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Patent Searching and Data


Title:
PROCESS AND ELECTRODYNAMIC PROPULSION DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1991/016591
Kind Code:
A1
Abstract:
Electrodynamic propulsor comprising a tube (7) with several supply terminals (Bo...Bi+1,...), each having a power lead (8) for carrying a current to the inside of the launcher tube (7). The successive terminals (Bo,...Bi+1,...) define a plurality of stages (E1,E2..., Ei+1,...), each stage having its respective power source (11).

Inventors:
Vigier
Jean-pierre, Rambaut
Michel
Application Number:
PCT/FR1991/000306
Publication Date:
October 31, 1991
Filing Date:
April 12, 1991
Export Citation:
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Assignee:
Ampere, Vigier
Jean-pierre, Rambaut
Michel
International Classes:
F41B6/00; (IPC1-7): F41B6/00
Domestic Patent References:
WO1987007940A1
Foreign References:
FR1170276A
US4590842A
Other References:
ELECTRONICS & WIRELESS WORLD. vol. 95, no. 1640, juin 1989, SUTTON GB pages 556 - 559; P. GRANEAU: "Alpha-torque forces" voir page 558, colonne du milieu - page 559, colonne de gauche, ligne 11; figures 6, 9
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Claims:
REVENDICATIONS
1. Un procédé de propulsion électrodynamique utilisant un dispo¬ sitif du type canon à arc dans l'eau dans lequel, pour éjecter un pro jectile d'un tube, on délivre de l'énergie à un noyau liquide introduit dans ce tube sous le projectile, cette énergie étant délivrée sous forme d'une impulsion de courant électrique produisant au sein de ce noyau liquide un pression électrodynamique provoquant l'expul¬ sion du projectile, caractérisé en ce que l'énergie est délivrée de façon fractionnée pendant la durée de la phase de propulsion du projectile (15) à l'inté¬ rieur du tube (7), cette énergie étant délivrée sous forme d'une plu¬ ralité de décharges impulsionnelles de courant successives appli¬ quées en séquence au noyau liquide (16) se trouvant sous le projec tile et accompagnant celuici dans son déplacement à l'intérieur du tube, la valeur crête de l'impulsion de courant de chacune de ces décharges successives étant déterminée de manière que la pression correspondante appliquée au projectile reste toujours inférieure à la limite de résistance mécanique du projectile et à celle du tube, de manière à produire lors de la phase de propulsion, par l'effet des décharges successives, une pression dont la valeur moyenne, étalée sur la majeure partie de la durée du trajet du projectile dans le tube, permet d'accélérer progressivement le projectile jusqu'en hypervitesse à la bouche du canon.
2. Le procédé de la revendication 1, dans lequel, en outre, pen¬ dant la durée de la phase de propulsion on réinjecte au moins une fois du liquide sous le projectile de manière à compléter la quantité de liquide du noyau (16a) accompagnant le projectile dans son dépla¬ cement à l'intérieur du tube par une quantité supplémentaire de liquide (16b) compensant la fraction de liquide n'ayant pas accompa¬ gné le projectile après la décharge précédant cette injection.
3. Le procédé de la revendication 2, dans lequel l'injection de li quide a lieu avant la décharge suivant ladite décharge précédant l'injection.
4. Le procédé de la revendication 2, dans lequel l'injection de liquide a lieu de façon concomitante à la décharge suivant ladite décharge précédant l'injection.
5. Le procédé de la revendication 1 , dans lequel, en outre, on pro¬ voque le rebond de la fraction de liquide qui, après une décharge donnée, n'a pas accompagné le projectile et a été repoussée en sens inverse du sens d'éjection du projectile, de manière à renvoyer cette fraction de liquide en direction du projectile afin qu'elle puisse rejoindre ce projectile et ajouter sa poussée à la poussée directe déjà imprimée à celuici par la fraction de liquide ayant accompagné le projectile.
6. Un propulseur électrodynamique pour la mise en œuvre du procédé de l'une des revendications 1 à 5, ce propulseur étant du type canon à arc dans l'eau comprenant : — un tube (7), contenant un projectile (15), et — des moyens pour délivrer de l'énergie à un noyau liquide intro¬ duite dans ce tube sous le projectile, cette énergie étant déli¬ vrée sous forme d'une décharge impulsionnelle de courant électrique produisant au sein de ce noyau liquide un pression électrodynamique provoquant l'expulsion du projectile, caractérisé en ce qu'il comporte : — une pluralité de sections (E1 ? E2 ... E, Ei+1 ...) étagées le long du tube, chacune de ces sections étant pourvue d'une source d'énergie respective (11) produisant ladite décharge impul sionnelle de courant, la valeur crête de l'impulsion de courant de chacune des impulsions successives étant déterminée de manière que la pression correspondante appliquée au projectile reste toujours inférieure à la limite de résistance mécanique du projectile et à celle du tube, et — des moyens de commande, pour déclencher de façon séquencée l'application de ces impulsions de courant au noyau liquide se trouvant sous le projectile et accompagnant celuici dans son déplacement à l'intérieur du tube, de manière à produire lors de la phase de propulsion, par l'effet des décharges successives, une pression dont la valeur moyenne, étalée sur la majeure partie de la durée du trajet du projectile dans le tube, permet d'accélérer progressivement le projectile jusqu'en hypervitesse à la bouche du canon.
7. Le propulseur électrodynamique de la revendication 6, dans lequel au moins certaines des sections comprennent des moyens d'injection de liquide (19) sous le projectile, pour compléter la quan¬ tité de liquide (16a) du noyau accompagnant le projectile dans son déplacement à l'intérieur du tube par une quantité supplémentaire (16b) de liquide compensant la fraction de liquide n'ayant pas accompagné le projectile après la décharge précédant cette injection.
8. Le propulseur électrodynamique de la revendication 7, dans lequel lesdits moyens d'injection (19) comprennent, pour chaque étage, au moins un canon à arc dans l'eau.
9. Le propulseur électrodynamique de la revendication 7, dans lequel lesdits moyens de commande déclenchent en outre les moyens d'injection de chaque étage, l'instant de ce déclenchement étant choisi de manière que, dans cet étage, l'injection ait lieu dans le volume laissé libre sous le noyau liquide accompagnant le projectile par la décharge déclenchée à l'étage précédent, cette injection ayant lieu avant la décharge déclenchée à cet étage.
10. Le propulseur électrodynamique de la revendication 7, dans lequel lesdits moyens de commande déclenchent en outre les moyens d'injection de chaque étage, l'instant de ce déclenchement étant choisi de manière que, dans cet étage, l'injection ait lieu dans le volume laissé libre sous le noyau liquide accompagnant le projectile par la décharge déclenchée à ce même étage, et de façon concomi¬ tante à cette décharge.
11. Le propulseur électrodynamique de la revendication 6, dans lequel le tube est fermé à sa base par une culasse fixe (10) configu¬ rée de manière à permettre le rebond de la fraction de liquide qui, après une décharge donnée, n'a pas accompagné le projectile et a été repoussée en sens inverse du sens d'éjection du projectile, de mani¬ ère à renvoyer cette fraction de liquide en direction du projectile afin qu'elle puisse rejoindre ce projectile et ajouter sa poussée à la pous¬ sée directe déjà imprimée à celuici par la fraction de liquide ayant accompagné le projectile.
12. Le propulseur électrodynamique de l'une des revendications 9 et 10, dans lequel le tube est fermé à sa base par un obturateur amo¬ vible (18), éjectable à la première décharge.
13. Le propulseur électrodynamique de la revendication 6, dans lequel lesdites sources d'énergie (11) produisant les décharges impulsionnelles de courant sont des sources capacitives (12) coopé¬ rant avec une inductance (13) de limitation du courant de crête.
14. Le propulseur électrodynamique de la revendication 6, dans lequel les décharges impulsionnelles sont appliquées à chaque étage (E par une paire de bornes (B^, B disposées aux deux extrémités de l'étage sur des génératrices diamétralement opposées, de manière à produire des lignes de courant essentiellement orientées selon l'axe du tube.
15. Le propulseur électrodynamique de la revendication 14, dans lequel la borne supérieure d'un étage donné (Ep et la borne infé¬ rieure de l'étage suivant (Ei+1) sont réunies en une seule et même borne (Bp.
16. Le propulseur électrodynamique des revendications 9 et 14 prises en combinaison, dans lequel chaque étage comprend au moins un moyen d'injection (19) situé sensiblement au niveau médian défini entre les électrodes de cet étage.
17. Le propulseur électrodynamique des revendications 10 et 14 prises en combinaison, dans lequel chaque étage comprend au moins un moyen d'injection (19) situé sensiblement audessus du niveau médian défini entre les électrodes de cet étage.
18. Le propulseur électrodynamique de la revendication 6, dans lequel les moyens de commande comprennent, pour chaque étage, un capteur de présence produisant un signal de déclenchement de la décharge au passage du projectile devant ce capteur.
Description:
Procédé et dispositif de propulsion électrodynamique

