Brevet FR2612706A1 — publié le 19880923

261Z706 1i c 6 7 Source impulsionnelle de courant électrique et canon électromagnétique en faisant application. La présente invention concerne les sources im- pulsionnelles de courant électrique capables de fournir une intensité de courant élevée pendant une durée brève et elle trouve une application particulièrement impor- tante, bien que non exclusive, dans les installations comportant un canon électromagnétique pour y créer, dans un tube de lancement, un champ d'accélération d'un projectile. On a déjà proposé de nombreuses sources impul- sionnelles pour cette application. Certaines se limitent à une source primaire de courant,.telle qu'un générateur homopolaire ou une batterie de condensateur, alimentant les électrodes du tube par l'intermédiaire d'une induc- tance et d'interrupteurs à fonctionnement ultra-rapide. On a également proposé des sources de courant compre- nant, en plus d'une source primaire, un générateur à compression de champ magnétique comportant une enceinte conductrice qui est brutalement déformée pour comprimer le flux en réduisant l'inductance de l'enceinte. L'invention vise à réaliser une source impul- sionnelle utilisant une source primaire de courant, ou un générateur à compression de champ, ou éventuellement l'une et l'autre de ces deux composants, utilisant l'énergie fournie par un explosif ou propergol solide pour profiter de la valeur élevée d'énergie par unité de masse qui permet de stocker un explosif ou propergol, comparé par exemple à des condensateurs ou à une machine homopolaire et de la disponibilité immédiate permanente de l'énergie contenue dans la masse d'explosif ou de propergol. L'invention propose en conséquence une source impulsionnelle dans laquelle le courant fourni par la source primaire et/ou celui nécessaire à la compression de champ est généré par déplacement de matières résultant de détonation ou de combustion dans un explosif ou propergol à l'état solide. Suivant un mode particulier de réalisation de l'invention, la source primaire est constituée par un générateur MHD comportant un tube annulaire dont les parois concentriques en matériau conducteur constituent électrodes de sortie, une masse annulaire d'explosif contenue dans le tube et munie de moyens d'amorçage à une extrémité, et des moyens de création d'un champ magnétique à lignes de force circonférentielles dans le tube. Les moyens de création du champ magnétique peu- vent dans ce cas être indépendants du générateur MHD. Cette solution a un inconvénient grave: il est néces- saire, avant déclenchement, de créer le champ magnétique en faisant circuler un courant intense dans une ou des bobines ayant une selfinductance élevée. Ces bobines ne sont utiles que pendant le laps de temps au cours duquel la source primaire fournit un courant. L'énergie stockée dans la bobine est ensuite perdue, de sorte que la puissance totale fournie sous forme impulsionnelle peut être à peine supérieure à celle consommée par la bobine. Cet inconvénient est écarté en refermant les électrodes de sortie du générateur MHD sur la bobine jusqu'à ce que le courant atteigne un maximum. Une source de faible puissance est alors suffisante pour initialiser le pro- cessus de montée du courant. Un interrupteur à ouverture ultra-rapide permet, lorsque le courant approche de sa valeur maximale, de séparer le générateur de la bobine et d'alimenter la charge, directement ou par l'intermé- diaire du générateur à compression de champ. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 est un schéma de principe montrant les constituants essentiels d'une source impulsionnelle suivant l'invention, comprenant un générateur à compres- sion de champ et une source primaire constituée par un générateur MHD; la figure 2 est une courbe représentative de la variation, en fonction du temps, du courant fourni par le générateur à compression de champ dans un mode avantageux de mise en oeuvre de l'invention; - la figure 3 est une vue en perspective mon- trant une disposition possible des spires, des bobines de création de champ dans un générateur MHD du genre montré en figure 1; - la figure 4 est un schéma électrique montrant un branchement possible de la bobine de création de champ du générateur MHD sur la sortie de ce générateur luimême; - la figure 5 est une vue, en coupe partielle suivant l'axe, d'un générateur MHD constituant une variante de celui de