DE4440829A1 - Ringförmiger Plasmainjektor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine ringförmig und zylin­ drisch (bzw. hohlzylindrisch) ausgebildete zylindrische Plasmainjektionsvor­ richtung, die im Zusammenwirken mit einem Membranelement stabile, diskrete und kontinuierliche Plasmabögen in einem Strompfad liefert, um ausgeglichene Verteilungen, Infusion und Permeation des Plasmas in eine Brennstoff- bzw. Treibladungsmasse zu ermöglichen.

Die ringförmige, hohlzylindrische Plasmainjektionsvorrichtung der vor­ liegenden Erfindung ermöglicht die Erzeugung einer ausgeglichenen, kurzschlußvermeidenden Verteilung, Infusion und Permeation von Plasma durch den gesamten Bereich einer Brennstoffmasse. Bisher sind bei Plasmaverteilungen in eine Brennstoffmasse hinein, insbesondere bei Anwendungen, bei denen das Plasma über einen Zünddraht zwischen einer Anoden- und einer Kathodenanschlußklemme erzeugt wird, Kurz­ schlüsse des Plasmas aufgrund von Plasmaionenbögen aufgetreten, die von der Anschlußklemme zurückkehrend über Erde fließen. Infolgedessen wird der Plasmabogen in die Brennstoffmasse vorzeitig entladen und durch Abschrecken und unkontrollierte Verbrennung sogleich ausgelöscht.

Die vorliegende Erfindung überwindet diese Probleme und schafft eine zuverlässige und stetige Verteilung, Infusion und Permeation des Plasma­ bogens in eine zusammenhängende Brennstoffmasse.

Insbesondere ermöglicht das Membranelement die Bildung eines ringför­ migen und/oder zylindrischen Plasmas, das in durchdringender Weise nach innen, nach außen oder in einen gewünschten Raum verteilt und infundiert werden kann, unabhängig von der geometrischen Form, Posi­ tion und Orientierung der Brennstoffmasse. Weiter regt das Membran­ element bedeutende Verbesserungen an, inter alia dadurch, daß es als Brennstoffeinschließungsmedium, als Zünddraht und als hohlzylindrisch ausgebildete Plasmabogenquelle dient. Es können mehrere Ausführungs­ formen des membranhaften Elementes in Abhängigkeit von der beabsich­ tigten Anwendung und den gewünschten Ergebnissen verwendet werden. Die hier offenbarte hohlzylindrische Plasmainjektionsvorrichtung schafft ausgezeichnete Verbesserungen gegenüber der bisherigen Praxis. Ein­ bezogen in diese Verbesserungen ist die Ermöglichung einer zuverlässigen Bildung und Zufuhr von Plasma, sowie die Ermöglichung des Zündens eines zusammenhängenden Bogens über einer schlanken kapillaren Strek­ ke, wodurch die Plasmareichweite und die Oberflächenbereichsabdeckung innerhalb einer Einschließungskartusche vergrößert wird. Weil der Bedarf nach einer Plasmaverteilungszwischenstruktur, wie etwa einem perforierten Rohr, beseitigt ist, werden weiter gegenüber dem Stande der Technik erhebliche Gewichts- und Volumeneinsparungen erzielt.

Spezifische Verbesserungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen sich bei der Prüfung der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen, die einige spezifische Ausführungsformen der Erfindung betreffen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen zentralen Querschnitt der ringförmigen, hohlzylindri­ schen Plasmainjektionsvorrichtung, die in eine Kartusche eingebaut ist;

Fig. 1A einen zentralen Querschnitt einer alternativen Ausführungs­ form einer Kapillare, die ohne Kartusche dargestellt ist;

Fig. 1B einen zentralen Querschnitt, der das membranhafte Element und eine Zwischenelektrode zeigt;

Fig. 2 einen zentralen Querschnitt, der das membranhafte Element, das einen äußeren Ringkörper der Brennstoffmasse bildet, zeigt;

Fig. 2A einen Detailquerschnitt, der eine Folienmembran anstelle des membranhaften Elementes zeigt;

Fig. 3 einen zentralen Querschnitt von Einzelladungsmodulen, die so strukturiert sind, daß sie große Artillerieladungskammern überspannen und eine Geschwindigkeitszonenbildung ermög­ lichen; und

Fig. 4A, 4B und 4C graphische Darstellungen der Leistung in Megawatt (MW) und des Widerstandes in Milliohm (mΩ), aufgetragen über der Zeit in Millisekunden (ms). Die Daten sind unter Verwendung jeweils eines entsprechenden Aluminium­ schmelzdrahtes, eines zylindrischen membranhaften Alumini­ umstabes und eines ringförmigen membranhaften Alumini­ umstabes in einer Freilufttestanordnung gewonnen worden.

