Brevet FR2667388A1 — publié le 19920403

Canon électromagnétique à rails Il a été proposé de lancer un projectile à l'aide d'un canon électromagnétique comportant une voie de lancement formée par deux rails parallèles Le projectile est guidé par ces rails par l'intermédiaire d'une armature mobile qui est électriquement conductrice Un courant de très grande intensité, que l'on peut appeler "courant propulsif", passe dans ces rails et cette armature et applique à cette dernière une force propulsive de nature électromagnétique Il est fourni par une succession de blocs d'alimentation qui alimentent électriquement une succession correspondante de segments de la voie de lancement. La réalisation d'un tel canon pose divers problèmes Une érosion des rails apparaît Elle est directement liée à l'intensité du courant Elle est donc maximale à l'extrémité arrière de la voie, c'est-à-dire à celle d'introduction du projectile, surtout si ce dernier est introduit à vitesse nulle. Le projectile pouvant éventuellement être équipé d'un système de guidage destiné à accroître son efficacité en phase d'approche finale, il ne peut supportée alors des accélérations supérieures à 100 000 G. Quand le stockage d'énergie dans les blocs d'alimentation se fait sous forme électrostatique, c'est-à-dire dans des condensateurs de stockage, chacun de ces derniers se comporte comme une source de tension à impédance interne quasi nulle Les courants instantanés de décharge peuvent alors atteindre des valeurs telles que les 100 000 G soient largement dépassés et que l'érosion des rails devienne inacceptable Il faut donc associer aux condensateurs des inductances de régularisation dont le r 8 le est de limiter les intensités de court-circuit, et allonger le temps de décharge pour le rendre compatible avec la longueur du canon, elle- même dépendante de la vitesse souhaitée pour le projectile et de l'astreinte imposée à l'accélération Un problème posé par l'association condensateur-inductance est alors que cette association constitue un circuit oscillant et que, au moment o l'intensité du courant atteint sa valeur maximale, la tension aux bornes du condensateur s'annule puis s'inverse Or, les condensateurs à forte densité d'énergie sont -2- de type électrolytique et l'application d'une tension inverse est préjudiciable à leur durée de vie C'est pourquoi dans un canon connu, un dispositif interrupteur à fermeture ultra rapide dit "Commutateur Crowbar" est monté en parallèle avec le condensateur pour assurer sa protection et permettre d'utiliser, pour la propulsion du projectile, l'énergie qui a été accumulée dans l'inductance. Diverses solutions ont été envisagées pour résoudre ces problèmes: Une limitation de l'érosion des rails est obtenue si l'on communique une vitesse initiale au projectile et à l'armature associée avant leur introduction sur la voie de lancement Cette vitesse initiale a les effets suivants Limitation du courant d'appel du fait de l'établissement instantané d'une force contre-électromotrice, fonction de la vitesse de déplacement. Suppression du phénomène d'érosion localisée qui est produit par le courant, à son intensité maximale, pour 'a formation du plasma et la mise en mouvement du projectile. Différents types de "prélanceurs" peuvent être envisagés comme, par exemple, un lanceur chimique classique ou un canon à gaz léger. Une amélioration du transfert de l'énergie des blocs d'alimentation au projectile a été proposée et repose sur la facilité, inhérente au stockage capacitif, de répartir l'énergie nécessaire à un tir entre plusieurs groupes de condensateurs Une telle configuration permet de réduire notablement la résistance électrique du circuit, en distribuant l'énergie dans l'espace et/ou dans le temps, selon que les segments des rails du lanceur sont ou non séparés par des intervalles isolants. L'absence de tels intervalles impose toutefois de disposer d'interrupteurs ultra-rapides et synchronisés avec le passage du projectile au droit des différents segments, ce que n'impose pas la solution à segments séparés Cependant, dans un cas comme dans l'autre, il est nécessaire de disposer d'interrupteurs de protection des condensateurs contre l'inversion de polarité, (Commutateurs Crowbar), comme indiqué précédemment. -3- D'une