Die Erfindung betrifft einen Plasmagenerator.
Plasmageneratoren werden vielfältig eingesetzt. Die US
6 237 494 B1 zeigt beispielsweise einen Plasmagenerator, der in einer Rohrwaffe
und einem Geschoss integriert ist. Der Plasmagenerator umfasst rohrwaffenseitig
eine Hochspannungseinrichtung zur Erzeugung einer Hochspannung. Die Hochspannungseinrichtung
ist geschossseitig an einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode angeschlossen.
Zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist eine elektrisch leitende
Faserstruktur angeordnet, die aus Kupfer- oder Magnesiumdrähten bestehen kann. Um
das Plasma zur Zündung der Treibladung des Geschosses zu erzeugen, verdampft man
die elektrisch leitende Faserstruktur mit Hilfe der elektrischen Energie der Hochspannungseinrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Plasmagenerator so
auszubilden, dass das Plasma auf eine alternative Art und Weise erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass der Plasmagenerator
ein Plasma auf Grund physikalisch-chemischer Reaktionen erzeugt, die synergistisch
zusammenwirken. Der Plasmagenerator umfasst zunächst eine Hochspannungseinrichtung
zur Erzeugung einer Hochspannung, die mindestens an eine erste Elektrode und zweite
Elektrode angeschlossen ist. Ferner umfasst der Plasmagenerator einen Druckerzeuger,
um eine elektrisch leitende, brennbare Flüssigkeit unter Druck zu setzen. Der spezifische
elektrische Widerstand der brennbaren, elektrisch leitenden Flüssigkeit ist kleiner
als 800 K&OHgr;mm2/m. Der Druckerzeuger ist an eine Einspritzdüse angeschlossen,
mit der ein geschlossener Flüssigkeitsstrahl erzeugbar ist. Die Elektroden sind
bezüglich des Flüssigkeitsstrahls so angeordnet, das der Flüssigkeitsstrahl bei
der Plasmazündung eine Kontaktbrücke bildet. Der Plasmagenerator kann so betrieben
werden, dass man die erste Elektrode und zweite Elektrode mit Hilfe der Hochspannungseinrichtung
zunächst elektrisch vorspannt. Anschließend erzeugt man mit der brennbaren, elektrisch
leitenden Flüssigkeit einen Flüssigkeitsstrahl, der die erste und zweite Elektrode
überbrückt. Auf Grund der elektrischen Leitfähigkeit der Flüssigkeit wird die elektrische
Entladung ausgelöst. Die Flüssigkeit stellt auch gleichzeitig ein plasmabildendes
Medium dar, aus dem zumindest teilweise das Plasma entsteht. Weil die Flüssigkeit
ebenso brennbar ist, kommt es zu einer sehr schnellen Verbrennung und einer erheblichen
zusätzlichen Energiefreisetzung, die um ein Vielfaches höher liegt als die eingesetzte
elektrische Energie. Es laufen nacheinander drei physikalisch-chemische Reaktion
ab, nämlich die Entladung, die Plasmabildung und die Verbrennung. Diese Reaktionen
wirken synergistisch so zusammen, dass zur Zündung und Plasmabildung des Flüssigkeitsstrahls
eine geringe elektrische Energie benötigt wird, wodurch die Hochspannungsvorrichtung
in kostengünstiger Weise klein ausfallen kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist die brennbare, elektrisch
leitende Flüssigkeit einen Sauerstoffträger als Bestandteil auf. Mit dieser Maßnahme
erzielt man eine sehr kurze, explosionsartige Verbrennungsdauer. Ferner erreicht
man, dass der Plasmagenerator auch im Vakuum betrieben werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die brennbare, elektrisch leitende
Flüssigkeit eine Lösung mit Nitratsalzen. Nitratsalze sind Sauerstoffträger und
setzen nach einer Erhitzung den zur Verbrennung der Flüssigkeit notwendigen Sauerstoff
frei.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Lösung mit Nitratsalzen
als Hauptbestandteil eine Alkohollösung. Eine Alkohollösung mit Nitratsalzen erfüllt
gleichzeitig vier wichtige Anforderungen. Sie ist elektrisch leitfähig, brennbar,
beinhaltet den zur Verbrennung notwendigen Sauerstoff und ermöglicht die Ausbildung
