DE19629508A1 - Elektrothermische Rohrwaffe mit Plasmabrenner - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrothermische Rohrwaffe mit einem Plasmabrenner an einem geschlossenen Ende des Waffenrohrs, bei welcher durch den Plasmabrenner ein Lichtbogen erzeugbar und ein durch Pyrolyse aus einem Plasmamaterial entstehendes Plasma elektrisch aufheizbar ist und ein Projektil aus dem Waffenrohr treibt.

Bei elektrothermischen Rohrwaffen (Kanonen) wird in dem Waffenrohr hinter dem Projektil ein Lichtbogen erzeugt. In das Waffenrohr eingeleitete oder aus Teilen der Struktur abgebrannte Moleküle bilden dann ein Plasma von sehr hoher Temperatur und entsprechend hohem Druck. Dadurch wird das Projektil mit sehr hoher Geschwindigkeit aus dem Waffenrohr getrieben. Es lassen sich damit höhere Drücke und Geschwindigkeiten des Projektiles erzielen als mit den üblichen chemischen Prozessen beim Zünden einer Treibladung. Die elektrische Energie zur Erzeugung des Plasmas wird durch Aufladen eines Kondensators hoher Kapazität gespeichert, der in extrem kurzer Zeit mit entsprechend hohen Strömen in dem Lichtbogen zwischen zwei im Waffenrohr sitzenden Elektroden entladen wird. Die Erzeugung des Plasmas erfolgt üblicherweise in einem Plasmabrenner, der an oder in dem Waffenrohr sitzt.

Eine elektrothermische Rohrwaffe ist in der DE 36 13 259 A1 beschrieben.

Bei dieser bekannten elektrothermischen Rohrwaffe sitzt eine ringförmige Elektrode in dem Waffenrohr. Diese Elektrode ist durch eine Isolierschicht von einer zentralen Elektrode getrennt. Die zentrale Elektrode sitzt mit einem scheibenförmigen Fuß auf einer ebenfalls scheibenförmigen Elektrodenaufnahme. Die ringförmige Elektrode greift um die zentrale Elektrode unter Zwischenlage der Isolierschicht topfförmig herum. Eine Stromzuleitung zu der ringförmigen Elektrode greift, ebenfalls unter Zwischenlage einer Isolierschicht um die Elektrodenaufnahme herum. Die elektrische Verbindung zwischen der Elektrodenaufnahme und der zentralen Elektrode und zwischen der Stromzuleitung und der ringförmigen Elektrode erfolgt durch jeweils eine Kontaktlammellen-Scheibe. Die Kontaktlamellen-Scheiben liegen in einer Ebene. Zwischen den konzentrischen Kontaktlamellen-Scheiben ist zur Isolierung eine Siliconkautschuk-Dichtung vorgesehen. Ein Entladungsraum, in welchem das Plasma gebildet wird, ist innerhalb der ringförmigen Elektrode und vor der zentralen Elektrode gebildet. Das Projektil ist von einer Hülse aus Kunststoff umgeben.

Der Zweck der beschriebenen Konstruktion ist es, den Verschleiß der Rohrteile selbst bei hoher Schußfolge gering zu halten. Zu diesem Zweck werden alle einem starken Verschleiß unterliegenden Teile einschließlich der beiden Elektroden in einer auswechselbaren Kartusche angeordnet.

Diese Kartusche ist wiederum teilbar, so daß, insbesondere bei großkalibrigen Waffen, zunächst das Projektil mit der dieses umgebenden Hülse und anschließend die aus Elektroden und Isolierstück bestehende Einheit in das Geschützrohr eingeführt werden kann.

Die DE 38 20 492 C2 beschreibt eine Rohrwaffe mit einem chemisch-elektrischen Hybridantrieb mittels regenerativer Einspritzung von flüssigen Treibmitteln durch einen Kolben, bei welcher die Treibmittel oder die durch Reaktion der Treibmittelkomponenten entstehenden Gase an einer Elektrodenanordnung eines Plasmabrenners vorbeigelenkt werden. Dabei wird die elektrische Energie einer Lichtbogen-Entladung in die vorbeiströmende Materie eingekoppelt.

