DE4337964A1 - Elektrischer Hybridbeschleuniger für eine Spezialmuntion - Google Patents

Description

Die Schußentwicklung einer Rohrwaffe läuft dergestalt ab, daß das Treibladungspulver nach Anzündung in Treibgas umgesetzt wird.

Durch den dabei entstehenden Druck wird sowohl das Geschoß in Bewegung gesetzt als auch die noch nicht in Treibgas umge­ setzten Pulverpartikel zerkleinert. Es entsteht somit eine große Abbrandfläche, was zur Folge hat, daß der Abbrand und die damit verbundene Umsetzung in Treibgas beschleunigt wird, was zu einem schnelleren Druckaufbau führt. Der Maximaldruck wird erreicht, kurz nachdem sich das Geschoß in Bewegung ge­ setzt hat. Er drückt das Geschoß durch das Rohr, wobei sich eine kontinuierliche Druckabnahme infolge der Raumvergröße­ rung einstellt.

Beschrieben ist dieser innenballistische Vorgang im "Waffen­ technischen Taschenbuch" der Fa. Rheinmetall, Ausgabe 1985, auf den Seiten 74 ff.

Im Rahmen von Leistungssteigerungen moderner Rohrwaffen hat man nach immer neueren Naßnahmen gesucht, den oben beschrie­ benen Druckabfall zu verhindern, indem man während der Lauf­ zeit des Geschosses durch das Waffenrohr durch seitliche Energieeinkopplung ins Waffenrohr kontinuierlich den Druck aufrecht erhalten hat.

Eine für diese Art der Leistungssteigerung geeignete Vorrich­ tung wird durch die DE-PS 10 56 968 beschrieben. Die Fig. 2 zeigt dabei ein Waffenrohr, an welchem seitlich und zur Längsachse im Winkel stehende Treibladungen angeordnet sind. Mittels einer Mechanik werden diese nach Passieren des Ge­ schosses initiiert. Das dadurch entstehende Treibgas gelangt hinter das Geschoß und sorgt so für eine zusätzliche Be­ schleunigung. Obwohl auf diese Weise der Treibgasdruck wäh­ rend des Durchlaufes des Geschosses durch das Rohr nahezu konstant gehalten werden kann, ist die beschriebene rein mechanisch arbeitende Vorrichtung sehr kompliziert aufgebaut. Der aufwendige Auslösemechanismus dürfte wegen der hohen Be­ lastung beim Schuß eine geringe Lebensdauer haben. Des weite­ ren werden die einzelnen Nassen aufgrund mechanischer Vibra­ tionen des Rohres beim Schuß das Schwingungsverhalten des Rohres so ungünstig beeinflussen, daß die Zielgenauigkeit be­ einträchtigt werden kann.

Die Vorrichtung muß trotz der Ausgestaltung als Trommel nach einer Auswahl von Schüssen nachgeladen werden, und zwar mit einer speziell hierfür entwickelten Treibladung. Von den Ent­ wicklungskosten und Problemen der Legistik abgesehen, ist der Ladevorgang sehr zeitaufwendig, was die Einsatzbereitschaft der Rohrwaffe sinken läßt.

Die weitere Entwicklung ist offenbart in den DE-OS 37 16 078.

Um ein Absinken des Gasdruckes im Lauf bei hoher Kadenz auf einfache Weise zu verhindern, wird vorgeschlagen, den Lauf mit Elektroden zu versehen, wobei je zwei gegenüberliegende Elektroden paarweise zusammengefaßt werden. Diese Elektroden­ paare werden mit einer elektrischen Energiequelle verbunden, wobei die Spannung der Energiequelle so gewählt ist, daß es jeweils zur Ausbildung eines Lichtbogens und damit zur Auf­ heizung des Gases im Lauf kommt, wenn der heckseitige Teil des Geschosses die jeweiligen Elektrodenpaare passiert hat.

Der Nachteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß immer nur das unmittelbar hinter dem Geschoß befindliche Treibgas mit Energie angereichert wird. Der Druckabfall des Treibgases, welcher durch die Vergrößerung des Ladungsraumes beim Durch­ laufen des Geschosses durch das Rohr hervorgerufen wird, macht sich dabei immer noch negativ bemerkbar.