Die ringförmige, hohlzylindrische Plasmainjektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung schafft eine wirksame und lenkbare Verteilung, Infusion und Permeation eines Hochenergieplasmas in eine Brennstoff­ masse hinein. Insbesondere schafft die vorliegende Erfindung eine ringförmige und/oder zylindrische Plasmabildung, Innubation und durch­ dringend wirkende Injektionsvorrichtungen, die mit einer, eine Brennstoff­ masse aufnehmende Behälterkartusche und einem Projektil integriert werden können und ein Geschoß bilden. Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in jedem Geschoß eines elektrothermisch­ chemischen Schußwaffensystems vorhanden und wird mit jedem abgegebe­ nen Schuß verbraucht. Die vorliegende Erfindung schafft einen erhebli­ chen Fortschritt im Schußwaffenbereich und unterscheidet sich von früheren Systemen dadurch, daß sie die Erzeugung von ringförmig bzw. zylindrisch angeordneten kontinuierlichen Plasmabögen im Zusammen­ wirken mit einem membranhaften Element ermöglichen, das als Treib­ stoffvorrat, Zünder und als Plasmaverteilungs-, Plasmainfusions- und Plasmapermeationsmedium dient. Wie nachfolgend erläutert, liefert die hohlzylindrische Geometrie des membranhaften Elementes einen großen Oberflächenbereich für die Entladung, Verteilung, Infusion und Permea­ tion des Plasmas, bei gleichzeitiger Beseitigung der Instabilitäten und des Kurzschließens des Plasmabogens.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der ringförmigen Plasmainjektionsvor­ richtung dargestellt. Ein Kartuschengehäuse 10, das einen Stöpsel 12 und einen Isolator 14 (Polyethylen, Polyurethan, oder ein äquivalenter Stoff) aufweist, sind integral an einem Projektil 16 befestigt. Ein Lei­ stungsversorgungsanschluß 24 ist in der Mitte des Wulstrandisolators 14 angeordnet und durch Isolationsmittel gegen die Leistungsversorgung 24 isoliert und mit einem Leistungs- bzw. Energiezufuhrstab 28 sowie einer Anode 30 verbunden. Eine hohlzylindrische Kapillare 32 bildet eine ringförmige Umschließung um die Kathode 26, den Leistungszufuhrstab 28 und die Anode 30. Die hohlzylindrische Kapillare 32 weist ein Membranelement 38 und eine innere dielektrische Auskleidung 43 auf.

Die Kapillare 32 ist im Stöpsel 12 an der Kathode 26 befestigt und ragt in die Brennstoffmasse 42 hinein, die im Kartuschengehäuse 10 enthalten ist. Wie weiter oben angegeben umfaßt der zentrale Kern der Kapillare 32 den Leistungszufuhrstab 28. Die Isolationshülle 43 trennt die Kapilla­ re 32 vom Leistungszufuhrstab 28. Die Kathode 26 ist über das mem­ branhafte Element 38 mit der Anode 30 verbunden. Weiter ist die Kapillare 32 ihnen und außen jeweils mit den isolierenden Hüllen 43 und 44 bedeckt. Fig. 1A zeigt die Kapillare 32 mit einem verjüngten membranhaften Element 38a als Beispiel einer alternativen Struktur. Der Einfachheit halber ist das Kartuschengehäuse 10 nicht dargestellt.

Fig. 1B ist ein Detailquerschnitt der Kapillare 32, bei dem eine Zwi­ schenelektrode 46 dargestellt ist. Wie weiter unten erläutert wird, kann eine einzelne Elektrode oder können mehrere Elektroden dieses Typs verwendet werden, um eine Segmentierung des Bogens und die Erzeu­ gung serieller Bögen innerhalb einer Kartusche zu bewirken.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist ein Detailsegment des membranhaften Elementes 38 dargestellt, bei dem eine schaumartige Struktur - und alternativ eine Folie - die Struktur des Elementes 38 bildet. Weiter ist die Vorrichtung innerhalb einer Geschützladungskammer 52 dargestellt, wobei sich das Projektil 16 im Geschützrohr 54 befindet. Das mem­ branhafte Element 38 oder die Folienmembran 70 in Fig. 2A bilden einen äußeren Ringkörper, der zwischen der Kartusche 10 und der Brennstoffmasse 42 angeordnet ist. Hierbei handelt es sich um eine typische Ausführungsform, bei der das membranhafte Element 38 so strukturiert ist, daß es sowohl als Zünddraht, als auch als Behälter für die Brennstoffmasse dient. Die Isolierhüllen 43 und 44 dienen zum Abtrennen des membranhaften Elementes 38 jeweils entsprechend von der Brennstoffmasse 42 und dem Kartuschengehäuse 10. Fig. 2A zeigt die Folienmembran 70, die das Element 38 ersetzt. Die Folie 70 mag bei einigen Anwendungen bevorzugt werden, bei denen die Brennstoff­ masse 42 in einem nichtporösen Medium enthalten sein muß, oder bei denen die Verdampfungsgeschwindigkeit der Membran langsamer sein muß. Weiter ermöglicht die Struktur eine Vergrößerung des Oberflä­ chenbereichs der Grenzfläche zwischen dem Plasma und dem Treibmittel, wobei sie gleichzeitig ein tiefes Eindringen des Projektils 16 in die Kartusche 10 begünstigt.

Bezugnehmend auf Fig. 3 ist in ihr eine weitere Ausführungsform der Plasmainjektionsvorrichtung mit einer Kammer 52 dargestellt, die eine Anzahl von Einzelladungsmodulen in Kammern 56 aufweist, die eine Artillerie-Geschwindigkeitszonenbildung ermöglicht. Die Vorrichtung ist in einer Geschützladungskammer 52 dargestellt, wobei sich das Projektil 60 im Geschützrohr 54 befindet. Ein Leistungs- bzw. Energiezufuhrstab 28 erstreckt sich bis zum Boden der Module und gibt Kontakt mit dem zylindrischen membranhaften Element 38, das segmentiert ist und eine modulare Montage ermöglicht, die eine Geschwindigkeitszonenbildung durch Ändern der Ladungsmasse und der elektrischen Energie über die Länge oder eine Teillänge der Ladungskammer 52 bewirkt. Jeder Abteilabschnitt der Ladungsmodule 56 kann Ladungen unterschiedlicher Zusammensetzung, Bauweise und Struktur enthalten, wobei Unterteilungs­ wände 72 als Trennelemente zwischen den Modulen dienen.

