EP0437675A2 - Grooves for a gun barrel - Google Patents
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- F41A21/16—Barrels or gun tubes characterised by the shape of the bore
- F41A21/18—Grooves-Rifling
Definitions
- the invention relates to a weapon barrel with the features of the preamble of claim 1.
- the sinusoidal swirl curve shows a pronounced maximum of the groin force but also a significantly reduced groin force at the muzzle.
- the invention is therefore based on the object of avoiding the above-described disadvantages of the known types of swirl used in weapon barrels and to improve the lifespan and the inside and outside ballistics of missiles fired therefrom by means of an improved barrel in a twisted barrel with a reduced groin force maximum.
- the particular advantage of a weapon barrel designed according to the invention is that a locally pronounced maximum of the last force is avoided and the maximum occurring last force is significantly reduced, so that the entire train field profile is less stressed and thus the life of the weapon barrel in terms of fatigue and wear is improved.
- a swirl angle described by a higher-order Fourier series approach correspondingly adjusts the desired last force curve to a predetermined gas pressure curve with a sufficient number of coefficients.
- the following preferably applies to the factor f
- the diagram of the groin force curve a (x) of a weapon barrel according to the invention shown in FIG. 1 is based not only on the values already mentioned, but also on the following coefficients, which were determined with the aid of a numerical optimization method known per se:
- FIG. 3 shows the swirl angle curve a (x) according to the invention, which is shown here as a solid line as in FIG. 1, in comparison with the types of swirl previously used for a corresponding weapon barrel.
- the constant swirl is shown as a dash-dotted curve and the parabolic swirl as a dashed curve.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Waffenrohr mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.The invention relates to a weapon barrel with the features of the preamble of claim 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:
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.It is therefore clear that with a given projectile mass m G , projectile velocity V G (x) and gas pressure curve p (X), the swirl curve of the weapon barrel under consideration has a decisive influence on the groin force curve R (x).
Bei dem bislang - vor allem bei großkalibrigen Waffenrohren - aus fertigungstechnischen Gründen am häufigsten verwendeten Konstant-Drall, bei dem der Drallwinkel a(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.In the case of the constant twist most commonly used up to now - especially in the case of large-caliber gun barrels - for manufacturing reasons, in which the twist angle a (x) is independent of the projectile path x, the rail force curve R (x) disadvantageously follows proportional to the gas pressure curve p (x) . There is a pronounced, local maximum of the groin force, which coincides locally with the gas pressure maximum in the weapon barrel and leads to an undesirably high, local stress.
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.Considerations were therefore made at an early stage to reduce the groin force by using a parabolic, sinusoidal or cubic-parabolic swirl course, as stated in the "Weapon Technical Pocket Book" by Rheinmetall GmbH, 5th edition, 1980, pages 523 to 529.
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.These, in particular in Figure 1137 on page 525 of the "Weapon Technical Handbook", referred to as progressive swirl courses, show that with parabolic and cubic-parabolic swirl a large groin force R (x) occurs at the muzzle of the gun barrel, which adversely affects the trajectory of the projectile can impact. In addition, it has a so-called torsional impulse effect on the gun barrel and thus causes undesirable gun barrel vibrations around the barrel core axis, with an additional load on the projectile.
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.As can be seen from Figure 1137 on page 525 of the "Weapon Technical Handbook", the sinusoidal swirl curve shows a pronounced maximum of the groin force but also a significantly reduced groin force at the muzzle. However, since in previously manufactured weapon barrels with a sinusoidal swirl course for machine guns, the helix angle a (x) increases from an initial helix angle α A = 0 ° to a final helix angle α E = 6.5 ° at the muzzle of the weapon barrel, which is due to the reduced last force at the muzzle achieved advantage partially consumed by a pronounced forming process of a guide band of the projectile. The wider the guide band, the more unfavorable these conditions become.
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 αE ≈ 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.In artillery tubes, the projectiles of which usually have particularly wide guide bands, a progressive swirl angle profile starting at the initial swirl α A = 0 increases the load on the guide bands, especially if a normal final twist angle of αE ≈ 9 ° is to be achieved. In this case, almost the entire width of the guide band is reshaped by changing the helix angle, so that there is a risk that the guide band will fail in the barrel.
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.The invention is therefore based on the object of avoiding the above-described disadvantages of the known types of swirl used in weapon barrels and to improve the lifespan and the inside and outside ballistics of missiles fired therefrom by means of an improved barrel in a twisted barrel with a reduced groin force maximum.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Waffenrohr mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.This object is achieved by a generic weapon barrel with the features according to the invention of the characterizing part of patent claim 1.
Der besondere Vorteil eines erfindungsgemäß ausgelegten Waffenrohres ist, daß ein lokal ausgeprägtes Maximum der Leistenkraft vermieden 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.The particular advantage of a weapon barrel designed according to the invention is that a locally pronounced maximum of the last force is avoided and the maximum occurring last force is significantly reduced, so that the entire train field profile is less stressed and thus the life of the weapon barrel in terms of fatigue and wear is improved.
