Brevet FR2739441A1 — publié le 19970404

LANCEUR A RAILS La présente invention concerne un lanceur à rails, comprenant au moins deux rails électriquement conducteurs, destiné à l'accélération électromagnétique d'un projectile glissant entre lesdits rails. Des lanceurs à rails sont connus dans l'état de la technique et la figure 1 en montre le schéma de principe: Ce lanceur comporte deux rails conducteurs 1 et 2, parallèles entre eux, entre lesquels peut se déplacer en glissant un projectile 3 qui comporte au moins une partie électriquement conductrice. Lorsqu'une source de courant (non représentée) envoie un courant I à travers les deux rails i et 2, mis en contact par le projectile 3, le champ magnétique B, induit autour des rails, donne naissance à une force F, dite force de Laplace ou force de Lorentz, qui s'exprime par l'équation F = I.B.d (1) o d est la distance entre les rails. La force F peut également être exprimée par l'équation F = 1/2 L'. I2 (2) o L' est la variation de l'inductance des rails en fonction de la longueur dans le sens de l'axe. La valeur de L' est relativement indépendante de la distance d et généralement de l'ordre de 0,35 à 0,45 gH/m. La force F accélére le projectile 3 selon la relation classique F = Mg (3) o M est la masse et g l'accélération du projectile. On a pu obtenir des vitesses élevées en sortie de lanceur, de l'ordre de 2 à 5 km/s avec des projectiles de masse variant entre 0,1 kg et plusieurs kilogrammes; ceci exige la mise en oeuvre de courants électriques de plusieurs méga-ampères. Tandis que le rendement des propulseurs à poudre diminue fortement aux vitesses élevées, le rendement d'un lanceur électrique à rails augmente aux vitesses élevées. Un des principaux but de cette technologie est donc la recherche des très grandes accélérations et vitesses de projectiles. On a généralement cherché à augmenter la force d'accélération en augmentant l'intensité du courant, mais l'intensité du courant pouvant circuler dans les rails est limitée en raison de l'échauffement qu'il produit. On sait également que le courant maximum Im est proportionnel à la distance d entre les rails. On a donc proposé d'augmenter l'écartement entre les rails pour pouvoir augmenter I et par conséquent F. Cependant un projectile remplissant l'espace d afin de réaliser le contact électrique entre les rails a une masse qui augmente avec d, qu'il s'agisse d'un projectile creux ou d'un projectile plein, ce qui compense l'augmentation de F et ne permet donc pas d'augmenter l'accélération dans les mêmes proportions. Pour augmenter l'accélération d'un tel lanceur à rails on a déjà proposé (CG HOMANN et al., IEEE Transactions on Magnetics, MAG-22, Ne6, 1527 (1986)) d'augmenter le champ magnétique B, et par conséquent la force résultante conformément à l'équation (1), à l'aide de spires supplémentaires alimentées par une source de courant supplémentaire. Une telle construction est complexe et chère à réaliser, et les pertes ohmiques du système sont importantes. Pour réduire les pertes ohmiques, on a également proposé (CH Haigt, M.M. Tower, IEEE Transactions on Magnetics, MAG- 22, N 6, 1499, (1986)) d'amener le courant dans le système d'accélération en plusieurs endroits. Ce dispositif est également onéreux et difficile à réaliser. La qualité du contact électrique entre la surface des rails et la surface du projectile, pendant le glissement, pose également un problème: notamment dans le cas de deux grandes surfaces, ce contact se réduit à des zones ponctuelles qui deviennent ce qu'on appelle communément des "points chauds". Pour certaines applications, la charge utile à accélérer a un calibre, c'est-à-dire des dimensions transversales, faibles. C'est le cas notamment de projectiles de forme allongée tels que les projectiles- barreau. Pour lancer de tels projectiles, on a proposé de munir un projectile- barreau de faible calibre d'une armature périphérique fixe ou d'un sabot de lancement amovible conducteurs, d'un calibre nettement supérieur, égal au calibre du lanceur à rails. Lors de l'accélération d'une telle structure, il s'est avéré que le courant I se concentre du côté du champ magnétique intense B, c'est-à-dire à l'arrière du projectile. Une telle répartition inhomogène n'est pas souhaitable, notamment pour obtenir un guidage fiable du projectile-barreau. La correction de la répartition de courant peut être obtenue à l'aide de mesures de construction du lanceur en plusieurs étages (FR 2 658 281), relativement compliquées. De plus ces structures posent également le problème des "points chauds", cités plus haut. Le but de la présente invention est de proposer un lanceur à rails du type défini ci-dessus qui ne présente pas les