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Die
Erfindung betrifft eine Leichtgaskanone mit einem Treibrohr, in
welchem wenigstens ein zur Verdichtung von in dem Treibrohr eingeschlossenem Leichtgas
vorgesehener Kolben verschiebbar geführt ist, wobei das
Treibrohr an einem seiner Enden mit einer Expansionskammer und an
seinem entgegengesetzten Ende mit einem Hochdruckteil in Verbindung
steht, welches als Anschlag des in dem Treibrohr geführten
Kolbens dient und gegebenenfalls derart ausgebildet sein kann, daß es
das Treibrohr verschließt und bei einem bestimmten Gasdruck
in dem Treibrohr öffnet, und wobei sich an das dem Treibrohr
abgewandte Ende des Hochdruckteils ein Laufrohr anschließt,
welches mit einer Masse, wie einem Projektil, bestückbar
oder an dessen freies Ende eine Masse anschließbar ist,
um die Masse durch Expandieren von Gas in der Expansionskammer,
dadurch bewirkter Verdichtung des Leichtgases in dem Treibrohr infolge
Verschiebung des Kolbens und Einleitung des verdichteten Leichtgases
in das Laufrohr zu beschleunigen. Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren
zum Beschleunigen einer Masse, wie eines Projektils, mittels einer
solchen Leichtgaskanone gerichtet, wo bei ein in einem Treibrohr
eingeschlossenes Leichtgas durch Expandieren von Gas in einer Expansionskammer
und dadurch bewirktem Verschieben wenigstens eines in dem Treibrohr
geführten Kolbens verdichtet und das verdichtete Treibgas über
ein Hochdruckteil, welches als Anschlag für den Kolben
dient und gegebenenfalls derart ausgebildet sein kann, daß es
das Treibrohr verschließt und bei einem bestimmten Gasdruck
in dem Treibrohr öffnet, in ein an das Hochdruckteil anschließendes
Laufrohr überführt wird, so daß eine
in dem Laufrohr befindliche Masse, wie ein Projektil, oder eine
an das freie Ende des Laufrohres angeschlossene Masse beschleunigt
wird.
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Derartige,
auch als Leichtgasbeschleuniger bezeichnete Leichtgaskanonen sind
in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Sie beruhen
auf dem Einsatz eines für die Beschleunigung einer Masse,
wie eines Projektils, verwendeten Gases mit sehr geringem Molekulargewicht,
insbesondere Wasserstoff (H2) oder Helium
(He). Die Moleküle solcher Leichtgase besitzen bei einer
entsprechenden kinetischen Energie eine weitaus höhere
Geschwindigkeit als die demgegenüber deutlich schwereren
Moleküle von Zersetzungsprodukten herkömmlicher
Treibladungen. Solche Zersetzungsprodukte sind beispielsweise Kohlenstoff-,
Stickstoffoxide und Wasser. Auf diese Weise lassen sich erheblich
höhere Abgangsgeschwindigkeiten der zu beschleunigenden
Masse erzielen, welche im Falle von Leichtgaskanonen bis über
10 km/s betragen können, während mit herkömmlichen
Kanonen auf der Basis von Treibladungen lediglich Geschwindigkeiten
von maximal etwa 3 km/s erzielt werden können. Bei der
zu beschleunigenden Masse handelt es sich in aller Regel um feste Gegenstände,
wobei jedoch auch eine Beschleunigung von Fluiden, wie insbesondere
Flüssigkeiten, mittels solcher Leichtgaskanonen möglich
ist, wenn das Fluid in einen ge eigneten, als Träger dienenden Treibspiegel
eingebettet ist, wie es weiter unten noch näher erläutert
ist.
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Leichtgaskanonen
besitzen ein breites Anwendungsspektrum sowohl im zivilen als auch
im militärischen Bereich. So werden Leichtgaskanonen beispielsweise
im Laborbetrieb zur Simulation von physikalischen Vorgängen,
wie Vorgängen im Weltraum mit hohen Begegnungsgeschwindigkeiten,
z. B. Meteoriteneinschlägen oder Zusammenstößen
von kleinen Meteoriten mit Satelliten, zur Materialforschung unter
Erzeugung extremer Drucke, z. B. zur Untersuchung von Einschlägen
von Geschossen auf Panzerungen, und dergleichen eingesetzt. Im militärischen
Bereich ist z. B. ein Einsatz in Geschützen denkbar.
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Nachstehend
ist die Wirkungsweise solcher Leichtgaskanonen anhand eines Ausführungsbeispiels
einer in Form eines zweistufigen Leichtgasbeschleunigers ausgebildeten
Leichtgaskanone unter Bezugnahme auf 1 näher
erläutert, welche die Leichtgaskanone zu verschiedenen
Betriebszeitpunkten zeigt.
