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Flusskompressionsgenerator

pyrotechnischer Impulsgenerator zur Erzeugung eines kurzen, leistungsstarken elektrischen Impulses
Schnittmodell eines Flusskompressionsgenerators

Der Flusskompressionsgenerator, in Umgangssprache auch FLUX genannt, ist ein pyrotechnischer Impulsgenerator zur einmaligen Erzeugung eines kurzen und leistungsstarken elektrischen Impulses mit hoher Momentanleistung. In Kombination mit einem Vircator, welcher vom Flusskompressionsgenerator gespeist wird, kann so ein leistungsstarker elektromagnetischer Puls (EMP) im Umkreis von einigen 100 m erzeugt werden um elektronische Geräte wie beispielsweise Radaranlagen oder Funkanlagen zu stören bzw. dauerhaft funktionsunfähig zu machen. Die Impulsdauer liegt im Bereich einiger 100 ns bis zu wenigen Mikrosekunden, die dabei erzielbare kurzzeitige Spitzenleistung liegt je nach Typ bei bis zu einigen Gigawatt.[1] Anwendung findet er primär im militärischen Anwendungsbereich und wird auf Lenkflugkörpern in Kombination mit einem Vircator für die elektronische Kampfführung im Bereich der elektronischen Gegenmaßnahmen (ECM) eingesetzt.

Erste Flusskompressionsgeneratoren (MK-1) und wesentliche Arbeiten dazu wurden Anfang der 1950er Jahre in der Sowjetunion in Sarow im damaligen Objekt КБ-1 (heute Russisches Föderales Nuklearzentrum/Allrussisches Forschungsinstitut für Experimentelle Physik, kurz РФЯЦ-ВНИИЭФ bzw. RFNC-VNIIEF) rund um Andrei Dmitrijewitsch Sacharow entwickelt.[2] Später wurden ähnliche Generatoren auch am Los Alamos National Laboratory (LANL) in den USA realisiert.

Inhaltsverzeichnis

FunktionsprinzipBearbeiten

 
Prinzipdarstellung und Ablauf bei einem Helical-Flusskompressionsgenerator
 
Schnittdarstellung eines scheibenförmigen Flusskompressionsgenerators

Das Funktionsprinzip eines Impulsgenerators basiert darauf, dass zunächst ein stromdurchflossener Leiter, ausgebildet als eine geschlossene Leiterschleife beispielsweise in Form einer Spule, einen magnetischen Fluss durch die von der geschlossenen Leiterschleife gebildete Fläche A verursacht. Die in diesem magnetischen Feld der Spule gespeicherte magnetische Energie ist von der Induktivität der Leiterschleife, die von der Geometrie wie der Fläche abhängt, und dem elektrischen Strom bedingt. Wird nun die Leiterschleife, und damit die Fläche A, durch eine äußere Kraft verkleinert oder komprimiert, kommt es zu einer Energiezunahme in der Spule, da gegen die magnetische Kraftwirkung Arbeit verrichtet wird. Erzeugt wird diese Kraft bei einem Flusskompressionsgenerator üblicherweise mit Hilfe einer Detonation von herkömmlichem chemischen Sprengstoff, es kann aber auch jede andere Form von Antrieb dienen, so ein hinreichend schneller Ablauf des Vorgangs gewährleistet ist. Je schneller der Kompressionsvorgang abläuft, desto höher sind die erzielbaren Momentanleistungen. Prinzipbedingt kann durch die Zerstörung der Leiteranordnung ein Flusskompressionsgenerator nur einmalig verwendet werden.

Als initiale Energiequelle dienen meist mehrere Kondensatoren, die zu einer Kondensatorbatterie zusammengefasst sind, und die bei Entladung zunächst für einen Strom durch die Leiterschleife sorgen. Bei Erreichen des maximalen Stromes in den Kondensatoren, typisch sind einige kA, wird die Sprengladung gezündet, wodurch es zu dem "Kompressioneffekt" kommt. Die Vorgänge laufen in sehr kurzen Zeiträumen, typisch im Bereich um wenige µs, ab.

AufbauBearbeiten

Im praktischen Aufbau gibt es mehrere Varianten, im Prinzip sind es drei verschiedenen Varianten:[2]

Hohles InnenrohrBearbeiten

Die älteste Bauform des Generators, von seinem Erfinder Sacharow als MK-1 bezeichnet, besteht aus einem hohlen Innenrohr. Bei diesen Aufbau befindet sich im Zentrum ein innen elektrisch nicht kontaktiertes hohles und in Längsrichtung geschlitztes Kupferrohr, im Außenbereich befindet sich die in Sprengstoff eingebettete elektrische Spule und die Rückleitung. Der magnetische Fluss breitet sich primär im Inneren des Rohres aus, bei der Detonation wird das Kupferrohr zusammengepresst und bildet einen sich rasch verengenden Kurzschlussring in welchem es durch die Kompression des Metallrohres kurzzeitig zu einer hohen magnetischen Flussdichte kommt. Bei dieser Bauform war das Ziel hohe magnetische Flussdichten zu erzielen, ein elektrischer Abgriff der Momentanleistung ist bei diesem Generatortyp nicht vorgesehen.

Helical-FlusskompressionsgeneratorBearbeiten

Der Helical-Flusskompressionsgenerator oder MK-2 ist ähnlich aufgebaut, allerdings befindet sich der Sprengstoff im Inneren des Kupferrohres. Im Außenbereich befindet sich die Spule, als Retourleiter dient das innenliegende Kupferrohr. Das magnetische Feld breitet sich primär zwischen der Oberfläche des Kupferrohres und der außen liegenden Spule aus. Der Sprengstoff wird an einem Ende des Rohres gezündet, die Detonationswelle drückt fortlaufend das Kupferrohr nach außen in die Spule, was zu einer stetigen Verkürzung der Spulenlänge und damit Anstieg der Feldenergie führt. Im Leistungsmaximum kann ein starker Impuls an eine externe Last wie ein Pulsformungsnetzwerk und einen Vircator abgegeben werden. Der maximale Impulsstrom beträgt bis zu 100 MA.

Scheibenförmiger FlusskompressionsgeneratorBearbeiten

Bei diesem vergleichsweise aufwändigen Aufbau befinden sich entlang einer Achse mehrere Scheiben, welche in ihrem Aufbau Hohlräume beinhalten. Diese Hohlräume sind mit Kupfer ausgekleidet und die Anordnung ist durch umgebenden Sprengstoff aufgefüllt. Der Sprengstoff in den einzelnen Scheiben, jede Scheibe fungiert dabei als einzelner Generator, werden nacheinander durch eigene Zündeinrichtungen ausgelöst. Durch die Kombinationen mehrerer Scheiben und die zeitliche Überlagerung bei der Zündung kann die Gesamtenergie gesteigert werden. Der maximale Impulsstrom beträgt bei dieser Anordnung bis zu 250 MA.[2]

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. L. L. Altgilbers, M. D. J. Brown, I. Grishnaev, B. M. Novac, I. R. Smith, Y. Tkach, I. Tkach: Magnetocumulative Generators (= Shock Wave and High Pressure Phenomena). Springer-Verlag, 2000, ISBN 0-387-98786-X, doi:10.1007/978-1-4612-1232-4.
  2. a b c Lab-to-Lab, Scientific Collaborations Between Los Alamos and Arzamas-16. Abgerufen am 18. März 2015.