DE3639103C2 - Geschoßantrieb mit flüssigem Treibstoff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Geschoßantrieb mit flüssigem Treibstoff, insbesondere Antrieb von großkalibrigen Geschossen aus Geschützen, Mörsern oder dergleichen mit nicht-hypergolen Diergolen, die durch ein Kolbensystem in einem Brennraum des Brennkammergehäuses regenerativ eingespritzt werden, welches an die Verschlußseite des Waffenrohres angeschlossen ist.

Aus der EP-OS 161 448 ist bereits ein Geschoßantrieb mit flüssigem Treibstoff bekannt, bei dem ein Einspritzkolben vorgesehen ist, der ringförmig um einen zentralen Bolzen angeordnet ist und in einem Ringkanal vor dem Brennraum wirkt. Über einen Füllkolben wird der flüssige Treibstoff in den Laderaum hineingedrückt, der sich zwischen dem Schaft des Einspritzkolbens und des zentralen Bolzens befindet. Der Füllkolben ist axial beweglich ausgebildet. Die Zündung erfolgt radial von der Seite durch einen zum Brennraum führenden Schlagbolzen. Dieser Geschoßantrieb arbeitet nur mit einem monergolen Treibstoff, der sämtliche zur Verbrennung notwendigen Stoffe in einer einzigen Flüssigkeit beinhaltet. Im Gegensatz zu den Diergolen sind die Monergole direkt zu einer detonationsartigen Verbrennung fähig. Zur Einleitung der chemischen Reaktion ist bei den Monergolen im allgemeinen nur eine bestimmte Temperaturerhöhung und manchmal auch eine Druckerhöhung erforderlich. Hat die Reaktion einmal eine ausreichend große Treibstoffmenge erfaßt, ist die detonationsartige Verbrennung des gesamten im Verbrennungsraum befindlichen Treibstoffes nicht mehr aufzuhalten.

Im Gegensatz zu den Monergolen besteht ein Diergol aus zwei Flüssigkeiten, die jede für sich bei Normaltemperatur chemisch stabil sind. Dabei stellt die eine Komponente den Brennstoff dar, während die andere Komponente der Oxidator ist. Diese beiden Komponenten werden erst im Verbrennungsraum miteinander in Kontakt gebracht. Die Reaktionsschwelle der miteinander vermischten Komponenten ist im allgemeinen relativ niedrig. Die Diergole besitzen einen gegenüber den Monergolen beträchtlich höheren Energiegehalt bei in getrennter Form guter Lagerfähigkeit aufgrund der guten chemischen Stabilität.

Durch das DE 81 07 707 U1 ist eine Flüssigtreibstoffgeschützvorrichtung mit Direkteinspritzung bekannt, bei welcher ein innerer Steuerkolben zur Steuerung der Treibstoffeinspritzung in einer axialen Bohrung relativ zu einem äußeren Differentialdruckkolben axial bewegbar ist. Der Steuerkolben ist in seiner Rückbewegung beim Abfeuern eines Geschosses begrenzt. Ferner kann der Steuerkolben aus der axialen Bohrung zur Freigabe des Geschoßdurchtrittes beim Nachladen entfernt werden. Die zeitliche Steuerung der Treibsstoffeinspritzung ermöglicht es, von einem schweren Geschoß mit mäßiger Anfangsgeschwindigkeit auf ein leichteres Geschoß mit Treibspiegel und höherer Anfangs- Abfeuergeschwindigkeit zu wechseln.

Die US 4,603,615 offenbart ein Flüssigtreibstoff-Waffensystem mit einem Kolben, der gegenüber seinem zentralen Sockel verschiebbar ist. Der Kolbenkopf besitzt eine Vielzahl von Einspritzöffnungen, die in konzentrischen Ringen zueinander angeordnet sind und Ventile aufweisen, die den Durchtritt der Flüssigtreibstoffe in den Brennraum gestatten und einen Rückfluß verhindern.

Ausgehend von dem vorgeschilderten Stand der Technik ist es nun Aufgabe der Erfindung, einen Geschoßantrieb mit flüssigem Treibstoff der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ein nicht-hypergoler Diergol mit einer guten Materialverträglichkeit, einer geringen Beschußempfindlichkeit und guter Anzündfähigkeit des Gemisches bei einem insgesamt technisch einfachen Aufbau des mechanisch-hydraulischen Antriebssystemes eingesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brennraum von den Kolbenböden des aus drei ineinandergreifenden Kolben bestehenden Kolbensystems beaufschlagt ist, wobei die in dem Brennkammergehäuse axial verschieblich eingesetzten Kolben konzentrisch zueinander derart angeordnet sind, daß im Bereich der Kolbenböden der jeweils innere Durchmesser des jeweils äußeren Kolbens kleiner als der jeweils äußere Durchmesser des jeweils inneren Kolbens und das Differenzdruck-Kolbenverhältnis vom inneren zum äußeren Kolben jeweils höher ist, daß zentral im inneren Kolben der axial bewegliche und gegen eine Anzündladung im Geschoßboden wirkende Schlagbolzen gelagert ist, und daß im Schaftbereich durch die Kolben zwei ringförmige Ladungs­ räume gebildet sind, die zum gemeinsamen Bodenstück axial verschließbar sind.

Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 dargestellt.

Die Erfindung ermöglicht entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche eine regenerative Einspritzung eines nicht-hypergolen Diergols mit einer getrennten Lagerung, einer Zuführung und Einspritzung der Diergolkomponenten in den Verbrennungsraum und die Initiierung der Anzünd­ ladung im Geschoßheck durch ein zentral im Geschoßheck untergebrachtes Schlagzündhütchen. Die besondere Bau­ weise ermöglicht ferner die Verschießbarkeit von Mörser­ geschossen mit unterschiedlicher Formgebung und mit un­ terschiedlicher Masse. Damit sind die geschoßseitig un­ terschiedlichen Bedingungen mit der konstruktiven Ge­ staltung des Einspritzsystems verträglich.

Die drei ineinandergreifenden Kolben ersetzen aufgrund besonders gestalteten Kolbenböden mit den axialen An­ schlagflächen den zusätzlichen Einbau von Ventilen. Die geometrischen Verhältnisse der drei Kolbendurchmesser zueinander sind so gewählt, daß der jeweils äußere Kolben dem jeweils inneren Kolben nachläuft und dadurch das Ziel erfüllt, den zwischen diesen beiden Kolben bestehenden Abströmspalt laufend relativ klein zu halten.

Die Ringkörper auf den Ventiltellern bzw. den Boden­ stücken erfüllen in einfacher und vorteilhafter Weise die Aufgabe, den Kolben vor dem Endanschlag abzubremsen. Dabei wird zusätzlich das Düsenvolumen bei den Abström­ spalten gegen Null gefahren, sobald die Ringkörper in die korrespondierend gebildeten Ringspalte der Kolben­ böden eintauchen.

Weitere Vorteile sind der nachfolgenden Zeichnungsbe­ schreibung zu entnehmen. In der Zeichnung ist ein Bei­ spiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Geschoßantrieb mit flüssigem Treibstoff gemäß der Linie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 einen Schnitt durch den Geschoß­ antrieb gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Geschoßantrieb mit flüssigem Treibstoff um 90° verdreht gegenüber der Fig. 1 gemäß der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 3 in anderer Betriebsstellung.

Das Waffenrohr 1 des Geschoßantriebes mit flüssigem Treibstoff gehört in dem Beispiel zu einer Mörserkanone und ist mit dem Brennkammergehäuse 2 verschluß­ seitig durch Verriegelungskämme 3 lösbar verbunden. Der Innendurchmesser 4 des Brennkammergehäuses 2 entspricht dabei dem Außendurchmesser 5 des Waffenrohres 1. Ihre ineinandergesteckten Teile sind mit einem Dichtungsring 6 versehen.

Das untere Ende des Brennkammergehäuses dient zur Ab­ stützung und gegebenenfalls zur Führung der Mörserwaffe und weist eine Kugel 7 auf, welche in einer Kugelpfanne (nicht gezeichnet) lagert.

In die Bohrung des Brennkammergehäuses 2 ist das Boden­ stück 8 des Einspritzsystems eingesetzt. Das Boden­ stück 8 besitzt im mittleren Bereich ein Außengewinde 9, in welches eine Gewindemutter 10 eingreift. Durch Ver­ drehung der Gewindemutter 10 wird das Bodenstück 6 axial verstellt. Der Antrieb der Gewindemutter 10 erfolgt zweckmäßigerweise durch eine Getriebeschnecke 11, die von einem Motor (nicht dargestellt) angetrieben wird. Anstelle des motorischen Antriebes ist selbstverständlich auch ein Handantrieb möglich.

Der äußere Einspritzkolben 12 ist ebenso wie das Boden­ stück 8 axial bewegbar. Der Kolbenschaft 13 steckt mit seinem rückwärtigen Bereich in einer entsprechenden Aus­ nehmung 14 des Bodenstückes 8, die wiederum mit Dicht­ ringen 15 und 16 versehen ist.

Der Einspritzkolben ist nun insgesamt dreiteilig aus­ geführt, wobei die einzelnen Kolben untereinander nicht verbunden sind und somit unabhängig voneinander bewegt werden können. Mit diesem Konzept wird der Fortfall von Düsen und dadurch der bestmögliche Füllungsgrad der La­ dungsräume erreicht. Der rohrförmige Kolbenschaft 13 des äußeren Einspritzkolbens 12 entspricht an seinem Außendurchmesser dem Innendurchmesser 4 des Brennkammer­ gehäuses 2. Der Durchmesser des vorderen Teiles des Bodenstücks 8 ist entsprechend dem Innendurchmesser des Kolbenschaftes 13 auf eine gewisse Länge reduziert. In vorderer Stellung schlägt der äußere Einspritzkolben 12 an der hinteren Stirnseite des Waffenrohres 1 an.