Die Elektroden bilden einen Plasmabrenner, bei welchem Plasma-Materialien in dem Lichtbogen pyrolysiert und zu einem Antriebsplasma stark aufgeheizt werden. Die Plasma-Materialien, die bei elektrothermischen Rohrwaffen einen optimalen Antrieb des Projektils erwarten lassen, sind Stoffe, die bei der elektrischen Aufheizung ein Antriebsplasma mit niedrigem Molekulargewicht, großem Adiabaten-Koeffizienten und großem Isentropen-Koeffizienten erzeugen. Bei bekannten elektrothermischen Rohrwaffen werden als Plasma-Materialien Kohlenwasserstoffe wie Polyethylen oder Alkohole wie Isopropanol oder Ethanol verwendet. Bei der Pyrolyse dieser Stoffe im Plasmabrenner wird viel Wasserstoff (H₂) erzeugt. Das ist auch erwünscht.

Dabei entsteht ein Antriebsplasma mit Gasen, deren Molekulargewichte kleiner als 10 g/mol sind.

Ein anderes Plasma-Material stellen Lithium und lithiumhaltige Verbindungen wie LiH und LiBH₄ dar. Da Lithium nur ein Atomgewicht von 6,94 g/mol aufweist, ist bei der Pyrolyse lithiumhaltiger Verbindungen ebenfalls mit einem Molekulargewicht des Antriebsplasma von weniger als 10 g/mol zu rechnen.

Alle diese Plasma-Materialien weisen keinen oder nur einen geringen Sauerstoffgehalt auf, da Sauerstoff ein recht hohes Atomgewicht von 16 g/mol gegenüber Wasserstoff mit 2 g/mol besitzt. Beim Schuß einer elektrothermischen Rohrwaffe mit einem dieser Plasma-Materialien unter Sauerstoffmangel treten die Antriebsgase meist mit einem starken Wasserstoffgehalt an der Mündung des Waffenrohres aus. Wenn diese Antriebsgase mit dem Luftsauerstoff in Kontakt kommen, erfolgt eine explosionsartige Verbrennung.

Beim Schuß bildet sich vor der Mündung des Waffenrohres eine Flamme mit einer Länge von mehreren Metern. Diese Verbrennung trägt aber nicht mehr zum Antrieb des Projektils bei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche Flammen zu vermeiden und die Verbrennungs-Energie des Wasserstoffs für den Antrieb des Projektils auszunutzen.

Ausgehend von einer elektrothermischen Rohrwaffe der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an einem mündungsseitigen Abschnitt des Waffenrohres eine Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Oxidationsmittels vorgesehen ist.

Auf diese weise wird das unterbilanzierte Gas aus dem Plasmabrenner in einem mündungsseitigen Abschnitt, nachdem das Projektil die Einspritzstelle passiert hat, durch Einspritzen eines Oxidationsmittels oder von reinem Sauerstoff oxidiert. Das kann nach etwa 2/3 der Länge des Waffenrohres geschehen. Dann verbrennt der Wasserstoff im Waffenrohr und noch während das Projektil sich in dem Waffenrohr befindet. Die Verbrennungs-Energie des Wasserstoffs wird zusätzlich zum Antrieb des Projektils ausgenutzt. Vor dem Einspritzen ist die Hauptbeschleunigung durch das Plasma bereits erfolgt.