façon générale l'alimentation des canons à rails proposés, à segments séparés ou non, a semblé devoir faire appel à de coûteux dispositifs de commutation à ouverture et/ou à fermeture très rapides. Il a cependant été proposé l'utilisation de diodes ou autres dispositifs semiconducteurs, soit pour assurer la fonction d'interrupteur, soit dans le r 8 le de système antiretour Les intensités et les tensions à mettre en oeuvre pour l'alimentation des canons à rails conduisent à des associations série/parallèle de ces composants, associations qui en dégradent les performances, notamment dynamiques (d I/dt, d V/dt, I 2 dt). La présente invention a notamment les buts suivants Régulariser l'accélération d'un projectile lancé par un canon électromagnétique à rails-. Limiter l'usure des rails qui résulte du passage du courant propulsif à travers un plasma formé entre l'armature conductrice de ce projectile et chacun de ces rails. Augmenter le rendement du transfert d'énergie entre des condensateurs de stockage et ce projectile. Faciliter la réalisation d'un tel canon grâce à l'utilisation de composants connus de coût modéré et de fiabilité prouvée. Faciliter la réalisation de tels canons adaptés au lancements de projectiles de types et de vitesses diverses, grâce à la possibilité de réaliser cette adaptation par remplacement de certains seulement des composants de ces canons. Dans ces buts elle a notamment pour objet un canon électromagnétique à rails, comportant une succession de blocs d'alimentation de segments pour alimenter électriquement une succession correspondante de segments d'une voie de lancement de projectile formée par deux rails parallèles, caractérisé par le fait que chacun de ces blocs est formé par une succession d'étages comportant chacun un condensateur de stockage d'énergie et une inductance de régularisation de courant, ces inductances étant connectées en série et ces condensateurs en parallèle pour former une impulsion présentant une largeur d'impulsion adaptée à la durée du transit d'un projectile dans le segment de voie -4- correspondant à ce bloc. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après comment la présente invention peut être mise en oeuvre, étant entendu que les éléments et dispositions mentionnés et représentés ne le sont qu'à titre d'exemples non limitatifs Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'ensemble d'un canon selon la présente invention. La figure 2 représente une vue d'un dernier bloc d'alimentation de ce canon. On va exposer de manière générale diverses dispositions préférables qui sont adoptées dans ce canon et illustrées par ces figures.15 Le canon comporte divers éléments qui sont analogues, quant à leurs fonctions, à des éléments dont l'emploi a déjà été proposé pour réaliser un tel canon De tels éléments connus constituent deux rails de guidage R, S pour guider un projectile P par l'intermédiaire d'une armature de projectile A Ces rails s'étendent selon une même direction longitudinale en formant pour ce projectile, une voie de lancement qui s'étend d'une extrémité arrière 8 à une extrémité avant Ces rails et cette armature comportent des éléments électriquement conducteurs pour conduire un courant propulsif en série dans l'un de ces rails puis à travers cette armature, puis dans l'autre de ces25 rails Un écart transversal entre ces éléments conducteurs de ces deux rails constitue une largeur électrique D de cette voie de lancement. Dans le canon donné en exemple une même pièce métallique assure à la fois, pour chaque rail, les fonctions de guidage mécanique et de conduction du courant électrique Mais il doit être compris que ces deux fonctions pourraient être assurées par deux pièces distinctes dont l'ensemble constituerait le rail. Sur l'un au moins de ces rails on peut distinguer une succession longitudinale de segments de rail Sl SK, de sorte que la voie de lancement peut être considérée comme constituée d'une succession de35 segments de voie qui sont définis par ces segments de rail Ces -5- segments de voie se succèdent par rangs croissants à partir d'un premier segment de rang un Si à l'extrémité arrière de cette voie, jusqu'à un dernier segment SK à son extrémité avant. Dans le canon donné en exemple un seulement S des deux rails