EP0437675B1 - Waffenrohr mit optimiertem Drallverlauf - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Waffenrohr mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 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:

  

  
  mit den Bedingungen:

  

  
  Dabei sind:

J:

das Trägheitsmoment des Geschosses um seine Längsachse

D:

das Kaliber des Waffenrohres

m_G:

die Geschoß-Masse

y:

die abgewickelte Umfangsrichtung

p(x):

der auf den Geschoßboden wirkende Gasdruck

v_G(x):

die Geschoßgeschwindigkeit

α(x):

der Drallwinkel

Von daher ist klar, daß bei vorgegebener Geschoßmasse m_G, Geschoßgeschwindigkeit v_G(x) und Gasdruck-Verlauf p(x) der Drallverlauf des betrachteten Waffenrohres den Leistenkraft-Verlauf R(x) entscheidend beeinflußt.
• Bei dem bislang - vor allem bei großkalibrigen Waffenrohren - aus fertigungstechnischen Gründen am häufigsten verwendeten Konstant-Drall, bei dem der Drallwinkel α(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.
• 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.
• 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.
• 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 α(x) von einem Anfangsdrallwinkel α_A = 0° bis zu einem Enddrallwinkel α_E = 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.
• Bei Artillerierohren, deren Geschosse üblicherweise besonders breite Führungsbänder besitzen, erhöht ein beim Anfangsdrall α_A = 0° beginnender progressiver Drallwinkelverlauf die Belastung der Führungsbänder, zumal wenn ein üblicher Enddrallwinkel von α_E ≈ 9° erreicht werden soll. In diesem Fall wird nahezu die gesamte Breite des Führungsbandes durch Änderung des Drallwinkels umgeformt, so daß die Gefahr besteht, daß das Führungsband im Waffenrohr versagt.
• Aus der GB-A-2 156 055 ist es bekannt, den Drallverlauf durch eine parabolische Drallkurve zu definieren. Die einzelnen Parameter des entsprechenden Polynoms werden dabei derart gewählt, daß sich ein Leistenkraftverlauf ergibt, bei dem die Leistenkraft über den Geschoßweg im Waffenrohr am Beginn der Züge steil ansteigt, über einen folgenden weiten Bereich des Waffenrohres möglichst konstant bleibt und zur Mündung wieder abfällt. Allerdings weist der vorgeschlagene parabolische Drallwinkelverlauf den Nachteil auf, daß die gewünschte Anpassung an einen vorgegebenen trapezförmigen Leistenkraftverlauf nur recht unvollständig möglich ist.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben geschilderten Nachteile der bei bekannten Waffenrohren verwendeten Drallarten zu vermeiden und einen Drallwinkelverlauf α (x) anzugeben, der beim Abschuß des jeweiligen Geschosses möglichst genau zu einem vorgegebenen trapezförmigen Leistenkraftverlauf im Waffenrohr führt.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein gattungsgemäßes Waffenrohr mit den erfindungsgemäßen Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus dem Unteranspruch hervor.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Artillerierohres vom Kaliber 155 mm und einer Waffenrohrlänge von 52 Kaliber ausführlich mit Hilfe von Figuren erläutert und beschrieben. Dabei zeigen im einzelnen:

Figur 1:

ein Diagramm eines Drallwinkels α(x), aufgetragen gegen eine Waffenrohrlänge x des erfindungsgemäßen Waffenrohres im Intervall zwischen den auf der Abszisse markierten Positionen x_A und x_B (entspricht x_E);

Figur 2:

ein Diagramm einer sich aus dem Drallwinkelverlauf α(x) gemäß Figur 1 ergebenden Leistenkraft R(x) aufgetragen gegen die Waffenrohrlänge x;

Figur 3:

ein Diagramm (gegenüber Fig. 1 in verkleinertem Maßstab) Drallwinkelverlauf α(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 α(x) gemäß Figur 3 ergebenden Leistenkräfte R(x) für die in Figur 3 dargestellten Drallarten.

• Ausgehend von einem gegebenen Gasdruckverlauf p(x) und einer gegebenen Geschoßgeschwindigkeit v_G(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 α(x) gemäß
  
  ${\text{α(x) = Σ C}}_{\text{n}}{\text{·cos(n·x·π·f/x}}_{\text{E}}\text{) ; 0 ≦ n ≦ 10}$

  

  
  
  eine gerade Fourier-Reihe angesetzt. Der Enddrallwinkel α_E ist aus ballistischen Gründen mit α_E = 8,969°. Um am Drallbeginn ${\text{x = x}}_{\text{A}}$

  

  und am Drallende ${\text{x = x}}_{\text{E}}$

  

  ähnlich günstige Verhältnisse wie beim bekannten Konstantdrall zu erzielen, muß der Drallverlauf α(x) an diesen Stellen x_A, x_E eine nahezu horizontale Tangente besitzen, so daß