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Die
in 1(a) im Ruhezustand wiedergegebene
Leichtgaskanone umfaßt im wesentlichen vier Teile: eine
mit einem Zünder 1 ausgestattete Expansionskammer 2,
ein sich an letztere anschließendes Treibrohr 3 mit
einem hierin verschiebbar geführten Kolben 4,
ein sich an das Treibrohr 3 anschließendes Hochdruckteil 5 und
ein sich wiederum an das Hochdruckteil 5 anschließendes
Laufrohr 6, welches z. B. zur Aufnahme eines Projektils 7 ausgebildet
ist. Die erste Stufe der Leichtgaskanone stellt das Treibrohr 3 dar,
in welchem ein Leichtgas 8 mit geringem Molekulargewicht,
z. B. Wasserstoff oder Helium, eingeschlossen ist. Das Leichtgas 8 befindet
sich zwischen dem Kolben 4, welcher in seinem in 1(a) dargestellten Ruhezustand an dem
der Expansions kammer 2 zugewandten Ende des Treibrohres 3 angeordnet
ist und z. B. gegen einen Dichtring 9 anliegt, und einer
im Bereich des sich in Richtung des Laufrohres 6 verjüngenden
Durchgangskanals des Hochdruckteils 5 angeordneten Berstmembran 10,
z. B. in Form einer in einer ringförmigen innenseitigen
Ausnehmung 11 desselben sitzenden Metallscheibe. Der Durchgangskanal
des Hochdruckteils 5 kann indes selbstverständlich
auch andere Formen besitzen und z. B. eine abrupte, stufenförmige
Querschnittsverengung aufweisen, an welcher der Kolben 4 zum
Anschlag zu gelangen vermag. Im Bereich des dem Hochdruckteil 5 zugewandten
Ende des Laufrohres 6, welches die zweite Stufe der Leichtgaskanone
darstellt, befindet sich ein Projektil 7, welches in einen
z. B. aus Kunststoff gefertigten, auch als Sabot bezeichneten Treibspiegel
(nicht gezeigt) eingebettet ist, um die durch Eintrag von Reibungswärme
an der Innenwand des Laufrohres 6 erzeugte Ausdehnung durch
Abtragung von Treibspiegelmasse an der Kontaktfläche zwischen
dem Treibspiegel und der Innenwand des Laufrohres 6 zu
kompensieren. Ähnliche Treibspiegel können zur
Beschleunigung von fluiden Massen verwendet werden, sofern dies
gewünscht ist. Bei der Expansionskammer 2 handelt
es sich im vorliegenden Fall um eine Pulver- oder Treibladungskammer
mit einer hierin angeordneten Treibladung, welche beliebiger herkömmlicher
Natur sein und beispielsweise auf der Basis von Nitrocellulose gebildet sein.
Alternativ sind Expansionskammern in Form eines Druckgasreservoirs
(nicht gezeigt) bekannt, deren Druckgas – z. B. durch Öffnen
eines die Expansionskammer 2 von dem Treibrohr 3 trennenden
Ventils (ebenfalls nicht gezeigt) – in das Treibrohr 3 expandierbar
ist. Anstelle des Zündens einer Treibladung wird in diesem
Fall der zur Verlagerung des Kolbens 3 unter Expansion
des Leichtgases erforderliche Druck folglich lediglich von dem komprimierten Gas
in dem Druckgasreservoir aufgebracht.
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Die
Wirkungsweise einer solchen zweistufigen Leichtgaskanone ist die
folgende: Wird die in der Expansionskammer 2 (bzw. hier:
Treibladungskammer) befindliche Treibladung mittels des Zünders 1 aktiviert
bzw. zum Abbrand gebracht, so wird der Kolben 4 innerhalb
des Treibrohres 3 in Richtung des Hochdruckteils 5,
d. h. von der Expansions- oder Treibladungskammer 2 fort,
beschleunigt, wie es etwa schematisch in 1(b) dargestellt
ist. Das Treibrohr 3 mit dem Kolben 4 wirkt folglich
nach Art eines Kolbenkompressors. Hierbei wird das Leichtgas unter
den notwendigen hohen Druck gesetzt, welcher in der Größenordnung
von etwa 1 GPa liegen kann, und hoch verdichtet. Je nach Masse des Kolbens 4 und
Länge des Treibrohres 3 läßt
sich eine nahezu adiabatische oder eine Stoßkompression einstellen:
Während eine adiabatische Kompression einen relativ schweren
Kolben 4 und ein verhältnismäßig
langes Treibrohr 3 erfordert (Beschleunigung hoher Massen),
wird für eine Stoßkompression ein demgegenüber
leichterer Kolben 4 und kürzeres Treibrohr 3 eingesetzt.
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Erreicht
der Druck des Leichtgases einen bestimmten Wert, so versagt die
im Endbereich des Hochdruckteils 5 sitzende Membran 10 (1(c)), so daß das komprimierte
Leichtgas 8 in das Laufrohr 6 expandiert und den
Treibspiegel (nicht dargestellt) mit dem Projektil 7 antreibt.
