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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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Die
US 5 429 030 A beschreibt
eine Leichtgaskanone mit einem in einem ersten Kammersegment befindlichen,
unter Druck stehenden Leichtgas, welches durch elektrische Entladung
erhitzt und unter Hochdruck gesetzt werden kann. Ein in einem hinter
dem ersten Kammersegment angeordneten und von diesem mittels einer
perforierten Wandung getrennten zweiten Kammersegment befindlicher
Explosivstoff wird durch das derart erhitzte Hochdruckgas gezündet, um
das Leichtgas weiter zu beschleunigen und einem Projektil ein möglichst
große
Austrittsgeschwindigkeit zu verleihen.
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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 Zün der 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.