CH709673A2 - Aerodynamisch verbessertes Geschossheck. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Reduktion des Basiswiderstands von Geschossen (29), insbesondere von Überschallgeschossen, die durch Drall stabilisiert werden, sowie konstruktive Form-Elemente am Heck solcher Geschosse zur Umsetzung der Verfahren. Die Erfindung soll ebenfalls die Präzision von Geschossen verbessern. Ein erstes Verfahren erhöht den Druck im Totwasser der Geschossbasis durch ein zusätzliches wandfestes Stoss-System (32), das durch konkave Funktionsflächen am Heck des Geschosses erzeugt wird. Ein zweites Verfahren vermindert die Turbulenz im Nachstrom des Geschosses, indem durch das Heck axial orientierte Wirbelfäden erzeugt werden, die sich im Nachstrom zu einem gemeinsamen Wirbelzopf verdrillen. Hierzu wird das Heck mit axial orientierten Transportrillen versehen, deren Längskanten Wirbelfäden induzieren. Diese Transportrillen reduzieren gleichzeitig den Basiswiderstand des Geschossbodens. Beide Verfahren können in einem Geschoss kombiniert werden.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Reduktion des Basiswiderstands von Geschossen, insbesondere von Überschallgeschossen, die durch Drall stabilisiert werden, sowie konstruktive Form-Elemente am Heck solcher Geschosse zur Umsetzung der Verfahren. Die Erfindung soll ebenfalls die Präzision von Geschossen verbessern.

[0002] Alle Geschosse oder Projektile erfahren im Flug eine Widerstandskraft aus der Wandreibung und aus einer Druckabsenkung an der Geschossbasis. Das ist der Basiswiderstand, der durch den Bodensog aus der Umströmung des Geschosshecks verursacht wird. Überschallgeschosse fliegen schneller als der Schall und bilden nach den Gesetzen der Gasdynamik Stossfronten an Bug und Heck aus, die sich mit abnehmender Fluggeschwindigkeit verändern und den Wellenwiderstand verursachen. Der Gesamtwiderstand setzt sich dann zusammen aus dem Wellenwiderstand, dem Reibungswiderstand und dem Basiswiderstand. Alle drei Widerstandskomponenten verändern sich mit der Geschossgeschwindigkeit.

[0003] Für eine grosse Reichweite muss der Widerstand eines Projektils möglichst gering sein. Um den Basiswiderstand zu senken wird das Geschossheck eingezogen und als Kegelstumpf ausgeführt (Boat-Tail), was die Fläche des Geschossbodens vermindert. Dadurch sinkt die Kraftwirkung des Bodensogs infolge der Heckumströmung und der Basiswiderstand nimmt ab. Erfahrungsgemäss ist der optimale Kegelwinkel für das Boat-Tail-Heck etwa sieben Grad, und seine optimale Länge beträgt etwa 0.75 Kaliber (Beat Kneubuehl: Geschosse, Gesamtausgabe, Verlag Stocker-Schmidt, Zürich-Dietikon, 2013, Seite 114 – nachfolgend «KNEU, Seite 114»).

[0004] Nachteilig bei herkömmlichen Projektilen ist der Bodensog aus der Heckumströmung. Nachteilig ist auch die Instabilität des Kegelhecks aus der Mündungsballistik aufgrund des Restdruckes der Pulvergase im Lauf. Wenn das Geschoss den Lauf verlässt wird das Projektil von Pulvergasen aus dem Lauf in einem sich erweiternden Ringspalt überströmt, wodurch das Projektil in Mündungsnähe einen Seitenimpuls erhalten kann, was die Präzision des Schusses mindert. Nachteilig ist schliesslich die hohe Turbulenz im Nachlauf des Geschosses während seines Fluges. Die Höhe der Turbulenz ist ein Mass für die Energieverlustrate im Flug.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es Verfahren zu finden, die den Basiswiderstand von Projektilen aus dem Bodensog vermindern, die Präzision eines Schusses steigern, und die Turbulenz im Nachlauf des Geschosses reduzieren. Aufgabe der Erfindung ist auch konstruktive Form-Elemente für Geschosse zu finden, mit denen die Verfahren umgesetzt werden können.

