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Die
Erfindung betrifft einen splittererzeugenden Gefechtskopf zur Anwendung
gegen technische Ziele, der mit einer detonativ auslösbaren Sprengladung
ausgerüstet
ist, die von einer splitterbildenden Außenhülle und einer innerhalb der
Außenhülle angeordneten
Innenhülle
mit einer polygonförmige
Teilflächen
bildenden Kerbstruktur umgeben ist.
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Ein
Splittergefechtskopf wirkt üblicherweise radial
zu seiner Hauptachse, die erzielbare Wirkung hängt von der Art der erzeugten
Splitter ab. Eine nicht strukturierte Hülle eines Gefechtskopfes zerlegt
sich bei der Auslösung
der Sprengladung in sogenannte natürliche Splitter und damit einem
hohen Anteil kleiner und somit leistungsschwacher Splitter. Eine
Beeinflussung der Massenverteilung der natürlichen Splitter ist mit bekannten
Mitteln nur in sehr begrenztem Maße möglich. Auf der anderen Seite
wachsen aber die Anforderungen an die Gefechtsköpfe, je nach Ziel optimierte
Splitterleistungen zu erzeugen.
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Aus
der
EP 0999 425 A1 ist
ein splittererzeugender Gefechtskopf bekannt geworden, bei dem die Sprengladung
von einer Kombination von einer Innenhülle und einer Außenhülle umgeben
ist. Die Innenhülle
weist ein Kerbgitter mit polygonförmigen Teilflächen auf.
Das Kerbgitter selbst wird durch Nutengebildet, die senkrecht zur
Außenwand
der Innenhülle
stehen und deren den sprengstoffseitigen Abschluss bildenden Stege
parallel zur Außenwand
der Innenhülle
verlaufen. Der Querschnitt der Nuten kann rechteckig oder auch dreieckig
ausgebildet sein. Ein besonderer Wert wird auf die Herstellung der
Innenhülle
aus Materialien gelegt, die eine geringe Schallimpedanz aufweisen.
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Die
US 5,040,464 , beschreibt
eine splitterbildende Hülle
eines Gefechtskopfes, welche auf dere Innenseite ein rautenförmiges Kerbgitter
aufweist. Die Nuten des Kerbgitters sind sägezahnförmig mit einer schräg zur Innenfläche der
Hülle verlaufenden Mittelebene
ausgeführt,
wodurch eine Zerlegung der Hülle
in etwa gleich große
Splitter erzielbar ist. Aufgrund der Kerbung ist diese Hülle jedoch
für die
Verwendung in einem Penetrator ungeeignet.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Splittererzeugung mittels der splitterbildenden
Hülle eines
beispielsweise als Penetratrator wirkenden Gefechtskopfes dahingehend
zu beeinflussen, dass das Mengenverhältnis zwischen den von der
nicht gekerbten Außenhülle erzeugten
Primärsplittern
in der gewünschten
Größe und den
unvermeidlichen Sekundärsplittern
deutlich verbessert wird, wobei die Splittererzeugung ausschließlich durch
die Gestaltung der Innenhülle
beeinflusst wird.
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Die
Aufgabe wird in einfacher Weise durch die in Anspruch 1 wiedergegebenen
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen
der Erfindung sind in den nachgeordneten Ansprüchen beschrieben.
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Der
besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mittels des
in der Innenhülle
vorgesehenen Kerbgitters die Splitterwirkung in einem weiten Bereich
dadurch optimierbar ist, dass die Splitterausbildung im Hinblick
auf eine zielorientiert optimierte Größe der erzeugten Splitter kontrolliert
beeinflusst werden kann.
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Insbesondere
können
folgende Optimierungen mit Hilfe der erfindungsgemäßen Gestaltung
der das Kerbgitter bildenden Nuten erzielt werden. Zur Verdoppelung
der Anzahl der erwünschten
Primärsplitter
definierter Größe wird
die Dicke der aus Metall bestehenden Innenhülle so gewählt, dass die Massen und die
Volumina der von der Außen- und der Innenhülle stammenden
Splitter so definiert sind, dass sieh die gleiche Perforationsleistung
für beide Splittersorten
ergibt. Alternativ kann die Erzeugung der Splitter auch so beeinflusst
werden, dass die Perforationsleistungen in einem gewünschten
Verhältnis unterschiedlich
sind.
