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Die
Erfindung betrifft einen Penetrator bestehend aus einem hochfesten
Mantel und einer im Innenraum des Mantels angeordneten Sprengladung, umfassend
eine auf der Innenseite des Mantels anliegende, gegenüber äußeren Einwirkungen
schützende
Schicht, welche sich von der Spitze des Penetrators ausgehend wenigstens über einen
Teil des bis zum Heck verlaufenden Mantels des Penetrators erstreckt.
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Penetratoren
sind bekannte Wirkmittel, die insbesondere zur Neutralisation von
sogenannten Hochwertzielen eingesetzt werden. Darunter werden stark
gehärtete
Strukturen oder Objekte verstanden wie zum Beispiel Kommandozentralen
oder Kommunikationszentren. Die Penetratoren sind geeignet, in das
Ziel einzudringen, wobei gegebenenfalls ein Antrieb zur weiteren
Beschleunigung verwendet wird. Die Initiierung erfolgt mit Hilfe
intelligenter Zündeinrichtungen
im Inneren des Zieles, wodurch die Zerstörung des Zieles herbeigeführt werden
kann.
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Die
Anforderungen an derartige Penetratoren werden zunehmend höher. Beispielsweise
wird zum Bau moderner Bunker hochfester Beton eingesetzt. Daneben
existieren Stellungen in natürlicher Umgebung
wie beispielsweise Höhlen
in Felsen. Dieser Fels ist in der Regel noch härter als der hochfeste Beton.
Um den daraus resultierenden Anforderungen gerecht zu werden, reduziert
man die Kalibergröße und erhöht die Geschwindigkeit
noch weiter. Die Erhöhung
der Geschwindigkeit hat aber unerwünschte Auswirkungen zur Folge.
Bei der Penetration der äußeren Schichten
eines Zieles wird die Struktur des Penetrators stärker belastet.
Beim Aufprall werden sehr starke Belastungen auf den Mantel des
Penetrators ausgeübt
und die entstehenden Stoßwellen
werden in das Innere des Penetrators geleitet. Beim Aufprall in
einem vom Lot auf die Zieloberfläche
abweichenden Winkel kann sogar der Mantel des Penetrators gekrümmt werden.
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Diese
Abläufe
haben eine wesentliche Auswirkung auf die im Inneren des Mantels
gelagerte Sprengladung, da diese unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt
wird. Zum einen entsteht eine stationäre Belastung durch die Verzögerung,
die der Penetrator erfährt.
Weiterhin tritt eine Schockwelle auf, die durch den Penetrator läuft. Zusätzlich gibt
es eine Schwingungsbelastung durch die Eigenschwingung und die Strukturschwingung
des Penetrators. Schließlich
sind noch Kompression oder Dehnung aller in einem Penetrator vorhandenen
Materialien zu berücksichtigen.
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Es
sind verschiedene Gestaltungsformen von Gefechtsköpfen bekannt
geworden, die Schockwellen dämpfende
Elemente enthalten, welche jedoch immer in Zusammenhang mit der
Leistungssteuerung der im Gefechtskopf enthaltenen Sprengladung
genannt werden. Zum einen beschreibt die
DE 100 25 055 C2 einen
splittererzeugenden Gefechtskopf, bei dem zur lokalen Leistungsminderung der
initiierten Sprengladung eine verschiebbare Dämpfungsschicht vorgesehen ist,
die ein Teil der Innenhülle
im Bereich desjenigen Teils des Gefechtskopfmantels ist, welcher
zur Splittererzeugung dient. Ein Hinweis auf die Bedämpfung von
Materialien im Bereich des Mantels eines Penetrators wird dem Fachmann
nicht gegeben, da hier eine andere Zielrichtung bei der Anwendung
dämpfenden
Materials vorliegt.
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Eine
weitere Anwendung einer Dämpfungsschicht
in einem Gefechtskopf ergibt sich aus der
DE 101 25 226 C2 . Hier
wird vorgeschlagen, die Sprengladung zu unterteilen und in den Zwischenschichten einen
weiteren Sprengstoff anzuordnen, der seitlich von dünnen Trennschichten
begrenzt wird. Diese Trennschichten können auch aus schockabsorbierendem
Isolationsmaterial bestehen. Der eigentliche Zweck der Trennschichten
ist die thermische Isolation, welche verhindert, dass Sprengladungsanteile, welche
benachbart zu bereits zur Deflagration angeregten Sprengladungsanteilen
liegen, nicht selbst zur Deflagration angeregt werden. Auch diese
Beschreibung gibt keinen unmittelbaren Hinweis auf die Anwendung
von Dämpfungsmaßnahmen
im Rahmen derjenigen Bedingungen, die an einen oben beschriebenen
Penetrator gestellt werden.
