DE102020120850B4

DE102020120850B4 - Verfahren zur Herstellung eines thermisch stabilen Leitwerks sowie entsprechendes Leitwerk

Info

Publication number: DE102020120850B4
Application number: DE102020120850.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Baumann; Gert Schlenkert; Thomas Heitmann; Konstantin Arzt
Original assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Current assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 2020-08-07
Filing date: 2020-08-07
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2040-08-08
Also published as: EP4193115A1; WO2022028798A1; DE102020120850A1; EP4193115B1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines thermisch stabilen Leitwerks,dadurch gekennzeichnet,dass eine Ronde (3) mit einer Verjüngung (6) versehen wird,dass ein Kegel (1) mit einem Hohlraum (2) und einer Verjüngung (5) versehen wird,dass die Ronde (3) aus einem Material mit einer geringeren Dichte gefertigt ist, als der Kegel (1),dass die Ronde (3) in den Hohlraum (2) eingebracht wird,dass die Ronde (3) mit dem Kegel (1) durch Reibschweißen verbunden wird und somit eine Verbindung (8) eingeht und das Leitwerk derart aus dem Verbund von Ronde (3) und Kegel (1) durch ein Fräsverfahren herausgearbeitet wird, so dass ein Flügelkern (11) aus dem Material der Ronde (3) und eine Flügelkante (10) aus dem Material des Kegels (1) entsteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch stabilen Leitwerks sowie ein entsprechendes Leitwerk. Entsprechende Leitwerke werden bei Flugkörpern benötigt, beispielsweise bei Munitionen, um deren Flugeigenschaft zu stabilisieren und/oder zu verbessern sowie deren aerodynamische Stabilität zu gewährleisten.
Insbesondere werden KE-Munitionen (KE bedeutet „kinetische Energie“) häufig mit entsprechenden Leitwerken ausgestattet. Um dabei eine akzeptable Mündungsgeschwindigkeit erzielen zu können, ist es zwingend erforderlich, die Totmasse des Flugkörpers zu reduzieren, da Flugkörper mit geringeren Massen eine höhere Reichweite erzielen können. Die Totmasse ist dabei die Masse der Munition, welche keine Geschosswirkung erzielt.
Dazu ist bekannt, dass Teile des Flugkörpers, beispielsweise das Leitwerk, aus leichten Materialien, also Materialien mit geringer Dichte, ausgebildet sind. So ist bekannt, das Leitwerk aus Aluminium zu fertigen, da Aluminium eine geringe Dichte aufweist und somit ein Leichtmetall, also ein leichtes Material darstellt.
Als nachteilig bei solchen Leitwerken aus Aluminium hat sich jedoch erwiesen, dass die Flügelkanten der Leitwerke nach relativ kurzer Flugzeit, aufgrund der Geschwindigkeit der anströmenden Luft, extrem stark aufgeheizt werden. Dies führt im Extremfall zum vollständigen Abbrand der Flügel. Der Flugkörper verliert somit seine aerodynamische Stabilität und gegebenenfalls seine Flugfähigkeit.
Ebenso können beim Beispiel von Munitionen als Flugkörper die Flügelkanten dadurch aufgeheizt werden, dass Reibung beim Durchgang durch das Rohr, aus welchem die Munition verschossen wird, auf die Flügelkanten wirkt. Gleichfalls werden bei einigen Munitionen die Flügel beim Abschuss durch ein Pulverbett der Treibladung geführt, was zu weiterer Reibung bis hin zu Abrasion der Flügelkanten führen kann.
Modernere Flugkörper gleichen diesen Nachteil durch entsprechende Werkstoffauswahl für das Leitwerk aus. So kommt hier primär Stahl zum Einsatz. Ein derartig ausgestatteter Flugkörper weist im Vergleich zum oben beschriebenen Flugkörper mit Aluminiumleitwerk jedoch ein höheres Gewicht auf, da Stahl eine höhere Dichte als Aluminium aufweist.
Dazu ist beispielsweise aus der EP 0 300 373 A2 ein flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss bekannt, welches entweder ein Leitwerk aus Stahl oder aus Aluminium besitzt.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik beschichtete Aluminiumleitwerke bekannt, wobei beispielsweise Keramik als Beschichtung der Aluminiumleitwerke fungiert. Eine solche Beschichtung erfordert jedoch einen hohen fertigungstechnischen Aufwand und erzeugt somit höhere Kosten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung eines thermisch stabilen Leitwerks sowie ein entsprechendes Leitwerk zu offenbaren, welches die vorgenannten Nachteile überwindet. Das hier vorgeschlagene Leitwerk, sowie das Verfahren zur Herstellung desselben, soll eine möglichst geringe Masse aufweisen, aber Schutz vor Abrasion der Flügelkanten während der Beschleunigungsphase im Rohr und Erhitzung durch Luftreibung beim Flug bieten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 sowie die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 9 gelöst.
