Die Erfindung betrifft einen elektrothermalen Beschleuniger nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie des Patentanspruchs 8.
Ein einfacher, dem Stand der Technik angehörender elektrothermaler Beschleuniger ist beispielhaft in Figur 1 dargestellt.
In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 2 eine integral mit einem Lauf ausgebildete zweite Elektrode, das Bezugszeichen 3 einen Brennraum, das Bezugszeichen 4 ein Projektil, das Bezugszeichen 5 einen den Brennraum 3 umgebenden Isolator 5, das Bezugszeichen 6 einen weiteren Isolator und das Bezugszeichen 7 eine axiale Halterung. Die Beschleunigungsrichtung des Projektils 4 ist in Pfeilrichtung.
Ferner ist der Figur 1 ein mit den Elektroden 1, 2 in Verbindung stehender Stromkreis mit einem Schalter und einer Kondensatorbank 10 zu entnehmen. Die Entladung der Kondensatorbank 10 wird über den Schalter 9, der vorzugsweise ein Ignitionsschalter ist, zur Elektrode 1 geleitet. Zwischen dieser Elektrode 1 und der Elektrode 2 wird ein Metalldraht oder eine Metallfolie eingebracht. Beim Schließen des Schalters 9 wird dieser Draht bzw. diese Folie durch den fließenden elektrischen Strom aufgeheizt, verdampft und ionisiert. Es entsteht ein unter hohem Druck stehendes Gas mit hoher Temperatur, das auch als Hochdruckplasma bezeichnet wird. Vorzgusweise wird als Metalldraht bzw. Metallfolie ein Material verwendet, das - wie Aluminium oder Lithium - ein geringes spezifisches Gewicht hat, weil dann für die Beschleunigung des sich daraus bildenden Gases möglichst wenig Energie aufgewendet werden muß. Dieses Hochdruckplasma expandiert dann in den an der Elektrode 2 beginnenden Lauf 2 und beschleunigt darin das Projektil 4.
Ein derartiger elektrothermaler Beschleuniger ist auch in der US-A-3,148,587 beschrieben. Dabei weist der in Figur 1 der US-A-3,148,587 dargestellte Beschleuniger am hinteren Ende der Brennkammer eine senkrecht zur Beschleunigungsrichtung orientierte Elektrodenanordnung auf, die einen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Projektils verlaufenden Lichtboden erzeugt. Unmittelbar hinter der Entladungsstrecke verläuft parallel zu dieser eine die Elektrodenanordnung speisende Stromzuführung.
Tritt in der Entladungsstrecke ein Lichtbogen auf, so wird dieser durch das Magnetfeld, das sich um die hinter ihm verlaufende Stromzuführung ausbildet, in Beschleunigungsrichtung deformiert. Dies bewirkt eine Verstärkung der das Projektil beschleunigenden Gasentladung.
Die vorliegende Erfindung strebt an, bei einem elektrothermalen Beschleuniger der eingangs genannten Art eine Erhöhung der Beschleunigungswirkung des Plasmas zu erzielen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 8.
Die Figuren 2A und 2B zeigen eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten, elektromagnetisch verstärkten Beschleunigers. Dieser elektrothermale Beschleuniger weist einen Brennraum 13 auf, der von einem Kunststoffisolator 16 umgeben ist. Bringt man in diesen Kunststoffisolator 16 geschlossene Leiterringe 17 so an, wie es in den Figuren 2A und 2B gezeigt ist, dann erzeugt der mit der Frequenz der Entladung der Kondensatorbank zeitlich verändertliche Fluß des den von der Elektrode 11 zur Elektrode 12 fließenden elektrischen Strom umgebenden azimutalen Magnetfelds in diesen Leiterringen 17 einen Strom. Dieser Ringstrom erzeugt über ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld eine zusätzliche verlängerte Kompression des Hochdruckplasmas zwischen den Elektroden 11 und 12, diese wird als Theta-Pinch bezeichnet und der Wirkungsgrad des Beschleunigers wird durch die induktive Verstärkung verbessert. Dabei bezeichnet das in Figur 2A dargestellte Bezugszeichen 15 einen die Brennkammer 13 umgebenden HD-Isolator.
