TNO-PML: Elektromagnetisch lanceren (1983 – 1997)
Hypersone snelheden door elektromagnetisch lanceren (1983 – 1997)
Op 24 augustus 1988 suisden kort na elkaar vijf blokjes aluminium voortgejaagd door Lorentzkracht met hypersone snelheid tussen een railconstructie van circa 3 meter. Voor het eerst had in Europa een elektromagnetische lanceerinrichting met succes repeterend gevuurd. Het eerste belangrijke wapenfeit van de researchgroep Pulsfysica van het Prins Maurits Laboratorium TNO (destijds gevestigd op de TNO locaties Rijswijk Plaspoelpolder en Delft Zuidpolder).
Achtergrond
Het versnellen van makroskopische voorwerpen, zoals projectielen en ruimtevoertuigen, met behulp van chemische middelen heeft zijn beperkingen. De praktische grens bij kanonnen ligt voor projectielen met een massa in de orde van een kilogram in de buurt van de 2 km/s (7200 km/uur).
De eindsnelheid van een raket wordt onder meer bepaald door de verhouding van de massa van de volle raket voor de start en die van de raket als alle stuwstof is verbruikt. In theorie kan die verhouding zeer groot gemaakt worden en daarmee de bereikbare eindsnelheid. In de praktijk is een zogenoemde payload-verhouding van 500 wel zo’n beetje de grens. Eindsnelheden in de orde van 20 km/s, nodig voor een bemande trip naar de maan in een acceptabele tijd zijn dan nog net haalbaar met de meest gunstige chemische stuwstof: de combinatie van vloeibare waterstof en zuurstof. Verdere trips vereisen hogere eindsnelheden. Chemische stuwstof wordt dan ontoereikend.
Het idee van chemische voortstuwing danken we aan de Chinezen die het rond 1200 toepasten in geschut. Ruim honderd jaar later werd het buskruit met veel succes in een vechtlustig Europa geïntroduceerd. Sindsdien vormt het de basis van onze wapen- en vuurpijltechnologie. Halverwege de 19e eeuw ontstond het idee dat voorwerpen ook langs elektromagnetische weg versneld zouden moeten kunnen worden. Deze gedachte werd met succes ingevoerd in de experimentele fysica bij het onderzoek naar de structuur van atomen en atoomkernen. De projectielen waar het hier om gaat zijn zeer lichte deeltjes als elektronen en protonen. Vooral elektronen laten zich relatief makkelijk opjagen tot snelheden, die dicht in de buurt van de lichtsnelheid liggen. In de buurt van deze absolute snelheidslimiet resulteert het toevoeren van energie in hoofdzaak in een toename van de massa van de deeltjes. De snelheid neemt daarbij nauwelijks meer toe. Het elektromagnetisch (EM) versnellen van makroskopische voorwerpen vereist een heel andere technologie. Pionierswerk op dit gebied werd verricht door de Noor Kristian Olof Birkeland, die er in het begin van de vorige eeuw in slaagde om projectielen met een massa van 10 kg een snelheid van circa 100 m/s te geven. Hij gebruikte daarvoor een zogenoemde inductieversneller. Sindsdien is in een aantal landen aan dit idee verder gewerkt zonder dat opzienbarende vooruitgang werd geboekt. Het was de Australische onderzoeker Richard Marshall die in het midden van de jaren ’70 het onderzoek in een stroomversnelling bracht. Hij maakte gebruik van een zogenoemde railversneller (railgun), aangedreven door een homopolaire generator en wist daarmee plastic projectielen met een massa van 3 gram een snelheid van 5,9 km/s (Mach 18) te geven. De door hem toegepaste techniek stond model voor de TNO werkwijze.
Elektromagnetische voortstuwing
Het basismechanisme van de elektromagnetische voortstuwing berust op de werking van de Lorentzkracht. Een elektrische stroom, die zich in een magnetisch veld bevindt, ondervindt daarvan een kracht die loodrecht staat op het vlak, opgespannen door de veldrichting en de stroomrichting ter plaatse en die gelijk is aan het product van de stroomdichtheid J, de magnetische inductie B en de sinus van de hoek tussen de richting van beide. Onderstaande figuur toont de basisstructuur van een zogenoemde railversneller. De ene rails zorgt voor de aanvoer van de stroom, de andere voor de afvoer. Het stroomcircuit wordt gesloten door een verbinding die langs de rails kan bewegen. Dit kan een boogontlading zijn. Het kan echter ook een vaste geleider zijn (armatuur), die met speciale sleepcontacten (borstels) in verbinding staat met de rails. Het circuit zelf wekt een magnetisch veld op (zoals door ieder stroomvoerend systeem gebeurt), waarvan de sterkte evenredig is met de stroomsterkte, terwijl de richting loodrecht op het vlak van de tekening staat. Mits stevig ingespannen heeft dat voor de rails alleen als effect dat er mechanische spanningen ontstaan. De boogontlading of de armatuur kan echter langs de rail bewegen en zal door de Lorentzkracht dan ook worden ‘weggeblazen’. Op deze wijze kan een projectiel worden voortgestuwd.
