CH708412A2 - Projektil mit verbesserter Reichweite. - Google Patents

Abstract

Drallstabilisiertes Projektil mit verbesserter Reichweite, wobei ein Teil seiner Rotationsenergie genutzt wird, um Fluid aus dem Totwasser unter die von vorne zufliessende Grenzschicht zu pumpen und so den Geschwindigkeitsgradienten der Grenzschicht in Wandnähe zu senken. Hierzu verfügt das Projektil über eine oder mehrere umlaufende Hohlkehlen, die über radiale Querkanäle mit einem Längskanal im Inneren des Projektils verbunden sind, der sich von dessen Basis bis zur Höhe der ersten Hohlkehle erstreckt.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steigerung der Reichweite von drallstabilisierten Projektilen.

[0002] Drallstabilisierte Projektile werden aus Waffenläufen verschossen, die das Geschoss über spiralförmige Züge in schnelle Rotation versetzen, was dessen Flugbahn durch Kreiselkräfte stabilisiert. Je nach Spiralwinkel der Züge werden einige tausend Umdrehungen pro Sekunde erreicht. Entlang seiner Bahn wird das Geschoss durch Widerstandskräfte gebremst, die von der Form des Projektils und von seiner Geschwindigkeit abhängen: – Im vorderen Bugbereich des Projektils wirken hauptsächlich Formwiderstandskräfte aus Staudruck und Wellenwiderstand. – Im mittleren zylindrisch geformten Bereich des Projektils wirken hauptsächlich Reibungskräfte aus der turbulenten Grenzschicht. – Im hinteren Heckbereich wirken hauptsächlich Kräfte aus der Drucksenkung im Totwasser der stumpfen Basis des Projektils.

[0003] Um eine grosse Reichweite zu erzielen muss das Geschoss eine hohe Anfangsgeschwindigkeit besitzen, vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit, und die Widerstandskräfte müssen möglichst gering gehalten werden um den Energieverlust des Projektils entlang der Geschossbahn zu minimieren. Hierzu wird der Bug des Projektils widerstandsoptimiert geformt, vorzugsweise als Ogive, und das Heck etwas eingezogen («boat tailing»), was den Wirkungsquerschnitt der Drucksenkung an der Basis des Projektils reduziert. Eine weitere Anhebung des Basisdruckes erzielt man durch zusätzliches Ausströmen von Gas an der Geschossbasis («base bleed») wodurch die Reichweite erheblich gesteigert werden kann.

[0004] Nachteilig bei allen Projektilen ist der Verlust an kinetischer Energie durch Widerstandskräfte, was die Reichweite und Zielwirkung des Geschosses reduziert. Nachteilig bei «base-bleed» Geschossen ist der zusätzliche Aufwand an Treibgas, das vom Projektil mitgeführt und entlang der Geschossbahn ausgestossen werden muss.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und ein Projektil zu finden, das den Energieverlust des Projektils entlang der Geschossbahn ohne zusätzliche Treibgasladung reduziert und damit dessen Reichweite und Zielwirkung steigern kann.

[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und ein Projektil nach Anspruch 2. Die Erfindung wird mit 5 Figuren beschrieben: <tb>Fig. 1<SEP>Ein Projektil nach dem Stand der Technik mit ogivalem Bug, zylindrischer Mitte und eingezogenem Heck. <tb>Fig. 2<SEP>Das Strömungsfeld um ein Überschallprojektil mit Mach-Kegel am Bug und am Heck des Projektils, Energieübertragung an die Grenzschicht, Nachstromkörper mit Totwasser und turbulentem Nachlauf. <tb>Fig. 3<SEP>Seiten- und Schnittansicht eines erfindungsgemässen Projektils. <tb>Fig. 4<SEP>Darstellung des erfindungsgemässen Verfahrens mit Beeinflussung des Grenzschichtprofils durch eine Zirkulationsströmung. <tb>Fig. 5<SEP>Darstellung der Umströmung eines erfindungsgemässen Projektils bei Überschallgeschwindigkeit.

