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Die vorliegende Erfindung betrifft ein skalierbares Wirksystem sowie einen Gefechtskopf mit einem derartigen Wirksystem.
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Während in der Vergangenheit im Zusammenhang mit Gefechtsköpfen häufig eine Maximierung der Wirkung im Vordergrund stand, sind in jüngerer Zeit zunehmend Gesichtspunkte zur Flexibilisierung der Wirkung in den Fokus gerückt. Da viele derzeitige Wirksysteme auch nach wie vor keinerlei Wahlmöglichkeit zur Anpassung der Wirkung an das zu bekämpfende Ziel aufweisen, wird vermehrt nach Lösungen mit verbesserter Flexibilität hinsichtlich der Wirkungsausprägung gesucht. Beispielsweise sind bereits Systeme bekannt, welche mit Hilfe von unterschiedlichen Mehrfachzündungen zwischen verschiedenen Wirkmodi hin- und herschalten können, um ein hohes Maß an Flexibilität zu erreichen. In diesem Zusammenhang ist beispielsweise das Projekt „Low Cost Autonomous Attack System“ (LOCAAS) der United States Air Force zu nennen.
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Ein Aspekt in dieser Hinsicht ist die sogenannte „Skalierbarkeit“ der Wirkung, d.h. die Fähigkeit eine Wirkung in möglichst vielen Abstufungen einstellen zu können. So setzten sich beispielsweise die Druckschriften
US 7,347,906 B1 und
DE 10 2013 011 404 B4 das Ziel, eine mehr oder weniger kontinuierliche Skalierung der Ladungsleistung herbeizuführen, indem eine Detonationsschnur mittig in eine Hauptladung eingebracht und zeitlich vorgelagert zu der Hauptladung gezündet wird. Dabei soll die Zündung der Detonationsschnur in der Hauptladung eine kontrollierte und sich möglichst gleichmäßig verteilende subdetonative Reaktion hervorrufen, d.h. eine chemische Teilumsetzung der Sprengladung (auch als Deflagration bezeichnet). Nach einer kurzen Zeitspanne (typisch 50 - 100 µsec) wird durch separate Zündung eine Detonation in dem noch nicht umgesetzten Anteil der Hauptladung ausgelöst. Durch geschickte Wahl dieser Verzögerungszeit sollen sich unterschiedliche Leistungsmerkmale ergeben.
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Die Skalierbarkeit steht und fällt hierbei mit dem Erfolg einer solchen deflagrativen (Teil-) Umsetzung. Dabei gilt es einerseits eine verfrühte detonative Umsetzung der gesamten Hauptladung durch den Deflagrationsprozess zu vermeiden. Andererseits sollte die Detonationsschnur stark genug ausgelegt sein, damit der Deflagrationsprozess nicht vorzeitig beendet wird. Weiterhin wird eine mögliche Auslegung durch ein potentiell frühzeitiges Beschleunigen oder sogar Aufreißen der Ladungshülle im Zuge der Deflagration eingeschränkt, welche ebenfalls zu einem vorzeitigen Erliegen einer stabilen Deflagration führen kann.
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Andere Strategien werden beispielsweise in den Druckschriften
DE 102 27 002 B4 und
DE 10 2005 031 588 B3 verfolgt. In ersterer wird ein Teil der Hauptladung durch eine zusätzliche axiale Ladung zerrüttet. In der zweiten Druckschrift wird die Hauptladung durch radial angebrachte Detonationsschnüre in einen mittigen Hohlraum verfrachtet. In beiden Fällen soll derart die Leistungsfähigkeit und damit die Wirkung selektiv eingeschränkt werden. Ein weiteres Beispiel in dieser Richtung ist die Druckschrift
DE 10 2008 027 900 B4 . Hier wird eine Sprengladung mit vielen Poren versetzt und damit in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt. Durch zusätzliche Ladungen kann diese nun axial oder radial verdichtet werden, um die volle Leistungsfähigkeit wiederherzustellen.
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Diesen Konzepten ist der zusätzliche parasitäre Platzbedarf gemein (Zusatzladung, Hohlraum, Poren), welcher die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems reduziert bzw. Zusatzmasse und/oder Zusatzvolumen erfordert. Ferner werden im Grunde lediglich zwei mögliche Zustände bereitgestellt, nämlich „zerrüttet/nicht zerrüttet“ bzw. „verdichtet/nicht verdichtet“. Auch in diesen Lösungen gilt es, ein potenziell frühzeitiges Aufreißen der Ladungshülle zu verhindern.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, praktisch umsetzbare Lösungen für eine möglichst graduelle Skalierung einer Wirkladung zu finden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein skalierbares Wirksystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Gefechtskopf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
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Demgemäß ist ein skalierbares Wirksystem vorgesehen. Das skalierbare Wirksystem umfasst eine Systemhülle; eine Skalierungsladung innerhalb der Systemhülle mit einem ersten Zündsystem zur Zündung der Skalierungsladung, wobei die Skalierungsladung dazu angeordnet und ausgebildet ist, die Systemhülle bei Zündung auswärts zu beschleunigen; und eine Hauptladung innerhalb der Systemhülle mit einem zweiten Zündsystem zur Zündung der Hauptladung, wobei das zweite Zündsystem dazu ausgebildet ist, die Hauptladung mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber der Zündung der Skalierungsladung durch das erste Zündsystem zu zünden, wobei die zeitliche Verzögerung derart gewählt ist, dass die Systemhülle vor der Zündung der Hauptladung aufgrund der Beschleunigung durch die gezündete Skalierungsladung zumindest eine vordefinierte Aufweitungsgeschwindigkeit erreicht.