Entsprechend der Darstellung in Figur 3 besteht die zweite Stufe des elektrothermalen Leichtgasbeschleunigers aus einem Leichtgasbeschleuniger, wobei der Lauf des elektrothermalen Beschleunigers als Pumprohr 22 ausgebildet ist. Der beschleunigte Kolben 27 bewegt sich in das Pumprohr 22 hinein, das mit unter hohem Druck stehenden Gas 28 geringen spezifischen Gewichts gefüllt ist. Vorzugsweise wird hier Wasserstoff oder Helium verwendet. Der Kolben 27 komprimiert dieses Hochdruckgas 28, bis die am Ende des Pumprohres angebrachte Membrane 20 birst. Dann tritt dieses Hochdruckgas 28 in den Lauf des Beschleunigers ein und beschleunigt das dort eingebrachte Projektil 24.
Ferner ist in Figur 3 ein Isolator 26, ein HD-Isolator 25 sowie ein Schalter 29 und eine Kondensatorbank 30 dargestellt.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß zur Beschleunigung des Projektils nur noch ein Gas von geringem spezifischen Gewicht, nämlich von dem von Wasserstoff oder Helium, beschleunigt werden muß. Dadurch wird weniger Energie zur Beschleunigung des Gases aufgewendet, und es bleibt mehr Energie zur Beschleunigung des Projektils 24 übrig.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß dieser elektrothermale Beschleuniger elektromagnetisch verstärkt ist und diese elektromagnetische Verstärkung aus der gleichen Energie versorgt und mit der gleichen Energiequelle betrieben wird, wie der elektrothermale Beschleuniger als solcher. Damit entfällt eine hierfür einzusetzende zusätzliche Energiequelle mit Schalter und eine Kopplungselektronik. Die hier dargelegten Formen der elektromagnetischen Verstärkung sind zudem so ausgebildet, daß keinerlei Schalter erforderlich sind.
Die Figuren 4A und 4B zeigen eine zweite vorteilhafte Ausführungsform, bei der die in den Figuren 2A, 2B dargestellte induktiv gekoppelte Verstärkung so ausgeführt ist, daß jede einzelne Windung 37, die für die induktive Verstärkung eingesetzt wird, als RLC-Kreis ausgebildet ist.
Dadurch kann über eine Veränderung der Phase und Amplitude sowie Frequenz dieser RLC-Kreise eine Anpassung der elektromagnetischen Verstärkung erreicht werden. Dies führt zu einer optimalen Anordnung des Gesamtgerätes, sowohl in einstufiger wie in zweistufiger Ausführung.
In der Figur 4A bezeichnet dabei das Bezugszeichen 38 einen Kondensator des RLC-Kreises, das Bezugszeichen 31 eine erste Elektrode, das Bezugszeichen 32 eine mit dem Lauf ausgebildete zweite Elektrode, das Bezugszeichen 35 einen HD-Isolator, das Bezugszeichen 36 einen Isolator und das Bezugszeichen 33 die Brennkammer.
Die Figuren 5A und 5B zeigen eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der die die induktive Kopplung bewirkende Spule 47 aus mehreren Windungen besteht.
Insbesondere kann die elektromagnetische Verstärkung durch eine einzelne Spule 47 mit mehreren Windungen durchgeführt werden, die torusförmig um den Entladungsraum des elektrothermalen Beschleunigers angeordnet ist.
Ferner ist in Figur 5A eine erste Elektrode 41, eine im Lauf ausgebildete zweite Elektrode 42, ein HD-Isolator 45 und ein Isolator 46 erkennbar.
Die Figuren 6A und 6B zeigen eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Spule 57 wiederum als Teil eines RLC-Kreises ausgebildet ist.
Der RLC-Kreis umfaßt einen Kondensator 58 und die Figur 6A zeigt ferner eine erste Elektrode 51, eine zweite im Lauf ausgebildete Elektrode 52, einen Brennraum 53 sowie einen HD-Isolator 55 und einen Isolator 56.