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Zum
Zweck der Gewichtsoptimierung kann die Innenhülle ganz aus Kunststoff gefertigt
sein. Die durch den Detonationsdruck herausgebrochenen und beschleunigten
Stege der Nuten sind durchaus in der Lage, Außenhüllen bis zu einer bestimmten
Dicke zu kerben und damit die kontrollierte Zerlegung vorzubereiten.
Zur Anwendung bei dickeren Außenhüllen eigen
sich Innenhüllen,
bei denen der Bereich der Stege aus einer Metallschicht besteht,
die der Dicke der Stege entspricht. Der weitere Teil der Innenhülle besteht
dann aus Kunststoff. Metallische Stege eignen sich besonders gut
für die
Erzeugung von Kerbmustern in der Außenhülle. Zu beachten ist hierbei
das Massenverhältnis
zwischen der verfügbaren Sprengstoffmasse
C und der gesamten Hüllenmasse M
(Innenhülle 1 und
Außenhülle 2).
Durch geeignete Wahl des Materials der Innenhülle 1 und der Dicke
d der Innenhülle 1 lässt sich
die Masse M und damit auch die Geschwindigkeit v beeinflussen. Auf
diese Weise ist eine Optimierung der kinetischen Energie 1/2 Mv2 und des Impulses Mv möglich. Beide Parameter sind
für die
Splitterleistung des Gefechtskopfes von großer Bedeutung. Es ist das Maximum
der bekannten Funktion von C/(C+M) anzustreben, wenn ein Maximum
der Umsetzung der chemischen Energie in kinetische Energie und Impuls
erreicht werden soll.
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Vorteilhaft
ist es, die Stege aus einer Metallschicht zu fertigen, um die Zerlegung
der Außenhülle zu optimieren;
und gleichzeitig den weiteren Teil der Innenhülle aus gepresstem oder gesintertem
pyrophorem Material (beispielsweise Zirkonium) zu bilden. Diese
Kombination führt
dazu, dass nach dem Durchlauf der Detonationswelle und der beginnenden
Zerlegung der Außenhülle das
pyrophore Material sich in Staub zerlegt, wodurch aufgrund der erheblich
vergrößerten Oberflä che der
Brandeffekt gesteigert wird. Je nach Stegbreite oder -dicke kann
die Steigerung des Brandeffekts beeinflusst werden.
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Aus
der Sprengladungstechnologie ist der Effekt des "Plattierens" bekannt. Eine Metallplatte wird detonativ
gegen eine zweite in geringem Abstand befindliche Metallplatte beschleunigt.
Beim Aufprall werden durch den Druck lokal die Werkstoff-Fließgrenzen überschritten.
Dadurch werden beide Platten miteinander "verschweißt". Je nach gewünschtem Verschweißungseffekt
werden die Parameter wie Abstand, Beschleunigung und Materialauswahl
entsprechend ausgelegt. Ein zwischen Innenhülle und Außenhülle vorgegebener Abstand in der
Größenordnung
von 1 mm unterstützt
diesen Vorgang. Der entstehende Zwischenraum kann mit Luft oder
auch mit einer Flüssigkeit
gefüllt
sein. Die Nuten des Kerbgitters sind dabei mit einer dünnen Kunststofffolie
abgedeckt. Wenn die Flüssigkeit
und/oder die Folie vor der Detonation aus dem Zwischenraum entfernt
wurde, verschweißen
die von der Innenhülle stammenden
Splitter mit denen der Außenhülle. Auf diese
Weise wird die Splittermasse etwa verdoppelt. Die Schweißverbindung
muss dabei nicht besonders stark ausgeprägt sein. Es genügt, wenn
die beiden Splitter eng beieinander bleiben. Die Leistung im Ziel wirkt
dann wie bei entsprechend erhöhter
Splittermasse.
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Ist
der Zwischenraum mit einer entfernbaren Flüssigkeit oder Kunststofffolie
ausgefüllt
wird verhindert, dass die plattenförmigen Teile der Innen- und Außenhülle heftig
aufeinanderprallen. In diesem Fall werden kontrolliert Splitter
gebildet, wobei eine Verschweißung
der von Innen- und Außenhülle stammenden
Teile nicht stattfindet.