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Aus
der
US 5 939 662 A ist
ein Penetrator bekannt geworden, der auf der Innenseite seines Mantels
eine dünne
Schicht aufweist, welche geeignet ist, eine unerwartet auftretende
Hitzeeinwirkung aufgrund eines Feuers soweit zu reduzieren, dass
die Sprengladung nicht initiiert wird. Die Anforderungen an eine
derartige thermisch isolierende Schicht sind jedoch aufgrund der
Eigenschaften von Feuer anders geartet als an eine Schicht, die
einwirkende Schockwellen mindern soll. Feuer tritt in der Regel
flächig
auf während
die Amplitudenmaxima von Schockwellen lokal sehr begrenzt einwirken.
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Penetrator so zu gestalten,
dass die vorgenannten Effekte der mechanischen Belastung durch Stosswellen
weitgehend vermindert werden oder zumindest auf eine Größenordnung
reduziert werden, die für
die Sprengladung nicht mehr schädlich
wirkt, und dass die Kopplung zweier oder mehrerer beschriebener
Effekte unterdrückt
wird.
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Diese
Aufgabe wird in einfacher Weise dadurch gelöst, dass die Schicht als eine
mittels Verformung die auf den Mantel einwirkenden Stosswellen dämpfende
Schicht ausgeführt
ist, deren Wandstärke von
der Spitze ausgehend abnimmt oder konstant bleibt. Mit Hilfe dieser
Anordnung einer Dämpfungsschicht
wird die Leistung des Penetrators nicht wesentlich gemindert und
gleichzeitig werden die beim Aufprall auftretenden sehr starken
Belastungen auf den Mantel des Penetrators reduziert und die entstehenden
Stoßwellen
nicht mehr in das Innere des Penetrators geleitet.
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Hilfreich
ist hierbei die feste mechanische Verbindung zwischen dem Dämpfungsmaterial
und dem Mantel, womit die Dämpfungseigenschaften spürbar verbessert
werden.
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Als
weitere Dämpfungsmaßnahme bietet
es sich an, eine oder mehrere Dämpfungsschichten
mit einer jeweiligen Dicke von mehreren Zentimetern quer zur Längsachse
des Penetrators im Sprengstoff anzuordnen, wobei diese Maßnahme sich
in Kombination mit der bereits beschriebenen, entlang der Innenseite
des Mantels verlaufenden dämpfenden Schicht,
oder sich auch als alleinige Dämpfungsschicht
im Fall des schrägen
Aufpralls eines Penetrators auf ein Ziel hervorragend bewährt hat.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Dämpfungsmaßnahme besteht darin, den Sprengstoff
oder zumindest den Teil davon, der am stärksten belastet wird, in Form
von Kugeln unterschiedlicher Größe (einige
Zentimeter bis einige 10 cm, abhängig von
der Größe des Penetrators)
in den Innenraum des Penetrators einzubringen. Der Penetratormantel kann
dabei auf der Innenseite bereits mit einer Dämpfungsschicht versehen sein.
Hierbei wird eine beliebig dichte Kugelpackung angestrebt werden,
die sich mit Hilfe der Kugelgrößenverteilung
auf das gewünschte
Maß einstellen
lässt.
Dieses Maß kann
auf die zu erwartenden Biegebelastungen des Penetrators abgestimmt
werden. Die Hohlräume
werden dabei mit den genannten Dämpfungsmitteln
ausgefüllt, in
das die Sprengstoffkugeln eingebettet werden. Biegebewegungen und
damit verbundene Kompressionen und Dehnungen werden auf diese Weise
von der Dämpfungsmatrix
aufgefangen und von den makroskopischen Sprengstoffkugeln gänzlich ferngehalten.
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Von
besonderem Nutzen ist die Verwendung von porösem Material für die dämpfende
Schicht oder das Dämpfungsmittel,
welches mittels Verformung aufgrund der eingeleiteten Stoßwellenenergie und
deren Umwandlung in Wärme
den Dämpfungseffekt
weitgehend unterstützt.
Als Materialien kommen Kunststoffe, Keramiken oder Metalle auch
in der Form von Schäumen,
Pulvern oder Hohlkugeln in Betracht. Dieser Effekt kann durch geschickte
Kombination von wenigstens zwei unterschiedlichen Dämpfungsmaterialien
oder Dämpfungsmitteln
noch gesteigert werden. Den größtmöglichen
Effekt erzielt man durch die geschickte Wahl der Impedanzen der Dämpfungsschichten
oder Dämpfungsmittel
untereinander, indem die Anpassung zwischen beiden Impedanzen als
möglichst
schlecht eingestellt wird. Dadurch kommt es zu Reflexionen der Stoßwellen
innerhalb des Dämpfungsmaterials,
bei denen ein wesentlicher Anteil der Energie aufgezehrt wird. Falls das
Material auch noch porös
ist, so wird bei jedem Durchgang in gewünschter Weise Energie dissipiert.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und
werden im Folgenden anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1:
einen Penetrator herkömmlicher
Bauart beim senkrechten Aufprall auf ein hartes Ziel,
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2:
einen Penetrator herkömmlicher
Bauart beim schrägen
Aufprall auf ein Ziel,
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3:
einen Penetrator mit einer am Mantel anliegenden dämpfenden
Schicht,
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4:
einen Penetrator mit weiteren Dämpfungsschichten
innerhalb der Sprengladung,
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5:
einen mit Dämpfungsschichten
ausgestatteten Penetrator beim schrägen Aufprall auf ein hartes
Ziel,
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6:
einen Penetrator mit Sprengstoff in Kugelform mit dazwischen angeordnetem
Dämpfungsmittel.
