EP3591332B1 - Penetrator umfassend einen penetratorrumpf, einen penetratorkopf und einen stossdämpfer dazwischen - Google Patents

Penetrator umfassend einen penetratorrumpf, einen penetratorkopf und einen stossdämpfer dazwischen Download PDF

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EP3591332B1
EP3591332B1 EP19179756.2A EP19179756A EP3591332B1 EP 3591332 B1 EP3591332 B1 EP 3591332B1 EP 19179756 A EP19179756 A EP 19179756A EP 3591332 B1 EP3591332 B1 EP 3591332B1
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EP
European Patent Office
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penetrator
shock absorber
head
damping
manner
Prior art date
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EP19179756.2A
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EP3591332A1 (de
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Jakob Breiner
Martin Baur
Markus Graswald
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TDW Gesellschaft fuer Verteidigungstechnische Wirksysteme mbH
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TDW Gesellschaft fuer Verteidigungstechnische Wirksysteme mbH
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Publication date
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    • F42B33/00—Manufacture of ammunition; Dismantling of ammunition; Apparatus therefor
    • F42B33/001—Devices or processes for assembling ammunition, cartridges or cartridge elements from parts

Definitions

  • the present invention relates to a penetrator.
  • the present invention relates in particular to a penetrator for a supersonic missile, such as a guided missile, a guided or unguided rocket, and/or a (ballistic) projectile or the like, for impacting targets made of ultra-high strength target material.
  • UHPC ultra high performance concrete
  • steel fibers are mixed in as high-strength components, which means that a greatly increased compressive strength of the concrete of up to 200 MPa can be achieved.
  • Added polypropylene fibers also improve the fire resistance and prevent the UHPC from suddenly failing when exposed to fire due to a very high vapor pressure.
  • penetrators with very high impact speeds are proposed, among other things.
  • the resulting high impact forces mean that the inner components of the penetrator, including the electronic elements and in particular the active charge, must be able to withstand the extremely high mechanical shock loads are protected. Irrespective of this, higher demands are generally placed on the mechanical resistance of the penetrator and in particular on its housing, so that it can penetrate the target material as completely as possible without premature structural failure.
  • the high compressive strength of such concrete materials can increase the risk of ricochets when hitting at an angle.
  • the pamphlet EP 2 002 197 B1 describes a missile with a missile head in which electronic equipment is installed, which is sealed against the missile head via an O-ring, with the O-ring also intended to dampen vibrations.
  • the DE 14 28 679 C1 describes a penetrator projectile comprising at least two penetrator parts arranged axially one behind the other and separated by an intermediate layer of damping material.
  • the object of the present invention is to find solutions for supersonic penetrators with improved impact damping.
  • the penetrator includes a penetrator body, a penetrator head modularly configured for releasable attachment to the penetrator body, and a planar shock absorber configured between the penetrator body and the penetrator head to absorb impact loads of the penetrator head on the penetrator body.
  • One idea on which the present invention is based is to design a penetrator, ie an effective system for a missile, a rocket and/or a projectile or the like, in a modular manner with an exchangeable head, the modular design providing a particularly convenient area of attachment for cushioning between the head and torso of the penetrator.
  • the damping is carried out over a large area in order to achieve the best possible compromise between the required installation space and the damping effect against pressure stress.
  • Impact-sensitive components of the penetrator such as electronic components, active charges or the like, can be protected by means of the damping. For example, an undesired premature detonation of an explosive charge can be avoided in this way.
  • Such sensitive elements can be accommodated, for example, in the body of the penetrator.
  • the probability of failure and/or defects when using the penetrator can be reduced.
  • the system according to the invention can also withstand the considerable shock loads of an impact at supersonic speeds.
  • the damping offers additional protection of the system against, for example, a detonation of a possible pre-shaped charge or the like.
  • the modular design of the penetrator offers the further advantage that the penetrator can be flexibly equipped with different heads, which can be designed differently depending on the specific application, for example.
  • separate active charges can be provided, which can be divided between the two modules (ie the head and the body), it being possible for the separate charges to be ignited independently of one another or under different conditions.
  • the penetrator body can be subdivided into further modules, which can also have separate active charges and/or can carry different payloads and/or further components.
  • Such multi-stage active charges can in particular be designed with delayed ignition relative to one another, for example in combination with an ignition system which determines a penetration depth and ignites certain active charges based on this.