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Versuche
haben gezeigt, dass Stahlwerkstoffe selbst bei Drücken, die
unter den typischen Werten von Detonationsdrücken liegen, einen Phasenübergang
zeigen. Nach der Druckentlastung geht der Werkstoff mit allerdings
veränderter
Mikrostruktur wieder in die ursprüngliche Phase zurück. Für diese Veränderung
ist Energie notwendig, die letztlich der kinetischen Energie der
Splitter entzogen wird. Durch geschickte Werkstoffauswahl lässt sich
im Rahmen der Erfindung – beispielsweise über eine
gezielte Fehlanpassung der Schallwellenimpedanz – der Phasenübergang
in Innen- und Außenhülle vermeiden
und damit die kinetische Energie der Splitter erhöhen.
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Schließlich lässt sich
durch geschickte Kombination der Werkstoffe der Innen- und der Außenhülle eine
zusätzliche
Reaktionsenergie freisetzen. Es ist bekannt, dass bestimmte Werkstoffkombinationen wie
Tef-lon/Aluminium
oder Titan/Graphit-Zement bei hohen Druckbelastungen wie beispielsweise
einer Detonations-Druckwelle, chemisch miteinander reagieren. Somit
kann neben der kontrollierten Splitterbildung auch noch die zusätzliche
chemische Reaktionsenergie genutzt werden. Die immer vorhandenen kleinen
Sekundärsplitter
aus dem Steg- und Kerbbereich tragen mit ihrer Oberfläche zu diesem
Effekt bei. Eine Verstärkung
des Effekts wird auch erreicht, indem die ganze oder Teile der Innenhülle aus
sprödem
(gesinterten) Werkstoff gefertigt wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und
werden nachfolgend näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine Aufsicht auf die
strukturierte Oberfläche
der Innenhülle
eines Gefechtskopfes,
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2a einen Schnitt durch Innen-
und Außenhülle mit
senkrechten Nutwänden
und variabler Stegdicke,
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2b einen Schnitt durch Innen-
und Außenhülle mit
geneigten Nutwänden
und konstanter Stegdicke,
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2c einen Schnitt durch Innen-
und Außenhülle mit
geneigten Nutwänden
und variabler Stegdicke.
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Nach
der erfindungsgemäßen Art
der kontrollierten Bildung von Splittern gewünschter Größe ohne vorherige Schwächung der
Außenhülle 2 des Gefechtskopfes
durch eine Kerbstruktur werden nach erfolgter Auslösung der
Sprengladung mit Hilfe der Innenhülle 1 die nachfolgend
genannten Mechanismen, welche die kontrollierte Zerlegung der Außenhülle 2 bewirken,
im Bereich der Kerben 4 ausgelöst: Spallationserscheinungen
(Abplatzen) der Außenseite
der Außenhülle 2;
Penetration der Innenseite der Hülle 2;
Kanalisation und damit Überhöhung des
Detonationsdruckes durch die Kerben 4. Die Kombination
dieser Ereignisse führt
zur lokalen Zerrüttung
der Außenhülle 2 im
Bereich der Kerben 4 und damit zur kontrollierten Zerlegung
in die Teilflächen 3.
Der detaillierte Ablauf wird nachfolgend beschrieben.
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Die 2a–2c zeigt
einen Teil eines Schnittes durch Innen- und Außenhüile eines Gefechtskopfes. Die
Innenhülle 1,
deren Dicke d im Bereich der 0.1 – bis 1-fachen Dicke D der
sich außerhalb
anschließenden
splitterbildenden Hülle 2 liegt,
weist regelmäßigen Abständen Nuten 6 der
in 1 dargestellten Kerbstruktur 4 eingelassen.
Die Nuten weisen eine Breite b auf , die vorzugsweise im Bereich 1/5
bis 1/1 der Dicke d der Innenhülle 1 liegt.
Die Tiefe t ist üblicherweise
etwas geringer als die Dicke d der Innenhülle 1, so dass der
Boden der Nuten 6 als dünner
Steg 8 ausgebildet ist. Die Innenhülle 1 ist vollständig von
der Außenhülle 2 umgeben,
die häufig
Bestandteil der Flugkörperhülle ist.
Die Außenhülle 2 zeichnet
sich dadurch aus, dass sie durchwegs homogen und ohne jegliche Kerbung
ausgeführt
ist.