[0006] Die Aufgabe wird gelöst durch Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 sowie konstruktive Form-Elemente nach Anspruch 4 bis 6. Die Erfindung wird anhand von 8 Figuren beschrieben: <tb>Fig. 1<SEP>Darstellung der Mündungsballistik und Aussenballistik von Boat-Tail-Geschossen im Überschall sowie Veränderung der Stossfronten beim Übergang vom Überschall in den Unterschall. <tb>Fig. 2<SEP>Typischer Verlauf des Widerstandsbeiwerts von Überschallgeschossen bei abnehmender Machzahl. <tb>Fig. 3<SEP>Verhalten von Überschallströmungen an konvexen und konkaven Ecken, reibungsfrei und reibungsbehaftet dargestellt. <tb>Fig. 4<SEP>Darstellung eines ersten Verfahrens zur Minderung des Bodensogs am Boat-Tail-Geschossheck, sowie konstruktive Form-Elemente zur Umsetzung des ersten Verfahrens. <tb>Fig. 5<SEP>Darstellung eines zweiten Verfahrens zur Minderung des Bodensogs am Boat-Tail-Geschossheck samt Minderung der Turbulenz im Nachlauf, sowie konstruktive Form-Elemente zur Umsetzung des zweiten Verfahrens. <tb>Fig. 6<SEP>Ableitung von Form-Elementen zur Kombination beider Verfahren in einer Geschossform. <tb>Fig. 7<SEP>Mündungsballistik bei einer optimierte Geschossform. <tb>Fig. 8<SEP>Vergleich der Stosswellensysteme herkömmlicher und neuer Geschosse.

[0007] Fig. 1.1 zeigt das Strömungsfeld eines Geschosses (12) mit Nase (7), Mittelteil (8) und eingezogenem Boat-Tail (9) im Überschallflug. An der Nase entsteht eine abgelöste Kopfwelle (1) mit Übergang in einen schiefen Stoss (2). An der Geschossbasis befindet sich das Totwassergebiet TW (3), das dem Geschoss mit gleicher Geschwindigkeit folgt und mit einem freien Staupunkt (4) endet. Dieser freie Staupunkt ist Ausgangspunkt für die hinteren Stosswelle (5) und den turbulenten Nachlauf (6), in dem die Bewegungsenergie des Geschosses dissipiert wird. Die Höhe dieser Turbulenz ist ein Mass für die Verlustrate der Bewegungsenergie des Geschosses im Flug.

[0008] Fig. 1.2 zeigt das Geschoss (12) nahe der Mündung kurz nach dem Verlassen des Laufs (10). Wegen der kegeligen Form des Geschosshecks öffnet sich zwischen Lauf und Heck in der Mündung ein Ringspalt, durch den die Pulvergase (11) infolge von Restdruck im Lauf mit hoher Geschwindigkeit ausströmen und das Geschoss überholen. Dieser Vorgang kann aufgrund von Asymmetrien zu einer Seitenkraft führen, welche die Präzision des Schusses mindert.

[0009] Fig. 1.3 zeigt die Veränderung der Stossfronten am Geschoss bei abnehmender Geschwindigkeit bzw. Machzahl gemäss Schlieren-Aufnahmen aus KNEU, Seite 89. Die Darstellungen A, B, C, D, E beziehen sich auf die markierten Punkte in Fig. 2 . <tb>A<SEP>Voll ausgebildeter schiefer Stoss in Bugwelle und Heckwelle des Geschosses bei hoher Machzahl, supersonischer Bereich. <tb>B<SEP>Abgelöste Kopfwelle am Bug des Geschosses bei Eingang in den transsonischen Bereich kurz vor Mach 1. Beginn der Umwandlung des Heckwellen-Systems, Beginn transsonischer Bereich. <tb>C<SEP>Heckwelle mit Wandkontakt an der Geschossbasis, knapp unter Mach 1, keine Kopfwelle mehr vorhanden, Mitte des transsonischen Bereiches. <tb>D<SEP>Verkleinerung des hinteren Überschallgebiets bis zur Terminierung der hinteren Stosswelle, Ende des transsonischen Bereiches, Übergang in den Unterschall. <tb>E<SEP>Unterschallströmung.

