等で切削するこ
とで、容易に電極面の修復が可能になる。

〔実施例〕

以下、実施例によって本発明を具体的に説明する。

第４図に示すように全長４００ｆｉ、加速長２５５ｆｉ
の分散１掻型レールガンと６ｋＶに充電された１５００
μＦのキャパシターバンクを用いて、プラズマ電気子の
みの加速実験を大気圧下で行ない、加速孔内部における
プラズマ電気子の挙動、及びヒユーズの効果を調べ、従
来型レールガンとの比較を行なった。第５図ｆａ１．　
ｆｂｌに第４図の分散電極型レールガンの部分拡大図お
よびその断面図を示す、レール電極１は断面が２０ｆｉ
　Ｘ　２０ｍｍの銅製で、直径４日の銅棒材製の分岐電
極８を、２０ｍｍ間隔で１３本ずつ各レール電極に取り
付けた。これらの分岐電極は厚さ５龍のＦ、Ｒ，Ｐ、層
を通って断面が２０ｍｘ１４゜のＦ、Ｒ，Ｐ、製加速孔
内面に露出して、分散電極は直接接合せず、ポリカーボ
ネートチューブ１３で絶縁した後、直径０．８ｕ＋の銅
細線製ヒユーズ９を介して接続した。このヒユーズ付分
散電極型レールガンの他に、レール電極と分岐電極をヒ
ユーズを介さず直接接続したヒユーズ無し分散電極型レ
ールガンと、分岐電極を持たない従来型レールガンも用
いた。アーク放電の発生は、キャパシターの初期の放１
！電流を加速孔側面の！！爆発回路１４に導き、線爆発
によって発生したプラズマを加速孔側面の細孔から吹き
込む方式により行なった。プラズマ電気子の電流分布の
観察は、加速孔に沿って６カ所に配置されたサーチコイ
ル１５を用いて電気子電流による各点の磁場の時間変化
を求め、電流分布の様子を定性的に評価した。

その結果、第６図ｆａｎ、　（ｂ）、　（ｅ）に示すよ
うな結果が得られた。第６図ｔａ＋は従来型レールガン
の実験結果で、各点での磁場変化１６〜２１と共に全を
流浪形２２も任意スケールで示した。各点での磁場波形
から、本実験条件では２次電流分布は生成せず、掻在化
した電流分布を持つプラズマ電気子が形成され、約２．
６ｋｍ／　ｓで移動していることがわかった。

第６開山）はヒユーズ無し分散電極型レールガンの結果
で、磁場波形の細かい折れ曲がりから分散電極間の放電
が約２．５に−７ｓで伝播していることがわかるが、電
流分布は第６図（５）とは対称的に幅広く拡散してしま
うことがわかる。

第６図（Ｃ１はヒユーズ付き分散電極型レールガンの結
果で、１３個のヒユーズのうち１１番目迄が作動してい
た。ｉｉ電流分布ヒユーズの働きにより従来型レールガ
ンと同程度に極在化しており、僅かではあるが、移動速
度も増加していることがわかった。この結果は、ヒユー
ズ付き分散電極構造を用いる本発明により、従来型レー
ルガンの場合と同等な電流分布を持つプラズマ電気子を
、外部からの積極的な制御のもとに形成できることを示
したいる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、レール電極に直接あるいはヒユー
ズ等のスイッチング素子を介して櫛状に接続された多数
の分岐′＠掻と、各分岐電極の端面によって形成される
分散電極をその加速孔内に有する絶縁体加速管を採用す
る本発明により、ＮＭ加速の効率に大きな影響を与える
プラズマ電気子の電流分布を外部から制御することが可
能になるだけでなく、放電後の加速孔内面の損傷修復が
容易に行なえ、また加速孔内を真空排気するためのガス
密閉構造や他の加速管との接合部の設計を容易に行なう
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図＋８１．（ｂ）、および第２図、第３図は本発明
を説明するための模式図、第４図、および第５図ｆａｌ
、Ｃｂ）は実施例の実験方法の説明図、第１図＋８１ｌ
）（ｂｌｌｃｌは実施例の結果の説明図、第７図（Ａ１
．（ｂｌ。 ｆｃｌは従来型レールガンの加速原理及び−船釣構造を
示す模式図。 １：レール電極、２−加速孔、３：飛翔体、４；プラズ
マ形成材料、５．電源、６：スイ・２チ、７：プラズマ
電気子、８：分岐電極、９：ヒユーズ、１０：絶縁体加
速管、１１：他の加速管、１２；。 リング、１３：ポリカーボネートチューブ、１４：線爆
発回路、１５：サーチコイル、１６〜２１：各サーチコ
イル位置での磁場波形、２２：全電流波形。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レールガン型電磁加速装置において、２本のレールを加
   速孔内に直接露出させず、絶縁物飛翔体及びプラズマ電
   気子を加速するための円形または方形の加速孔を有し、
   さらに加速孔に沿って等間隔にかつ加速孔の中心線に垂
   直で加速孔の中心に対して対称になるように、両側面か
   ら加速孔中心に向かってあけられた多数の貫通孔を有す
   る絶縁体加速管を２本のレール電極で挟むように設置し
   、前記貫通孔のそれぞれに、一端をレール電極と直接あ
   るいはヒューズ等のスイッチング素子を介して電気的に
   接続され他端を前記加速孔内面に露出する分岐電極を挿
   入して、互いに向かい合い等間隔に配列する多数の分散
   電極面を加速孔内面に形成し、レール電極を電源に接続
   し、加速孔内面に対向する分散電極の間でアーク放電を
   発生させて、加速孔内の磁場とアーク放電電流との相互
   作用によりアークプラズマをプラズマ電気子として加速
   孔内で加速することにより、飛翔体を加速するプラズマ
   電気子の電流分布を前記スイッチング素子等により制御
   し、なおかつ放電後の加速孔内面の損傷修復を容易にし
   、また加速孔内を減圧するためのガス密閉構造や他の加
   速管との接合構造の設計を容易にしたことを特徴とする
   分散電極を有するレールガン型電磁加速装置。