TECHNISCHES GEBIET
-
Die Erfindung betrifft panzerbrechende Projektile, und
insbesondere Anordnungen zum Verbessern des Eindringens in die
Panzerung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Moderne panzerbrechende Projektile basieren auf dem
Prinzip, daß sie beim Angriff mit hoher kinetischer Energie
(KE), die auf eine kleine Fläche der Panzerung konzentriert
ist, in die Panzerung eindringen. Die Projektile haben
Unterkaliber und sind als ein Pfeil mit Leitflügeln
konstruiert. Sie werden aus Kanonen mit einem Kaliber von
wenigstens 40 mm mit Mündungsgeschwindigkeiten von 1500 m/s oder
mehr abgefeuert.
-
Um eine hohe KE zu erzielen, muß das Material im Geschoß
eine hohe Dichte aufweisen. Normalerweise wird ein schweres
Material verwendet, beispielsweise eine Wolframlegierung,
die ein paar Prozent Nickel oder Eisen enthält.
Typischerweise besteht die Legierung aus 92% Wolfram, 5% Nickel und
3% Eisen und hat eine Dichte von 17,5 Mg/m³. Das
Projektilmaterial wird aus Pulver hergestellt, das zu Stangen
geformt und bei ungefähr 1470ºC schmelzphasengesintert ist.
Der Herstellprozeß wird normalerweise mit Kaltbearbeitung
und Wärmebehandlung abgeschlossen. Andere
Projektilmaterialien
sind verarmtes Uran, legiert mit Titan, aber es wird
auch Stahl verwendet.
-
Es ist bei diesem Stand der Technik bereits bekannt, daß
panzerbrechende Projektile mit Kernen aus anderem Material
konstruiert sind. Beispielsweise ist gemäß der Schrift US-
A-4,616,569 vom 14. Oktober 1986 ein panzerbrechendes
Projektil mit einem Körper verstärkt, der sich durch die
gesamte Projektilmitte erstreckt, und eine extreme Festigkeit
und Starrheit hat. Der innere Körper, der wenigstens
teilweise aus Drähten besteht, ist am Projektil durch
Zusammenschrumpfen befestigt und dient dazu, das Projektil beim
Aufschlag gegenüber der Panzerung zusammenzuhalten. Gemäß
der Schrift US-A-4,256,039 vom 17. März 1981 ist ein axial
sich erstreckender Kern mit einer Folie aus metallischem
Glas (amorphem Metall) mit hoher Härte eingehüllt. Bei
einer solchen Einrichtung wird ein Projektil mit einem
Außenteil mit hoher Festigkeit erhalten. Gemäß dem
vorliegenden Patent ist das Projektil mit einem anderen Typ von
Kern konstruiert, dessen Funktion es ist, den Widerstand
gegen Eindringen in das Panzerungsmaterial zu verringern.
-
Die US-A-3,599,573 offenbart schließlich ein
panzerbrechendes Projektil 10 in Form eines im wesentlichen
rotationssymmetrischen Projektilkörpers 16, der mit einem Kern 12
aus unterschiedlichem Material hergestellt ist. Dieser Kern
ist zentral angeordnet und fluchtet zur Längsrichtung des
Projektilkörpers 16. Das Projektil als solches ist von
einem allgemein verwendeten Typ mit einem harten, nicht
verformbaren Kern, der in die Panzerung mit
Geschwindigkeiten um 1000 m/sec eindringen soll. Der Kern dieses
Projektils soll damit während des Eindringens in die Panzerung
mehr oder weniger intakt bleiben.
-
Die Idee hinter der vorliegenden Erfindung ist es dagegen,
daß das Projektil und der Kern während des Eindringens in
die Panzerung mehr oder weniger verbraucht werden dürfen.
-
Ein weiterer Unterschied zwischen den Projektilen gemäß der
US-A-3,599,573 und der vorliegenden Erfindung besteht
darin, daß der Kern gemäß dem besagten Patent zwischen 40
bis 60% des Projektilvolumens einnimmt, während der Kern
gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen 5 und 25% des
größten Durchmessers des Projektilkörpers einnimmt, d.h.
ein sehr viel dünnerer Kern ist, der auch bezüglich seines
Verhältnisses von Länge zu Durchmesser definiert ist.
