NO870472L

NO870472L - DEVICE FOR ACCELERATION OF PROJECTILES.

Info

Publication number: NO870472L
Application number: NO870472A
Authority: NO
Inventors: Wolfram Witt
Original assignee: Rheinmetall Gmbh
Priority date: 1986-04-19
Filing date: 1987-02-06
Publication date: 1987-10-20
Also published as: EP0242501B1; ES2006680B3; JPS62252897A; EP0242501A1; DE3613260A1; DE3613260C2; DE3760053D1; NO870472D0

Description

Oppfinnelsen gjelder en anordning for akselerasjon av prosjektiler som befinner seg i et løp med lukket ende, ved hjelp av et elektrisk oppvarmet plasma slik det er angitt i innledningen til patentkrav 1. The invention relates to a device for the acceleration of projectiles which are in a barrel with a closed end, by means of an electrically heated plasma as stated in the introduction to patent claim 1.

Det er kjent at det med elektrisk oppvarmet plasma kan akselereres prosjektiler i metalliske rør til høye hastigheter (se Goldstein S.A. et.al. Final Report on Research and Development of a Plasma Jet Mass Accelerator as a Driver for Impact Fusion; GT-Devices, Alexandria, VA, USA, Contract DE-AC05-81-ER10846, May 1984). Ved disse kjente anordningene blir det i trange kanaler i isolermaterialet dannet plasmastråler som virker på prosjektilenden. Ved gassutladingens kontakt med kanal- eller kapillarveggene, skjer det en avriving av isolermaterialet og oppvarming av plasmaet. Resultatet blir plasmastråler som går ut av kanalåpningene. It is known that electrically heated plasma can accelerate projectiles in metallic tubes to high speeds (see Goldstein S.A. et.al. Final Report on Research and Development of a Plasma Jet Mass Accelerator as a Driver for Impact Fusion; GT-Devices, Alexandria , VA, USA, Contract DE-AC05-81-ER10846, May 1984). With these known devices, plasma jets are formed in narrow channels in the insulating material which act on the projectile end. When the gas discharge comes into contact with the channel or capillary walls, the insulating material is torn off and the plasma is heated. The result is plasma jets that exit the channel openings.

Det er en særlig ulemepe ved disse kjente anordningene, at det kreves et forholdsvis stort startvolum som plasmaet skal dannes og oppvarmes i. It is a particular disadvantage of these known devices that a relatively large initial volume is required in which the plasma is to be formed and heated.

Hovedformålet ved oppfinnelsen er derfor å videreutvikle den kjente anordningen slik at startvolumet som plasmaet skal dannes og oppvarmes i blir minst mulig. The main purpose of the invention is therefore to further develop the known device so that the initial volume in which the plasma is to be formed and heated becomes as small as possible.

Ifølge oppfinnelsen blir dette løst ved de trekk som er angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 1. According to the invention, this is solved by the features stated in the characterizing part of patent claim 1.

Underkravene gjengir særlig fordelaktig utforming av oppfinnelsen. The subclaims reproduce a particularly advantageous design of the invention.

Detaljer og fordeler ved oppfinnelsen blir nedenfor beskrevet nærmere under henvisning til utførelseseksempler vist i tegningene, hvor: fig. 1 viser en kjent anordning for akselerasjon av prosjektiler ved hjelp av et elektrisk oppvarmet plasma, Details and advantages of the invention are described below in more detail with reference to examples of execution shown in the drawings, where: fig. 1 shows a known device for the acceleration of projectiles by means of an electrically heated plasma,

fig. 2 viser et snitt gjennom en anordning i samsvar med oppfinnelsen, forut for tenningen av plasmaet, fig. 2 shows a section through a device in accordance with the invention, prior to the ignition of the plasma,

fig. 3 viser snittet i fig. 2 etter tenningen av plasmaet, fig. 3 shows the section in fig. 2 after the ignition of the plasma,

fig. 4 viser et forenklet koblingsskjerna for en plasmakanon i samsvar med oppfinnelsen, mens fig. 4 shows a simplified connection core for a plasma cannon in accordance with the invention, while

fig. 5 viser strømmens tidsmessige forløp.fig. 5 shows the flow over time.

fig. 6 viser det tidsmessige forløpet for strømmen i plasmakanonen. fig. 6 shows the temporal course of the current in the plasma cannon.

