DE4337964C2 - 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 Raumvergrößerung 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 Maßnahmen gesucht, den oben beschrie­ benen Druckabfall zu verhindern, indem man während der Lauf­ zeit des Geschosses durch das Waffenrohr durch seitliche Ener­ gieeinkopplung ins Waffenrohr kontinuierlich den Druck auf­ recht 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 Längs­ achse im Winkel stehende Treibladungen angeordnet sind. Mit­ tels einer Mechanik werden diese nach Passieren des Geschosses initiiert. Das dadurch entstehende Treibgas gelangt hinter das Geschoß und sorgt so für eine zusätzliche Beschleunigung. Ob­ wohl auf diese Weise der Treibgasdruck während des Durchlaufes des Geschosses durch das Rohr nahezu konstant gehalten werden kann, ist die beschriebene rein mechanisch arbeitende Vorrich­ tung sehr kompliziert aufgebaut. Der aufwendige Auslösemecha­ nismus dürfte wegen der hohen Belastung beim Schuß eine gerin­ ge Lebensdauer haben. Des weiteren werden die einzelnen Massen aufgrund mechanischer Vibrationen des Rohres beim Schuß das Schwingungsverhalten des Rohres so ungünstig beeinflussen, daß die Zielgenauigkeit beeinträchtigt 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 Logistik abgesehen, ist der Ladevorgang sehr zeitaufwendig, was die Einsatzbereitschaft der Rohrwaffe sinken läßt.

Die weitere Entwicklung ist offenbart in der 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 Elek­ troden paarweise zusammengefaßt werden. Diese Elektrodenpaare werden mit einer elektrischen Energiequelle verbunden, wobei die Spannung der Energiequelle so gewählt ist, daß es jeweils zur Ausbildung eines Lichtbogens und damit zur Aufheizung 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 Ener­ gie angereichert wird. Der Druckabfall des Treibgases, welcher durch die Vergrößerung des Ladungsraumes beim Durchlaufen 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 Munition entsprechend zu modifizieren, außer acht. Die DE-OS 40 03 320 beschreibt ein Geschoß für elektrothermische Beschleunigungs­ vorrichtungen. Im Mittelpunkt steht dabei ein im Geschoß ange­ ordneter Injektorkolben, welcher während des Beschleunigungs­ vorganges des Geschosses, aus diesem einen plasmabildenden Stoff in das abbrennende Plasma drückt. Nachteilig ist hier­ bei, daß durch die in dem Geschoß befindliche Kolbenkonstruk­ tion das Gesamtgewicht erhöht wird, weil der Kolben beim Schuß mitbeschleunigt werden muß. Auch sind die komplizierten Druck­ verhältnisse zu beachten. Bei Beginn der Geschoßbeschleunigung kann es zu einem gefährlichen Druckanstieg kommen, welches durch das dann schon einströmende Plasma bewirkt wird. Der ma­ ximal zulässige Höchstdruck kann überschritten und die Waffe so zerstört werden.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Lei­ stungssteigerung durch eine Kombination aus zeitlicher Ener­ gieeinkopplung in das Waffenrohr und einer konstruktiv ange­ paßten Munition zu schaffen. Die Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen 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 Elek­ troden 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 Treibmit­ tel thermisch auf und bewirkt so eine partielle Druckerhöhung am Geschoßboden, wodurch eine zusätzliche Beschleunigungskraft 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 Geschoßkäfig erhöht. Der anschließende Druckabfall im Gasvolumen ist durch die Lochplatte des Geschoßkäfigs verzögert, d. h. die Aus­ strömgeschwindigkeit 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 Masse 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 Erfindungsgemäßer Hybridbeschleuniger mit Spezialmunition

Fig. 2 Spezialgeschoß

Fig. 3 u. 4 Schußentwicklung

Fig. 5 Geschoß im Rohr mit Zusatztreibmittel

Fig. 5a u. 5b Hybridbeschleuniger mit unterschiedlichen Ringelektrodenbreiten

Fig. 6 u. 6a Geschoß mit Leitungsdraht.

Die Fig. 1 und 2 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 grö­ ßer 1. Abweichend von der in Abb. 1 beschriebenen Ausfüh­ rungsvariante wurde hier außerdem eine zweifache Elektroden­ anordnung im Kaliberteil 2 gewählt.

Die Fig. 2 zeigt einen hochseitig am Geschoß angebrachten Treibkäfig 18. Er besteht aus einem coaxial angeordneten Steg 5, an welchem sich eine Lochscheibe 6 mit Bohrungen 17 anschließt. Der Steg 5 kann dabei mit einer durch Quer­ schnittverengung darstellbaren Sollbruchstelle versehen sein, so daß die Lochscheibe 6 unter bestimmten Bedingungen vom ei­ gentlichen Geschoß abgelöst werden kann und sich auf der Flug­ bahn nicht mehr negativ auswirken kann. Ferner kann der Innen­ raum des Treibkäfigs 18 ganz mit einer leitenden Folie ausge­ schlagen sein, was zur besseren Anzündung des Treibla­ dungspulvers im Innenraum des Treibkäfigs 18 dient, wenn die Folie mit den Geschoßringelektroden 13, 14 verbunden ist.

