DE3940807A1 - Schutzvorrichtung gegen muendungsfeuereffekte bei rohrwaffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Pulvergase ergeben bei Luftfahrzeugen oder Luftabwehrlafetten, die automatische, klein- oder mittelkalibrige Kanonen oder ähnliche Bewaffnung tragen, eine Reihe von Problemen. Die an der Rohrmündung ausströmenden Gase mit hohem Druck bis 100 bar und hoher Temperatur bis 1500°C, können eine hohe Belastung auf die umliegende Aufnahmestruktur und Geräte ausüben, insbesondere dann, wenn die Bewaffnung in ein Luftfahrzeugteil integriert ist. Die Gase sind sehr korrosiv und die entsprechenden Ablagerungen können die Wirkung anderer Geräte, beispielsweise optischer Geräte, nachteilig beeinflussen. Eine besondere Gefährdung besteht jedoch für Strahltriebwerke durch Ansaugen von Pulvergasen oder durch Druckbeeinflussung der Ansaugluft. Die Weiterentwicklung moderner klein- und mittelkalibriger, schnellfeuernder Kanonensysteme führte unter anderem zu einer Erhöhung der Mündungsfeuergeschwindigkeit (v_o) der Geschosse auf mehr als 1000 m/sec. Die Vorteile einer verbesserten Außenballistik und der Wirkung im Ziel (kinetische Energie) resultieren im wesentlichen aus erheblich vergrößerten Gasdrücken im Kanonensystem. Der bei diesen Kanonensystemen am Rohrende auftretende Schallpegel von bis zu ca. 240 dB100 bar, sowie die aus der Aerodynamik resultierenden Forderungen nach widerstandsarmem und weitgehend versenktem, also vollintegriertem oder teilintegriertem Einbau des gesamten Kanonensystems in Luftfahrzeugstrukturen, führten in der Vergangenheit zu erheblichen Unverträglichkeiten zwischen Kanonensystem und Luftfahrzeugen. Die heißen Gase der austretenden Schockwelle (ca. 1500°C am Rohrende) können die nächstliegenden Flugzeugstrukturen aufheizen und der gewaltige Schalldruck beeinflußt alle druck- und schallempfindlichen Strukturen und Geräte (beispielsweise Elektronikgeräte, Sensoren, Optronik und Triebwerk) in diesem Bereich. Auch die Anbringung von Umlenkschaufeln (Mündungsbremse) und Deflektoren allein bewirken keine wesentliche Reduzierung der Blaseffekte.

Aus der EP 01 16 023 ist eine Vorrichtung zur Ableitung von Pulvergasen bekannt, bei der Gase von der Mündung durch ein angeschrägtes Vorsatzteil nach vorne-unten abgeleitet werden und auf Führungsplatten treffen, die sie senkrecht von der Schußrichtung wegleiten. Mit dieser Vorrichtung wird jedoch nur eine Wegleitung der Pulvergase von gefährdeten Stellen, beispielsweise von Triebwerkseinläufen, erreicht.

Aufgabe der Erfindung ist es, für ein vorzugsweise in Flugzeuge eingebautes Kanonensystem eine Schutzvorrichtung anzugeben, mit der schädigende Wirkung des Mündungsfeuers und der Schußgase auf die Flugzeugstruktur und wichtige Ausrüstungsteile des Flugzeugs reduziert und gleichzeitig eine erhebliche Reduzierung der Kanonenrückstoßkräfte erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht im wesentlichen aus folgenden Komponenten:

Abhängig vom Mündungsblast und von den geometrischen Einbauverhältnissen sind hochfeste, formstabile und hitzebeständige Umlenkschaufeln lösbar mit dem Kanonenrohr verbunden. Diese sind an die Innenballistik des Kanonensystems angepaßt und entsprechen der Kontur eines Hüllrohrs, das die Umlenkschaufeln und das Kanonenrohr umgibt. Die Umlenkradien der Schaufeln sowie deren Innendurchmesser und Außendurchmesser sind auf die gegebenen geometrischen Verhältnisse und Gasdruckverhältnisse optimiert. Die Umlenkschaufeln bewirken die Umlenkung des größten Teils der Schußgase entgegen der Schußrichtung des Projektils. Dadurch wird der Umlenkeffekt im ogivalen Teil des Hüllrohrs unterstützt. Bei Verzicht auf die Umlenkschaufeln wird die Wirkung des Hüllrohrs erheblich reduziert. Ebenfalls dienen die Umlenkschaufeln der Übertragung der am vorderen Ende des Kanonenrohrs induzierten Kraft der Mündungsbremse auf das Kanonenrohr. Diese Kraft wirkt der Rückstoßkraft der Kanone (recoil-load) entgegen, wodurch die in die Flugzeugstruktur eingeleitete Reaktionskraft des Kanonensystems erheblich reduziert wird.

