DE2518149C1 - Treibgaserzeugungssystem,insbesondere fuer Schusswaffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Treibgaserzeugungssystem, insbesondere für Schußwaffen, mit mindestens einer Rotationskammer als Treibgaserzeuger, in die flüssiger Treibstoff oder flüssige Treibstoffe tangential über Sperrelemente im Kammerzulauf eingefördert werden.

Mit flüssigen Treibstoffen betriebene Schußwaffen für kartuschenlose Projektile sind bekannt. So ist z. B. in der US-Patentschrift 31 38 990 eine Schnellfeuerwaffe mit einem Differenzdruckkolben-Brennkammersystem beschrieben, bei welcher die das Geschoß aus dem Lauf treibenden Druckgase mittels zweier flüssiger, miteinander hypergol reagierender Treibstoffe in der Differenzdruckbrennkammer erzeugt werden.

Hierbei wird im vorderen Umkehrpunkt des Differenzdruckkolbens mit der Treibstoffeinspritzung begonnen und eine Teilmenge der beiden Treibstoffe zunächst mit Hilfe der Behälterdrücke in den vorderen Bereich der Differenzdruckbrennkammer eingefördert, wodurch sich dort durch Reaktion der Treibstoffkomponenten ein Verbrennungsdruck aufbaut, der an der vorderen, ringförmigen Stirnseite des Differenzdruckkolbens angreift und diesen nach Überwindung einer durch ein Druckmedium erzeugten anfänglichen Gegenkraft zurückschiebt, die dann den Differenzdruckkolben in seine vordere Umkehrstellung wieder zurückbringt. Dabei werden in vorgesehenen Ringräumen, welche als Treibstoffzuteilungskammern fungieren, die hier vorgelagerten Einspritzmengen der beiden Treibstoffe durch Ringbunde des Differenzdruckkolbens unter Druck gesetzt und in die Brennkammern eingespritzt, wobei sich vorhandene Rückschlagventile in Richtung zu den Treibstoffbehältern hin selbständig schließen. Da die vordere, dem Brennkammerinnenraum zugewandte, ringförmige Stirnfläche größer ist als die Stirnflächen der beiden auf die vorgelagerten Mengen der Treibstoffe drückenden Ringbunde, tritt eine Differenzwirkung auf, wodurch der Einspritzdruck in jedem Augenblick größer ist als der jeweilige Brennkammerinnendruck.

Nach der Lehre vom Schuß ist es zur Erlangung günstiger innenballistischer Verhältnisse erforderlich, daß die durch Abbrand der in den bei konventionellen Feuerwaffen verwendeten Patronen bzw. Kartuschen eingewogenen Pulvermenge erzeugten Druckgase, die das Geschoß aus dem Lauf treiben, einen großen Anfangsdruck erreichen, um dem Geschoß eine hohe Anfangsbeschleunigung und damit eine hohe Mündungsge-

schwindigkeit zu erteilen. In dieser Hinsicht weisen die bekannten, mit Differenzdruck-Brennkammern zur Erzeugung der Druckgase betriebenen Schußwaffen neben bestimmten Vorteilen, wie Einsparung der Kartuschen, Gewichtsvermindung und geringere Empfindlichkeit der verwendeten Treibstoffe, einen Mangel insofern auf, als in der Anfangsphase des innenballistischen Vorganges, d. h. in der vorderen Umkehrstellung des Differenzdruckkolbens die Einspritzdruckenergie lediglich aus dem relativ niedrigen Treibstoffvorratsbehälterdruck resultiert, was einen verhältnismäßig flachen Anstieg der Druckkurve im Weg-Druckdiagramm bzw. innenballistischen Arbeitsdiagramm zur Folge hat. Die für eine große Anfangsbeschleunigung des Geschosses entscheidende Druckspitze wird zu spät und unter Inkaufnahme eines Zeitverlustes in Form einer unerwünschten Verweilzeit erst nach Einsetzen eines gewissen Brennkammerdrucks und durch die dann damit verbundene Erhöhung der laufenden Einspritzmenge erreicht. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß bei mit Differenzdruckkolben arbeitenden Schußwaffen die Ausbildung eines günstigen Druckdiagramms und die Einförderung der Treibstoffe wegen des auf höchste Werte steigenden Brennkammerdrucks nach wie vor Schwierigkeiten bereiten, ganz abgesehen davon, daß die zueinander bewegten Bauteile der Differenzdruckkammer mit verhältnismäßig großen Massen hohe Verschleißquoten nach sich ziehen.