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 zu­ nächst 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 eingeleitet, wobei ein zylinderförmiger Lichtbogen 22 zwischen den Geschoß- Ringelektroden 13 und 14 initiiert wird.

Der Lichtbogen 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 Einkopplungstelle 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. 1 bis 4 dargestellte Elektrodenan­ ordnung ein zylinderförmiger Lichtbogen ausbildet, wodurch ei­ ne äußerst effektive Energieeinkopplung ermöglicht wird.

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 Lichtbogen 22 nur zwischen den Ge­ schoßelektroden 13 und 14. Die durch den Lichtbogen 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 Steuerelektronik 9 die Entladung der Kondensatorbank 10 eingeleitet. Dadurch bildet sich zunächst ein zylinderförmiger Lichtbogen 22 zwi­ schen der vorderen Geschoß-Ringelektrode 13 und der hinteren 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 Geschoßbewegung im Kaliberteil 2 wird die Kontaktierung zwischen den Geschoß- Ringelektroden (13 und 14) und den Kaliberteil-Ringlektroden (7 und 8) aufgehoben. Die hintere Geschoß-Ringelektrode 14 wirkt nun als Überbrückungsleiter und es bilden sich nun zwei Lichtbögen 22 jeweils zwischen der hinteren Geschoß- Ringlektrode 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 Lichtbogen 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 Lochplatte 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 Geschoß 3 aus elektrisch nichtleitendem Material, an das sich ein Ge­ schoßzylinder 19, der ebenfalls aus elektrisch nichtleitendem Material besteht, anschließt. Am Geschoßzylinderumfang sind konzentrisch und axial voneinander beabstandet Ringelektroden 13 und 14 angebracht. In dem Geschoßheck 23 gegenüberliegenden Geschoßzylinderboden 24 befindet sich mindestens eine Aus­ strömöffnung 17, die von einer Berst­ scheibe 20 verschlossen wird. Der Geschoßzylinder 19 ist mit einem vorgespannten Treibmittel 21 gefüllt, und die beiden Ge­ schoß-Ringelektroden 13 und 14 sind mit einem Draht 25 elek­ trisch 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 Kon­ densatorbank 10 über die Ringelektroden 7 und 8 im Kaliberteil und die Geschoß-Ringelektroden 13 und 14 in den Geschoßzylin­ der 19 erfolgt. Mit Hilfe des Drahtes 25 wird zwischen den Ge­ schoß-Ringelektroden 13 und 14 ein zylinder-förmiger Lichtbo­ gen 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 Geschoßzylinder 19 er­ reicht wird, wird die Ausströmöffnung 17 freigegeben und die aufgeheizten, hochgespannten Treibmittel 21 können über die Ausströmöffnung 17 mit hoher Geschwindigkeit in den Kaliber­ teil 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 (4)

1. Rohrförmige Abschußvorrichtung mit einer Treibladung und einem Spezialgeschoß, in deren Rohrwandung Elek­ troden zum Erzeugen eines Lichtbogens im Treibgas zur Aufrechterhaltung des maximalen Druckes im Rohr wäh­ rend des Geschoßdurchlaufes eingebaut sind, dadurch gekennzeichnet,

• 1. - daß am Geschoß (3) ein Käfig (18) zur Aufnahme einer Pul­ verschüttladung (12) angebracht ist, welcher aus einer nichtleitenden mit Bohrungen (7) versehenen Lochschei­ be (6), einem zur Geschoßlängsachse coaxial verlaufenden nichtleitendem Steg (5) und dem Geschoßheck (23) selbst gebildet wird,
• 2. - 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,
• 3. - daß die Geschoßringelektroden (13/14) so weit beabstandet sind, daß abhängig von einer angelegten definierten Span­ nung der Lichbogen direkt im Käfig (18) erzeugbar ist, -
  daß die Ringelektroden (7/8) paarweise zusammengefaßt in einem Isolator (15) vor der Zündung beabstandet zu den Geschoßringelektroden (13/14) vor diesen derart in der Rohrwand (2) eingebaut sind, daß jede Ring-elektrode den Kontakt eines Schaltelementes, das durch die Geschoßrin­ gelektroden (13/14) betätigt wird, bildet.

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

3. Rohrwaffe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Ringelektrodenpaare in einem Isola­ tor (15) angeordnet axial beabstandet im Rohr eingebaut sind.

4. Rohrwaffe nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektroden (7/8) in ihrer Breite unter­ schiedlich ausgebildet sind.