Somit wird zur Herstellung eines thermisch stabilen Leitwerks vorgeschlagen, dass eine Ronde mit einer Verjüngung versehen wird und ebenso ein Kegel mit einer Verjüngung versehen wird. Die erfindungsgemäße Ronde ist dabei bevorzugt wie ein Kegelstumpf geformt und massiv gestaltet. Der erfindungsgemäße Kegel ist ebenfalls wie ein Kegelstumpf geformt und weist einen Hohlraum auf.
Der Hohlraum ist dabei so im Kegel angeordnet, dass er die Ronde zumindest teilweise in sich aufnehmen kann. Bevorzugt sind die schrägen Seiten der Ronde sowie die schrägen Innenflächen des Kegels derart gestaltet, dass bei Einbringung der Ronde in den Kegel diese Seiten sich flächig berühren.
Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass die Ronde mit dem Kegel eine Verbindung eingeht und zwar an den sich berührenden Seitenflächen. Erfindungsgemäß wird dazu vorgeschlagen, dass die Verbindung als eine Reibschweißverbindung oder als eine Kombination von einer Reibschweißverbindung und einer form- oder kraftschlüssigen Verbindung ausgeführt wird, insbesondere durch Reibschweißen. Es wird vorgeschlagen, dass das Reibschweißen durch Rotation eines der Körper geschieht, entweder des Kegels oder der Ronde. Es ist auch möglich, beide Körper rotieren zu lassen, nämlich gegeneinander, um eine Reibschweißung zu ermöglichen. Dafür sind spezielle Reibschweißgeräte bekannt.
Zur Reibschweißung werden während der Rotation die beiden Körper mit ihren sich berührenden Seitenflächen aneinander gerieben, sodass Reibungswärme entsteht. Durch diese Reibungswärme wird das Material an den sich berührenden Seitenflächen zumindest teilweise derart erhitzt, dass eine Verbindung zwischen den beiden Körpern entsteht.
Aus dem so entstandenen Verbund von Ronde und Kegel kann dann anschließend das Leitwerk herausgearbeitet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieses herausarbeiten durch ein spanendes Verfahren, bspw. ein Fräsverfahren, realisiert.
Um das Gewicht des Leitwerks möglichst gering zu halten, wird vorgeschlagen die Ronde aus einem Material mit geringerer Dichte auszuführen als der Kegel. Beispielsweise könnte die Ronde aus Aluminium, Magnesium oder einem anderen Leichtmetall bestehen. Entsprechend wird vorgeschlagen, den Kegel aus Stahl, Wolfram oder Ähnlichem auszuführen.
Nach dem Herausarbeiten besteht dann das erfindungsgemäße Leitwerk aus einem Kern der dem Material der Runde entspricht und einer Beschichtung, der dem Material des Kegels entspricht.
Bevorzugt wird vorgeschlagen, dass das Material des Kegels eine höhere Thermostabilität aufweist, als das Material der Ronde. Damit wird sichergestellt das bei Luftreibung, die auf das Leitwerk wirkt kein Abbrand desselben geschieht.
Für die Reibschweißung wird weiterhin bevorzugt vorgeschlagen, dass der Kegel sowie auch die Ronde achssymmetrisch ausgestattet sind und eine Mittelachse aufweisen. Bei Einbringung der Ronde in den Innenbereich des Kegels weisen beide Körper dann eine gemeinsame Mittelachse auf.
Mit dieser Ausgestaltung ist eine einfache Reibschweißung möglich, in dem einer der Körper in Rotation versetzt wird. Dies kann beispielsweise durch eine Drehmaschine geschehen oder durch das vorgenannte Reibschweißgerät.
Das durch das vorgenannte Herstellungsverfahren hergestellte Leitwerk umfasst dann einen Flügelkern und eine Flügelkante, wobei der Flügelkern aus dem Material der Ronde besteht und die Flügelkanten aus dem Material des Kegels.
Bevorzugt wird vorgeschlagen, ein erfindungsgemäßes Leitwerk an einer Munition anzubringen, bevorzugter Weise an KE-Munition. Dazu kann das erfindungsgemäße Leitwerk mittels mechanischer Fügung an der Munition angebracht werden oder es sind Befestigungsmittel am Leitwerk vorgesehen das Leitwerk an der Munition anzubringen.
Durch das vorgenannte Verfahren sowie das entsprechende Leitwerk werden die Vorteile eines leichten Leitwerks realisiert wie beispielsweise eine höhere Reichweite eines entsprechenden Flugkörpers. Die höhere Dichte sowie auch die höhere Thermostabilität der Flügelkante sorgen für ein späteres Abbrennen der Flügel, bzw. verhindern dies. Ebenfalls werden durch die höhere Dichte bei Flugkörpern wie Munitionen Ausbrüche an den Flügelkanten beim Rohrdurchgang bzw. beim Weg durch das Pulverbett verhindert.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

