(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発射体のためのカートリッジと一体化された複数のプラズマ発生源及び注入デバイスであり、前記カートリッジが可燃性マスを含むと共に前記発射体を推進させるべく前記カートリッジに充分なパワーを供給するための電源接続子を有し、前記デバイスは、
プラズマアークを育成する構造体を備え、この構造体は、金属誘電体の層の壁から形成されたキャピラリを有し、このキャピラリは第１端及び第２端を有し、且つその中の中央孔により規定された内部体積を有し、
前記デバイスは更に、
第１端及び第２端に配置された陽極及び陰極の一方との間に前記複数のプラズマ発生源の１つの領域を形成するように、前記中央孔内に配置された少なくとも１つの中間電極と、
プラズマ放電を前記キャピラリ及び前記領域内の空間により規定する手段と、
前記領域から前記プラズマを選択的に配置された位置へ流れるように案内して、前記可燃性マスの離散的領域内で発火および燃焼を起こさせる手段とを備えるデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記陽極が、電源接続のための接触端と、中央セグメントと前記キャピラリの第１端に配置される先端部とを有し、前記中央孔中に延びてその中で閉塞端を形成し、且つ前記先端部は、前記中間電極の反対側に位置するデバイス。
【請求項３】
請求項２に記載のデバイスにおいて、前記陰極が、キャップ端と、中央部と、前記キャピラリの第２端に配置された先端部とを有し、前記中央部が前記金属層と係合し、前記陰極の先端部が前記中央孔に延びてその閉塞端を形成すると共に、この先端部は、前記中間電極の反対側に位置するデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記プラズマを案内する手段が、前記領域を包囲する一連の通気口を有するデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のデバイスにおいて、前記構造体が前記キャピラリの前記中央孔内に前記領域を含み、この領域は穴無し領域及び穴開き領域を有するデバイス。
【請求項６】
発射体のためのカートリッジ内に配置された複数のプラズマ発生源及び注入デバイスであり、前記カートリッジが可燃性マスを含むと共に前記発射体を推進させるべく前記カートリッジに充分なパワーを供給するための電源接続子を有し、前記デバイスは、
金属誘電体の層の壁から形成されたキャピラリ構造体を備え、このキャピラリ構造体は、第１端及び第２端を有し、且つその中の中央孔により規定された内部体積を有し、
前記デバイスは更に、
陽極及び陰極とそれらの間の少なくとも一つの中間電極とを前記中央孔内に配置して形成され、これを通じて前記プラズマを生成すべく前記カートリッジに充分なパワーを供給する電導路を備え、
前記陽極、中間電極、陰極が前記キャピラリ内に領域を規定し、この領域内で前記プラズマが発生し、
前記デバイスは更に、
前記キャピラリ内の一連の通気孔を備え、この通気孔を通じて前記プラズマが前記キャピラリ内の前記領域から外側へ注入されるデバイス。
【請求項７】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記陽極、陰極、中間電極が前記中央孔内に配置されて、前記キャピラリ内の穴無し部分の領域を形成するデバイス。
【請求項８】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記キャピラリが外側膜カバーを含み、このカバーは、前記プラズマが前記キャピラリ内の前記領域から外側へ注入されるときに、プラズマ圧力下で破断するように設計されているデバイス。
【請求項９】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記キャピラリ内で前記電導路を形成する金属製フューズワイヤにより、前記陽極、中間電極、陰極が相互接続されているデバイス。
【請求項１０】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記陽極、陰極、中間電極が、前記電導路を確立して前記領域内に一連のプラズマを生成すべく配置された様々な先端部形状を含むデバイス。
【請求項１１】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記陽極、陰極、中間電極により確定される前記領域が、幾何形状および寸法において異なる先端部を含み、前記電極が前記先端部周囲に嵌合するように可変な厚さを有する誘電性壁により囲まれているデバイス。