einer Lösung.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der verwertbare Energiegehalt
der brennbaren, elektrisch leitenden Flüssigkeit größer als 6 kJ/cm3.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Hochspannungseinrichtung
so ausgebildet, dass eine einzige elektrische Entladung über die Kontaktbrücke des
Flüssigkeitsstrahls stattfindet. Dies führt zur Bildung eines Plasmas, welches wiederum
den Flüssigkeitsstrahl durch die entstehende Hitze zündet und in
eine schnelle Verbrennung überführt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Plasmagenerator als Teil
einer Rohrwaffe ausgebildet, um eine Treibladung zu zünden. Die zuzuführende elektrische
Energie sowie die elektrisch leitende, brennbare Flüssigkeit lassen sich unabhängig
voneinander genau dosieren, so dass die Gesamtenergie dem Bedarf einfach und exakt
angepasst werden kann. Treibladungspulver haben die unerwünschte Eigenart, bei unterschiedlichen
Umgebungstemperaturen auch unterschiedlich zu zünden. Durch die genaue Dosierbarkeit
der zuzuführenden Gesamtenergie erhöht sich die Treffsicherheit. Durch eine Veränderung
der Zusammensetzung der elektrisch leitenden Flüssigkeit lässt sich das Zündverhalten
ebenfalls beeinflussen. Da sich das Anzündmedium nicht im Verbund mit der Treibladung
befindet, ist die Sicherheit bei der Handhabung und bei dem Transport der Munition
erhöht. Der Plasmagenerator eignet sich ferner für alle Kaliber und insbesondere
für eine hülsenlose Munition.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Einspritzdüse,
die erste Elektrode und die zweite Elektrode so angeordnet, dass der in ein Plasma
zu überführende Flüssigkeitsstrahl in einem Zündkanal einer Treibladung eines Geschosses
bildbar ist. Hierdurch ist die Integralbauweise stärker verwirklicht.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Einspritzdüse,
die erste Elektrode und die zweite Elektrode von einem Druckgehäuse umgeben, in
dem der Flüssigkeitsstrahl in ein Plasma überführbar ist, wobei das Druckgehäuse
eine Gasaustrittsdüse aufweist, die so im Verschluss des Waffenrohres angeordnet
ist, dass mit den erzeugten Gasen eine Treibladung eines Geschosses zundbar ist.
Diese Alternative, bei der der Plasmagenerator als Baugruppe an der Rohrwaffe befestigt
ist, orientiert sich mehr an der Differenzialbauweise.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Plasmagenerator als Teil
einer Steuerrakete ausgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Einspritzdüse, die erste
Elektrode und die zweite Elektrode von einem Düsengehäuse umgeben, in dem der Flüssigkeitsstrahl
in ein Plasma überführbar ist, und das Düsengehäuse weist eine Gasaustrittsdüse
auf.
Gemäß weiteren Ausgestaltungen umfasst der Druckerzeuger eine Einspritzpumpe
oder alternativ eine Gasdruckeinrichtung oder eine Federdruckeinrichtung. Wenn der
Plasmagenerator als Teil einer Rohrwaffe ausgebildet ist, bietet sich alternativ
an, dass der Druck mit einer einen Explosivstoff enthaltenden Kapsel erzeugbar ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Elektrode
an der Einspritzdüse integriert. Dies vereinfacht den konstruktiven Aufbau.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine Rohrwaffe mit einem Plasmagenerator
zur Zündung einer Treibladung eines Geschosses, im Längsschnitt dargestellt;
2 eine Rohrwaffe, ähnlich wie in
1, jedoch mit einem alternativen Druckerzeuger;
3 eine Rohrwaffe, ähnlich wie in
1, jedoch ebenfalls mit einem alternativen Druckerzeuger;
4 einen Druckerzeuger, der anstelle des
Druckerzeugers, wie er in 3 verwendet wird, eingesetzt
werden kann;
5 eine Rohrwaffe, ähnlich wie in
1, jedoch mit einer alternativen Anordnung der ersten
und zweiten Elektrode;
6 eine Steuerrakete mit einem Plasmagenerator,
im Längsschnitt dargestellt;
7 eine Steuerrakete, ähnlich wie in
6, jedoch mit einer alternativen Anordnung der Gasaustrittsdüse.
