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Die Erfindung betrifft eine zylindrische Sprengladung für ein Wirksystem bestehend aus Anteilen von RDX oder HMX, einem Metallpulver und einem Kunststoff-Binder.
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Moderne und unempfindliche Sprengladungen bestehen überwiegend aus den Sprengstoffen RDX (Hexogen) oder HMX (Oktogen), welche mit Kunststoffbindern wie beispielsweise HTPB (Hydroxyl-Terminiertes Polybutadien), wodurch eine hohe Unempfindlichkeit gegen Stoßwellen erreicht wird. Eine Erhöhung der Druckwirkung, üblicherweise als Blaststeigerung bezeichnet, wird durch Zumischung von Metallpulvern wie beispielsweise Aluminium, Bor, Silizium oder Magnesium erreicht.
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Aus Viskositätsgründen können die Massenanteile des Metallpulvers im Verhältnis zu den anderen Sprengladungsanteilen jedoch nicht beliebig gesteigert werden. Insbesondere dann nicht, wenn die Korngröße des Metallpulvers im Mikrometer-Bereich liegt, da dann das Oberflächen- zu Volumenverhältnis stark zunimmt, d. h. die zu benetzende Oberfläche des Metallpulvers überproportional anwächst. Kleine Korngrößen sind aber interessant für die Steigerung der Blastwirkung.
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Eine Alternative hierzu sind so genannte „Mantelladungen”, bei denen das Metallpulver als Mantelschicht um eine konventionelle Kernladung angebracht wird. Das Metallpulver füllt also ein Hohlzylindervolumen um einen Sprengladungskern aus. Aufgrund der Detonation der Kernladung wird dieser Metallpulvermantel durch die durchlaufende Stoßwelle aufgeheizt und anschließend lateral nach außen beschleunigt. Hierbei wird das Metallpulver zu einer Verbrennungsreaktion initiiert und im weiteren Verlauf mehr und mehr mit der umgebenden Luft vermischt und durch den Luft-Sauerstoff am Brennen gehalten. Durch die dabei entstehenden heißen Gase wird die Blastleistung zunehmend gesteigert.
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Mantelladungen werden hauptsächlich für die Anwendung in Innenräumen wie beispielsweise Bunker oder Gebäude eingesetzt. Die begrenzenden Wände reflektieren die entstehenden Luft-Stoßwellen immer wieder zurück in den Feuerball, wobei das Brennstoff-/Luftgemisch weiter aufgeheizt und mit der Luft verwirbelt wird. Überdies begrenzen die Wände das Volumen und verhindern so eine adiabatische Expansion des Verbrennungsvolumens, welche das Brennstoffgemisch abkühlen und dadurch unter Umständen den Abbruch der chemischen Reaktionen erzwingen können.
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Der konkrete Aufbau einer solchen Ladung beinhaltet jedoch eine hohe Anzahl möglicher Parametervariationen, die es ermöglichen, eine solche Ladung bzgl. der Blastleistung zu optimieren. Beispiele hierfür sind zum einen Designparameter wie etwa das Verhältnis von Kern- zu Mantelmasse, Art der Kernladung und dergleichen mehr. Aber zum anderen spielen auch verfahrenstechnische Parameter eine Rolle, wie etwa Aufbau und Beschaffenheit des Mantels, d. h. des Binders für das Pulvermaterial. Es muss neben der Blastleistung auch die physikalische Haltbarkeit der Mantel-Ladung über einen langen Zeitraum gewährleistet sein und dennoch auch die Reproduzierbarkeit der Blast-Leistungsfähigkeit sichergestellt sein.
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Daraus ergibt sich jedoch für einen Fachmann keine konkrete Angabe, für welchen Anwendungszweck er im Rahmen der angegebenen Bandbreiten ein Optimum an Leistungsabgabe erwarten darf. Es ist ohne Zweifel, dass innerhalb der angegebenen Bandbreiten eine mehr oder weniger hohe Leistung erzielt werden kann, es wird jedoch kein Hinweis darauf gegeben, bei welcher Zusammensetzung der Sprengladung das Optimum für eine bestimmte Anwendung erwartet werden darf.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen neuartigen Ladungsaufbau im Rahmen der bereits angesprochenen Optimierung der Parameter zu entwickeln, bei dem innerhalb einer geringen Bandbreite die maximal mögliche Blastleistung erzielbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Merkmalskombination gelöst, mit einem zylindrischen Sprengladungskern, bestehend aus RDX (Hexogen) oder HMX (Oktogen) mit einem Gewichtsanteil von 85–96 Gew.% (je nachdem ob die Herstellung des Ladungskerns im Gieß- bzw. Pressverfahren erfolgt: entsprechend max. 90 bzw. 96 Gew.%) vermischt mit einem Kunststoffbinder mit einem Gewichtsanteil von 15–4 Gew.% aus HTPB (Hydroxyl-Terminiertes Polybutadien), und einem rohrförmigen, den zylindrischen Sprengladungskern unmittelbar umgebenden Mantel aus einem Metallpulver wie Aluminium, Bor, Silizium oder Magnesium, wobei das Mittel der Korngrößen des Metallpulvers bei so genannten mono-modalen Mischungen bei 4 μm +/– 10% liegt, und bei bi-modalen Mischungen zusätzlich noch eine Komponente höherer Korngröße von im Mittel 35 μm +/–10% beinhaltet, mit einem Anteil von grob:fein von typisch 2:1, und einem Gewichtsanteil des Kunststoffbinders HTPB (Hydroxyl-Terminiertes Polybutadien) gegenüber dem Metallpulver von 30% +/– 10%, wobei das Verhältnis von Länge zu Außendurchmesser (L/D) des zylindrischen Sprengladungskerns im Bereich von LID = 1–5 liegt, und wobei das Verhältnis μ der Masse des Mantels (MM) zur Masse des Sprengladungskerns (MK) im Bereich von μ = 1,9 bis 3,3 liegt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind den nachgeordneten Ansprüchen zu entnehmen.