Die Fig. 4A, 4B und 4C sind graphische Darstellungen der Betriebs- und Leistungsdaten, die unter Benutzung einer Freilufttest-Einspannvorrichtung erhalten wurden, bei der die Leistung ringförmiger oder zylindrischer membranhafter Elemente 38 oder 38a getestet und die Ergebnisse mit denen eines Zünddrahtes verglichen wurden. Die Freilufttest-Einspann­ vorrichtung (nicht dargestellt) ermöglicht das Testen des Plasmainjektions­ systems unter atmosphärischen Bedingungen, um die elektrische Stabilität und die Plasmaverteilungsmuster zu bewerten. Nachfolgend werden die Kennliniensätze besprochen, um einige der kennzeichnenden Leistungs- und Betriebsparameter der vorliegenden Erfindung klar zu identifizieren.

Die obige Offenbarung bezieht sich auf einige der bedeutendsten struktu­ rellen Merkmale der vorliegenden Erfindung. Nachfolgend werden die Betriebsweise und die Mitwirkungsaspekte der Strukturen im Rahmen eines Bestausführungsszenarios beschrieben.

Bezugnehmend auf Fig. 1 wird aus einem, einen Hochenergieimpuls bildenden Netz oder einer äquivalenten Leistungslieferquelle (nicht dargestellt), die an die ringförmige oder zylindrische Plasmainjektionsvor­ richtung am Leistungsversorgungsanschluß 24 angeschlossen ist, eine genügend große Leistung bzw. Energiemenge geliefert. Der Strom fließt über den isolierten Energiezufuhrstab 28 zur Anode 30. Von hier fließt der Strom über das membranhafte Element 38 zur Kathode 26. Dem­ entsprechend dient das Element 38 als ein Anfangsstrompfad, der die Brücke zwischen der Kathode 26 und der Anode 30 bildet. Eine der einzigartigen strukturellen Maßnahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt das Lenken des Stromes zu der entfernten Anode 30, und das Rückfüh­ ren des Stromes zur Kathode 26 derart, daß Begrenzungen des Standes der Technik, wie die der Kurzschlußbildung, die aufgrund des eine äußere leitende Struktur, beispielsweise einem perforierten Rohr, errei­ chendes Plasmaflusses auftreten, beseitigt werden. Genauer gesagt wird durch das Positionieren der Anode 30 axial nach vorwärts in die Brenn­ stoffmasse 42, und der Kathode 26 rückwärts in die Nähe des Stöpsels 12 das Erfordernis nach einem geerdeten Rückweg für den Kathoden­ strom beseitigt. Dementsprechend dämpft diese Struktur das Kurzschlie­ ßen durch Umkehr zur Kathode und beseitigt damit das Kurz­ schlußproblem, das bisher elektrothermisch-chemische Kartuschen für Ausfälle und Störungen anfällig gemacht hat. Der Strom wird über den Stöpsel 12 an Masse 66 geleitet. Wenn der Strompfad genügend ausge­ bildet ist, verdampft das membranhafte Element 38 und eine ausreichen­ de Gasleitfähigkeit ermöglicht die Ausbildung eines Plasmas zwischen der Anode 30 und der Kathode 26 ringförmig um den Energiezufuhrstab 28. Die Isolierhüllen 43 und 44 werden aufgezehrt und liefern dadurch zusätzlichen Brennstoff für das Plasma. Weiter ermöglicht es die Auf­ zehrung der Hülle 44 dem Plasma, mit der umgebenden Brennstoffmasse 42 in Wechselwirkung zu treten. Wenn auch ein kleiner Teil der Iso­ lierhülle 43 erodiert sein mag, bleibt der Energiezufuhrstab 28 und seine Isolierung (Hülle 43) im allgemeinen intakt. Der ringförmige Plasmabo­ gen entwickelt sich also entlang der ringförmigen Kapillare 32.