-
Beim Eindringen des Projektils in die Stahlpanzerung der
üblichen Art wird die Projektilspitze mit dem Verdrängen
des Materials der Panzerung gleichzeitig graduell verformt
und es wird ein Loch ausgebildet, wie dies aus der Fig. 1
zu ersehen ist. Die Eindringgeschwindigkeit in die
Panzerung wird von der KE des Projektils abhängen, die durch die
Energie ausgeglichen wird, welche für das Verdrängen des
Materials der Panzerung erforderlich ist. Wenn der
Kontaktpunkt zwischen Projektil und Panzerung als stationär
betrachtet wird, kann das Eindringen so beschrieben werden,
daß Projektil und Panzerung in Richtung Kontaktpunkt
fließen. Daher wird ein Druckgleichgewicht gemäß Bernoulli
erhalten:
-
1/2 PPaU² + R Pa = 1/2 pPa(V-U)² + Pr,
-
wobei U die Geschwindigkeit am Kontaktpunkt, V die
Projektilgeschwindigkeit, p die Dichte des Geschosses Pr bzw. der
Panzerung Pa ist und die Fließspannung des jeweiligen
Materials ist. R ist ein geometrischer Formfaktor, der auf
ungefähr 3,5 gesetzt ist.
-
Je höher die Geschwindigkeit des Projektils ist, umso höher
wird der Druck an der Kontaktfläche zwischen Projektil und
Panzerung sein und umso höher wird die Geschwindigkeit
sein, mit der das Projektil und das Material der Panzerung
seitlich verdrängt werden. Der radiale Materialfluß führt
dazu, daß in der Panzerung ein Eindringkanal geformt wird.
Je höher die Geschwindigkeit des radialen Materialstroms
ist, umso größer ist der Durchmesser des so gebildeten
Kanals. Bei moderater Projektilgeschwindigkeit (1500 m/s)
wird der Durchmesser des so gebildeten Loches selbst
moderat sein oder ungefähr den zweifachen Durchmesser des
Projektils betragen. Wenn die Geschwindigkeit steigt, wird der
Kanal fortschreitend größer. Bei übermäßigen
Geschwindigkeiten von 2000 m/s wird die KE, die für den radialen
Massentransport verbraucht wird, insgesamt über die Energie
dominieren, die dafür erforderlich ist, die mechanische
Festigkeit der Stahlpanzerplattierung zu überwinden.
-
Eine Erhöhung der mechanischen Festigkeit eines Projektils
hat nur eine begrenzte Auswirkung auf das Eindringen.
Darüber hinaus führt die starke Verformung der Projektilspitze
während dem Eindringen zu einer derart immensen
Wärmeerzeugung, daß das Material örtlich schmilzt und jegliche
mechanische Festigkeit verliert. Für ein panzerbrechendes
Projektil ist auch eine erhebliche Zähigkeit erforderlich, um
mehrere Schichten einer modernen Panzerplattierung
durchdringen zu können. Normalerweise führt eine Erhöhung der
mechanischen Festigkeit zu einer Verringerung der
Zähigkeit.
-
Bei Projektilgeschwindigkeiten von weniger als 1000 m/s
werden harte Projektile (Sinterhartmetalle) verwendet, die
ihre Form beim Eindringen beibehalten. Bei solchen
Projektilen wird der Materialfluß vor dem Eindringen des
Projektils durch die Spitzenform beeinflußt. Eine mehr spitz
zulaufende - oder lanzenförmige - Form verleiht innerhalb
gewisser Grenzen einen niedrigeren Widerstand gegen
Eindringen und somit ein tieferes Eindringen. Dies ist deshalb der
Fall, weil die radiale Panzerungsmaterialverdrängung vor
dem eindringenden Projektil mit geringerer Beschleunigung
und geringerer Geschwindigkeit stattfindet, wobei der
Widerstand gegenüber dem Eindringen unter Einrechnung der
Massenkräfte verringert ist. Anders gesagt, es ist möglich,
die Eindringtiefe durch die Form der Projektilspitze zu
beeinflussen. Die ursprüngliche Form der Spitze hat
offensichtlich keine Signifikanz bei panzerbrechenden
Projektilen, die bei hoher Geschwindigkeit graduell während dem
Eindringen in die Panzerung verformt werden.