est un rail "segmenté" constitué de segments qui sont séparés par des intervalles isolants Mais il doit être compris que la présente invention peut aussi s'appliquer lorsque la distinction entre les segments successifs résulte seulement de l'alimentation électrique du rail en des points successifs et de la résistance électrique du rail. Une succession de blocs d'alimentation Bl BK correspondent aux segments de voie Sl, SK Ces blocs sont commandés au cours de chaque tir d'un projectile pour alimenter électriquement successivement les segments de voie au fur et à mesure de la progression de ce projectile Chacun d'eux alimente le segment de voie correspondant en lui fournissant le courant propulsif à travers deux bornes BA, BB Ces deux bornes appartiennent à ce segment Elles sont respectivement connectées aux deux rails à une extrémité arrière de ce segment Le passage de ce courant dans ces rails crée un champ magnétique Ce champ interagit avec le courant qui traverse l'armature A et lui applique ainsi une force propulsive dirigée vers l'avant Pour éviter que le champ magnétique vu par l'armature A devienne momentanément très faible quand cette armature pénètre sur un nouveau segment de voie, les conducteurs qui aménent le courant aux bornes BA et BB longent une partie terminale du segment de voie précédent Pour faciliter la compréhension du dessin cette dernière disposition n'est pas représentée sur la figure 1. Chacun des blocs d'alimentation comporte lui-même des condensatateurs de stockage d'énergie pour stocker, au cours d'une période de charge préalable à chaque tir, l'énergie électrique nécessaire à la propulsion du projectile dans le segment de voie correspondant à ce bloc d'alimentation, et une inductance de régularisation connectée en série avec ces condensateurs de stockage entre les bornes du segment de voie correspondant pour régulariser l'intensité du courant propulsif pendant une période de transit du projectile dans ce segment. -6- Le canon comporte encore des moyens de charge pour charger chacun de ces condensateurs de stockage au cours de cette période de charge Dans le canon donné en exemple ces moyens de charge sont constitués par un générateur dynamo-électrique 2 associé à des circuits de conditionnement non représentés et à un interrupteur de mise sous tension rapide 4 qui est fermé au début de chaque période de charge. Il comporte encore des moyens d'introduction de projectile 6 pour introduire le projectile P muni de son armature A à l'extrémité arrière du premier segment 51 De préférence ces moyens comportent un prélanceur 6 qui peut être de type connu. Conformément à la présente invention chaque bloc d'alimentation, par exemple le dernier bloc BK, comporte: une borne active Wl connectée à l'une des bornes BA du segment de voie SK correspondant à ce bloc d'alimentation, une borne passive X 1 connectée à l'autre borne BB de ce segment de voie, et une succession d'étages d'alimentation El EN Cette succcession comporte un premier étage El et d'autres étages dont chacun, tel que l'étage E 2, suit un étage précédent tel que l'étage El Chacun de ces étages, par exemple l'étage EN comporte une première borne avant WN d'une première polarité, une deuxième borne avant XN d'une deuxième polarité, une première borne arrière YN de la première polarité et une deuxième borne arrière ZN de la deuxième polarité Les première et deuxième bornes avant du premier étage constituent respectivement les bornes active Wl et passive Xl de ce bloc d'alimentation Les première et deuxième bornes avant WN et XN de chaque autre étage d'alimentation tel que l'étage EN sont respectivement connectées aux première et deuxième bornes arrières telle que Y N-1 et Z N-1 de l'étage précédent tel que l'étage EN-1 Chacun de ces étages comporte les éléments suivants qui sont décrits dans le cas de l'étage EN: un condensateur de stockage CN connecté entre ses première et deuxième bornes arrières YN et ZN, et une inductance de régularisation LN connectée entre ses premières bornes avant et arrière WN et YN Les deuxièmes bornes avant et arrière XN et ZN de cet étage sont -7mutuellement connectées Il en résulte que les inductances de régularisation de ces étages successifs El EN sont connectées en série en formant une succession