La présente invention concerne le domaine des propulseurs élec¬ trodynamiques, c'est-à-dire des dispositifs permettant de produire, par voie purement électrique, une détente susceptible d'expulser à grande vitesse un projectile.

La réalisation d'un propulseur électrodynamique performant est un problème ancien.

En effet, au début du siècle, le norvégien Birkeland a décrit dans un certain nombre de brevets déposés en 1901 et 1902 un dispositif de propulsion électrodynamique de projectiles à l'aide d'un montage constitué de solénoïdes, le projectile recevant plusieurs poussées successives de la part de chacun des solénoïdes. Le dispositif réalisé avait permis de projeter à la vitesse de 10 m/s un projectile de 10 kg placé dans un tube de 4 m de long et de 65 mm de diamètre, entouré de solénoïdes. Toutefois, faute de sources d'énergie suffisantes dispo¬ nibles à l'époque pour atteindre des vitesses plus élevées, un tel dis¬ positif ne put concurrencer la propulsion à poudre.

Une autre voie de recherche, explorée durant les années 70, fut celle du « canon-rail » (railguή).

Le principe, qui est connu depuis les débuts de l'électrodynami- que, consiste à utiliser deux rails formant glissières, le long desquels peut se déplacer un conducteur métallique formant projectile. Pour atteindre des vitesses élevées (typiquement, supérieures à 100 m/s), on a tenté d'utiliser pour le passage du courant un plasma formé à la partie postérieure du projectile, permettant de s'affranchir des problèmes de contact entre rails et projectile. Avec cette technique, pour des quantités d'énergie délivrée de l'ordre du mégajoule, il a été ainsi possible de propulser des projectiles de quelques centaines de grammes à des vitesses de l'ordre de 4 km/s, et de quelques gram¬ mes ou dizaines de grammes à des vitesses pouvant atteindre 8 km/s, mais non au-delà, cette valeur semblant constituer une limite difficilement dépassable.

En effet, le développement de cette technique se heurte à deux obstacles majeurs, à savoir la haute dissipation dans le plasma,

d'une part, et un phénomène qualifié par les expérimentateurs d'« érosion » des rails et des isolants, d'autre part. Ce dernier phéno¬ mène se traduisait par une destruction complète de l'appareillage à partir d'un certain seuil de courant, typiquement de l'ordre de 5.10 5 à 10 6 ampères maintenus pendant une durée de l'ordre de la millise¬ conde.

Un troisième type de propulseur électrodynamique — qui est du même type que celui auquel appartient l'invention — est le « canon à arc dans l'eau » (water-arc guri), dont le principe a été proposé à la suite d'un certain nombre d'expériences de décharges électriques dans l'eau, relatées notamment dans une communication de P. Gra- neau au 1988 International Testa Symposium de Colorado Collège en juillet 1988, intitulée Space Disposai of Weapon-Grade Pluto¬ nium with the Water-Arc Launcher et dans une communication de P. Graneau et al. au 4th Symposium on Electromagnetic Launch

Technology, University of Texas, avril 1988, intitulée Electrodyna- mic WaterArc Gun.