Dieser Druckwert ist durch Auswahl einer entsprechenden Membran 10 voreinstellbar,
wobei geeignete Berstdrucke beispielsweise in der Größenordnung
von einigen 10 MPa liegen können. Während der
Beschleunigung des Projektils 7 befindet sich der Kolben 4 üblicherweise
innerhalb des letzten (dem Hochdruckteil zugewandten) Fünftels
der Länge des Treibrohres. Wie der 1(c) weiterhin
zu entnehmen ist, wird der Kolben 4 beim Eintritt in das
Hochdruckteil 5 – hier infolge der sich konisch
verjüngenden Form dessen Durchgangskanals – abge bremst.
Dabei bewirkt die geometrisch bedingte, radiale Kompression an der dem
Laufrohr 6 zugewandten Spitze des Kolbens 4 eine
anfängliche Beschleunigung der vorrückenden Stirnseite 4a des
Kolbens 4, wodurch das Leichtgas 8 zusätzlich
komprimiert wird. In der in 1(d) wiedergegebenen
Situation ist der Kolben 4 in dem Hochdruckteil 5 gänzlich
abgebremst worden und hat seine Endposition erreicht, während
das Projektil 7 das Laufrohr 6 verlassen hat.
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Das
Zusammenwirken des in dem Treibrohr 3 verschiebbaren Kolbens 4,
des gegebenenfalls mit einer Membran 10 bestückten
Hochdruckteils 5 und des Laufrohres 6 bewirkt
einen relativ kurzen, aber sehr starken Druckpuls, dessen zeitliche
Erstreckung innerhalb etwa 100 μs bis hin zu einigen ms
betragen kann. Die erreichten Drucke des Leichtgases variieren je
nach Art und Größe des Leichtgasbeschleunigers üblicherweise
im Bereich eines GPa.
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Selbstverständlich
sind eine Reihe weiterer alternativer Ausgestaltungen denkbar. So
kann gegebenenfalls die in dem Hochdruckteil 5 vorgesehene Berstmembran 10 entbehrlich
sein und die Abdichtung des eingeschlossenen Leichtgases endseitig auch
allein durch einen geeigneten Treibspiegel (Sabot) des Projektils
gewährleistet sein. Ferner können mehrere in dem
Treibrohr verlagerbare Kolben vorgesehen sein, welche das Treibrohr
in mehrere einzelne Kammern unterteilen, oder der Kolben kann hohl
ausgebildet und mit einem weiteren, im Innern desselben geführten
Kolben und/oder im Innern desselben angeordneten Fluiden ausgestattet
sein, wie es beispielsweise in Pavarin, D., Francesconi,
A., Niero, F., Angrilli, F.: "Active piston technique to optimize
the chamber Pressure in two-stage light-gas guns", International
Journal of Impact Engineering 33 (2006), Seiten 592–604,
beschrieben ist.
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Darüber
hinaus sind sogenannte einstufige Leichtgaskanonen bzw. -beschleuniger
bekannt, welche sich von den oben erläuterten zweistufigen Leichtgaskanonen
dadurch unterscheiden, daß sie keine erste Stufe, d. h.
kein Treibrohr mit einem längs desselben verlagerbaren
Kolben, aufweisen, so daß das Laufrohr – in der
Regel von einer Berstmembran getrennt – unmittelbar an
das Gasreservoir angeschlossen ist. Einstufige Leichtgaskanonen
sind zweistufigen Kanonen hinsichtlich der Abgangsgeschwindigkeit
des Projektils deutlich unterlegen.
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Ein
Nachteil gattungsgemäßer Leichtgaskanonen besteht
darin, daß sie während des Betriebs enormen Belastungen
ausgesetzt sind. So wirken auf einige Bauteile kurzzeitig extreme
Drucke, wodurch die Grenzen der Materialfestigkeitswerte der üblicherweise
aus hochfestem Stahl gefertigten Laufrohre überschritten
werden können. Dies kann zu Beschädigungen der
Leichtgaskanone in Form von plastischen Verformungen, Erosionen,
Rissen und dergleichen führen. Insbesondere übt
das hoch komprimierte, heiße Leichtgas auf das zwischen
dem Treibrohr und dem Lauf befindliche Hochdruckteil sowie auf die
hieran angrenzenden Bauteilbereiche eine enorme Druckbelastung aus,
was im Höchstleistungsbereich des Leichtgasbeschleunigers
zu einem vorerwähnten Überschreiten der Materialfestigkeiten dieser
Komponenten führen kann. Als mögliche Folgen ergeben
sich Aufweitungen von Bereichen des Hochdruckteils sowie des diesem
zugewandten Endes des Laufrohres bis hin zu Rißbildung
an den Innenseiten dieser Komponenten sowie ein Versagen dort angeordneter
Dichtungen, wie Dichtringen, mit einem hiermit verbundenen, anschließenden
Druckverlust.