d'inductances Ll LN qui est connectée à la borne active Wl et que les condensateurs de stockage Cl CN de ces mêmes étages sont connectées entre d'une part la borne passive Xl et d'autre part des bornes successives Yl YN de cette succession d'inductances, à la manière d'une ligne à retard Grâce à cette disposition, lorsque les bornes de ce bloc sont connectées l'une à l'autre par l'armature de véhicule A par l'intermédiaire des rails R et S après que lesdits condensateurs de stockage Cl CN aient été chargés, le bloc d'alimentation BK délivre le courant propulsif sous la forme d'une impulsion de décharge qui tend à se rapprocher d'une impulsion rectangulaire, c'est-à-dire qu'elle présente un front de montée et un front de descente séparés par une largeur d'impulsion propre à ce bloc d'alimentation Cette largeur dépend au moins des capacités des condensateurs de stockage Cl CN, des valeurs des inductances de régularisation Ll LN et du nombre N des étages d'alimentation Cette largeur d'impulsion et le temps de transit du projectile P dans le segment de voie SK correspondant à ce bloc20 d'alimentation BK sont mutuellement adaptés Cette adaptation mutuelle est réalisée idéalement, dans la mesure o l'impulsion de décharge présente des fronts de montée et de descente verticaux, si ces fronts de montée et de descente coïncident respectivement avec les instants d'entrée et de sortie de l'armature A dans le segment de voie25 correspondant Dans la pratique cette coïncidence est seulement approximative. La longueur L des segments de voie est limitée de sorte que le nombre K de ces segments est supérieur à trois Ce nombre est choisi pour faire passer un courant propulsif d'intensité sensiblement30 constante à travers l'armature de projectile A. Il y a intérêt à accroître le nombre de ces segments notamment pour que la force contre-électromotrice résultant du déplacement du projectile ne présente pas, pendant la durée du transit de ce -8- projectile dans un segment de voie, une variation trop importante qui ferait varier l'intensité du courant propulsif et donc de la force propulsive Il convient cependant que chaque segment présente une longueur suffisante pour que l'intensité du champ magnétique à l'arrière de l'armature ne soit généralement pas diminuée de manière sensible La force propulsive est en effet proportionnelle au produit de cette intensité de champ par l'intensité du courant propulsif traversant l'armature. C'est pourquoi, de préférence la longueur L de chacun des segments de voie Sl est égale ou supérieure à cinq fois la largeur électrique D de la voie de lancement. De préférence les condensateurs de stockage sont des condensateurs électrolytiques Chacun de ces condensateurs par exemple le condensateur CN, comporte deux électrodes 12, 14 et est protégé contre une inversion de polarité par un redresseur de protection de condensateur DN connecté entre la première borne arrière YN de son étage d'alimentation EN et l'une des deux électrodes de ce condensateur Cette électrode constitue une électrode "protégée" 12. De préférence les moyens de charge 2, 4 chargent un dit bloc d'alimentation tel que BK en chargeant en parallèle les condensateurs de stockage Cl CN des étages d'alimentation successifs El EN de ce bloc Chacun de ces condensateurs est chargé à travers un redresseur de protection de charge GN connecté à son électrode protégée 12. Dans le canon donné en exemple, chacun des blocs d'alimentation Bl BK est muni d'une inductance de charge L Sl LSK qui est ou non saturable Les moyens de charge 2, 4 chargent ce bloc à travers cette inductance de charge. Selon une disposition parfois préférable et adoptée dans le canon donné en exemple certains au moins des segments de voie 51 SK et en fait, tous ces segments, ont des longueurs égales L Dans ce cas, les largeurs d'impulsion des blocs d'alimentation Bl BK qui correspondent à ces segments décroissent lorsque le rang de ces segments croit. Selon une disposition alternative non représentée certains au moins des blocs d'alimentation des segment B BK ont une même _ 9 _ largeur d'impulsion Les segments de voie Si SK correspondant à ces blocs ont alors des longueurs qui croassent avec le rang de ces segments. Bien entendu des compromis peuvent être préférables entre