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Ferner ist ein Gefechtskopf mit einem erfindungsgemäßen skalierbaren Wirksystem vorgesehen.
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Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine spezielle zusätzliche Ladung in einem Wirksystem bereitzustellen, welche die Aufgabe hat, die Hülle des Systems vorzubeschleunigen bzw. abzusprengen, bevor die eigentliche Wirkladung gezündet wird. Die Hülle kann dabei durch eine geeignete Anordnung und Auslegung dieser zusätzlichen Ladung beispielsweise auf Aufweitungsgeschwindigkeiten von mehreren Hundert Metern pro Sekunde, z.B. 300 - 500 m/sec, beschleunigt werden, bevor die Hauptladung gezündet wird (und anschließend für eine weitere Beschleunigung und ggf. Fragmentierung der Hülle sorgt). Durch das Aufweiten der Hülle nimmt dabei die Ladungsdichte des Wirksystems ab und mit ihr dessen Detonationsgeschwindigkeit sowie dessen Detonationsdruck. Durch geeignete Wahl der zeitlichen Verzögerung zwischen der Zündung der Skalierungsladung und der Hauptladung kann somit die Detonationsleistung des Systems praktisch stufenlos skaliert werden.
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Der Detonationsdruck der Hauptladung kann die Hülle anschließend auf die sogenannte Splittergeschwindigkeit bringen, wo diese dann spätestens aufreißt und in einzelne Splitter fragmentiert (über statistische Splitterbildung einer massiven Hülle und/oder über kontrollierte Splitterbildung mittels eingearbeiteter Bruchstellen) und/oder solche freisetzt (im Falle einer Füllung mit vorgeformten Splittern, sogenannten Konstruktions-Splittern). Dabei vermeidet die vorliegende Erfindung bewusst die Notwendigkeiten einer nur schwer zu realisierenden kontrollierten Deflagration (bei welcher eine vorzeitige Beschleunigung der Hülle zu vermeiden ist) sowie einer Zerrüttung und/oder einer Komprimierung der Hauptladung mit den damit verbundenen parasitären Massen und/oder Volumina (die vorliegende Skalierungsladung ist dementgegen Teil der explosiven Masse des Wirksystems).
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Bei einer typischen Sprengladung für einen Splittergefechtskopf wird die splittererzeugende Hülle auf Geschwindigkeiten beschleunigt, die durch die Gurney-Theorie vorgegeben ist zu v = vG / V((1/2 + M/C)), wobei vG die Gurney-Geschwindigkeit (intrinsisch, abhängig von Sprengladungstyp), M die Hüllenmasse und C die Sprengladungsmasse bezeichnen. Das Verhältnis µ := M/C wird gemeinhin auch als Gurney-Verhältnis bezeichnet und beeinflusst als wichtiger Auslegungsparameter den notwendigen Energiebedarf, den das vorliegende Skalierungssystem zur Verfügung stellen sollte. Da es eine Vielzahl von Wirksystemen gibt, kann µ in hohem Maße variieren, z.B. von µ = 0.1 oder geringer bis hin zu 5 oder höher, also mindestens um den Faktor 50. Beispielsweise haben blast/druck-optimierte Gefechtsköpfe eher dünne Hüllen (niedriges µ), wohingegen typische Penetrator-Ladungen dicke und hochfeste Stahlhüllen erfordern (hohes µ), um den Penetrations-Vorgang unbeschadet zu überstehen. Dieses breite Feld an Varianten hat erwartungsgemäß relevante Auswirkungen auf die mögliche Designvielfalt von derartigen Skalierungssystemen.
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Die Skalierungsladung kann prinzipiell dasselbe oder ein ähnliches detonatives Material wie die Hauptladung aufweisen, solange dieses die Aufgabe erfüllt, die Ladungshülle auf die notwendige Aufweitungsgeschwindigkeit zu beschleunigen. Typischerweise sind die hierzu notwendigen Ladungen deutlich größer („dicker“) auszuführen, als dies zur Erzielung einer Deflagration notwendig wäre. Dafür muss die Hauptladung nicht mehr so brisant mit hohen Detonationsdrücken ausgelegt sein, da eine Deflagration zu vermeiden ist. Hierdurch kann auch die Empfindlichkeit der Hauptladung geringer gehalten werden, was dem Bestehen von Sicherheitstests entgegenkommt (wie beispielsweise Beschussversuche).
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Skalierungsladung ferner dazu angeordnet und ausgebildet sein, die Systemhülle bei Zündung zu fragmentieren. Hierbei kann die zeitliche Verzögerung der Zündung der Hauptladung derart gewählt sein, dass die Systemhülle vor der Zündung der Hauptladung aufgrund der Einwirkung durch die gezündete Skalierungsladung fragmentiert.
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In dieser Weiterbildung nutzt das vorliegende System somit zwei Aspekte aus, um die Wirkleistung zu skalieren, einerseits eine Beschleunigung der Hülle auf die Aufweitungsgeschwindigkeit, andererseits eine Fragmentierung bzw. ein Aufreißen der Hülle. Der zweite Aspekt bewirkt dabei eine Spaltbildung zwischen den Hüllenteilen. Es versteht sich dabei, dass die Hauptladung die Hülle anschließend nach ihrer zeitverzögerten Zündung weiter bzw. vollständig fragmentieren kann, z.B. um eine Splitterwirkung hervorzurufen. Die Skalierungsladung kann hierbei lediglich für eine erste Vor- bzw. Teilfragmentierung sorgen.