Ces documents présentent en particulier un canon à arc dans l'eau illustré schématiquement figure 1. Ce dispositif comprend essentiellement un tube métallique 1 for¬ mant canon, contenant de l'eau 2 et un projectile 3. Une électrode 4 est placée au fond du tube 1 et reliée à l'une des électrodes 5 d'un banc de condensateurs (formant typiquement une capacité de quel¬ ques microfarads chargée à quelques dizaines de kilovolts), dont l'autre électrode 6 est reliée au tube métallique 1. Un bloc en verre époxy armé assurait l'isolement électrique entre le tube métallique 1 et l'électrode 4. Lorsque l'on décharge le banc de condensateurs, le passage du courant dans le milieu liquide constitué par le volume d'eau crée dans ce milieu une pression interne considérable, quali- fiée de « pression électrodynamique », pouvant éjecter le projectile à des vitesses de propulsion de plusieurs centaines de mètres par seconde : en effet, la version de laboratoire décrite dans le document précité permet d'atteindre une pression estimée à 2675 bars pour un canon de 1,25 cm de diamètre et de 10 cm de longueur). De façon surprenante, le noyau d'eau reste froid, ce qui exclut

toute possibilité de rendre compte par la thermodynamique de l'énergie cinétique acquise par le projectile.

Toutefois, faute de support théorique satisfaisant permettant de déterminer l'incidence des divers paramètres mise en jeu, il n'a pas jusqu'à présent été possible d'extrapoler à l'échelle industrielle la réalisation d'un propulseur mettant en oeuvre les phénomènes révé¬ lés par cette expérimentation de laboratoire.

Pour rendre compte du fonctionnement du canon à arc dans l'eau, et donc comprendre et pouvoir maîtriser les fortes pressions qu'il permet de générer, l'explication la plus satisfaisante semble être la force d'Ampère entre éléments de courant.

En effet, ce concept de la « force d'Ampère » avait été proposé au siècle dernier (voir notamment A.-M. Ampère, Mémoire sur la déter¬ mination de la formule qui représente l'action mutuelle de deux por- tions infiniment petites de conducteurs voltaïques, lu à l'Académie des Sciences le 10 juin 1822) sur des bases empiriques, mais son existence n'avait pas été confortée par la théorie, compte tenu en particulier du fait que l'on avait jusqu'à présent cru qu'elle contredi¬ sait les lois de Maxwell. Les lois proposées par Ampère permettaient en effet d'expliciter les forces mises en jeu entre les éléments de cou¬ rant. Elles viennent de se révéler parfaitement compatibles avec la théorie de la Relativité (force de Lorentz).

L'absence de contradiction — et donc la réalité probable des forces d'Ampère — vient en effet d'être reconnue par M. Rambaut et J. P. Vigier comme ne contredisant pas la Relativité, dans un article qu'ils ont publié dans Physics Letters A, volume 142, n° 8-9 du 25 décembre 1989, page 447 sq. et intitulé The Simultaneous Exis¬ tence of EM Grassmann-Lorentz Forces (Acting on Chargea Parti- cles) and Ampère Forces (Acting on Chargea Conducting Eléments) Does not Contradict Relatiυity Theory.

En outre, il a été montré tout récemment, comme relaté dans un article de M. Rambaut et J. P. Vigier intitulé Ampère Forces Appro¬ ximation Considered as Collective Non-Relativist Limit of the Sum of AU Lorentz Interactions Acting on Individual Current Eléments : Possible Conséquences for Electromagnetic Discharge Stability and

Tokamak Behaviour, publié dans Physics Letters A, Vol. 148, n°5 du 20 août 1990, pp. 229 sq., que pour comprendre l'origine de cette force il fallait considérer la limite non relativiste de la force de Lorentz. Dans un troisième article de M. Rambaut, à paraître dans Physics Letters A d'avril 1991, il est montré que l'on peut obtenir directement l'expression de la Force de Weber, qui est une autre forme de la réalité décrite par la force d'Ampère, en tenant compte de l'accélération relative des électrons de conduction.

En effet, selon cette conception (qui se trouve vérifiée par l'expé- rience à l'échelle macroscopique), l'élément de courant est constitué par un ion et un électron, l'ion étant l'élément de support du courant représenté par l'électron. L'ion lui-même peut être soit un atome ionisé, soit une molécule ayant une charge positive, soit un agrégat de molécules dont la charge électrique totale est égale à la charge élémentaire +e. D'une façon générale, l'énergie d'interaction entre deux éléments de courant ainsi définis est égale à la somme des énergies d'interaction des couples électron-électron, ion-électron et ion-ion.

La force électrodynamique d'Ampère ΔF A entre deux éléments de courant i m -dm et i n .dn a pour expression :

ΔF A = - [(μ 0 i m .dm i n .dn) / c 0 r 2 ] (2 cos ε - 3 cos α m cos α n ),

les angles étant ceux définis par la figure 2. Dans un milieu solide comme le cuivre, cette force agit sur la maille cristalline et, tant que les liaisons moléculaires sont mainte¬ nues, il est seulement possible d'observer la manifestation de la for¬ ce d'Ampère à l'extérieur du conducteur.

En revanche, dans un milieu liquide les forces de cohésion molé- culaires sont plus faibles et l'on peut observer l'action de la force lon¬ gitudinale à l'intérieur du milieu conducteur ; c'est ainsi que, dans l'eau pure, l'existence de cette force a été constatée.

On sait, par les expériences relatées par Roy Azvedo et al. dans Physics Letters, vol. 117, n°2 du 28 juillet 1986, que cette force F est proportionnelle au carré de la valeur du courant :

F = μ 0 k i 2

En fait, il importe seulement de connaître cette valeur de k à partir de l'expérience ; elle est actuellement connue par la synthèse des deux publications de de P. Graneau citées précédemment.