Der Außendurchmesser des Kolbenbodens 17 des mittleren Kolbens 18 ist größer als der kleinste Innendurchmesser des Kolbenbodens 19 des äußeren Einspritzkolbens 12. Die Bewegbarkeit des mittleren Kolbens 18 wird darstel­ lungsgemäß durch die jeweilige Position des äußeren Einspritzkolbens 12 begrenzt. Zwischen dem Kolbenschaft 20 des mittleren Kolbens 18 und dem Kolbenschaft 13 des äußeren Einspritzkolbens 12 befindet sich der Ladungsraum 21 für den Oxidator.

Der Außendurchmesser des Kolbenbodens 22 des inneren Kolbens 23 ist wiederum größer als der kleinste Durch­ messer des Kolbenbodens 17 des mittleren Kolbens 18. Somit wird auch die Bewegbarkeit des inneren Kolbens 23 durch die jeweilige Position des mittleren Kolbens 18 begrenzt. Zwischen dem Schaft 24 des inneren Kolbens 23 und dem Kolbenschaft 20 des mittleren Kolbens 18 be­ findet sich der Ladungsraum 25 für den Brennstoff. Der Schlagbolzen 26 ist im Zentrum des inneren Kolbens 23 angeordnet. Eine Schraubenfeder 27 ist in der Bohrung 28 des Bodenstücks 8 eingesetzt und drückt auf den Kolben­ schaft 24 des inneren Kolbens 23. Dadurch werden alle drei Kolben 12, 18 und 23 in der vorderen Position ge­ halten, solange kein Gasdruck im Brennraum auftritt.

Die beiden axialen Ringflächen 29 und 30 an den Kolben­ böden 19 und 17 dienen als Ventildichtflächen.

Die Zuführung der Treibstoffkomponenten erfolgt durch Bohrungen beziehungsweise Zuleitungen 31 und 32 im Boden­ stück 8. Die Austrittsöffnungen zu den Ladungsräumen 21 und 25 sind durch ringförmige Ventilteller 33 und 34 verschließbar. Die Schließkräfte werden durch Federn 35 und 36 sowie Stangen 37 und 38 aufgebracht. Im Bodenstück 8 sind ferner Rücklaufleitungen 39 und 40 eingearbeitet, die auf den Auflageflächen für die Zu­ führventile durch Ringkanäle miteinander verbunden sind. Auf diese Weise ist es möglich, die vor dem ersten Zu­ führen in den Zuführleitungen zwischen den Treibstoff­ komponenten-Tanks befindliche Luft zu entfernen, in dem die Rücklaufleitungen durch Ventile mit entsprechen­ den Abfalltanks vorübergehend verbunden werden. Dabei werden die Ventile zwischen der Waffe und den Treibstoff­ komponenten-Tanks geöffnet. Bei dem Ladevorgang wird das Bodenstück 8 von seiner anfänglich vordersten Stellung zurückgesteuert, wobei die Einspritzkolben 12, 18 und 23 an der vorderen Stellung bleiben und die freiwerdenden Ladungsräume laufend mit den Treibstoffkomponenten aufge­ füllt werden.

In dem Zentrum des inneren Kolbens 23 befindet sich ein langer Schlagbolzen 26, dessen unteres Ende 41 vor der Schußauslösung in etwa gleicher Höhe wie die Schlagein­ richtung 42 zu liegen kommt. Die unteren Seiten der drei Kolben 12, 18 und 23 und die vorderen Seiten 43 und 44 der Zuführventile sind so gestaltet, daß sie gegen Ende der Einspritzbewegung als hydraulische Bremsmittel wirken. Sie passen so zueinander, daß sie vor der Zu­ führung nur ein minimales Totvolumen bilden.