-
Die Möglichkeiten der Erhöhung der Eindringtiefe für
panzerbrechende Projektile sind begrenzt auf die Erhöhung der
Projektilgeschwindigkeit und das Verhältnis von Länge zu
Durchmesser. Solche Maßnahmen erfordern jedoch höhere
Anforderungen an mechanische Festigkeit und Zähigkeit des
Materials im Projektil, etwas, das problematisch zu erzielen
ist.
-
Eine Projektilform, die zu einem verringerten Widerstand
gegenüber Eindringen durch verringerte Massenkräfte führt,
ist von Bedeutung, insbesondere der Trend in der
Militärtechnologie ist, die Projektilgeschwindigkeiten auf
ungefähr 2000 m/s anzuheben. Bei einer höheren Geschwindigkeit
steigt der relative Einfluß der Massenkräfte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, durch Auswahl
unterschiedlicher Materialien für den mittleren Teil des
Projektils und dessen Umfangsteil eine solche Verformung
des Projektils zu realisieren, daß eine lanzenförmige
Spitze geformt wird, wodurch das Eindringen in die
Panzerung erleichtert wird.
-
Das Prinzip für die Projektilform (siehe Fig. 2) erfordert
das Einsetzen eines Kerns 2 aus einem Material, das unter
den beim Eindringen des Projektils vorherrschenden
Bedingungen eine hohe Druckfestigkeit hat, in der Mitte eines
weitgehend zylindrischen Projektilkörpers 1, der
normalerweise aus Schwermetall hergestellt ist. Als Folge dieser
Konstruktion wird der härtere Kern in einem geringeren
Ausmaß verformt als das weichere Metall, welches den Kern
umgibt. Eine lanzenförmige Spitze wird geformt, welche das
Eindringen des Projektils in die Panzerung erleichtert, da
die Massenkräfte verringert werden. Beschleunigung und
Geschwindigkeit des radialen Materialflusses sinken.
-
Für ein starres Projektil kann der Einfluß der spitzen Form
auf die Projektilgeschwindigkeit, wie durch Åkte Persson in
Proc. 2. International Symposiom for Ballistics, 1976,
offenbart, berechnet werden. Eine entsprechende Berechnung
macht es möglich, unter Verwendung einer modifizierten
Version der Bernoulli'schen Gleichung einen Eindruck zu
gewinnen, wie die Eindringgeschwindigkeit durch die spitze Form
des Projektils beeinflußt wird. Durch Einführen einer
Konstante c in den Ausdruck für die Massenkräfte in der
Panzerung können diese zu Werten, entsprechend einer imaginären,
zugespitzteren Projektilspitze, modifiziert werden.
-
1/2 cpPaU² + R Pa = 1/2 pPa(V-U)² + Pr.
-
Im Normalfall ist c = 1, das bei dieser nicht
physikalischen Berechnung etwa einer radialen Geschwindigkeit des
verdrängten Zielmaterials entspricht, welche gleich der
Eindringgeschwindigkeit U (Fig. 3) ist. Der beabsichtigte
Spitzenkonuswinkel des Projektils wird dann 90º sein. Für
ein mehr zugespitztes Projektil mit einem beabsichtigten
Spitzenkonuswinkel von 60º wird die radiale Geschwindigkeit
des Zielmaterials jedoch die Hälfte der
Eindringgeschwindigkeit
U sein. Eine Berechnung der Eindringgeschwindigkeit
für diese beiden Fälle sowie auch für einen
Spitzenkonuswinkel von 75º als eine Funktion der
Projektilgeschwindigkeit V geht aus der Fig. 4 hervor.
-
Damit ein Kern in der Mitte des Projektils an der Bildung
einer Spitze während des Eindringens Anteil haben kann,
müssen die folgenden Anforderungen an den Kern gestellt
werden:
-
Ein Hauptanteil der KE muß über die Projektilmasse
(Schwermetall, Uranlegierung) übertragen werden. Die Zähigkeit des
Projektils muß nicht merkbar durch den härteren Kern
beeinflußt sein. Aus diesen Gründen muß der Kern einen
begrenzten Teil des Materialvolumens bilden. Daraus folgt, daß das
Verhältnis von Kerndurchmesser zu Projektildurchmesser
geringer als 1/4 sein sollte.