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In
der 1 wird anhand eines Penetrators P nach dem bisherigen
Stand der Technik verdeutlicht, welche Probleme beim Aufschlag des
Penetrators auf ein hartes Ziel 7, beispielsweise ein Betonziel,
auftreten. Ausgehend von der Spitze 5 des Penetrators breiten
sich Schockwellen 8 im Innenraum 2 des Penetrators
aus. da der Innenraum in der Regel vollständig mit Sprengstoff 3 gefüllt ist
wirken sich die Schockwellen unmittelbar auf diesen aus. Während bei
einer unverkleideten Sprengladung axial eingekoppelte Stoßwellendrücke sofort
durch seitlich einlaufende Verdünnungswellen
abgebaut werden und damit die dynamische Druckbelastung reduziert wird,
laufen im Fall des Penetrators die Stoßwellen 8 sogar im
Mantel 1 voraus, so dass keine lateral einlaufenden Verdünnungswellen
in die Sprengladung einlaufen können.
Im Sprengstoff wird aufgrund dieses Effekts die Initiierschwelle
um bis zu einem Faktor 4 abgesenkt und damit die Detonationsempfindlichkeit
erheblich erhöht.
Dadurch steigt die Gefahr einer vorzeitigen Detonation ganz erheblich.
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Die
beschriebenen axial in die Sprengladung 3 einlaufenden
Stoßwellen 8 sind
jedoch nicht das einzige Problem, das beim Aufschlag eines Penetrators
auf ein hartes Ziel auftreten kann. In der 2 ist das
Eindringen des Penetrators in ein Ziel 7 unter einem Winkel
zum Lot auf die Zieloberfläche
dargestellt. Dieser Fall tritt in der Praxis am häufigsten
auf, so dass die hieraus erfolgenden Konsequenzen für das Konzept
eines Penetrators maßgeblich
sind. Beim schrägen
Aufschlag und bei asymmetrischer Penetration kann der Penetrator
verbogen werden. Dadurch treten lokal sowohl Verdichtungen 9 als auch
Verdünnungen 10 im
Sprengstoff auf. Letztere haben einen unangenehmen Nebeneffekt dadurch zur
Folge, dass im Mikrobereich Ablösungserscheinungen
zwischen dem Sprengstoffkorn und der Bindermatrix zur Porenbildung
und zur Erzeugung von kleinen Lunkern führen, die in der 2 im
Bereich der Verdünnung 10 schematisch
dargestellt sind. Derartige Poren wirken bei Stoßwellenbelastung des Penetrators
als sogenannte Keimzellen (hot spots) für die unerwünschte Ladungsinitiierung.
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Bereits
einer der Effekte Stoßwellenbelastung,
Verstärkung
der Stoßwelleneinwirkung über den
Mantel und die Poren-, Lunkerbildung kann bereits die Funktion des
Penetrators erheblich einschränken.
Im Fall eines Hochgeschwindigkeits-Pentrators tritt auch die Überlagerung
der genannten Effekte auf. Dies führt zur Potenzierung der Gefahr
einer frühzeitigen
Detonation und damit zum Ausfall des Penetrators.
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Die 3 zeigt
einen Lösungsvorschlag,
mit dessen Hilfe die genannten Effekte vermieden oder zumindest
auf eine Größenordnung
vermindert werden können,
die für
die Sprengladung nicht mehr schädlich
ist. Die vorgeschlagene Maßnahme
umfasst die Integration von Dämpfungsmitteln
innerhalb des Mantels 1 des Penetrators P. Diese können als innerhalb
des Mantels 1 umlaufend angeordnete dämpfende Schicht 4 ausgeführt sein.
Die Wandstärke
dieser Schicht kann konstant sein oder wie im Ausführungsbeispiel
gezeigt, im Bereich der Spitze 5 am stärksten ausgeprägt sein
und in Richtung Heck 6 abnehmen. Eine Verbindung des Mantels
mit der dämpfenden
Schicht 4 mittels eines Klebers unterstützt deren Wirkung.