Nach erfolgter Initiierung der Anzündladung, die einen Druckanstieg im Brennraum zur Folge hat, wirkt dieser Druck auf alle drei Kolben gleichzeitig. Dadurch werden die beiden Treibstoffladungsräume 21 und 25 unter einen Druck gesetzt, der höher ist als der momentane Brenn­ raumdruckpunkt. Aufgrund der speziellen Anordnung eilt der jeweils innere Kolben den jeweils äußeren Kolben etwas voraus, so daß ringförmige Abströmspalte 45 und 46 gebildet werden, durch welche die beiden Komponenten in den Verbrennungsraum einspritzen. Bei richtiger Fest­ legung der maßgebenden Durchmesser können sich diese Kolben nicht zu weit voneinander entfernen, weil das Differenzdruck-Kolbenverhältnis vom inneren zum äußeren Kolben jeweils höher ist. Die Rücklaufleitungen 39 und 40 sind mit Absperrventilen 47 und 48 versehen, die erst bei den etwas höheren Drücken öffnen, wie sie bei der Einspritzung entstehen. Dadurch tritt beim Laden kein Flüssigkeitsverlust ein, so daß mit einer Ladepumpe zu­ geführt werden kann, die mechanisch mit dem Verstellan­ trieb des Bodenstücks 8 synchronisiert ist. Bei iden­ tischen Förder- und Schluckmengen tritt kein Druck im Ladungsraum auf und somit auch kein Übertritt in den Verbrennungsraum 49, selbst wenn die Kolben gegenseitig nicht völlig dicht schließen.

Claims (9)

1. Geschoßantrieb mit flüssigem Treibstoff, insbesondere Antrieb von großkalibrigen Geschossen aus Geschützen, Mörsern und dergleichen mit nicht-hyper­ golen Diergolen, die durch ein Kolbensystem in einen Brennraum des Brennkammergehäuses regenerativ eingespritzt werden, welches an die Verschlußseite des Waffenrohres angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Brennraum (49) von den Kolbenböden (17, 19, 22) des aus drei ineinandergreifenden Kolben (12, 18, 23) bestehenden Kolbensystems beaufschlagt ist, wobei die in dem Brennkammergehäuse (2) axial verschieblich eingesetzten Kolben (12, 18, 23) konzentrisch zueinander derart angeordnet sind,
daß im Bereich der Kolbenböden (17, 19, 22) der jeweils innere Durchmesser des jeweils äußeren Kolbens (12, 18) kleiner als der jeweils äußere Durchmesser des jeweils inneren Kolbens (18, 23) und das Differenzdruck-Kolbenverhältnis vom inneren zum äußeren Kolben jeweils höher ist, daß zentral im inneren Kolben (23) der axial bewegliche und gegen eine Anzündladung im Geschoßboden wirkende Schlagbolzen (26) gelagert ist,
und daß im Schaftbereich durch die Kolben (12, 18, 23) zwei ringförmige Ladungsräume (21, 25) gebildet sind, die zum gemeinsamen Bodenstück (8) axial verschließbar sind.

2. Geschoßantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenboden (19) des äußeren Kolbens (12) eine koaxiale Öffnung mit einer dem Kolbenboden abgewandten, axialen Ringfläche (29) aufweist, gegen die der Kolbenboden (17) des mittleren Kolbens (18) im Endanschlag ansteht, welcher seinerseits wiederum eine koaxiale Öffnung mit einer dem Kolbenboden abgewandten, axialen Ringfläche (30) besitzt, gegen die der Kolbenboden (22) des inneren Kolbens (23) im Endanschlag anstößt, welcher mit einem zentralen Fortsatz in den Brennraum (49) hineinragt und eine Durchgangsbohrung (50) mit axialen Anschlagflächen (51) für die Aufnahme des Schlagbolzens (26) aufweist.

3. Geschoßantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kolben (12) mit dem mittleren Kolben (18) und dem Bodenstück (8) den Laderaum (21) für den Oxidator bildet, während der mittlere Kolben (18) mit dem inneren Kolben (23) und dem Bodenstück (8) den Laderaum (25) für den Brennstoff schafft.

4. Geschoßantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (31, 32) und Rücklaufleitungen (39, 40) der Laderäume (21, 25) durch Ventile mit Ventiltellern verschließbar sind.

5. Geschoßantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilteller (33, 34) ringförmig gebildet sind und jeweils in den Laderaum (21, 25) vorstehende Ringkörper (43, 44) besitzen, der in eine durch den Kolbenboden (17, 19, 22) zweier radial benachbarten Kolben (12, 18, 23) ausgebildeten Ringnut (52, 53) eintauchbar ist, wobei die Ventiltelleroberseiten und die Kolbenbodenunterseiten korrespondierend gestaltete Oberflächen aufweisen.

6. Geschoßantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je zwischen zwei benachbarten Kolbenböden (17, 19, 22) verschließbare Abströmspalte (45, 46) zum Brennraum (49) vorgesehen sind.

7. Geschoßantrieb nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücklaufleitungen (39, 40) mit Absperrventilen (47, 48) versehen sind.

8. Geschoßantrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilteller (33, 34) durch unter Federkraft in Bohrungen des Bodenstücks (8) eingesetzte Stangen (37, 38) verschließbar sind.

9. Geschoßantrieb nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Öffnung (54) in dem Kolbenschaft (13) zwischen dem Ladungsraum (21) und dem Brennkammergehäuse (2) vorgesehen ist.