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Folglich
sind solchen Leichtgaskanonen hinsichtlich ihrer Beschleunigungsleistungen
Grenzen gesetzt, die – wie ein gangs angedeutet – im
Falle von beschleunigten Massen (Projektil und Treibspiegel bzw.
Sabot) im Milligrammbereich bei Abgangsgeschwindigkeiten im Bereich
von 10 km/s liegen. Bei gegenwärtig im Laborbetrieb typischerweise
eingesetzten, zweistufigen Leichtgaskanonen mit einem Laufkaliber
zwischen etwa 5 mm und 50 mm lassen sich im Regelbetrieb Gegenstände
mit nahezu beliebiger Form mit Massen bis in den Kilogrammbereich auf
Geschwindigkeiten von etwa 3 km/s beschleunigen. Mit kleineren Massen
im Bereich einiger hundert Gramm werden z. B. etwa 6 bis 7 km/s
erreicht.
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Es
wurden bereits zahlreiche Versuche dahingehend unternommen, die
Leistungsgrenze von zweistufigen Leichtgaskanonen zu erhöhen
(vgl. z. B.
Moore, Jr., E. T.: "Explosive hypervelocity
launchers", San Leandro, California, USA: National Aeronautics and
Space Administration (NASA), 1968 – NASA Contractor Report
CR-982;
Piekutowski, A. J.: "A new technique for
achieving impact velocities greater than 10 km/sec", Dayton, Ohio,
USA: National Aeronautics and Space Administration (NASA), 2001 – NASA/CR-2001-210990;
Chhabildas,
L. C., Kmetyk, L. N., Reinhart, W. D., Hall, C. A.: "Enhanced hypervelocity
launcher – Capabilities to 16 km/sec", International Journal
of Impact Engineering 17 (1995), Seiten 183–194).
Insbesondere die beiden erstgenannten Zitate basieren auf dem Einsatz
einer zusätzlichen – dritten – Stufe
des Leichtgasbeschleunigers, die bei jedem Abschuß stark
beschädigt oder gar vollständig zerstört
wird, so daß die höhere Leistung nur mit aufwendigen
und sehr teuren Mitteln zur Verfügung gestellt werden kann.
Aus diesem Grunde haben sich die bekannten Konzepte bislang nicht durchsetzen
können. Der Leichtgasbeschleuniger gemäß Chhabildas
et al. wiederum schränkt die Auswahl des Projektils auf
dünne Metallplättchen ein, so daß die
ansonsten vorhandene und bei Leichtgasbeschleunigern gerade erwünschte
universelle Einsetzbarkeit nicht mehr gegeben ist. Dar über
hinaus wurde versucht, die Leistung von Leichtgasbeschleunigern
durch Modifizierung der Ausgestaltung des Treibspiegels bzw. Sabots
zu erhöhen (
EP
0 513 153 A1 ), doch leidet auch hier die universelle Einsetzbarkeit
der Leichtgaskanone und ist der Zuwachs an erhaltener Leistung insbesondere
sehr begrenzt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Leichtgaskanone sowie
ein Verfahren zur Beschleunigung einer Masse mittels einer solchen Leichtgaskanone
der eingangs genannten Art unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile
auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden,
daß die Beschleunigungsleistung erhöht wird, während
insbesondere die Gefahr eines Versagens von Bauteilen der Leichtgaskanone
verringert wird.
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In
vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die Erfindung bei einer Leichtgaskanone
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die
Leichtgaskanone wenigstens zwei Treibrohre mit jeweils einem zur
Verdichtung von in dem jeweiligen Treibrohr eingeschlossenem Leichtgas
verschiebbar geführten Kolben aufweist, wobei jeweils ein
Ende beider Treibrohre mit dem Hochdruckteil in Verbindung steht.