Vorteilhafterweise ist die Einspritzvorrichtung durch den durch das Plasma im Waffenrohr hinter dem Projektil erzeugten Druck betätigbar. Das kann in der Weise geschehen, daß die Einspritzvorrichtung wenigstens einen Stufenkolben mit einem Kolbenteil größeren Durchmessers und einem Kolbenteil kleineren Durchmessers enthält, der in einem Stufenzylinder mit einer entsprechenden Zylinderkammer größeren Durchmessers und einer Zylinderkammer kleineren Durchmessers geführt ist, die Zylinderkammer größeren Durchmessers mit der Bohrung des Waffenrohres über einen Druckkanal verbunden ist, die Zylinderkammer kleineren Durchmessers mit der Bohrung des Waffenrohres rückwärts von dem Druckkanal über einen Einspritzkanal verbunden ist, und der Einspritzkanal und die Zylinderkammer kleineren Durchmessers mit dem Oxidationsmittel gefüllt sind.

Der Einspritzkanal kann waffenrohrseitig durch eine Berstmembran abgeschlossen sein, durch welche das Oxidationsmittel in dem Einspritzkanal gehalten wird und welche bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes in dem Einspritzkanal reißt. Dabei kann dann das Oxidationsmittel von flüssigem Sauerstoff gebildet sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Waffenrohr einer elektrothermischen Rohrwaffe mit einem Plasmabrenner und einer Einspritzvorrichtung zum Einspritzen eines Oxidationsmittels.

In der Zeichnung ist mit 10 ein Waffenrohr einer elektrothermischen Rohrwaffe, beispielsweise einer Kanone, bezeichnet. Am hinteren Ende des Waffenrohrs 10 sitzt ein Plasmabrenner 12. Der Plasmabrenner 12 weist eine zentrale Elektrode 14 und im Abstand davon eine ringförmige Elektrode 16 auf. Zwischen den Elektroden 14 und 16 kann mittels eines Zündkreises 18 ein Lichtbogen 20 erzeugt werden. Der Zündkreis enthält einen Kondensator 22 hoher Kapazität, eine Induktivität 24, einen ohmschen Widerstand 26 und einen Schalter 28. Nach Schließen des Schalters (oder äquivalenter Mittel) entlädt sich der - in nicht dargestellter Weise aufgeladene - Kondensator 22 in dem Lichtbogen 20. Dabei wird ein Plasma-Material wie Polyethylen pyrolysiert und ein heißes Plasma mit hohem Druck und hoher Temperatur erzeugt. Dieses Plasma treibt ein Projektil 30 aus dem Waffenrohr 10.

Dabei treten "unterbilanzierte" Antriebsgase mit einem hohen Anteil von unverbranntem Wasserstoff auf. Diese Antriebsgase sind bei 32 durch Punktierung angedeutet.

Etwa nach zwei Dritteln der Länge des Waffenrohres 10 sind Einspritzvorrichtungen 34 und 36 vorgesehen. Die Einspritzvorrichtungen 34 und 36 sind übereinstimmend ausgebildet. Daher ist hier nur die Einspritzvorrichtung 34 beschrieben.

Die Einspritzvorrichtung 34 enthält einen Stufenkolben 38 mit einem Kolbenteil 40 größeren Durchmessers und einem Kolbenteil 42 kleineren Durchmessers. Der Stufenkolben 38 ist in einem Stufenzylinder 44 mit einer entsprechenden Zylinderkammer 46 größeren Durchmessers und einer Zylinderkammer 48 kleineren Durchmessers geführt. Die Zylinderkammer 46 größeren Durchmessers ist mit der Bohrung 50 des Waffenrohres 10 über einen Druckkanal 52 verbunden.

Die Zylinderkammer 48 kleineren Durchmessers ist mit der Bohrung 50 des Waffenrohres 10 rückwärts von dem Druckkanal 52 über einen Einspritzkanal 54 verbunden. Der Einspritzkanal 54 und die Zylinderkammer 48 kleineren Durchmessers sind mit dem Oxidationsmittel gefüllt. Das Oxidationsmittel ist flüssiger Sauerstoff. Im Ausgangszustand ist der Einspritzkanal 54 durch eine (in der Zeichnung nicht mehr sichtbare) Berstmembran abgeschlossen.