la figure 1; - la figure 6 est une vue en perspective simpli- fiée montrant un fractionnement possible de la masse explosive du générateur MHD de la figure 1 en plusieurs étages; - la figure 7 est une vue de détail montrant une variante de la figure 6. La figure 1 montre, de façon schématique, les constituants d'une source impulsionnelle associant une source primaire de courant 10 et un générateur à com- pression de champ. La source primaire 10 représentée peut être un générateur MHD à symétrie de révolution dont les électrodes de sortie sont reliées à un inter- rupteur 12 à ouverture ultra-rapide. Cet interrupteur permet d'alimenter à son tour le générateur à compres- sion de champ 14 qu'on désignera par la suite par l'abréviation GCC. L'interrupteur ultra-rapide 12 peut avoir l'une quelconque des constitutions connues. On pourra trouver une description d'interrupteur ultra-rapide utilisable dans "System design of the ultrahigh velocity gedi experiment" par R.L. LAUGHLIN et al, pages 139-143, Electromagnetic launch technology, 3rd symposium, Austin TX 1986. La source primaire 10 et/ou le GCC 14 empruntent leur énergie à un explosif. Le GCC 14 représenté peut notamment être constitué par une paroi externe cylindrique 16 en matériau conducteur continu ou sous forme d'un hélice, une paroi conductrice interne 18 et une masse d'explosif massive ou étagée contenue dans la paroi 18. Les parois conductrices 16 et 18 constituant électrodes sont refermées sur la charge externe 20. Dans un mode particulièrement simple de réali- sation, le GCC 14 se limite aux composants ci-dessus et à un détonateur 22 permettant d'amorcer la masse explo- sive à l'extrémité opposée à la charge 20, qui peut être soit un circuit d'utilisation directe, soit une induc- tance d'accumulation avant emploi. L'onde de détonation qui se propage vers l'avant dans l'explosif provoque l'expansion progressive de la paroi conductrice interne 18. La partie proche du détonateur prend d'abord une forme tronconique, court- circuite la source primaire 10 et ferme sur elle-même une boucle constituée des parois 16 et 18 et de la charge 20. La paroi interne 18 continue à se déformer et vient progressivement s'appuyer sur la paroi externe 16. Ce déplacement de la paroi 18 consomme un travail de compression de flux qui ajoute de l'énergie magnétique au système. La paroi 16 doit présenter une résistance suffisante pour ne pas se déformer ou se rompre sous l'impact de la paroi 18. L'explosif peut être du type brisant, à grande vitesse de détonation (environ 8000 m/s). Dans ce cas une onde de détonation bien localisée pénètre à grande vitesse dans l'explosif. Il est possible également d'utiliser des explosifs à vitesse de détonation moindre. Si la masse d'explosif est homogène et la vites- se d'avancée du front de détonation constante, la vites- se de variation du flux emprisonné en fonction du temps reste sensiblement constante jusqu'à la fin de la combustion et la variation dans le temps du courant appliqué à la charge est une fonction croissante sensiblement linéaire jusqu'à la fin de la combustion. Pour beaucoup d'utilisations, il est au contraire souhaitable d'avoir une montée rapide du courant I, puis un maintien à une valeur sensiblement constante. Pour arriver à ce résultat, diverses solutions sont possibles. Une première solution consiste à constituer la paroi externe par une électrode en hélice de pas variable le long de l'axe. Ainsi, pour une vitesse de détonation constante, on peut modifier la vitesse de variation de flux par rapport au temps et obtenir une courbe I(t) du genre montré en figure 2. Le même résul- tat peut être atteint en utilisant une masse hétérogène d'explosif, ayant une vitesse de détonation décroissante à partir de l'emplacement du détonateur. Une autre so- lution encore consiste à utiliser une forme de la paroi 18 conduisant à une vitesse de variation de flux qui change au fur et à mesure de la propagation de l'explosion. Deux générateurs MHD du genre montré en figure 1 peuvent être disposés de façon symétrique, avec une initiation située dans la même zone, pour garantir la simultanéité de leur fonctionnement. La figure 5 montre une disposition de principe utilisable, pouvant être adaptée aussi bien au cas d'une symétrie de révolution du genre montré en figure 1 qu'à une symétrie plane du genre qui sera évoqué plus loin. On retrouve, sur la figure 5, o les organes correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, une paroi interne 32 et une paroi externe 30, seule étant montrée une spire 36 de circulation de courant de création du champ circonférentiel H. La masse d'explosif est séparée en deux fractions 34a et 34b entre lesquelles est disposé un détonateur 25. Une séparation isolante est placée entre les deux fractions. Elle peut être consti- tuée par un anneau 26 et une cloison 28 en céramique. Comme on l'a indiqué plus haut, la source primaire de courant peut également utiliser une masse d'explosif ou de propergol en tant que source d'énergie principale. Dans une réalisation simple, la source peut se limiter à une enceinte à deux parois concentriques conductrices 30 et 32, une masse explosive dans l'espace intermédiaire et une ou des bobines (non représentées sur la figure 1) de création d'un champ circonférentiel H. La masse d'explosif 34 occupant l'espace annulaire entre les électrodes est munie à une extrémité d'un dispositif d'amorçage également annulaire permettant de créer une zone de gaz ionisé conducteur se déplaçant à grande vitesse dans le sens axial. On arrive ainsi à des vitesses beaucoup plus élevées que dans le cas d'un générateur magnéto- hydrodynamique à fonctionnement permanent. L'interrupteur ultra-rapide 12 permet de faire passer le courant de sortie de la source primaire dans les électrodes 16 et 18 du GCC. Le circuit de synchroni- sation de fonctionnement entre le détonateur du généra- teur MHD constituant source primaire 10, l'interrupteur ultra-rapide 12 et le détonateur 22 peut avoir la même constitution que ceux déjà utilisés dans des systèmes de mise en cascade de générateurs pour alimentation de canons électromagnétiques. La figure 3 montre très schématiquement une dis- position possible des spires 36 d'une bobine permettant de créer un champ circonférentiel de haute intensité, les liaisons avec une source extérieure n'étant pas montrées. Comme on l'a indiqué plus haut, la ou les bobi- nes destinées à créer le champ magnétique H consomment une énergie importante qui est perdue dans la mesure o ces bobines sont alimentées par une source extérieure et o l'énergie stockée sous forme inductive n'est pas ultérieurement transmise à la charge. Dans le mode de réalisation montré en figure 4, cet inconvénient est écarté en utilisant l'énergie électrique créée par le générateur MHD luimême pour générer le champ H. Pour cela, la bobine 36 est mise en série avec les électrodes 30 et 32 par l'intermédiaire de l'interrupteur ultrarapide 12, fermé au repos. Une source initiale de faible capacité 38 est placée en parallèle avec la bobine 36 et munie d'un interrupteur 40. Le fonctionnement est alors le suivant: l'interrup- teur 40 est fermé pendant un court instant pour faire passer un courant qui peut être faible dans la bobine 36, puis ouvert lorsque le détonateur du générateur MHD est activé. Un courant commence à passer dans les élec- trodes et la bobine et crée un effet d'auto-amplifica- tion du champ H. Lorsque le courant atteint sa valeur maximale, l'interrupteur 12 est ouvert tandis que l'interrupteur 12a est fermé et la quasi-totalité de l'énergie stockée dans la bobine 36 est alors utilisée pour créer le champ qui sera comprimé par le GCC. On évite ainsi de laisser inutilisée l'énergie stockée dans la bobine excitatrice 36 qui n'est utilisée dans le générateur MHD que pendant une durée très courte. Au lieu d'utiliser une masse d'explosif ou de propergol d'une seule pièce, on peut fractionner cette masse en plusieurs étages, le premier seul étant muni d'un dispositif d'amorçage tandis que les autres sont mis à feu par l'onde provenant du précédent. Pour accroître l'ionisation et donc la conducti- bilité du trajet radial de courant entre les électrodes et 32, chaque étage peut avoir une constitution de charge multi-diédrique. Dans le mode de réalisation montré en figure 6, o seules sont montrées les électro- des et la masse d'explosif, cette dernière comprend deux étages 42 et 44. Le premier est seul muni d'un disposi- tif d'amorçage non représenté. Le second est amorcé par l'impact des éléments du premier. Les angles au sommet des deux dièdres peuvent être égaux ou au contraire peuvent être différents pour donner une forme souhaitée à la loi de montée du courant en fonction du temps. Pour assurer la continuité électrique des lames formées par implosion avec les électrodes on