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Zur
Lösung des der Erfindung zugrunde liegenden Problems ist
erfindungsgemäß ferner bei einem Verfahren der
eingangs genannten Art vorgesehen, daß in wenigstens zwei
Treibrohren eingeschlossenes Leichtgas durch Expandieren von Gas in
der Expansionskammer und dadurch bewirktem Verschieben des wenigstens
einen in dem jeweiligen Treibrohr geführten Kolbens verdichtet
wird, wobei das komprimierte Leichtgas beider Treibrohre in das Hochdruckteil überführt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung, welche selbstverständlich
auch mehr als zwei Treibrohre vorsehen kann, welche in das Hochdruckteil
münden, macht es möglich, den über das
Hochdruckteil an das gemeinsame Laufrohr weitergeleiteten Druckpuls
(Druck-/Zeitverlauf) des hoch komprimierten Leichtgases in mehrere
Druckpulse zu unterteilen, wobei insbesondere eine zeitliche Verbreiterung
des Druckpulses in dem Hochdruckteil bzw. im Bereich des diesem
zugewandten Endes des Laufrohres bei gleichzeitiger Reduzierung
des Spitzendruckes möglich ist. Als Ergebnis wird eine
gleichmäßigere und sowohl für die Kanone
als auch für das Projektil bzw. den Treibspiegel schonendere
Beschleunigung erhalten, wobei die zu beschleunigende Masse über eine
längere Zeit hinweg unter die Wirkung des komprimierten
Leichtgases gesetzt werden kann, als es bei einer herkömmlichen
Leichtgaskanone der Fall ist. Die Masse kann dabei ein fester Gegenstand sein,
z. B. ein Projektil oder ein beliebiger anderer, im wesentlichen
partikelförmiger Körper, oder die Masse kann von
einem Fluid, insbesondere von einer Flüssigkeit, gebildet
sein, welche in einen geeigneten Treibspiegel eingebettet ist. Indes
sei in diesem Zusammenhang darauf hingewiesen, daß die
Verwendung eines Treibspiegels bzw. eines Sabots sowohl im Falle
von festen als auch im Falle von flüssigen, zu beschleunigenden
Massen nicht zwingend erforderlich ist und gegebenenfalls eine Beschleunigung
solcher Massen auch durch unmittelbares Einbringen derselben in
das Laufrohr der Leichtgaskanone geschehen kann.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung sieht eine zeitliche Synchronisierung
der Verdichtung des in zumindest einigen oder auch allen Treibrohren eingeschlossenen
Leichtgases vor. Dabei ist es grundsätzlich möglich,
die in den verschiedenen, in das gemeinsame Hochdruckteil und sodann
in das Laufrohr mündenden Treibrohre in definierten Zeitintervallen
hintereinander zu aktivieren (was im Falle einer in der jeweiligen
Expansionskammer untergebrachten Treibla dung z. B. mittels separater
Zünder oder im Falle eines an die jeweilige Expansionskammer
angeschlossenen Druckgasreservoirs z. B. mittels separater Steuerventile
geschehen kann), so daß sichergestellt wird, daß der
in den mehreren Treibrohren aufgebaute Maximaldruck das Hochdruckteil
nacheinander erreicht. Der (gesamte) auf den Projektilboden wirkende
Druckpuls, welcher aus der Überlagerung der Druckpulse
aus den mehreren Treibrohren resultiert, wird somit verlängert
und ergibt einen Gesamtdruckverlauf in dem Hochdruckteil bzw. in
dem anschließenden Laufrohr, welcher eine längere
Wirkdauer bei gegebenenfalls sogar verringerten Spitzendrucken aufweist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführung kann zu diesem Zweck vorgesehen
sein, daß die Verdichtung des in den jeweiligen Treibrohren
eingeschlossenen Treibgases dadurch synchronisiert wird, indem sie
zeitlich simultan initiiert wird. Dies kann insbesondere dadurch
sichergestellt werden, daß zumindest einige, vorzugsweise
alle Treibrohre an eine gemeinsame Expansionskammer angeschlossen werden,
so daß diese Treibrohre beim Expandieren des Gases in der
Expansionskammer – sei es durch Zünden einer Treibladung
oder durch Öffnen des Ventils eines Druckgasreservoirs – mit
demselben Druck-/Zeitverlauf beaufschlagt werden.
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Eine
zeitliche Staffelung der Überführung des in zumindest
einigen der Treibrohre eingeschlossenen Leichtgases in das Hochdruckteil
bzw. in das Laufrohr kann in diesem Fall dadurch geschehen, indem
Treibrohre eingesetzt werden, welche sich in wenigstens einem Parameter
aus der Gruppe Geometrie, insbesondere Länge und/oder Querschnitt, des
Treibrohres, Masse des/der hierin verschieblichen Kolben(s), Länge
des/der hierin verschieblichen Kolben(s), Art des hierin eingeschlossenen
Gases und Menge bzw. Fülldruck des hierin eingeschlossenen
Gases unterscheiden.
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Folglich
läßt sich auf einfache Weise sicherstellen, daß alle
Treibrohre mit einem z. B. durch Zünden einer gemeinsamen
Treibladung bewirkten – identischen – Druck beaufschlagt
werden, wobei der zeitliche Versatz der Ankunft der durch Kompression des
in den Treibrohren eingeschlossenen Leichtgases in dem Hochdruckteil
bzw. in dem Laufrohr durch Veränderung wenigstens eines
dieser Parameter in reproduzierbarer Weise eingestellt werden kann.
Es kann folglich z. B. der Druckpuls aus einem oder mehreren Treibrohren
zu einer "Vorbeschleunigung" der zu beschleunigenden Masse dienen,
während die – späteren – Druckpulse
anderer Treibrohre eine "Nachbeschleunigung" der Masse bewirken.
Folglich lassen sich aufgrund länger anhaltender Beschleunigung
der Masse höhere Geschwindigkeiten erzielen, die jedoch
keine höheren Spitzendrucke erfordern, welche zum Versagen
einzelner Bauteile der Leichtgaskanone führen könnten.
