EP0346867A2 - Rohrwaffe mit chemisch-elektrischem Hybridantrieb mittels regenerativer Treibmitteleinspritzung - Google Patents
Rohrwaffe mit chemisch-elektrischem Hybridantrieb mittels regenerativer Treibmitteleinspritzung Download PDFInfo
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- EP0346867A2 EP0346867A2 EP89110792A EP89110792A EP0346867A2 EP 0346867 A2 EP0346867 A2 EP 0346867A2 EP 89110792 A EP89110792 A EP 89110792A EP 89110792 A EP89110792 A EP 89110792A EP 0346867 A2 EP0346867 A2 EP 0346867A2
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F41—WEAPONS
- F41B—WEAPONS FOR PROJECTING MISSILES WITHOUT USE OF EXPLOSIVE OR COMBUSTIBLE PROPELLANT CHARGE; WEAPONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F41B6/00—Electromagnetic launchers ; Plasma-actuated launchers
Definitions
- the invention relates to a tube weapon with a chemical-electric hybrid drive by means of regenerative injection of liquid propellants through at least one axially movable piston.
- the monergolic fuel is pumped into a room behind the floor and ignited there, the floor sealing the pipe.
- This system is simple in construction, but there are considerable difficulties in achieving an exact ignition and a reproducible burn-up.
- a liquid fuel gun device with direct injection in which a T-shaped differential pressure piston is axially movably arranged in a breech housing behind the gun barrel.
- the differential pressure piston has an axial bore through its head and shaft for reloading projectiles.
- This known device represents an extremely complex device in which the construction volume is large and the supply and discharge of a cartridge are technically complex.
- blowing agent components and / or the gases produced by reaction of the blowing agent components are forcibly directed past an electrode arrangement of a plasma torch in such a way that the electrical energy of an arc discharge is coupled into the flowing material.
- this barrel weapon achieves a muzzle velocity that is significantly higher than the values that can be achieved with a liquid or powder gun barrel today.
- this combination according to the invention there is a reduction in the requirements for the storage capacity and also energy supply compared to purely electric accelerators.
- Further advantages are offered by the fact that the use of different liquid fuel combinations, for example monergols, which no longer have the special safety problems of high-energy monergols, is possible.
- the liquid propellant of the gun can also be used for the operation of the primary energy generator of the electrical drive component.
- the pre-pressure required for injection is generated by igniting the arc in the plasma torch.
- the plasma torch can have a ring-shaped design and can be arranged in the rear area of the storey in the weapon housing or in the weapon barrel, its inner throughflow opening being in open communication with the combustion chamber and / or the channels for the combustion gases and unburned portions of the propellant components.
- the plasma torch can be an annular body made of electrically insulating material, which is axially and radially immovably inserted into the cylinder wall of the storey, an annular electrode with an electrically insulated lead out of the weapon housing or the weapon barrel being inserted into the inner lateral surface in the front region of the body Supply line of an energy source is used, while the second electrode is electrically conductively connected to the weapon housing.
- the ring-shaped electrode can be formed from individual segments, each of which is connected to its own electrically insulated feed line and corresponds in arrangement and quantity to the position and quantity of the channels for the liquid and / or gaseous propellant components.
- the arrangement of several individual segments advantageously enables a controlled, time-delayed coupling of the energy.
- the annular body of the plasma torch can have a certain number of axially parallel bores through which the propellant components flow and which serve as a discharge structure for arcs which are ignited between the corresponding electrodes, the outflow of the propellant near the first electrode through suitably selected bores into the cargo space behind the sabot of a floor.
- an electrically conductive layer can be used on the otherwise insulated rear part of a sabot or sabot of a projectile inserted into the storey, the second electrode optionally corresponding in arrangement and quantity to the first annular or segmented electrode.
- injection concepts can also be selected, to which a plasma torch is assigned, without thereby leaving the scope of the invention.
- two ring pistons can be used that face each other.
- a single injection piston could also be arranged axially behind the weapon barrel.
- one or more separate injection systems could be provided radially or axially or in an intermediate position to the core axis of the weapon barrel.