La valeur mesurée par P. Graneau du coefficient k précédem¬ ment défini est de l'ordre de 5.10 3 à 6.10 3 N/A quand le milieu liquide est alimenté entre deux électrodes placées de façon symétri¬ que par rapport à son centre, comme dans les expériences relatées par Roy Azvedo et al. (supra). Cependant, elle peut ne pas dépasser

200 N/A si les électrodes sont placées de façon dissymétrique, com¬ me dans le canon à arc dans l'eau.

La force d'Ampère est en fait constituée par la limite non relati- viste des forces d'Einstein-Lorentz et elle n'est pas incompatible avec l'existence de la force de Lorentz, contrairement à ce que l'on avait toujours estimé jusqu'à présent.

Dans un même milieu conducteur, la force d'Ampère produit en particulier une attraction transversale entre éléments de courant parallèles et une répulsion longitudinale entre éléments de courant colinéaires.

Dès lors, si l'on suppose que la force d'Ampère s'applique à des éléments de courant délimités par une surface cylindrique de section élémentaire perpendiculaire à la vitesse de déplacement moyenne des électrons, on aura une déformation de la sphère de Fermi (repré- sentative de la répartition de vitesse des ions dans le milieu liquide) sous l'action du potentiel appliqué aux bornes du circuit.

Les ions n'étant cependant pas liés (à la différence d'un courant se propageant dans un conducteur solide, où les ions subissent l'at¬ traction du réseau cristallin), il est alors nécessaire de tenir compte du potentiel créé par chaque élément de courant. On peut démontrer alors la loi, jusqu'à présent empirique, selon laquelle l'intégrale en fonction du temps de la force qui s'exerce dans le milieu liquide est proportionnelle au carré de la valeur crête du courant traversant ce milieu. Ainsi, dans le dispositif proposé par Graneau illustré figure 1, les

forces longitudinales entre deux éléments de courant situés sur le même axe s'exercent vers la bouche du tube pour la partie de la masse liquide la plus proche du projectile, et vers le fond du tube pour la partie de la masse liquide la plus éloignée du projectile. Compte tenu de l'expression de la force d'Ampère, il existe ainsi au milieu de la masse liquide un point de force longitudinale nulle, si bien qu'approximativement la moitié de la masse liquide exerce une force sur le fond du tube.

De surcroît, il existe aussi une force d'attraction entre les élé- ments de courant parallèles, si bien que le milieu liquide est com¬ primé autour de son axe (effet de striction).

Toujours compte tenu de l'expression de la force d'Ampère, on voit que, pour maximiser l'efficacité de propulsion, il est nécessaire que les lignes de courant soient, sur la plus grande longueur pos- sible, essentiellement parallèles à l'axe du tube — et ce, à l'opposé des considérations de Graneau, qui estimait dans le document pré¬ cité que le diagramme des lignes de courant idéal devrait corres¬ pondre à une orientation transverse par rapport à la direction d'ac¬ célération du projectile. II apparaît donc souhaitable d'améliorer la configuration des électrodes de ce dispositif, en permettant une pénétration à la fois plus complète et mieux orientée du liquide par les lignes de courant. Mais surtout, la difficulté majeure avec ce dispositif réside dans la pression considérable développée à l'intérieur du tube. En effet, Graneau relate que, même pour le canon miniature réa¬ lisé dans son laboratoire, le bloc en verre époxy armé a fini par être détruit au bout de quelques expériences sous l'effet de la pression intense développée lors de la décharge.

La pression intense développée sur la face antérieure du projec- tile (c'est-à-dire celle en contact avec l'eau) a également pour effet d'endommager ce dernier et, pour pallier cet inconvénient, Graneau proposait de constituer la moitié de la masse du projectile d'un matériau d'ablation — réduisant donc bien entendu d'autant la masse utile de celui-ci. Cette contrainte devient d'autant plus sévère que l'on veut

atteindre à la bouche du canon des vitesses d'éjection élevées, typi¬ quement des vitesses de plusieurs kilomètres par seconde (ci-après désignées « hypervitesses », pouvant aller jusqu'à une quinzaine de kilomètres par seconde si l'on souhaite par exemple mettre en orbite solaire le projectile (la vitesse nécessaire pour échapper à l'attrac¬ tion terrestre étant de 11 km/s, il est nécessaire de donner au projec¬ tile une vitesse nettement supérieure à cette valeur pour compenser le freinage aérodynamique subi lors de la traversée de l'atmos¬ phère). La présente invention a donc pour objet un propulseur électrody¬ namique du type canon à arc dans l'eau dans lequel, bien que l'on expulse le projectile en hypervitesse, la pression exercée lors de la décharge reste toujours inférieure à la résistance mécanique du matériau dont est constitué celui-ci (du moins si l'on veut éviter l'ablation). On remarquera à cet égard que le respect de l'intégrité du projectile implique celle du tube, et que la réciproque est vraie si tube et projectile sont constitués du même matériau.

Dans ce but, il apparaît nécessaire que la pression exercée par la décharge dans l'eau ne dépasse pas, de façon typique, quelques kilo- bars pour un tube métallique (à titre de comparaison, dans les canons à poudre la valeur crête de la pression ne dépasse pas en moyenne 3 kbar) ; dans le cas d'un tube en matériau composite, on peut escompter un doublement de la résistance mécanique (20 kbar pour un composite, pour 8 à 10 kbar pour un acier) et une déforma- tion plus faible due à un module d'élasticité plus élevé.

A cet effet, le procédé de l'invention, qui utilise un dispositif du type canon à arc dans l'eau dans lequel, pour éjecter un projectile d'un tube, on délivre de l'énergie à un noyau liquide introduit dans ce tube sous le projectile, cette énergie étant délivrée sous forme d'une impulsion de courant électrique produisant au sein de ce noyau liquide un pression électrodynamique provoquant l'expulsion du projectile, est caractérisé en ce que l'énergie est délivrée de façon fractionnée pendant la durée de la phase de propulsion du projectile à l'intérieur du tube, cette énergie étant délivrée sous forme d'une pluralité de décharges impulsionnelles de courant successives appli-

quées en séquence au noyau liquide se trouvant sous le projectile et accompagnant celui-ci dans son déplacement à l'intérieur du tube, la valeur crête de l'impulsion de courant de chacune de ces décharges successives étant déterminée de manière que la pression correspon- dante appliquée au projectile reste toujours inférieure à la limite de résistance mécanique du projectile et à celle du tube.