【請求項１２】
請求項６に記載のデバイスにおいて、前記一連の通気孔が、前記プラズマが発生する前記領域内に分布する可変な径の開口を含むデバイス。
【請求項１３】
発射体のためのカートリッジ内に一体化された複数のプラズマ発生源及び注入デバイスであり、前記カートリッジが可燃性マスを含むと共に前記発射体を推進すべく前記カートリッジに充分なパワーを供給するための電源接続子を有し、前記デバイスは、
前記可燃性マスの個別の領域内にプラズマを選択的に導入するようにプラズマを生成する手段を有するキャピラリ構造体と、
陽極と、２つの異なるタイプの胴体を形成するように接合された２つのタイプの金属からなる中間電極と、カソードとを含んでなり、これを通じて前記カートリッジに前記プラズマを発生させる充分なパワーを供給する電導路とを備え、
前記陽極、中間電極、陰極が前記キャピラリ内に領域を規定し、この領域内で前記プラズマが発生し、
前記デバイスは更に、
前記キャピラリ内の一連の通気孔を備え、この通気孔を通じて前記プラズマが前記燃焼マスの異なる領域へ注入されるデバイス。
【請求項１４】
請求項１３記載のデバイスにおいて、前記陽極、中間電極、陰極が、合成空気媒体により隔離された先端形状を含むデバイス。
【請求項１５】
請求項１３記載のデバイスにおいて、前記陽極、中間電極、陰極が、真空空間により隔離された先端形状を含むデバイス。
【請求項１６】
発射体のためのカートリッジ内に一体化された複数のプラズマ発生源及び注入デバイスであって、前記カートリッジが可燃性マスを含むと共に前記発射体を推進すべく前記カートリッジに充分なパワーを供給するための電源接続子を有し、前記デバイスは、
単独の電源への接続子を有し、キャピラリ内に離散して隔離されたプラズマを形成する手段を備え、
前記キャピラリが第１端、中間部、及び第２端を有し、
前記デバイスは更に、
前記キャピラリの第１端に配置され、単独の試験電源への接続子を有する陽極と、
前記キャピラリの第２端に配置された陰極と、
前記キャピラリの前記中間部に配置された一連の個別の中間電極とを備え、
前記離散的プラズマは前記陽極と前記中間電極と前記陰極との間に発生し、
前記デバイスは更に、
前記プラズマが前記キャピラリから前記燃焼マスへ外側へ注入されるまでプラズマアークを育成する手段を備えるデバイス。
【請求項１７】
請求項１６記載のデバイスにおいて、前記陽極、中間電極、陰極が、前記キャピラリ内に前記離散したプラズマが発生する一連の隔離して閉止したセグメントを形成するデバイス。
【請求項１８】
発射体のためのカートリッジ内に一体化された複数のプラズマ発生源及び注入デバイスであって、前記カートリッジが可燃性マスを含むと共に前記発射体を推進すべく前記カートリッジに充分なパワーを供給するための電源接続子を有し、前記デバイスは、
金属誘電体の層の壁から形成されたキャピラリ構造体を備え、このキャピラリ構造体は、第１端、第２端及び中央部を有し、且つその中の中央孔により規定された内部体積を有し、
前記デバイスは更に、
前記構造体の第１端に配置され、電源への接続子を有する陽極と、
前記構造体の第２端に配置された陰極と、
前記中央孔内に配置されて前記陽極と前記陰極との間に位置し、且つこれらと交信する一連の中間電極とを備え、
前記プラズマ領域は、前記陽極と前記中間電極との間と、前記陰極と前記中間電極との間と、前記一連の中間電極の間とに形成され、
前記デバイスは更に、
前記プラズマ領域内にプラズマを育成して、プラズマ発生を確立して前記燃焼マスへ注入するプラズマ育成手段と、
前記プラズマを選択的に位置する位置へ流すように案内して点火を開始させて、前記燃焼マスの離散領域内の燃焼を増大させる案内手段とを備えるデバイス。
【請求項１９】
請求項１８記載のデバイスにおいて、前記中央孔が前記キャピラリの内側層に沿って間欠的に分布する可変径の穴を含むデバイス。
【請求項２０】
請求項１８記載のデバイスにおいて、前記中央孔が前記キャピラリの外側層に沿って間欠的に分布する一定径の穴を含むデバイス。
【請求項２１】