In der Zeichnung ist das Waffenrohr 10 mit dem Projektil 30 kurz nach dem Zünden des Lichtbogens 20 dargestellt. Das Projektil 30 ist noch im Waffenrohr 10, hat aber die Position der Einmündungen von Druckkanal 52 und Einspritzkanal 54 schon passiert. Dadurch wirkt im Druckkanal 52 der hinter dem Projektil 30 erzeugte und das Projektil 30 beschleunigende hohe Druck des durch das Plasma erhitzten Gases. Dadurch wird der Stufenkolben 38 über die größere Fläche des Kolbenteils 40 nach links in der Zeichnung gedrückt. Der Kolbenteil 42 von kleinerem Durchmesser drückt das Oxidationsmittel mit einem entsprechend übersetzten Druck aus der Zylinderkammer 48 und dem Einspritzkanal 54. Die Berstmembran bricht dadurch. Das Oxidationsmittel wird in den Gasstrom in der Bohrung 50 des Waffenrohres 10 eingespritzt. Dadurch erfolgt in dem Bereich des Waffenrohres 10 hinter den Einspritzvorrichtungen 34 und 36 eine Verbrennung des überschüssigen Wasserstoffs. Das ist durch die dichtere Punktierung im Bereich 54 der Bohrung 50 angedeutet. Dadurch wird dem Projektil, nachdem es schon durch das Plasma seine Hauptbeschleunigung erfahren hat, eine zusätzliche Beschleunigung durch die Verbrennungs-Energie des Wasserstoffs erteilt. Außerdem verbrennt der Wasserstoff im Waffenrohr und nicht in einer aus dem Waffenrohr herausschlagenden Flamme.

Claims (5)

1. Elektrothermische Rohrwaffe mit einem Plasmabrenner (12) an einem geschlossenen Ende des Waffenrohrs (10), bei welcher durch den Plasmabrenner (12) ein Lichtbogen erzeugbar und ein durch Pyrolyse aus einem Plasmamaterial entstehendes Plasma elektrisch aufheizbar ist und ein Projektil (30) aus dem Waffenrohr (10) treibt, dadurch gekennzeichnet, daß an einem mündungsseitigen Abschnitt des Waffenrohres (10) eine Einspritzvorrichtung (34, 36) zum Einspritzen eines Oxidationsmittels vorgesehen ist.

2. Elektrothermische Rohrwaffe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspritzvorrichtung (34, 36) durch den durch das Plasma im Waffenrohr (10) hinter dem Projektil (30) erzeugten Druck betätigbar ist.

3. Elektrothermische Rohrwaffe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) die Einspritzvorrichtung (34, 36) einen Stufenkolben (38) mit einem Kolbenteil (40) größeren Durchmessers und einem Kolbenteil (42) kleineren Durchmessers enthält, der in einem Stufenzylinder (44) mit einer entsprechenden Zylinderkammer (46) größeren Durchmessers und einer Zylinderkammer (48) kleineren Durchmessers geführt ist,
• (b) die Zylinderkammer (46) größeren Durchmessers mit der Bohrung (50) des Waffenrohres (10) über einen Druckkanal (52) verbunden ist,
• (c) die Zylinderkammer (48) kleineren Durchmessers mit der Bohrung (50) des Waffenrohres (10) rückwärts von dem Druckkanal (52) über einen Einspritzkanal (54) verbunden ist, und
• (d) der Einspritzkanal (54) und die Zylinderkammer (48) kleineren Durchmessers mit dem Oxidationsmittel gefüllt sind.

4. Elektrothermische Rohrwaffe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspritzkanal (54) waffenrohrseitig durch eine Berstmembran abgeschlossen ist, durch welche das Oxidationsmittel in dem Einspritzkanal (54) gehalten wird und welche bei Überschreiten eines vorgegebenen Druckes in dem Einspritzkanal (54) reißt.

5. Elektrothermische Rohrwaffe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Oxidationsmittel von flüssigem Sauerstoff gebildet ist.