utilisera des matériaux facilement ionisables comme le césium pr exemple. De telles lames 46 sont montrées schémati- quement à titre d'exemple sur la figure 7. Ces matériaux peuvent être portées au départ, uniquement par une seule électrode (non représentée sur la figure 7). Il n'est pas nécessaire que le générateur MHD constituant la source 10 soit de révolution. Les élec- trodes 30 et 32 peuvent avoir une section se rapprochant d'un rectangle ou de tout autre polygone, le champ étant encore créé par des bobines dont les spires ont l'allure montrée en figure 3. Il est même possible de donner au générateur MHD une constitution se rapprochant de celles destinés à un fonctionnement continu, dans lesquelles le champ magnétique H est dirigé transversalement à l'axe, les électrodes étant alors deux plaques parallèles à la direction du champ magnétique dans l'espace inter- électrodes. Dans un autre mode de réalisation, la source primaire est constituée par une batterie de condensa- teurs, une machine tournante homopolaire impulsionnelle ou des accumulateurs à faible résistance interne. Dans une autre variante, les charges diédriques ont des épaisseurs de revêtement différentes suivant les étages. L'invention ne se limite pas aux modes particu- liers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Source impulsionnelle de courant électrique à grande intensité de courant, comprenant une source pri- maire de courant (10) et éventuellement un générateur à compression de champ (14) à enceinte conductrice de compression de champ alimentée par la source primaire, caractérisée en ce que le courant fourni par la source primaire et/ou celui nécessaire à la compression de champ est généré par combustion ou détonation d'une masse de propergol ou d'explosif à l'état solide. 2. Source selon la revendication 1, caractérisée en ce que la source primaire (10) est un générateur MHD comportant un tube annulaire ayant des parois concentri- ques (30,32) en matériau conducteur qui constituent électrodes de sortie, une masse annulaire d'explosif (34) continue dans le tube et munie de moyens d'amorçage à une extrémité, et des moyens de création d'un champ magnétique à lignes de force circonférentielles dans le tube. 3. Source selon la revendication 2, caractérisée en ce que la masse annulaire d'explosif comporte deux charges (34a,34b) disposées symétriquement et dont les extrémités adjacentes sont munies de détonateurs associés à des moyens d'amorçage simultané. 4. Source selon la revendication 2, caractérisée en ce que la masse annulaire d'explosif est fractionnée en plusieurs étages (42,44) répartis le long de l'axe du tube, s'initiant mutuellement et en succession, ayant une forme prévue pour constituer des charges diédriques réparties angulairement autour de l'axe et associées chacune à une lame (46) de' métal léger bon conducteur de l'électricité et éventuellement ionisable, tel que le césium. 5. Source selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites charges diédriques ont des angles et/ou des épaisseurs de revêtement différents suivant 1 1 les étages. 6. Source selon la revendication 1, 2, ou 3, ca- ractérisée en ce-que la masse d'explosif est hétérogène, sa composition étant variable suivant une répartition destinée à provoquer une loi de variation de courant dans le temps présentant une montée rapide initiale suivie d'une partie à accroissement lent ou nul. 7. Source selon l'une quelconque des revendica- tions 2 à 6, caractérisée en ce que la ou les bobines de création de champ du générateur MHD sont mises en série avec les électrodes de sortie. 8. Source suivant l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que l'enceinte conductrice de compression de champ contient une compo- sition explosive et au moins une paroi (18) déformable par l'explosif et disposée de façon que la loi de variation du courant dans le temps ait une montée rapide initiale suivie d'une partie à accroissement lent ou nul. 9. Source selon les revendications 1 et 7, ca- ractérisée en ce que la source primaire est constituée par une batterie de condensateurs, une machine tournante homopolaire impulsionnelle ou des accumulateurs à faible résistance interne. 10. Canon électromagnétique comportant des moyens de création d'un champ d'accélération dans un tube, caractérisé en ce que lesdits moyens sont reliés à une source suivant l'une quelconque des revendications précédentes.