DE4001130A1 - Waffenrohr mit optimiertem drallverlauf - Google Patents
Waffenrohr mit optimiertem drallverlaufInfo
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- F41—WEAPONS
- F41A—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS COMMON TO BOTH SMALLARMS AND ORDNANCE, e.g. CANNONS; MOUNTINGS FOR SMALLARMS OR ORDNANCE
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Description
Die Erfindung betrifft ein Waffenrohr mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Bei derartigen gezogenen Waffenrohren hängt deren Lebensdauer
bekanntermaßen wesentlich von der Leistenkraft ab.
Dieser Zusammenhang, auch hinsichtlich der Auslegung eines
Zug-Feld-Profils und eines dementsprechenden Drallverlaufs
im Waffenrohr, ist ausführlich im "Waffentechnischen Taschenbuch"
der Fa. Rheinmetall GmbH, 5. Auflage 1980, Seiten
523 bis 529, erläutert und beschrieben. Danach kann
die Leistenkraft R(x) über den Geschoßweg x in Längsrichtung
im Waffenrohr in guter Näherung beschrieben werden
durch:
mit den Bedingungen:
Dabei sind:
J: das Trägheitsmoment des Geschosses um seine
Längsachse
D: das Kaliber des Waffenrohres
mG: die Geschoß-Masse
Y: die abgewickelte Umfangsrichtung
p(x): der auf den Geschoßboden wirkende Gasdruck
vG(x): die Geschoßgeschwindigkeit
α(x): der Drallwinkel
D: das Kaliber des Waffenrohres
mG: die Geschoß-Masse
Y: die abgewickelte Umfangsrichtung
p(x): der auf den Geschoßboden wirkende Gasdruck
vG(x): die Geschoßgeschwindigkeit
α(x): der Drallwinkel
Von daher ist klar, daß bei vorgegebener Geschoßmasse mG,
Geschoßgeschwindigkeit vG(x) und Gasdruck-Verlauf p(x) der
Drallverlauf des betrachteten Waffenrohres den Leistenkraft-
Verlauf R(x) entscheidend beeinflußt.
Bei dem bislang - vor allem bei großkalibrigen Waffenrohren
- aus fertigungstechnischen Gründen am häufigsten
verwendeten Konstant-Drall, bei dem der Drallwinkel α(x)
unabhängig vom Geschoßweg x ist, folgt jedoch nachteiligerweise
der Leistenkraftverlauf R(x) proportional dem Gasdruckverlauf
p(x). Es tritt ein ausgeprägtes, lokales
Maximum der Leistenkraft auf, das örtlich mit dem Gasdruck-
Maximum im Waffenrohr zusammenfällt und zu einer
unerwünscht hohen, lokalen Beanspruchung führt.
Schon frühzeitig sind daher Überlegungen angestellt worden,
die Leistenkraft durch Verwendung eines parabolischen,
sinusförmigen oder kubisch-parabolischen Drallverlaufs
zu verringern, wie im "Waffentechnischen Taschenbuch"
der Fa. Rheinmetall GmbH, 5. Auflage, 1980, Seiten
523 bis 529, ausgeführt.
Diese, insbesondere in Bild 1137 auf Seite 525 des "Waffentechnischen
Taschenbuchs", als progressiv bezeichneten
Drallverläufe zeigen, daß beim parabolischen und beim
kubisch-parabolischem Drall eine große Leistenkraft R(x)
an der Waffenrohrmündung auftritt, die sich nachteilig auf
die Flugbahn des Geschosses auswirken kann. Außerdem hat
sie einen sogenannten Torsional-Impuls-Effekt auf das
Waffenrohr zur Folge und ruft damit unerwünschte Waffenrohrschwingungen
um die Rohrseelenachse hervor, wobei das
Geschoß zusätzlich belastet wird.