Een variant is dat men een boogontlading, die bestaat uit een plasma met hoge druk en temperatuur, vrij laat expanderen in een pijp waarin zich het projectiel bevindt. Bij deze elektrothermische voortstuwing wordt het projectiel door de hoge druk van het plasma versneld. Een andere wijze om een projectiel langs elektromagnetische weg te versnellen is met een zogenoemde inductieversneller.
De werking is te vergelijken met het bekrachtigen van een relais, waardoor een magneetkern een spoel wordt ingetrokken. De bekrachtigingsspoelen worden na elkaar ingeschakeld. Als het projectiel een spoel passeert wordt deze uitgeschakeld om te voorkomen dat het projectiel na passage wordt vertraagd. De bekrachtingsspoelen kunnen ook als een lange spoel worden uitgevoerd waar dan een stroompuls doorheen loopt die een pulsvormig lopend magnetisch veld genereert waardoor de projectielspoel naar binnen wordt gezogen.
De railgun-versneller
De kracht die in de boven beschreven railgun-versneller voor de aandrijving zorgt bedraagt L*I2/2 waarbij L de inductantie is van de parallelle rails per lengte-eenheid en I de stroomsterkte. Karakteristieke waarden van de kracht zijn 2*10-7 Newton per Ampère-kwadraat. Krachten van enige betekenis vereisen derhalve zeer grote stroomsterktes. De railgun-versneller wordt pas interessant als men in staat is om stroomsterktes van enkele Mega-Ampères (miljoen Ampère) te genereren. Bij 1 MA krijgen we dan een kracht van 2*105 Newton.
De snelheden die op deze wijze theoretisch bereikt zouden kunnen worden zijn vooralsnog (in 1988) onderwerp van discussie. Als de sterkte van het elektrisch veld E, dat de stroom opwekt, groter is dan de sterkte van de magnetische inductie B, die door de stroom wordt gegenereerd, zou de theoretische snelheidslimiet de lichtsnelheid zijn. Als E < B dan wordt die limiet een fractie E/B van de lichtsnelheid.
In de praktijk wordt de limiet bepaald door de mechanische sterkte van de versnellerconstructie die aan zeer grote mechanische spanningen wordt blootgesteld. Met de beschikbare materialen betekent dit dat projectielen met massa’s in de orde van een kilogram in principe versneld kunnen worden tot vele tientallen km/s. De militaire belangstelling voor deze technologie hangt in de eerste plaats samen met de grote vuurkracht, die ermee kan worden bereikt. Een vuurkracht die in principe regelbaar is omdat men de bekrachtiging van het projectiel in de hand heeft. In gangbaar geschut vindt de aandrijving van een projectiel explosief plaats waardoor grote piekspanningen in het geschut moeten worden opgevangen. In een EM-kanon kan de aandrijving worden uitgesmeerd in de tijd. Een ander belangrijk voordeel is het ontbreken van chemische stuwstoffen. De benodigde energie kan ter plaatse bij herhaling en gecontroleerd worden opgewekt, waardoor een dergelijk wapen bij uitstek geschikt is om door robots gebruikt te worden.
Energieopwekking
Voor een EM-lancering zijn dus zeer hoge stroomsterktes vereist, die voor wapentoepassingen meer of minder sterk gepulst dienen te zijn. Het opwekkingssysteem bestaat uit drie trappen. In de eerste trap wordt op conventionele wijze elektrische energie opgewekt, bijvoorbeeld met een gasturbine. In de volgende trap wordt de energie opgeslagen op een zodanige wijze dat ze in zeer korte tijd kan worden vrijgemaakt. In de laatste trap wordt de energie aan het opslagmedium onttrokken en in de vorm van een stroompuls aan de versneller toegevoerd.
Een energieomvormer die bij uitstek geschikt is voor de productie van zeer hoge stroomsterktes is de homopolaire generator.
De werking hiervan berust op het feit dat er in een metalen schijf, die ronddraait in een magneetveld loodrecht op de schijf, een potentiaalverschil ontstaat tussen het centrum en de rand van de schijf. Het zo opgewekte spanningsverschil is relatief laag (enkele tientallen volts), maar omdat de massieve rotor een zeer geringe inwendige weerstand heeft, is het een bijna ideale stroombron waarmee zeer grote stroomsterktes gegenereerd kunnen worden. Wordt een dergelijke bron belast dan wordt momentaan de kinetische energie van de roterende schijf omgezet in elektrische arbeid in de belasting. De schijf komt daarbij direct tot stilstand. De spanning van een homopolaire generator is echter te laag om de stroom in de railgun voldoende snel te laten stijgen. Om de stroompuls de gewenste vorm te geven wordt de generator daarom doorverbonden met een speciale opslagspoel (condensatoren zijn hier minder bruikbaar omdat ze hun energie te snel afgeven). Als de zeer massief uitgevoerde spoel tot de gewenste stroomsterkte is opgeladen, wordt het oplaadcircuit met een speciaal schakelmechanisme op een programmeerbare wijze onderbroken, zodat een snel stijgend spanningsverschil aan het begin van de rails verschijnt.