Ferner ist nach der CH-PS 3 99 252 eine mit flüssigen Treibstoffen arbeitende automatische Rohrwaffe bekannt, bei der über getrennte Leitungen zwei miteinander reagierfähige Treibstoffe tangential in das Rohr bzw. in eine Rotationskammer zwischen dem Rohrbodenstück und dem Geschoß gefördert und dort durch eine Zündeinrichtung gezündet werden. Das Einströmen dieser beiden Treibstoffe wird durch in den Zulaufleitungen befindliche Ventile gesteuert. Der Nachteil dieser bekannten Ausführung einer mit flüssigem Treibstoffen betriebenen Schußwaffe besteht darin, daß die Waffe erst unmittelbar vor dem Schuß durch Zufuhr der beiden Treibstoffe zum Rohr geladen werden kann, was die Schußfrequenz vermindert. Außerdem muß für viele Schußfolgen ein eigener Kühlkreislauf installiert sein, um eine Überhitzung der Waffe zu vermeiden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden und einen Treibgasgenerator, insbesondere für Schußwaffen, der eingangs genanten Art einfacher Konzeption und Konstruktion zu schaffen, die einerseits einen günstigen Verlauf des erforderlichen Brennkammerdrucks sowie Verschleißarmut garantieren und andererseits kürzeste Bereitschaftszeiten für den Erstschuß und hohe Schußfrequenzen mit sich bringen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem solchen Treibgaserzeugungssystem erfindungsgemäß durch einen geschlossenen Treibstoffkreislauf oder mehrere für die Kammer oder Kammern zur Erzeugung eines dauernden rotierenden Treibstoffringes in der Kammer als Ladung mit mindestens einem Kammerablauf und zugeordneten Sperrelementen, wobei die Sperrelemente im Kammerzulauf und im Kammerablauf während der vorübergehenden Betriebsphase der Kammer bzw. Kammern deren Zu- und Ablauf abhängig vom anfänglich steigenden Kammerinnendruck, insbesondere selbsttätig, sperren und nach der Betriebsphase den Zu- und Ablauf abhängig vom dann fallenden Kammerinnendruck, insbesondere selbsttätig, wieder öffnen.

Um beim vorliegenden Treibgaserzeuger bewegte Maschinenteile weitgehendst zu reduzieren, wird in Ausgestaltung der Erfindung weiter vorgeschlagen, im Treibstoffzulauf und Treibstoffablauf der Kammer bzw. Kammern hydraulisch arbeitende, selbsttätig fungierende Sperrelemente, sog. Fluid-Dioden anzuordnen, die sich durch den wechselnden Kammerdruck selbsttätig steuern.

Durch die Erfindung wird auf einfache Weise bewirkt, daß während der Betriebsphase der Kammer (Gaserzeuger) bei steigendem Kammerdruck, sobald dieser den Treibstofförderdruck übersteigt, die Treibstoffzu- und -abfuhr gesperrt werden und die Kammer nach außen solange abgedichtet wird, bis der in der Kammer vorgesehene Treibgaserzeugungsprozeß bzw. Reaktionsprozeß abgeschlossen und der Schuß gefallen oder ein Impuls abgegeben ist, d.h. bis der Kammerdruck wieder unter den Treibstofförderdruck gefallen ist. Ist dieser Zustand erreicht, so wird wieder Treibstoff nachgefördert, bis der rotierende Treibstoffring die gewünschte radiale Dicke erreicht hat. Dieses in der Kammer aufgebaute Treibstoffvolumen bildet jeweils die »Ladung« der Kammer. Diese Ladung kann erfindungsgemäß variiert werden, um jeweils größere oder kleinere Treibgasmengen zu erzeugen. Hierdurch können bei der bevorzugten Verwendung für Schußwaffen größere oder kleinere Reichweiten oder Durchschlagsleistungen (Mündungsgeschwindigkeiten) erzielt werden. Ferner wird erfindungsgemäß die Gesamtzeit für den einzelnen Schuß um die »Ladezeit« kürzer. Außerdem werden durch die zwischen den einzelnen Schüssen oder Schußfolgen gegebene fortlaufende Flüssigkeitskühlung für die Brennerkammer höhere Standzeiten des Gerätes erreicht.
Die Erfindung ist jedoch nicht nur anwendbar bei Schußwaffen sondern, wie bereits angedeutet, auch einsetzbar z. B. für Pulsorückstoßtriebwerke.