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Damit tritt zu dem bereits erwähnten Gurney-Verhältnis als weiterer wichtiger Auslegungsparameter die Festigkeit der Systemhülle hinzu, z.B. eine Metallhülle. Hier ist zu unterscheiden zwischen dicken, kontinuierlichen und/oder hochfesten Hüllen aus Stahl oder aus einem ähnlichem Material auf der einen Seite und Hüllenladungen auf der anderen Seite, welche mit vorgeformten Konstruktions-Splittern belegt sind, die nicht mechanisch miteinander verbunden sind und somit keine Festigkeit aufweisen. Beide Parameter beeinflussen in hohen Maßen den notwendigen Energiebedarf, den das Skalierungs-System zur Verfügung stellen sollte.
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Wird nun die Hauptladung nach der Verzögerungszeit initiiert, so tragen Bereiche der Hauptladung, welche unterhalb bzw. innerhalb der in der Hülle gebildeten Lücken liegen, nicht mehr relevant zu der weiteren Beschleunigung der Splitterhülle bei, sondern können lediglich den Blast-/Druckeffekt des Wirksystems beeinflussen.
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Bereits bei leichten Reaktionen der Hauptladung können sich bildende Reaktionsgase durch die erwähnten Lücken in der Hülle entweichen. Dieser sich als Verlustfaktor niederschlagende Effekt wird auch mit dem englischen Begriff „Venting“ bezeichnet. Beschrieben werden derartige Venting-Effekte in der Literatur mittels der sogenannten erweiterten Fano-Theorie. Hierbei kann ein Venting-Faktor λ zwischen 0 und 1 definiert werden, welcher eine Variation von Splitter-Energie und Blast-Energie charakterisiert, λ = 0 kann einen hundertprozentigen Verlust der Energie der Hauptladung für die Splitterwirkung beziffern, d.h. eine reine Blast-Leistung ohne Splitter-Leistung. λ = 1 hingegen würde in dem Fall einen vernachlässigbaren Verlust von 0% bezeichnen, d.h. eine Standard Splitter-/ Blast-Leistung.
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Simulationen und experimentelle Messungen dieser Effekte zeigen hierbei, dass die beiden obigen Leistungsparameter, d.h. Splitter-Energie und Blast-Energie, gegensätzlich skalieren. Wenn also beispielsweise die Splittergeschwindigkeit herunter skaliert wird, wird gleichzeitigt der Blast hoch skaliert. Hierbei ist zu beachten, dass ein Blast-Effekt normalerweise lediglich lokal am Einsatzort des Systems wirkt.
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So kann es in einem MOUT-Szenario (englisch: „Military Operations in Urban Terrain“) als konkretem Beispiel Aufgabe sein, ein MOUT-Ziel zu neutralisieren (z.B. ein leicht gepanzertes Fahrzeug in einer Häuserschlucht). Dabei soll die Splittergeschwindigkeit herunter skaliert werden, um möglichst keine weit fliegenden Splitter zu erzeugen, die ungewünschte Kollateralschäden, z.B. an Gebäuden, verursachen könnten. Gleichzeitig nimmt in diesem Fall lokal der Blasteffekt zu und trägt so zur erhöhten Wirkung auf das militärische Ziel bei.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Hauptladung zwischen der Skalierungsladung und der Systemhülle angeordnet sein.
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Eine mittige Anbringung der Skalierungsladung ist dabei unter anderem technisch leicht zu realisieren und herzustellen, nicht zuletzt hinsichtlich des Zündsystems. Da bei Zündung der Skalierungsladung somit die Hauptladung samt der Hülle beschleunigt wird, wird gewissermaßen nebenbei eine Dichtereduktion der Hauptladung realisiert. Falls chemische Zusatzenergie aus der Hauptladung benötigt wird, z.B. um die Hülle zu fragmentieren, so kann diese leichter aktiviert werden (höhere Schock-Belastungen/-Reflexionen in der Hauptladung). Eine Lückenbildung zwischen Hauptladung und Hülle kann hierbei ausgeschlossen werden.
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In einer konkreten Weiterbildung kann die Skalierungsladung als axial verlaufender Kern und die Hauptladung als radialer Ring um die Skalierungsladung herum ausgebildet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung kann die Skalierungsladung zwischen der Hauptladung und der Systemhülle angeordnet sein.
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Eine äußere Anbringung der Skalierungsladung ergibt dabei unter anderem den Vorteil, dass lediglich die Hülle beschleunigt werden muss (nicht jedoch die Hauptladung wie im Falle einer mittigen Anordnung der Skalierungsladung) und die Skalierungsladung somit kleiner gehalten werden kann. Die Hauptladung ist aufgrund der geringeren Schock-Belastung weniger suszeptibel gegenüber ungewollten chemischen Reaktionen.
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In einer konkreten Weiterbildung kann die Hauptladung als axial verlaufender Kern und die Skalierungsladung als radialer Ring um die Hauptladung herum ausgebildet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Wirksystem ferner eine Ladungsdämpfungsschicht aufweisen, welche die Skalierungsladung und die Hauptladung voneinander separiert und dazu ausgebildet ist, Detonationsschockwellen von der Skalierungsladung in die Hauptladung hinein zumindest abzudämpfen.