Das Kanonenrohr einschließlich Mündungsbremse wird im vorderen Bereich bis zum ersten Hüllrohrlager durch ein dünnwandiges Hüllrohr aus zähem, hitzebeständigem Material vollständig eingeschlossen. Als Werkstoff kann dabei beispielsweise V2A-Stahl verwendet werden, oder jedes andere auch gegen aggressive Stoffe resistente Material. Durch geeignete Materialwahl und Formgestaltung sind auch für Mündungsdrücke bis 100 bar Wandstärken kleiner als 2 mm möglich. Gegenüber heute üblichen Armierungsplatten, die zum Schutz notwendig sind und deren Wandstärke ca. 15 mm beträgt, wird deutlich an Gewicht eingespart, was bei Flugzeugen von besonderer Wichtigkeit ist. Im vorderen Bereich (korrespondierend zur Mündungsbremse) verjüngt sich das zylindrische Rohr entsprechend den geometrischen Verhältnissen, dem Blastdruck, der Wirkung der Mündungsbremse, dem Rohrschwingungsverhalten und der Geschoßstreuung auf eine optimierte, ogivale Struktur. Diese Kontur endet in Form einer Umlenkschaufel der Mündungsbremse mit einem angesetzten zylindrischen, konischen oder ogival divergierenden Rohrstück, das als Austrittsöffnung für das Projektil dient. Der Durchmesser dieser Austrittsöffnung ist dem Rohrschwingungsverhalten beim Schuß (Streuung) und dem Kaliber angepaßt. Für eine optimale Reduzierung der Schall-/Druckbelastung kann bei Kanonensystemen mit gut gedämpftem Rohrlager, d. h. geringer Streuung, und je nach Positionierung des Rohrlagers, der Durchmesser der Austrittsöffnung auf das eineinhalbfache des Kalibers eingestellt werden.

Der hintere Teil des Hüllrohrs, der als Ausströmkanal der Schußgase und der Stauluft dient, endet vor dem Rohrlager in mindestens einer Austrittsöffnung, deren Querschnittsfläche an die Schußgasmenge und an Installationsvorgaben angepaßt ist. Die Öffnung ist durch Doppler und Querstege verstärkt. Vorzugsweise und bei gegebenen geometrischen Einbauverhältnissen sind zwei oder mehr Austrittsöffnungen zur symmetrischen Belastung des Kanonenrohrs und eine konische Formgebung des Hüllrohrs von Vorteil. Das hintere Ende des Hüllrohrs ist lösbar mit dem am Kanonenrohr befestigten Rohrlager verbunden. An dieser Verbindungsstelle wird die durch das Hüllrohr induzierte Hüllrohrkraft entgegen der Rückstoßkraft der Kanone auf das Kanonenrohr übertragen und reduziert im gleichen Maße die in die Flugzeugstruktur eingeleitete Reaktionskraft des Kanonensystems. Die sonst üblicherweise notwendige Einleitung der durch die Gasumlenkung im Hüllrohr entstehenden Kräfte in die Aufnahmestruktur entfällt.

Sollte die Verbindung des Hüllrohrs mit dem Kanonenrohr negative Effekte auf die Kanoneneigendynamik haben, so läßt sich bei rücklaufgedämpften Waffen durch eine Verbindung des Hüllrohrs mit dem Dämpfer eine Verbesserung erzielen.

Zur Optimierung der Schußstreuung und Ausnutzung der geometrischen Randbedingungen des Kanonenrohrs ist auch eine Rohrlagerung und eine Übertragung der entsprechenden Hüllrohrkräfte am vorderen Kanonenrohrende über eine als Sternrad ausgebildete Mündungsbremse mit dem daran verbundenen Hüllrohr denkbar.

Im vorderen Bereich des Hüllrohrs kann zum Hitzeschutz der umgebenden Strukturen um das Hüllrohr herum ein Belüftungsrohr ähnlicher Kontur wie das Hüllrohr in ausreichendem Abstand einschließlich Einlauftrichter über mehrere auf dem Umfang verteilte Stege unlösbar mit dem Hüllrohr verbunden sein. Die Stege sind dabei vorzugsweise senkrecht auf dem Hüllrohr angeordnet. Durch diese Anordnung wird das durch die Schußgase aufgeheizte Hüllrohr auf der Innenseite und Außenseite durch vorbeiströmende Stauluft gekühlt. Die vorbeiströmende Luft wird dabei am hinteren Ende mit durch die Austrittsöffnung für die Schußgase abgeleitet.