Die durch den aufgezeigten Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen haben gemeinsam den Nachteil, daß sie zur Lei­ stungssteigerung nur seitliche Energieeinkopplung in das Waf­ fenrohr vorsehen und lassen die Möglichkeit, auch die Muni­ tion entsprechend zu modifizieren, außer acht. Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Leistungssteigerung durch eine Kombination aus zeitlicher Energieeinkopplung in das Waffenrohr und einer konstruktiv angepaßten Munition zu schaffen. Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Hauptanspruches und des Nebenanspruches durch deren jeweilige Kennzeichen gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß ein Spezialge­ schoß mit angebautem Geschoßkäfig oder -zylinder (konstantes Volumen), in dem zusätzlich Treibmittel mitgeführt werden kann, zunächst mit Hilfe einer Haupt-Treibladung, die bei Rohrwaffen übliche Beschleunigung erfährt. Anschließend wird an einem vom Stoßboden des Rohres beabstandeten Ort über Elektroden im Rohr und am Geschoß elektrische Energie in das vom Geschoßkäfig eingeschlossene Volumen eingekoppelt. Der sich zwischen den Elektroden ausbildende Lichtbogen heizt die im Geschoßkäfigvolumen befindlichen Abbrandschwaden und Treibmittel thermisch auf und bewirkt so eine partielle Druckerhöhung am Geschoßboden, wodurch eine zusätzliche Be­ schleunigungskraft auf das Geschoß ausgeübt wird.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß zu einem Zeit­ punkt, zu dem sich das Geschoß bereits mit höherer Geschwin­ digkeit im Rohr bewegt, zusätzlich elektrische Energie in ein quasi konstantes, am Geschoß mitgeführtes, Gasvolumen einge­ koppelt wird, wobei sich zunächst der Gasdruck im Geschoßkä­ fig erhöht. Der anschließende Druckabfall im Gasvolumen ist durch die Lochplatte des Geschoßkäfigs verzögert, d. h. die Ausströmgeschwindigkeit des Gases und damit der Impuls auf den Geschoßboden wird gegenüber den herkömmlichen Verfahren der seitlichen Energieeinkopplung merklich gesteigert.

Durch die elektrische Entladung wird dem beschleunigten System keine nennenswerte Nasse zugeführt, die wiederum beschleunigt werden müßte, um dem Geschoßheck zu folgen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen dabei in der Zeichnung die

Fig. 1 Hybridbeschleuniger (schematisch),

Fig. 2 Erfindungsgemäßer Hybridbeschleuniger mit Spezialmunition,

Fig. 2a Spezialgeschoß,

Fig. 3 und 4 Schußentwicklung,

Fig. 5 Geschoß im Rohr mit Zusatztreibmittel,

Fig. 5a und 5b Hybridbeschleuniger mit unterschiedlichen Ringelektrodenbreiten,

Fig. 6 Geschoß mit Leitungsdraht.

In den Fig. 1 bis 1b der Anlage 1 ist schematisch ein Hybridbeschleuniger mit Ladungsraum 1 und Kaliberteil (Rohr) 2 dargestellt, in dem sich ein Geschoß 3 bewegt. In der hier gewählten Ausführungsvariante der Erfindung besteht das Geschoß 3 aus elektrisch nichtleitendem Material. Am Ge­ schoßheck 23 ist eine dünne elektrisch leitende Folie 4 ange­ bracht. Außerdem ist in der Mitte des Geschoßhecks 23 ein elektrisch nichtleitender Steg 5 angebracht, auf dessen ge­ genüberliegendem Ende eine Lochscheibe 6 befestigt ist.

In der Innenwandung des Kaliberteils 2 sind zwei Elektroden 7 und 8 eingebaut, die über eine Pulsformer-Schaltung 9 an eine auf geladene Kondensatorbank 10 bzw. an Massepol 16 ange­ schlossen sind.

Im Ladungsraum 1 sowie in dem Käfig 18, der von Geschoß­ heck 23, Lochscheibe 6 und Innenwandung des Kaliberteils 2 gebildet wird, befindet sich je ein Treibmittel, das hier in dieser Ausführungsvariante bevorzugt als Pulverschüttla­ dung 11 bzw. 12 ausgebildet ist.

Funktion

Das Geschoß 3 mit angebautem Geschoßkäfig 18 wird zunächst durch ein Treibmittel 11 vorbeschleunigt. Dabei werden die Treibmittel 11 und 12 im Ladungsraum 1 und im Geschoßkäfig 18 teilweise in die Gasphase überführt. Gasschwaden und unver­ brannte Treibmittelreste zwischen Geschoß 3 und Lochscheibe 6 werden zum Teil während der Geschoßbewegung von der Loch­ platte mitgerissen.