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Als Material für eine derartige Dämpfungsschicht bzw. -schichten kommen beispielsweise Materialien in Frage, die geringe Dichten aufweisen, z.B. typische Kunststoffe, wodurch sich Impedanz-Sprünge und damit Schockwellen-Reflexionen ergeben (Impedanz I = Schockgeschwindigkeit Us, multipliziert mit der Dichte p: I = pUs), oder Poren/Leerräume beinhalten, durch deren Verdichtung Energie aus auftretenden Schockwellen entnommen wird. Hierzu können beispielsweise auch pulverförmige Füllungen genutzt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann das Wirksystem ferner eine Hüllendämpfungsschicht aufweisen, welche als Grundierung der Systemhülle dazu ausgebildet ist, inwärtige Reflexionen von Detonationsschockwellen an der Systemhülle zumindest abzudämpfen.
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Prinzipiell kommen hierbei ähnliche Materialien wie für die Ladungsdämpfungsschicht in Betracht. Eine zusätzliche Dämpfungsschicht an der Außenhülle kann dabei einen weiteren Designparameter zur Verfügung stellen, um die Auslegungsflexibilität zu erhöhen. Beispielsweise können Schockwellen und lokal-begrenzte chemische Reaktionen in der Hauptladung (ausgelöst durch die Zündung der Skalierungsladung) grundsätzlich zur fein abgestimmten Steuerung und als zusätzliche Energielieferanten für die Hüllenbeschleunigung genutzt werden. Eine Dämpfungsschicht kann nun dazu genutzt werden, diese Effekte geeignet auszulegen, z.B. indem Reflexionen von Schockwellen unterdrückt werden. Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, dass durch derartige Dämpfungsschichten an der Außenhülle auch die Splitter-Ballistik beeinflusst werden kann.
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Eine äußere Dämpfungsschicht kann sich nun in zweierlei Hinsicht auswirken. Zum einen werden ankommende Schockwellen wie beabsichtigt gedämpft. Schockwellen können allerdings Mikro-Defekte in Metallhüllen erzeugen (Mikro-Risse, Versetzungen, Versetzungs-Zwillinge, Phasenübergänge etc.). Diese Mikro-Defekte wiederum können Einfluss auf die Fragmentierung und damit auf die Splittergröße haben, d.h. auf einen wichtigen Leistungsparameter. Werden also Schockwellen gedämpft, so werden auch die Mikro-Defekte verändert und damit das Fragmentierungsverhalten.
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Zum anderen kann die Dämpfungsschicht den Abgangswinkel der Splitter und damit die Splitterdichte beeinflussen. Eine Abhängigkeit kann erwartet werden, da der Abgangswinkel θ (sogenannter „Taylor-Winkel“) eines mit einer Sprengladung gefüllten Zylinders zu tanθ = v/D berechnet werden kann, wobei v die Geschwindigkeit der Metall-Hülle und D die Detonationsgeschwindigkeit ist. Eine Dämpfungsschicht kann durch ihre dämpfende Wirkung auf beide Größen Einfluss nehmen. Beispielsweise erhält man deutlich unterschiedliche Splitter-Abgangswinkelverteilungen beim Einsatz einer Metall-Pulverschicht im Vergleich zu einer Referenzladung ohne derartige Dämpfungsschicht.
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Zusammenfassend kann eine äußere Dämpfungsschicht somit Einfluss auf Schockwellenreflexionen und damit auf die verfügbare chemische Zusatzenergie haben sowie auf die Dämpfung von Schockwellen und damit auf Dehnraten bzw. die Hüllenfragmentierung sowie auf Splitter-Abgangswinkel.
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In einer konkreten Weiterbildung kann die Ladungsdämpfungsschicht und/oder die Hüllendämpfungsschicht einen Kunststoff, ein poröses Material und/oder ein Metallpulver umfassen.
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Gemäß einer Weiterbildung können das erste Zündsystem und das zweite Zündsystem an unterschiedlichen oder an derselben Stirnseite des Wirksystems angeordnet sein.
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Eine Anordnung beider Zündsysteme auf der gleichen Stirnseite der Ladungen bietet Vorteile hinsichtlich Leistungs-Fähigkeit und Symmetrie. Nichtsdestotrotz können leichte Asymmetrien in der Splitterleistung dennoch auftreten, da die beiden Detonationsgeschwindigkeiten von Skalierungsladung und Hauptladung unterschiedlich sein können, selbst wenn sie aus dem gleichen Material bestehen. Die Skalierungsladung kann beispielsweise mit einer (intrinsischen) DetonationsGeschwindigkeit von 7.5 mm/µsec detonieren. Die Hauptladung kann hingegen mit reduzierter Detonationsgeschwindigkeit, abhängig von der gewählten Verzögerungszeit, auslösen. Je nach Auslegung und System kann die Detonationsgeschwindigkeit aufgrund einer Dichteabnahme sehr viel geringer sein, beispielsweise nur 3.0 mm/µsec.
