DE1728077C1 - Differenzdruckkolben-Brennkammersystem zur Erzeugung von Treibgasen,insbesondere fuer Schusswaffen - Google Patents

Description

Druck-Wegdiagramm bzw. innenballistischen Arbeitsdiagramm zur Folge hat. Die für eine große Anfangsbeschleunigung des Geschosses entscheidende Druckspitze wird zu spät erst nach Einsetzen des Brennkammerdruckes und durch die damit verbundene Erhöhung der laufenden Einspritzmenge erreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu vermeiden und einen Gaserzeuger der eingangs genannten Art mit einem steilen Druckanstieg im Druck-Wegdiagramm zu schaffen, um solche Gaserzeuger auch für die Praxis geeignet zu machen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß im Endbereich des Vorlaufweges des Differenzdruckkolbens an diesem eine mechanische oder pneumatische Federkraft angreift, die in Richtung des Rücklaufweges während der Endphase des Vorlaufes und Anfangsphase des Rücklaufes wirksam ist.

Durch die Erfindung wird schon während der Anfangsphase des Arbeitshubes, während dem der Brennkammerdruck selbst nur in geringem Ausmaß wirksam ist, bereits eine große Treibstoffmenge in die Brennkammer eingespritzt, so daß ein äußerst schneller Aufbau des Brennkammerdruckes gewährleistet ist, d. h., durch die Erfindung wird der während der Anfangsphase des Arbeitshubes sich erst relativ langsam aufbauende Brennkammerdruck zum Zurücktreiben des Differenzdruckkolbens durch die besondere Zusatzkraft erheblich unterstützt.

In Ausgestaltung der Erfindung wird zwischen eine·· vorderen Begrenzungsfläche des Brennkammergehäuses und einer vorderen Gegenfläche des Differenzdruckkolbens eine Druckgasfeder erzeugt oder ist ein mechanisches Federelement vorgesehen, die durch den Differenzdruckkolben während der Endphase seines Vorlaufes gespannt werden. Dabei kann die Menge des eingeschlossenen Gases vorwählbar sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung dient zur Erzeugung der in Richtung des Rücklaufweges am Differenzdruckkolben wirksam werdenden Federkraft eine fremde Druckquelle. Hierzu sind im Bereich der vorderen gehäusefesten Begrenzungsfläche im Brennkammergehäuse ein oder mehrere Druckgaszufuhrventile angeordnet, die mit Taststiften so weit in den Weg des Differenzdruckkolbens hineinragen, daß sie in der Endphase seines Vorlaufes von ihm geöffnet werden und auch während der Anfangsphase seines Rücklaufes geöffnet sind.

Die Erfindung ist nicht nur anwendbar für Schußwaffen, sondern auch für andere Geräte, wie Wurf- bzw. Schleudergeräte für Flugkörper, Minen od. dgl., die mit Differenzdruckkolben ausgerüstet sind.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Brennkammer im Längsschnitt mit einem Differenzdruckkolben, wobei die Zusatzkraft mit Hilfe einer Gasfeder erzeugt wird,

F i g. 2 abweichend von der Ausführung nach F i g. 1 die Anordnung von Federringen anstelle eines Gaspolsters im Bereich der Begrenzungsflächen des Brennkammergehäuses,

Fig.3 abweichend von den Ausführungen nach F i g. 1 und 2 den Einbau von Druckgaszufuhrventilen im Bereich der Begrenzungsfläche im Brennkammergehäuse.

In einem Brennkammergehäuse 1 gleitet ein Diffe- . renzdruckkolben 2, der im wesentlichen aus einem Kolbenboden 3, einem inneren Kolbenteil 4 mit einem inneren Führungsrohr 5 und aus einem äußeren Kolbenteil 6 mit einem Ringkolbenteil 7 besteht. Zur Speicherung der beiden Treibstoffkomponenten Brennstoff und Sauerstoff bzw. Sauerstoffträger sind zwei Vorratsbehälter 8 und 9 vorgesehen, aus denen über äußere Bohrungen 10 und 11 sowie innere Bohrungen 12 und 13 ringförmige Zuteiiungskammern 14 und 15 versorgt werden. Im inneren Kolbenteil 4 und Führungsrohr 5 gleitet ein Einspritzstempel, der aus einer in Pfeilrichtung Y durch eine Zugfeder (nicht gezeichnet) belastete Zugstange 16 und einer Steuerscheibe 17 besteht. Innerhalb dieser Teile ist ein Brennstoffdrallraum 18 mit einer Ausspritzmündung 19 vorgesehen. In den Drallraum 18 münden tangentiale Bohrungen 20, die über einen Ringraum 21 mit Brennstoff versorgt werden, der an eine Zulaufbohrung