- the barrel weapon 1 has a weapon housing 3 at the rear end of the weapon barrel 2.
- the weapon housing 3 there is coaxial with the core axis 4 the storey 5 in which a sabot projectile 6 ready for firing is inserted.
- the storey 5 is formed by a cylindrical caliber part 7, which with its end faces 8 adjoins insert pieces 10 axially against the caliber part 7 with the interposition of a sealing ring 9.
- the inserts 10 are positively connected to the weapon housing 3 by means of a screw connection 11.
- annular piston 15 is inserted so as to be axially movable.
- the annular piston 15 has a piston head 16 and a piston shaft 17, the transitions from the piston head 16 to the piston shaft 17 on the radially inner and radially outer side having steps 18 and 19, which in corresponding recesses 20 and 21 of seal carriers 22 and 23 in the immerse the rear system.
- the seal carriers 22 and 23 have sealing elements 24 in annular grooves in order in this way to achieve a radial sealing of the cargo spaces 25 and 26 behind the piston head 16.
- Inflow channels 28 and 29 extend from the end face of the annular piston head 16 and open into the charge spaces 25 and 26.
- the openings 30, which are arranged in a ring circumferentially, are each separated from one another by webs 31.
- the openings 30, which are arranged in a circular manner, are each separated from one another by webs 31.
- the openings 30 open out as channels from the combustion chamber in the contact plane 27 in the storey 5 in the rear area.
- an annular body 33 made of an electrically insulating material, for example ceramic, is inserted axially and radially into corresponding recesses in the cylinder wall 32 of the storey 5.
- This annular body represents the plasma torch 33 with the annular electrode 34 inserted in the front area, which is inserted into an annular groove 35 of the plasma torch.
- the electrode 34 is formed from a total of three ring segments which are separate from one another and are each connected to their own electrically insulated supply lines 36 of an energy source 37. The number of segments corresponds to the number of channels 30.
- the position of the individual segments of the ring-shaped electrode 34 is in the area of the openings or of the channels 30 in the caliber part 7.
- the required second electrode 38 is at the rear end of the discharge path (33 ) attached and is in electrical contact with the weapon housing 7.
- the arc is ignited by a thin, electrically conductive layer on the surface of the sabot 39, which at this point is made of an insulating layer or is coated with an insulating layer.
- the arrangement and the amount of the electrically conductive layers in turn correspond to the position and the amount of the individual segments of the first electrode 33.
- a gas pressure is built up in the channels 30 and the combustion chamber area in front of the injection piston 15, which causes the axial injection movement of the piston 15.
- parts of the sabot 39 designed as an insulator can be vaporized by the arc.
- the propellant components 40 and / or the gases generated during the reaction of the propellant components 40 pass through the channels 30 behind the projectile 6 in the storey 5, whereby the projectile is accelerated. While the combustion gases and the partly unreacted propellant components 40 flow past through the plasma torch 33, the arc discharge continues to take place simultaneously via the two electrodes 34 and 38, so that the electrical energy generated thereby is also coupled into the material flowing past. As a result, the flowing matter is brought to a very high speed. With a suitable choice of the blowing agent components 40, combustion products of low molecular weights are also produced. On the basis of known internal ballistic relationships, it follows that the projectile leaves the barrel 2 at a muzzle velocity that is significantly higher than that of conventional weapons.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Rohrwaffe mit chemisch-elektrischem Hybridantrieb mittels regenerativer Einspritzung von flüssigen Treibmitteln durch zumindest einen axial bewegbaren Kolben.
- Es sind bereits Rohrwaffen mit regenerativer Einspritzung von flüssigen Treibstoffen bekannt, die entweder mit monergolen oder mit diergolen Flüssigkeiten arbeiten.
Bei der Anwendung von monergolen Treibmitteln wird beispielsweise der Treibstoff von einem Differentialkolben während des Verbrennungsvorganges eingespritzt, wodurch ein insgesamt geregelter Verbrennungsablauf gegeben ist. Allerdings ist der Energieverbrauch für den Antrieb des Kolbens relativ hoch. - Bei einem anderen System wird der monergole Treibstoff in einen Raum hinter das Geschoß gepumpt und dort gezündet, wobei das Geschoß gegenüber dem Rohr die Abdichtung übernimmt. Dieses System ist im Aufbau einfach, jedoch bestehen erhebliche Schwierigkeiten, eine exakte Zündung und einen reproduzierbaren Abbrand zu erreichen.