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Nimmt man also beispielsweise eine Aufweitungsgeschwindigkeit der Hülle von 300 m/sec = 0.3 mm/µsec und eine Ladungslänge von 200 mm an, so benötigen die Detonationen 200 / 7.5 = 27 µsec bzw. 200 / 3.0 = 67 µsec für die Strecke, was einen Unterschied von 40 µsec ergibt. Bei einer eingestellten Verzögerungszeit von beispielswese 300 µsec hätte die Hülle einen Aufweitungsradius von 0.3 mm/µsec x 300 µsec = 90 mm erreicht, wenn die Detonation der Hauptladung zu diesem Zeitpunkt einsetzt. Am Ladungsende (bei 200 mm) sind es hingegen 0.3 mm/µsec × (300 + 40) µsec = 102 mm, d.h. ein Unterschied von 12 mm, der sich in der Dichteabnahme und damit der Leistungsfähigkeit der Splitterhülle ausdrückt.
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Die Splitterleistung kann also an jeder axialen Stelle der Ladung leicht unterschiedlich sein. Dem kann beispielsweise dadurch begegnet werden, dass man entweder die Verzögerungszeit auf die Ladungsmitte hin auslegt, oder aber die Aufweitungsgeschwindigkeit mit der variablen Detonationsgeschwindigkeit dahingehend harmonisiert, dass die Leistungsasymmetrie minimal wird. Dies ist möglich, da die Detonationsgeschwindigkeit der Hauptladung nicht konstant ist (oben wurde lediglich der Einfachheit halber 3.0 mm/µsec angesetzt), sondern ebenfalls axial variiert, da die Dichteabnahme auch ein axial transienter Vorgang ist.
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Alternativ kann eine örtliche Trennung der Zündsysteme an beiden Stirnseiten der Ladungen in Betracht gezogen werden. Designbedingt wäre die oben diskutierte Leistungsasymmetrie dann am größten. Dafür würde eine gegenseitige Belastung der Zündsysteme am geringsten bzw. vernachlässigbar. Maßnahmen zur Schockreduzierung sind somit nicht notwendig, sodass Masse und Volumen eingespart werden können. Besonders hoch wären derartige Belastungen bei großen Verzögerungszeiten und kompakten Ladungsdesigns, die etwaige Druck- und Schockentlastungen eher nur schwer zulassen würden (keine Druck-Ausgleichsöffnungen).
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Gemäß einer Weiterbildung kann die zeitliche Verzögerung zwischen 100 µsec und 500 µsec liegen.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 schematische perspektivische Schnittansicht eines Gefechtskopfes mit einem skalierbaren Wirksystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 schematische perspektivische Schnittansicht eines Gefechtskopfes mit einem skalierbaren Wirksystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 3 schematische perspektivische Schnittansicht eines Gefechtskopfes mit einem skalierbaren Wirksystem gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
- 4 schematische Schnittansicht eines Gefechtskopfes gemäß 1 bis 3 nach der Zündung einer Skalierungsladung und während der Zündung einer Hauptladung.
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Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
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In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 bis 3 zeigen schematische perspektivische Schnittansichten eines Gefechtskopfes 10 mit skalierbaren Wirksystemen 1 entlang einer axialien Richtung gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der Erfindung.
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Bei dem Gefechtskopf 10 kann es sich beispielsweise um einen Splittergefechtskopf oder dergleichen handeln, der in einen Lenkflugkörper integriert ist. Die skalierbaren Wirksysteme 1 sind dabei jeweils zylindersymmetrisch aufgebaut und umfassen eine Systemhülle 2, welche eine äußere Ummantelung des jeweiligen Gefechtskopfes 10 bildet. Die Systemhülle 2 kann beispielsweise aus Stahl oder einem anderen üblicherweise verwendeten Hüllenmaterial bestehen.
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Ferner umfassen die Wirksysteme 1 jeweils zwei unterschiedliche Ladungen 3, 4, welche zeitlich verzögert zueinander gezündet werden, um die Detonationsleistung und die Splitterwirkung des Gefechtskopfes 10 zu skalieren. Hierdurch kann die Wirkung des Gefechtskopfs 10 kurzfristig und flexibel auf geänderte Einsatzbedingungen eingestellt werden.
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Konkret umfassen die Wirksysteme 1 dabei eine Skalierungsladung 3 innerhalb der Systemhülle 2, welche dazu angeordnet und ausgebildet ist, die Systemhülle 2 bei Zündung auswärts zu beschleunigen und ggf. außerdem zu fragmentieren, d.h. in mehrere Hüllenfragmente 14 aufzubrechen (vgl. die untenstehende Beschreibung zu 4). Hierzu umfassen die Wirksysteme 1 jeweils ein zugehöriges Zündsystem 5, welches in den Figuren nur rein schematisch angedeutet ist. Es versteht sich für den Fachmann, dass das Zündsystem 5 in der bekannten Weise eine Zündkette samt elektrischem Detonator und Verstärkerladung (Booster) aufweisen kann.
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Als zweite Ladung umfassen die Wirksysteme 1 eine Hauptladung 4 innerhalb der Systemhülle 2, welche die eigentliche Wirkladung des jeweiligen Systems 10 darstellt. Die Hauptladung 4 wird von einem zweiten Zündsystem 6 gezündet, welches entsprechend zu dem ersten Zündsystem 5 mit Detonator und Booster ausgebildet sein kann. Beide Zündsysteme 5, 6 sind in allen gezeigten Varianten an derselben Stirnseite des Gefechtskopfes 10 angeordnet. Es versteht sich dabei, dass dies rein beispielhaft ist und die Zündsysteme 5, 6 in anderen Ausführungen ebenso an gegenüberliegenden Stirnseiten oder anderen Positionen vorgesehen sein können.