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.Another advantage of the weapon barrel according to the invention can be seen in the fact that, as provided in a preferred embodiment of the invention, a swirl angle described by a higher-order Fourier series approach correspondingly adjusts the desired last force curve to a predetermined gas pressure curve with a sufficient number of coefficients. Through known numerical optimization of the coefficients of the Fourier series, an exact definition of the last force at the weapon barrel muzzle, a clear reduction of the last force maximum, an adjustment of a small change in the twist angle via the projectile path can be carried out to protect a guide band of the projectile.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further advantageous embodiments of the invention emerge from the subclaims.
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.The invention is explained and described in detail below with reference to a preferred embodiment of an artillery barrel of 155 mm caliber and a weapon barrel length of 52 calibers.
Zum besseren Verständnis und zur Verdeutlichung der Erfindung dienen zwei Diagramme. Dabei zeigen im einzelnen:
- Figur 1: ein Diagramm eines Drallwinkels a(x) aufgetragen gegen eine Waffenrohrlänge x des erfindungsgemäßen Waffenrohres im Intervall zwischen den auf der Abszisse markierten Positionen xA und XE;
- Figur 2: ein Diagramm einer sich aus dem Drallwinkelverlauf a(x) gemäß Figur 1 ergebenden Leistenkraft R(x) aufgetragen gegen die Waffenrohrlänge x;
- Figur 3: ein Diagramm (gegenüber Fig. 1 in verkleinertem Maßstab) Drallwinkelverlauf a(x) mit dem erfindungsgemäßen Drallwinkelverlauf gemäß Figur 1 im Vergleich zum Konstantdrall und zum parabolischen Drall in einem entsprechenden Waffenrohr und
- Figur 4: ein Diagramm der sich aus den Drallwinkelverläufen a(x) gemäß Figur 3 ergebenden Leistenkräfte R(x) für die in Figur 3 dargestellten Drallarten.
- FIG. 1: a diagram of a swirl angle a (x) plotted against a weapon barrel length x of the weapon barrel according to the invention in the interval between the positions x A and XE marked on the abscissa;
- FIG. 2: a diagram of a last force R (x) resulting from the swirl angle curve a (x) according to FIG. 1 plotted against the barrel length x;
- FIG. 3: a diagram (compared to FIG. 1 on a reduced scale) swirl angle curve a (x) with the swirl angle curve according to the invention according to FIG. 1 in comparison to the constant swirl and to the parabolic swirl in a corresponding weapon barrel and
- 4 shows a diagram of the strip forces R (x) resulting from the swirl angle profiles a (x) according to FIG. 3 for the types of swirl shown in FIG.
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 a(x) gemäß
Ein weiterer wichtiger Parameter zur Beeinflussung der Leistenkraft R(x) ist der Anfangsdrallwinkel a(x) = XA.Another important parameter for influencing the strip force R (x) is the initial helix angle a (x) = X A.
Dem in Figur 1 dargestellten Diagramm des Leistenkraftverlaufes a(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
Aufgrund des gewählten Enddrallwinkels von αE = 8,969° ergibt sich ein großer Anfangsdrallwinkel von α(xA) = 5,298°. Die 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 Figur 2, daß das Maximum der Leistenkraft R(x) im wesentlichen über den Geschoßweg x konstant bleibt.Due to the selected final twist angle of α E = 8.969 °, there is a large initial twist angle of α (x A ) = 5.298 °. The twist angle change thus achieved along the tube of Δα = α E - α A = 3.6289 ° is advantageously very small, so that a conventional guide band is only slightly deformed on its way through the weapon barrel. In addition, Figure 2 shows that the maximum of the strip force R (x) remains essentially constant over the projectile path x.
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.The small initial helix angle of α A = 5.298 ° determined according to the invention is also advantageous, since it has a favorable effect on the so-called torsional impulse effect and therefore reduces the tendency of the gun barrel to vibrate.
Figur 3 zeigt zur Verdeutlichung den erfindungsgemäßen Drallwinkelverlauf a(x), der hier wie in Figur 1 als durchgezogene Linie dargestellt ist, im Vergleich mit heute bisher verwendeten Drallarten für ein entsprechendes Waffenrohr. In Figur 3 ist der Konstantdrall als strich-punktierte Kurve und der parabolische Drall als strichlierte Kurve dargestellt.For clarification, FIG. 3 shows the swirl angle curve a (x) according to the invention, which is shown here as a solid line as in FIG. 1, in comparison with the types of swirl previously used for a corresponding weapon barrel. In Figure 3, the constant swirl is shown as a dash-dotted curve and the parabolic swirl as a dashed curve.
Ausgehend von den in Figur 3 abgebildeten Drallwinkelverläufen a(x) ergeben sich die in Figur 4 dargestellten Leistenkraftverläufe R(x) für die jeweiligen Drallarten. In Figur 4 wurde die Darstellungsweise der Kurven gemäß Figur 3 verwendet.Starting from the swirl angle curves a (x) shown in FIG. 3, the strip force curves R (x) shown in FIG. 4 result for the respective types of swirl. In FIG. 4, the way in which the curves are represented according to FIG. 3 was used.