Die 1 zeigt einen Plasmagenerator
1, der als Teil einer Rohrwaffe 50 ausgebildet ist, um eine Treibladung
54 zu zünden, die Teil des Geschosses 53 ist. Der Plasmagenerator
1 umfasst eine Hochspannungseinrichtung 10 zur Erzeugung einer
Hochspannung. Die Hochspannungseinrichtung 10 ist an eine erste Elektrode
11 und zweite Elektrode 12 angeschlossen. Der Plasmagenerator
1 umfasst einen Druckerzeuger 20, um eine elektrisch leitende,
brennbare Flüssigkeit 40 unter Druck zu setzen. Der spezifische elektrische
Widerstand der brennbaren, elektrisch leitenden Flüssigkeit 40 ist kleiner
als 800 K&OHgr;mm2/m. Der Druckerzeuger 20 ist an eine Einspritzdüse
30 angeschlossen, mit der ein geschlossener Flüssigkeitsstrahl
41 erzeugbar ist. Die Elektroden 11 und 12 sind bezüglich
des Flüssigkeitsstrahls 41 so angeordnet, dass der Flüssigkeitsstrahl
41 bei der Plasmazündung eine Kontaktbrücke bildet. Im Betrieb der Rohrwaffe
50 bildet die Einspritzdüse 30 die erste Elektrode 11.
Die zweite Elektrode 12 ist im Geschoss 53 angeordnet und die
elektrische Verbindung zur zweiten Elektrode 12 erfolgt über das Waffenrohr
51. Elektrisch ist die erste Elektrode 11 von der zweiten Elektrode
12 durch die Isolierung 52 voneinander getrennt.
Hinsichtlich Einzelheiten zur Hochspannungseinrichtung 10
ist diese so ausgelegt, dass eine einzige elektrische Entladung über die Kontaktbrücke
des geschlossenen Flüssigkeitsstrahles 41 stattfindet. Die elektrische
Energie zur Zündung des Flüssigkeitsstrahls 41 beträgt etwa 1 kJ und ist
von der Kalibergröße abhängig. Die geringe elektrische Energie zur Zündung des Flüssigkeitsstrahls
resultiert in einer geringen Baugröße der Hochspannungseinrichtung 10.
Die elektrische Spannung wird durch einen Hochspannungsgeneratorerzeugt, der einen
Kondensator auflädt. Der Aufbau der elektrischen Schaltung ähnelt der eines Fotoblitzgeräts.
Die benötigte Spannung ist abhängig von dem Kaliber. Mit zunehmendem Kaliber werden
längere Zündstrecken und höhere Spannungen verwendet. Um beispielsweise eine Zündstrecke
von 10–14 cm zu erreichen, wurde die Spannung auf 8 kV eingestellt.
In dem Ausführungsbeispiel nach 1 umfasst
der Druckerzeuger 20 eine Einspritzpumpe 21. Die Einspritzpumpe
21 setzt die brennbare, elektrisch leitende Flüssigkeit 40 unter
Druck und führt diese über ein Dosierventil 215 und ein Rückschlagventil
216 der Einspritzdüse 30 zu. Das Rückschlagventil 216
schütz den Druckerzeuger 20 vor dem hohen Druck, den die Treibladung
54 erzeugt.
Der Ablauf des Abfeuerns eines Geschosses stellt sich wie folgt dar.
Bei eingelegtem Geschoss 53 im Waffenrohr 51 wird ein Flüssigkeitsstrahl
41 erzeugt. Der geschlossene Flüssigkeitsstrahl 41 verbindet die
erste Elektrode 11, die gleichzeitig auch die Einspritzdüse 30
ist, mit der zweiten Elektrode 12, die am Geschoss 53 integriert
ist. Zwischen der ersten Elektrode 11 und der zweiten Elektrode
12 ist in der Treibladung 54 ein Zündkanal 541 angeordnet.
Die mit Hilfe der Hochspannungsvorrichtung 10 elektrisch vorgespannten
Elektroden 11 und 12 zünden den Flüssigkeitsstrahl 41
unter gleichzeitiger Plasmabildung. Auf Grund der Plasmabildung und auf Grund der
Verbrennung des Flüssigkeitsstrahls 41 erzielt man eine sehr hohe Temperatur,
welche die den Flüssigkeitsstrahl 41 umgebende Treibladung 54
im Zündkanal 541 anzündet. Nach der Zündung der Treibladung 54
wird das Geschoss 53 beschleunigt und tritt aus dem Waffenrohr
51 heraus.
Im Unterschied zur 1 zeigt
2 eine alternative Ausbildung des Druckerzeugers
20, bei dem der Druck mit einer einen Explosivstoff enthaltenen Kapsel
22 erzeugbar ist. Der Flüssigkeitsstrahl 41 wird in der Weise
erzeugt, dass durch den Gasdruck der gezündeten, Explosivstoff enthaltenden Kapsel
22 ein Dichtkolben 221 die Flüssigkeit 40 als geschlossenen
Flüssigkeitsstrahl 41 aus der Einspritzdüse 30 herauspresst. Nach
der Zündung der Treibladung 54 wird der Dichtkolben 221 aufgrund
ihres Druckes wieder zurückgedrückt. Für einen erneuten Abschuss führt man wieder
eine bestimmte Menge an brennbarer, elektrisch leitender Flüssigkeit der Einspritzdüse
30 zu und ersetzt die Explosivstoff enthaltende Kapsel 22 durch
eine unverbrauchte.