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Das zweite Zündsystem 6 ist darüber hinaus dazu ausgebildet, die Hauptladung 4 mit einer zeitlichen Verzögerung (Delay Time) gegenüber der Zündung der Skalierungsladung 3 durch das erste Zündsystem 5 zu zünden. Die zeitliche Verzögerung ist dabei derart gewählt, dass die Systemhülle 2 vor der Zündung der Hauptladung 4 aufgrund der Beschleunigung durch die gezündete Skalierungsladung 3 zumindest eine vordefinierte Aufweitungsgeschwindigkeit 7 erreicht, z.B. 300 bis 600 m/sec. Zusätzlich kann optional vorgesehen sein, dass die Skalierungsladung 3 innerhalb dieses Zeitraums eine (Vor-) Fragmentierung der Systemhülle 2 bewirkt. Die Zündung der Hauptladung 4 löst sodann eine Nachbeschleunigung und ggf. weitere Fragmentierung der Systemhülle 2 aus, z.B. auf eine finale Splittergeschwindigkeit bis zu 2000 m/sec.
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Die 1 bis 3 zeigen dabei unterschiedliche mögliche Anordnungen der beiden Ladungen 3, 4 innerhalb der Systemhülle 2.
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In der Variante gemäß 1 und 2 ist die Skalierungsladung 3 als axial verlaufender Kern innerhalb einer ringförmigen Hauptladung 4 angeordnet. Um die Hauptladung 4 gegenüber einer unerwünschten frühzeitigen Zündung abzusichern, ist die Skalierungsladung 3 dabei von einer Ladungsdämpfungsschicht 8 umgeben, welche beispielsweise in Schichtaufbau aus einem geeigneten Kunststoff oder einem anderen geeigneten (Verbund-) Material zur Dämpfung von Detonationsschockwellen von der Skalierungsladung 3 in die Hauptladung 4 hinein ausgebildet sein kann.
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Die Ausführungsform der 3 sieht dementgegen die Hauptladung 4 als axialen Kern und die Skalierungsladung 3 als umschließenden radialen Ring vor. Auch in diesem Fall ist eine Ladungsdämpfungsschicht 8 zwischen den beiden Ladungen 3, 4 vorgesehen.
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Das Ausführungsbeispiel in 2 weist zusätzlich noch eine Hüllendämpfungsschicht 9 zwischen der ringförmigen Hauptladung 4 und der Systemhülle 2 auf. Diese Hüllendämpfungsschicht 9 kann beispielsweise ein poröses Material und/oder ein Metallpulver aufweisen, um mögliche inwärtige Reflexionen von Detontationsschockwellen von der Systemhülle 2 abzudämpfen, welche durch Zündung der Skalierungsladung 3 ausgelöst werden. Ferner kann durch eine derartige Schicht eine mögliche Splitterwirkung eingestellt werden, z.B. in Bezug auf einen Splitter-Abgangswinkel.
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4 zeigt eine schematische Schnittansicht derartiger Gefechtsköpfe 10 in radialer Richtung (d.h. quer zu Symmetrieachse) nach der Zündung der Skalierungsladung 3 und während der Zündung der Hauptladung 4.
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Die Wirkung des Skalierungsladung 3 führt einerseits dazu, dass die Systemhülle 2 auf die Aufweitungsgeschwindigkeit 7 beschleunigt wird (vgl. Pfeile in 4). Durch das Aufweiten der Hülle 2 nimmt die Ladungsdichte des Wirksystems 1 und mit ihr die Detonationsgeschwindigkeit sowie der Detonationsdruck ab. Darüber hinaus reißt die Hülle 2 ab einem gewissen Belastungslevel auf und fragmentiert in eine Vielzahl von Hüllenfragmente 14. Zwischen diesen Hüllenfragmenten 14 bleiben Fragmentierungslücken 13 zurück. Wird nun die Hauptladung 4 gezündet, so kann ein Teil der entstehenden Reaktionsgase durch die Fragmentierungslücken 13 austreten (Venting 12 in 4). Dieser Energieanteil steht somit nicht mehr für eine weitere Beschleunigung bzw. Fragmentierung der Hülle 2 durch die Detonation der Hauptladung 4 zur Verfügung. Vielmehr trägt das Venting 12 zur Blast-/Druckwirkung des Gefechtskopfes 10 bei. Insbesondere die radial innerhalb von den Fragmentierungslücken 13 liegenden Bereiche der Hauptladung 4 können nicht mehr zur Hüllenbeschleunigung beitragen.
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Diese beiden grundlegenden Prozesse, d.h. einerseits die Beschleunigung der Hülle 2 auf die Aufweitungsgeschwindigkeit 7 und andererseits die Fragmentierung der Hülle 2, können nun durch geeignete Wahl der Verzögerungszeit zur praktisch stufenlosen Skalierung der Wirkung des Gefechtskopfes 10 herangezogen werden. Dabei können unterschiedliche Parameter des jeweiligen Gefechtskopfsystems herangezogen werden, um die Wirkung entsprechend geeignet einzustellen. Insbesondere sind die Ladungen 3, 4 geeignet auszulegen. Als wichtige AuslegungsParameter kommen hierzu insbesondere das Gurney-Verhältnis µ = M/C (Hüllenmasse M, Sprengladungsmasse C) und die Festigkeit der Systemhülle 2 in Betracht.