Insbesondere schafft das membranhafte Element 38 eine erhebliche Verbesserung, indem es mehrere Funktionen erfüllt. In erster Linie dient das Element 38 als Zünddraht und bildet einen Strompfad, wie oben besprochen. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das membranhafte Element 38 aus einem leitenden Element, wie etwa Aluminium, das räumlich verteilte Poren zufälliger Größen umfaßt, die in gegenseitiger Verbindung geschichtet und eine schaumartige, wollige, rohrförmige Struktur bilden. Bei einigen Anwendungen ist die Größe und Orientierung der Poren entschieden gleichmäßig und symmetrisch. Diese Struktur ermöglicht die Bildung einer transparenten Konfiguration mit einem lockeren, offenen Gewebe, das eine verwebte Maschenkon­ struktion mit einer inneren und äußeren Oberfläche besitzt und eine Schicht definiert. Das in der Schicht des Elementes 38 enthaltene Leervolumen läßt einen Plasmaexpansionsraum entstehen. Wenn das Element 38 verdampft, wird ein Plasmaring gebildet, der sich über die Länge zwischen der Anode 30 und der Kathode 26 erstreckt. Weiter schafft das Element 38 einen Einschließungsbereich für das zu bildende Plasma. Die mattenartige, wollige, labyrinthartige Schaumstruktur mit Poren zufälliger oder gleichmäßiger Größe und Orientierung, die sich durch die rohrförmigen Schichten des Elementes 38 erstreckt, ermöglicht also eine kontinuierliche und volumetrisch verteilte Bildung eines ringför­ migen Plasmas. Das entstehende Plasma ist stabil und liefert ein höhe­ res Leistungsprofil als das eines typischen festen Zünddrahtes (vgl. Fig. 4A, 4B und 4C). Darüber hinaus wirken die untereinander verbundenen und vernetzten Poren zufälliger Größen oder gleichmäßiger Größen, die sich durch die ringförmig ausgebildeten homogenen Schaumschichten des Elementes 38 erstrecken, als Plasmaverteilungsauslässe, durch die das Plasma in die zusammenhängende Brennstoffmasse 42 entladen wird. Das dem Element 38 eigene Leervolumen kann dazu benutzt werden, ein energielieferndes Fluid zu speichern, um eine brennstoffimprägnierte, flüchtigere Plasmafront zur Verteilung zu erzeugen. Demgemäß bildet das Element 38 und die einzigartige poröse, die Kapillare 32 definieren­ de Struktur ein gazeartiges, faseriges Rohr, welches Schichten mit einer vorbestimmten volumetrischen Kapazität umfaßt und als Zünddraht, ringförmiger Plasmainkubator, Plasmabehälter, Plasmaverteiler, Plasmainfu­ sionsmedium und Plasmapermeationsmedium sowie als Brennstoffein­ schließungskammer wirkt.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ragt der Leistungsversorgungsanschluß 24 in den Stöpsel 12 und bildet darin eine vorstehende Spitze. Der Stöpsel 12 ist gegen den Energiezufuhrstab 28 isoliert, der die Anode 30 trägt und anschließt. Wie oben angegeben, verbindet das Element 38 die Anode 30 mit der Kathode 26. Die Kathode 26 ist ringförmig und koaxial zum Energiezufuhrstab 28 angeordnet und gegen diesen isoliert. Der Stöpsel 12 ist gegen den Energiezufuhrstab 28 isoliert und bilden einen Erdungskontakt für die Kathode 26. Weiter isolieren dielektrische Auskleidungen 40 den Energiezufuhrstab 28 gegen die innere Oberfläche des Elementes 38. In ähnlicher Weise trennt die Isolierhülle 44 das membranhafte Element 38 von der Brennstoffmasse 42. Wie oben gesagt, können bei einigen Anwendungen die Poren und Hohlräume des labyrinthartigen, membranhaften Elementes 38 mit einem verbrennbaren Treibstoff oder mit einer Treibstoff-/Oxidatorkombination gefüllt werden. Die Anordnung nutzt das Leervolumen des Elementes 38 und schafft eine Anfangsverbrennungskammer, die eine rasche Verteilung und Infu­ sion des plasmaimprägnierten, brennenden Treibstoffes in die Brennstoff­ masse 42 begünstigt.

Fig. 1A zeigt eine exemplarische Anordnung, bei der die Kapillare 32 mit dem membranhaften Element 38a verjüngt ausgebildet ist. Die Anordnung der Fig. 1A mag bei Kartuschen bevorzugt werden, bei denen die Zusammensetzung, der Aufbau und die Dichte der Brennstoffmasse 42 variiert (vgl. Fig. 1). Insbesondere liefert die verjüngte Struktur des membranhaften Elementes 38a eine sich ändernde, räumliche und zeitli­ che Plasmaentladung durch den volumetrischen Raum der ringförmigen Kapillare 32 und ermöglicht damit eine Plasmainfusions- und Plasmaper­ meationsgeschwindigkeit, die sich in eine steuerbare und wirksame Ver­ brennung umsetzt. Es soll darauf hingewiesen werden, daß auch andere Formen und Konfigurationen benutzt werden können, je nach der Geo­ metrie und Orientierung der Brennstoffmasse 42 sowie der Notwendigkeit, das Plasma in einer vorbestimmten Richtung und mit einer vorbestimm­ ten Geschwindigkeit zu verteilen.

In ähnlicher Weise zeigt Fig. 1B eine exemplarische Abwandlung der Kapillare 32. Das kennzeichnende Merkmal dieser Struktur umfaßt eine Zwischenanode 46. In sehr schlanken Kartuschen, in denen sehr große Plasmaentladungslängen benötigt werden, wird diese Lösung bevorzugt, um segmentierte, serielle, ringförmige Bögen zu erzeugen. Segmentierte, serielle, ringförmige Bögen haben sich nämlich als stabiler herausgestellt und liefern steuerbare Gruppen diskreter Plasmabögen. Bei dieser besonderen Anwendung kann der Anbringungsort der Zwischenelektrode 46 verändert werden, um Plasmabogensegmente variabler Länge zu erzeugen. Alternativ können mehrere Zwischenelektroden 46 verwendet werden, um eine Anzahl von segmentierten Plasmabogenbereichen durch die gesamte Brennstoffmasse 42 zu schaffen. Diese Anordnung ermög­ licht es, unterschiedliche Niveaus von Plasmasegmenten durch die gesam­ te Länge der Kapillare 32 aufrecht zu halten. Insbesondere kann das membranhafte Element 38 mit Brennstoff oder einem Oxidationsmittel gefüllt werden und unterschiedliche Mengen und Typen von Brennstoffen in jedem der durch die Zwischenelektroden 46 definierten Segmente zu enthalten. Wie oben bemerkt, kann jedes Segment durch Verändern des Abstandes zwischen den Zwischenelektroden 46 verändert werden. Dieses Merkmal ermöglicht die Einleitung einer spezifisch abgemessenen Plasmamenge in eine Brennstoffmasse, die veränderliche Volumina, eine veränderte chemische Zusammensetzung oder einen veränderlichen Auf­ bau besitzt. Die Zwischenelektrode 46 und die damit verbundenen Strukturen der vorliegenden Erfindung können so angeordnet werden, daß sie veränderlichen Anforderungen an die Plasmaverteilung und die Ver­ brennungsgeschwindigkeit bei verschiedenen Segmenten einer Kartusche genügen.