inconvénients de l'art antérieur. Le but de l'invention est en particulier d'obtenir des accélérations importantes sans faire appel à des structures périphériques additionnelles complexes de l'objet accéléré. Un autre but spécifique de l'invention est d'améliorer le contact électrique entre le projectile et les rails du lanceur sans faire appel à des structures spécifiques complexes de l'objet accéléré. Ce but est atteint grâce à un lanceur à rails du type ci- dessus dont les rails présentent une pluralité de surépaisseurs espacées, formant des plots de contact électrique avec le projectile, la distance entre la surface de contact des plots du premier rail et la surface des plots du deuxième rail en contact avec ledit projectile étant égale au calibre du projectile, et o l'espacement entre les plots successifs d'un même rail est suffisamment faible pour que le projectile, en glissant, soit en permanence en contact efficace avec au moins un plot de chaque rail. Dans le dispositif selon l'invention, l'écartement des deux rails est supérieur au calibre du projectile, de sorte que le courant maximum est supérieur à celui qu'on pourrait mettre en oeuvre dans un lanceur o l'écartement des rails serait égal au calibre du même projectile. Par ailleurs, la réduction des surfaces de contact sous forme de plots, entre rails et projectiles permet d'éviter les nombreux "points chauds" qui apparaissent normalement lors du contact entre deux grandes surfaces. En outre le défilement du projectile en contact avec les plots permet de répartir le courant dans le corps du projectile alors qu'il aurait tendance à se concentrer près de la partie arrière du projectile dans les lanceurs de l'art antérieur. De préférence, l'espace entre les surfaces de contact de deux plots successifs contient un matériau isolant qui affleure la surface de contact des plots. La présence de ce matériau isolant à la fois améliore le guidage du projectile et renforce la structure d'ensemble du lanceur. Les pièces en matériau isolant peuvent être conçues de façon à solidariser mécaniquement les rails, empêcher la tendance à l'écartement des rails, et donc améliorer le contact électrique. Chacun des deux rails présente face à l'autre rail une rangée de dents discrètes constituant les plots de contact. Ces plots peuvent être venus d'une pièce avec un rail qui les porte. Les plots peuvent être constitués de tiges fixés au corps du rail. La hauteur dont les plots dépassent le rail qui les porte peut être réglable au moyen d'un instrument. Les plots montés sur un rail peuvent être constitués d'un matériau différent de celui des rails, homogène ou hétérogène, pour optimiser une propriété mécanique ou électrique. Selon une variante particulièrement préférée de l'invention, les plots peuvent être constitués de brins filamentaires. Un contact par brins filamentaires permet d'obtenir une résistance électrique au niveau du contact extrêmement faible. La structure d'un contact électrique par brins filamentaires est connue de manière générale de l'homme du métier. Elle a par exemple été décrite dans les documents FR 79 27526 et FR 77 29716. La présente invention sera mieux comprise de l'homme du métier grâce à la description détaillée d'un mode de réalisation et des figures accompagnantes, parmi lesquelles - la figure 1A montre un schéma de principe d'un lanceur à rails de l'art antérieur; - la figure lB montre une coupe transversale de la figure 1A selon A -A; - la figure 1C montre selon la même coupe, une variante d'exécution du lanceur de la figure 1A. - la figure 2 est une vue schématique, en demi-coupe longitudinale, d'un lanceur à rails selon l'invention. - les figures 3A, 3B et 3C sont trois vues schématiques en coupe longitudinale illustrant la différence entre un lanceur selon l'invention et un lanceur de l'art antérieur. - la figure 4 montre une vue schématique d'un autre mode de réalisation de la présente invention. Des objets et grandeurs identiques ou équivalents sont désignés par les mêmes symboles et références numériques dans l'ensemble des figures. Dans la figure 2, seul le rail 1 est représenté. Dans le mode de réalisation préféré qui va maintenant être décrit le rail 2 présente une structure symétrique de celle du rail 1 par rapport à l'axe XX'. Les corps des rails conducteurs 1 et 2 présentent un écartement dl. Les rails 1 et 2 comportent des surépaisseurs discrètes 4n, 4n+1, espacées d'une distance e. Ces surépaisseurs peuvent être réalisées en creusant le rail 1 à l'état brut par tout moyen connu, par exemple par fraisage. L'homme du métier comprendra aisément, en se réferrant par exemple aux figures lB, 1C que ces surépaisseurs, schématiquement représentées sur la figure 2 en