I fig. 1 er det vist en kjent akselerasjonsanordning, f.eks. som beskrevet i den rapporten som det er vist til ovenfor. In fig. 1 shows a known acceleration device, e.g. as described in the report referred to above.

I fig. 1 angir 1 et løp med en lukket ende, hvor det i enden er anordnet en første elektrode 2 i endeveggen. En ytterligere elektrode (ringelektrode) 3 er over ei spenningskilde 4 og en bryter forbundet med den første elektroden 2. Med de to elektrodene 2 og 3 blir det i løpet 1 definert et plasmakammer 6, som i området ved ringelektroden 3 i første omgang er lukket med et prosjektil 7 som skal akselereres. Etter lukkingen av bryteren 5 blir det mellom elektrodene 2 og 3 tent en lysbue og prosjektilet 7 blir akselerert av trykket fra litt lysbueplasma. In fig. 1 denotes a barrel with a closed end, where a first electrode 2 is arranged at the end in the end wall. A further electrode (ring electrode) 3 is above a voltage source 4 and a switch connected to the first electrode 2. With the two electrodes 2 and 3, a plasma chamber 6 is defined in course 1, which in the area of the ring electrode 3 is initially closed with a projectile 7 to be accelerated. After the closing of the switch 5, an arc is ignited between the electrodes 2 and 3 and the projectile 7 is accelerated by the pressure from some arc plasma.

Som nevnt ovenfor, har denne anordningen den ulempen, at plasmakammeret 6 har et forholdsvis stort volum, hvor drivtrykket bygges opp forholdsvis langsomt. As mentioned above, this device has the disadvantage that the plasma chamber 6 has a relatively large volume, where the driving pressure builds up relatively slowly.

Figurene 2 og 3 viser et utførelseseksempel av oppfinnelsen, hvor det er tilstrekkelig med et spalteformet plasmarom. Figures 2 and 3 show an embodiment of the invention, where a slit-shaped plasma chamber is sufficient.

I fig. 1 er det vist et løp 1 med lukket ende hvor det i løpsbunnen er anordnet en første elektrode 2. En andre elektrode 3 (ringelektrode), som er elektrisk isolert anordnet i forhold til den første, er over ei spenningskilde 4 og en bryter forbundet med den første elektroden 2. De to elektrodene 2 og 3 avgrenser i løpet 1 et plasmakammer 6, som i området ved ringelektroden 3 i første omgang er lukket med et prosjektil 7 som skal akselereres. In fig. 1 shows a barrel 1 with a closed end where a first electrode 2 is arranged at the bottom of the barrel. A second electrode 3 (ring electrode), which is electrically isolated and arranged in relation to the first, is above a voltage source 4 and a switch connected to the first electrode 2. The two electrodes 2 and 3 define in course 1 a plasma chamber 6, which in the area of the ring electrode 3 is initially closed with a projectile 7 to be accelerated.

Etter at bryteren 5 er lukket blir det mellom elektrodene 2 og 3 tent en lysbue og prosjektilet 7 blir akselerert av trykket fra lysbueplasmaet. After the switch 5 is closed, an arc is ignited between the electrodes 2 and 3 and the projectile 7 is accelerated by the pressure from the arc plasma.

Som allerede nevnt har denne anordning den ulempen, at plasmakammeret 6 får et forholdsvis stort volum, hvor drivtrykket bygger seg langsomt opp. As already mentioned, this device has the disadvantage that the plasma chamber 6 has a relatively large volume, where the drive pressure builds up slowly.

