Brevet FR2658281A1 — publié le 19910816

La présente invention concerne un lanceur à rails destiné à l'accélération électromagnétique d'un projectile, comprenant au moins deux rails parallèles entre eux, au moins une source de courant pour l'alimentation en courant des rails et au moins une armature disposée de façon à être en contact avec les rails, réalisée en un matériau conducteur et destinée à assurer la fixation du projectile dans le lanceur à rails. Un accélérateur électromagnétique à rails a déjà été proposé dans le brevet allemand 376 391 Le schéma de principe de la figure l montre que dans le cas de tels lanceurs à rails, un projectile 14 qui est constitué d'un matériau conducteur est disposé entre les deux rails parallèles entre eux 10, 12, qui sont également des conducteurs électriques Lorsqu'une source de courant (non représentée) envoie un courant I à travers les deux rails 10, 12, le champ magnétique B induit autour des rails donne naissance à une force F qui accélère le projectile Tandis que le rendement des propulseurs à poudre diminue fortement dans le cas de vitesses élevées, le rendement d'un accélérateur électromagnétique à rails atteint un maximum aux vitesses élevées La force F qui accélère le projectile 14 dans la figure 1 s'exprime par l'équation F =B I 1 ( 1) o B est le champ magnétique, I est l'intensité du courant et 1 (Cf figure 1) est la distance qui sépare les rails 10, 12 La force F peut également être exprimée par l'équation F = 0,5 L' I 2 ( 2) o L' est la variation de l'inductance des rails en fonction de la longueur dans le sens de l'axe L'ordre de grandeur de L' est relativement indépendant de la distance 1 et se situe entre 0,35 et 0,45 p H/m. Dans le cas de projectiles non-conducteurs, une armature à plasma ou une armature métallique est disposée comme pont de courant au culot du projectile C'est ainsi que le projectile est poussé vers l'avant dans le lanceur à rails. Pour renforcer l'accélération d'un tel lanceur électromagnétique à rails, un lanceur à rails appelé "lanceur à rails renforcé" ("augmented railgun") a déjà être proposé (C G Homann et al, IEEE Transactions on Magnetics, MAG-22, NO 6, 1527 ( 1986)) qui comporte des spires supplémentaires alimentées par une source de courant supplémentaire Ces spires renforcent le champ magnétique B et par conséquent la force résultante conformément à l'équation ( 1) Il est vrai qu'un tel lanceur à rails renforcé est relativement complexe du point de vue réalisation Le flux de force relativement important envoyé dans le système de fixation mécanique est relativement compliqué et les pertes ohmiques augmentent Pour réduire les pertes ohmiques, un montage appelé "montage DES" ("distributed energy supply") a déjà été proposé pour les lanceurs à rails habituels et les lanceurs à rails renforcés, c'est-àdire que le courant est introduit dans le système en plusieurs endroits par l'intermédiaire de plusieurs amenées de courant (C H. Haigt, M M Tower, IEEE Transactions on Magnetics, MAG- 22, NO 6, 1499 ( 1986)). Des projectiles de forme allongée (projectiles- barreaux), dont la longueur est supérieure d'un facteur à 50 environ au diamètre du projectile, posent des problèmes particuliers Cette situation est représentée schématiquement dans la figure 2 Un lanceur à rails comporte deux rails parallèles entre eux 16, 18, et un projectile-barreau 22 est fixé entre les deux rails 16, 18 par l'intermédiaire d'une armature conductrice 20 Le trajet de courant I dans le lanceur à rails représenté dans la figure 2 est indiqué à l'aide de flèches correspondantes Dans le cas présent, il s'est avéré que le courant I se concentre de préférence du côté du champ magnétique intense B Une telle répartition du courant n'est pas souhaitable En outre, pour obtenir un guidage fiable du projectile-barreau, il est indiqué de réaliser une répartition uniforme de la force au périmètre du projectile Une telle répartition ne pourra être obtenue qu'à l'aide de mesures de construction compliquées et de matériaux spécifiques. La présente invention a pour but de réaliser un lanceur à rails pour l'accélération électromagnétique d'un projectile de forme allongée, qui comporte une amenée améliorée du courant et de la force dans le projectile. Selon l'invention, ce but est atteint par un lanceur électromagnétique à rail comprenant deux ou plusieurs étages séparés les uns des autres et disposés les uns derrière les autres suivant le sens de l'axe du lanceur à rails, les rails de chaque étage étant reliés entre eux afin d'obtenir un flux de courant parallèle à travers les rails; la polarité de la source de courant change d'un étage à l'étage suivant; la longueur du projectile est adaptée à la longueur des étages de telle sorte