22 angeschlossen ist, die mit dem Zuteilungsraum 14 in Verbindung steht. Vom Zuteilungsraum 15 für den flüssigen Sauerstoffträger führen Einspritzbohrungen

23 zur Stirnseite des Differenzdruckkolbens 2, deren Einspritzmündungen 23a in Sperrstellung der Steuerscheibe 17 von dieser abgedeckt werden. Außerdem sind hierbei die tangentialen Bohrungen 20 außer Deckung mit der Ringleitung 21, so daß in dieser Stellung auch die Zufuhr von Brennstoff gesperrt ist. Zwischen den inneren Bohrungen 12 bzw. 13 und den äußeren Bohrungen 10 bzw. 11 ist ein Plattenventil 24 vorgesehen. Anstelle desselben könnten auch mehrere Rückschlagventile eingebaut sein. Im Brennkammergehäuse 1 sind ferner Steuerbohrungen 25 und 26 angeordnet, die mit dem freien Luftraum in Verbindung stehen und von einem Steuerkolben 27 bzw. einer Steuerhülse 28 teilweise freigegeben oder gesperrt werden. Durch gehäusefeste Begrenzungsflächen 29 und 30 werden die beiden Umkehrpunkte des Vor- und Rücklaufs (Arbeitshub) des Differenzdruckkolbens 2 bestimmt, der Gegenflächen 31 und 32 aufweist.

Die Wirkungsweise der Erfindung ist wie folgt: Es wird angenommen, daß sich der etwa in seiner Mittellage gezeichnete Differenzdruckkolben 2 gerade auf seinem Vorlauf in Pfeilrichtung X befindet. Da durch den Steuerkolben 27 die beiden vorderen Steuerbohrungen 25 abgedeckt sind, verdichtet der vorlaufende Differenzdruckkolben mit seinem Ringkolben 7 ab der Linie a die zwischen seiner vorderen Gegenfläche 31 und der gehäusefesten Begrenzungsfläche 29 eingeschlossene Luftmenge, in der dabei eine Gegenkraft erzeugt wird, die den Differenzdruckkolben 2 zum Stillstand bringt. Diese komprimierte Luftmenge stellt eine gespannte Gasfeder dar, die ihre gespeicherte Energie durch Entspannung sofort wieder an den Differenzdruckkolben 2 abgibt und diesen dabei in Pfeilrichtung Y während der Anfangsphase seines Arbeitshubes zurücktreibt. Hierbei wird der Innenraum der Zuteiiungskammern 14 und 15 verkleinert, wodurch je eine Teilmenge Sauerstoffträger und Brennstoff in die Brennkammer eingespritzt wird, wobei sich der Einspritzstempel 16, 17 in Öffnungsstellung befindet, in die er durch seine eigene Massenträgheit beim Umkehren des Differenzdruckkolbens 2 gelangt. Die in den Brennraum 33 durch die Zusatzkraft der Gasfeder eingespritzten Teilmengen der beiden Treibstoffkomponenten reagieren hypergol. Mit einsetzendem Brennprozeß steigt der Druck im Brennraum 33 und treibt dann in bekannter Weise seinerseits den Differenzdruckkolben 2 zurück, wodurch die weitere Einspritzung der in den Zuteilungskammern 14 und 15 vorlagerten übrigen Menge der beiden Treibstoffkomponenten bewirkt wird. Zur Rücklaufdämpfung und zur

anfänglichen Beschleunigung des Vorlaufs des Differenzdruckkolbens 2 wird auch zwischen der hinteren Begrenzungsfläche 30 und der hinteren Gegenfläche 32 eine gewisse Luftmenge vom Ringkolben 7 verdichtet, deren Volumen von der jeweiligen Stellung der Steuerhülse 28 bestimmt wird. Als weitere Antriebskraft für den Differenzdruckkolben 2 dient der in den beiden Treibstoff behältern 8 und 9 vorherrschende Druck.

Wie F i g. 2 erkennen läßt, ist zwischen der vorderen Begrenzungsflache 29 und der vorderen Gegenfläche 31 sowie der hinteren Begrenzungsfiäche 30 und der hinteren Gegenfläche 32 je eine Ringfeder 34 geschaltet, die am Einde des Vorlaufs bzw. Rücklaufs des Differenzdruckkolbens 2 zusammengedrückt und gespannt werden. Die Ringfedern 34 geben dann beim Umkehren des Differenzdruckkolbens 2 zu Beginn seines Arbeitshubes bzw. Vorlaufs ihre gespeicherte Energie an den Differenzdruckkolben 2 ab.