Fig. 2 og 3 viser et utførelseseksempel av en anordning i samsvar med oppfinnelsen, hvor det er tilstrekkelig med et spalteformet plasmarom. Fig. 2 and 3 show an exemplary embodiment of a device in accordance with the invention, where a slit-shaped plasma chamber is sufficient.

Med 10 betegnes løpet til en plasmakanon, hvilket samtidig danner ringelektroden 100 ved sin lukkete ende. Den koaksiale midtelektroden er betegnet med henvisningstall 11 og isoler legemet mellom denne og ringelektroden 100 er betegnet med henvisningstall 12. 10 denotes the barrel of a plasma cannon, which at the same time forms the ring electrode 100 at its closed end. The coaxial center electrode is designated by the reference number 11 and the insulating body between this and the ring electrode 100 is designated by the reference number 12.

En del av løpets indre overflate er ved den lukkete enden kledd med et brannsikkert kontaktmåteriale 13, f.eks. med et sintermateriale av wolfram og kobber. Prosjektilet 14, ringelektrodens 100 innervegg og den koaksiale midtelektroden danner et spalteformet utladningsrom 15. For å akselerere prosjektilet 14 blir dette anordnet umiddelbart foran henholdsvis slik at det spalteformete utladningsrommet 15 dannes. Akselerasjonen blir innledet ved at bryteren 5 (fig. 3) lukkes slik at det startes en utladning i spalta 15 mellom prosjektilet 14 og isolerstykket 12 henholdsvis den koaksiale midtelektroden 11. Under den raske stigningen av strømmen i skjer det en fordamping og oppvarming av materialet i endeområdene til den varme lysbuen. I tillegg blir det ved den nære kontakten mellom lysbuen og spalteveggene fordampet ytterligere materiale. Trykket som på denne måten oppstår driver prosjektilet 14 i retning mot løpsenden. Under akselerasjonen danner det seg i det økende plasmarommet bak prosjektilet 14 et plasma 16. Part of the inner surface of the barrel is, at the closed end, covered with a fireproof contact material 13, e.g. with a sinter material of tungsten and copper. The projectile 14, the inner wall of the ring electrode 100 and the coaxial center electrode form a slit-shaped discharge chamber 15. To accelerate the projectile 14, this is arranged immediately in front, respectively, so that the slit-shaped discharge chamber 15 is formed. The acceleration is initiated by the switch 5 (Fig. 3) being closed so that a discharge is started in the gap 15 between the projectile 14 and the insulating piece 12 or the coaxial center electrode 11. During the rapid rise of the current in, evaporation and heating of the material in the end regions of the hot arc. In addition, additional material is vaporized by the close contact between the arc and the gap walls. The pressure that occurs in this way drives the projectile 14 in the direction towards the end of the barrel. During the acceleration, a plasma 16 forms in the growing plasma space behind the projectile 14.

Fig. 4 viser et forenklet koblingsskjerna 20 for drift av en plasmakanon 9 i samsvar med oppfinnelsen. Løpet og ringelektroden er betegnet med henvisningstall 10 og den første elektroden med henvisningstall 11. Fig. 4 shows a simplified connection core 20 for operating a plasma cannon 9 in accordance with the invention. The barrel and the ring electrode are designated with reference number 10 and the first electrode with reference number 11.

I koblingsskjemaet 20 finnes et drivaggregat 21, f.eks. en motor drevet med flytende drivstoff, og en likestrøms-generator 22. Spenningen som dannes av likestrømsgeneratoren blir over en bryter 23 påtrykt en kondensator 24 som virker som kapasitivt energilager. Kondensatoren 24 er på en side forbundet med den første elektroden over en bryter 25 og på den andre over en strømbegrensende induktivitet 27 med den andre elektroden 10. In the connection diagram 20 there is a drive unit 21, e.g. an engine powered by liquid fuel, and a direct current generator 22. The voltage generated by the direct current generator is applied via a switch 23 to a capacitor 24 which acts as a capacitive energy store. The capacitor 24 is connected on one side to the first electrode via a switch 25 and on the other via a current-limiting inductance 27 to the second electrode 10.

