DE3234638C1 - Abdichtung fuer Differenzdruckkolben-Brennkammersysteme von Rohrwaffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Abdichtung für Differenz­ druckkolben-Brennkammersysteme, die der Erzeugung von Treibgasen aus flüssigen hypergolen Treibstoffkomponenten dienen und mit einem im Waffengehäuse koaxial zum Waffen­ rohr axial-beweglich angeordneten Differenzdruckkolben ausgebildet sind, Treibstoffzuführungs-Kanäle für zumin­ dest eine der beiden Treibstoffkomponenten und zwischen sich und dem Gehäuse Abdichtungselemente aufweist, und wobei ferner ein Luftspalt im Gehäuse vorgesehen ist, um ein Überströmen der Treibstoffkomponenten an unerwünsch­ ter Stelle zu vermeiden.

Konzepte über Rohrwaffen und insbesondere Maschinenkanonen mit der Erzeugung von Treibgasen aus hypergolem Flüssig­ treibstoff sind an sich bekannt. Solche Konzepte sind für eine mittlere Kadenz von etwa 880 Schuß pro Minute und Kalibern zwischen 20 Millimetern und 40 Millimetern vor­ gesehen. In Versuchen konnte ermittelt werden, daß die mit dem Antrieb durch hypergole Diergole ausgestatteten Rohrwaffen zumindest die gleiche Leistung bringen wie Rohrwaffen herkömmlicher Art mit Treibladungspulvern. Theoretische Leistungsberechnungen haben ergeben, daß bei gleichen maximalen Gasdrücken und gleicher Waffen­ rohrlänge bei den Rohrwaffen mit hypergolem Flüssig­ treibstoff höhere Mündungsgeschwindigkeiten der Geschosse zu erreichen sind, wobei weiterhin positiv ins Gewicht fällt, daß die Erwärmung und die Erosion des Waffenrohres geringer sind als bei Rohrwaffen mit Treibladungspulvern. Der hypergole Flüssigtreibstoff ist ein Zweikomponenten­ treibstoff, der aus einem Brennstoff und einem Oxidator besteht. Der Brennstoff zündet mit dem Oxidator hypergol, das heißt, ohne Fremdenergie, und besitzt bei den für Rohrwaffen interessanten Kombinationen Zündverzugszeiten von unter fünf Millisekunden nach der begonnenen Durch­ mischung und Berührung. Solche Treibstoffkombinationen sind an sich aus der Raketentechnik bekannt. Als Oxidator wird vorzugsweise weiß- oder rotrauchende Salpetersäure oder Distickstofftretroxid verwendet. Mit einem solchen Oxidator werden verschiedene Brennstoffe mit unterschied­ licher Hypergolität und Toxizität gemischt. Die wesent­ lichen Vorteile der Rohrwaffen oder Maschinenkanonen mit hypergolem Flüssigtreibstoff gegenüber solchen mit Treib­ ladungspulvern sind das Fehlen einer Kartusche für die Aufnahme der Treibladung, das Fehlen einer Zündeinrichtung und der flüssige Aggregatzustand des Treibstoffs. Dadurch, daß jede Komponente von der anderen getrennt bevorratet und transportiert wird und jede einzelne Komponente für sich selbst nicht explosiv ist, wird die Verletzungsgefahr des Waffenträgers entscheidend verringert.

Es sind nun zahlreiche Patentschriften bekannt, die Rohr­ waffen mit einem hypergolen Diergol zeigen.

Die US-PS 31 38 990 zeigt eine Einspritzvorrichtung von flüssigen hypergolen Treibstoffkomponenten für Rohrwaffen, die bereits Abdichtungselemente zwischen dem Differenz­ druckkolben und dem Gehäuse aufweist. Dabei besitzt der Kolben ferner Zuführbohrungen für eine der beiden Treib­ stoffkomponenten. Um ein Überströmen der beiden Treibstoff­ komponenten an einer unerwünschten Stelle zu vermeiden, ist außerdem ein Luftspalt im Gehäuse vorgesehen.