coupe longitudinale sous forme de dents peuvent prendre la forme de nervures droites (figure lB) ou en arc de cercle (figure 1C) s'étendant sur toute la largeur intérieure du rail, perpendiculaires à l'axe du lanceur, dont la crête forme une surface épousant le profil transversal du projectile, ou encore, par fraisage supplémentaire, la forme de plots de faible section, carrée, ronde ou autre. La hauteur ou épaisseur f de ces plots est telle que d + 2f = dl (4) o d est le calibre du projectile, inférieur à l'écartement dl du corps des rails. L'espace entre et autour des plots est comblé sur une épaisseur égale à f par un matériau isolant 5 qui constitue un chemisage intérieur du lanceur, au calibre d. La surface extérieure des plots est mise à fleur avec la surface de l'isolant 5 par tout usinage approprié connu, et la surface de l'isolant 5 présente une finition appropriée pour assurer substanciellement le guidage du projectile 3 avec le meilleur glissement possible. Les surfaces extérieures des plots 4 assurent un contact électrique permanent entre les rails 1, 2 et le projectile 3 et donc le passage du courant entre les rails 1 et 2 qui engendre la force d'accélération F appliquée au projectile 3. On constate sur la figure 2 que dans le sens longitudinal du lanceur, les surépaisseurs 4 formant les plots de contact ont une largeur 1 nettement inférieure à l'espacement e entre deux plots successifs 4n, 4n+1. Le projectile conducteur de calibre d présente un diamètre ou une épaisseur égale à d sur une longueur L; en d'autres termes, L est la longueur du projectile sans tenir compte d'une éventuelle pointe ou ogive frontale. Le projectile doit rester en contact électrique permanent avec les rails 1 et 2. Ceci est réalisé si L > 1 + e (5) De cette manière, pendant son glissement, la partie avant du projectile entre en contact avec le plot 4n+1 avant que sa face arrière ne quitte le plot 4n. Un contact électrique efficace, sur une surface équivalente à au moins celle d'un plot ou d'avantage, est ainsi maintenu en permanence, et de plus, le défilement du projectile au contact avec les plots permet de bien répartir en moyenne le courant dans le corps du projectile, alors qu'il a tendance à se concentrer près de la face arrière du projectile dans les lanceurs connus. Les performances que permet l'invention sur le plan de l'accélération sont illustrées par les figures 3A, 3B, 3C qui montrent respectivement - a) un lanceur a de l'art antérieur avec des rails présentant un écartement dl, entre lesquels glisse un projectile plein de masse M1, sous une accélération ga - b) un lanceur b selon l'invention présentant des rails d'écartement dl, égal à celui du lanceur a de la figure 3A, mais muni de plots de hauteur f, dans lequel glisse un projectile plein, de masse M, de même longueur que le projectile du lanceur a et de calibre d = dl - 2f sous une accélération gb - c) un lanceur c selon l'art antérieur présentant un écartement de rails égal à d, entre lesquels glisse un projectile identique à celui du lanceur b de la figure 3B, sous une accélération gc Si les trois lanceurs fonctionnent sous courant maximum, alors Ia = Ib (6) et Ia/Ic = dl/d (7) Exemple 1: lanceur et projectile de section cylindrique. A longueur égale, M = M.d2/dl2 d'o gb= dl/d ga (8) et gb = gc'dl/d (9) En d'autres termes, le lanceur b selon l'invention, grâce aux plots de hauteur f, permet - par rapport à un lanceur de l'art antérieur de même écartement de rails dl et sous le même courant, d'accélérer un projectile sous-calibré à (dl - 2f) avec une accélération augmentée dans le rapport d1/(dl - 2f) - par rapport à un lanceur de l'art antérieur tirant le même projectile sous courant maximal, d'obtenir une augmentation de l'accélération dans un rapport (d + 2f)/d au prix d'une augmentation de courant dans un rapport (d + 2f)/d. Les différences des valeurs de la masse et de l'accélération sont importantes: Si un projectile d'une masse M1 = 0,1 kg est lancé par un lanceur o l'écartement dl entre les rails vaut 30 umm, l'accélération obtenue est 9a. La simple réduction de l'écartement à 15 mm permet de remplacer la masse M1 de 0, 1 kg par une masse M de 0,0316 kg mais l'accélération par contre ne change pas. Un lanceur selon l'invention présentant un écartement de rails dl = 30 mm, muni de plots de hauteur 7,5 mm lance un projectile de même longueur et de masse 0,0316 kg sous une accélération de 2 ga' Exemple 2: lanceur et projectile de section rectangulaire. Si les autres dimensions du projectile restent identiques, M = M1.d/d1 d'o gb = ga (10) et gb = gc-(dl/d) (11) En d'autres termes, ce lanceur selon l'invention permet, par rapport à un lanceur de l'art antérieur tirant le