Wie aus Bild 1137 auf Seite 525 des "Waffentechnischen Taschenbuchs"
weiter hervorgeht, zeigt der sinusförmige
Drallverlauf zwar noch ein ausgeprägtes Maximum der
Leistenkraft aber auch eine deutlich verringerte Leistenkraft
an der Mündung. Da jedoch bei bisher gefertigten
Waffenrohren mit sinusförmigen Drallverlauf für Maschinenkanonen
der Drallwinkel a(x) von einem Anfangsdrallwinkel
αA=0° bis zu einem Enddrallwinkel αE=6,5° an der Waffenrohrmündung
zunimmt, wird der durch die verringerte
Leistenkraft an der Mündung erzielte Vorteil teilweise
durch einen ausgeprägten Umformprozeß eines Führungsbandes
des Geschosses aufgezehrt. Diese Verhältnisse werden umso
ungünstiger, je breiter das Führungsband ist.
Bei Artillerierohren, deren Geschosse üblicherweise besonders
breite Führungsbänder besitzen, erhöht ein beim Anfangsdrall
αA=0° beginnender progressiver Drallwinkelverlauf
die Belastung der Führungsbänder, zumal wenn ein üblicher
Enddrallwinkel von aE≈9° erreicht werden soll. In
diesem Fall wird nahezu die gesamte Breite des Führungsbandes
durch die Änderung des Drallwinkels umgeformt, so
daß die Gefahr besteht, daß das Führungsband im Waffenrohr
versagt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben
geschilderten Nachteile der bekannten bei Waffenrohren verwendeten
Drallarten zu vermeiden und bei verringertem
Leistenkraftmaximum durch ein in seinem Drallverlauf verbessertes
Waffenrohr dessen Lebensdauer sowie die Innen-
und Außenballistik von daraus verschossenen Geschossen zu
verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Waffenrohr
mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des kennzeichnenden
Teils des Patentanspruchs 1.
Der besondere Vorteil eines erfindungsgemäß ausgelegten
Waffenrohres ist, daß ein lokal ausgeprägtes Maximum der
Leistenkraft vermeiden und die maximal auftretende Leistenkraft
deutlich verringert wird, so daß das gesamte
Zug-Feldprofil geringer belastet wird und somit die Lebensdauer
des Waffenrohres hinsichtlich Ermüdung und Verschleiß
verbessert wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Waffenrohres
ist darin zu sehen, daß, wie bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung vorgesehen, ein von einem
Fourier-Reihen-Ansatz höherer Ordnung beschriebener Drallwinkel
eine entsprechende Anpassung des gewünschten Leistenkraft-
Verlaufs an einen vorgegebenen Gasdruckverlauf
mit einer hinreichenden Anzahl von Koeffizienten möglich
macht. Durch an sich bekannte numerische Optimierung der
Koeffizienten der Fourier-Reihe ist eine exakte Festlegung
der Leistenkraft an der Waffenrohrmündung, eine deutliche
Reduzierung des Leistenkraftmaximums, eine Einstellung
einer geringen Drallwinkel-Änderung über den Geschoßweg
zur Schonung eines Führungsbandes des Geschosses durchführbar.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen
aus den Unteransprüchen hervor.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels eines Artillerierohres vom Kaliber
155 mm und einer Waffenrohrlänge von 52 Kalibern ausführlich
erläutert und beschrieben.
Zum besseren Verständnis und zur Verdeutlichung der Erfindung
dienen zwei Diagramme. Dabei zeigen im einzelnen:
Fig. 1 ein Diagramm eines Drallwinkels α(x) aufgetragen
gegen eine Waffenrohrlänge x des erfindungsgemäßen
Waffenrohres im Intervall zwischen den auf
der Abszisse markierten Positionen xA und xE;
Fig. 2 ein Diagramm einer sich aus dem Drallwinkelverlauf
α(x) gemäß Fig. 1 ergebenden Leistenkraft
R(x) aufgetragen gegen die Waffenrohrlänge x;
Fig. 3 ein Diagramm (gegenüber Fig. 1 in verkleinertem
Maßstab) Drallwinkelverlauf α(x) mit dem erfindungsgemäßen
Drallwinkelverlauf gemäß Fig. 1 im
Vergleich zum Konstantdrall und zum parabolischen
Drall in einem entsprechenden Waffenrohr
und
Fig. 4 ein Diagramm der sich aus den Drallwinkelverläufen
α(x) gemäß Fig. 3 ergebenden Leistenkräfte
R(x) für die in Fig. 3 dargestellten Drallarten.