ces deux dispositions alternatives. La description qui précède fait apparaître, compte tenu de l'utilisation d'un prélanceur, que le seul organe de commutation utilisé est l'interrupteur de mise sous tension 4 Il peut être manoeuvré entre chaque tir ou uniquement entre chaque campagne de tir (cas de tirs en rafales) Les inductances de charge, saturables telles que les inductances L 51 LSK, ou non saturables, peuvent être dimensionnées en fonction de l'intervalle de temps le plus court devant séparer deux tirs L'interrupteur 4 peut être d'un type quelconque, manuel, à commande électromagnétique (le cas représenté sur le schéma), ou statique (il faudrait, dans ce cas, prévoir, de toute façon, un sectionneur d'isolement) Un modèle préféré présente la particularité d'utiliser le courant traversant en assistance à la fermeture. L'ensemble des dispositions précédentes permet d'accroître de manière significative le rendement énergétique du lanceur à rails et donc de réduire sa consommation en énergie primaire Il est alors possible d'effectuer des tirs rapprochés voire même des tirs en rafale. -10 - REVENDICATIONS l/ Canon électromagnétique à rails, comportant une succession de blocs d'alimentation (BI BK) pour alimenter électriquement une succession correspondante de segments (Sl SK) d'une voie de lancement de5 projectile formée par deux rails parallèles, caractérisé par le fait que chacun de ces blocs est formé par une succession d'étages (El EN) comportant chacun un condensateur de stockage d'énergie (CN) et une inductance de régularisation de courant (LN), ces inductances (Ll LN) étant connectées en série et ces condensateurs (Cl CN) en parallèle pour former une impulsion présentant une largeur d'impulsion adaptée à la durée du transit d'un projectile dans le segment de voie (SK) correspondant à ce bloc. 2/ Canon selon la revendication 1, comportant: deux rails de guidage (R, S) pour guider un projectile (P) par l'intermédiaire d'une armature de projectile (A), ces rails s'étendant selon une même direction longitudinale en formant, pour ce projectile, une voie de lancement qui s'étend d'une extrémité arrière ( 8) à une extrémité avant ( 10), ces rails et cette armature comportant des éléments électriquement conducteurs pour conduire un courant propulsif électrique en série dans l'un de ces rails puis à travers cette armature, puis dans l'autre de ces rails, un écart transversal entre ces éléments conducteurs de ces deux rails constituant une largeur électrique (D) de ladite voie de lancement, l'un au moins de ces rails formant une succession longitudinale de segments de rail, de sorte que ladite voie de lancement est constituée d'une succession de segments de voie (Sl SK) qui sont définis par ces segments de rail et qui se succèdent par rangs croissants à partir d'un premier segment de rang un (Si) à l'extrémité arrière de cette voie, et une succession correspondante de blocs d'alimentation de segments (Bl, BK), ces blocs étant commandés au cours d'un tir d'un dit projectile pour alimenter électriquement successivement lesdits segments de voie au fur et à mesure de la progression de ce projectile sur ladite voie de lancement, chacun de ces blocs alimentant le segment de voie correspondant en lui fournissant ledit courant35 propulsif à travers deux bornes (BA, BB) de ce segment qui sont 1 l - respectivement connectées aux deux dits rails à une extrémité arrière de ce segment, de manière à appliquer à ladite armature de projectile (A), par interaction électromagnétique, une force propulsive électromagnétique dirigée vers l'avant, chacun de ces blocs d'alimentation comportant lui-même des condensateurs de stockage d'énergie pour stocker, au cours d'une période de charge préalable à chaque dit tir, l'énergie électrique nécessaire à la propulsion dudit projectile dans le segment de voie correspondant à ce bloc d'alimentation, et une inductance de régularisation connectée en série avec lesdits condensateurs de stockage entre lesdites bornes dudit segment de voie correspondant pour régulariser l'intensité dudit courant propulsif pendant une période de transit dudit projectile dans ce segment, ledit canon comportant encore des moyens de charge pour charger chacun desdits condensateurs de stockage au cours de ladite