- Aus der DE 31 53 053 C2 ist eine Flüssigtreibstoff-Geschützvorrichtung mit einer Direkteinspritzung bekannt, bei welcher ein T-förmiger Differentialdruckkolben in einem Verschlußgehäuse hinter dem Geschützrohr axial beweglich angeordnet ist. Der Differentialdruckkolben besitzt eine axiale und durch seinen Kopf und Schaft hindurchgehende Bohrung zum Nachladen von Geschossen.
- Diese bekannte Vorrichtung stellt ein äußerst komplexes Gerät dar, bei dem das Bauvolumen groß ist und die Zuführung und Entladung einer Patrone technisch aufwendig gelöst sind.
- Hinzu kommt bei den Rohrwaffen mit regenerativer Einspritzung chemischer Treibmittel der generelle Mangel, daß mit der bisher bekannten Technologie keine Mündungsgeschwindigkeiten der Geschosse deutlich über 2200 m/s erreicht werden können, um den zukünftigen Forderungen an eine moderne Hochleistungs-Rohrwaffe zu genügen.
- Bekannterweise werden sehr hohe Mündungsgeschwindigkeiten der Geschosse in sogenannten elektro-thermischen Kanonen erzielt. Dies geschieht durch die Ausnutzung von elektrischer Energie, die einem Arbeitsmedium durch die Bogenentladung in einem Plasmabrenner zugeführt wird. Bei dem derzeitigen technologischen Stand sind der Platzbedarf und die Masse der erforderlichen elektrischen Speicher jedoch zu groß, um in ein truppentaugliches Kampffahrzeug eingebaut werden zu können.
- Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Rohrwaffe der eingangs genannten Art zu schaffen, die es bei einfacher Bauart, geringem Platzbedarf und ohne übermäßig erhöhten technischen Aufwand ermöglicht, sehr hohe Mündungsgeschwindigkeiten der Geschosse zu erzielen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Treibmittelkomponenten und/oder die durch Reaktion der Treibmittelkomponenten entstehenden Gase an einer Elektrodenanordnung eines Plasmabrenners zwangsweise derart vorbeigelenkt werden, daß die elektrische Energie einer Lichtbogenentladung in die vorbeiströmende Materie eingekoppelt wird.
- Der entscheidende Vorteil dieser Rohrwaffe ist, daß eine Mündungsgeschwindigkeit erreicht wird, die deutlich über den Werten liegt, die heute mit einem Flüssigantrieb oder Pulverantrieb durch Rohrwaffen erzielbar sind. Gleichzeitig wird mit dieser erfindungsgemäßen Kombination eine Reduzierung der Anforderungen an die Speicherkapazität und auch an die Energieversorgung gegenüber rein elektrisch betriebenen Beschleunigern erzielt.
Weitere Vorteile bieten sich dadurch an, daß der Einsatz von unterschiedlichen flüssigen Treibstoffkombinationen, so beispielsweise Monergole, die nicht mehr die speziellen Sicherheitsprobleme hochenergetischer Monergole aufweisen, möglich ist. Bei einer geeigneten Treibmittelauswahl kann das flüssige Treibmittel der Rohrwaffe außerdem auch für den Betrieb des Primärenergieerzeugers der elektrischen Antriebskomponente verwendet werden. - Schließlich wird für den Flüssigantrieb keine separate Anzündung benötigt. Der für die Einspritzung erforderliche Vordruck wird durch die Zündung des Lichtbogens im Plasmabrenner erzeugt.