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Beispielsweise kann hinsichtlich der Skalierbarkeit zwischen zumindest drei Modi unterschieden werden:
- - voller Wirkmodus (Maximum), keine Skalierung, 100 % Leistung, keine Verzögerungszeit,
- - mittlerer Wirkmodus, Leistung kontinuierlich skalierbar über die Verzögerungszeit zwischen 0% und 100%,
- - geringster Wirkmodus (Minimum), volle Skalierung, annähernd 0% Splitter-Leistung, Verzögerungszeit unendlich.
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Insbesondere der nicht-triviale mittlere Modus soll im Folgenden am Beispiel der Konfiguration gemäß 1 und 2 und für unterschiedliche Bereich der Auslegungsparameter Gurney-Verhältnis und Hüllenfestigkeit näher erläutert werden:
- Niedriges µ < 0.5 und niedrige Hüllenfestigkeit
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Als Beispiele sind Wirksysteme 1 mit dünnen Hüllen 2 und/oder vorgeformten Konstruktions-Splittern zu nennen. Es ist wenig Schockwellen-Energie notwendig, um die Hülle 2 zu beschleunigen und zu fragmentieren. Entsprechend sind die Verlustfaktoren hoch und die notwendigen Verzögerungszeiten niedrig, beispielsweise in der Größenordnung von 100 µs, wobei die absolute Zeit mit der Größe des Wirksystems 1 skaliert.
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Die mittige Skalierungsladung 3 in 1 und 2 kann „dünner“ ausfallen, da nur wenig kinetische Energie der Hülle 2 involviert ist, die von der Schockwellen-Energie geliefert werden muss. Vorteile einer solchen Ausgestaltung umfassen:
- - geringe Dämpfungsmaßnahmen zur Vermeidung der Initiierung der Hauptladung 4,
- - rein mechanische Schockwellen,
- - kein Risiko für unerwünscht starke chemische Reaktionen in der Hauptladung 4,
- - kurze Verzögerungszeiten, geringe Belastungen auf das zweite Zündsystem 6 der Hauptladung 4.
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Mittleres µ ~ 1 und mittlere Hüllenfestigkeit
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Als Beispiele sind Wirksysteme 1 mit mitteldicken Hüllen 2 und natürliche (kontinuierliche) Metallhüllen mittlerer Festigkeiten zu nennen. Es ist reichlich Schockwellen-Energie notwendig um die Hülle 2 beschleunigen und fragmentieren zu können. Entsprechend sind die Verlustfaktoren geringer und die notwendigen Verzögerungszeiten länger, beispielsweise in der Größenordnung 200 - 300 µs, wobei die absolute Zeit mit der Größe des Wirksystems 1 skaliert.
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Die mittige Skalierungsladung 3 in 1 und 2 sollte nun „dicker“ gestaltet werden, da weitaus mehr kinetische Energie der Hülle 2 involviert ist, die von der Schockwellen-Energie geliefert werden muss. Eine Fragmentierung der Hülle 2 verbraucht zwar wenig Energie, benötigt dafür aber Zeit, um entsprechende Fragmentierungslücken 13 ausbilden zu können.
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Die Herausforderung einer solchen Ausgestaltung liegt unter anderem in geeigneten Dämpfungsmaßnahmen zur Vermeidung der Initiierung der Hauptladung. Hierzu können Ladungsdämpfungsschichten 8 mit geeignetem Material, z.B. poröse Kunststoffe, oder mit ausgeklügelten Schichtsystemen zur Energieabsorption verwendet werden.
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Auch in diesem Fall treten rein mechanische Schockwellen und geringe Reaktionen in der Hauptladung 4 mit geringem Risiko für unerwünscht starke chemische Reaktionen in der Hauptladung 4 auf. Die Verzögerungszeiten sind länger und die Belastungen auf das Zündsystem 6 der Hauptladung 4 höher.
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Eine weitere Herausforderung liegt in der zusätzlichen Energie (neben der Schockwellenenergie), welche zur Hüllenbeschleunigung benötigt wird. Diese kann aus der Hauptladung 4 in Form von chemischer Energie erhalten werden. Beispielsweise können gezielt lokal begrenzte Reaktion angestrebt werden. Detonationen starten mikro-mechanisch gesehen lokal an sogenannten „Hot-Spots“ (mikroskopisch kleinen Fehlstellen, wie Kornbrüchen, Rissen, Binder/Korn-Ablösungen etc.). Werden diese Hot-Spots durch Schockwellen angeregt („ignition“), so können sie weiter wachsen („growth“) und sich schließlich zu makroskopischen Reaktionen miteinander verbinden („coalesence“). Ignition-Growth-Coalescence-Modelle werden bereits bei numerischen Simulationen von energetischen Reaktions-Vorgängen eingesetzt. Bei Mehrfach-Schockwellen können diese Defekte kumulieren und gleichzeitig lokale Reaktionen in bereits bestehenden Defekten auslösen.
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Sind andererseits die Schockwellen-Amplitude p und die Schockwellen-Dauer Δt (Druckprofillänge = proportional zum Impuls pΔt) nicht groß genug, so „verlöschen“ diese lokalen Reaktionen wieder. Über gezielt eingeleitete und „maßgeschneiderte“ („taylored“) Einfach- bzw. Mehrfach-Schockwellen kann man also lokale Reaktionen steuern und damit zusätzliche chemische Energie gewinnen, die man zur Hüllen-Beschleunigung einsetzen kann.