Die Fig. 2 und 2A zeigen eine spezielle Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung, die die Vielseitigkeit des membranhaften Elementes 38 und der Folienmembran 70 zum Ausdruck bringt. In erster Linie enthält das membranhafte Element 38 eine Brennstoffmasse 42, die einen äuße­ ren Ringkörper bildet. Bei der Alternative wird eine Folienmembran 70 als Behälter verwendet. Bei dieser Anordnung bilden das membranhafte Element 38 oder die Folienmembran 70 die innerste Schicht der Kartu­ sche 10, mit einer zwischengefügten, nichtleitenden Schicht. Zusätzlich zu seiner Funktion als Zünddraht, Plasmabehälter, Plasmabogengenerator und Brennstoffbehälter kann also das membranhafte Element benutzt werden, um die Brennstoffmasse 42 aufzunehmen. Die Energie wird von der Leistungsversorgung 24 geliefert, die an die Anode 30 angeschlossen ist. Das membranhafte Element 38 oder die Folie 70 ist ringförmig an die Anode 30 angeschlossen. Am entfernteren Ende ist die Kathode 26 ringförmig an das Element 38 oder die Folie 70 angeschlossen. Augen­ scheinlich schafft diese Ausführungsform ein kompaktes und strukturell wirksames Kartuschensystem. Die Struktur vereinfacht die Fertigung und behält gleichzeitig die Vorteile einer Mehrfachfunktionalität bei, die durch das membranhafte Element 38 geboten wird. Weiter ermöglicht diese Geometrie ein tiefes Eindringen des Projektils in das Kartuschenge­ häuse. Darüber hinaus schafft die Struktur ein Maximum an Fläche für die Oberflächeninteraktion zwischen der Brennstoffmasse 42 und dem membranhaften Element 38 bzw. der Folie 70. Wenn eine ausreichende Menge an Energie zugeführt wird, erwärmt sich das membranhafte Element 38 bzw. die Folie 70 und verdampft, um ein ringförmiges Plas­ ma zu bilden, das die Brennstoffmasse 42 umgibt. Anschließend dringt das Plasma implodierend in und durch die Brennstoffmasse 42, wodurch eine wirksame Verbrennung begünstigt wird, um den erforderlichen Druck und die erforderliche Temperatur zur Beschleunigung des Projektils 16 zu erzeugen.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Reihe von Einzelladungsmodulen ist innerhalb einer schlanken Artillerie-Ladungskammerwand 52 dargestellt. Ein segmentiertes, mem­ branhaftes Element 38 erstreckt sich durch die Ladungsmodule 56. Jede Modulkammer 56 ist ein getrenntes Paket, das eine Treibmasse und ein membranhaftes Element 38 enthält, das von den anderen Paketen durch dielektrische Unterteilungselemente 72 isoliert ist. Wenn über den Leistungsversorgungsanschluß 24 ein starker Strom geliefert wird, fängt das membranhafte Element 38 in jedem Ladungsmodul 56 an, sich zu erwärmen. Schließlich verdampft das membranhafte Element 38 und ermöglicht die Bildung eines Plasmas, das sich über die gefüllte Länge der Ladungskammer 52 erstreckt. Das Plasma zehrt die Auskleidungs­ hülle 44 auf und dringt in die in jeder Modulkammer 56 enthaltene Brennstoffmasse ein. Die Unterteilungselemente 72 dienen als zeitweilige Trennwände welche das Plasma am Kurzschließen mit der Ladekammer­ wand 52 hindern und später während des Verbrennungszyklus aufgezehrt werden. Der Prozeß ermöglicht eine nahezu augenblickliche Entwicklung eines ausgeglichenen Verbrennungsdruckes und einer ausgeglichenen Temperatur über die gesamte Kammerwand 52. Die Module können also zusammengesetzt werden, indem sie sich von einem Modul aus über die gesamte Kammerlänge erstrecken, wodurch eine Geschwindigkeits­ zonenbildung ermöglicht wird.