Wie aus Fig.3 ersichtlich, sind im Bereich der gehäusefesten Begrenzungsfläche 29 im Brennkammergehäuse 1 mehrere Druckgaszufuhrventile 35 in Form von gesteuerten Rückschlagventilen eingebaut, die mit Taststiften 35a so weit in den Voriaufweg des Differenzdruckkolbens 2 hineinragen, daß sie in der Endphase des Vorlaufs, die mit der Anfangsphase des Arbeiishubes identisch ist, vom vorlaufenden Differenzdruckkolben 2 geöffnet werden. Dadurch wird der Weg frei für ein Druckgas, z. B. Druckluft, die in einem Behälter 36 gespeichert ist und über eine Leitung 37 einem ringförmigen Einbauraum 38 für die Ventile- 35 zugeführt wird. Vom Einbauraum 38 gelangt die Druckluft über an den Taststiften 35a vorgesehene Nuten 39 in den zwischen der Begrenzungsfläche 29 und der Gegeafiäche 31 befindlichen Raum, an der sie angreift und den Differenzdruckkolben 2 am Ende seines Vonaufs abbremst und zu Beginn bzw. während der Anfangsphase seines Arbeitshubes beschleunigt. Die Ventile 35 schließen dann wieder, nachdem der Differenzdruckkolben 2 einen gewissen Weg, welcher der Länge der Taststifte 35a entspricht, zurückgelegt hat. Nach diesem Weg ist eine Entlüftungsbohrung 40 vorgesehen. In der Zwischenzeit hat sich im Brennkammerinnenraum 33 ein genügender Verbrennungsdruck aufgebaut. Die durch die Verbrennung entstehenden Gase treiben dann das durch eine beliebige Ladevorrichtung in den Lauf der Waffe eingeführte Geschoß 41 (Fig. 1) nach den Gesetzen der Innenballistik nach außen.

Ais Ausgangsstellung für den Differenzdruckkolben 2 ist seine hintere Umkehrstellung vorgesehen, in die er durch den in Pfeilrichtung Y unter Federvorspannung stehenden Einspritzsiempc! 16,17 gebracht wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem zur Erzeugung von Treibgasen aus flüssigen, insbesondere hypergolen Treibstoffkomponenten, insbesondere für Schußwaffen, mit einem das Brennkammergehäuse bildenden Führungszylinder für den Differenzdruckkolben, der einerseits mit seiner vorderen Stirnfläche den Brennkammerinnenraum abschließt und andererseits mit seiner hinteren reduzierten Stirnfläche zusammen mit gehäusefesten Teilen Zuteilungskammern für die Treibstoffkomponenteri bildet, wobei durch gehäusefeste Begrenzungsflächen Vor- und Rücklaufweg des Differenzdruckkolbens fixiert sind, dessen Vorlauf beim Start durch eine Fremddruckkraft bewerkstelligt wird, während sein Rücklauf durch den Brennkammerdruck erfolgt, und der während des Brennprozesses die Treibstoffkomponenten in die Brennkammer fördert, dadurch gekennzeichnet, daß im Endbereich des Vorlaufweges des Differenzdruckkolbens (2) an diesem eine mechanische oder pneumatische Federkraft angreift, die in Richtung des Rücklaufweges während der Endphase des Vorlaufes und Anfangsphase des Rücklaufes wirksam ist.

2. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zwischen einer vorderen Begrenzungsfläche (29) des Brennkammergehäuses (1) und einer vorderen Gegenfläche (31) des Differenzdruckkolbens (2) eine Druckgasfeder erzeugt wird oder ein mechanisches Federelement (34) vorgesehen ist, die durch den Differenzdruckkolben (2) während der Endphase seines Vorlaufes gespannt werden.

3. Differenzdruekkolben-Brennkammersystern nach Anspruch 1 und teilweise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mange des eingeschlossenen Gasvolumens vonvählbar ist.

4. Diffarenzdruckkolben-Brenrikarnmersysr.eTi nach Ansprach 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorwählbarkeit der Menge des eingeschlossenen Gasvoluncens durch Abdecken bzw. ^rsigabe von hintereinander angeordneten, mit der AuCeniuft inVerbindung siehenden Sieuerbohrungen (25) mittels eines Steuerkolbens (27) erfolgt.

5. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach Anspruch 1 und teilweise nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Federelement eine sich an der vorderen gehäusefesten Begrenzungsfläche (29) abstützende Ringfeder (34) vorgesehen ist.

6. Differenzdrüekkolben-Brennkammersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der in Richtung des Rücklai'fweges am Differenzdruckkolben (2) wirksam werdenden Federkraft eine Fremddruckquelle (36) dient.