Bei der Rohrwaffe nach der DE-PS 17 28 074 erfolgt die Treibstoffeinspritzung durch einen regenerativ angetrie­ benen Differenzdruckkolben. Die Einspritzdüsen weisen gefederte Rückschlagventile auf. Der Einspritzstart und die Zündung werden durch eine zusätzliche Einspritzvor­ richtung vorgenommen, deren Betätigung kurz vor dem vor­ deren Anschlag des Differenzdruckkolbens erfolgt.

Bei der Rohrwaffe nach der DE-PS 17 28 077 geschieht die Treibstoffeinspritzung ebenfalls durch einen rege­ nerativ angetriebenen Differenzdruck-Kolben, während die Einspritzdüsen mit einem vorgesetzten, fremdgesteuerten Teller- und Schieberventil ausgerüstet sind. Die Treib­ stoffansaugung erfolgt durch den fremdangetriebenen Vor­ lauf des Differenzdruckkolbens und der Einspritzstart sowie die Zündung werden durch den fremdangetriebenen Rücklauf des Differenzdruckkolbens bewirkt.

Die Rohrwaffe nach der US-PS 29 81 153 besitzt eine Treib­ stoffeinspritzung durch mehrere regenerativ angetriebene Differenzdruckkolben, die nicht synchronisiert sind und eine genaue Abstimmung der Düsen erfordern. Die radiale Anordnung der Differenzdruckkolben ermöglicht ein kleines Brennraumvolumen und kurze koaxiale Geschoßzuführung. Die Einspritzdüsen sind mit Nadelventilen versehen, die pneu­ matisch angedrückt werden.

Die DE-PS 24 27 139 offenbart ein Differenzdruckkolben- Brennkammersystem zur Erzeugung von Treibgasen für Rohr­ waffen aus hypergolen Treibstoffkomponenten, das einen Führungszylinder für den Differenzdruckkolben und von diesem angetriebene Einspritzpumpen aufweist.

Bei allen vorgenannten Rohrwaffen nach dem Stand der Technik sind Differenzdruckkolben eingesetzt, die axial beweglich angeordnet sind und dabei sowohl kopfseitig als auch schaftseitig Abdichtungsprobleme besitzen. Durch den Gasdruck werden die einzelnen Treibstoffkomponenten zurückgedrängt und treten in die minimalen Räume der mit­ einander längsbeweglichen Teile ein.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Differenzdruck­ kolben-Brennkammersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem sowohl der Kopf des Differenzdruckkolbens gegenüber der Brennkammer bzw. zum Waffenrohr während der Einfüllphase der Treibstoffkomponenten bis zum Beginn der Einspritzung als auch der längsbewegliche Schaft gegenüber den rückwärtigen Teilen der Brennkammer mit einfachen Mitteln abgedichtet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die an das Waffenrohr anschließende Brennkammer sich unter einem flachen Winkel konisch erweitert und der mit Über­ strömkanälen und Düsen versehene Injekterkopf des Differenz­ druckkolbens in seiner dem Konus der Brennkammer angepaßten Mantelfläche ringförmig angeordnete Einstiche, Nuten oder dergleichen aufweist, und daß innerhalb des zylindrischen Injektorschaftes ein Abstützkolben eingesetzt ist und zwischen dem Abstützkolben und dem Innenmantel des Injek­ torschaftes sowie zwischen dem Außenmantel des Injektor­ schaftes und dem Gehäuseteil jeweils eine Labyrinthdichtung vorgesehen ist.

Die untere Fläche dieser Einstiche oder Nuten kann aus fertigungstechnischen und die Herstellung vereinfachen­ den Gründen parallel zur Längsachse des Differenzdruck­ kolbens angeordnet sein.