De cette manière, on produit lors de la phase de propulsion, par l'effet des décharges successives, une pression dont la valeur moyenne, étalée sur la majeure partie de la durée du trajet du pro- jectile dans le tube, permet d'accélérer progressivement le projectile jusqu'en hypervitesse à la bouche du canon.

La présente invention porte également sur un propulseur électro¬ dynamique pour la mise en œuvre d'un tel procédé.

Ce propulseur est du type canon à arc dans l'eau, c'est-à-dire qu'il comprend un tube, contenant un projectile, et des moyens pour délivrer de l'énergie à un noyau liquide introduite dans ce tube sous le projectile, cette énergie étant délivrée sous forme d'une décharge impulsionnelle de courant électrique produisant au sein de ce noyau liquide un pression électrodynamique provoquant l'expulsion du pro- jectile.

De façon caractéristique de l'invention, il comporte une pluralité de sections étagées le long du tube, chacune de ces sections étant pourvue d'une source d'énergie respective produisant ladite déchar¬ ge impulsionnelle de courant, la valeur crête de l'impulsion de cou- rant de chacune des impulsions successives étant déterminée de manière que la pression correspondante appliquée au projectile reste toujours inférieure à la limite de résistance mécanique du pro¬ jectile et à celle du tube, ainsi que des moyens de commande, pour déclencher de façon séquencée l'application de ces impulsions de courant au noyau liquide se trouvant sous le projectile et accompa¬ gnant celui-ci dans son déplacement à l'intérieur du tube.

De préférence, au moins certaines des sections comprennent des moyens d'injection de liquide sous le projectile, très avantageuse¬ ment réalisés eux-mêmes sous forme de canons à arc dans l'eau, pour compléter la quantité de liquide du noyau accompagnant le

• projectile dans son déplacement à l'intérieur du tube par une quan¬ tité supplémentaire de liquide compensant la fraction de liquide n'ayant pas accompagné le projectile après la décharge précédant cette injection. Cette injection de liquide peut avoir lieu avant la décharge, c'est- à-dire de manière que, dans l'étage considéré, l'injection ait lieu dans le volume laissé libre sous le noyau liquide accompagnant le projectile par la décharge déclenchée à l'étage précédent.

Elle peut également avoir lieu de façon concomitante à la déchar- ge, c'est-à-dire de manière que, dans l'étage considéré, l'injection ait lieu dans le volume laissé libre sous le noyau liquide accompagnant le projectile par la décharge déclenchée à ce même étage.

On peut fermer le tube à sa base par une culasse fixe configurée de manière à permettre le rebond de la fraction de liquide qui, après une décharge donnée, n'a pas accompagné le projectile et a été repoussée en sens inverse du sens d'éjection du projectile, de mani¬ ère à renvoyer cette fraction de liquide en direction du projectile afin qu'elle puisse rejoindre ce projectile et ajouter sa poussée à la pous¬ sée directe déjà imprimée à celui-ci par la fraction de liquide ayant accompagné le projectile (ce dispositif étant possible pour des vi¬ tesses faibles).

Mais on peut aussi fermer le tube à sa base par un obturateur amovible, éjectable à la première décharge.

De préférence, les sources d'énergie produisant les décharges impulsionnelles de courant sont des sources capacitives coopérant avec une inductance de limitation du courant de crête, et les déchar¬ ges impulsionnelles sont appliquées à chaque étage par une paire de bornes disposées aux deux extrémités de l'étage sur des génératrices diamétralement opposées, de manière à produire des lignes de cou- rant essentiellement orientées selon l'axe du tube (la borne supé¬ rieure d'un étage donné et la borne inférieure de l'étage suivant pou¬ vant en particulier être réunies en une seule et même borne).

On va maintenant décrire des exemples de mise en oeuvre de l'invention, en référence aux dessins annexés.

Sur ces dessins, outre les figures 1 et 2 précitées :

— la figure 3 représente un premier mode de réalisation du pro- pulseur électrodynamique de l'invention,

— la figure 4 est un chronogramme de l'onde de pression pro¬ duite par un étage quelconque du propulseur illustré figure 4.

— la figure 5 représente un second mode de réalisation du pro¬ pulseur électrodynamique de l'invention. — la figure 6 représente un troisième mode de réalisation du pro¬ pulseur électrodynamique de l'invention, et — - la figure 7 représente un quatrième mode de réalisation du propulseur électrodynamique de l'invention.

L'idée de base qui sous-tend l'invention est d'injecter le courant de décharge en plusieurs étapes afin de remplacer la décharge uni¬ que du dispositif de l'art antérieur — nécessairement destructrice du fait de son intensité extrême — par une succession de décharges accompagnant le mouvement du projectile dans le tube, de manière que la pression moyenne créée garde pendant toute la durée de la phase de propulsion une valeur respectant l'intégrité du tube aussi bien que celle du projectile, cette pression moyenne étant néanmoins suffisamment élevée et maintenue suffisamment longtemps pour permettre d'accélérer jusqu'en hypervitesse le projectile sans endom¬ mageaient.

A cet effet, le dispositif comporte, dans le mode de réalisation illustré figure 3, un tube 7 en matière isolante pourvue d'une série de bornes d'alimentation B 0 , B 1} B 2 •••Bi_ 1 , B j , B i+1 ... comportant chacune une amenée de courant 8 reliée à une traversée conductrice 9 permettant de délivrer un courant à l'intérieur du tube. On notera incidemment que, du fait que c'est au voisinage des bornes d'alimen¬ tation, où les lignes de courant sont perpendiculaires aux généra- trices du tube, que ce dernier subit les contraintes les plus fortes, les

forces d'Ampère s'y exerçant transversalement par rapport au tube et non plus dans l'axe de celui-ci ; il sera donc nécessaire de soigner particulièrement, du point de vue technologique, les traversées des conducteurs amenant le courant à cet endroit. Le tube peut être réalisé aussi bien en une matière isolante

(matériau composite approprié) qu'en métal, auquel cas il y aura lieu de prévoir un isolement suffisant entre les bornes d'alimenta¬ tion et le tube.