Sobald eine Folie 4 über die Elektroden 7 und 8 streicht, be­ ginnt die Entladung des Kondensators 10. Die Folie 4 ver­ dampft und es bildet sich ein elektrischer Lichtbegen 22 zwi­ schen den Elektroden 7 und 8, über den die im Kondensator 10 gespeicherte elektrische Energie in die Gasschwaden eingekop­ pelt wird. Diese werden aufgeheizt und es entsteht im Ge­ schoßkäfig 18 ein Überdruck, der in sehr schnelles Abströmen der Gasschwaden über die Öffnungen der Lechscheibe 6 bewirkt, wodurch ein zusätzlicher Impuls am Geschoßheck 23 erzeugt wird.

Der Entladevorgang wird zur Geschoßbewegung über die Steuer­ elektronik 9 zeitlich so geregelt, daß die elektrische Entla­ dung spätestens dann abgeschlossen ist, wenn die Lech­ scheibe 6 die Elektroden 7 und 8 erreicht hat.

Die Fig. 2 und 2a zeigen eine besonders vorteilhafte Aus­ führungsvariante der Erfindung, bei den Ringelektroden 7 und 8 konzentrisch zur Kaliberteilachse und axial voneinander beabstandet im Kaliberteil 2 eingebracht sind. Beide Ring­ elektroden 7 und 8 werden durch den Isolator 15 elektrisch leitend voneinander getrennt. Am Geschoßkäfig 18 sind eben­ falls zwei Ringelektroden 13 und 14 angebracht, die aber von­ einander geringer beabstandet sind als die Ringelektroden 7 und 8 im Kaliberteil 2. Der Überdeckungsgrad Ü der aus dem Verhältnis Geschoß-Ringelektrodenbreite BGE und Kaliberteil- Ringelektrodenbreite BRE gebildet wird (Ü = BGE/BRE), ist größer 1. Abweichend von der in Abb. 1 beschriebenen Ausfüh­ rungsvariante wurde hier außerdem eine zweifache Elektroden­ anordnung im Kaliberteil 2 gewählt.

In den Abb. 3 und 4 wird vorg. Anordnung mit jeweils unter­ schiedlichen Geschoßstellungen gezeigt.

Funktion

Das Geschoß 3 mit Geschoßkäfig 18 und Treibmittel 12 wird zunächst aufgrund der Teilumsetzung des Haupt-Treibmittels 11 beschleunigt, wobei auch der Zeit t die vorderen Ringelektro­ den 8 und 13 sowie die hinteren Ringelektroden 7 und 14 kon­ takten (Fig. 3). Zum gleichen Zeitpunkt wird über die Steuer­ elektronik 9 die Entladung der Kondensatorbank 10 eingelei­ tet, wobei ein zylinderförmiger Lichtbegen 22 zwischen den Geschoß-Ringelektroden 13 und 14 initiiert wird.

Der Lichtbegen 22 wiederum heizt die im Geschoßkäfig 18 mit­ geführten Treibmittelgasschwaden und unverbrannten Treibmit­ telreste thermisch auf und bewirkt somit eine Druckerhöhung im Geschoßkäfig 18, wodurch ein zusätzlicher Impuls am Ge­ schoßheck 23 erzeugt wird.

Abb. 4 zeigt das Geschoß 3 zur Zeit "t+ t" an einer zweiten Einkopplungsstelle im Kaliberteil 2, wo sich der gleiche Funk­ tionsablauf wie zuvor beschrieben wiederholt. Die elektrische Einkopplungsanordnung, bestehend aus den Einzelteilen 7, 8, 9, 10, 15, 16 kann entlang des Kaliberteils beliebig oft an­ gebracht werden.

Der Vorteil des vorg. Ausführungsbeispiels besteht darin, daß sich durch die in den Abb. 2 bis 4 dargestellte Elektrodenan­ ordnung ein zylinderförmiger Lichtbegen ausbildet, wodurch eine wesentlich effektivere Energieeinkopplung ermöglicht wird als in Ausführungsbeispiel Abb. 1 bis 1b beschrieben.