Um ein schnelles Durchzünden (bei Reaktionstreibstoffen) oder einen schnelleren Zerfall (bei Monergoltreibstoffen) der in der Kammer befindlichen rotierenden Treibstoffmenge bzw. der Ladung zu erreichen, wird weiter vorgeschlagen, der Hauptkammer eine Initialkammer zuzuordnen. Dies kann in Ausgestaltung hierzu auf diese Weise vorgenommen werden, daß vor bzw. im Kopf der eigentlichen Kammer die Initialkammer koaxial angeordnet ist, einen gegenüber dem Innendurchmesser des Treibstoffringes etwas größeren Innendurchmesser aufweist und zur eigentlichen Kammer strömungsmäßig gedrosselt ist. Der in der Initialkammer befindliche »dünne« Treibstoffring, der mit

so dem Treibstoffring in der eigentlichen Kammer kommuniziert, wird durch eine geeignete Einrichtung (elektrisch oder chemisch durch eine Initialpeitsche) gezündet. Die auf diese Weise erzeugten Initialgase gelangen dann in die eigentliche Kammer und entflammen bzw. zersetzen dort sehr rasch die Ladungsmenge an ihrer gesamten Innenfläche.

Die Zündung wird erfindungsgemäß generell dadurch erleichtert und gefördert, daß sich radial innerhalb des rotierenden Treibstoffringes durch Verdunstung und Verdampfung ein gasförmiger Treibstoffkern ansammelt, der stets zündwillig ist. Diese Tendenz wird noch durch die Erscheinung unterstützt, daß durch die zentrifugierende Wirkung des rotierenden Treibstoffs die Konsistenz desselben radial von außen nach innen vom rein flüssigen über eine Mischphase in den gasförmigen Zustand übergeht, was zu einer Steigerung der Abbrandgeschwindigkeit beiträgt.
Eine weitere Möglichkeit im Rahmen der Erfindung

besteht darin, bei Verwendung von mehreren, insbesondere zwei miteinander hypergol reagierenden Treibstoffen durch ein Überlaufwehr voneinander getrennte Kammern mit jeweils einem eigenen geschlossenen Treibstoffkreislauf vorzusehen und durch geringfügige Mengenvermehrung des einen oder beider Treibstoffringe eine Berührung beider hypergoler Treibstoffe zum Zwecke einer gewünschten Treibgaserzeugung herbeizuführen. Dies kann erfindungsgemäß durch vorübergehende Zulaufvergrößerung und/oder Ablaufverkleinerung eines oder beider hypergoler Treibstoffe gesteuert werden.

Die treibgaserzeugende Kammer kann bei einer Schußwaffe koaxial hinter dem Rohr liegen, sie kann aber auch seitlich neben dem Rohr angeordnet sein. Ebenso kann eine Initialkammer auch örtlich getrennt von der eigentlichen treibstofferzeugenden Kammer vorgesehen sein und durch einen Überströmkanal mit dieser in Verbindung stehen. Durch den geschlossenen Treibstoffkreislauf und die kontinuierliche Anlagerung eines rotierenden Treibstoffringes in der Kammer als Treibstoffladung ist eine ständige Betriebsbereitschaft des Gaserzeugers gegeben, da er dauernd geladen ist. Ferner wird die Kammer dadurch laufend gekühlt, was insbesondere für Dauerfeuer wichtig ist. Durch die rotierende Anlagerung des Treibstoffes an der Kammerinnenwand wird lagenunabhängig stets eine definierte Treibstoffoberfläche aufrechterhalten. Der Treibstoffförderdruck (Pumpendruck) kann niedrig gehalten werden, da nur die nächste Füllung der Kammer zu bewerkstelligen ist. Außer der Treibstofförderpumpe oder den -pumpen und dem Pumpenantrieb, die nur unter relativ geringen Belastungen arbeiten müssen, sind keine beweglichen Verschleißteile erforderlich.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Treibgaserzeugern in Treibstoffördersystemen gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine Anlage mit einem Treibgaserzeuger in Schema,

F i g. 2 einen in einer Schußwaffe angebauten monergolbetriebenen Treibgaserzeuger und

F i g. 3 einen mit zwei hypergolen Treibstoffen arbeitenden Treibgaserzeuger für eine Schußwaffe.