  • the size of the individual active charges can be reduced with such divided charges.
  • the shock absorber can include a first damping disc.
  • the damping disc can, for example, have low-density materials with a low modulus of elasticity and a high yield point or be made of these, e.g. B. magnesium and / or aluminum alloys, glass fiber reinforced plastic, etc., to ensure sufficient elastic deformation and high strain rates.
  • the first damping disk can be closed and arranged axially.
  • the damping system can therefore be designed in a particularly simple manner in the form of a single disk.
  • the shock absorber can include at least one second damping disk.
  • the second damping disk may be ring-shaped and axially concentric with the first damping disk.
  • additional damping disks can also be provided, which can also be arranged in a ring shape and axially concentrically to the first and the second damping disk, for example.
  • further closed or ring-shaped damping discs are integrated into the shock absorber.
  • several closed and/or ring-shaped damping discs can be arranged axially one behind the other.
  • the shock absorber can be made from a solid material, at least in some areas.
  • the shock absorber can be made entirely from a solid material.
  • the shock absorber includes one or more damping washers made from the same or different solid materials.
  • a closed first damping disc can consist of a metal material such as a metal, a metal alloy or a combination of metal materials, for example a magnesium alloy and/or an aluminum alloy.
  • the shock absorber can have a honeycomb structure and/or a corrugated structure at least in regions.
  • complex inner geometries or inner structures of the shock absorber or its damping discs are provided.
  • the shock absorber can include one or more damping discs that are made of a honeycomb material and/or form a honeycomb structure.
  • differently shaped cavity structures can be provided, e.g. foam-like materials.
  • the shock absorber can have a light metal material, a fiber composite material and/or a plastic.
  • the shock absorber may include one or more damping washers that include and/or are made of a light metal material, such as an aluminum material.
  • plastics and/or fiber materials can be used, e.g. glass fiber and/or carbon fiber reinforced plastic.
  • the shock absorber has a multi-stage design for adjusting the damping behavior.
  • the shock absorber designed in several stages for progressive absorption of impact loads.
  • the shock absorber can comprise a plurality of damping disks which are arranged axially one behind the other and have different mechanical damping properties, for example a plurality of damping disks with an incrementally increasing or decreasing modulus of elasticity.
  • damping disks can be provided, which consist of several layers with corresponding properties.
  • radial fastening bores can be formed in the penetrator body and the penetrator head.
  • the penetrator head and the penetrator body can be designed such that they can be plugged together in order to align the fastening bores with one another.
  • a plurality of bolt bores may be formed azimuthally around the penetrator head and penetrator body.
  • the radial fastening bores can be designed as oblong holes. Elongated holes are particularly suitable as fastening bores so that a relative axial movement of the penetrator head and the penetrator body can be compensated for without damaging the structure of the penetrator.
  • figure 1 shows a schematic perspective view of a penetrator 10 obliquely from the front.
  • the penetrator 10 is designed for use at supersonic speeds, eg, Mach 2 or greater, specifically for impacting targets constructed of ultra-high performance target material, such as ultra-high performance concrete (UHPC).
  • ultra-high performance target material such as ultra-high performance concrete (UHPC).
  • UHPC ultra-high performance concrete
  • the penetrator When impacted at such a speed with such a material, in typical applications the penetrator must withstand impact loads in excess of 300,000 m/s 2 applied for sub-millisecond periods.
  • several different techniques are combined in the penetrator shown, as will be explained in detail below.
  • Previously known systems are often not able to withstand an impact at supersonic speeds, e.g. due to structural failure, destruction of the electronics, premature shock initiation of the explosive charge, etc.
  • conventional systems are often inefficient with regard to failure mechanisms, friction, etc.
  • the invention is in principle not limited to this application, but can also be used in the subsonic range.
  • the penetrator can be trained to engage targets made of materials other than UHPC.
  • the penetrator 10 the 1 comprises a penetrator head 6 and a penetrator body 7, which are of modular design and can be detachably attached to one another.
  • the penetrator head 6 thus serves to a certain extent as an attachment which can be assembled for specific applications. Dampening is provided between the penetrator head 6 and the penetrator body 7, as described with reference to FIG 6 is explained in more detail below.
  • the geometrical configuration of the penetrator 10 described as follows, together with the penetrator head 6 and the penetrator body 7, is to be understood merely as an example. In the 6 The damping shown can also be combined with differently designed penetrators 10 .