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Anhand
der 2a–2c wird nachfolgend auf die
Erzeugung der asymmetrischen Kerben r in der Außenhülle 2 eingegangen.
Die von der Sprengladung erzeugte ansteigende Druckwelle schert
die Stege 8 ab und beschleunigt diese nach dem Prinzip der
fliegenden Platte in Richtung auf die noch unversehrte splitterbildende
Hülle 2.
Beim Aufschlag entstehen Stosswellen, die in die Außenhülle 2 einlaufen und
auf der äußeren Oberfläche Zugwellen
erzeugen, die letztlich destruk tiv wirken. Damit wird das Material
auf der Außenseite
geschwächt.
Gleichzeitig beginnen die Stege 8 von innen her in die
Außenhülle 2 einzudringen.
Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass
der sich weiter aufbauende Druck auf die Innenhülle 1 einwirkt. Durch
die Nuten 6 wird dieser Druck in die Außenhülle 2 kanalisiert.
Anschließend
kollabieren die Nuten 6 zunehmend und die Außenhülle 2 wird
auch auf ihrer Innenseite stark geschwächt, so dass insgesamt das
außerhalb
der Nuten 6 liegende Volumen der Außenhülle 2 stark zerrüttet wird.
Bei der sich anschließenden
Aufweitung der Außenhülle 2 entstehen
weiter Umfangsspannungen, die im Bereich der Nuten 6 zu
so großen
Zugspannungen führen,
dass sich die splitterbildende Hülle
dort kontrolliert zerlegt.
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Die
Nuten in der Ausführungsform
nach 2a sind so angeordnet,
dass ihre Mittelebene 5 senkrecht zur Außenwand
steht. Die sprengstoffseitig liegenden Stege 8 sind zur
Erzeugung der asymmetrischen Kerben 9 in der Außenhülle 2 so
ausgeführt,
dass ihre Dicke C über
ihre Breite B kontinuierlich zunimmt. Der Abstand der Nutenwände b entspricht
im Bereich der Stege 8 deren Breite B und verläuft in Richtung
zur Außenhülle 2 parallel
oder sich konisch öffnend.
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In
der Ausführungsform
nach 2b ist die Dicke
C der Stege 8 über
deren Breite B konstant. Die Mittelebenen 5 der Nuten 6 sind
zur Erzeugung der asymmetrischen Kerben 9 in der Außenhülle 2 zum
Lot auf die Außenwand 7 um
einen Winkel β geneigt
angeordnet. Dieser Winkel wird vorteilhafterweise auf einen Wert
im Bereich 20°–30° eingestellt. Die
Kerben sind relativ zur Laufrichtung der Detonationsfront weggeneigt.
im Ausführungsbeispiel
nach 2b bedeutet dies,
dass die Detonation von links nach rechts läuft.
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Die
beiden vorbeschriebenen Ausführungsformen
können
auch miteinander kombiniert werden wie dies die 2c zeigt. Hier weisen die Stege 8 eine über ihre
Breite B kontinuierlich ansteigende Dicke C auf und gleichzeitig
sind die Mittelebenen der Nuten 6 um einen Winkel β zum Lot
auf die Außenwand 7 geneigt.
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In
den 2a–2c ist noch eine weitere
Ausgestaltungsmöglichkeit
dargestellt. Die Außenwände 7 der
Innenhülle 1 und
der Außenhülle 2 können selbstverständlich aneinander
anliegen. Je nachdem, ob es erwünscht
ist, dass die Außenwände 7 in der
Phase der Splitterbildung sich miteinander verbinden oder voneinander
getrennt bleiben sollen, kann ein dementsprechender Abstand A zwischen den
Außenwänden vorgesehen
sein. In dem dadurch entstehenden Zwischenraum kann eine entfernbare Folie
oder auch eine Flüssigkeit
eingebracht sein. Falls eine Flüssigkeit
verwendet wird ist es sinnvoll, die Nuten 6 mit einer dünnen Folie
abzudecken.
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Die
Nuten 6 bilden über
die Oberfläche
der Innenhülle 1 eine
Kerbstruktur 4, wie sie als eine mögliche Ausführungsform in der 1 dargestellt ist. Grundsätzlich sind
verschiedene Formen der Teilflächen 3 in
dieser Kerbstruktur 4 möglich.
Hinsichtlich der optimierten Splitterbildung ist die parallelogrammartige
Form ein guter Kompromiss, insbesondere die gleichseitige Rhombenform.