Wie aus F i g. 1 hervorgeht, wird eine für die Gaserzeugung vorgehende Kammer la aus einem Treibstoffvorratsbehälter 2 durch eine von einem Motor 3 angetriebene Förderpumpe 4 über eine Zulaufleitung 5 mit Treibstoff versorgt. Von der Kammer la führt eine Ablaufleitung 6, in der ein Mengenregelventil 7 und ein Kühler 8 eingebaut sind, zum Vorratsbehälter 2 zurück. Durch das Ventil 7 kann die Ladungsmenge bzw. die jeweilige Treibstoffmenge in der Kammer la bestimmt werden.

Die Zulaufleitung 5 mündet tangential in den Brennkammerinnenraum, so daß sich dort eine stabile Rotationsströmung in Form eines Treibstoffringes R1 ausbildet, dessen radiale Stärke von einer (oder mehreren) Ablaufbohrung 9 bestimmt wird, die sich in einem Zentralstück 10 befindet, das sich nicht über die ganze Länge der Kammer la erstrecken muß. Anstelle der Ablaufbohrung 9 (oder mehrerer) im Zentralstück 10 könnte auch ein bekanntes, radial verstellbares Schöpfrohr vorgesehen sein.

Die Treibstoffmenge des Ringes R1 stellt die Ladung der treibgaserzeugenden Kammer la dar und wird auf bekannte Art und Weise gezündet. Nach dem Zünden der Ladung steigt der Druck in der Kammer, durch den hydraulische Dioden im Zulauf und Ablauf eine Absperrung der Kammer la in diese beiden Richtungen selbsttätig bewirken. Die genannten Dioden bestehen aus einer Gegendruckleitung 11 im Kammerzulauf und aus einer Gegendruckleitung 12 im Kammerablauf. Die Gegendruckleitung 11 verläuft vom Innenraum der Kammer la zur Zulauf leitung 5 und mündet in diese in Strömungsrichtung des zufließenden Treibstoffs. Ferner verläuft die andere Gegendruckleitung 12 vom Innenraum der Kammer la zur Ablauf bohrung 9, und zwar

ίο mündet sie dabei gegen die Richtung des abfließenden Treibstoffs. An den Einmündungen der beiden Gegendruckleitungen 11 und 12 in die Zulauf leitung 5 bzw. in die Ablaufbohrung 9 findet daher eine hydraulische Druckverblockung statt und dadurch bleibt die Kammer la während des Reaktionsvorganges (der Gaserzeugung) bei steigendem Druck d. h., wenn der Innendruck den Förderdruck übersteigt, nach außen hin abgesperrt. Sobald der Kammerinnendruck unter den Treibstofförderdruck wieder sinkt, beginnt wiederum die Füllung der Kammer la mit Treibstoff in Form einer rotierenden Strömung.

In Fig. 2 ist der eigentlichen Kammer \b eine Zündkammer Z vorgeschaltet, deren Innendurchmesser etwas größer ist als der Innendurchmesser des rotierenden Treibstoffringes R 2, so daß in der Zündkammer Z stets einen kleine Menge Treibstoff vorgelegt ist. Die Zündkammer Z ist durch einen Drosselpilz 13 gegenüber dem Innenraum der Kammer \b abgeteilt. Durch einen Isolator 14 ist eine Zündelektrode 15 geführt, welehe die in der Zündkammer Z befindliche kleinere Treibstoffmenge entzündet. Deren Zündgase gelangen über einen Drosselspalt 16 in die Kammer la, wo sie die gesamte Treibstoffmenge entflammen. Die dadurch erzeugten Treibgase beaufschlagen den Treibspiegel eines Geschosses 17, das seitlich über einen Ladeschacht 18 zugeführt worden ist.