  • the penetrator head 6 is made integrally with a penetrator tip 1 and a chisel ring 2 from a tungsten-based solid carbide with a cobalt matrix. In general, however, in other versions these components can have any heavy-metal-based alloy, in particular with a ceramic component in a ductile matrix.
  • the penetrator tip 1 has an ogive nose shape and is axially positioned in front of the chisel ring 2 (cf. e.g figure 5 ).
  • the chisel collar has five chisel elements 3, which are arranged radially offset around the penetrator tip 1 at regular azimuthal distances from one another. Due to the forward positioning of the penetrator tip 1 , the individual chisel elements 3 are positioned axially set back in relation to the penetrator tip 1 .
  • Each chisel element 3 has a radially aligned radial cutter 4 and an azimuthally aligned azimuthal cutter 5 (cf. 3 ).
  • Each radial cutting edge 4 stands radially from the penetrator tip 1 away. The respective azimuthal cutting edge 5 in turn sits radially on the outside on the associated radial cutting edge 4 .
  • the radial cutters 4 are arranged axially set back from the azimuthal cutters 5 , with the chisel elements 3 specifically running from the azimuthal cutter 5 via the radial cutter 4 axially diagonally backwards at an angle of about 60° to the penetrator tip 1 .
  • Each radial cutting edge 4 is ground on two sides, while the azimuthal cutting edges 5 are ground on one side and have a cutting edge tapering axially to the rear.
  • the penetrator tip 1 and the surrounding chisel collar 2 of the penetrator 10 shown are designed and arranged geometrically in such a way that a multi-stage penetration process is created, through which a greatly increased penetrating capacity compared to conventional penetrators when used on armor made of UHPC is achieved.
  • the penetrator 10 first impacts a target object with the penetrator tip 1 positioned in front, with radially spreading damage to the target object occurring in the impact area.
  • the chisel elements 3 of the chisel collar 2 then hit the target with the azimuthal cutting edges 5 and engage in it like a claw.
  • Both the one-sided cutter shape and the arrangement of the azimuthal cutters 5 reduce the risk of ricochets at oblique impact angles. Due to the momentum present, the penetrator 10 is then driven further into the target. Here, the radial cutting edges 4 shatter the previously damaged impact point between the azimuthal cutting edges 5 and the penetrator tip 1, with reinforcement elements such as steel reinforcements or steel fibers in particular being severed or cut through by the radial cutting edges 4.
  • the double-edged design of the radial cutters 4 prevents an undesired rotation of the penetrator 10 from being generated. At the same time, debris produced between the chisel elements 3 can flow off unhindered.
  • the penetrator head 6 has a larger radial diameter than the cutter ring 2 (cf. figure 5 ), so that the debris is then pushed outwards. Once a critical depth of penetration is reached, a rear face of the armor material can be scabbed off due to massive shear failure of the armor material. The sensitivity of the armor material to shear loads was previously significantly increased due to the targeted cutting of the reinforcement structures.
  • the penetrator body 7 has a cylindrical basic shape, along which a total of four axially aligned slide rails 8 and four also axially aligned debris channels 9 are arranged alternating in azimuth.
  • the debris channels 9 are used here to convey debris that is discharged along the penetrator head 6 .
  • the debris channels 9 have been milled into the penetrator body 7 as depressions.
  • the debris channels 9 thus ensure hydrostatic pressure equalization during penetration of the penetrator 10 into the target object.
  • Both the penetrator head 6 and the penetrator body 7, in particular the penetrator tip 1 and/or the slide rails 8, can be provided with a suitable low-friction and/or wear-resistant coating in order to further improve the penetration of the penetrator 10.
  • a suitable low-friction and/or wear-resistant coating in order to further improve the penetration of the penetrator 10.
  • it is made of cold-work steel in this embodiment.
  • radial fastening bores 11 are formed in the penetrator body 7 and the penetrator head 6 .
  • the radial mounting holes 11 of the penetrator body 7 are incorporated into a mounting base 15 of the penetrator body 11, over which the penetrator body 7 can be inserted into a complementarily shaped receiving recess 16 of the penetrator head 6 .
  • the penetrator head 6 in turn has a fastening collar 17 through which its radial fastening bores 11 pass.