Die beiden spitzen Winkel α sollen
dabei eine Größe von etwa
60° aufweisen.
Nur derjenige Anteil der Umfangsspannung, der senkrecht zu den Mittelebenen 5 wirksam ist,
unterstützt
die Zerlegung der Außenhülle 2.
Bei einem spitzen Winkel α von
etwa 60° ist
dieser Anteil bereits sehr hoch. Eine Verringerung des Winkels α würde zur
Erzeugung kleinerer Splitter führen.
Durch die bevorzugte Rhombenform wird im Gegensatz zu anderen Formen
erreicht, dass der senkrechte Anteil der Umfangsspannung an allen
vier Seiten des Rhombus mit gleicher Amplitude wirkt, wodurch die Zerlegung
optimiert wird.
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Die
Außenhülle 2 besteht
in der Regel aus hochfestem Stahl. Für die Innenhülle 1 kann
ebenfalls Stahl verwendet werden, an den aber keine so hohen Bedingungen
bezüglich
der Festigkeit gestellt werden und der somit preisgünstiger
sein kann. Je nach beabsichtigter Anwendung können auch Materialien mit höherer Dichte
als Stahl (beispielsweise Tantal) oder genauso gut auch Materialien
mit geringerer Dichte als Stahl (beispielsweise PVC oder Teflon)
Verwendung finden. Bei der Verwendung von Metallen liegt der Vorteil
darin, dass die von der Innenhülle
gebildeten Splitter ebenfalls ballistisch relevant sind und sogar
so ausgelegt werden können, dass
sie für
das zu bekämpfende
Zielspektrum besonders geeignet sind. Die Verwendung von Kunststoffen
schließt
den Vorteil der Masseneinsparung aufgrund der geringeren Dichte
ein. Verformbare Kunststoffe beinhalten noch einen weiteren vorteilhaften
Aspekt. Die Geometrie der Außen-
und damit auch der Innenhülle
muss nicht zwingend zylinderförmig
sein. Beispielsweise sind hier konische oder flaschenhalsartige
Formen denkbar. Verformbare Innenhüllen 1 können dabei
einfach und ohne Zerlegung und Aufteilung der Innenhülle 1 in
die Außenhülle 2 eingeführt werden.
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Die
zerrüttende
Wirkung der Stege 8 im Sinne fliegender Platten ist auf
die Außenhülle 2 dann ausgeprägter, wenn
zur Herstellung der Innenhülle 1 anstelle
von Kunststoff Metall verwendet wird. Ebenso gut ist auch eine Kombination
von Kunststoff und Metall möglich.
So kann die Innenhülle 1 grundsätzlich aus
Kunststoff gefertigt sein, wobei die Stege 8 gering oder
gar nicht ausgebildet sind. In diese Innenhülle aus Kunststoff wird dann
eine der Stegdicke entsprechende Metallfolie oder ein dünnes geprägtes Blech
geklebt. Damit fassen sich Innenhüllen 1 aus Kunststoff
mit Stegen 8 aus Metall kombinieren.
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Für die Dimensionierung
der Hüllen
sind die nachfolgend genannten Werte vorteilhaft. Die Dicke d der
Innenhülle 1 soll
im Bereich von 10% bis 100% der Dicke D der Außenhülle liegen. Der Abstand h zweier
gegenüberliegender
Seiten der Teilfläche 3 wird
vorteilhafterweise in der Größenordnung
der 1- bis 5-fachen Dicke D der Außenhülle 2 gewählt.
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Ein
weiterer Optimierungsparameter ist die Breite b der Nuten 6.
Die Breite soll bevorzugt im Bereich 1/5 bis 1/1 der Dicke d der
Innenhülle 1 liegen. Es
kann auch vorteilhaft sein, die Breite zu vergrößern. Der Bereich der Außenhülle 2,
der sich im Bereich der Nuten 6 anschließt, wird
infolge der Auslösung
der Sprengladung stark zerrüttet.
Dies bedeutet, dass dort bei der Zerlegung auch verhältnismäßig kleine
Splitter gebildet werden. Nur im Rahmen der Teilflächen 3 lassen
sich kontrolliert Splitter einer gewünschten Größe erzeugen. Somit kann die
Splittergesamtleistung weiter optimiert werden.