- In Ausbildung der Erfindung kann der Plasmabrenner ringförmig gestaltet und im rückwärtigen Bereich des Geschoßlagers im Waffengehäuse oder im Waffenrohr angeordnet sein, wobei seine innere Durchströmöffnung mit der Brennkammer und/oder den Kanälen für die Verbrennungsgase und unverbrannten Anteile der Treibmittelkomponenten in offener Verbindung steht. Ferner kann der Plasmabrenner ein ringförmiger Körper aus elektrisch isolierendem Material sein, der in die Zylinderwand des Geschoßlagers axial und radial unverschieblich eingesetzt ist, wobei in die Innenmantelfläche im vorderen Bereich des Körpers eine ringförmige Elektrode mit einer aus dem Waffengehäuse bzw. dem Waffenrohr herausgeführten elektrisch isolierten Zuleitung einer Energiequelle eingesetzt ist, während die zweite Elektrode elektrisch leitend mit dem Waffengehäuse verbunden ist.
- In besonderer Ausbildung dieses Erfindungsgedankens kann die ringförmige Elektrode aus Einzelsegmenten gebildet sein, die jeweils mit eigenen elektrisch isolierten Zuleitungen verbunden sind und in der Anordnung und Menge der Lage und der Menge der Kanäle für die flüssigen und/oder gasförmigen Treibmittelkomponenten entsprechen. Die Anordnung mehrerer Einzelsegmente ermöglicht in vorteilhafter Weise eine gesteuerte, zeitversetzte Einkopplung der Energie.
- Der ringförmige Körper des Plasmabrenners kann eine bestimmte Anzahl von achsparallelen Bohrungen besitzen, die von den Treibmittelkomponenten durchströmt werden und als Entladungsstruktur für Lichtbögen dienen, welche zwischen den entsprechenden Elektroden gezündet werden, wobei die Ausströmung des Treibmittels in der Nähe der ersten Elektrode durch geeignet gewählte Bohrungen in den Ladungsraum hinter dem Treibspiegel eines Geschosses erfolgt.
- Zur Zündung des Lichtbogens kann eine elektrisch leitende Schicht auf dem sonst isolierten hinteren Teil eines Treibspiegels oder Treibkäfigs eines in das Geschoßlager eingeführten Geschosses verwendet werden, wobei wahlweise die zweite Elektrode in Anordnung und Menge der ersten ringförmigen oder segmentierten Elektrode entspricht.
- Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles einer Rohrwaffe mit einer ringförmigen Anordnung eines einzelnen Einspritzkolbens.
- Die einzige Figur zeigt
eine Rohrwaffe mit regenerativer Treibmitteleinspritzung und dem Einbau eines Plasmabrenners, teilweise im Schnitt. - Es sei jedoch vermerkt, daß auch andere Einspritzkonzepte gewählt werden können, denen ein Plasmabrenner zugeordnet wird, ohne daß dadurch der Bereich der Erfindung verlassen wird. Es können beispielsweise zwei Ringkolben eingesetzt werden, die einander gegenüberstehen. Es könnte ebenso auch ein einziger Einspritzkolben axial hinter dem Waffenrohr angeordnet werden. Ferner könnten ein oder mehrere separate Einspritzsysteme radial oder axial oder in einer Zwischenlage zur Seelenachse des Waffenrohres vorgesehen sein.
- Die Rohrwaffe 1 besitzt am hinteren Ende des Waffenrohres 2 ein Waffengehäuse 3. In dem Waffengehäuse 3 befindet sich koaxial zur Seelenachse 4 das Geschoßlager 5, in welchem ein zum Abschuß bereites Treibspiegelgeschoß 6 eingeführt ist. Das Geschoßlager 5 ist durch ein zylinderförmiges Kaliberteil 7 gebildet, welches mit seinen Stirnseiten 8 unter Zwischenfügung je eines Dichtringes 9 an axial an das Kaliberteil 7 anliegende Einsatzstücke 10 angrenzt. Die Einsatzstücke 10 sind über eine Schraubverbindung 11 mit dem Waffengehäuse 3 formschlüssig verbunden.