  • the penetrator body 7 and the penetrator head 6 can thus be plugged together in such a way that the fastening bores 11 are aligned with one another and corresponding screws, bolts or similar fastening means can then be inserted.
  • Figure 12 shows a schematic perspective view of the penetrator 1 from obliquely in front with a built-in shock absorber 12 according to an embodiment of the invention.
  • the shock absorber 12 is formed over an area between the penetrator body 7 and the penetrator head 6 in order to absorb impact loads of the penetrator head 6 on the penetrator body 7 which arise during impact with or penetration of a target object.
  • the shock absorber 12 includes a first damping disk 13, which is closed and arranged axially.
  • the shock absorber 12 includes a second damping disk 14 which is configured as an annular disk axially concentric with respect to the first damping disk 13 .
  • the first damping disk 13 rests on the mounting base 15 of the penetrator body 7 within the receiving recess 16 of the penetrator head 6 .
  • the second damping disk 14 is arranged around the mounting base 15 on the penetrator body 7 opposite the mounting collar 17 of the penetrator head 6 .
  • the geometries of the penetrator head 6 and the penetrator body 7 ensure that these bodies are guided linearly relative to one another, as a result of which, among other things, buckling or bending of the entire system can be prevented. Furthermore, a uniform loading of the damping discs 13, 14 is thereby achieved.
  • the damping discs 13, 14 can be made of a solid material such as an aluminum alloy or a fiber-reinforced plastic. In principle, however, more complex damping materials or damping systems can also be used, e.g. honeycomb structures, corrugated structures and/or the like. Furthermore, the damping discs 13, 14 can be multi-layered in order to gradually and/or progressively absorb shock loads. In principle, general complex internal geometries or internal structures of the damping discs 13, 14 are also provided in other designs.
  • the modular design of the penetrator 10 shown offers an advantageous attachment area for the shock absorber 12 between the penetrator body 7 and the penetrator head 6 due to the design to maximize compressive stress.
  • Shock-sensitive components of the penetrator 10 such as electronic components, active charges or the like, which can be accommodated in the penetrator body 7 (not shown), for example, can be protected by means of the damping.
  • the damping offers additional protection of the system against, for example, a detonation of a possible pre-shaped charge or the like. This is a significant advantage, since the shock loads that occur can fundamentally pose a technical challenge, for example for ignition electronics. For example, an undesired premature detonation of an explosive charge can be avoided in this way.
  • the probability of failure and/or defects when using the penetrator 10 can be reduced.
  • the fastening bores 11 in the embodiment shown are advantageously designed as oblong holes with a widened axial diameter along the penetrator axis, so that the fastening means have sufficient play when the penetrator 10 impacts and the penetrator head 6 springs against the penetrator body 7 as a result.
  • the penetrator shown is an efficient, highly effective and supersonic system with improved impact absorption for impacting ultra-high-strength targets, for example made of UHPC. Due to the modular design, the system is particularly flexible, quick and can be converted to suit the target.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Penetrator. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen Penetrator für einen überschallfähigen Flugkörper wie einen Lenkflugkörper, eine gelenkte oder ungelenkte Rakete, und/oder ein (ballistisches) Geschoss oder dergleichen zur Einwirkung auf Ziele aus ultrahochfestem Zielmaterial.
  • In den letzten Jahren ist die Leistungsfähigkeit von Panzerungen aus Beton, Stahlbeton, Stahlfaserbeton oder anderen bewehrten Materialien immer weiter erhöht worden. Ein derartiges Material stellt beispielsweise Ultrahochleistungsbeton (englisch: "Ultra High Performance Concrete", UHPC) dar, ein Werkstoff mit duktilem Verhalten, welcher sich durch besonders hohe Dichtigkeit, Festigkeit und Schlagzähigkeit auszeichnet. Hierbei werden Stahlfasern als hochfeste Bestandteile beigemischt, wodurch eine stark erhöhte Druckfestigkeit des Betons von bis zu 200 MPa erreicht werden kann. Beigemischte Polypropylenfasern verbessern zusätzlich den Brandwiderstand und verhindern, dass der UHPC bei einer Brandbeaufschlagung aufgrund eines sehr hohen Dampfdrucks schlagartig versagt.