[0010] Fig. 2 bildet die Darstellung der ausgezeichneten Punkte A bis E auf den Verlauf des Widerstandbeiwertes (cw-Wert) bei abnehmender Machzahl ab. Dabei ändert sich das Stoss-System um das Geschoss mit sinkender Geschwindigkeit. <tb>A–B:<SEP>Voll ausgebildete Überschallströmung mit schiefem Stoss in Bug- und Heckwelle (A). Der cw-Wert steigt mit abnehmender Geschwindigkeit, weil der Winkel des schiefen Stosses wächst und der Einfluss der abgelösten Kopfwelle zunimmt. Bei (B) ist die Kopfwelle vollständig abgelöst, kein schiefer Stoss mehr in der Bugwelle. <tb>B–C:<SEP>Die Kopfwelle am Bug verschwindet, die Heckwelle wandert vom freien Staupunkt nach vorne und erhält bei (C) Wandkontakt an der Geschossbasis. Der Drucksprung im Heckstoss erhöht den Basisdruck und mindert den Bodensog, so dass der cw-Wert sinkt. <tb>C–D:<SEP>Das Überschallgebiet der Heckwelle wir kleiner. Der Drucksprung im Heckstoss erhöht den Basisdruck und mindert den Bodensog, der cw-Wert sinkt weiter. <tb>D–E:<SEP>Reine Unterschallströmung. Mit abnehmender Reynoldszahl nimmt der Einfluss der Zähigkeit aus der Wandreibung zu und der Widerstandsbeiwert wächst wieder.

[0011] Aus der Analyse der Schlieren-Fotos aus KNEU, Seite 89, und der Abbildung auf den Geschwindigkeitsverlauf des cw-Wertes ist erkennbar, dass der Heckstoss den Druck an der Geschossbasis steigert, sobald das Stoss-System den freien Staupunkt (4) verlässt und an der Geschossbasis anhaftet (Punkte C und D).

[0012] Im ersten Verfahren wird dieser Mechanismus nun angewendet, um den Basisdruck auch im Geschwindigkeitsbereich A–B anzuheben und den cw-Wert auch im Überschallbereich A–B zu senken. Hierzu wird die Eigenschaft der Überschallströmung an konkaven Ecken genutzt.

[0013] Fig. 3 zeigt das Verhalten einer Überschallströmung an konvexen und konkaven Formen in reibungsfreier und reibungsbehafteter Modellierung: <tb>– Fig. 3.1 und 3.2<SEP>zeigen die Umströmung einer konvexen Ecke. Es bildet sich ein Expansionsfächer (Prandl-Meyer-Strömung), die Geschwindigkeit wächst und der Druck sinkt. <tb>– Fig. 3.3 und 3.4<SEP>zeigen die Umströmung einer konkaven Ecke. Es bildet sich ein schiefer Stoss, die Geschwindigkeit sinkt und der Druck wächst.

[0014] Das erste Verfahren der Erfindung dient der Senkung des Bodensogs an der Geschossbasis indem am Geschossheck ein schiefer Stoss erzeugt wird, der an der Geschosswand anhaftet und den Druck in der Nähe des Geschossbodens erhöht. Dadurch steigt der Druck im Totwasser und der Basiswiderstand des Geschosses sinkt.

[0015] Die Umsetzung dieses Verfahrens erfordert eine oder mehrere Funktionsflächen am Geschossheck gemäss Fig. 4.1 bis 4.4: <tb>– Fig. 4.1a<SEP>zeigt ein Geschossheck mit umlaufender konkaver Hohlkehle (13) im Kegelstumpf am Heck. Dadurch entsteht eine umlaufende Funktionsfläche (14), die nach Fig. 4.1b einen an der Wand des Flecks anhaftenden Stoss (15) induziert. Die Funktionsfläche (14) ist kegelig gegen die Strömung geneigt und unterkalibrig ausgeführt. <tb>– Fig. 4.2a<SEP>zeigt ein Geschossheck mit umlaufender konkaver Hohlkehle (13). Dadurch entsteht eine umlaufende Funktionsfläche, die nach Fig. 4.2b einen an der Wand des Hecks anhaftenden Stoss (15) induziert. Die Funktionsfläche (16) ist zylindrisch mit Vollkaliber ausgeführt. <tb>– Fig. 4.3a<SEP>zeigt ein Geschossheck mit umlaufender konkaver Form-Ecke (13). Dadurch entsteht eine umlaufende Funktionsfläche, die nach Fig. 4.3b einen an der Wand des Hecks anhaftenden Stoss (15) induziert. Die Funktionsfläche (17) ist zylindrisch mit Unterkaliber ausgeführt. <tb>– Fig. 4.4a<SEP>zeigt ein Geschossheck mit mehreren umlaufenden konkaven Form-Ecken (13). Dadurch entstehen mehrere umlaufende Funktionsflächen (18), die nach Fig. 4.4b mehrere an der Wand des Hecks anhaftende Stösse (19) induzieren. Die Funktionsflächen (18) sind zylindrisch mit Unterkaliber ausgeführt.