Hieronder een schets van de opstelling zoals die bij TNO operationeel is. Het systeem is in staat om energiepulsen te produceren van 6,7 MJoule.
Het TNO onderzoek, dat feitelijk startte in 1983 met de uitzending van een medewerker naar de VS, is gericht op de volgende hoofdgebieden: opwekking van zeer hoge stroompulsen, het elektromagnetisch en elektrothermisch lanceren, en materiaalonderzoek. Het betreft onderzoek naar pulsvormende netwerken met als energiebron snel ontlaadbare batterijen, inductoren en een gepulste homopolaire generator, waarbij ook de elektromechanische en dynamische eigenschappen bestudeerd worden. Een ander belangrijk aandachtsgebied betreft de speciale schakeltechnologie die voor deze activiteiten noodzakelijk is. Wat het lanceren betreft zal de aandacht vooral uitgaan naar het gedrag en de ontwikkeling van ultrasnelle glijcontacten en naar de eigenschappen van hogedruk plasma’s. Over de processen die optreden bij de zeer hoge snelheden en stroomsterktes is internationaal nog maar weinig bekend. De ontwikkeling van een betrouwbaar systeem vereist verder het nodige materiaalonderzoek. Dit geldt met name de versneller, de schakelaars en de projectielen.
Andere toepassingen
Het idee van de elektromagnetische voortstuwing oefent ook een grote aantrekkingskracht uit op ontwerpers van toekomstige ruimtevaartuigen. Daarbij gaat men uit van een plasma (gasmassa, waarin een substantieel deel van de atomen een elektron is kwijtgeraakt), dat wordt geproduceerd door in de stuwstof elektrische ontladingen te genereren, die zouden kunnen worden opgewekt met behulp van een kleine kernreactor of zonnebatterijen. Zoals bij de railgun zal het plasma door zijn eigen magneetveld worden weggeblazen als er een voldoende hoge stroom in de ontlading kan worden opgewekt. Dit is het principe van de magnetoplasmadynamische arcjet.
De techniek om zeer sterke stroompulsen op te wekken is ook interessant voor lastoepassingen. Gebleken is dat met een homopolaire pulsgenerator lassen van hoge kwaliteit aangebracht kunnen worden in bijvoorbeeld hogesterkte pijpleidingen. Het lasproces is zeer snel, vereist geen vulmateriaal noch een speciale afscherming. Er verdampt relatief weinig metaal en de vervorming door verhitting is minimaal. De druk die door een magneetveld wordt opgewekt op een stroomgeleidend systeem kan ook gebruikt worden voor het vormen van metalen voorwerpen.
Het genereren van extreem sterke magneetvelden is ook uit fundamenteel oogpunt interessant. Er is weinig bekend over de eigenschappen van de materie onder deze exotische omstandigheden. Een tamelijk curieuze toepassing van de EM-lanceertechniek is het onderzoek naar de processen die optreden bij de inslag van meteorieten. Het snelheidsregiem, dat daarvoor nodig is, was tot voor kort niet beschikbaar.
Met dank aan
Gerard van de Schootbrugge voor het artikel in TNO Magazine in 1988 waarop deze webpagina is gebaseerd.
Status in 1993
Een later artikel (Roering jg 30 nr 2, p 41-48) in 1993 geeft een indicatie van de performance van de EM-lanceerinstallatie: max 1 MA stroompulsen met een inhoud van 3.7 MJ, een condensatorbank die 1 ms pulsen van 600 kA levert, en een snelle bipolaire batterij/puls-transformatorcombinatie die 3 ms pulsen van 250 kA levert. Projectielen van 500 g worden met een mondingssnelheid van 3 km/s verschoten.
Wegens defensiebezuinigingen is het onderzoek in 1997 gestopt. Het elektromagnetisch kanon is afgestoten. Onderzoek naar Elektromagnetische Vermogenstechniek (EMVT) wordt voortgezet, enerzijds vanwege de elektrificering van militaire voertuigen, anderzijds omdat hier civiel een markt voor is. Er wordt een samenwerking met de Technische Universiteit Delft aangegaan, waar de groep EMVT ook geplaatst wordt. Het karakter van het onderzoek verandert totaal en het spitst zich uiteindelijk toe op koude plasma’s en elektrische aangedreven militaire voertuigen.
In het blad Marineschepen is later een artikel verschenen waarin recentere Amerikaanse railgun-ontwikkelingen worden beschreven.
De Pulsfysica-groep is maar een kort leven beschoren geweest. Waar medio jaren tachtig deze groep werd opgericht in het kader van SDIO wil Defensie in 1997 hier niet mee verder doorgaan.