Die Fig. 4A, 4B, 4C sind graphische Daten der Ergebnisse des Freiluft­ tests unter Verwendung eines jeweils entsprechenden Aluminiumschmelz­ drahtes, eines zylindrischen Membranaluminiumstabes und eines ringförmi­ gen Membranaluminiumstabes. Die Testergebnisse der Fig. 4A, 4B, 4C sind durch Zuführen eines Hochenergiestromes über den Leistungsver­ sorgungsanschluß 24 gewonnen. In erster Linie konzentriert sich der Test auf das Messen des Stromes und der Spannung, um dadurch die Leistung und den Widerstand zu bestimmen. Diese Parameter sind für das Leistungsverhalten eines Plasmaerzeugungssystems entscheidend. In den Fig. 4A, 4B, 4C werden typische Freilufttestdaten für die Leistung in Megawatt (MW) und den Widerstand in Milliohm (mΩ), bezogen auf die Zeit in Millisekunden (ms), dargestellt. Aus diesen Beziehungen kann entnommen werden, daß der Aluminiumschmelzdraht (vgl. Fig. 4A) eine Leistungsspitze bei etwa 0,4 ms aufweist, und daß die Leistung ihre höchste Spitze nach zwei Millisekunden erreicht und dann scharf abfällt. Anschließend nimmt die Leistung allmählich ab und erreicht nach etwa acht Millisekunden den Wert Null. Allgemein übt eine Leistungsspitze dieses Typs eine Schockwirkung auf das Treibmittel aus und ist uner­ wünscht. Die Widerstandsablesungen variieren ebenfalls mit der Zeit. Anfänglich entwickelt sich nach etwa 0,2 ms eine Widerstandsspitze′ die anzeigt, daß der anfängliche Stromfluß durch den Zünddraht recht klein ist. Nach etwa 0,3 ms beginnt aber der Widerstand rasch abzufallen. Nach etwa acht Millisekunden nimmt der Widerstand rasch zu und wird anschließend unstet, was eine Instabilität und Verschlechterung des Lichtbogens anzeigt die schließlich zu einer Löschung des Plasmabogens führt. Im Vergleich dazu zeigt Fig. 4B die Widerstands- und Leistungs­ ablesungen, die für den zylindrischen Aluminiummembranstab ermittelt wurden. Nach etwa 0,05 ms erreicht die Leistung ihre höchste Spitze und fällt bis zum Ablauf von 0,2 ms rasch ab. Danach nimmt die Leistung bis zum Ablauf von etwa 0,8 ms allmählich zu. Dann nimmt die Leistung nach 5,5 ms allmählich auf Null ab. Auch die Widerstands­ ablesungen variieren mit der Zeit. Anfänglich steigt nach etwa 0,05 ms der Widerstand scharf an. Dann fällt der Widerstand ab und liefert eine neue konstante Ablesung zwischen 0,2 und etwa 5 Millisekunden. In ähnlicher Weise zeigen die Ablesungen für die Leistung einen kräfti­ gen Anstieg der Leistung nach etwa 0,01 ms, worauf ein Leistungsabfall bei etwa 0,2 ms erfolgt. Anschließend steigt die Leistung bis etwa zwei Millisekunden allmählich an, worauf ein allmählicher Abfall der Leistung auf Null bei etwa 5,5 Millisekunden folgt. Ein Vergleich der Wider­ stands- und Leistungskurven der Fig. 4B mit denjenigen der Fig. 4A bestätigt, daß der zylindrische Membranzünder erhebliche Verbesserungen und Vorteile gegenüber dem Standardzünddraht herbeifährt. Zunächst ist die Widerstandsspitze im Zünddraht (vgl. Fig. 4A) vergleichsweise groß. Dies setzt sich in eine hohe Spannung und hohe Leistungsspitzen um. Die Leistungsspitzen üben eine Schockwirkung auf das Treibmittel oder auf die Brennstoffmasse aus. Solche Schocks verhindern eine wirksame Verbrennung und begrenzen daher die Entwicklung eines konstanten Druckes in der Geschützladekammer. Infolgedessen wird das Leistungs­ verhalten des elektrothermisch-chemischen Geschützsystems erheblich eingeschränkt. Zweitens entwickelt sich, wie oben gesagt, im Falle des Zünddrahtes eine Leistungsspitze (vgl. Fig. 4A), und die Kurve zeigt einen raschen Anstieg und Abfall, was eine kleine Fläche unter der Kurve ergibt. Die Leistungskurve für das zylindrische membranhafte Element zeigt eine vergleichsweise niedrige Spitze sowie ein Kurvenprofil mit einem allmählichen Anstieg und Abfall, was eine große Fläche unter der Kurve ergibt.

Bezugnehmend auf Fig. 4C, die die Widerstands- und Leistungsablesungen für den ringförmigen Membranstab anzeigt, zeigen die Widerstandsable­ sungen eine gedämpfte Spitze bei 0,5 ms. Die Ablesungen fallen sofort nach 0,5 ms ab und zeigen danach eine allmähliche Zunahme, die einen allgemein sanften Anstieg des Widerstandes darstellt. Dies führt zu einer höheren Durchschnittsleistungsausbeute. Wie die Leistungskennlinie zeigt, ist die Leistungsspitze erheblich kleiner, wobei die Kurve einen sanften Übergang zwischen dem Anstieg bei 0,4 ms und der anschließen­ den allmählichen Abnahme zeigt.

Anhand dieser Vergleichskurven kann demgemäß gezeigt werden, daß der ringförmige Membranstab die höchste Leistungsabgabe bei einer gegebe­ nen elektrischen Energieeingabe liefert. Der zylindrische Membranstab liefert die zweithöchste Leistungsabgabe, während ein typischer Zünddraht die niedrigste Leistungsabgabe liefert. Es sei darauf hingewiesen, daß die Freilufttestdaten bei allen drei Zündmitteltypen unter gleichartigen Bedingungen ermittelt wurden. Die aus dem Freilufttest abzuleitende Schlußfolgerung ist die, daß das membranhafte Element, das einen der ausschlaggebenden Aspekte der vorliegenden Erfindung darstellt, die ringförmige Plasmainjektionsvorrichtung befähigt, elektrisch wirkungsvoll zu sein und auf das Treibmittel oder die Brennstoffmasse eine geringere Schockwirkung ausübt. Wegen der geringeren Spannungsspitze im Ver­ gleich zum Zünddraht werden darüber hinaus die Risiken eines dielek­ trischen Durchschlags minimiert, so daß Kurzschlußprobleme vermieden werden.