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Die
Leichtgaskanone selbst kann folglich derart ausgestaltet sein, daß das
dem Hochdruckteil abgewandte Ende wenigstens zweier – oder
sämtlicher – Treibrohre zum Erreichen einer definierten zeitlichen
Synchronisierung der Druckpulse der einzelnen Treibrohre mit ein
und derselben Expansionskammer in Verbindung steht, wobei zur zeitlichen Staffelung
der Druckpulse der einzelnen Treibrohre vorgesehen sein kann, daß sich
zumindest einige der Treibrohre in wenigstens einem Parameter aus
der Gruppe Geometrie, insbesondere Länge und/oder Querschnitt,
des Treibrohres, Masse des/der hierin verschieblichen Kolben(s),
Länge des/der hierin verschieblichen Kolben(s), Art des
hierin eingeschlossenen Gases und Menge bzw. Fülldruck
des hierin eingeschlossenen Gases unterscheiden.
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In
diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß nicht alle
Treibrohre der erfindungsgemäßen Leichtgaskanone
not wendigerweise mit einem Leichtgas mit einem gegenüber
den Verbrennnungsprodukten (vornehmlich Kohlen- und Stickstoffoxide
sowie Wasser) von herkömmlichen Treibladungen geringerer
Molmasse befüllt sein müssen. Vielmehr kann es
beispielsweise zweckmäßig sein, ein oder mehrere
der Treibrohre gezielt mit einem Gas höherer Molmasse zu
befüllen, um für eine gezielte Verbreiterung des
auf das Laufrohr wirkenden Druckpulses zu sorgen. Hierfür
kommen beispielsweise Edelgase, wie Neon (Ne) oder Argon (Ar), Stickstoff (N2), Kohlendioxid (CO2)
oder andere – vorzugsweise im wesentlichen inerte – Gase
in Betracht. Der vorliegend verwendete Begriff "Leichtgaskanone"
oder "Leichtgasbeschleuniger" ist ausdrücklich auch auf solche
Ausgestaltungen gerichtet. Darüber hinaus ist es selbstverständlich
möglich, Mischungen verschiedener Gase einzusetzen, um
für eine "stufenlose" Einstellung des Gesamtdruckpulses,
d. h. der Summe der Druckpulse der einzelnen Treibrohre, zu sorgen. Überdies
können verschiedene, aber in getrennten Segmenten eines
oder mehrerer Treibrohre eingeschlossene (Leicht)gase eingesetzt
werden, wobei die Segmentierung der Treibrohre z. B. durch Berstmembrane
oder auch durch geeignete Kolbengeometrien erreicht werden kann,
wie es beispielsweise unter anderem in dem oben zitierten Artikel
von Pavarin, D. et al. erwähnt ist.
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Ferner
sei darauf hingewiesen, daß – was die vorzugsweise
vorgesehene verschiedene Geometrie, insbesondere Länge
und/oder Querschnitt, der Treibrohre betrifft – in diesem
Zusammenhang insbesondere auch eine nur abschnittsweise unterschiedliche
Geometrie der Treibrohre von Vorteil sein kann. So bietet es sich
beispielsweise zur Modifikation der Druckpulse in den Treibrohren
an, im Bereich des Übergangs zwischen der (gemeinsamen)
Expansionskammer und den Treibrohren bzw. an dem der Expansionskammer
zugewandten Ende der Treibrohre eine Drosselstrecke vorzusehen,
deren Länge und/oder Querschnittsprofil entsprechend der
gewünschten Modifikation des Druck-/Zeitverlaufes in dem
jeweiligen Treibrohr verschiedenartig ausgestaltet ist, wobei die
Treibrohre ansonsten identisch sein können.
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Die
Treibrohre der erfindungsgemäßen Leichtgaskanone
können zweckmäßig im wesentlichen parallel
zueinander und vorzugsweise symmetrisch angeordnet sein. Darüber
hinaus muß nicht notwendigerweise eine Mehrzahl an separaten
Treibrohren vorgesehen sein, sondern kann eine solche Mehrzahl an
Treibrohren selbstverständlich auch von einem nach Art
einer Mehrstoffdüse oder eines Magazins aufgebauten Körper
mit einer Mehrzahl an Durchgangsbohrungen gebildet sein, welche
die verschiedenen Treibrohre darstellen, deren Geometrie sich gegebenenfalls
wiederum in der oben erwähnten Weise unterscheiden kann.
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Die
erfindungsgemäße Leichtgaskanone ist insbesondere
universell einsetzbar und für sämtliche Einsatzgebiete
bekannter Leichtgaskanonen geeignet. Darüber hinaus eröffnen
sich der erfindungsgemäßen Leichtgaskanone aufgrund
ihrer gegenüber dem Stand der Technik höheren
Leistung bei geringerem Versagensrisiko ihrer Bauteile weitere Anwendungsmöglichkeiten,
z. B. im Zusammenhang mit der Beschleunigung von Raumflugkörpern,
wie Satelliten-, Raketenabschußrampen etc. Der zu beschleunigende
Gegenstand ist im letztgenannten Fall an das freie, dem Hochdruckteil
abgewandte Ende des Laufrohres angeschlossen, welche nicht mit einem Projektil
bestückt ist. Im militärischen Bereich ist z.