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Mehrfach-Schockwellen kommen dadurch zustande, dass die primäre Schockwelle - ausgelöst durch die mittige Skalierungsladung 3 - zur Hülle 2 läuft und dort (teilweise) in die Hauptladung 4 zurück reflektiert wird (sekundärer Schock). An Strukturteilen (wie beispielsweise einer Hülle der Skalierungsladung) wird der Schock dann abermals zurück reflektiert (tertiärer Schock) usw. Diese Mehrfach-Reflexionen können durch geschicktes Design für eine vorteilhafte Auslegung genutzt werden. Die lokal-begrenzten kontrollierten chemischen Reaktionen können als Energielieferant zur zusätzlichen Hüllen-Beschleunigung eingesetzt werden.
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Hohes µ > > 1 und hohe Hüllenfestigkeit
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Als Beispiele sind Wirksysteme 1 mit dicken Hüllen 2 hoher Festigkeit zu nennen. Penetrator-Systeme, welche dicke Zielwände aus Stahl oder Ziegelstein zu durchschlagen haben, sind typische Beispiele hierfür vorgesehen. Es ist eine maximale Schockwellen-Energie notwendig, um die Hülle 2 zu beschleunigen und fragmentieren zu können. Entsprechend sind die Verlustfaktoren noch geringer und die notwendigen Verzögerungszeiten noch länger, beispielsweise in der Größenordnung 300 - 500 µs, wobei die absolute Zeit mit der Größe des Wirksystems 1 skaliert.
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Die mittige Skalierungsladung 3 in 1 und 2 sollte entsprechend „dick“ gestaltet werden, da von allen Auslegungen die höchste kinetische Energie der Hülle 2 involviert ist, die nun nicht mehr ausschließlich von der Schockwellen-Energie geliefert werden kann. Die Hülle 2 muss notwendigerweise fragmentiert werden, was wenig Energie verbraucht, dafür aber längere Zeit in Anspruch nimmt, um die Fragmentierungslücken 13 ausbilden zu können.
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Auch in diesem Fall stellen geeignete Dämpfungsmaßnahmen zur Vermeidung der Initiierung der Hautladung 4 eine Herausforderung dar. Auch in diesem Fall dürften mechanische Schockwellen und häufigere Reaktionen in der Hauptladung 4 auftreten, sodass ein erhöhtes Risiko für starke chemische Reaktionen in der Hauptladung 4 bestehen kann. Es liegen zu dem große Verzögerungszeiten und hohe Belastungen auf das Zündsystem 6 der Hauptladung 4 vor.
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Die zusätzliche Energie (neben der Schockwellen-Energie) für die Hüllenbeschleunigung kann auch hier entsprechend aus der Hauptladung 4 in Form von chemischer Energie entnommen werden.
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Die mit Bezug auf 1 bis 4 beschrieben Varianten der Erfindung können dabei für unterschiedliche Splitter-Technologien angewendet werden:
- - Wirksysteme mit kontinuierlicher Metallhülle (natürliche / statistische Splitter),
- - Wirksysteme mit Hüllen aus vorgeformten Splittern (sogenannte Konstruktions-Splitter),
- - Wirksystem mit sogenannter „kontrollierter“ Hüllenzerlegung (kontrollierte Splitter), z.B. Metallschichten mit gefrästen Nuten, welche durch Zündung der Hauptladung in eine Vielzahl von Splitter zerfallen.
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Beispielsweise können kugelförmige Konstruktions-Splitter eingesetzt werden, wobei die Besonderheit auftritt, dass diese die Hülle 2 nicht „lückenlos“ ausfüllen können. Selbst bei den bekannten dichtesten Packungen wie hcp („hexagonal close packed“), fcc („face-centered cube“) und bcc („body-centered cubic“) kann man maximal eine Packungsdichte mit einem Füllgrad von 74% erreichen, 26% des Volumens verbleiben ungefüllt, d.h. „leer“. In der Praxis wird dieses Volumen mit Füllstoffen ausgefüllt, das zugleich als Befestigung der Kugeln dient.
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Nach Zündung der Skalierungsladung treten in diesem Fall sehr schnell Venting-Effekte ein. Überdies muss vorher keine zeitraubende Fragmentierung erfolgen. Den Venting-Effekt kann man somit unmittelbar und gezielt planbar für das Design ausnutzen. Die Verzögerungs-Zeiten lassen sich dadurch reduzieren und mit ihnen die o.g. Schockbelastungen auf das System.
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Aber auch bei nicht kugelförmigen Konstruktions-Splittern, z.B. Formen wie Quadrate, Rechtecke etc., lassen sich Unterschiede im Venting erzielen, die ausgenutzt werden können. Auch diese Unterschiede können beim Design in gestalterischer Weise berücksichtigt und die Verzögerungszeit damit beeinflusst werden.
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In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
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Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe „beinhaltend“ und „aufweisend“ als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe „umfassend“ verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe „ein“, „einer“ und „eine“ eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wirksystem
- 2
- Systemhülle
- 3
- Skalierungsladung
- 4
- Hauptladung
- 5
- erstes Zündsystem
- 6
- zweites Zündsystem
- 7
- Aufweitungsgeschwindigkeit
- 8
- Ladungsdämpfungsschicht
- 9
- Hüllendämpfungsschicht
- 10
- Gefechtskopf
- 11
- Stirnseite
- 12
- Venting
- 13
- Fragmentierungslücke
- 14
- Hüllenfragment/Splitter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7347906 B1 [0003]
- DE 102013011404 B4 [0003]
- DE 10227002 B4 [0005]
- DE 102005031588 B3 [0005]
- DE 102008027900 B4 [0005]