que le projectile s'étende au moins d'un étage jusqu'à l'étage suivant; au moins deux armatures sont prévues qui sont séparées l'une de l'autre dans le sens de l'axe d'une distance telle que l'une des armatures soit en contact avec l'un des étages et que l'autre des armatures soit en contact avec l'étage suivant, et le projectile est constitué, au moins sur sa face extérieure, en un matériau conducteur. Grâce aux deux armatures d'un projectile, l'introduction de la force dans le projectile se fait de façon particulièrement uniforme En outre, le lanceur électromagnétique à rails conforme à la présente invention présente des pertes ohmiques sensiblement réduites La surface de contact entre les rails et les armatures est relativement grande de sorte que les pertes se trouvent de ce fait davantage réduites et que le guidage du projectile se trouve amélioré. Pour la connexion des rails d'un étage, au moins une bague formant courtcircuit est avantageusement prévue Chaque étage comporte avantageusement à ses extrémités axiales des bagues formant court-circuit. C'est ainsi que le branchement en parallèle des rails et par conséquent un flux de courant parallèle sont obtenus, une des bagues formant courtcircuit présentant en outre l'avantage de permettre de brancher en parallèle de façon simple un nombre en principe quelconque de rails d'un étage. Le lanceur électromagnétique à rails peut comporter deux rails par étage; de préférence, plus de deux rails sont cependant prévus, en particulier 4 ou 6, qui sont toujours répartis de façon symétrique sur le périmètre d'un étage Au fur et à mesure que le nombre de rails augmente, la diminution radiale du champ magnétique s'accroit de l'extérieur vers l'intérieur, ou, en d'autres termes, un nombre croissant de rails d'un étage conduit à une concentration renforcée du champ magnétique à proximité des rails C'est ainsi que l'on peut obtenir une adaptation avantageuse du diamètre du projectile au diamètre intérieur (calibre) du lanceur à rails. Conformément à l'invention, le flux de courant passe des rails d'un étage à l'une des armatures, parcourt ensuite le projectile, traverse la deuxième armature et passe aux rails de l'étage suivant Pour cette raison, il est nécessaire -comme indiqué que le projectile soit conducteur au moins sur sa face extérieure Une telle condition semble de prime abord désavantageuse, notamment en vue du libre choix du matériau du projectile, mais elle ne l'est pas en y regardant de plus près En effet, dans le cas d'un lanceur électromagnétique à rails, le courant monte et atteint son maximum typiquement dans un laps de temps de l'ordre de 0,1 à 1 ms Pour des conducteurs électriques de bonne qualité, la profondeur de pénétration du courant est alors de 1 à 2 mm environ Dans le cas de projectiles réalisés essentiellement (au noyau) en un matériau non- conducteur ou en un matériau faiblement conducteur, il est donc suffisant d'enrober la face extérieure du noyau d'un matériau conducteur présentant une épaisseur d'environ 1 à 2 mm Il est cependant évident que le projectile peut être constitué complètement d'un matériau conducteur. Il est possible d'obtenir des avantages particuliers avec un matériau tel qu'un pseudo-alliage de cuivre et de tungstène Dans le cas o ce pseudoalliage présente à peu près 80 % de la conductivité du cuivre pur, l'enveloppe du projectile peut avoir une épaisseur de l'ordre de 1 à 2 mm Du fait des vitesses de 2000 à 4000 m/s susceptibles d'être atteintes par le projectile (vitesses terminales) tiré par le lanceur électromagnétique à rails conforme à la présente invention, le projectile est soumis durant la phase en vol libre à une forte sollicitation thermique, et l'enrobage du projectile à l'aide d'un pseudo-alliage de cuivre et de tungstène présente l'avantage supplémentaire que la face extérieure du cuivre s'évapore durant la phase en vol libre sous l'effet de la sollicitation thermique tout en refroidissant le projectile de sorte que la forme de celui-ci ne se dégrade pas. Il est d'autre part possible d'utiliser le matériau précité de telle sorte que le projectile soit réalisé essentiellement en ce matériau En effet, la masse volumique de ce matériau est de l'ordre de 16 000 kg/m 3 et correspond donc à peu près à celle des pénétrateurs en alliage lourd. Notamment dans le cas de projectiles de forme très allongée, plus de deux armatures sont de préférence à prévoir pour le projectile de telle sorte qu'au moins deux armatures soient en contact avec un étage C'est ainsi que de courts trajets du courant sont obtenus dans les étages et dans le projectile-barreau Ce moyen permet en outre de réduire la résistance dans les armatures et dans le projectile, résistance qui conduirait du