1: Eine erfindungsgemäße Ronde sowie einen erfindungsgemäßen Kegel;
2: Einen erfindungsgemäßen Verbund von Ronde und Kegel;
3: ein erfindungsgemäßes Leitwerk an einer Munition angebracht.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Ronde 3, welche massiv 4 gestaltet ist und einen erfindungsgemäßen Kegel 1 mit einem Hohlraum 2 aufweist. Bevorzugt ist der Kegel 1 aus einem härteren Material gefertigt als die Ronde 3. Das bedeutet, dass das Material des Kegels 1 eine höhere Dichte aufweist, als das Material der Ronde 3. Bevorzugt ist das Material des Kegels 1 auch thermostabiler als das Material der Ronde 3.
Beide Körper, also Kegel 1 und Ronde 3 sind als Kegelstümpfe ausgebildet und weisen Verjüngungen 5, 6 auf. Die Verjüngungen 5, 6 sind derart gestaltet, dass die Ronde 3 in den Hohlraum 2 des Kegels einbringbar ist. Bevorzugt berühren sich die Seitenflächen der Verjüngungen 5, 6 nach Einbringung.
Beide Körper 1, 3 weisen eine Mittelachse 7 auf, so dass, nach Einbringung der Ronde 3 in den Hohlraum 2 des Kegels beide Körper 1, 3 eine gemeinsame Mittelachse 7 aufweisen.
Die in den Hohlraum 2 des Kegels 1 eingebrachte Ronde 3 ist in 2 dargestellt. Beide Körper 1, 3 besitzen nun die gemeinsame Mittelachse 7, während die Verjüngungen 5, 6 zueinander ausgerichtet sind. Die beiden sich verjüngenden Seitenflächen der Kegelstümpfe stehen in Kontakt zueinander.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines thermisch stabilen Leitwerks wird nun eine Verbindung 8 durch Reibschweißen hergestellt, welche bevorzugt umlaufend um die sich verjüngenden Seitenflächen verläuft.
Bevorzugt wird dazu vorgeschlagen, die Reibschweißung durch Rotation einer der Körper (1, 3) durchzuführen. Dabei reibt der rotierende Körper an dem nicht rotierenden Körper (1, 3). Durch diese Reibung entsteht Reibungswärme, welche die Reibschweißung und somit die Verbindung 8 verursacht. Es können auch beide Körper gegeneinander rotiert werden.
Die so verbundenen Körper können nun derart mechanisch bearbeitet werden, dass ein Leitwerk entsteht. Dazu wird ein Fräsverfahren vorgeschlagen, durch welches aus dem Verbund der beiden Körper 1, 3 ein Leitwerk mit einem Flügelkern 11 und einer Flügelkante 10 aufweist.
Bevorzugt kann das so erschaffene Leitwerk symmetrisch gestaltet sein und mehrere Flügelkanten 10 aufweisen.
Es wird vorgeschlagen, dass so erfindungsgemäße Leitwerk an einem Flugkörper, insbesondere einer Munition anzubringen. Dazu kann die Anbringung durch mechanische Fügung geschehen oder durch dafür am Leitwerk vorgesehene Befestigungsmittel.
Als besonders Wirksam hat sich das erfindungsgemäße Leitwerk an KE-Munition erwiesen. Durch das vorgenannte Verfahren zur Herstellung ist eine einfachste Herstellung möglich bei gleichzeitiger thermostabiler Ausführung. Durch die Ausführung des Flügelkerns in Leichtbauweise ist ebenfalls eine hohe Flugweite des Flugkörpers gewährleistet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Merkmale begrenzt. Vielmehr sind weitere Ausbildungen denkbar. So könnte die Ronde bzw. der Flügelkern aus Titan bestehen oder der Kegel bzw. die Flügelkanten aus Karbiden bestehen. Weiterhin könnten sich Ronde und Kegel nur teilweise berühren, um beide Materialen in Bereichen auf Abstand zu halten.
Bezugszeichenliste