même projectile sous courant maximal, d'obtenir une augmentation de l'accélération dans un rapport (d + 2f)/d au prix d'une augmentation de courant dans un rapport (d + 2f)/d. Si un projectile d'une masse M1 = 6 kg est lancé par un lanceur o l'écartement dl entre les rails vaut 80 mm, l'accélération obtenue est ga. La simple réduction de l'écartement à 60 mm permet de remplacer la masse M1 de 6 kg par une masse M de 4,5 kg. Un lanceur selon l'invention présentant un écartement de rails dl = 80 mm, muni de plots de hauteur 10 mm, lance un projectile de même longueur et de masse 4,5 kg sous une accélération de 1,3 ga. Si par contre la largeur du projectile sous-calibré est réduite dans la même proportion que son épaisseur, en particulier dans le cas d'un projectile de section carrée, on obtient les mêmes effets sur l'accélération que dans l'exemple 1. Les plots de contact du lanceur selon la présente invention peuvent faire l'objet de divers modes d'exécution. Ils peuvent notamment être constitués de tiges filetées, il vissées dans des alésages filetés du corps du rail et traverser celui-ci de part en part. De cette manière, la hauteur f est ajustable et il est possible, à l'aide d'un instrument, par rotation des tiges filetées, de corriger un défaut de parallélisme des rails ou une usure. Selon un mode d'exécution particulièrement préféré de la présente invention, les plots sont constitués de faisceaux de brins filamentaires: ce mode d'exécution permet d'obtenir un contact électrique particulièrement efficace. La figure 4 montre des plots, munis de contacts multifilamentaires, enchassés dans une gaine de matériau isolant en forme de tube ou de plaque selon la forme du projectile que la gaine guide. Les plots 4 sont en contact par filaments d'un côté avec le rail 1, de l'autre côté avec le projectile 3. Le rail lui-même ne subit pas d'usure mécanique du fait de tirs multiples. Les rails conducteurs du lanceur selon l'invention ne devant plus, comme dans les lanceurs antérieurs, assurer à la fois le contact électrique, la conduite du courant et le guidage mécanique du projectile, il est possible de ne plus conformer la face intérieure du rail à la surface latérale du projectile et de donner aux rails une plus grande variété de profils, en fonction de critères de conduction de courant ou de rigidité mécanique de l'ensemble. Les rails doivent nécessairement être écartés et isolés électriquement l'un de l'autre. Par contre, le matériau isolant 5 peut être constitué d'un tube ou d'un ensemble de bagues entourant et guidant continûment le projectile. Dans un lanceur à tube cylindrique, il est aisé de donner à la surface intérieure du tube un profil de type "canon rayé". L'homme du métier pourra réaliser l'invention selon de nombreuses autres variantes sans sortir du cadre de celle- ci, qui n'est limitée que par la portée des revendications. REVENDICATIONS 1. Lanceur à rails, comprenant au moins deux rails (1, 2) électriquement conducteurs, destiné à l'accélération électromagnétique d'un projectile (3) glissant entre lesdits rails (1, 2), caractérisé en ce que chacun des deux rails présente une pluralité de surépaisseurs espacées, formant des plots (4) de contact électrique avec le projectile (3), la distance (d) entre la surface de contact des plots du premier rail (1) et la surface de contact des plots du deuxième rail (2) étant égale au calibre du projectile, et en ce que l'espacement entre les plots successifs (4n, 4n+1) d'un même rail est suffisamment faible pour que le projectile (3), en glissant, soit en permanence en contact efficace avec au moins un plot de chacun des deux rails. 2. Lanceur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace entre les surfaces de contact de deux plots successifs (4nt 4n+1) contient un matériau isolant (5) qui affleure la surface de contact des plots. 3. Lanceur selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que lesdits plots sont venus d'une pièce avec le rail qui les porte. 4. Lanceur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdites surépaisseurs forment des nervures, perpendiculaires à l'axe du lanceur, dont la crête épouse le profil transversal du projectile. 5. Lanceur selon selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits plots sont constitués de tiges fixées au corps du rail. 6. Lanceur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la hauteur desdits plots est réglable. 13 ' A 2739441 7. Lanceur selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que lesdits plots sont constitués d'un matériau hétérogène améliorant le contact. 8. Lanceur selon l'une des revendications 1, 2, 5, 7, caractérisé en ce que lesdits plots sont constitués de brins filamentaires.