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Durch umfangreiche Versuchsreihen konnten Designrichtlinien erarbeitet werden, mit deren Hilfe der neuartige Ladungsaufbau entwickelt wurde, dessen einzelne Komponenten im Folgenden erfindungsgemäß definiert werden.
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Eine zylinderförmige Sprengladung hat sich als ausreichend erwiesen, um eine gute Blastleistung in Räumen zu erzeugen. Hierbei kann ein Ladungslängen- zu Außendurchmesser-Verhältnis (L/D) von 1–5 angestrebt werden, ohne Blastleistungs-Einbußen hinnehmen zu müssen. Nahe liegende äußere Formgebungen, die das Durchmischen mit der Luft theoretisch fördern könnten (beispielsweise Zick-Zack-Hüllenformen), bringen keine weiteren Vorteile.
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Der Sprengladungskern hat bei seiner Detonation die Aufgabe, den aus Metall bestehenden Mantel durch die durchlaufende Stoßwelle aufzuheizen, ihn zugleich zur Verbrennungs-Reaktion zu initiieren und ihn radial nach außen zu beschleunigen. Im weiteren Verlauf wird das teilweise brennende Metallpulver-Gemisch mit der Luft verwirbelt, so dass eine optimale schnelle Verbrennung von statten geht. Der Sprengladungskern soll also so brisant als möglich, aber auch unempfindlich sein. Kunststoffgebundene Sprengladungen (gegossen bzw. gepresst) mit 85–96 Gew.% HMX-Anteilen und 15–4 Gew.% Binderanteilen (bevorzugt HTPB) eignen sich am besten.
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Neben der Sprengladungsart des Sprengladungskerns ist dessen Masse (MK) relativ zur Mantelmasse (MM) der wichtigere und interessantere Parameter, da dieser tatsächlich optimiert und damit die Blastleistung maximiert werden kann:
Zum einen sollte die Kernladungsmasse so groß wie möglich sein, da dann die Geschwindigkeit und Durchwirbelung mit der Luft maximal ist: das Verhältnis μ = MM/MK ist in der Ballistik als so genanntes Gurney-Verhältnis bekannt und bestimmt die Geschwindigkeit der abgehenden Mantelmasse MM. Ein kleines μ ist für hohe Geschwindigkeiten gut.
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Zum anderen darf die Kernmasse aber auch nicht zu groß werden (das μ nicht zu klein), da sonst wiederum die Mantelmasse zu gering ist, diese aber für die hohe Blastleistung hauptverantwortlich ist.
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Ein μ-Bereich von 1.9 bis 3.3 hat sich als optimal herausgestellt. Massenverhältnisse außerhalb dieses Bereiches sind ebenfalls möglich, bei dann halt reduzierter Blastleistungsfähigkeit.
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Der Mantel mit der Masse MM bietet das größte Optimierungspotential hinsichtlich Blastleistung, aber auch hinsichtlich verfahrenstechnischer Belange, wie Reproduzierbarkeit etc..
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Das Material muss aus Metallpulvern hoher Verbrennungswärme bestehen. Prinzipiell kommen also alle Metallpulver hoher Verbrennungswärme in Frage, die bereits oben genannt wurden (z. B. Al, B, Si, Mg usw.). Diese können theoretisch als Brennstoff eingesetzt werden. In der Praxis ergeben sich allerdings weitere Auswahlkriterien und Merkmale, die gewisse Metallpulver vor anderen in dieser Anwendung auszeichnen. Diese Kriterien sind vielfältig.