Die Figuren 7A und 7B zeigen eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Strom zu der hinteren Elektrode 61 dieses elektrothermalen Beschleunigers so geleitet wird, daß er eine Spule 67 mit mindestens einer Windung durchläuft, die den Brennraum 63 des elektrothermalen Beschleunigers umgibt. Das von dieser Spule 67 erzeugte, zeitlich veränderliche elektromagnetische Feld bewirkt eine magnetogasdynamische Kompression des im Brennraum 63 entstandenen Plasmas (Theta-Pinch) und damit eine elektromagnetische Verstärkung des Beschleunigers.
Ferner ist in Figur 7A eine im Lauf integrierte zweite Elektrode 62, ein HD-Isolator 65 sowie ein Isolator 66 dargestellt.
Der elektrothermale Leichtgasbeschleuniger besteht jeweils aus einer elektrothermalen ersten Stufe, welche aus einem einfachen elektrothermalen Beschleuniger, vorzugsweise jedoch aus einem elektromagnetisch verstärkten elektrothermalen Beschleuniger besteht, wie er vorstehend anhand der verschiedenen Ausführungsvarianten erläutert worden ist, und einem Leichtgasbeschleuniger als zweiter Stufe. In letzterem Fall ist die Anordnung die gleiche, wie sie in Figur 3 für den einfachen elektrothermalen Beschleuniger angegeben ist, wobei die jeweils benutzte Ausführungsform der elektromagnetischen Verstärkung so wie sie in den Figuren 2A, 2B, 4A, 4B, 5A, 5B, 6A, 6B und 7A, 7B dargestellt ist, hinzuzufügen ist.
Die Figuren 8A bis 8F zeigen eine Ausführungsform des Beschleunigers, bei dem der elektrische Strom, der von dem Magnetfeld, das der im Brennraum 73 verlaufende Lichtbogen erzeugt, und induziert wird, durch eine Leiterschleife 77 mit einem Kondensator 78 geleitet wird, die den Brennraum 73 ringförmig umgibt.
Ferner ist in den Figuren 8A bis 8F eine erste Elektrode 71, eine mit dem Lauf integrale zweite Elektrode 72 sowie ein HD-Isolator 75 sowie ein Kunststoffisolator 76 dargestellt.
Der zeitlich veränderliche Strom in dieser Leiterschleife 77 erzeugt einen entgegengesetzt gerichteten Strom im Lichtbogenplasma im Brennraum 73. Die Wechselwirkung des Stromes in der ringförmigen Leiterschleife 77 mit dem induzierten Ringstrom in dem Lichtbogenplasma bewirkt eine axiale Beschleunigung des Lichtbogenplasmas und damit eine zusätzliche Beschleunigung des Projektils und einen besseren Wirkungsgrad des Beschleunigers.
Die elektromagnetische Verstärkung erfolgt also, wie bereits dargestellt, entweder
Bei der induktiven Verstärkung muß die Wirkung des in der Sekundärspule induzierten Stromes entweder von dieser Sekundärspule oder von einer von dieser Sekundärspule gespeisten Stromschleife aus erfolgen. Diese Stromschleife wird an geeigneter Stelle um den Brennraum angeordnet. Der durch diese Leiterschleife fließende zeitlich veränderliche Strom erzeugt am Ort des primären Lichtbogens im Brennraum ein vorwiegend axiales Magnetfeld, und dessen zeitliche Änderung führt zu einem Ringstrom, der in der gleichen Ebene fließt, wie der Strom in der Leiterschleife, diesem aber entgegengesetzt gerichtet ist. Beide Stromschleifen stoßen sich ab und es ergibt sich eine auf das Lichtbogenplasma wirkende axiale Kraft, die das Plasma zusätzlich beschleunigt und damit eine Verstärkung der Projektilbeschleunigung bewirkt.
Diese Anordnung kann von
In allen diesen Fällen ist zu erwarten, daß die Beschleunigung des Projektils verstärkt wird, dies würde im gasdynamischen Modell einer Anordnung mit "mitbewegtem Brennraum" entsprechen.