Dessuten kan kondensatoren 113 kortsluttes over en bryter 115. In addition, the capacitor 113 can be short-circuited via a switch 115.

Ved begynnelsen av akselerasjonsfor løpet er kondensatoren 113 oppladet med spenning U . Etter innkoblingen av bryteren 114 på tidspunkt t=0 (se også fig. 6) vil energilageret utlades over induktiviteten 116 og over plasmaet i akseleratoren. Når strømmen på tidspunkt t = t har nådd sin maksimalverdi i , blir kortslutningsbryteren 105 lukket, At the beginning of the acceleration stroke, the capacitor 113 is charged with voltage U. After switching on the switch 114 at time t=0 (see also fig. 6), the energy storage will be discharged over the inductance 116 and over the plasma in the accelerator. When the current at time t = t has reached its maximum value in , the short-circuit switch 105 is closed,

max max

Den avtakende strømmen over akselerasjonsplasmaet blir deretter opprettholdt av induktiviteten eller spolen 116. The decreasing current across the accelerating plasma is then maintained by the inductance or coil 116.

Ved en praktisk utførelseseksempel av anordningen ble det med en ladespenning på 9 kV akselerert et aluminiumslegeme med masse på m=15g. Strømmen nådde etter t^Sus sitt maksium på i =282kA og falt deretter lineært. Prosjektilets In a practical embodiment of the device, an aluminum body with a mass of m=15g was accelerated with a charging voltage of 9 kV. After t^Sus, the current reached its maximum of i =282kA and then decreased linearly. Projectile's

max max

flyhastighet utgjorde da 1020m/s.flight speed was then 1020m/s.

Ved alle de gjennomførte forsøkene har det vist seg, at virkemåten til plasmakanonen ikke avhenger vesentlig av spalta 15 mellom prosjektilet 14 og den koaksiale elektroden 10 (se fig. 2 og fig. 3). Det har også vært mulig å plassere prosjektilet 15 direkte foran den koaksiale indre elektroden 11, uten avstand mellom elektrode og prosjektil. In all the tests carried out, it has been shown that the operation of the plasma cannon does not depend significantly on the gap 15 between the projectile 14 and the coaxial electrode 10 (see fig. 2 and fig. 3). It has also been possible to place the projectile 15 directly in front of the coaxial inner electrode 11, with no distance between electrode and projectile.

Fortrinnsvis kan imidlertid det spalteformete mellomrommet 15 være fylt med et lett gassende materiale, f.eks polyetylen. Som lett gassende materialer betegnes her slike stoffer, som brytes opp i molekyler (gasser) med lav molekylvekt (molekylvekt <30) under virkningen av lysbueutladning. Gjennom den ekstra materialfordampningen av dette stoffet blir energiomsetningen i plasmaet styrt og plasmatrykket økes, slik at prosjektilet forlater løpet 10 med høyere hastighet. Preferably, however, the slit-shaped space 15 can be filled with an easily gassing material, e.g. polyethylene. Substances that break down into molecules (gases) with a low molecular weight (molecular weight <30) under the action of an arc discharge are referred to here as easily gassing materials. Through the additional material evaporation of this substance, the energy turnover in the plasma is controlled and the plasma pressure is increased, so that the projectile leaves the barrel 10 at a higher speed.

Claims

1. Acceleration of a projectile located in a barrel with a closed end, by means of an electrically heated plasma, where for the formation of the plasma there are two electrodes, the first electrode being arranged coaxially at the end of the barrel and the second electrode being designed as a ring electrode, characterized in that the second electrode is arranged in the end surface of the barrel (10) and that the two electrodes (11, 10) together with the projectile (14) to be accelerated form a slit-shaped discharge chamber (15).

2. Device in accordance with claim 1, characterized in that easily gassing substances are located in the slit-shaped discharge space (15).

3. Device in accordance with claim 1 or 2, characterized in that the second electrode is formed by the barrel (10).

4. Device in accordance with claim 3, characterized in that the barrel (10) at the closed end is lined with fireproof contact material (13).