1: Kegel
2: Hohlraum
3: Ronde
4: Massiv
5: Verjüngung von 1
6: Verjüngung von 3
7: Mittelachse
8: Verbindung
10: Flügelkante
11: Flügelkern
20: Munition

Claims

Verfahren zur Herstellung eines thermisch stabilen Leitwerks, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ronde (3) mit einer Verjüngung (6) versehen wird, dass ein Kegel (1) mit einem Hohlraum (2) und einer Verjüngung (5) versehen wird, dass die Ronde (3) aus einem Material mit einer geringeren Dichte gefertigt ist, als der Kegel (1), dass die Ronde (3) in den Hohlraum (2) eingebracht wird, dass die Ronde (3) mit dem Kegel (1) durch Reibschweißen verbunden wird und somit eine Verbindung (8) eingeht und das Leitwerk derart aus dem Verbund von Ronde (3) und Kegel (1) durch ein Fräsverfahren herausgearbeitet wird, so dass ein Flügelkern (11) aus dem Material der Ronde (3) und eine Flügelkante (10) aus dem Material des Kegels (1) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung (8) als eine Kombination aus stoffschlüssiger Reibschweißverbindung und kraftschlüssiger oder formschlüssiger Verbindung ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Ronde (3) Aluminium ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kegels (1) Stahl ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Kegels (1) eine höhere Thermostabilität aufweist, als das Material der Ronde (3).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ronde massiv (4) gestaltet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegel (1) und die Ronde (3) eine Mittelachse aufweisen und achssymmetrisch gestaltet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibschweißung durch Rotation der Ronde (3) und/oder des Kegels (1) ausgeführt wird.
Leitwerk für eine Munition, hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitwerk einen Flügelkern (11) und eine Flügelkante (10) aufweist.
Leitwerk nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügelkern (11) aus Teilen der Ronde (3) besteht und die Flügelkanten aus Teilen des Kegels (1).
Munition (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitwerk nach einem der Ansprüche 9 oder 10 an der Munition angeordnet ist.