[0016] Die Heckgestaltung des Geschosses mit einer Umströmung von konkaven Aktionsflächen erzeugt ein weiteres wandfestes Stoss-System vor dem Totwasser (3) und der hinteren Stosswelle (5), wodurch der Basiswiderstand des Geschosses sinkt.

[0017] Dieses erste Verfahren wird nun mit dem zweiten Verfahren kombiniert.

[0018] Das zweite Verfahren beruht auf der Beobachtung von Fliessprozessen mit induzierten axialen Wirbelströmungen. Aus der Fluidmechanik ist bekannt, dass wirbelbehaftete Fliessprozesse eine hohe Transportrate aufweisen können. Aus der Aerodynamik ist bekannt, dass Flugzeugtragflächen Wirbelschleppen induzieren, die sehr stabil sind. Aus der Bionik des Vogelflugs ist bekannt, dass aufgefächerte Schwingen von Greifvögeln Wirbelschleppen induzieren, deren Gesamtwiderstand geringer ist als der eines einzelnen Flügels. Dabei werden Wirbelschleppen als separate Wirbelfäden induziert, die sich im Nachlauf zusammenfügen und zu einem gemeinsamen Wirbelsystem «verdrillen». Eine solche Umströmung ist energetisch günstig und wird auch von Zugvögeln beim Reiseflug in Dreiecksfonnation genutzt. Dieses Prinzip wird hier verwendet um die hohe Turbulenz im Nachstrom des Geschosses zu mindern und den Fliessprozess um das Geschoss herum energetisch günstig zu strukturieren.

[0019] Das zweite Verfahren wird anhand von Fig. 5 erläutert.

[0020] Fig. 5.1 zeigt ein Geschoss, dessen Heck (9) eine Anzahl von nach aussen offenen Längsrillen (20) aufweist, die gleichmässig auf den Umfang verteilt sind. Sie beginnen am Übergang vom zylindrischen Teil des Projektils zum Kegelstumpf am Heck, sie enden im Geschossboden, und sie sind nach hinten offen. Diese Rillen werden längs durchströmt und füllen das Totwasser im Nachlauf des Geschosses auf. Weil sie innerhalb des Geschossbodens enden reduzieren sie den Durchmesser des Bodens virtuell und mindern deshalb den Bodensog. Wenn das Geschoss durch Drall stabilisiert wird, rotieren diese Rillen mit dem Geschoss und induzieren Wirbelfäden im Nachlauf.

[0021] Fig. 5.1a zeigt beispielhaft die virtuelle Wirkung der längs angeordneten Transportrillen: Wenn das Geschossheck auf 80% des Kalibers eingezogen ist, dann beträgt die Bodenfläche 64% des Geschossquerschnitts. Wenn die Transportrillen in den Boden des Geschosses bis auf 60% seines Durchmessers hineinreichen, dann ist die aerodynamisch wirksame Bodensogfläche auf etwa 36% des Geschossdurchmessers reduziert, was den Basiswiderstand insgesamt mindert.

[0022] In Fig. 5.2 sind die Transportrillen (21) bis in den zylindrischen Mittelteil (8) des Projektils hineingezogen worden.

[0023] Die Wirkung der Transportrillen verdeutlicht Fig. 5.3a . Die Längsrillen sind scharfkantig ausgeführt und rotieren mit dem Geschoss im Uhrzeigersinn (26). Dadurch entsteht in jeder Rille eine Druckkante (22) mit höherem Druck und eine Saugkante (23) mit vermindertem Druck, die jede für sich einen Wirbelfaden (24) und (25) induziert, dessen Drehrichtung der des Geschosses entgegengerichtet ist. Im Nachstrom des Geschosses entsteht so ein rotierendes System von Wirbelfäden mit gleicher Drehrichtung, entgegengesetzt zu der des Geschosses, das sich im Nachstrom dann zu einem gemeinsamen Wirbelzopf (28) verdrillt – Fig. 5.3b . Dieses Verfahren führt dazu, dass das Totwasser schneller aufgefüllt und die Turbulenz im Nachstrom reduziert wird. Das Geschoss «fährt geschmeidiger durch die Luft» und der Basiswiderstand sinkt. Die Rillen erfüllen daher zwei Funktionen: <tb>1.<SEP>Transportrille zum Auffüllen des Totwassers. <tb>2.<SEP>Turbulator zur Erzeugung von Wirbelfäden im Nachstrom.