請求項１８記載のデバイスにおいて、前記陽極が、ねじ部分、鋭端な先端部分、及び電源接点端を含み、前記先端部分が、隣接する中間電極と協働するように幾何形状を有し、且つ前記先端部分が前記中央孔内へ延出してその中に閉止端を形成するデバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は本発明は、離散的なアーク発生装置を含むプラズマ注入兼分布システムに関し、特に電気熱化学（electro-thermal chemical, ETC）ガン（gun）システムにおいて、効果的な燃焼を誘導するため、細い可燃性のマス（mass）すなわちプロペラントマス、のセグメント（segments、細片）中に適当量のプラズマエネルギーを注入することのできる装置に関する。
【０００２】
【従来技術および発明が解決しようとする課題】
本発明のシリアルアークプラズマ装置は、プロペラントマスの離散的なセグメント中に選択的に燃焼を開始させることができる。単一的に爆発しもしくは燃焼する溶融ワイヤーを使用するこれまでの装置は、プロペラントを含む細いカートリッジ内で使用するときは作動性、反復性および信頼性に関して問題があった。燃焼を開始させるとともにさらにプロペラントマス中の燃焼を増強させるべく十分高いエネルギーのプラズマを与える、という問題は複雑である。主な技術的困難の一つは、キャピラリー（細管）中のフューズワイヤー（溶融性ワイヤー）の燃焼は容易には制御できないことである。さらに具体的にいうと、プラズマアークを維持するキャピラリーの直径の２０倍を超える長さの細いワイヤー中に電気アークを維持することは可能でない。したがってフューズワイヤをプラズマガンシステム内で使用するとき、この事実がその長さに制限を課し、特に細いプロペラントカートリッジを含む大口径ガンの実現を阻んでいる。ここに開示するシリアルアークプラズマインジェクタ（注入器）はこれらの問題を解決し、先行技術に優るいくつかの進歩的技術および利点を与える。それはフューズワイヤーの形状および断面積のみならず種々のタイプの金属性フューズワイヤーを組み合わせて使用することができるようにすることにより達成される。
【０００３】
本発明のもたらす特別の技術的進歩、利点および特徴はいくつかの特定の実施例に関する以下の説明および図面から明らかになろう。
【０００４】
本発明のシリアルアークプラズマインジェクタ装置は、発火源が高エネルギープラズマアークである場合に可燃性マス（combustible mass）の不均等かつ不完全な燃焼を低減し制御する。特に本開示はプロペラント（propellerant）と一体化しもしくは結合することのできるシリアルアークプラズマインジェクタ装置に関する。本発明の実施例は、毎回新規に電気熱化学火薬カートリッジが供給される。本シリアルアークプラズマインジェクターは可燃性マスすなわちプロペラントマスの離散的セグメントのどこにでも所望のエネルギーレベルの且つ孤立したプラズマアークインジェクションを注入することができる点で、本発明は先行の技術のシステムとは異なる。さらに本発明はプロペラントマスの全体にわたって所望のレベルのプラズマ放電を維持しながら、扇形、円形、螺旋形その他任意の形状および配置を有するプロペラントマスを侵入させることができる。このように、プロペラント中に同一または可変的エネルギーレベルをもつ多数の孤立プラズマアーク注入点を発生させるという問題が、後述する本発明の多くの重要な点の一つである。
【０００５】
本シリアルアークプラズマインジェクタの一実施例が図１に示されている。スタブケース（stub case）１２およびおよびリム絶縁体１４（ポリエチレンまたは等価のもの）を含むカートリッジハウジング１０が発射体１６と一体的に装着される。カップリング１８が一端でスタブケース１２に対し一体的に装着され、他端でキャピラリー（毛細管）２０にネジ接続される。キャピラリー２０はカップリング１８の位置で支持され、カートリッジ中に片梁状に突き出す。電源接続子２２がリム絶縁体１４の中心部に配置されており、これが陽極２４との直接接触を与える。陽極２４は部分的に電源接続子２２中に延びる。キャピラリー２０はスチール製のハウジング２６および誘電体のライナー２８（PEEK/S2ガラスもしくはこれと等価のもの）を含む。キャピラリー２０はさらに中央の中ぐり孔３０を含み、その中ぐり孔中に複数の中間電極３４が配置されている。キャピラリー２０の突き出し端には、陰極端子３６がスチール製ハウジングハウジング２６中にねじ込挿入されており、閉塞端を形成する。陽極２４、中間電極３４および陰極端子３６はアークギャップ「Ｇ」のセグメントによって分離されている。全体で特定面積を形成する通気孔４０がアークギャップ「Ｇ」の各セグメントを囲む。可変的厚さを持つ誘電体スリーブ４２（ポリエチレンまたはそれと等価のもの）が中間電極３４をその造形端３４ａにて支持する（図５参照）。金属性フューズワイヤー４４は陽極２４を中間電極３４に接続する。中間電極３４はさらにもう一つの隣接する中間電極３４を陰極端子３６に接続する。膜状カバー４６すなわち誘電体の塗布層がキャピラリー２０の外部に塗布されている。プロペラント４８がキャピラリー２０を囲む。アルミナ（セラミック）の管５０および構造体をなす絶縁性の管５２と共同してカップリング１８がキャピラリー２０に対する支えを与えるとともに、電源接続子２２、スタブケース１２およびリム絶縁体１４を接続する。