7. Differenzdruckkolben-Breiinkairrflersysiem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der vorderen gehäusefesten Begrenzungs- * fläche (29) im Brennkammergehäuse (1) ein oder mehrere Druckgaszufuhrveniile (35) angeordnet sind, die mit Tastsliften (35a,5 so weit in der: Weg des Differenzdruckkolbens (2) hineinragen, daß sie in der Endphase seines Vorlaufes von ihm geöffnet t werden und auch während der Anfangsphase seines Rücklaufes geöffnet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Differenzdruckkolben-Brennkammersystem zur Erzeugung von Treibgasen aus flüssigen, insbesondere hypergolen Treibstoffkomponenten, insbesondere für Schußwaffen, mit einem das Brennkammergehäuse bildenden Führungszylinder für den Differenzdruckkolben, der einerseits mit seiner vorderen Stirnfläche den Brennkammerinnenraum abschließt und andererseits mit seiner hinteren reduzierten Stirnfläche zusammen mit gehäusefesten Teilen Zuteilungskammern für die Treibstoffkomponenten bildet, wobei durch gehäusefeste Begrenzungsflächen Vor- und Rücklaufweg des Differenzdruckkolbens fixiert sind, dessen Vorlauf beim Start durch eine Fremdruckkraft bewerkstelligt wird, während sein Rücklauf durch den Brennkammerdruck erfolgt, und der während des Brennprozesses die Treibstoffkomponenten in die Brennkammer fördert.

Nach der USA.-Patentschrift 31 38 990 ist eine durch ein Differenzdruckkolben-Brennkammersystem betriebene Schnellfeuerwaffe bekannt, bei welcher die das Gescnoß aus dem Lauf treibenden Druckgase mittels zweier flüssiger, miteinander hypergol reagierender ^ Treibstoffkomponenten in der Brennkammer erzeugt ^ werden. Hierbei wird im vorderen Umkehrpunkt des Differenzdruckkolbens mit der Treibstoffeinspritzung begonnen und eine Teilmenge der beiden Treibstoffkomponentsn zunächst mit Hilfe der Behäkerdrücke in den vorderen Bereich der Brennkammer eingefördert, wodurch sich dort durch Reaktion der Komponenten ein Verbreniiungrdruck aufbaut, der an der vorderen, ringförmigen Stirnseite des Differenzdruckkolbens angreift und diesen nach Überwinden einer durch ein Druckmedium erzeugten anfänglichen Gegenkraft zurückschiebt, die dann den Differenzdruckkolben in seine vordere Uirikehrsteüung wieder zurückbringt. Dabei werden in vorgesehenen Ringräumen (Zutei- !ungskammern) vorgelagerte Einspritzmengen der beiden TreibsioffkompGnenten durch Ringbunde des Differenzdruckkclbens unter Drück gesetzt und in die Brennkammer eingespritzt, wobei sich vorhandene Rückschlagventile in Richtung zu den Treibstoffbehältern hin selbsttätig schließen. Da die vordere, dem Brennkammerinnenraum zugewandte, ringförmige Stirnfläche größer ist a!s die Stirnflächen der beiden auf ■ die vorgelagerten Mengen der Treibstoffkornponenten drückende Ringbunde, tritt eine Differenzwirkung auf, wodurch der Einspritzdrack in jedem Augenblick größer ist als der jeweilige Brennkammerinnendruck.

Nach der Lehre vom Schuß ist es zur Erlangung günstiger innenballistleher Verhältnisse erforderlich, daß die durch Abbrand der iii den bei konventionellen Feuerwaffen verwendeten Patronen bzw. Kartuschen eingewogenen Pulvermenge erzeugten Druckgase, die das Geschoß aus dem Lauf treiben, einen hohen Anfangsdruck erreichen, um dem Geschoß eine große Anfangsbeschleunigung und damit eine hohe Mündungsgeschwindigkeit zu erteilen. In dieser Hinsicht weisen die bekannten, mit Differenzdruck-Brennkammern zur Erzeugung der Druckgase betriebenen Schaßwaffen neben bestimmten Vorteilen, wie Einsparurg der Kartuschen, Gewichtsverminderung und '.veniger Empfindlichkeit der verwendeten Treibstoffe, einen Mangel insofern auf, als in der Anfangsphase des innenballistischen Vorganges, d. h. in der vorderen Umkehrstellung des Difierenzdruckkolbens die Einspritzdruckenergie iedigiich aus dem relativ niedrigen Treibstoffvorratsbehälterdruck resultiert, was einen verhältnismäßig flachen Anstieg der Druckkurve im