Die 3 zeigt, ebenso wie die zuvor besprochene
2, eine alternative Ausbildung des Druckerzeugers
20. Hierbei umfasst der Druckerzeuger 20 eine Federdruckeinrichtung
24. In einem Behälter befindet sich zunächst eine Feder 242, die
einen Zwischenkolben 241 beaufschlagt. Der Zwischenkolben 241
wiederum drückt mit seiner Federkraft auf die brennbare, elektrisch leitende Flüssigkeit
40. Über ein Dosierventil 245 wird die brennbare, elektrisch leitende
Flüssigkeit der Einspritzdüse 30 zugeführt. Als Schutz vor dem Druck der
Treibladung 54 ist vor der Einspritzdüse 30 ein Rückschlagventil
246 angeordnet.
Die in 3 gezeigte Federdruckeinrichtung
24 kann durch die in 4 gezeigt Gasdruckeinrichtung
23 ersetzt sein. Hierbei befindet sich in einem Behälter Druckluft
231, die die brennbare, elektrisch leitende Flüssigkeit 40 beaufschlagt.
Über das Dosierventil 235 gelangt die brennbare, elektrisch leitende Flüssigkeit
zur Einspritzdüse 30, die neben anderen Einzelheiten der Rohwaffe und des
Geschosses in 3 dargestellt sind.
Hinsichtlich Einzelheiten zur brennbaren, elektrisch leitenden Flüssigkeit
40 weist diese einen Sauerstoffträger als Bestandteil auf. Ferner ist die
brennbare, elektrisch leitende Flüssigkeit 40 eine Lösung mit Nitratsalzen.
Alternativ zu den Nitratsalzen sind auch andere Salze geeignet, welche der Flüssigkeit
40 eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit verleihen, beispielsweise
Chlor und Sauerstoff enthaltende Salze. Als Hauptbestandteil umfasst die Lösung
mit Nitratsalzen eine Alkohollösung. Der verwertbare Energiegehalt der brennbaren,
elektrisch leitenden Flüssigkeit ist größer als 6 kJ/cm3. Für einen Plasmagenerator
1, der als Teil einer Rohrwaffe 50 ausgebildet ist, eignet sich
folgende, erste Zusammensetzung:
- • 1 Gewichtsteil Methanol + 2 Gewichtsteile Magnesiumnitrat (MgNO3).
Ebenso kann die folgende, zweite Zusammensetzung eingesetzt werden:
- • 1 Gewichtsteil Methanol + 1 Gewichtsteil Ethanol + 1 Gewichtsteil Magnesiumnitrat.
Das Magnesiumnitrat stellt den Sauerstoffträger der Lösung dar.
Eine zusätzliche Beimischung von feinem Magnesiumpulver ist möglich.
Dieses bildet bei der Zündung glühende Partikel und erhöht die Anzündsicherheit.
Die 1 bis 4
zeigen, dass die Einspritzdüse 30, die erste Elektrode 11 und
die zweite Elektrode 12 so angeordnet sind, dass der in ein Plasma zu überführende
Flüssigkeitsstrahl 41 in einem Zündkanal 541 einer Treibladung
54 eines Geschosses 53 bildbar ist.
Im Gegensatz hierzu zeigt die 5 eine
alternative Anordnung, bei der die Einspritzdüse 30, die erste Elektrode
11 und die zweite Elektrode 12 von einem Druckgehäuse
70 umgeben sind, in dem der Flüssigkeitsstrahl 41 in ein Plasma
überführbar ist. Das Druckgehäuse 70 weist eine Gasaustrittsdüse
71 auf, die so im Verschluss des Waffenrohres 51 angeordnet ist,
dass mit den erzeugten Gasen eine Treibladung 54 eines Geschosses
53 zündbar ist.
6 zeigt einen Plasmagenerator
1, der als Teil einer Steuerrakete 60 ausgebildet ist. Der Plasmagenerator
1 umfasst, wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, eine Hochspannungsvorrichtung
10 zur Erzeugung einer Hochspannung, die an eine erste Elektrode
11 und zweite Elektrode 12 angeschlossen ist. Elektrisch ist die
erste Elektrode 11 von der zweiten Elektrode 12 durch eine Isolierung
62 voneinander getrennt. Ferner umfasst der Plasmagenerator 1
einen Druckerzeuger 20, um eine elektrisch leitende, brennbare Flüssigkeit
40 unter Druck zu setzen. Der spezifische elektrische Widerstand der brennbaren,
elektrisch leitenden Flüssigkeit 40 ist kleiner als 800 K&OHgr;mm2/m.