période de charge, et des moyens d'introduction de projectile ( 6) pour introduire un dit projectile (P) muni d'une dite armature (A) à ladite extrémité arrière dudit premier segment (Sl) avant chaque dit tir, ledit canon étant caractérisé par le fait que chaque dit bloc d'alimentation de segment (BK) comporte: une borne active (Wl) connectée à une dite borne (BA) d'un dit segment de voie correspondant à ce bloc d'alimentation, une borne passive (XI) connectée à l'autre dite borne (BB) de ce segment de voie, et une succession d'étages d'alimentation (El EN), cette succcession comportant un premier étage (El) et d'autres étages dont chacun (E 2) suit un étage précédent (El), ces étages comportant chacun (EN) une première borne avant (WN) d'une première polarité, une deuxième borne avant (XN) d'une deuxième polarité, une première borne arrière (YN) de ladite première polarité et une deuxième borne arrière (ZN) de ladite deuxième polarité, lesdites première et deuxième bornes avant dudit premier étage (El) constituant respectivement lesdites bornes active (Wl) et passive (Xl) de ce bloc d'alimentation, lesdites35 première (WN) et deuxième (XN) bornes avant de chaque dit autre étage 12 - d'alimentation (EN) étant respectivement connectées aux dites première (Y N-1) et deuxième (Z N-l) bornes arrières dudit étage précédent (EN-1), chacun de ces étages comportant un dit condensateur de stockage (CN) connecté entre ses dites première et deuxième bornes arrières (YN et ZN), et une dite inductance de régularisation (LN) connectée entre ses dites premières bornes avant et arrière (WN et YN), lesdites deuxièmes bornes avant et arrière (XN et ZN) de cet étage étant mutuellement connectées, grâce a quoi, lorsque lesdites bornes (BA, BB) de ce bloc sont connectées l'une à l'autre par ladite armature de véhicule (A) par l'intermédiaire desdits rails (R,S) après que lesdits condensateurs de stockage (C 1 CN) aient été chargés, ledit bloc d'alimentation (BK) délivre ledit courant propulsif sous la forme d'une impulsion de décharge présentant un front de montée et un front de descente séparés par une largeur d'impulsion propre à ce bloc d'alimentation, cette largeur d'impulsion et ladite période de transit dudit projectile (P) dans ledit segment de voie (SK) correspondant à ce bloc d'alimentation (BK) étant mutuellement adaptés. 3/ Canon selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le nombre (K) desdits segments de voie (Sl SK) est supérieur à trois. 4/ Canon selon la revendication 2, caractérisé par le fait que lesdits condensateurs de stockage (Cl CN) sont des condensateurs électrolytiques, chacun de ces condensateurs (CN) ayant deux électrodes ( 12, 14) et étant protégé contre une inversion de polarité par un redresseur de protection de condensateur (DN) connecté entre ladite première borne arrière (YN) de son dit étage d'alimentation (EN) et l'une desdites électrodes de ce condensateur, cette électrode constituant une électrode protégée ( 12). / Canon selon la revendication 4, caractérisé par le fait que lesdits moyens de charge ( 2, 4) chargent un dit bloc d'alimentation (BK) en chargeant en parallèle lesdits condensateurs de stockage (Cl CN) desdits étages d'alimentation successifs (El EN) de ce bloc, chacun de ces condensateurs étant chargé à travers un redresseur de protection de charge (GN) connecté à sa dite électrode protégée ( 12). 6/ Canon selon la revendication 5, caractérisé par le fait que chacun desdits blocs d'alimentation (B BX) est muni d'une inductance de 13 charge (L 51 LSK), lesdits moyens de charge ( 2, 4) chargeant ce bloc à travers cette inductance de charge. 7/ Canon selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la longueur de chacun desdits segments de voie (Si) est égale ou supérieure à cinq fois ladite largeur électrique (D) de ladite voie de lancement (R, S). 8/ Canon selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les blocs d'alimentation sont identiques et les segments de rails de longueur régulièrement croissante. 9/ Canon selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les blocs d'alimentation bien que constitués de sous-ensembles identiques sont conçus pour emmagasiner l'énergie nécessaire à l'alimentation de sections de rail de longueur constante.