reste à un échauffement correspondant sous l'effet du courant intense. Des projectiles de forme très allongée sont de préférence accélérés par un lanceur à rails à plusieurs étages, qui comprend trois étages ou plus. Au moins dans un étage du lanceur à rails, de préférence dans le premier étage, une source de courant supplémentaire est avantageusement prévue pour une alimentation supplémentaire en courant Tandis que dans le cas du lanceur renforcé à rails cité plus haut, outre la source de courant supplémentaire, un enroulement d'électro-aimant supplémentaire est nécessaire, le lanceur à rails conforme à la présente invention, est caractérisé en ce que le flux de courant engendré par la source de courant supplémentaire s'établit à travers le rail lui-même ou des rails eux-mêmes; c'est pourquoi la structure de l'ensemble est particulièrement simple Une source de courant supplémentaire peut être prévue non seulement pour un étage, mais encore pour plusieurs étages ou même pour tous les étages du lanceur électromagnétique à rails. Deux étages successifs du lanceur à rails sont chaque fois de préférence disposés, l'un décalé par rapport à l'autre, autour de l'axe longitudinal commun de telle sorte que les rails de l'un des deux étages ne soient pas en alignement précis sur les rails de l'autre étage Il s'ensuit que dans les étages successifs, les armatures conçues de préférence de telle sorte qu'elles forment des couronnes conductrices qui entourent le projectile, n'entrent pas au même endroit de leur périmètre extérieur en contact avec les rails, mais en différents endroits La sollicitation thermique des armatures se trouve ainsi réduite et le contact entre les rails et les armatures est amélioré. Il est clair que tous les étages du lanceur à rails peuvent comprendre le même nombre de rails Suivant une autre version avantageuse de la présente invention, au moins un étage comporte un nombre de rails qui diffère de celui des autres étages; il est même possible d'équiper tous les étages d'un nombre différent de rails. C'est ainsi que le guidage et l'accélération du projectile peuvent être optimisés davantage. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée plus en détail à l'aide de dessins représentant des exemples d'exécution qui font ressortir d'autres avantages et d'autres caractéristiques. Ces dessins montrent: figure 1, une représentation schématique d'un lanceur à rails selon l'état actuel de la technique; figure 2, un autre lanceur à rails selon l'état actuel de la technique pour l'accélération d'un projectile de forme allongée; figure 3, une vue en coupe d'une première version d'exécution d'un lanceur à rails à deux étages conforme à la présente invention; figure 4, trois versions d'exécution d'un étage d'un lanceur à rails conforme à la présente invention, comportant respectivement 2, 4 et 6 rails; figure 5, une représentation schématique d'un lanceur à rails à cinq étages conforme à la présente invention; et figure 6, une vue en coupe d'une autre version d'exécution d'un lanceur à rails à deux étages conforme à la présente invention, comportant plus de deux armatures pour un projectile. Les figures 1 et 2 relatives à l'état actuel de la technique ont déjà été commentées plus haut. A l'aide d'une représentation schématique fortement simplifiée pour faciliter la compréhension de la présente invention, la figure 3 montre un lanceur électromagnétique à rails à deux étages conforme à la présente invention, qui comprend un premier étage 30 et un deuxième étage 50; les deux étages 30, 50, sont séparés l'un de l'autre. Le premier étage 30 du lanceur à rails comprend un rail 32 et un rail 34, et ces deux rails sont reliés entre eux et par conséquent branchés en parallèle par l'intermédiaire de bagues formant court-circuit 36, 38, disposées aux extrémités axiales de l'étage 30. Le deuxième étage 50 est monté de façon identique et comprend donc deux rails 52, 54, qui sont reliés entre eux par l'intermédiaire de bagues formant court-circuit 56, 58. Un projectile de forme allongée 42 est équipé à son culot d'une armature circulaire 40 et à son extrémité avant d'une armature circulaire identique 60 Une source de courant 44 représentée schématiquement (banc de condensateurs) est connectée par l'un de ses deux pôles au premier étage 30 et par l'autre pôle à l'étage 50. Après la mise en circuit du courant I, celui-ci parcourt le lanceur à rails aux deux étages 30, 50, dans le sens indiqué par les flèches Le courant arrive d'abord dans le rail 54, passe via la bague formant courtcircuit 56 dans l'autre rail 52, circule ensuite dans l'armature 60 et arrive dans le projectile 56 Le courant continue à se propager à travers le projectile 42 (vers la gauche dans la figure 