Da der Abstand zwischen den Geschoß-Ringelektroden 13 und 14 kleiner ist als der Abstand der Ringelektroden 7 und 8 im Ka­ liberteil 2, brennt der Lichtbegen 22 nur zwischen den Ge­ schoßelektroden 13 und 14. Die durch den Lichtbegen verur­ sachte Erosion entsteht so nur an den als Einschußelektroden ausgebildeten Geschoß-Ringelektroden 13 und 14, wodurch die Verfügbarkeit des Hybridsystems wesentlich erhöht wird.

Fig. 5 zeigt eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, bei der der Überdeckungsgrad von Geschoß-Ring­ elektroden (13 und 14) und Kaliberteil-Ringelektroden (7 und 8) U < 1 ist. Abb. 5a und 5b zeigen die Hybridanordnung mit unterschiedlichen Geschoßstellungen im Kaliberteil 2.

Funktion

Nachdem das Geschoß 3 mit Geschoßkäfig 18 aufgrund der Haupt- Treibladung 11 vorbeschleunigt wurde, wird beim Kontakten der vorderen Geschoß-Ringelektrode 13 mit der vorderen Kaliber­ teil-Ringelektrode 8 zum Zeitpunkt t über die Steuerelektro­ nik 9 die Entladung der Kondensatorbank 10 eingeleitet. Da­ durch bildet sich zunächst ein zylinderförmiger Lichtbegen 22 zwischen der vorderen Geschoß-Ringelektrode 13 und der hinte­ ren Kaliberteil-Ringelektrode 7 (Abb. 5), wodurch die Treib­ mittelgasschwaden und das unverbrannte Treibmittel 12 im Ge­ schoßkäfig 18 thermisch aufgeheizt werden und einen Druck am Geschoßheck 23 erzeugen. Aufgrund der weiteren Geschoßbewe­ gung im Kaliberteil 2 wird die Kontaktierung zwischen den Ge­ schoß-Ringelektroden (13 und 14) und den Kaliberteil-Ringelek­ troden (7 und 8) aufgehoben. Die hintere Geschoß-Ringelek­ trode 14 wirkt nun als Überbrückungsleiter und es bilden sich nun zwei Lichtbögen 22 jeweils zwischen der hinteren Geschoß- Ringelektrode 14 und den Kaliberteil-Ringelektroden 7 und 8 (Abb. 5a). Nachdem das Geschoß 3 sich weiterbewegt hat und die hintere Geschoß-Ringelektrode 14 aus dem Lichtbogenentla­ dungsbereich zwischen den Kaliberteil-Ringelektroden 7 und 8 herausgelangt ist, brennt der Lichtbegen 22 nur noch zwischen den Kaliberteil-Ringelektroden 7 und 8, und zwar solange, bis die Kondensatorbank 10 entladen ist oder der Strom über die Steuerelektronik 9 unterbrochen wird (Abb. 5b).

Durch vorgenannte Ausführungsvariante können wesentlich län­ gere Energieeinkopplungszeiten erreicht werden, womit sich auch der auf das Geschoßheck 23 ausgeübte Impuls vergrößert. Außerdem wird durch die in Abb. 5a gezeigte zweifache Licht­ bogenausbildung jeweils ein Impuls am Geschoßheck 23 und hin­ ter der Lechplatte 6 erzeugt (2facher TC-Effekt).

Fig. 6a zeigt die bevorzugte Ausführung eines Projektils, das in einer Hybridanordnung gemäß Fig. 6 beschleunigt wird.

In der hier vereinfacht dargestellten Form besteht das Ge­ schoß 3 aus elektrisch nichtleitendem Material, an das sich ein Geschoßzylinder 19, der ebenfalls aus elektrisch nicht­ leitendem Material besteht, anschließt. Am Geschoßzylinderum­ fang sind konzentrisch und axial voneinander beabstandet Ringelektroden 13 und 14 angebracht. In dem Geschoßheck 23 gegenüberliegenden Geschoßzylinderboden 24 befindet sich min­ destens eine Ausströmöffnung 17, die von einer Berst­ scheibe 20 verschlossen wird. Der Geschoßzylinder 19 ist mit einem vorgespannten Treibmittel 21 gefüllt, und die beiden Geschoß-Ringelektroden 13 und 14 sind mit einem Draht 25 elektrisch leitend verbunden.