[0007] Die Widerstandskräfte bewirken einen Verlust an kinetischer Energie jedes Projektils mit Bug, Mitte und Heck nach Fig. 1 , wobei dessen Energieverlust wegen der Energieerhaltung einem Energiegewinn seiner Umströmung entsprechen muss.

[0008] Fig. 2 zeigt diesen Energiefluss an die Grenzschicht des Projektils, die ein nichtlineares Geschwindigkeitsprofil in Wandnähe ausbildet und nach einer laminaren Anlaufphase turbulent anwächst, bis sie am stumpfen Heck ablöst. Die Grenzschicht ist in bodenfesten Koordinaten dargestellt, wobei Fluidteilchen nahe der Wand in Flugrichtung mitgerissen werden. Solche Teilchen sammeln sich im Totwasser des Nachstromkörpers, der einen freien Staupunkt ausbildet. Bei Überschallgeschossen beginnt dort der Mach-Kegel der Heckstosswelle. Im dann folgenden Nachstrom wird die an die Grenzschicht übertragene Energie turbulent dissipiert.

[0009] Diese Beobachtungen kann man anhand von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen validieren. Hier sind folgende Mechanismen von Bedeutung: – Der Energieverlust des Projektils ist Energiegewinn der Grenzschicht. – Der Geschwindigkeitsgradient in der Grenzschicht bewirkt eine Scherung, dadurch entstehen Reibungskräfte und Widerstand. – Im Totwasser ist nachfolgendes Fluid so schnell wie das Projektil. Die kinetische Energie des Totwassers stammt aus der Grenzschicht. – Energie aus dem Totwasser wandert in das turbulente Nachstromfeld.

[0010] Die Erfindung soll den Energieverlust des Projektils entlang seiner Bahn vermindern, indem das Geschwindigkeitsprofil der Grenzschicht aufgefüllt wird, was die Wandreibungskräfte reduziert. Hierzu wird die Rotation des Projektils genutzt um Fluidpartikel aus dem Totwasser des Projektils in die Grenzschicht zu pumpen. Dafür wird das Projektil aus Fig. 1 gemäss Fig. 3 verändert: – Es erhält eine Längsbohrung von der Basis bis zur Höhe einer umlaufenden Hohlkehle in seiner Aussenwand. Dabei ist es von Vorteil, den Übergang des Kanals zur Geschossbasis strömungsgünstig zu formen, beispielsweise durch eine Ausrundung der Übergangskante. Die sich dort ausbildende Strömung erhöht den Basisdruck am Ende des Projektils, was dessen Widerstand verringert. – Es erhält mehrere gleichmässig radial verteilte Querbohrungen, die den inneren Förderkanal mit der Aussenwand des Projektils verbinden und in der umlaufenden Hohlkehle enden. Durch die Rotation des Projektils entsteht in diesen Querbohrungen eine Zentrifugalkraft und daraus die gewünschte Pumpwirkung, welche das Fluid aus dem Förderkanal in die Grenzschicht fördert. – Es enthält eine umlaufende Hohlkehle als Sammelkanal für das aus den Querbohrungen strömende Fluid. Von Vorteil ist es, die Hohlkehle nach vorne scharfkantig auszuführen, um einen Strömungsabriss der zufliessenden Grenzschicht zu erzwingen, und nach hinten mit einem flachen Übergang zu versehen, um das geförderte Fluid gleichmässig unter die von vorne zufliessende Grenzschichtströmung zu befördern und deren Geschwindigkeitsprofil wandseitig aufzufüllen. Für grosse Kaliber kann es sinnvoll sein mehr als eine Hohlkehle anzuordnen.