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Die
dämpfende
Schicht wird unter Zuhilfenahme geeigneter Werkstoffe, die dämpfende
Wirkung gegenüber
den Stoßwellen
aufweisen, hergestellt. Auf der anderen Seite sollen diese Werkstoffe porös sein,
um bei Beaufschlagung durch Stoßwellen mittels
Schließung
der Poren Bewegungsenergie in Wärme
umzuwandeln (Energiedissipation). Dieser Vorgang ist in der 3 angedeutet.
Die von der Spitze des Penetrators her eindringende Stoßwelle 11 ist
im Vergleich zur in der in 1 dargestellten Situation
erheblich mit Hilfe des Bereichs 4a der dämpfenden
Schicht in ihrer Intensität
vermindert. Da dies mittels Kompression der dämpfenden Schicht abläuft, sind
zur Verdeutlichung in diesem Bereich keine Poren in der dämpfenden
Schicht eingezeichnet.
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Als
verwendbare Materialien seien stellvertretend porenhaltige Kunststoffe
und Gummimaterialien genannt. Poröse Keramiken, Schäume sowie Metalle
und auch Metallpulver oder Metall- oder Glaskugeln kommen ebenso
gut in Frage. Durch geschickte Kombination erhält der Fachmann eine breite
Auswahl an möglichen
dämpfenden
Schichten, die in ihrer Porosität
und Impedanz auf die jeweiligen Bedürfnisse abgestimmt werden können.
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In
der 4 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, zur
Unterstützung
der entlang der Innenseite des Mantels 1 angeordneten dämpfenden
Schicht 4 noch weitere komprimierbare Dämpfungsschichten 12 im
Inneren des Penetrators anzubringen. Diese Dämpfungsschichten liegen quer
zur Längsachse des
Penetrators und unterteilen den Innenraum 2 in mehrere
Räume,
die vollständig
mit Sprengstoff gefüllt
sind.
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Wie
aus der 5 unschwer zu erkennen ist, kompensieren
die Dämpfungsschichten 12, 13 im Fall
die Verformung des Penetratormantels im Fall des schrägen Auftreffens
auf ein Ziel 7. Die Dämpfungsschichten 13 sind
im Ausführungsbeispiel
durch die Verformung bereits soweit komprimiert, dass die verfügbaren Poren
bereits geschlossen sind. Diese Dämpfungsschichten müssen deshalb über eine
bestimmte Mindestdicke D verfügen,
um die zum Ausgleich erforderlichen Wege zu kompensieren und gleichzeitig
Energie durch Verformung zu dissipieren. Entsprechend der Erfindung
ist deshalb eine Dicke D von einigen Zentimetern für die Dämpfungsschichten 12, 13 vorgesehen.
Eine Substituierung der Dämpfungsschichten
durch dünne
Trennschichten bringt nicht den gewünschten Erfolg. Mit Hilfe der
vorgeschlagenen Dicke der Dämpfungsschichten
werden Deformationen der Sprengladung und die damit verbundene Porenbildung
im Sprengstoff von vorne herein vermieden. Gleichzeitig wird der
Weitertransport von Stoßwellen
in das jeweils benachbarte Segment der Sprengladung 3 vermieden.
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Die 6 zeigt
schließlich
eine weitere Variante der Erfindung. Ein Teil der Sprengstoffes,
der in demjenigen Bereich des Penetrators liegt, der am stärksten belastet
wird, ist in der Form von Kugeln unterschiedlicher Größe (einige
Zentimeter bis einige 10 cm, abhängig
von der Größe des Penetrators)
im Innenraum des Penetrators angeordnet. Der Mantel des Penetrators
kann dabei auf der Innenseite bereits mit einer dämpfenden
Schicht 4 versehen sein. Es wird eine beliebig dichte Kugelpackung
angestrebt, die sich mit Hilfe der Kugelgrößenverteilung auf das gewünschte Maß einstellen
lässt.
Dieses Maß kann
auf die zu erwartenden Biegebelastungen des Penetrators abgestimmt
werden. Die Hohlräume werden
dabei mit einem Dämpfungsmittel 14 ausgefüllt, in
das die Sprengstoffkugeln 15 eingebettet werden. Biegebewegungen
und damit verbundene Kompressionen und Dehnungen werden auf diese
Weise von dieser Dämpfungsmatrix
aufgefangen und von den makroskopischen Sprengstoffkugeln 15 gänzlich ferngehalten.
Die seitliche Begrenzung des beschriebenen Teils kann mittels Trennwänden 16 erfolgen, die
ihrerseits auch aus Dämpfungsmaterial
bestehen können.
Ebenso gut ist es möglich
Teile des Sprengstoffes in anderer Anordnung als der im Ausführungsbeispiel
gezeigten im Penetrator unterzubringen oder auch den gesamtem Sprengstoff
in der vorgeschlagenen Form zu gestalten.