Ausgehend von einem gegebenen Gasdruckverlauf p(x) und
einer gegebenen Geschoßgeschwindigkeit vG(x) wurde im
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein
Artillerie-Waffenrohr vom Kaliber D=155 mm und einer Waffenrohrlänge
x mit 0≦x≦52 D für den gewünschten Drallwinkelverlauf
α(x) gemäß
α(x) = Σ Cn · cos (n · x · π · f/xE); 0≦n≦10
eine gerade Fourier-Reihe angesetzt. Der Enddrallwinkel
αE ist aus ballistischen Gründen mit αE=8,969°.
Um am Drallbeginn x=xA und am Drallende x=xE ähnlich
günstige Verhältnisse wie beim bekannten Konstantdrall zu
erzielen, muß der Drallverlauf α(x) an diesen Stellen xA,
xE eine nahezu horizontale Tangente besitzen, so daß
den Faktor f im Argument der trigonometrischen Glieder der
obigen Fourier-Reihe dient zur Verkürzung der Periode und
beeinflußt daher die Leistenkraft R(x) an der Waffenrohrmündung
x=xE. Vorzugsweise gilt für den Faktor f
1,0<f<1,2.
Ein weiterer wichtiger Parameter zur Beeinflussung der
Leistenkraft R(x) ist der Anfangsdrallwinkel α(x)=xA.
Dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm des Leistenkraftverlaufes
α(x) eines erfindungsgemäßen Waffenrohres liegen
neben den schon vorher erwähnten Werten folgende Koeffizienten
zugrunde, die mit Hilfe eines an sich bekannten
numerischen Optimierungsverfahrens ermittelt wurden:
Mit der schon oben erwähnten Ableitung
und den Beziehungen
ist bei vorgegebenem Gasdruck-Verlauf p(x) und Geschoßgeschwindigkeitsverlauf
vG(x) die Leistenkraft R(x) entlang
des Rohres gemäß
festgelegt. Die derart bestimmte Leistenkraft R(x) ist im
Diagramm in Fig. 2 dargestellt.
Aufgrund des gewählten Enddrallwinkels von αE=8,969°
ergibt sich ein großer Anfangsdrallwinkel von
α(xA) = 5,298°. Dies damit erzielte Drallwinkeländerung
entlang des Rohres von Δα=αE-αA=3,6289° ist vorteilhafterweise
sehr klein, so daß ein übliches Führungsband
auf seinem Weg durch das Waffenrohr nur geringfügig
umgeformt wird. Darüber hinaus zeigt Fig. 2, daß das
Maximum der Leistenkraft R(x) im wesentlichen über den
Geschoßweg x konstant bleibt.
Weiterhin vorteilhaft ist der erfindungsgemäß bestimmte
kleine Anfangsdrallwinkel von αA=5,298°, da er sich günstig
auf den sogenannten Torsional-Impuls-Effekt auswirkt
und daher die Schwingungsneigung des Waffenrohres reduziert.
Fig. 3 zeigt zur Verdeutlichung den erfindungsgemäßen
Drallwinkelverlauf α(x), der hier wie in Fig. 1 als durchgezogene
Linie dargestellt ist, im Vergleich mit heute bisher
verwendeten Drallarten für ein entsprechendes Waffenrohr.
In Fig. 3 ist der Konstantdrall als strich-punktierte
Kurve und der parabolische Drall als strichlierte Kurve
dargestellt.
Ausgehend von den in Fig. 3 abgebildeten Drallwinkelverläufen
α(x) ergeben sich die in Fig. 4 dargestellten
Leistenkraftverläufe R(x) für die jeweiligen Drallarten.
In Fig. 4 wurde die Darstellungsweise der Kurven gemäß
Fig. 3 verwendet.
Aus Fig. 4 geht deutlich hervor, daß bei einem erfindungsgemäßen
Waffenrohr gegenüber dem heute noch bei Artillerierohren
üblichen Konstantdrall das Leistenkraftmaximum um
ca. 42% reduziert ist.