Das Hüllrohr wird am Übergang vom vorderen ogivalen Teil zum hinteren Teil über ein Lager radial gelagert. Das Lager in gedämpfter Ausführung kann die Streuung der Projektile beeinflussen und die Übertragung von Vibrationen und Körperschall auf ein Minimum reduzieren. Darüberhinaus ermöglicht dieses Lager eine reduzierte Übertragung von Hitze und einen verspannungsfreien Ausgleich des vergrößten Hüllrohrdurchmessers im aufgeheizten Zustand, beispielsweise bei längeren Salven. Eine solche Lagerung ist beispielsweise in der DE-PS 36 28 586 beschrieben.

Der mit der Aufnahmestruktur verbundene Teil des Belüftungsrohrs und die gedämpft gelagerte Gasaustrittsöffnung können von einem hitzebeständigen, schalldämmenden Material eingehüllt sein. Das Material sollte lose aufliegen und nicht verklebt sein. Es darf sich auch unter Schock und Hitze nicht setzen oder auflölsen. Das schalldämmende Material wird bis in den Bereich des ogivalen Belüftungsrohrs fortgesetzt. Zur Erhöhung der Schalldämmung und zur Vermeidung einer Auflösung des Dämmaterials unter Schockbelastung ist in diesem Bereich ein dünnwandiges, hitzefestes Stützrohr mit angepaßter Kontur vorgesehen. Als Dämmaterial eignen sich besonders gut Mineralfasermaterialien.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine vorteilhafte Ausführungsform;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform.

Die Fig. 1 zeigt einen Längs- und einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Schutzvorrichtung 2, die das Rohrende 4 eines Kanonenrohrs 6, beginnend vor dem ersten Rohrlager 8, entlang der Kanonenrohrachse bis über das Ende des Kanonenrohrs 6 hinaus umgibt. Am Rohrende 4 ist eine Mündungsbremse 10 in Form von hier zwei Umlenkschaufeln 14 und 16 vorzugsweise lösbar montiert. Um das Rohrende 4 herum ist ein Hüllrohr 18 angeordnet, dessen Innenabmessungen auf die Umlenkschaufeln 14 und 16 angepaßt sind. Das Hüllrohr 18 verläuft im Bereich B-C nahezu zylindrisch und verüngt sich dann zum Kanonenrohrende hin spitzbogenförmig. Am vorderen Ende 20 ist eine Öffnung 24 vorgesehen, durch die ein abgeschossenes Projektil das Hüllrohr 18 verläßt. An dieser Öffnung 24 ist ein zylindrisches Rohrstück 26 befestigt, dessen Durchmesser auf das Kaliber der Kanone und auf die Streuung der Projektile angepaßt ist. Je kleiner der Durchmesser, desto größer die Wirkung des Hüllrohrs 18. Das Hüllrohr 18 ist gegenüber dem Kanonenrohr 6 durch ein Hüllrohrlager 27 mit mehreren um den Umfang verteilten Stegen abgestützt. Die umgelenkten Mündungsfeuergase verlassen das Hüllrohr 18 durch eine Austrittsöffnung 32. Die Innenkontur des Hüllrohrs 18 ist so gestaltet, beispielsweise durch ein schräggestelltes Blech 36, daß die Pulvergase widerstandsarm in Richtung Austrittsöffnung 32 geleitet werden.

Die Fig. 2 zeigt eine veränderte Version der Schutzvorrichtung 2. Gleiche Bauteile sind durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet. Auf dem Rohrstück 26 und dem Hüllrohr 18 stützen sich im Umfang Stabilisierungsstege 28 ab, die ein um das Hüllrohr 18 liegendes weiteres Rohr 30 tragen. Dieses Rohr 30 ist mit seinem Innendurchmesser auf den Außendurchmesser des Hüllrohrs 18 angepaßt, so daß sich zwischen diesen beiden Rohren ein Zwischenraum bildet, durch den Kühlluft geführt wird. Am hinteren Ende haben Belüftungsrohr 30 und Hüllrohr 18 Zugang zu mindestens einer gemeinsamen Austrittsöffnung 32. Der Querschnitt dieser Austrittsöffnung 32 ist den Schußgasmengen und den Installationsbedingungen angepaßt und ist nach außen sich verbreiternd durch innenliegende Stege 34 abgestützt.