Die hier offenbarte ringförmige Plasmainjektionsvorrichtung ermöglicht also die Bildung und Verteilung einer einschließbaren, ringförmigen Plasmabogenkette, um ein wirksames Verbrennen einer Brennstoffmasse zu begünstigen und dadurch eine höhe Mündungsgeschwindigkeit herbei­ zuführen. Bisher verwenden Plasmainjektionssysteme explodierende Drähte und Elektroden zur Erzeugung einer im allgemeinen linearen Plasmabogenquelle. Weiter umfassen die Verteilungsvorrichtungen des Standes der Technik ein perforiertes Rohr oder äquivalente Vorrichtun­ gen, die das Plasma radial oder vektoriell in die Kammer eines Treib­ mittels oder einer Brennstoffmasse entladen. Die Übertragung des Plasmas zwecks Verteilung aus einem Zünddraht an eine Kapillare mit Hilfe eines perforierten Rohres oder eines äquivalenten Mittels führte zur Entwicklung sowohl von großen Widerstandsspitzen, als auch eines elektrisch instabilen Plasmas, was daher, im Rahmen der bisherigen Praxis, unüberwindbare Probleme in bezug auf die Betriebsfähigkeit und Zuverlässigkeit stellt. Noch wichtiger ist, daß sich ein durch explodieren­ de Zünddrähte erzeugtes, zentral plaziertes Plasma rein zufällig an die Erdrückleitung durch die Verteilungskapillare, wie etwa ein geerdetes perforiertes Rohr, anheftet und einen Kurzschluß erzeugt, der zu einer unvorhersagbaren Zündung, einer schlechten Leistungsübertragung und einer potentiell unkontrollierbaren Detonation führt. Der hier offenbarte ringförmige Plasmainjektor ermöglicht sowohl eine zuverlässige Bildung, Inkubation und Einschließung des Plasmas, als auch eine ebensolche Verteilung, Infusion und Permeation des Plasmas in die Brennstoffmasse, bei gleichzeitiger Überwindung aller beim Stande der Technik angetroffe­ nen Einschränkungen und Probleme. Insbesondere führt die vorliegende Erfindung zu einer signifikanten Verbesserung der Technik durch die Benutzung der Kapillare 32 als Plasmaquelle, die in unmittelbarer Nähe der Brennstoffmasse 42 angeordnet ist. Dies vermeidet den Bedarf nach Zwischenelementen wie etwa einem perforierten Rohr, um das Plasma von einer Entladungsquelle aus zu übertragen und zu verteilen. Wie oben besprochen, wird das Plasma vom membranhaften Element 38 direkt durch Infusion und Permeation in die Brennstoffmasse 42 einge­ bracht. Weiter schwindet die ringförmige Kapillare 32, anders als perfo­ rierte Rohre, unter Aufzehrung allmählich dahin, was den zusätzlichen Vorteil der Beseitigung der Wahrscheinlichkeit mit sich bringt, daß das Plasma an Erde gelangt und die elektrothermisch-chemische Verbrennung kurzschließt. Weiter ergibt die vorliegende Erfindung, anders als bei Zünddrähten, einen großen Oberflächenbereich für die Plasmaverteilung und die direkte Infusion desselben in eine zusammenhängende Brennstoff­ masse. Insbesondere kann das membranhafte Element 38 oder das Folienelement 70, wie weiter oben unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 2A besprochen wurde, dazu benutzt werden, Brennstoff aufzunehmen, um die Plasmawirkungen auf die Brennstoffmasse 42 zu steigern, oder um eine Brennstoff-/Oxidatorschichtung herbeizuführen. Zusätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung durch strategisches Plazieren von Zwischenelek­ troden 46 (vgl. Fig. 1B) die Erzeugung von seriell segmentierten Plasma­ bögen, um differenzierte Zünd- und Verbrennungsmuster zu ermöglichen. Bei einer anderen Ausführungsform enthalten getrennte Ladungsmodule eine aufzehrbare Plasmaerzeugungsvorrichtung. Die Ladungsmodule sind entlang einer Kammerlänge angeschlossen, um eine Geschwindigkeits­ zonenbildung zu ermöglichen.

Wie bei den oben offenbarten Bestausführungen angegeben, wird die ringförmige Plasmabildung, Inkubation, Segmentation, Verteilung, Infusion und Permeation durch die Elemente dieser Erfindung und ihr Zusam­ menwirken durchgeführt. Insbesondere bringt das membranhafte Element 38 mit einer labyrinthartigen, wolligen, schaumartigen und ringförmig be­ schichteten Kapillare, und/oder der zylindrisch ausgebildete Stab eine erhebliche Verbesserung gegenüber der bisherigen Praxis mit sich. Das Element 38 mit seinen zufällig und/oder gleichförmig orientierten Hohl­ räumen und Poren enthält ein Leervolumen, in welchem, wie oben besprochen, ein Fluid oder ein Brennstoff gespeichert werden kann, um das Plasma mit einem vorkonditionierenden Fluid, wie etwa HAN (Hy­ droxylammoniuninitrid) zu imprägnieren. Als alternative Ausführungsform kann eine Folienmembran verwendet werden, um die oben aufgeführten Vorteile herbeizuführen.

Obwohl nur eine bevorzugte Ausführungsform der ringförmigen Plasmain­ jektionsvorrichtung dargestellt und beschrieben worden ist, versteht sich natürlich, daß verschiedene Änderungen und Umgestaltungen vorgenom­ men werden können, ohne daß von der Idee der Erfindung, wie sie durch den Rahmen der beigefügten Ansprüche definiert ist, abgewichen wird.

Claims (30)

1. Ringförmige Plasmainjektionsvorrichtung mit einer Brennstoffmasse, die einen Versorgungsanschluß zum Zuführen einer ausreichenden Energie besitzt, um ein Plasma zu erzeugen und ein Projektil zu beschleunigen, wobei die Vorrichtung aufweist:
Mittel zum Richten der Energie an eine erste Anschlußklemme;
Mittel zum Richten der Energie an eine zweite Anschlußklemme; und
Mittel zum Entwickeln, Einschließen, Inkubieren und Verteilen eines Plasmabogens in der Brennstoffmasse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Richten der Energie an die erste Anschlußklemme einen Energiezufuhrstab umfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der Mittel zum Richten der Energie an die zweite Anschlußklemme eine membranhafte Kapillare umfassen, die Kontakte mit den Mitteln zum Richten der Energie und mit der zweiten Anschlußklemme hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Entwickeln, Einschließen, Inkubieren und Verteilen des Plasmabogens in der Brennstoffmasse eine Kapillare aus leitendem Material aufweisen, die räumlich verteilte Poren mit zufälligen Größen umfassen, welche, miteinander verbunden, beschichtet sind und eine schaumartige, wollige, rohrförmige Struktur bilden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Mittel zum Entwickeln, Einschließen, Inkubieren und Verteilen des Plasmabogens in der Brennstoffmasse ein leitendes Material umfassen, das eine Folienka­ pillare aufweist.