Aus Figur 4 geht deutlich hervor, daß bei einem erfindungsgemäßen Waffenrohr gegenüber dem heute noch bei Artillerierohren üblichen Konstantdrall das Leistenkraftmaximum um ca. 42% reduziert ist.From Figure 4 it is clear that in a weapon barrel according to the invention compared to the constant twist still common today in artillery tubes, the last force is reduced by approximately 42%.
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 Figur 4 zeigt - lediglich noch 10% des Maximalwertes.
- In contrast, the muzzle-side force R (x E ) of the weapon barrel according to the invention - as shown in FIG. 4 - is only 10% of the maximum value.
Insgesamt ergeben sich gegenüber bekannten Waffenrohren mit üblichen Drallverläufen bei dem erfindungsgemäßen Waffenrohr die folgenden Vorteile:
- o geringere Belastung des Zug-Feldprofiles, d. h. geringerer Rohrverschleiß und bessere Ermüdungslebensdauer
- o geringere Führungsbandbeanspruchung
- o geringere Belastung der Drallaufnahme
- o geringere Anregung von Rohrschwingungen
- o günstige Abgangsballistik des Geschosses durch verringerte Leistenkraft an der Waffenrohrmündung o geringfügige Umformung des Führungsbandes des Geschosses durch verringerte Drallwinkeländerung während des Geschoßdurchlaufes durch das Waffenrohr.
- o Less strain on the train field profile, ie less tube wear and better fatigue life
- o lower guide belt stress
- o less strain on the swirl mount
- o less excitation of pipe vibrations
- o Favorable ballistic exit of the projectile due to reduced groin force at the muzzle of the weapon barrel. o Slight deformation of the projectile's guide band due to reduced change in swirl angle during the passage of the projectile through the weapon barrel.
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.The manufacture of gun barrels according to the invention, even of large caliber, with the twist regularities according to the invention discussed above, is possible with the CNC-controlled groove-drawing machines known today without great difficulty.
Claims (5)
dadurch gekennzeichnet, daß das Waffenrohr derart konstruiert ist, daß die Leisten-kraft (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.1. weapon barrel with a swirl course with a variable swirl angle and a last force acting when firing a projectile,
characterized in that the weapon barrel is constructed in such a way that the last force (R (x)) over the projectile path (x) in the weapon barrel at a given projectile mass (m G ), projectile velocity (V G (X)) and gas pressure curve (p ( x)) rises steeply at the beginning of the moves (x = x A ), remains essentially constant over a subsequent wide area of the weapon barrel and drops steeply towards the muzzle (x = x E ), i.e. essentially in a diagram R (x) has a trapezoidal shape, the maximum of the last force (R (x)) being reduced by at least a quarter compared to a corresponding weapon barrel with a conventional constant twist.
dadurch gekennzeichnet, daß der die Leistenkraft (R(x)) bestimmende Drallwinkel (α(x)) durch eine Fourier-Reihe gemäß α(x) = E (Sn'sin n ° F°x + Cn°cos n°F°x); 0 ≦ n ≦ z beschrieben wird, wobei z ein positiver, ganzzahliger Wert und F ein konstanter Faktor ist.2. weapon barrel according to claim 1,
characterized in that the swirl angle (α (x)) determining the inguinal force (R (x)) is determined by a Fourier series according to α (x) = E (S n 'sin n ° F ° x + C n ° cos n ° F ° x); 0 ≦ n ≦ z is described, where z is a positive, integer value and F is a constant factor.
dadurch gekennzeichnet, daß die den Drallwinkel (α(x)) bestimmende Fourier-Reihe eine gerade Fourier-Reihe ist.3. weapon barrel according to claim 2,
characterized in that the Fourier series determining the helix angle (α (x)) is a straight Fourier series.
dadurch gekennzeichnet, daß der den Drallwinkel (α(x)) des Waffenrohres bestimmende konstante Faktor (F) im Argument der trigonometrischen Glieder der Fourier-Reihe durch F = πf/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.4. weapon barrel according to claim 3,
characterized in that the constant factor (F) determining the twist angle (α (x)) of the weapon barrel is described in the argument of the trigonometric terms of the Fourier series by F = πf / x E , where f is a factor for influencing the last force (R (x)) at the mouth (x = x E ) and 1.0 <f <1.2 applies.
dadurch gekennzeichnet, daß zur Schonung eines Führungsbandes des Geschosses eine Änderung (Aa) des Drallwinkels (a(x)) von einem Anfangsdrallwinkel (aA = a(xA)) am Beginn der Züge bis zu einem Enddrallwinkel (αE = a(xE)) an der Mündung kleiner als 5,5° ist, so daß gilt: Δα = αE - αA < 5,5°5. weapon barrel according to claim 4,
characterized in that, in order to protect a guide band of the projectile, a change (Aa) in the twist angle (a (x)) from an initial twist angle (a A = a (x A )) at the start of the trains up to a final twist angle (α E = a ( x E )) at the mouth is less than 5.5 °, so that the following applies: Δα = αE - αA <5.5 °
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