Um das äußere Rohr 30 herum oder auf dem Rohr 30 kann zur weiteren Schall- und Wärmedämmung Dämmaterial 38 aufgetragen sein, das das Hüllrohr 18 teilweise oder vollständig einschließt. Am vorderen Ende der Schutzvorrichtung 2 ist zwischen Rohr 30 und dem Dämmaterial 38, das in diesem Bereich von einem Stützrohr 40 getragen sein kann, ein um den Umfang verlaufender Hohlraum 42 vorgesehen, der bei rücklaufendem Kanonenrohr zur Aufnahme des Belüftungsrohrs 30 dient, wenn nach Schußunterbrechung das Rohr nach vorne läuft. Das Hüllrohr 18 und seine umgebenden Teile sind im vorderen Teil durch ein Lager 44 an der Aufnahmestruktur abgestützt.

Die Fig. 3 zeigt die Vorrichtung 2 mit einem kombinierten Rohr- und Hüllrohrlager 50, mit dem sowohl das Hüllrohr 18 gegenüber dem Kanonenrohr 6 als auch gegenüber dem Belüftungsrohr 30 eine Lagerung findet. Auch sind Befestigungsmöglichkeiten dieser Lagerung an der Aufnahmestruktur, beispielsweise in Form von Bohrungen 52, vorgesehen. Auf ein Rohrlager 8, wie in den Fig. 1 und 2, kann bei einer derartigen Konstellation verzichtet werden. Sonstige Bauteile tragen die gleichen Bezugsziffern wie in den Fig. 1 und 2.

Durch das vorgeschlagene Hüllrohr sowie dessen Formgebung und Materialwahl wird die Ausbreitung des Schalldrucks erheblich reduziert, die Blasteffekte im Innern des Hüllrohrs fokussiert und deren Wirkung auf Luftfahrzeuge oder Luftabwehrlafetten einschließlich deren Ausrüstung in folgender Weise günstig beeinflußt:

Der radial abgestrahlte Schalldruck wird reduziert und anstelle kritischer Strukturen oder Geräte wird der ogivale Teil des Hüllrohrs aufgeheizt. Aufgrund der Durchströmung des Hüllrohrs und des gegebenenfalls darübergestülpten Belüftungsrohrs mit Stauluft wird das Hüllrohr mindestens auf einer Seite permanent auf ein unterkritisches Niveau gekühlt. Der wesentlichste Teil der entstehenden Schußgase wird an der Mündungsbremse und im ogivalen Teil des Hüllrohrs nach rückwärts umgelenkt und zu der vorgesehenen Austrittsöffnung weitergeleitet, wodurch die Beeinflussung von schußgasempfindlichen Ausrüstungsteilen, beispielsweise Triebwerk, Frontscheibe, IR-Dome oder Radar-Dome und Karbonteile, erheblich reduziert werden kann. Es wird eine Reduzierung der freien Ausbreitung des Schalldrucks in Schußrichtung auf ein für Triebwerk, Sensorik und Optronik erträgliches Maß und eine Reduzierung der auf die Aufnahme- und Umgebungsstruktur induzierten Schußkraft durch die im ogivalen Teil des Hüllrohrs erzeugte Druckkraft, die der Kanonenkraft über die möglichen Verbindungsstellen, zusätzlich zur Mündungsbremsenkraft, entgegenwirkt, erreicht. Dadurch kann eine Gewichtsreduzierung an der Aufnahmestruktur und gegebenenfalls an den Waffenrückstoß-Aufhängemechanismen (Dämpfer) erzielt werden. Auch auf die normalerweise notwendige Lagerung von elektronischen Komponenten auf Schwingungsdämpfern (shock mounts) kann deshalb verzichtet werden.

Durch das Belüftungsrohr wird zum einen das Hüllrohr permanent gekühlt und zum anderen die radiale Ausbreitung des Schalldrucks und damit die Einleitung von Körperschall vor allem in die Luftfahrzeugstruktur zusätzlich reduziert. Eine weitere Reduzierung von Schall- und Körperschalleffekten auf die Flugzeugstruktur kann durch die Einbettung des Belüftungsrohrs in schalldämmendes Material erreicht werden.

Bei rücklaufgedämpften Kanonensystemen ist im vorderen Bereich des Hüllrohrs mit Belüftungsrohr eine weitere Luftkammer vorzusehen, die eine zusätzliche Reduzierung des Schalldrucks im Bereich der höchsten Schallintensität (Mündungsbremse) bewirkt.