【０００６】
ここで図２を参照すると、キャピラリー２０の一部の詳細が示されている。この図でわかるように中間電極３４はキャピラリー２０の一部の中に取り込まれている。電極の先端部３４ａは誘電体スリーブ４２中に延びる。通気孔４０は半径方向に、かつアークギャップ「Ｇ」の周辺に分布する。通気孔４０は図に示すように可変的直径を有する。フューズワイヤー４４は中間電極３４間に延びる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
図３はキャピラリー２０の一部を示す。この部分にはいろいろなタイプの材料、配置および構造をもったギャップ「Ｇ」、誘電体スリーブ４２、フューズワイヤー４４が使用される。以下に議論するように本シリアルアークプラズマインジェクタ装置は、キャピラリー２０の特定のセグメントのすぐ周りを囲むプロペラントと適合する（compatible）プラズマアークを発生するに必要な柔軟性と適合性を与える。
【０００８】
図４は陽極２４およびその先端部２４ａを示す。図５は中間電極３４およびその両側にある先端部３４ａを示す。中間電極３４は先端部分よりも大きな直径をもった、一般的に円筒形の中央セグメントを含む。図６は陰極端子３６およびその先端部３６ａを示す。陰極端子３６はキャピラリー２０の閉塞端を形成するキャップエンドを含むように形成されている。図７はセグメントが異なるタイプの金属性物質Ｍ１およびＭ２を含む中間電極３４を示す。
【０００９】
図８および図９参照すると、細いカートリッジに構造上の支持を与えるように特に設計された組立体が図示されている。簡単のため、カートリッジハウジングは図示されていない。その構造は一連のボルト穴６０を具備する一対のフランジ付き金属スリーブ５８を含む。複数のスチール棒６２がフランジ付き金属スリーブ５８を一体的に結合し、これよってキャピラリー２０の内容物を確保する。スチール棒６２は誘電体のシース（鞘）６４で被覆されている。接続子のベース６６は一端でフランジ付き金属スリーブ５８の一つにねじ込まれる。ベース支持体６８は図に示すように接続子ベース６６に一体的に接続される。接続子ベース６６は電源接続子２２を含み、電源接続子２２はさらに陽極２４に接続される。キャップ組立体７０は第二のフランジ付き金属スリーブ５８中にねじ込まれる。キャップ組立体７０は陰極端子３６に対する支持と接続とを与える。フランジ付き金属スリーブ５８はカートリッジハウジングアタッチメント（図示してなし）と会合するように設計されたノッチ５９を含む。
【００１０】
【実施例】
図１０はオープンエアアークテストフィクスチャー（open air arc test fixture、大気内アークテスト用の部材）を示す。圧力センサー７２および７４が最初および最後のアークギャップ「Ｇ」の位置に配置される。アークギャップ「Ｇ」の中央点７６はプラズマが放射されるとともに抵抗の読み取りが行なわれる位置を表わす。
【００１１】
図１１-１４はこのオープンエアテストフィクスチャーを使って得られる作動データおよび性能データをグラフに表わした図である。これらのデータに関する以下の議論を通して本シリアルアークプラズマインジェクション装置の顕著な特徴および利点のいくつかを明確にする。
【００１２】
以上に示した開示は本シリアルアークプラズマインジェクション装置に関するいくつかの最も重要な構造的特徴および作動パラメータに関する。最良の実施例に基づく本装置の動作を以下に説明する。
【００１３】
図１を参照すると、十分な電力が高エネルギーパルスネットワークあるいはそれと等価な電源（図示してなし）から電力供給接続２２に供給される。電流は陽極２４に流れる。陽極２４から電流は中間電極３４、３４ａ、およびまたはフューズワイヤー４４を含む電導路を通して陰極端子３６に流れる。先端部３４ａおよびまたはフューズワイヤー４４はアークギャップ「Ｇ」において一連のプラズマアークが形成されるまで溶融する。このプラズマは究極的に通気孔４０から放射し、通気孔４０に密接したプロペラント４８のセグメントを発火させる。以下に議論するように中間電極３４、先端部３４ａ、アークギャップ「Ｇ」、通気孔４０の構造およびこれらの諸要素が関連の構造物と全体的に協同することにより、本シリアルアークプラズマインジェクタ装置の多数の固有の特徴の一つが得られる。