B. zusätzlich eine Verwendung solcher Kanonen zur Abwehr
von ballistischen Raketen denkbar.
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Nachstehend
ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
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2:
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Leichtgaskanone mit zwei Treibrohren;
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3:
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Leichtgaskanone mit drei Treibrohren;
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4:
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Leichtgaskanone mit vier Treibrohren; und
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5:
eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Leichtgaskanone mit fünf Treibrohren;
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Die
in 2 nur schematisch wiedergegebene Leichtgaskanone
weist zwei etwa parallele Treibrohre 30a, 30b auf,
welche an einem ihrer Enden jeweils in eine gemeinsame Expansionskammer 20 münden,
welche beim vorliegenden Ausführungsbeispiel von einer
Pulver- oder Treibladungskammer 20 gebildet ist. Letztere
ist mit einem (in 2 nicht dargestellten) Zünder
entsprechend der 1 ausgestattet, um für
eine zeitlich synchronisierte – hier: simultane – Druckbeaufschlagung
beider Treibrohre 30a, 30b während der
Expansion der Treibladungsgase unmittelbar nach Zünden
der Treibladung zu sorgen. Im Innern der Treibrohre 30a, 30b ist
jeweils ein Kolben 40a, 40b angeordnet, welcher
als solcher entsprechend dem Kolben 4 gemäß 1 ausgestaltet
sein kann. An ihrem der gemeinsamen Expansions- bzw. Treibladungskammer 20 abgewandten Ende
münden die beiden Treibrohre 30a, 30b in
ein Hochdruckteil 50, welches sich aus jeweils einem sich
innenseitig konisch verjüngenden Teilstück 50a, 50b,
welches als Anschlag für den jeweiligen Kolben 40a, 40b der
Treibrohre 30a, 30b dient und ein sich hieran
anschließendes Verzweigungsstück 50f in Form
eines T-Stücks umfaßt, welches die den Treibrohren 30a, 30b abgewandte
Enden der konischen Teilstücke 50a, 50b mit
einem Laufrohr 60 verbindet. Während das in den
Treibrohren 30a, 30b eingeschlossene Leichtgas
auch unmittelbar zwischen den Kolben und einem am Anfang des Laufrohres 60 angeordneten
Projektil (nicht gezeigt) angeordnet sein kann, können
selbstverständlich – ähnlich der 1 – zur
laufseitigen Begrenzung des Leichtgases auch Membrane (nicht gezeigt)
vorgesehen sein, welche sich insbesondere in den jeweiligen konischen
Teilstücken 50a, 50b des Hochdruckteils 50 befinden.
Alternativ kann auch eine einzige Membran stromab der Verzweigung 50f des
Hochdruckteils 50 vorgesehen sein, welche beim (ersten)
Druckstoß eines oder beider Treibrohre zerstört
wird.
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Um
beim Auslösen der Leichtgaskanone für eine gezielte
Beeinflussung des auf das Hochdruckteil 50 bzw. das in
dem Lauf 60 befindliche Projektil dahingehend zu sorgen,
daß die Dauer des Druckpulses unter Sicherstellung des
Einhaltens materialbedingter Grenzdrucke verlängert wird,
kann sich die Geometrie, insbesondere die Länge und/oder
der Querschnitt, der Treibrohre 30a, 30b, die
Masse der hierin verschieblichen Kolben 40a, 40b,
die Länge der Kolben 40a, 40b, die Art
der eingesetzten Leichtgase und/oder die Menge bzw. der Fülldruck
des eingesetzten Leichtgase unterscheiden, so daß in den Treibrohren 30a, 30b erzeugten
Druckstöße das Hochdruckteil 50 und somit
auch das Laufrohr zeitlich nacheinander erreichen, jedoch jeweils
bevor das Projektil den Lauf 60 verlassen hat. Die Kopplungen der
Treibrohre 30a, 30b an das Laufrohr 60 mittels des
"Zweifach"-Hochdruckteils 50 können beispielsweise
hydraulisch ausgeführt sein, um für eine bessere
Dichtwirkung zu sorgen.