Die unter einem flachen Konus einander angepaßten Flächen des Brennraumes und des Injektors sind in besonders vor­ teilhafter, einfacher Weise zur Abdichtung geeignet. Der flache Konus vergrößert die gesamte Anschlagfläche bzw. Dichtfläche und erlaubt gleichzeitig ein begrenztes Zen­ trieren des Injektors. Durch die ringförmigen Einstiche entsteht eine Vielzahl von ringförmigen Dichtungsflächen, wodurch einmal Fertigungsungenauigkeiten der Oberfläche des Injektors und der Brennkammer in ihrer Wirkung nahezu ele­ miniert werden und zum anderen die Bildung von ringörmi­ gen Volumina ermöglicht wird, die zunächst aufgefüllt werden müssen, bevor in nennenswerter Menge Flüssigkeiten in den nächsten Ringraum eintreten.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann sich die ko­ nische Mantelfläche des Injektors bis auf einen Außen­ durchmesser erstrecken, der mit seinem zylindrisch verlau­ fenden Teil der Bohrung des Waffengehäuses entspricht, und es können umfangsverteilt auf dem zylindrischen Teil des Injektors Überströmkanäle in Form von Längsnuten vorgesehen sein. Die Düsen können aus dem Dosierraum im Injektor umfangsverteilt im konischen Teil der Mantelfläche einmünden.

Der so ausgebildete Injektor erlaubt einmal die Unter­ bringung des Dosierraumes für den Brennstoff, der von dort durch die Überströmkanäle in den Brennraum vor den In­ jektor gespritzt wird. Gleichzeitig wird aus dem innen­ liegenden Dosierraum des Injektors die zweite Treibstoff­ komponente, der Oxidator, ebenfalls in den Brennraum ein­ gespritzt. Eine Vertauschung der Dosierräume liegt ebenso im Bereich der Erfindung wie die Auswahl der geeigneten Größe.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem Beispiel dar­ gestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte Rohrwaffe in der Position vor der Schußabgabe

Fig. 2 den Kopf des Differenzdruckkolbens (Injektor) teilweise im Halbschnitt

Fig. 3 die Labyrinthdichtung der zueinander axialbeweglichen Teile in schematischer Darstellung im Schnitt.

Fig. 4 eine Labyrinthdichtung gemäß Fig. 3 im Schnitt

Fig. 5 eine andere Art einer Labyrinthdichtung im Schnitt

Fig. 6 eine dritte Ausführungsart einer Labyrinth­ dichtung im Schnitt.

An das Waffengehäuse 1 ist in einer Bohrung 4, die koaxial zur Seelenachse des Waffenbohres 2 verläuft, der Diffe­ renzdruckkolben 5 axial-beweglich angeordnet. Der vordere, zum Waffenrohr 2 hin offene Teil der Bohrung 4 bildet die Brennkammer 8, die ausgehend vom Waffenrohr 2 unter einem relativ flachen Winkel konisch erweitert ist. Der Kopf 7 des Differenzdruckkolbens 5 (Injektor) ist in seiner Außen­ kontur dem Konus der Brennkammer 6 angepaßt, wodurch eine insgesamt große Dichtungsfläche zwischen den beiden Teilen entsteht. Die konische Mantelfläche 8 des Injektors 7 ist mit ringförmig verlaufenden Einstichen, Rillen, Nuten 9 (Fig. 2) oder dergleichen versehen, deren untere Fläche 10 aus produktionstechnischen Gründen jeweils parallel zur Längsachse des Differenzdruckkolbens 5 ausgerichtet ist. Durch die Einstiche oder Ringnuten 9 entstehen auf der Mantelfläche 8 des Injektors 7 eine Reihe von hinterein­ anderliegenden, ringförmig verlaufenden Dichtflächen, die an dem Konus der Brennkammer 8 zur Anlage kommen. Hinter dem Injektor 7 befindet sich der ringförmige Dosierraum 11′ für den Brennstoff, der durch Überströmkanäle 24 mit der Brennkammer 6 verbunden ist.

Im Inneren des Injektors 7 befindet sich der Dosierraum 11 für den Oxidator. Von dem Dosierraum 11 laufen Düsen 12 durch den Injektor 7 und münden in dessen konischer Man­ telfläche 8.

Innerhalb des Injektorschaftes 13 ist ein Abstützkolben 14 eingesetzt.