【００１４】
主として、陽極２４はキャピラリー２０の中に部分的に延びて、突き出た先端部を形成する。陽極２４の先端は使用するプロペラント４８のタイプおよびフューズワイヤー構造体のタイプに応じて、特定用途上必要とされる形状、例えば円筒形、円錐形、円錐台形、あるいはテーパー付き円錐のような幾何学的形状、を含むように造形することができる。陽極２４はフューズワイヤー４４に接続される。フューズワイヤー４４は一般的に金属製である。フューズワイヤー４４はさらに中間電極３４に接続される。中間電極３４は本シリアルアークプラズマインジェクタ装置固有の特徴の一つを与える。中間電極３４の構造は、いろいろなタイプの幾何学的形状および金属性物質を先端部３４ａとして採用するのに適している。例えば図３、図５，図７を参照すると、先端部３４ａ、３４ｂ、３４ｃおよび３４ｄは片側をアルミニウムで製作し、反対側を銅もしくはスチールで製作することができる。同様にして図７に示すように、いろいろの金属を対称的にあるいは非対称的に配置させて二つの異なるタイプの金属Ｍ１およびＭ２を結合させることにより中間電極３４を製作することができる。さらに、特定のタイプのプロペラントと適合するように調整した中間電極３４として、あらゆるタイプの合金を使用することができる。中間電極３４、陽極陽極２４および陰極端子３６の構造上のこの柔軟性が電極の幾何学的な配置を変更することができるのみならず、各アークギャップ「Ｇ］に使用すべき金属のタイプを変更することも可能である。さらに、アークギャップ「Ｇ］の密接領域を囲むプロペラント４８のタイプに応じて、使用すべきフューズワイヤー金属の長さ、幾何学的配置、およびタイプを調整することにより、与えられた電源およびプロペラントに最も適合するプラズマアークを与えることができる。特に中間電極３４は、キャピラリー２０の全長にわたるいたる所で、いろいろのタイプのプラズマアークインジェクション注入点を維持することが可能である。中間電極３４の長さその他の幾何学的パラメータは、細いキャピラリー２０に沿ったいろいろの場所で変化調整することができる。この柔軟性によって特定量のプラズマを発生させ、またそのプラズマをプロペラントセグメント中へ注入することが可能となる。
【００１５】
図３は、延びた先端部３４ｃによってテーパー付きフューズを形成する中間電極３４の一構成例を示す。さらに別の構成例は、間に空隙を有する円錐形の両先端部３４ｄを有する中間電極３４を示す。もう一つはフューズワイヤー４４を経由して接続される電極の先端部３４ｄの構成例である。さらに次の構成例は、一対のボタン形状の先端電極３４ｂ間に含まれる合成空気（synthetic air）「Ａ」を示す。同ようにして次の構成は、ボタン形状の先端電極３４ｂ間に含まれる真空「Ｖ」を示す。図３の構成および構造は本発明、特中間電極３４によって、各プラズマアークが特定の要求に合致すべく調整することが可能となる点を示している。例えば細いカートリッジに含まれるプロペラントの構造および組成が異なれば、異なるセグメントは異なる着火時間と温度が必要とするかもしれない。これまでのところ、プラズマインジェクション装置は細いプロペラントマス全体にわたり正確かつ各部ごとに孤立したプラズマアークを与えることはできなかった。さらに、本出願人の経験によれば、中間電極の先端部３４ａ、陽極の先端部２４ａ、および陰極の先端部３６ａは、これらを設計上特定の形状および断面積のものとすることにより、燃焼を緩慢かつ制御された状態にするため、プラズマの維持に寄与する。このように本発明の中間電極３４、陽極陽極２４、陰極３６および関連の構造体は、細いプロペラントのいろいろのセグメントにおいて必要な可変的燃焼率を実行し、許容することに役立つ。これらの特徴が、通常は瞬間的燃焼もしくは爆発をする細くて単一のワイヤーに比べ、一層制御しやすいプラズマ源の発生を可能にする。
【００１６】