Durch geeignete Gestaltung der gedämpften Lagerung des Hüllrohrs kann die Übertragung des Vibrationspegels an die Aufnahmestruktur wesentlich reduziert werden.

Mit schalldämmendem Material kann, je nach Materialstärke und Materialbeschichtung oder Materialtyp, an der Außenseite eine Reduzierung des Schalldruckpegels erreicht werden, der unterhalb des Verträglichkeitsniveaus der im Luftfahrzeug üblicherweise integrierten elektronischen, sensorischen und optronischen Ausrüstungen sowie des Triebwerks liegt.

Mit der Erfindung können thermische Unverträglichkeiten mit den Aufnahmestrukturen und Geräten im Mündungsbereich und für die ganze Länge des Kanonenrohrs sowie aerodynamische Beeinflussungen des Strömungsfeldes bei Luftfahrzeugen durch herausragende Teile des Kanonensystems, beispielsweise die Mündungsbremse, vermieden werden.

Die heißen, aggressiven Schußgase können in einen gewünschten, problemlosen Bereich abgeleitet und negative Beeinflussungen der Triebwerksfunktionen vermieden werden. Eine erhebliche Steigerung der Lebensdauer der Geräte und Strukturen wird erreicht.

Claims (16)

1. Schutzvorrichtung für klein- und mittelkalibrige Kanonen, insbesondere Kanonen an oder in einem fliegenden Objekt, gegen Mündungsfeuereffekte und Schußgase, dadurch gekennzeichnet, daß das Kanonenrohr (6) in seinem Endbereich von einem Hüllrohr (18) umgeben ist, so daß zwischen Kanonenrohr (6) und Hüllrohr (18) ein Zwischenraum besteht und das Hüllrohr (18) an seinem vorderen Ende (20) eine Öffnung (24) zum Passieren von abgeschossenen Projektilen und Mittel zur Umlenkung der Schußgase in die der Flugrichtung der Projektile entgegengesetzte Richtung aufweist und das Hüllrohr (18) am hinteren Ende wenigstens eine Austrittsöffnung (32) zum Ableiten der Schußgase hat.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderen Ende (4) des Kanonenrohrs (6) eine Mündungsbremse (10) vorgesehen ist, die wenigstens eine Umlenkschaufel (14) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Umlenkschaufel (14) an die Gaszustandsbedingungen am Kanonenrohrende angepaßt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Hüllrohrs (18) derartig geformt ist, daß sie an die Form der Außenseite wenigstens der Umlenkschaufel (14) angepaßt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (18) das Kanonenrohr (6) mindestens bis zu einem ersten Hüllrohrlager (44) umschließt.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (18) in seinem vorderen Teil spitzbogenförmig gebildet ist und in seinem hinteren Teil als zylindrisches oder konisches Bauteil vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Öffnung (32) zur Ableitung der beim Schuß entstehenden Gase auf den Massenstrom der Schußgase abgestimmt sind, um eine Minimierung der Druckwirkung in diesem Bereich zu erreichen.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Öffnung (32) einen an die Installationsbedingungen angepaßten Querschnitt hat.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am vorderen Ende (20) des Hüllrohrs (18) ein an das Hüllrohr (18) angesetztes, zylindrisches oder ogival aufgeweitetes Rohr (26) zum Passieren der Projektile vorgesehen ist, dessen Querschnitt auf die Projektilstreuung angepaßt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Lagerung (8) des Hüllrohrs (18) vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (18) dünnwandig aus zähem, hitzebeständigem Material gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Hüllrohr (18) außen von einem weiteren Rohr (30) aus hitzebeständigem Material umgeben ist, wobei zwischen diesem Rohr (30) und dem Hüllrohr (18) ein Zwischenraum besteht und am vorderen Ende des Rohres (30) wenigstens eine Öffnung zum Eintritt und am hinteren Ende wenigstens eine Öffnung zum Austritt durchströmender Luft vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das das Hüllrohr (18) umgebende Rohr (30) mit einem schalldämmenden, hitzebeständigen Material (38) umhüllt oder beschichtet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das das Hüllrohr (18) umgebende Rohr (30) aus schalldämmendem, hitzebeständigem Material besteht.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im vorderen, spitzbogenförmigen Teil der Beschichtung aus schalldämmendem Material innen an dieser Beschichtung ein zusätzliches Stützrohr (40) mit angepaßter Kontur vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Stützrohr (40) und Rohr (30) ein Hohlraum (42) vorgesehen ist.