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Aluminium-Pulver hat sich als bewährtes Material und als sehr gut geeignet hinsichtlich der Blastleistung herausgestellt. Die Korngrößenvariation ergab beste Werte bei mono-modalen Mischungen im Bereich von einigen Mikrometern (Mittelwert etwa 4 μm) und bei bi-modalen Mischungen mit noch einer zusätzlichen Komponente höherer Korngröße (Mittelwert etwa 35 μm), mit einem Anteil von grob:fein von typisch 2:1.
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Größere Körner können ebenfalls benutzt werden, brennen aber in der Regel zu langsam und zu lange, was sich negativ auf die Blastleistung auswirkt. Bei kleineren Körnern im Nanometer-Bereich kommt die ganze Palette an Problemen der Nano-Technologie zum Tragen: relative dicke Oxidschicht, hohe Kosten, schlechte Verarbeitbarkeit, hoher notwendiger Binderanteil, problematische Gesundheitsaspekte etc..
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Bor hat bzgl. hoher Verbrennungswärme deutliche Vorteile gegenüber allen anderen Metall-Pulvern. Die Zugabe von Aluminium-Pulver wirkt hier katalysierend. Die Testserie zeigte ähnlich gute Blastergebnisse wie mit Aluminium, sobald das Bor zu B/Al-Pulvermischungen im Verhältnis von etwa 1/5 bis 3/5, mit Maximum bei 2/5, verarbeitet wurde.
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Der aus Metallpulver bestehende Mantel hat in ungebundener Pulverform gewisse Vorteile bzgl. der Verbrennung. Die Hohlräume zwischen den Pulverkörnern wirken als so genannte „Hot-Spots” für die Initiierung der Verbrennung. Es ergeben sich allerdings auch deutliche Nachteile, die bewirken, dass das Pulver mit Kunststoff-Binder gebunden werden muss.
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Gebundene Pulver erzielen sogar weitere Vorteile:
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- • energetische Bindermaterialien liefern nicht nur Strukturfestigkeit, sondern nehmen auch am Verbrennungsprozess teil und liefern somit weitere Blastenergie.
- • Die Dichte des Mantelmaterials wird reproduzierbar und damit verbunden die Blastleistung konstant.
- • die Strukturfestigkeit des Mantel-Materials lässt kleinere äußere Hüllenwand-Stärken zu.
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Ein sehr gutes Ergebnis kann mit dem Binder HTPB (Hydroxyl-Terminiertes Polybutadien) erzielt werden. HTPB nimmt auch an der chemischen Reaktion teil. Die großen Vorteile aber sind die verfahrenstechnisch leichte Verarbeitbarkeit und die feste Phase des HTPB, erwirkt durch die ablaufende Polymerisation des Binders. Damit einher geht die Strukturfestigkeit. HTPB zeigt somit deutlich bessere Vorteile gegenüber DOA (Dioctyladipat) und IPN (Isopropylnitrat). Als geeignetste Zusammensetzung von Metall-Pulver zu HTPB haben sich Massen-% im Bereich von etwa 70% zu 30% ergeben, wobei einige Prozentpunkte in beiden Richtungen keine Resultatsverschlechterung ergeben.
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Es genügt somit die gesamte Mantelladung (Kern und Mantel) zum Schutz in z. B. dünne Aluminium-Hüllen einzulaborieren. Der feste Mantel gibt genügend Strukturfestigkeit um Handlings/Transport-, Abschuss- und Perforations-Belastungen widerstehen zu können.
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Ein zweites völlig anderes Konzept der Bindung und des Schutzes der Metallpulver-Matrix ist deren Sinterung, ohne Zugabe von organischen Bindermaterialien wie z. B. HTPB. Das Sinterungsverfahren ist nicht das klassische Verfahren, das zu einem kontinuierlichen porenfreien Metallstück führt, sondern vielmehr dergestalt, dass eine starke Stoßwelle (verursacht durch die Detonation der Kernladung) das teilgesinterte Metallpulver wieder in seine einzelnen Bestandteile zerlegt, wodurch seine anschließende Verbrennung unbehindert ablaufen kann. Die Machbarkeit derartiger Sintertechnologien wurde bereits experimentell erbracht. Es handelt sich hierbei um eine Art „Verklebung” (durch Anschmelzung) der einzelnen Metallpartikel.
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Die so gesinterte Metallpulver-Hülle verleiht der Ladung analog zum Verfahren mit HTPB-Binder Strukturfestigkeit. Darüber hinaus weist diese Sintermatrix zusätzlich Luftporen auf, die als „Hot Spots” wirken und die Verbrennung dadurch weiter anregen und unterstützen. Es kann die komplette Metallpulver-Hülle auf diese Weise gesintert werden, oder aber nur der äußere Bruchteil, der für die Strukturfestigkeit maßgeblich ist.
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Bei Bedarf kann auch hier eine dünne Al-Abschlußhülle zum erweiterten Schutz der Ladung vorgesehen werden.