図２はキャピラリー２０のアークギャップ「Ｇ」において半径方向に分布された可変的寸法をもつ通気孔４０の構造を示す。通気孔４０の大きさは、アークギャップ「Ｇ」の中心から両方に向かって、長手の外方に向けて増大する。プラズマの流れはその性質上、一般的に流体力学的なものと考えられ、通気孔４０のこの配置によって周辺のプロペラント４８中にプラズマがほぼ一様に放射することができるようになっている。通気孔４０の独特の構成として、二組の共心的な孔を含む点が挙げられる。第一組の通気孔４０ａは可変直径を有する形にされている。第二組の通気孔は一定直径の通気孔４０ｂを外側に含む。この構成が可変寸法の通気孔の利点を保持しつつ製作を容易にしている。通気孔４０は誘電体スリーブ４２を貫通して延び、爆発によりプラズマ燃料を提供する。誘電体スリーブ４２はまたその厚さを可変的なものとすることにより、電極の先端部を構造上支持する。言い替えると、アークギャップ「Ｇ」においていろいろの電極先端部の可変的大きさおよび可変的形状を許容すべく、誘電体スリーブ４２のいろいろの厚さを使用することによって、電極の先端部が所定位置に保持される。ハウジング２８は誘電体スリーブ４２上に被さる層を形成する。通気孔４０は誘電体ライナー２８を貫通して延びる。誘電体ライナー２８は誘電体材料で製作され、燃焼によりプラズマ燃料を与える。通気孔４０はキャピラリー２０の頂部層を形成するスチールハウジングハウジング２６において大きさが大きくなる。膜４６は通気孔４０およびハウジング２６を覆う。特に、膜４６はプラズマ圧力に耐え、特定設計圧力になったときのみ破断するように設計されている。正常の格納条件の下では膜４６はキャピラリー２０の内容物をプロペラント４８から分離している。
【００１７】
本シリアルアークプラズマインジェクション装置は、計画的に位置されたセグメントにあるプロペラントマス中に孤立したプラズマアークを注入することにより作動する。プラズマはアークギャップ「Ｇ」位置で注入される。図１を見るとわかるように、主に電源接続子を経由して十分なエネルギーが供給される。陽極２４はある幾何学形状に造形された先端部１２ａを含み、この先端部はアークギャップ「Ｇ」中に電極として延びることができ、あるいはその代わりに溶融ワイヤへの接続として使用できる。同様にして幾何学的に造形された先端部３４ａを有する中間電極３４は、先端部３４ａ間に空間を含みながら、陽極２４に面するアークギャップ「Ｇ」中に延びる。この代わりとして金属性フューズワイヤ４４を使用して陽極２４と中間電極３４を接続することができる。同様にして先端部３４ａまたはフューズワイヤ４４を介して中間電極３４が別の中間電極または陽極３６に接続される。陰極端子３６はまた、アークギャップＧ中に延びるようにあるいはフューズワイヤ接続を与えるように造形された電極の先端陰極端子３６を含む。従って陽極２４において供給される高電力が中間電極およびまたはフューズワイヤの連鎖を通して陰極端子３６に到達する。陰極端子３６は電流がカートリッジハウジング１０中に流れるための電導路を与える。さらにカートリッジハウジング１０は電流を、接地されたガンチューブ（図愛してなし）に伝達する。
【００１８】
高エネルギー電流が電源接続子２２を介して供給されるとき、電極の先端部およびまたは金属性フューズワイヤが直列的に配向された各アークギャップ「Ｇ」（図１ないし図３を参照）の中で加熱を開始する。プラズマが発生し、やがて通気孔４０を経由して中ぐり孔３０から周辺のプロペラントマス中に放射する。各中間電極３４が、隣接するアークを中断するねじ式もしくは機械工作した中央部分を含むことに注目されたい。これらの中断部は、瞬間的爆発あるいは制御不能なプロペラント４８の発火を回避すべく燃焼するプロペラントセグメント間に安全空間を与える。さらに、中間電極３４の中央部分の長さを変えることにより、細いプロペラントのセグメント内の発火およびその後の燃焼パターンを制御することができる。
【００１９】
上述したように、単一フューズワイヤを用いるプラズマ注入システムは、細いプロペラントシステムで使用するときは作動上および実施上の問題を有する。特に、プラズマのショートアーキング（short arcing）の問題はそのようなシステムにおける共通する問題である。図８の実施例はアーキング問題に遭遇しやすい細いプロペラントシステムに対して非常に適している。スチール製のボルト６２が本組立体に構造的一体性を与える。さらに誘電体のシース（鞘）６４が絶縁性を与え、プラズマのショートアーキングおよび短絡を防止する。図１０に示すオープンエアテストフィクスチャーは図８におけると同様の構成を有する。
【００２０】