3), arrive dans l'armature arrière 40, passe dans les rails 32, 34 et dans la bague formant court-circuit 36 et revient finalement à la source de courant 44 Le flux de courant dans le projectile 42 et la forte composante azimutale du champ magnétique donnent naissance à des forces orientées selon l'axe longitudinal du projectile 42, qui centrent le projectile Par l'intermédiaire des deux armatures 40, , on obtient une application bien définie de forces au projectile 42, ce qui permet un guidage particulièrement avantageux du projectile. La figure 4 représente trois différentes versions d'exécution d'un étage du lanceur à rails conforme à la présente invention Un étage 70 équipé de deux rails 76, 78, et de deux bagues formant court- circuit 72, 74, correspond au premier étage 30 et au deuxième étage 50 représentés dans la figure 3. Un étage 80 est équipé de 4 rails 86, 88, 90 et 92 répartis de façon uniforme sur le périmètre extérieur de l'étage Deux bagues formant courtcircuit 82, 84, disposées aux extrémités de l'étage, assurent le branchement en parallèle des quatre rails précités. Dans le cas d'un étage 100, 6 rails 106, 108, , 112, 114 et 116 sont prévus et disposés de façon uniforme sur le périmètre de l'étage Comme dans le cas précédent, le branchement en parallèle des rails s'effectue par l'intermédiaire de deux bagues formant court-circuit 102, 104, disposées aux extrémités de l'étage 100. Bien entendu, le nombre de rails n'est pas limité aux exemples représentés dans la figure 4 et fondés sur l'utilisation de 2, 4 ou 6 rails Il est en principe possible de prévoir un nombre quelconque de rails pour un étage. La figure 5 montre une autre version d'exécution d'un lanceur électromagnétique à rails conforme à la présente invention, qui comprend 5 étages. Dans le cas présent, chaque étage est équipé de deux rails, mais il convient de noter qu'un seul étage, plusieurs étages ou tous les étages peuvent être munis d'un nombre différent de rails, comme c'est le cas, par exemple, pour les étages 80 ou 100 représentés dans la figure 4. Les cinq étages séparés du lanceur électromagnétique à rails représenté dans la figure 5 sont numérotés par les chiffres de référence 120, 140, , 180 et 200 Le premier étage 120 comporte deux bagues formant courtcircuit 122, 124, et deux rails 126, 128 Pour le renforcement du champ magnétique de cet étage, une source de courant supplémentaire 132 est prévue qui peut être reliée à l'étage 120 par l'intermédiaire d'un commutateur 134 Comme mentionné au début, un enroulement d'électro-aimant supplémentaire n'est pas nécessaire Une source de courant 130 est prévue entre le premier étage 120 et le deuxième étage 140. Le deuxième étage 140 est monté de façon identique et comprend deux bagues formant courtcircuit 142, 144, deux rails 146, 148, une source de courant supplémentaire 152 et un commutateur 154 pour cette source de courant supplémentaire Une source de courant est placée entre le deuxième étage 140 et le troisième étage 160. Le troisième étage est monté de façon analogue et comporte deux bagues formant court-circuit 162, 164, deux rails 166, 168, une source de courant supplémentaire 172 et un commutateur 174 Une source de courant 170 est prévue entre le troisième étage 160 et le quatrième étage 180. Le quatrième étage 180 correspond aux autres étages et comporte deux bagues formant court-circuit 182, 184, deux rails 186, 188, une source de courant supplémentaire 192 et un commutateur 194 Une source de courant 190 est branchée entre le quatrième étage 180 et le cinquième étage 200. il Le cinquième étage 200 est équipé de deux bagues formant court-circuit 202, 204, de deux rails 206, 208, d'une source de courant supplémentaire 212 et d'un commutateur 214. A l'aide des deux résistances Rt et R 2 représentées dans la figure 5, il est montré comment le lanceur à rails avec son système d'alimentation en courant est relié à la masse. La figure 6 montre deux étages d'un lanceur électromagnétique à rails conforme à la présente invention, avec un projectile comportant plus de deux armatures. Le premier étage 220 représenté dans la figure 6 comprend deux rails 226, 228, qui sont branchés en parallèle à leurs extrémités à travers les bagues formant court-circuit 222, 224 Le deuxième étage 250 est monté de façon analogue et est équipé par conséquent de deux rails 256, 258, reliés entre eux par l'intermédiaire de bagues formant court-circuit 252, 254. Une source de courant 230 est reliée par l'un de ses deux pôles au premier étage 220 et par l'autre pôle au deuxième étage 250 Le premier étage 220 est en outre muni d'une source de courant supplémentaire 232 qui est connectée au rail 226. Le projectile 234 disposé suivant l'axe longitudinal du lanceur