Der Druckerzeuger 40 ist an eine Einspritzdüse 30 angeschlossen,
mit der ein geschlossener Flüssigkeitsstrahl 41 erzeugbar ist. Die Elektroden
11 und 12 sind bezüglich des Flüssigkeitsstrahls 41 so
angeordnet, dass der Flüssigkeitsstrahl 41 bei der Plasmazündung eine Kontaktbrücke
bildet.
Die Steuerrakete 60 weist ein Düsengehäuse 61 mit
einer Gasaustrittsöffnung 63 auf. Die Einspritzdüse 30 ist als
erste Elektrode 11 ausgebildet und an dem der Gasaustrittsöffnung
63 gegenüberliegenden Ende angeordnet. Die zweite Elektrode 12
ist im Inneren des Düsengehäuses 61 auf seiner Längsachse angeordnet. Der
Druckerzeuger 20 umfasst eine Einspritzpumpe 21. Alternativ könnte
der Druckerzeuger 20 auch eine Gasdruckeinrichtung 23, wie in
4 gezeigt, oder eine Federdruckeinrichtung
24, wie aus 3 hervorgeht, umfassen.
Hinsichtlich Einzelheiten zur Hochspannungseinrichtung 10
ist diese so ausgebildet, dass eine einzige elektrische Entladung über die Kontaktbrücke
des Flüssigkeitsstrahles 41 stattfindet. Die Steuerrakete 60 arbeitet
mit Steuerimpulsen. Ein elektrisch leitender, brennbarer, geschlossener Flüssigkeitsstrahl
41 wird von der ersten, elektrisch vorgespannten Elektrode 11
zur zweiten Elektrode 12 gespritzt. Dadurch wird die elektrische Entladung
ausgelöst und ein Plasma erzeugt. Es entstehen dabei derart hohe Temperaturen, dass
der brennbare Flüssigkeitsstrahl 41 zündet und in eine schnelle Verbrennung
überführt wird. Dabei entstehen heiße Gase, die sich zusammen mit dem Plasma stark
ausdehnen und über eine Gasaustrittsöffnung 63 einen Rückstoss erzeugen.
Hinsichtlich Einzelheiten zur brennbaren, elektrisch leitenden Flüssigkeit
40, weist diese einen Sauerstoffträger als Bestandteil auf. Ferner ist
die brennbare, elektrisch leitende Flüssigkeit eine Lösung mit Nitratsalzen. Alternativ
zu den Nitratsalzen sind auch andere Salze geeignet, welche der Flüssigkeit
40 eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit verleihen, beispielsweise
Chlor und Sauerstoff enthaltende Salze. Als Hauptbestandteil umfasst die Lösung
mit Nitratsalzen eine Alkohollösung. Der verwertbare Energiegehalt der brennbaren,
elektrisch leitenden Flüssigkeit ist größer als 6 kJ/cm3. Für einen Plasmagenerator
1, der als Teil einer Steuerrakete 60 ausgebildet ist, eignet
sich die zuvor bereits dargelegte, erste und zweite Zusammensetzung.
Die Steuerrakete 60 kann so an einem Geschoss oder einer
Rakete angebracht sein, dass der Schub radial zur Längsachse wirkt und dadurch eine
Flugrichtungsänderung bewirkt wird. Durch eine feine Dosierung der Menge der brennbaren,
elektrisch leitenden Flüssigkeit 40 und genaue Einstellung der elektrischen
Energie lassen sich genau vorherbestimmbare Kursänderungen erreichen. Die Steuerrakete
60 kann auch in einen Satelliten eingebaut werden. Dabei muss als elektrisch
leitende, brennbare Flüssigkeit eine Zusammensetzung mit einem Sauerstoffträger
verwendet werden.
Im Unterschied zur 6 zeigt
7 eine alternative Ausbildung. In 6
ist eine Variante dargestellt, bei der die Einspritzdüse 30 am der Gasaustrittsdüse
63 gegenüberliegenden Ende angeordnet ist. Im Gegensatz hierzu stehen bei
der Variante gemäß 7 die Längsachse der Einspritzdüse
30 und die Längsachse der Gasaustrittsdüse 63 in einem rechten
Winkel zueinander. Bei dieser Variante vereinfacht sich der Aufbau der Steuerrakete.