プラズマアーク注入のための作動パラメータおよび性能パラメータ（performance parameters）は図１０のオープンエアテストフィクスチャーを使用して記録される。図１１-１７は最も重要なパラメータのいくつかをグラフ的に表す。主としてこのテストはキャピラリー２０のいろいろのアークギャップ「Ｇ」におけるプラズマの分布を測定することに重点をおいている。読み取りは、アークギャップ「Ｇ」の中心に相関するセグメント７６で行われる。セグメント７６における抵抗値の読みは大きさおよびプロフィルにおいて著しい類似性を示す（図１１、１２および１３参照）。初め約０．２ミリ秒のとき、電極を通る初期電流が小さく、その結果、高い抵抗値の読みが生ずることを表すスパイクが発生する。しかし約０.３ミリ秒後には抵抗は実質的に低下し、安定な電流が確立したことを示すほぼ一定の線型の経路を辿る。４ミリ秒後には抵抗値は実質的に増大する。これはプラズマアークの不安定性とアークの衰えを示す。５ミリ秒を超えると、読みは突飛に変動するようになる。その事象の後、プラズマアークは消滅する。図１４は抵抗がほぼ一定のレベルに達するにつれてパワー（単位はメガワット）が増大することを示す。これは電流および電圧の双方が増大し、１.５ないし２.０ミリ秒の間に電力がそのピークに到達することを意味する。したがって電力曲線は抵抗の上昇と共に減少する。図１５は電圧（キロボルト単位）および電流（キロアンーペア単位）の間の比較を与える。電圧および電流の両方がこのように同一の期間すなわち１.５-２.０ミリ秒の時間中、の電力の上昇を説明している。約２.００ミリ秒後、電流は電圧よりも急速に減少し、その結果この時間幅について高い抵抗が観測される（図１１ないし１４を参照）。電流（キロアンペア単位）もまたキャピラリー２０にかかる圧力（キップス／１平方cm）に比較することができる（図１６を参照）。このプロットは電流と圧力との間に直接的関係があることを示す。電流および圧力の大きさが両方とも初期の上昇とその後の減少を示す類似のパターンを示す。図１７は単一のテストにおける圧力（ミリポンド／平方インチ）対パワー（メガワット）の二つの読みに対するプロットを示す。これらの曲線は圧力とパワーの間の一般的な線型の関係を示す。この結果は一方の知識から他方を予測することが可能であることを意味する。言い換えると、ここに開示したシリアルアークプラズマインジェクション装置は、それらの一方がわかっているときに圧力またはパワーのいずれかをほぼ正確に予測することが可能である。パワーおよび圧力は電気熱化学システムの最も顕著な性能パラメータおよび設計パラメータのいくつかであることは注目に値することである。また、本発明のシリアルアークインジェクション装置は細いプロペラントマス全体にわたり一様なプラズマ分布を生ずることにより、これらのパラメータのみならずその他のパラメータの予測を可能にすることも注目に値する。
【００２１】
従ってここに開示したプラズマインジェクション装置は細いプロペラントマスの特定部分の発火および効率的な燃焼を推進するように調製された信頼度の高いプラズマアークを形成することができる。これまでプラズマインジェクションシステムは、ある長さのプロペラントにわたって単一の連続的プラズマアーク源を発生するため爆発性のワイヤおよび電極を使用する。さらに本技術分野における先行技術の実際では、カートリッジの長軸線に平行に中央に配置されている連続的フューズワイヤを使用しなければならなかった。ここに開示したシリアルアークインジェクタ装置は、線型に配置されたシリアルアークプラズマ注入のみならず、螺旋形状、円形状、段差付き形状、非線型およびランダムに指向されたプロペラントマスを有するカートリッジにも使用することができる。さらに、単一の連続的フューズワイヤとは異なり、長手方向に構造をもつカートリッジが必要でない。本シリアルアークインジェクタの中間電極は、線型もしくは非線型の経路の両方に追随するように構成することができ、その結果、任意のプロペラントマス含有領域にプラズマを注入することを可能にする。したがって本発明の中間電極およびそれに関連する構造体は、プロペラントマス内で所望の経路に沿って離散的なプラズマアークステーションを発生するのに適している。特に本発明は、プロペラントが細いことに留まらずいろいろの発火エネルギーレベルを必要とするいろいろのタイプの可燃性化学物質を含むような技術分野において顕著な進歩を与える。本発明は測定可能量のプラズマを、細いプロペラントからなるいくつかのセグメント中に計画的に注入することを可能ならしめる。中間電極３４は、両方の先端部３４ａにいろいろのタイプの先端形状、先端の長さ、およびいろいろのタイプの物質を含むように設計することができる。さらに上述したように、中間電極３４の中央部分は、周辺のプロペラントマス内の発火および燃焼前線を制御すべく設計変更することができる。