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Die
in 3 bis 5 dargestellten Leichtgaskanonen
unterscheiden sich von der gemäß 2 vornehmlich
durch die Anzahl an Treibrohren 30a–e, welche
bei den vorliegenden Ausführungsbeispielen stets mit ein
und derselben Pulver- bzw. Treibladungskammer 20 in Verbindung
stehen. Die den jeweiligen Treibrohren zugeordneten Kolben 40a, 40b (2)
sind in den 3 bis 5 nicht nochmals
gezeigt. Während die in 3 dargestellte Leichtgaskanone
drei Treibrohre 30a–c umfaßt, weisen
die in 4 bzw. 5 gezeigten Leichtgaskanonen
vier bzw. fünf Treibrohre 30a–e auf,
welche jeweils parallel und symmetrisch zur Längsmittelachse des
Laufrohres 60 angeordnet sind. Entsprechend verzweigt sich
das Hochdruckteil 50 drei-(3), vier-(4)
bzw. fünffach (5). In 3 und 5 ist
erkennbar, daß das zentrale Treibrohr 30c einen
größeren Querschnitt als die übrigen
Treibrohre 30a, 30b, 30d, 30e aufweist.
Es kann beispielsweise zur anfänglichen Beschleunigung
des Projektils dienen (d. h. die oben genannten Parameter sind derart
gewählt, daß der in diesem Treibrohr 30c erzeugte
Druckstoß das im Laufrohr 60 befindliche Projektil als
erstes erreicht), während die Druckstöße
der übrigen Treibrohre 30a, 30b, 30d, 30e – insbesondere ebenfalls
untereinander zeitlich gestaffelt – für eine Nachbeschleunigung
des noch in dem Laufrohr 60 befindlichen Projektils sorgen,
oder umgekehrt.
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Die
Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Leichtgaskanonen
mit 2, 3, 4, 5, ... N Treibrohren entspricht im wesentlichen dem
herkömmlicher Leichtgaskanonen, wie sie in 1 dargestellt
sind, aber mit dem entscheidenden Unterschied, daß sich
infolge des Einsatzes mehrerer Treibrohre ein länger anhaltender,
hinsichtlich Form, Dauer und Amplitude individuell einstellbarer
Gesamtdruckpuls erzeugen läßt, welcher auf das
in dem Laufrohr 60 befindliche Projektil wirkt. So werden
nach Zünden des in der gemeinsamen Treibladungskammer 20 angeordneten Treibladungspulvers
die Kolben der Treibrohre 30a–e zunächst
simultan in Bewegung versetzt und komprimieren dabei das in den
Treibrohren 30a–e eingeschlossene Leichtgas, z.
B. Wasserstoff, Helium oder unterschiedliche Mischungen derselben.
Durch geeignete Auswahl der oben genannten Parameter bezüglich
Geometrie und/oder Materialien der Anordnung kann erreicht werden,
daß die Kolben gegeneinander eine (geringfügig)
unterschiedliche Beschleunigung erfahren und somit die durch die Leichtgaskompression
erzeugten Druckpulse der einzelnen Treibrohre 30a–e
zu (geringfügig) verschiedenen Zeitpunkten das "N-fach"-Hochdruckteil 50 erreichen.
Die Leichtgase strömen sodann – gegebenenfalls
nach Zerstörung einer einem jeden Treibrohr 30a–e
zugeordneten oder eine stromab der Verzweigungsstelle 50f angeordneten
Berstmembran – durch das Hochdruckteil 50 hindurch
in das Laufrohr 60, in welchen das in einen Treibspiegel
eingebettete Projektil (nicht gezeigt) eingebracht worden ist (vgl.
hierzu auch 1). Infolge der Einstellung
der vorgenannten Parameter (Rohr- und Kolbengeomtrie sowie -masse,
Gasart, Fülldruck etc.) kann das Druck-/Zeitprofil am Ausgang
eines jeden Treibrohres 30a–e kontrolliert bzw.
voreingestellt werden, wodurch auch der (gesamte) Druck-/Zeitverlauf
am Eingang des Laufrohres 60 einstellbar ist. Eine solche
gezielte Beeinflussung des Druckverlaufes bei gleichzeitiger Verminderung
extrem hoher Spitzendrucke, welche den Grenzen der Materialfestigkeiten
nahe kommen oder gar über diese hinaus gehen, gewährleistet
eine sanftere und länger anhaltende Beschleunigung des
Projektils mit insbesondere höheren Abgangsgeschwindigkeiten.
Durch die Ankopplung der Treibrohre 30a–e an ein
und dieselbe Treibladungskammer 20 ist auf einfache Weise eine
synchrone (bzw. in diesem Fall simultane) Druckbeaufschlagung der
Kolben aller Treibrohre 30a–e mit demselben Anfangsdruck
möglich, so daß durch gezielte Einstellung der
oben genannten Parameter der (gesamte) auf das Projektil wirkende Druckpuls
verlängerbar und die auf das Hochdruckteil 50 wirkende
Spitzendrucke limitierbar werden, was mit einem verminderten Verschleiß einhergeht. Gleichwohl
lassen sich höhere Abgangsgeschwindigkeiten realisieren
und läßt sich die Leistung der Leichtgaskanone
insgesamt somit erhöhen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Pavarin, D.,
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- - Moore, Jr., E. T.: "Explosive hypervelocity launchers", San
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- - Chhabildas, L. C., Kmetyk, L. N., Reinhart, W. D., Hall, C.
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