  • Um Panzerungen aus derartigen Materialen wirksam zu durchbrechen, werden unter anderem Penetratoren mit sehr hohen Aufprallgeschwindigkeiten vorgeschlagen. Die hierdurch auftretenden hohen Einschlagskräfte bedingen jedoch, dass die inneren Komponenten des Penetrators einschließlich der elektronischen Elemente und insbesondere der Wirkladung gegenüber den extrem hohen mechanischen Stoßlasten geschützt werden. Davon unabhängig werden generell höhere Anforderungen an die mechanische Widerstandsfähigkeit des Penetrators und insbesondere an dessen Gehäuse gestellt, damit dieser das Zielmaterial ohne frühzeitiges Strukturversagen möglichst vollständig durchschlagen kann. Zudem kann die hohe Druckfestigkeit derartiger Betonmaterialien das Querschlägerrisiko bei schrägem Auftreffen erhöhen.
  • Die Druckschrift EP 2 002 197 B1 beschreibt eine Rakete mit einem Raketenkopf, in dem elektronisches Equipment installiert ist, welches über einen O-Ring gegenüber dem Raketenkopf abgedichtet ist, wobei der O-Ring gleichzeitig Vibrationen abdämpfen soll. Die DE 14 28 679 C1 beschreibt ein Penetratorgeschoss umfassend mindestens zwei axial hintereinander angeordneten Penetratorteilen die durch eine Zwischenschicht aus dämpfendem Material getrennt sind.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, Lösungen für überschallfähige Penetratoren mit verbesserter Einschlagsdämpfung zu finden.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Penetrator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Demgemäß ist ein Penetrator vorgesehen. Der Penetrator umfasst einen Penetratorrumpf, eine Penetratorkopf, welcher modular zur lösbaren Befestigung an dem Penetratorrumpf ausgebildet ist, und einen flächigen Stoßdämpfer, welcher zwischen dem Penetratorrumpf und dem Penetratorkopf dazu ausgebildet ist, Stoßlasten des Penetratorkopfs auf den Penetratorrumpf abzudämpfen.
  • Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, einen Penetrator, d.h. eines Wirksystems für einen Flugkörper, eine Rakete und/oder ein Geschoss oder dergleichen, modular mit einem austauschbaren Kopf auszubilden, wobei das modulare Design einen besonders geeigneten Anbringungsbereich für eine Dämpfung zwischen dem Kopf und dem Rumpf des Penetrators bietet. Die Dämpfung wird hierbei flächig ausgeführt, um einen möglichst idealen Kompromiss zwischen benötigtem Installationsraum und Dämpfungswirkung gegenüber Druckbeanspruchung zu erzielen. Mittels der Dämpfung können stoßempfindliche Komponenten des Penetrators wie beispielsweise elektronische Bauteile, Wirkladungen oder dergleichen geschützt werden. Beispielsweise kann derart eine ungewünschte verfrühte Detonation einer Sprengladung vermieden werden. Solche empfindlichen Elemente können beispielsweise in dem Rumpf des Penetrators untergebracht werden. Darüber hinaus kann die Ausfall- und/oder Defektwahrscheinlichkeit beim Einsatz des Penetrators gesenkt werden. Dies macht den Penetrator der Erfindung besonders geeignet für Anwendungen gegen ultrahochfeste Panzerungen, d.h. in Ausführungen im Überschallbereich. Aufgrund der Dämpfung ist das erfindungsgemäße System auch den erheblichen Stoßlasten eines Aufpralls bei Überschallgeschwindigkeiten gewachsen. Ferner bietet die Dämpfung einen zusätzlichen Schutz des Systems gegen beispielsweise eine Detonation einer möglichen Vorhohlladung oder dergleichen. Der modulare Aufbau des Penetrators bietet den weiteren Vorteil, dass der Penetrator flexibel mit unterschiedlichen Köpfen ausgestattet werden kann, die beispielsweise je nach konkretem Anwendungsfall unterschiedlich ausgeführt sein können. Weiterhin können separierte Wirkladungen vorgesehen sein, die auf die beiden Module (d.h. den Kopf und den Rumpf) aufgeteilt sein können, wobei die getrennten Ladungen unabhängig voneinander bzw. unter unterschiedlichen Bedingungen zündbar sein können. Prinzipiell kann der Penetratorrumpf in weitere Module unterteilt sein, die ebenfalls separierte Wirkladungen aufweisen können und/oder unterschiedliche Nutzlasten und/oder weitere Komponenten mitführen