Fig. 6 zeigt das Projektil in einer Position im Kaliber­ teil 2, in der es bereits aufgrund der Haupt-Treibmittel­ ladung vorbeschleunigt wurde und gerade die Entladung der Kondensatorbank 10 über die Ringelektroden 7 und 8 im Kali­ berteil und die Geschoß-Ringelektroden 13 und 14 in den Geschoßzylinder 19 erfolgt. Mit Hilfe des Drahtes 25 wird zwischen den Geschoß-Ringelektroden 13 und 14 ein zylinder­ förmiger Lichtbogen 22 initiiert, der das im Geschoßzylin­ der 19 eingeschlossene Treibmittel 21 aufheizt und somit einen hohen Druck im Geschoßzylinder 19 erzeugt. Sobald der mit der Berstscheibe 20 eingestellte Druck im Geschoßzylin­ der 19 erreicht wird, wird die Ausströmöffnung 17 freigegeben und die aufgeheizten, hochgespannten Treibmittel 21 können über die Ausströmöffnung 17 mit hoher Geschwindigkeit in den Kaliberteil 2 expandieren. Dadurch wird ein zusätzlicher Impuls auf das Geschoßheck ausgeübt.

Der Vorteil dieser Ausführungsvariante liegt darin, daß durch das vorgespannte Treibmittel 21 (gespeicherte Energie) im Ge­ schoßzylinder 19, weniger elektrische Energie zum Erreichen eines vorgegebenen Impulses am Geschoßheck 23 erforderlich ist. Dadurch kann das Speichervolumen der Kondensatoren­ bank 10 reduziert werden, was bei mobilen Waffensystemen wie KPz etc. von großem Vorteil ist. Außerdem können im Geschoß­ zylinder 19 bevorzugt Treibmittel eingebracht werden, die selbst niedermolekulat sind oder niedermolekulare Reaktions­ produkte bilden. Die Schallgeschwindigkeit in diesen nieder­ molekularen Treibmitteln ist wesentlich höher als in den bis­ her üblicherweise eingesetzten Treibmitteln, wodurch merklich höhere Abströmgeschwindigkeiten an der Ausströmöffnung 17 er­ zielt werden. Dadurch wird ein wesentlich höherer Impuls am Geschoßheck 23 erzeugt als dies mit herkömmlichen Treibmit­ teln z. B. Treibladungspulver möglich ist.

Claims (5)

1. Spezialgeschoß für eine Rohrwaffe, in deren Rohrwandung Elektroden zum Erzeugen eines Lichtbogens im Treibgas zur Aufrechterhaltung des maximalen Druckes im Rohr während des Geschoßdurchlaufes eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet,

• - daß am Geschoß (3) ein Käfig (18) zur Aufnahme einer Pulverschüttladung (12) angebracht ist, welcher aus einer nichtleitenden mit Bohrungen (7), versehenen Lech­ scheibe (6), einem zur Geschoßlängsachse coaxial verlau­ fenden nichtleitendem Steg (5) und dem Geschoßheck (23) selbst gebildet wird,
• - daß der Käfig (18) mit aus elektrisch leitenden Folien (4) gebildeten Geschoßringelektroden (13/14) versehen ist, wobei die eine Geschoßringelektrode (13) das Ge­ schoßheck (23) und die andere Geschoßringelektrode (14) die Lochscheibe (6) ummantelt,
• - daß die Geschoßringelektroden (13/14) so breit sind, daß abhängig von einer angelegten definierten Spannung der Lichtbogen direkt im Käfig (18) erzeugbar ist.

2. Spezialgeschoß nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Geschoßringelektroden (13/14) ein leit­ fähiger Draht (25) angeordnet ist.

3. Rohrwaffe zum Verschießen eines Spezialgeschosses nach An­ spruch 1 in deren Rohrwandung Ringelektroden zum Erzeugen eines Lichtbogens im Treibgas eingebaut sind dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektroden (7/8) paarweise zusammengefaßt in einem Isolator (15) derart in der Rohrwand (2) eingebaut sind, daß jede Ringelektrode den Kontakt eines Schaltele­ mentes bildet.

4. Rohrwaffe nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Ringelektrodenpaare in einem Isola­ tor (15) angeordnet axial beabstandet im Rohr eingebaut sind.

5. Rohrwaffe nach Anspruch 3 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektroden (7/8) in ihrer Breite variabel aus­ gebildet sind.