- Zwischen der äußeren Mantelfläche 12 des Kaliberteiles 7 und der inneren Mantelfläche 13 des Waffengehäuses 3 ist ein ringförmiger Zylinder 14 geschaffen, in welchem ein Ringkolben 15 axial beweglich eingesetzt ist. Der Ringkolben 15 besitzt einen Kolbenkopf 16 und einen Kolbenschaft 17, wobei die Übergänge vom Kolbenkopf 16 zum Kolbenschaft 17 an der radial innen- und radial außenliegenden Seite Stufen 18 und 19 besitzen, die in entsprechende Ausnehmungen 20 und 21 von Dichtungsträgern 22 und 23 bei der rückwärtigen Anlage eintauchen. Die Dichtungsträger 22 und 23 besitzen in Ringnuten Dichtelemente 24, um auf diese Weise eine radiale Abdichtung der Ladungsräume 25 und 26 hinter dem Kolbenkopf 16 zu erreichen.
- Von der Stirnfläche des Ringkolbenkopfes 16 gehen Zuströmkanäle 28 und 29 aus, die in die Ladungsräume 25 und 26 einmünden.
- Im Bereich der Berührungsebene 27 der Kolbenkopfstirnfläche mit der gegenüberstehenden Stirnfläche des Einsatzstückes 10 befinden sich in der Zylinderwand des Kaliberteils 7 radiale Durchbrüche 30, deren Durchgangsfläche mindestens gleich der Querschnittsfläche des Geschoßlagers 5 ist.
- Die ringförmig umlaufend angeordneten Durchbrüche 30 sind jeweils durch Stege 31 voneinander getrennt.
- Die ringförmig umlaufend angeordneten Durchbrüche 30 sind jeweils durch Stege 31 voneinander getrennt.
- Die Durchbrüche 30 münden als Kanäle von der Brennkammer in der Berührungsebene 27 im Geschoßlager 5 im hinteren Bereich ein. Unmittelbar axial vor den Kanälen 30 ist in die Zylinderwand 32 des Geschoßlagers 5 ein ringförmiger Körper 33 aus einem elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Keramik, axial und radial in entsprechende Ausnehmungen unverschieblich eingesetzt. Dieser ringförmige Körper stellt den Plasmabrenner 33 mit der im vorderen Bereich eingesetzten ringförmigen Elektrode 34 dar, die in eine Ringnut 35 des Plasmabrenners eingesetzt ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 34 aus insgesamt drei voneinander getrennten Ringsegmenten gebildet, die jeweils mit eigenen elektrisch isolierten Zuleitungen 36 einer Energiequelle 37 verbunden sind. Die Menge der Segmente entspricht dabei der Anzahl der Kanäle 30. Die Lage der einzelnen Segmente der ringförmigen Elektrode 34 befindet sich jeweils im Bereich der Durchbrüche bzw. der Kanäle 30 im Kaliberteil 7. Die erforderliche zweite Elektrode 38 ist am rückwärtigen Ende der Entladungsstrecke (33) angebracht und steht mit dem Waffengehäuse 7 in elektrischem Kontakt. Die Zündung des Lichtbogens erfolgt durch eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht auf der Oberfläche des Treibspiegels 39, der an dieser Stelle aus isolierendem gefertigt oder mit einer isolierenden Schicht überzogen ist. Die Anordnung und die Menge der elektrisch leitenden Schichten entspricht wiederum der Lage und der Menge der Einzelsegmente der ersten Elektrode 33.
- Nach entsprechender Zündung des Lichtbogens wird in den Kanälen 30 und dem Verbrennungsraumbereich vor dem Einspritzkolben 15 ein Gasdruck aufgebaut, der die axiale Einspritzbewegung des Kolbens 15 bewirkt. Zur Verbesserung des Gasdruckaufbaus können Teile des als Isolator ausgebildeten Treibspiegels 39 durch den Lichtbogen verdampft werden.