können. Derartige mehrstufige Wirkladungen können insbesondere verzögerter Zündung zueinander ausgebildet sein, z.B. in Kombination mit einem Zündungssystem, welches eine Eindringtiefe feststellt und darauf aufbauend bestimmte Wirkladungen zündet. Mit derartigen aufgeteilten Ladungen kann insbesondere die Größe der einzelnen Wirkladungen reduziert werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann der Stoßdämpfer eine erste Dämpfungsscheibe umfassen. Die Dämpfungsscheibe kann beispielsweise Materialien geringer Dichte mit niedrigem Elastizitätsmodul und hoher Fließgrenze aufweisen oder aus diesen gefertigt sein, z. B. Magnesium- und/oder Aluminiumlegierungen, glasfaserverstärkten Kunststoff etc., um eine ausreichende elastische Verformung und hohe Dehnungsraten zu gewährleisten.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann die erste Dämpfungsscheibe geschlossen ausgebildet und axial angeordnet sein. In dieser Weiterbildung kann das Dämpfungssystem somit besonders einfach in Form einer einzelnen Scheibe ausgebildet sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann der Stoßdämpfer zumindest eine zweite Dämpfungsscheibe umfassen. Die zweite Dämpfungsscheibe kann ringförmig und axial konzentrisch zu der ersten Dämpfungsscheibe ausgebildet sein. Prinzipiell können zusätzlich weitere Dämpfungsscheiben vorgesehen sein, die beispielsweise ebenfalls ringförmig und axial konzentrisch zu der ersten und der zweiten Dämpfungsscheibe angeordnet sein können. Prinzipiell ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass weitere geschlossene oder ringförmige Dämpfungsscheiben in den Stoßdämpfer integriert sind. In einem konkreten Beispiel können mehrere geschlossene und/oder ringförmige Dämpfungsscheiben axial hintereinander angeordnet sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann der Stoßdämpfer zumindest bereichsweise aus einem Vollmaterial gefertigt sein. Insbesondere kann der Stoßdämpfer vollständig aus einem Vollmaterial gefertigt sein. In einem konkreten Beispiel umfasst der Stoßdämpfer eine oder mehrere Dämpfungsscheiben, die aus dem gleichen oder unterschiedlichen Vollmaterialien gefertigt sind. Beispielsweise kann eine geschlossene erste Dämpfungsscheibe aus einem Metallmaterial wie einem Metall, einer Metalllegierung oder einer metallischen Materialkombination bestehen, z.B. einer Magnesiumlegierung und/oder einer Aluminiumlegierung.
  • Gemäß einer Weiterbildung kann der Stoßdämpfer zumindest bereichsweise eine Wabenstruktur und/oder Wellenstruktur aufweisen. Prinzipiell sind komplexe Innengeometrien bzw. Innentstrukturen des Stoßdämpfers bzw. von dessen Dämpfungsscheiben vorgesehen. Beispielsweise kann der Stoßdämpfer einer oder mehrere Dämpfungsscheiben umfassen, die aus einem wabenartigen Material gefertigt sind und/oder eine Wabenstruktur bilden. Alternativ oder zusätzlich können anders geformte Hohlraumstrukturen vorgesehen sein, z.B. schaumstoffartige Materialien. Gemäß einer Weiterbildung kann der Stoßdämpfer ein Leichtmetallmaterial, ein Faserverbundmaterial und/oder einen Kunststoff aufweisen. Beispielsweise kann der Stoßdämpfer eine oder mehrere Dämpfungsscheiben umfassen, die ein Leichtmetallmaterial aufweisen und/oder aus diesem gefertigt sind, z.B. ein Aluminiummaterial. Alternativ oder zusätzlich können Kunststoffe und/oder Fasermaterialien zum Einsatz kommen, z.B. glasfaser- und/oder kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff.
  • Erfindngsgemäß ist der Stoßdämpfer mehrstufig zur Einstellung des Dämpfungsverhaltens ausgebildet. Insbesondere ist der Stoßdämpfer mehrstufig für eine progressive Aufnahme von Stoßlasten ausgebildet. Beispielsweise kann der Stoßdämpfer mehrere axial hintereinander angeordnete Dämpfungsscheiben umfassen, die unterschiedliche mechanische Dämpfungseigenschaften aufweisen, z.B. mehrere Dämpfungsscheiben mit sich inkrementell steigerndem bzw. abfallendem Elastizitätsmodul. Alternativ oder zusätzlich können Dämpfungsscheiben vorgesehen sein, die aus mehreren Schichten mit entsprechenden Eigenschaften bestehen.