-
Das Material im Kern muß bei jenen Bedingungen, die während
dem Eindringen an der Projektilspitze vorherrschen, eine
wesentliche Druckfestigkeit haben. Dies beinhaltet, daß die
mechanische Festigkeit auch bei außergewöhnlichen
Temperaturen von 1000ºC hoch sein muß. Ein Beispiel eines Metalls,
welches solche Eigenschaften besitzt und das gleichzeitig
eine hohe Dichte hat, ist Wolfram. Unter den Hartmetallen,
d.h. Metallkeramikzusammensetzungen, ist Sinterhartmetall
(Wolframkarbid-Kobalt) von besonderem Interesse. Gewisse
hochfeste Metallkeramiken, wie beispielsweise Aluminiumoxid
können auch verwendet werden.
-
Die Konstruktion des Kerns muß geeignet sein, um ihre
genaue Funktion als eine Lanze sicherzustellen. Während dem
Eindringen tritt ein extremer Druck am Kern auf. Dieser
Druck bewirkt, daß der Kern nach rückwärts in das umgebende
Projektilmaterial gepreßt wird. Um dies zu verhindern, muß
der Kern durch das rückwärtige Ende des Projektils
abgestützt
sein, Fig. 2, und/oder es muß zwischen dem Kern und
dem Projektilmaterial eine gute Haftung bestehen.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEGLEITENDEN FIGUREN
-
Es zeigt:
-
Fig. 1 die Verformung eines Projektils und einer Panzerung
beim Eindringen eines Schwermetallprojektils in
Stahlpanzerplattierung.
-
Fig. 2 die Konstruktion eines Projektils mit einem Kern
gemäß der Erfindung.
-
Fig. 3 den Unterschied der Radialgeschwindigkeit des
Panzerungsmaterials vor verschiedenen, vorstellbaren
Spitzenwinkeln.
-
Fig. 4 die errechnete Eindringgeschwindigkeit bei
verschiedenen, vorstellbaren Spitzenwinkeln.
-
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
-
Das kleinkalibrige, panzerbrechende Projektil hat die aus
der Fig. 2 ersichtliche Konstruktion. Beim Herstellen des
Projektilkörpers wird normalerweise eine gesinterte
Wolframlegierung verwendet, ein sog. Schwermetall. Die
Herstellung wird durch Schmelzphasensintern von Wolfram-Nickel-
Eisen-Pulver ausgeführt.
-
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein
langgestreckter, schlanker Kern 2 eingesetzt, wobei der
Kern einen Durchmesser hat, der kleiner als 1/4 des
Außendurchmessers des Projektils 1 ist, und aus einem Material
besteht, das eine hohe Druckfestigkeit bei extremen
Temperaturen von 1000ºC hat und das unter den vorherrschenden
Eindringbedingungen wenigstens zweimal so hart wie das
Projektilmaterial ist, beispielsweise Sinterhartmetall. Der
hierbei verwendete Begriff Eindringbedingungen meint eine
starke Druckverformung, hohe Verformungsgeschwindigkeit (ε> )
9&supmin;&sup4;) und Temperaturen oberhalb von 1000ºC.
-
Der Kern 2 muß fest in dem Projektilkörper 1 verankert
sein, was dadurch erzielt werden kann, daß der rückwärtige
Teil des Projektils keinen Kern aufweist oder daß die
Bindung zwischen Kern und Projektilkörper sehr stark ist.
-
Um eine feste Bindung zwischen Kern und Projektil zu
erzielen, kann der Kern direkt in den gepreßten Rohlingskörper
oder in eine ausgebohrte Aussparung im vorgesinterten oder
gesinterten Projektilrohling eingesetzt werden. Wenn eine
Uranlegierung verwendet wird, kann der Kern entsprechend in
eine ausgebohrte Aussparung in dem Projektilrohling
eingesetzt sein. Nach dem Abdichten der Aussparung kann
beispielsweise hetiostatisches Pressen als eine Endstufe
verwendet werden, um zwischen dem Kern und dein
Projektilmaterial eine gute Haftung sicherzustellen.
-
Experimente, die an einem Modellmaßstab unter Verwendung
von Schwermetallprojektilen, in welchen ein Kern aus
Sinterhartmetall befestigt war, durchgeführt wurden, zeigen,
daß das Prinzip der Zuspitzung funktioniert und daß eine
erhöhte Eindringtiefe in eine Stahlpanzerplattierung
erhalten wird.