La première borne d'alimentation B 0 peut être disposée, comme illustré figure 43, au centre de la culasse 10 du tube, ce qui permet¬ tra d'avoir des lignes de courant qui soient parallèles entre elles et à l'axe du tube sur une plus grande longueur.

Les autres bornes sont de préférence disposées, pour cette même raison, sur des génératrices diamétralement opposées. Cette confi- guration est en effet préférable à celle où, par exemple, les élec¬ trodes seraient annulaires, car dans ce cas la majeure partie des lignes de courant se situerait au voisinage de la périphérie inté¬ rieure du tube, et non au centre de celui-ci comme avec la configura¬ tion proposée. Les bornes successives définissent une pluralité d'étages ou sec¬ tions E l t E 2 ... E j , E i+1 ..., la borne supérieure d'un étage donné et la borne inférieure de l'étage suivant pouvant être avantageusement réunies en une seule et même borne (ainsi, de façon générale, les bornes de l'étage E j seront les bornes B iml et B j ). Chaque étage est pourvu d'une source d'énergie respective 11 permettant de produire une décharge impulsionnelle de courant.

Chacune de ces sources 11 comprend par exemple un stockage capacitif 12, une inductance 13 et un dispositif 14 de fermeture rapide du circuit. Le stockage capacitif 12 est avantageusement constitué d'un générateur de Marx dans lequel, de façon en elle-même connue, une batterie de condensateurs est chargée progressivement en parallèle et déchargée brusquement en série ; on sait notamment réaliser de tels générateurs susceptibles de délivrer des courants de l'ordre de 100 à 150 kA sous 6 MV.

L'inductance 13 en série avec le condensateur 12 sert, sans pertes inutiles, à donner au courant de décharge l'allure d'une arche de sinusoïde amortie de pulsation Ω voulue permettant, pour une même énergie délivrée, de limiter le courant de crête, donc la force exercée et la pression maximale.

En d'autres termes, on agit sur l'impédance transitoire du circuit d'alimentation de manière que la valeur de crête du courant i reste inférieure à une valeur admissible compatible avec la tenue mécani¬ que du tube et du projectile, mais tout en délivrant une tension de décharge E supérieure à la valeur minimale E m nécessaire à la for¬ mation de l'arc.

En pratique, la formation de l'arc dans l'eau nécessite une ten¬ sion de l'ordre de 50 kV/cm de sorte que, pour un écartement entre bornes B-^ et B j compris, de façon typique, entre 10 à 20 cm et 1 m, la tension nécessaire entre les bornes devra être égale, selon les cas, à quelques centaines de kilovolts ou à quelques mégavolts.

Plus précisément, R, L et C étant les composantes résistive, in- ductive et capacitive du circuit, l'allure du courant en fonction du temps est donnée par la relation approximative suivante :

î ≈ E C D^ e -Œ^ sin Ωt,

c'est-à-dire que l'amplitude extrême du courant est à peu près proportionnelle à la tension de charge E du condensateur et à la racine carrée (C/L) 1/2 du rapport entre la valeur de la capacité de la source et de l'inductance du circuit, la pulsation Ω étant très peu dif¬ férente de (LC)- 1/2 .

Il existe alors une valeur maximale du rapport C/L limitant la valeur du courant, au-dessous de laquelle le projectile et le tube ne sont pas endommagés par la décharge du condensateur.

On notera toutefois que les valeurs de L possibles sont limitées, en pratique, par les pertes ohmiques et par l'aptitude des conduc¬ teurs constituant l'inductance à résister aux forces longitudinales d'Ampère exercées lors de la décharge ; à cet égard, on pourra se référer à Peter Graneau, Ampère Tension in Electric Conductors,

IEEE Transactions in Magnetics, Vol. MG-20, n°2 de mars 1984, qui montre que la force d'Ampère proprement dite, due au mouvement des électrons, et qui est ainsi développée, proportionnelle au carré du courant, atteint de façon typique, dans un conducteur dont la sec- tion est comprise entre 50 et 100 cm 2 , une valeur de 10 3 N pour un courant de 50 kA et de 10 5 N pour un courant de 500 kA.

L'augmentation de vitesse Δv imprimée au projectile par la décharge dans un étage donné sera de la forme :

Δv = η (C/m) 1 2 E,

η étant le rendement de l'opération de transformation de l'éner¬ gie électrique en énergie cinétique, m étant la masse du projectile, et E et C étant, respectivement, la tension de charge et la capacité du condensateur du circuit d'alimentation de cet étage.

On notera que l'on peut utiliser, bien que cela semble a priori moins avantageux, d'autres modes d'alimentation que le stockage capacitif, par exemple le stockage purement inductif ou le stockage dans une dynamo homopolaire avec un rotor de grande inertie.

En ce qui concerne les générateurs à stockage purement inductif, il serait nécessaire d'utiliser des générateurs à compression de flux à l'aide d'un explosif à haute énergie pour atteindre les niveaux d'énergie requis. Le rendement énergétique de ces dispositifs est cependant très faible, c'est-à-dire que l'énergie électrique disponible ne représente qu'une faible fraction (quelques pourcents) de l'éner¬ gie de l'explosif utilisé. En outre, un stockage d'énergie purement inductif nécessiterait une résistance dissipatrice pour ajuster la durée de délivrance de l'énergie par la source, ce qui dégraderait encore le rendement global.

En ce qui concerne les dynamos homopolaires, il existe des dispo¬ sitifs pouvant délivrer en quelques dizaines de millisecondes des énergies de l'ordre de quelques dizaines de mégajoules, mais une telle technique serait difficilement envisageable pour des énergies plus élevées, et surtout pour les niveaux de tension nécessaires à la

formation de l'arc dans l'eau indiqués plus haut.