6. Ringförmige Plasmainjektorvorrichtung mit einer Brennstoffmasse und einem Leistungsversorgungsanschluß zum Beschleunigen eines Projek­ tils, umfassend:
eine membranhafte Kapillarstruktur;
eine Vielzahl von Anschlußklemmen; und
Mittel zum Anschließen der Kapillare und der Anschlußklemmen an den Leistungsversorgungsanschluß.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die membranhafte Kapillar­ struktur räumlich verteilte Poren variabler Größe umfaßt, die ge­ schichtet sind, um eine schaumartige, wollige, rohrförmige Umschließ­ ung zu bilden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die membranhafte Kapillar­ struktur eine Folie umfaßt, die eine rohrförmige Umschließung bildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die membranhafte Kapillar­ struktur an die genannten Anschlußklemmen angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die membranhafte Kapillar­ struktur an eine Leistungsversorgungsquelle angeschlossen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die Anschlußmittel einen Energiezufuhrstab umfassen, der sich zwischen den genannten An­ schlußklemmen erstreckt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei dem die Anschlußmittel innerhalb der membranhaften Kapillarstruktur angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die membranhafte Kapillare ein loses, offenes Gewebe mit einer verwobenen Maschenkonstruk­ tion und einer inneren und äußeren Oberfläche aufweist, die zwi­ schen sich eine Schicht und ein Leervolumen definieren.

14. Ringförmige Plasmainjektorvorrichtung mit einer Brennstoffmasse, die einen Leistungsversorgungsanschluß zum Zuführen ausreichender Energie aufweist, um ein Plasma zu erzeugen und ein Projektil zu beschleunigen, umfassend:
Mittel zum Richten der Energie an eine erste und eine zweite Anschlußklemme; und
Mittel zum Entwickeln, Einschließen, Inkubieren, Verteilen und oberflächenmäßigem Infundieren des Plasmabogens in der Brennstoff­ masse.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Mittel zum Richten der Energie einen Energiezufuhrstab umfassen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Mittel zum Entwickeln des Plasmas ein membranhaftes Kapillarelement umfassen, das eine mattenhafte, wollige, labyrinthartige Schaumstruktur mit Poren von Zufallsgröße und Zufallsorientierung besitzt, wobei sich die Struktur durch die gesamte Kapillare erstreckt.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Einschließungsmittel Poren umfassen, die ein Leervolumen definieren.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Mittel zum Plasmainku­ bieren Schichten einer Schaumstruktur umfassen, die ein geschlosse­ nes Volumen definieren.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Mittel zum Verteilen und oberflächenmäßigen Infundieren des Plasmabogens in der Brenn­ stoffmasse vernetzte, miteinander verbundene, labyrinthbildende Poren aufweisen.

20. Plasmaerzeugungsvorrichtung, die aufweist:
einen membranhaften Zünder, der Segmente aufweist;
eine Vielzahl von Elektroden mit mindestens einer Zwischenelek­ trode zwischen den Segmenten; und
Mittel zum Liefern einer ausreichenden Energie, um den Zünder zu verdampfen und das Plasma zu erzeugen.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die seriell segmentierten Plasmabögen zwischen den genannten Elektroden und der genannten Zwischenelektrode gebildet werden.

22. Plasmaerzeugungsvorrichtung, die aufweist:
eine Anoden- und eine Kathodenanschlußklemme;
einen membranhaften Zünder mit durchtrennbaren Segmenten;
eine Reihe von Ladungsmodulen, die durch die Länge der Segmente definiert ist;
eine Brennstoffmasse, die die Segmente umgibt; und
Mittel zum Liefern einer ausreichenden Energie, um den Zünder zu verdampfen.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der die durchtrennbaren Segmen­ te unter Bildung modularer Ladungen zusammengesetzt sind.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der die Ladungsmodule durch dielektrische Unterteilungselemente isoliert sind.

25. Verfahren zum Einbringen eines brennstoffimprägnierten Plasmas in eine Brennstoffmasse, umfassend:
Speichern von Brennstoff in einem Leervolumen einer membran­ haften, wolligen, labyrinthbildenden und porösen Schaumstruktur, die zusammenhängend an der Brennstoffmasse angebracht ist;
Speisen der Struktur mit Energie, um sie zu verdampfen und um Plasma zu erzeugen;
Sättigen des Plasmas mit Brennstoff, der im Leervolumen gespeichert ist, um dadurch ein brennstoffimprägniertes Plasma zu bilden; und
Entladen des brennstoffimprägnierten Plasmas in die Brennstoffmasse.

26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem das Leervolumen durch aufzehrbare Umhüllungsschichten vom Brennstoff getrennt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem Brennstoffe verschiedener Energie im Leervolumen gespeichert werden.

28. Verfahren zur Geschwindigkeitszonenbildung unter Benutzung mem­ branhafter, durchtrennbarer Zündersegmente, umfassend:
Einbetten eines Zünders in einer Brennstoffmasse, um dadurch einen Modul zu bilden;
Isolieren jedes Moduls;
Aufrechterhalten des Kontaktes zwischen den Zündsegmenten in jedem Modul; und
Zuführen von Energie in die Zündsegmente, um die Zündsegmente zu verdampfen.

29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem ein dielektrisches Trennele­ ment zum Isolieren zwischen jedem Modul eingebaut wird.

30. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem eine geforderte Geschwindig­ keitszone durch Variieren eines einzelnen Segmentes und irgendeiner Kombination aller durchtrennbaren Segmente, der Modulgröße und der Brennstoffmasse erhalten wird.