- Die Treibmittelkomponenten 40 und/oder die bei der Reaktion der Treibmittelkomponenten 40 entstehenden Gase gelangen durch die Kanäle 30 hinter das Geschoß 6 in dem Geschoßlager 5, wodurch das Geschoß beschleunigt wird. Während des Vorbeiströmens der Verbrennungsgase und der zum Teil nicht umgesetzten Treibmittelkomponenten 40 durch den Plasmabrenner 33 erfolgt weiterhin gleichzeitig die Lichtbogenentladung über die beiden Elektroden 34 und 38, so daß die dadurch erzeugte elektrische Energie in die vorbeiströmende Materie mit eingekoppelt wird. Dies hat zur Folge, daß die vorbeiströmende Materie auf eine sehr hohe Geschwindigkeit gebracht wird. Bei geeigneter Wahl der Treibmittelkomponenten 40 entstehen außerdem Verbrennungsprodukte geringen Molekulargewichten. Aufgrund bekannter innenballistischer Beziehungen ergibt sich daraus, daß das Geschoß das Waffenrohr 2 mit einer gegenüber herkömmlichen Waffen wesentlich erhöhten Mündungsgeschwindigkeit verläßt.
Claims (8)
dadurch gekennzeichnet,
daß die Treibmittelkomponenten (40) und/oder die durch Reaktion der Treibmittelkomponenten (40) entstehenden Gase an einer Elektrodenanordnung eines Plasmabrenners (33) zwangsweise derart vorbeigelenkt werden, daß die elektrische Energie einer Lichtbogenentladung in die vorbeiströmende Materie eingekoppelt wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Plasmabrenner (33) ringförmig gestaltet und im rückwärtigen Bereich des Geschoßlagers (5) im Waffengehäuse (3) oder im Waffenrohr (2) angeordnet ist, wobei seine innere Durchströmöffnung mit der Brennkammer und/oder den Kanälen (30) für die Verbrennungsgase und unverbrauchten Anteile der Treibmittelkomponenten (40) in offener Verbindung steht.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Plasmabrenner (33) ein ringförmiger Körper aus elektrisch isolierendem Material ist, der in die Zylinderwand (32) des Geschoßlagers (5) axial und radial unverschieblich eingesetzt ist, wobei in die Innenmantelfläche im vorderen Bereich des Körpers eine ringförmige Elektrode (34) mit einer aus dem Waffengehäuse (3) bzw. dem Waffenrohr (2) herausgeführten, elektrisch isolierenden Zuleitung (36) einer Energiequelle (37) eingesetzt ist, während die zweite Elektrode (38) elektrisch leitend mit dem Waffengehäuse verbunden ist.
dadurch gekennzeichnet,
daß die ringförmige Elektrode (34) aus Einzelsegmenten gebildet ist, die jeweils mit eigenen elektrisch isolierten Zuleitungen (36) verbunden sind und in der Anordnung und Menge der Lage und der Menge der Kanäle (30) für die flüssigen und/oder gasförmigen Treibmittelkomponenten (40) entsprechen.
dadurch gekennzeichnet,
daß der ringförmige Körper des Plasmabrenners (33) eine bestimmte Anzahl achsparalleler Bohrungen besitzt, welche von den Treibmittelkomponenten (40) durchströmt werden und als Entladungsstruktur für Lichtbögen dienen, welche zwischen den entsprechenden Elektroden (34, 38) gezündet werden, wobei die Ausströmung des Treibmittels in der Nähe der ersten Elektrode (34) durch geeignet gewählte Bohrungen in den Ladungsraum hinter dem Treibspiegel (39) eines Geschosses (6) erfolgt.
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Zündung des Lichtbogens eine elektrisch leitende Schicht (35) auf dem sonst isolierten, hinteren Teil eines Treibspiegels oder Treibkäfigs (39) eines in das Geschoßlager (5) eingeführten Geschosses (6) verwendet wird, wobei wahlweise die zweite Elektrode (38) in Anordnung und Menge der ersten ringförmigen oder segmentierten Elektrode (34) entspricht.
dadurch gekennzeichnet,
daß der für die Einspritzung der Treibmittelkomponenten (40) in die Brennkammer bzw. Kanäle (30) erforderliche Vordruck durch die Zündung des Lichtbogens im Plasmabrenner (33) erzeugt wird.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zündung der chemischen Reaktion wahlweise durch eine kleine Pulverladung oder mittels einer Flüssigkeitsanzündung oder mittels mechanischem Fremdantrieb des Einspritzkolben (15) für einen bestimmten Anfangshub erfolgt.
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