On va maintenant décrire le fonctionnement du propulseur élec¬ trodynamique illustré figure 3.

Sur cette figure, on a montré en P 1 , ... P i? P i+1 ... le projectile 15 dans la position où il se trouve juste avant le déclenchement de la décharge dans l'étage respectif E j _, ... E j , E i+1 ....

Initialement, le projectile se trouve en P lt et l'espace compris entre le fond du tube et la face antérieure du projectile est rempli d'un volume d'eau (ou de tout autre liquide approprié semblable, l'utilisation de l'eau n'étant en aucune façon limitative), appelé par la suite « noyau ».

On ferme alors l'interrupteur 14 du circuit électrique d'alimenta¬ tion 11 du premier étage E^ Cette action va provoquer au sein de la masse d'eau la formation d'un arc développant une pression électro- dynamique intense, comme décrit par Graneau dans sa publication précitée (avec toutefois, du fait de l'inductance 13 un meilleur étale¬ ment de la décharge dans le temps et donc une moindre pression de crête).

Comme on l'a expliqué plus haut, lors de la décharge le noyau d'eau se fractionne en deux parties, appelées par la suite « demi- noyaux », la partie de la masse liquide la plus proche du projectile étant projetée en direction du projectile et poussant celui-ci vers la bouche du canon, et la partie de la masse liquide la plus éloignée du projectile étant projetée en sens inverse (on expliquera plus loin ce qu'il adviendra de ce demi-noyau).

On notera incidemment que, lors de la conception du circuit d'ali¬ mentation, il est nécessaire de ne pas choisir une valeur de pulsa¬ tion Ω trop élevée pour limiter la valeur du courant. Quant à l'induc¬ tance L de la relation donnée plus haut, elle doit être inférieure à une valeur limite si l'on veut que la décharge du condensateur soit complète, c'est-à-dire qu'elle intervienne en totalité avant le frac¬ tionnement du noyau en deux demi-noyaux.

Le projectile va donc se trouver toujours accompagné dans son déplacement au sein du tube par un certain volume (noyau) d'eau sous sa face antérieure.

Le processus de production de la décharge et d'accélération du projectile étant le même pour tous les étages suivants, on ne décrira en détail le processus que pour l'étage _E i .

Lorsque le projectile est dans la position P i? le noyau d'eau qui l'accompagne se trouve dans la région 16 s'étendant entre entre les bornes Bi-l et Bi.

On provoque alors la décharge de courant entre les bornes Bi-l et

Bi par fermeture de l'interrupteur du circuit électrique de l'étage Ei.

Cette décharge entraîne la création au sein du noyau d'eau 16 d'une pression électrodynamique qui va fractionner ce noyau en deux demi-noyaux 16a et 16b.

Le demi-noyau 16a va communiquer de l'énergie cinétique au projectile et accompagner son mouvement, tandis que l'autre demi- noyau 16b portant une énergie de recul, va être propulsé en direc- tion de la culasse 10.

Lorsque ce demi-noyau 16b va atteindre la culasse, il va rebondir sur cette dernière et le sens de sa vitesse va donc s'inverser (réflex¬ ion de l'onde de pression), ce qui va donc le propulser maintenant en direction de la bouche du tube. La vitesse du projectile et du demi-noyau 16a qui l'accompagne étant plus faible que celle du demi-noyau 16b dans son mouvement d'aller-retour avec rebond, au bout d'un temps j _ il y aura à nouveau jonction des deux demi-parties 16a et 16b, ce qui va faire croître à nouveau la pression sur la face antérieure du projectile (comme illustré sur la figure 4, qui représente l'allure de l'onde de pression reçue par le projectile), produisant ainsi une accélération supplé¬ mentaire (poussée réfléchie, qui vient se cumuler à la poussée directe de ce dernier.

Quand la pression a décru à nouveau et que, poursuivant sa tra- jectoire, le projectile est dans la position illustrée en P i+1 de la figure

3, on déclenche entre les bornes i et B i+1 la décharge dans l'étage suivant E i+1 , si bien que le projectile va subir une autre accéléra¬ tion, et ainsi de suite pour les étages suivants.

On voit ainsi que l'accélération du projectile se fait par impul- sions successives, ce qui permet de réduire considérablement les

contraintes appliquées au tube et au projectile par rapport à un canon à arc dans l'eau simple, ou même par rapport à un canon à poudre, qui n'utilisent qu'une décharge énergétique unique.

La hauteur des étages, c'est-à-dire l'intervalle entre leurs bornes, peut être constante ou bien variable, par exemple croissante pour tenir compte de la vitesse croissante du projectile.

Cette dernière caractéristique (hauteur variable) peut être néces¬ saire avec la configuration de la figure 3, pour combiner poussée directe et poussée réfléchie. En effet, l'intervalle de temps (figure 4) entre la poussée directe exercée par la décharge de l'étage E j et la poussée réfléchie exercée par cette même décharge augmente par suite de la longueur croissante du trajet aller-retour du demi-noyau 16b à chaque étage ; si l'on peut avoir une distance croissante entre les bornes B j et B i+1 au fur et à mesure des étages, on peut alors utiliser l'énergie réflé¬ chie sur un plus grand nombre d'étages.

Par ailleurs, il peut être utile de prévoir en outre, de façon classi¬ que, des rainures hélicoïdales formées à l'intérieur du tube, permet¬ tant par la poussée de l'eau de mettre le projectile en rotation et ainsi de le stabiliser sur sa trajectoire.

La figure 5 illustre une variante du propulseur électrodynamique de la figure 3, dans laquelle on ne cherche pas à récupérer l'énergie du demi-noyau éjecté vers la culasse. Cette configuration présente sur la précédente l'avantage de ne pas exercer de forces de recul sur le tube.