[0024] Die Form-Elemente für Verfahren eins und Verfahren zwei kann man gemäss Fig. 6 kombinieren und gewinnt so optimierte Geschossformen, in denen beide Verfahren vereinigt sind. In Fig. 6.2 entsteht beispielhaft ein Geschoss (29) aus der Kombination der Funktionsfläche mit Vollkaliber (16) aus Fig. 4.2 und Transportrille (21) aus Fig. 5.2 .

[0025] Ein solches Geschoss besitzt gegenüber herkömmlichen Boat-Tail-Projektilen eine verbesserte Mündungsballistik gemäss Fig. 7 . Beim Austritt aus der Mündung (31) können Pulvergase (30) aus dem Lauf (10) das Projektil überströmen, bevor es den Lauf verlässt und die zentrische Führung verliert. Dadurch sinkt der Seitenimpuls auf das Geschoss in der Mündungsballistik und die Präzision des Schusses wird verbessert.

[0026] Fig. 8 zeigt schliesslich die Veränderung des Stoss-Systems im Vergleich zu herkömmlichen Geschossen im Überschallflug. Fig. 8.1 zeigt ein herkömmliches Geschoss (12) mit Bugwelle (2) und Heckwelle (5). Fig. 8.2 zeigt ein optimiertes Geschoss (29) mit einem zusätzlichen Stoss-System (32), das durch die konkave Funktionsfläche am Heck des Geschosses erzeugt wird. Wegen der längs angeordneten Transportrillen wird das Stoss-System (32) fächerartig unterbrochen, wobei die einzelnen radialen Segmente mit Geschossgeschwindigkeit rotieren. Dadurch wird der Druck in den Transportrillen und dem Totwasser erhöht und der Basiswiderstand sinkt.

[0027] Das Prinzip lässt sich auch auf nicht rotierende Geschosse anwenden, die aus glatten Rohren verschossen werden. Dabei verliert man zwar die Turbulenzreduktion im Nachstrom durch Verdrillung der Wirbelfaden, die Absenkung des Basisdrucks durch den virtuell verminderten Durchmesser des Geschossbodens bleibt jedoch erhalten.

Claims (6)

1. Verfahren zur Minderung des Basiswiderstands von Geschossen im Überschallflug, dadurch gekennzeichnet, dass am Heck (9) eines Geschosses ein zusätzliches wandfestes Stoss-System (15, 19, oder 32) erzeugt wird, das den Druck im Totwasser des Geschosses erhöht.

2. Verfahren zur Minderung der Turbulenz im Nachstrom von Geschossen, dadurch gekennzeichnet, dass am I leck (9) eines Geschosses axiale Wirbelfäden (24, 25) erzeugt werden, die sich im Nachstrom zu einem gemeinsamen Wirbelzopf (28) verdrillen.

3. Verfahren zur aerodynamischen Optimierung von Geschossen, dadurch gekennzeichnet, dass beide Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2 in einem Geschoss verknüpft werden und gemeinsam wirken.

4. Aerodynamisch verbessertes Heck für Geschosse zur Umsetzung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Heck des Geschosses eine oder mehrere radial umlaufende Funktionsflächen (14, 16, 17, oder 18) mit konkavem Flächenübergang (13) vorhanden sind, die ein zusätzliches Stoss-System (15, 19, oder 32) vor der hinteren Stosswelle (5) induzieren.

5. Aerodynamisch verbessertes Heck für Geschosse zur Umsetzung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Heck des Geschosses mehrere axial verlaufenden Transportrillen (20, 21) gleichmässig auf dem Umfang verteilt vorhanden sind, die im Geschossboden enden und nach aussen und nach hinten offen sind, wobei deren Längskanten (22, 23) axiale Wirbelfäden (24, 25) im Nachstrom induzieren.

6. Aerodynamisch verbessertes Heck für Geschosse, dadurch gekennzeichnet, dass Form-Elemente nach Anspruch 4 und 5 kombiniert sind und gemeinsam in einem Geschoss verwendet werden.