Bei dem heute bei Maschinenkanonen üblichen parabolischen
Drall, der hier auf ein dem erfindungsgemäßen beispielhaft
dargestellten Artillerierohr zu Vergleichszwecken übertragen
wurde, wäre zwar mit einem erfindungsgemäß konstruierten
Waffenrohr nur eine Reduzierung des Leistenkraftmaximums
um ca. 11% möglich, aber der parabolische Drall
würde das Führungsband eines Geschosses während des Geschoßdurchlaufs
von xA nach xE wegen Δα≈9° stark verformen
und möglicherweise versagen lassen. Außerdem nimmt
beim parabolischen Drall die Leistenkraft R(xE) an der
Mündung ihren Maximalwert an, so daß es zu einem Drehmomentenstoß
auf das austretende Geschoß kommt und u. U. zu
einer Störung des Geschoßabganges.
Demgegenüber beträgt die mündungsseitige Leistenkraft
R(xE) des erfindungsgemäßen Waffenrohres - wie Fig. 4
zeigt - lediglich noch 10% des Maximalwertes.
Insgesamt ergeben sich gegenüber bekannten Waffenrohren
mit üblichen Drallverläufen bei dem erfindungsgemäßen
Waffenrohr die folgenden Vorteile:
- - geringere Belastung des Zug-Feldprofiles, d. h. geringerer Rohrverschleiß und bessere Ermüdungslebensdauer
- - geringere Führungsbandbeanspruchung
- - geringere Belastung der Drallaufnahme
- - geringere Anregung von Rohrschwingungen
- - günstige Abgangsballistik des Geschosses durch verringerte Leistenkraft an der Waffenrohrmündung
- - geringfügige Umformung des Führungsbandes des Geschosses durch verringerte Drallwinkeländerung während des Geschoßdurchlaufes durch das Waffenrohr.
Die Herstellung erfindungsgemäßer Waffenrohre selbst
großen Kalibers mit den oben diskutierten erfindungsgemäßen
Drall-Gesetzmäßigkeiten ist mit den heute bekannten
CNC-gesteuerten Nut-Ziehmaschinen ohne größere Schwierigkeiten
möglich.
Claims (5)
1. Waffenrohr mit einem Drallverlauf mit einem veränderlichen
Drallwinkel und einer beim Verschießen eines Geschosses
wirkenden Leistenkraft,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Waffenrohr derart konstruiert ist, daß die Leistenkraft
(R(x)) über den Geschoßweg (x) im Waffenrohr bei
vorgegebener Geschoßmasse (mG), Geschoßgeschwindigkeit
(vG(x)) und Gasdruckverlauf (p(x)) am Beginn der Züge
(x=xA) steil ansteigt, über einen folgenden weiten Bereich
des Waffenrohres im wesentlichen konstant bleibt
und zur Mündung (x=xE) steil abfällt, also in einem
Diagramm R(x) einen im wesentlichen trapezförmigen Verlauf
hat, wobei das Maximum der Leistenkraft (R(x))
gegenüber einem entsprechenden Waffenrohr mit einem
üblichen Konstantdrall um mindestens ein Viertel reduziert
ist.
2. Waffenrohr nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der die Leistenkraft (R(x)) bestimmende Drallwinkel
(α(x)) durch eine Fourier-Reihe gemäß
α(x)=Σ (Sn · sin n ·F · x + Cn · cos n · F · x);
0 ≦ n ≦ zbeschrieben wird, wobei z ein positiver, ganzzahliger Wert und F ein konstanter Faktor ist.
0 ≦ n ≦ zbeschrieben wird, wobei z ein positiver, ganzzahliger Wert und F ein konstanter Faktor ist.
3. Waffenrohr nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die den Drallwinkel (α(x)) bestimmende Fourier-Reihe
eine gerade Fourier-Reihe ist.
4. Waffenrohr nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der den Drallwinkel (α(x)) des Waffenrohres bestimmende
konstante Faktor (F) im Argument der trigonometrischen
Glieder der Fourier-Reihe durch F=π f/xE
beschrieben wird, wobei f ein Faktor zur Beeinflussung
der Leistenkraft (R(x)) an der Mündung (x=xE) ist und
1,0<f<1,2 gilt.
5. Waffenrohr nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
zur Schonung eines Führungsbandes des Geschosses eine
Änderung (Δα) des Drallwinkels (α(x)) von einem Anfangsdrallwinkel
(αA=α(xA)) am Beginn der Züge bis zu
einem Enddrallwinkel (αE=α(xE)) an der Mündung
kleiner als 5,5° ist, so daß gilt:
Δα=αE-αA<5,5°
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