A cet effet, on ouvre le tube du côté de la culasse, de manière à évacuer la fraction de liquide qui sera propulsée dans cette direc¬ tion. La borne centrale B Q de l'étage initial E j de la figure 3 est rem¬ placée ici par une borne B 0 se trouvant, comme les autres, sur une génératrice du tube. Une vanne rapide ou un simple diaphragme 18 maintiennent l'eau en place avant le tir. À la première décharge, le demi-noyau d'eau situé du côté du projectile exercera, comme dans le cas précédent, une poussée sur ce projectile, tandis que l'autre demi-noyau sera renvoyé en sens inverse et expulsé du tube par l'extrémité inférieure de celui-ci, l'énergie étant absorbée par un

plastron 17.

Pour compenser la perte systématique d'eau à chaque étage (du fait du fractionnement en deux demi-noyaux dont l'un est perdu), il est nécessaire de réinjecter de l'eau en quantité suffisante. A cet effet, à chaque étage un ou plusieurs injecteurs 19 injectent un volume d'eau additionnel, les injecteurs étant disposés et déclen¬ chés de telle sorte que l'eau injectée vienne s'agglomérer au demi- noyau d'eau 16a qui suit le projectile.

Très avantageusement, chacun de ces injecteurs peut être lui- même constitué d'un petit canon à arc dans l'eau dans lequel le rem¬ plissage d'eau fait, en tant que tel, office de projectile, ce qui est pos¬ sible du fait de la cohésion très élevée due à l'effet de striction, indi¬ qué plus haut, qui s'exerce sur le noyau d'eau lors de la décharge. L'apport d'eau par les injecteurs ne sert qu'à permettre le pas sage du courant dans l'étage, dont le déclenchement doit avoir lieu avec un décalage dans le temps approprié par rapport à l'instant de déclenchement des injecteurs de manière à obtenir l'efficacité opti¬ male.

Le déclenchement des injecteurs et celui de la source d'alimenta- tion peuvent être avantageusement commandés par le passage du projectile devant un détecteur, par exemple un détecteur à variation d'induction pour un projectile métallique.

On notera que, dans ce mode de réalisation de la figure 5, la hau¬ teur des différents étages peut être rendue constante, ce qui permet- tra de la choisir au mieux en fonction des contraintes de dimension- nement des composants (hauteur d'eau nécessaire pour recevoir la décharge, bornes du circuit d'alimentation, longueur et déplacement du projectile, etc.) de manière à aboutir à une hauteur d'étage uni¬ que, optimisée sur le plan industriel. Sur la figure 6, on a représenté une variante du mode de réalisa¬ tion de la figure 5, dans lequel la culasse 10 du tube est fermée.

L'injection d'eau à chaque étage permet, dans ce cas, d'éviter d'avoir à attendre le rebond du demi-noyau 16b pour reconstituer le volume d'eau nécessaire à la décharge suivante ; l'injection peut ainsi avoir lieu dès que ce demi-noyau 16b s'est suffisamment déta-

ché du demi-noyau 16a et avant qu'il n'ait acquis de la vitesse, ce qui l'empêche de repartir vers la culasse et donc d'aller y rebondir : l'opération consiste alors, en fait, à assurer le remplissage du tube au fur et à mesure de la progression du projectile vers le bouche. Les injecteurs peuvent être placés, comme dans le cas de la figure 5 où la culasse est ouverte, à l'emplacement correspondant à la limite du noyau d'eau qui suit le projectile.

Le fonctionnement du propulseur électrodynamique de la figure 6 est voisin de celui de la figure 5, dès lors que l'eau renvoyée par la culasse ne rattrape pas le noyau d'eau qui suit le projectile avant que celui-ci ait reçu l'énergie de l'étage suivant.

La différence essentielle réside dans le fait que l'eau de recul sort par la culasse dans un cas (et cela avant l'éjection du projectile) alors qu'elle est éjectée par la bouche dans l'autre cas (mais seule ment après l'éjection du projectile).

Dans l'un et l'autre cas, il peut se présenter toutefois une diffi¬ culté à injecter l'eau juste avant de déclencher la décharge dans l'étage correspondant. En effet, le projectile et le noyau d'eau qui le suit se déplacent durant l'injection, et à une vitesse qui est générale- ment supérieure à celle de l'eau injectée, si bien qu'il existe une lame d'air entre le noyau qui suit le projectile et l'eau injectée. La décharge de l'étage correspondant se fera donc dans un milieu non homogène, ce qui peut réduire la valeur effective du facteur de pro¬ portionnalité entre la force effectivement exercée et le carré du cou- rant de décharge.

C'est pourquoi, en variante, on peut prévoir un dispositif tel que celui de la figure 7, permettant d'injecter l'eau non plus avant la décharge mais pendant cette décharge, le point d'injection n'étant alors plus le volume 16b laissé libre par la décharge précédente (celle de l'étage E^) mais celui qui est en train de se former pendant la décharge de l'étage E j .

A cet effet, les injecteurs ne sont plus placés dans la partie infé¬ rieure de l'étage (c'est-à-dire au-dessous du trait mixte indiqué sur les figures), mais dans une position située approximativement dans la zone où la pression exercée longitudinalement pendant la durée

de la décharge sera nulle, c'est-à-dire à la ligne de séparation entre les deux demi-noyaux 16a et 16b, facilitant ainsi la pénétration de l'eau injectée.

Une telle configuration permet, avec un choix approprié de l'in- ductance L du circuit d'alimentation, de faire durer plus longtemps la décharge.

En outre, il n'est plus nécessaire de contrôler précisément la fer¬ meture des injecteurs puisqu'il s'agit seulement d'assurer un débit d'injection suffisant durant la décharge (au contraire des modes de réalisation précédents à injection avant décharge, dans lesquels l'injection devait nécessairement avoir pris fin à l'instant du déclen¬ chement de la décharge).

On notera que cette configuration des injecteurs permettant l'injection en cours de décharge s'applique aussi bien à une structure à culasse ouverte (telle que celle illustrée figure 7) qu'à une struc¬ ture à culasse fermée.