In Fig. 3 ist eine Doppelkammer Ic mit einem linken Kammerteil Ic/und einem rechten Kammerteil Ic/gezeigt, wobei in dem einen Kammerteil ein Brennstoff und in dem anderen Kammerteil der Sauerstoff oder ein Sauerstoffträger eingebracht wird. Beide Treibstoffe reagieren hypergol miteinander. Der linke und der rechte Kammerteil Ic/ bzw. lcr sind durch ein Wehr 19 voneinander getrennt, dessen Überlaufsich etwas innerhalb der Spiegel der Treibstoffringe R 3 befindet. Um die beiden hypergolen Treibstoffe zum Zwecke des Zündens zusammenzubringen, ist es lediglich erforderlich, im Zulauf oder im Ablauf eines der beiden Treibstoffkreisläufe befindliche Ventile 20 bzw. 21 vorübergehend weiter zu öffnen bzw. mehr zu schließen, so daß der eine der beiden Treibstoffe über das Wehr 18 in den anderen Kammerteil läuft.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Treibgaserzeugungssystem, insbesondere für Schußwaffen, mit mindestens einer Rotationskammer als Treibgaserzeuger, in die flüssiger Treibstoff oder flüssige Treibstoffe tangential über Sperrelemente im Kammerzulauf eingefördert werden, g e kennzeichnet durch einen geschlossenen Treibstoffkreislauf oder mehrere für die Kammer (la, ib, Ic,)oder Kammern zur Erzeugung eines dauernden rotierenden Teibstoffringes (R 1, R 2, R 3) in der Kammer (la, ib,ic) als Ladung mit mindestens einem Kammerablauf und zugeordneten Sperrelementen, wobei die Sperrelemente im Kammerzulauf und im Kammerablauf während der vorübergehenden Betriebsphase der Kammer (la, ib, ic) bzw. Kammern deren Zu- und Ablauf abhängig vom anfänglich steigenden Kammerinnendruck, insbesondere selbsttätig, sperren und nach der Betriebsphase den Zu- und Ablauf abhängig vom dann fallenden Kammerinnendruck, insbesondere selbsttätig, wieder öffnen.

2. Treibgaserzeugungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zulauf und im Ablauf der treibgaserzeugenden Kammer (la bzw. ib bzw. ic) oder Kammern hydraulisch arbeitende Sperrelemente in Form von sog. Fluid-Dioden angeordnet sind.

3. Treibgaserzeugungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß entfernt von der Einmündung des Treibstoffzulaufs in den Innenraum der treibgaserzeugenden Kammer (la bzw. ib bzw. ic) von der Innenwand derselben zur Zulauf leitung (5) ein Gegendruckkanal (11) verläuft, der in Richtung des zufließenden Treibstoffes in die Zulaufleitung (5) mündet.

4. Treibgaserzeugunssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der gaserzeugenden Kammer (la bzw. ib bzw. ic) eine die radiale Stärke des rotierenden Treibstoffringes bestimmende Ablaufbohrung (9) bzw. Ablaufbohrung oder ein Schöpfrohr vorgesehen ist, von deren Mündung entfernt von der Innenseite des rotierenden Treibstoffringes zur Ablaufbohrung (9) ein Gegendruckkanal (12) verläuft, der in Gegenrichtung zum abfließenden Treibstoff in die Ablauf bohrung (9) mündet.

5. Treibgaserzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein steuerbares Mengenregelventil (7) in der Ablaufleitung (6).

6. Treibgaserzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der treibgaserzeugenden Kammer (la bzw. ib bzw. ic) eine Initial- bzw. Zündkammer (Z) vorgeschaltet bzw. zugeordnet ist.

7. Treibgaserzeugungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Initial- bzw. Zündkammer (Z) koaxial vor bzw. im Kopf der treibgaserzeugenden Kammer (la bzw. ib) liegt mit einem etwas größeren Innendurchmesser als dem Innendurchmesser des Treibstoffringes (R 1 bzw. R 2) und gegenüber der treibgaserzeugenden Kammer (la bzw. ib bzw. ic)strömungsmäßig gedrosselt ist.

8. Treibgaserzeugungssystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von mehreren, insbesondere zwei miteinander hypergol reagieren-

den Treibstoffen durch ein Überlaufwehr (19) voneinander getrennte Kammerteile (Ic/ und icr) mit jeweils einem eigenen geschlossenen Kreislauf vorgesehen sind und daß durch geringfügige Mengenvermehrung eines Treibstoffringes (R 3) oder beider Treibstoffringe (R 3) eine Berührung beider hypergoler Treibstoffe erfolgt.

9. Treibgaserzeugungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch vorübergehende Zulaufvergrößerung und/oder Ablaufverkleidung bei einem Treibstoff oder bei beiden Treibstoffen die geringfügige Mengenvermehrung gesteuert wird.

10. Treibgaserzeugungssystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im geschlossenen Treibstoffkreislauf ein oder mehrere Kühler (8) vorgesehen sind.