[0011] Durch diese Massnahmen wird die über den Bug des Projektils zufliessende Grenzschicht im Bereich der Hohlkehle mit Fluid unterströmt, das aus dem Totwasserbereich stammt und die gleiche Geschwindigkeit besitzt wie das Projektil. Dadurch verändert sich die Umströmung des Projektils nach Fig. 4 . Die Grenzschichtprofile B1, B2 und B3 sind dort in körperfesten Koordinaten dargestellt. – Über den Bug des Projektils bildet sich eine Grenzschicht mit nichtlinearem Geschwindigkeitsprofil und hohem Gradienten nahe der Wand aus (B1). – An der Hohlkehle löst die zufliessende Grenzschicht von der Wand ab und wird von dem aus dem Inneren in die Hohlkehle geförderten Fluid unterströmt. Dadurch wird die Grenzschicht in Wandnähe mit Fluid aufgefüllt, das in etwa so schnell ist wie das Projektil (B2). – Der Grenzschichtgradient wird nach aussen verdrängt, es bildet sich eine Ablöseblase über dem Projektil (B1, B3), was die Wandschubspannung und den Widerstand entsprechend mindert. – Ein Teil des Fluids aus dem Totwasser zirkuliert in vier Schritten um das Projektil: 1. Zufliessen aus dem Totwasserbereich 2. Fördern in die Hohlkehle 3. Abfliessen in der Grenzschicht 4. Sammeln im Totwasser – Durch diese Zirkulation fliesst weniger kinetische Energie in den turbulenten Nachlauf ab, was die Energieverlustrate insgesamt mindert. – Der Basisdruck des Projektils wird durch Zentrifugalkräfte im Zulauf erhöht, was den Widerstandsanteil aus der Senkung des Basisdrucks ohne zusätzliche Treibgase mindert. Die Druckerhöhung an der Basis stammt aus der Zirkulationsströmung.

[0012] Fig. 5 zeigt das veränderte Strömungsfeld um das Projektil. Ein Teil des Fluids aus dem Totwassers zirkuliert um den hinteren Teil des Geschosses und gelangt nicht in den turbulenten Nachstrom. Dadurch sinkt der Energieverlust des Projektils entlang der Geschossbahn. Die Zirkulation führt zu einer Ablöseblase im mittleren Bereich, was dort die Wandschubspannung mindert, und zu einer Druckerhöhung im Zufluss der Basis, was den Widerstandsanteil aus der Umströmung des stumpfen Hecks vermindert. Die Minderung der Widerstandskräfte entspricht der Minderung an Energieverlust. Dadurch werden Reichweite und Zieleinwirkung des Projektils gesteigert. Je nach Anwendung kann das Projektil auch mit Treibkäfig oder Treibspiegel verschossen werden. Für grosse Kaliber können zwei oder mehr umlaufende Hohlkehlen sinnvoll sind, die axial aufeinander folgen und über Querkanäle mit dem Längskanal zur Basis verbunden sind.

Claims (6)

1. Verfahren zur Erhöhung der Reichweite von drallstabilisierten Projektilen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Rotationsenergie des Projektils genutzt wird, um Fluid aus dem Totwasser des Projektils unter die zuströmende Grenzschicht nahe der Wand des Projektils zu fördern und so den Geschwindigkeitsgradienten der Grenzschicht in Wandnähe zu senken.

2. Drallstabilisiertes Projektil dadurch gekennzeichnet, dass in der Aussenwand eine oder mehrere umlaufende Hohlkehlen vorhanden sind, die über radiale Querkanäle mit einem Längskanal im Inneren des Projektils verbunden sind, der von der Basis bis zur Höhe der ersten Hohlkehle reicht.

3. Projektil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Hohlkehlen nach vorne scharfkantig und steil, und nach hinten mit einem flachen Übergang in die jeweils nachfolgenden Wandflächen versehen sind.

4. Projektil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radial verlaufenden Querkanäle gleichmässig über den Umfang verteilt sind.

5. Projektil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kante am Übergang zwischen Projektilbasis und Längskanal durch eine Ausrundung oder eine andere Kontur strömungsgünstig ausgeformt ist.

6. Projektil nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Triebspiegel oder einem Treibkäfig verschossen wird.