à rails, est équipé de 5 armatures circulaires 236, 238, 240, 242 et 244 Des flèches indiquent la direction du flux de courant qui apparaît dans le dispositif représenté dans la figure 6, l'alimentation en courant étant assurée par la source de courant 230 Des flèches formés de petits traits indiquent la direction du flux de courant supplémentaire engendré par la source de courant supplémentaire 232 dans le premier étage 220. La présente invention n'est pas limitée aux versions d'exécution représentées dans les figures C'est ainsi qu'il est notamment possible de combiner dans une très large mesure les caractéristiques des différentes versions d'exécution représentées comme, par exemple, le nombre d'étages, le nombre d'armatures d'un projectile, le nombre de rails d'un étage, et ainsi de suite. REVENDICATIONS 1 Lanceur à rails pour l'accélération électromagnétique d'un projectile, comprenant: au moins deux rails parallèles entre eux, au moins une source de courant pour l'alimentation en courant des rails, au moins une armature disposée de façon à être en contact avec les rails, réalisée en un matériau conducteur et destinée à assurer la fixation du projectile dans le lanceur à rails, caractérisé en ce que le lanceur à rails est équipé de deux étages ( 30, 50) ou de plus de deux étages, les étages ( 30, 50) sont disposés l'un derrière l'autre suivant le sens de l'axe du lanceur à rails, les rails ( 32, 34; 52, 54) de chaque étage ( 30, 50) sont reliés entre eux afin d'obtenir une conduction de courant parallèle à travers les rails, la polarité de la source de courant ( 44) change d'un étage à l'étage suivant, la longueur du projectile ( 42) est adaptée à la longueur des étages ( 30, 50) de telle sorte que le projectile ( 42) s'étende au moins d'un étage ( 30) jusqu'à l'étage suivant ( 50), au moins deux armatures ( 40, 60) sont prévues qui sont séparées l'une de l'autre dans le sens de l'axe d'une distance telle que l'une des armatures ( 40) soit en contact avec l'un des étages ( 30) et que l'autre des armatures ( 60) soit en contact avec l'étage suivant ( 50), et le projectile ( 42) est constitué, au moins sur sa face extérieure, d'un matériau conducteur. 2 Lanceur à rails conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins une bague formant court- circuit ( 36) est prévue pour la connexion des rails ( 32, 34) d'un étage ( 30). 3 Lanceur à rails conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage ( 30) comprend à ses extrémités axiales deux bagues formant courtcircuit ( 36, 38). 4 Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque étage ( 80, 100) comprend plus de deux rails, de préférence 4 ou 6, répartis de façon symétrique sur le périmètre de l'étage ( 86-92; 106-116). Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le projectile comporte un noyau non-conducteur dont la face extérieure est enrobée d'un matériau conducteur d'une épaisseur de 1 à 2 mm. 6 Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le projectile est réalisé sensiblement en un matériau conducteur. 7 Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que le matériau est un pseudo-alliage de cuivre et de tungstène. 8 Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour le projectile ( 234), plus de deux armatures ( 236-244) sont mises en place de telle sorte qu'au moins deux armatures ( 236, 238; 242, 244) soient en contact avec un étage ( 220; 250). 9 Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que N étages ( 120, 140, 160, 180, 200) sont prévus, N étant un nombre entier supérieur ou égal à trois. Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au moins pour le premier étage ( 220), une source de courant supplémentaire ( 232) est prévue pour l'apport d'un courant supplémentaire. 11 Lanceur à rails conforme à la revendication , caractérisé en ce que chaque étage ( 120, 140, 160, 180, 200) dispose d'une source de courant supplémentaire ( 132, 152, 172, 192, 212). 12 Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que deux étages successifs sont chaque fois disposés, l'un décalé par rapport à l'autre, autour de l'axe longitudinal commun de telle sorte que les rails de l'un des deux étages ne soient pas alignés sur les rails de l'autre étage. 13 Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'au moins un étage comprend un nombre de rails qui diffère du nombre de rails de l'autre étage ou des autres étages. 14 Lanceur à rails conforme à la revendication 13, caractérisé en ce que tous les étages comportent un nombre différent de rails. 15 Lanceur à rails conforme à l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que chacune des armatures ( 40, 60) est conçue de telle sorte qu'elle forme une couronne qui entoure le projectile ( 42).