  

  
  der Faktor f im Argument der trigonometrischen Glieder der obigen Fourier-Reihe dient zur Verkürzung der Periode und beeinflußt daher die Leistenkraft R(x) an der Waffenrohrmündung ${\text{x = x}}_{\text{E}}$

  

  . Vorzugsweise gilt für den Faktor f
  
  $\text{1,0 < f < 1,2.}$

  

  
  
• Ein weiterer wichtiger Parameter zur Beeinflussung der Leistenkraft R(x) ist der Anfangsdrallwinkel ${\text{α(x) = x}}_{\text{A}}$

  

  

  .
• Dem in Figur 1 dargestellten Diagramm des Leistenkraftverlaufes α(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

  

  
  und den Beziehungen

  

  
  ist bei vorgegebenem Gasdruck-Verlauf p(x) und Geschoßgeschwindigkeitsverlauf v_G(x) die Leistenkraft R(x) entlang des Rohres gemäß

  

  
  festgelegt. Die derart bestimmte Leistenkraft R(x) ist im Diagramm in Figur 2 dargestellt.
• Aufgrund des gewählten Enddrallwinkels von α_E = 8,969° ergibt sich ein großer Anfangsdrallwinkel von α(x_A) = 5,298°. Die damit erzielte Drallwinkeländerung entlang des Rohres von ${\text{Δα = α}}_{\text{E}}{\text{- α}}_{\text{A}}\text{= 3,6289°}$

  

  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.
• Weiterhin vorteilhaft ist der erfindungsgemäß bestimmte kleine Anfangsdrallwinkel von α_A = 5,298°, da er sich günstig auf den sogenannten Torsional-Impuls-Effekt auswirkt und daher die Schwingungsneigung des Waffenrohres reduziert.
• Figur 3 zeigt zur Verdeutlichung den erfindungsgemäßen Drallwinkelverlauf α(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.
• Ausgehend von den in Figur 3 abgebildeten Drallwinkelverläufen α(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.
• 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.
• 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 x_A nach x_E wegen Δα ≈ 9° stark verformen und möglicherweise versagen lassen. Außerdem nimmt beim parabolischen Drall die Leistenkraft R(x_E) 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(x_E) des erfindungsgemäßen Waffenrohres - wie Figur 4 zeigt - lediglich noch 10% des Maximalwertes.
• 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.
• 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.

Claims (2)

1. Waffenrohr mit einem Drallverlauf mit einem veränderlichen Drallwinkel (α (x)) und einer beim Verschießen eines Geschosses wirkenden Leistenkraft (R(x)), wobei das Waffenrohr derart konstruiert ist, daß die Leistenkraft (R(x)) über den Geschoßweg (x) im Waffenrohr bei vorgegebener Geschoßmasse (m_G), Geschoßgeschwindigkeit (v_G(x)) und Gasdruckverlauf (p(x)) am Beginn der Züge ( ${\text{x=x}}_{\text{A}}$

   

   ) steil ansteigt, über einen folgenden weiten Bereich des Waffenrohres im wesentlichen konstant bleibt und zur Mündung ( ${\text{x=x}}_{\text{E}}$

   

   ) steil abfällt, und wobei das Maximum der Leistenkraft (R(x)) gegenüber einem entsprechenden Waffenrohr mit einem üblichen Konstantdrall um mindestens ein Viertel reduziert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der die Leistenkraft (R(x)) bestimmende Drallwinkel (α(x)) durch eine gerade Fourier-Reihe gemäß
   
   ${\text{α(x) = Σ C}}_{\text{n}}{\text{cos (nxπf/x}}_{\text{E}}\text{); 0 ≦ n ≦ 10}$

   

   
   
   beschrieben wird, wobei gilt: 1,0 < f < 1,2 C₁ = -1,82927 C₆ = 0,02020 C₂ = 0,22474 C₇ = 0 C₃ = 0 C₈ = 0,00117 C₄ = 0,10200 C₉ = 0 C₅ = 0,01480 C₁₀ =0,00001
2. Waffenrohr nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß zur Schonung eines Führungsbandes des Geschosses eine Änderung (Δα) des Drallwinkels (α(x)) von einem Anfangsdrallwinkel ( ${\text{α}}_{\text{A}}{\text{= α(x}}_{\text{A}}\text{)}$

   

   ) am Beginn der Züge bis zu einem Enddrallwinkel ( ${\text{α}}_{\text{E}}{\text{= α(x}}_{\text{E}}\text{)}$

   

   ) an der Mündung kleiner als 5,5° ist, so daß gilt:
   
   ${\text{Δα = α}}_{\text{E}}{\text{- α}}_{\text{A}}\text{< 5,5°}$

   

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