【００２２】
さらに、本発明は細いプロペラント内の発火および燃焼のパターンを制御可能にする。本発明の装置は、プロペラントマス内のいろいろのセグメントの燃焼条件に合致するように離散的に調製されたプラズマアークを、一貫性のある信頼性の高い制御可能な多重の、かつ孤立したプラズマアークの形態で発生することを可能にする。本発明はプラズマでプロペラントマスをセグメント毎に、かつ孤立させて発火させることが可能である。その場合、とりわけアークの消滅、アークの短絡、プロペラントの限定的な発火、散漫な発火、非一様な燃焼および損失的もしくは未熟な起爆等の問題に対する配慮をする必要がない。さらに特定すると、非一様な燃焼はガンシステムの効率を損なう圧力ピークおよび揺らぎを発生する。プロペラントマスの不均一な燃焼はガンに使用することのできるプロペラントのタイプ、形状、配置を制限する高ピーク圧力を生ずる。制御不能の圧力ピークはガンシステムに顕著な熱的および力学的応力を課し、その結果この応力を克服するための重厚なハードウェア設計が必要となり、また、圧力-時間曲線の劣化のため、プロペラントエネルギー発生率を著しく低下させる。本発明はこれらすべての制限および問題を克服する。本発明はセグメント化した、かつ孤立したプラズマアークの連鎖を与える。そのプラズマアークの連鎖は、プロペラントマスの特定セグメント内に発火を開始させると共に効率よい燃焼を確立すべく調製された、予定エネルギーレベルのプラズマ放電を育成するように企画することができる。
【００２３】
以上、好ましい実施例に係るシリアルアークプラズマインジェクション装置を図示し説明したが、特許請求の範囲の要旨を逸脱することなく明らかにいろいろの設計変更および修正が可能であることを了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】カートリッジに含められた本発明のプラズマ注入兼分布システムの中央部分である。
【図２】アークギャップの拡大図で、アークギャップに貫通する通気孔を示す。
【図３】中間電極およびアークギャップの形状および構造の変形例を示す拡大図である。
【図４】陽極およびそれを通る電源接続子を示す拡大図である。
【図５】代表的な中間電極を示す図である。
【図６】陰極端子の拡大図である。
【図７】二つのタイプの金属および／または合金性の中間電極の拡大図である。
【図８】細長いカートリッジの中央断面図で、支持構造体の詳細を示す図である。カートリッジのハウジングは図示してない。
【図９】図８の線６-６に沿ってとった断面図である。
【図１０】細いキャピラリーおよび支持構造体を含むオープンテストフィクスチャーの中央断面図である。テストデータを収集する３つのアークギャップ゜が示されている。
【図１１】オープンエアテストフィクスチャーの第一アークギャップにおいて読みとった時間（ミリ秒）に対する抵抗（ミリオーム）を示すプロット図である。
【図１２】オープンエアテストフィクスチャーの第二アークギャップで測った時間（ミリオーム）対抵抗（ミリオーム）の読みをプロットした図である。
【図１３】オープンエアテストフィクスチャーの第三アークギャップで測った時間（ミリオーム）対抵抗（ミリオーム）の読みをプロットした図である。
【図１４】オープンエアテストフィクスチャーを使って読み取った電力（メガワット）対時間（ミリ秒）のプロット図である。
【図１５】電圧（キロボルト）と電流（キロアンペア）を時間（ミリ秒）に対してプロットした図である。
【図１６】圧力（Kips／平方インチ）および電流（キロアンペア）を時間（ミリ秒）に対して測った図である。
【図１７】オープンエアテストフィクスチャーを使って電力の読みに対する二つの圧力の読みをプロットした図である。
【符号の説明】
１０  カートリッジハウジング
１２  スタブケース
１４  リム絶縁体
１６  発射体
１８  カップリング
２０  キャピラリー
２２  電源接続子
２４  陽極
２６  スチール製のハウジング
２８  誘電体ライナー
３０  中央の中ぐり孔
３４  中間電極
３６  陰極端子
４０  通気孔
４４  金属性フューズワイヤー
４６  膜状カバー
４８  プロペラント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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