Um den Injektorschaft 13 ist zentrisch ein Gehäuse 15 aufgebaut. Um einen Rückfluß des Oxidators während der Hochdruckphase aus dem Dosierraum 11 in den hinteren Be­ reich des Differenzdruckkolbens 5 gering zu halten, be­ findet sich zwicshen dem Abstützkolben 14 und dem Injek­ torschaft 13 eine Labyrinthdichtung 18 in Form von ring- oder gewindeförmig verlaufenden Einstichen im Mantel des Abstützkolbens 14. Das Gehäuse 15 umgibt die Mantelfläche des Injektorschaftes 13 und besitzt ebenfalls eine Laby­ rinthdichtung 17 in gewindeförmig oder ringförmig verlau­ fenden Einstichen. Dadurch wird bewirkt, daß während der Hochdruckphase der in den Dosierraum 11′ befindliche Brennstoff in nur geringer Menge nach hinten wandert, wenn sich im vorderen Brennraum 8 ein Gasdruck aufbaut.

Durch die Bildung von ringförmigen Räumen wird ein Zurück­ strömen von Flüssigkeiten zwischen längsbeweglichen Teilen weitgehend vermieden. Die ringförmigen Räume füllen sich nach und nach auf, so daß die Durchströmung Flüssigkeiten in den nächsten Ringraum durch Turbulenzwirkung stark re­ duziert wird. Die Einstiche der Labyrinthdichtungen können entsprechend den Fig. 4, 5 und 8 rechteckförmig 18, rund- und spitzförmig 19 oder sägezahnförmig 20 ausgebil­ det sein.

Mit 21 und 22 sind die Abführkanäle für den Brennstoff und den Oxidator bezeichnet, in die die Leckflüssigkeiten eintreten können, sobald sie aus der Labyrinthdichtung aus­ treten. Axial hinter den Abführkanälen 21, 22 befinden sich abschließend Ringdichtungen 23, 23′.

Claims (4)

1. Abdichtung für Rohrwaffen mit Differenzdruckkolben- Brennkammersystemen, die zur Erzeugung von Treibgasen aus flüssigen hypergolen Treibstoffkomponenten dienen und mit einem im Waffengehäuse koaxial zum Waffenrohr axial-beweglich angeordneten Differenzdruckkolben aus­ gebildet sind, der Treibstoffzuführungskanäle für zu­ mindest eine der beiden Treibstoffkomponenten und zwischen sich und dem Gehäuse Abdichtungselemente auf­ weist, und wobei ferner ein Luftspalt im Gehäuse vor­ gesehen ist, um ein Überströmen der Treibstoffkompo­ nenten an unerwünschter Stelle zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Waffenrohr (2) anschließende Brenn­ kammer (8) sich unter einem flachen Winkel konisch er­ weitert und der mit Überström-Kanälen (24) und Düsen (12) versehene Injektor-Kopf (7) des Differenzdruckkolbens (5) in seiner dem Konus der Brennkammer (6) angepaßten Mantel­ fläche (8) ringförmig angeordnete Einstiche, Nuten oder dergleichen (9) aufweist, und daß innerhalb des zylin­ drischen Injektorschaftes (13) ein Abstützkolben (14) eingesetzt ist und zwischen diesem und dem Innenmantel des Injektorschaftes (13) sowie zwischen dem Außenmantel des Injektorschaftes (13) und dem Gehäuseteil (15) jeweils eine Labyrinthdichtung (16, 17) vorgesehen ist.

2. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Fläche (10) der Einstiche, Nuten oder dergleichen (9) parallel zur Längsachse des Differenz­ druckkolbens (5) angeordnet ist.

3. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die konische Mantelfläche (8) des Injektors (7) bis auf einen Außendurchmesser erstreckt, der mit seinem zylindrisch verlaufenden Teil der Bohrung (4) des Waffen­ gehäuses (1) entspricht und daß umfangsverteilt auf dem zylindrischen Teil des Injektors (7) Überströmkanäle (24) in Form von Längsnuten vorgesehen sind.

4. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach den vorge­ nannten Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (12) aus dem Dosierraum (11) im Injektor (7) umfangsverteilt im konischen Teil der Mantelfläche (8) einmünden.