  • Gemäß einer Weiterbildung können radiale Befestigungsbohrungen in dem Penetratorrumpf und dem Penetratorkopf ausgebildet sein. Der Penetratorkopf und der Penetratorrumpf können zusammensteckbar ausgebildet sein, um die Befestigungsbohrungen zueinander auszurichten. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Schraubenbohrungen azimutal um den Penetratorkopf und den Penetratorrumpf herum ausgebildet sein.
  • Gemäß einer Weiterbildung können die radialen Befestigungsbohrungen als Langlöcher ausgebildet sein. Langlöcher sind besonders geeignet als Befestigungsbohrungen, damit eine relative axiale Bewegung des Penetratorkopfes und des Penetratorrumpfes kompensiert werden kann, ohne dass es zu Beschädigungen an der Struktur des Penetrators kommt.
  • Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
    • Fig. 1
    schematische perspektivische Ansicht eines Penetrators von schräg vorne;
    Fig. 2
    schematische perspektivische Detailansicht eines Penetratorkopfes des Penetrators aus Fig.1;
    Fig. 3
    schematische perspektivische Seitenansicht des Penetratorkopfes aus Fig. 2;
    Fig. 4
    schematische perspektivische Ansicht des Penetratorkopfes aus Fig. 2 von schräg hinten;
    Fig. 5
    schematische perspektivische Seitenansicht des Penetrators aus Fig. 1; und
    Fig. 6
    schematische perspektivische Ansicht des Penetrators aus Fig. 1 von schräg vorne mit einem eingebauten Stoßdämpfer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Die beiliegenden Figuren sollen ein weiteres Verständnis der Ausführungsformen der Erfindung vermitteln. Sie veranschaulichen Ausführungsformen und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung der Erklärung von Prinzipien und Konzepten der Erfindung. Andere Ausführungsformen und viele der genannten Vorteile ergeben sich im Hinblick auf die Zeichnungen. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt.
  • In den Figuren der Zeichnung sind gleiche, funktionsgleiche und gleich wirkende Elemente, Merkmale und Komponenten - sofern nichts anderes ausgeführt ist - jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Penetrators 10 von schräg vorne.
  • Der Penetrator 10 ist für den Einsatz mit Überschallgeschwindigkeiten, z.B. Mach 2 oder mehr, speziell zur Einwirkung auf Ziele aus ultrahochfestem Zielmaterial wie beispielsweise Ultrahochleistungsbeton (UHPC) ausgebildet. Bei einem Aufprall mit einer derartigen Geschwindigkeit auf ein solches Material muss der Penetrator in typischen Anwendungen Stoßlasten von mehr als 300,000 m/s2 standhalten, die in Zeiträumen unter einer Millisekunde wirken. Um diesen extremen Einsatzbedingungen gerecht zu werden und um derartige hochfeste Ziele durchschlagen zu können, werden in dem gezeigten Penetrator mehrere unterschiedliche Techniken miteinander verknüpft, wie im Folgenden detailliert erläutert wird. Bisherige, bekannte Systeme sind dem entgegen häufig nicht in der Lage einen Einschlag mit Überschallgeschwindigkeit zu überstehen, z.B. aufgrund von strukturellem Versagen, Zerstörung der Elektronik, verfrühter Schockinitiierung der Sprengladung usw. Zudem sind herkömmliche System vielfach ineffizient bezüglich Versagensmechanismen, Reibung etc.
  • Auch wenn sich im Folgenden mit der Anwendung im Überschallbereich beschäftigt wird, ist die Erfindung grundsätzlich nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, sondern kann ebenso im Unterschallbereich genutzt werden. Weiterhin kann der Penetrator zur Bekämpfung von Zielen aus anderen Materialien als UHPC ausgebildet werden.
  • Der Penetrator 10 der Fig. 1 umfasst einen Penetratorkopf 6 und einen Penetratorrumpf 7, welche modular ausgebildet sind und aneinander lösbar befestigt werden können. Der Penetratorkopf 6 dient somit gewissermaßen als Aufsatz, welcher für bestimmte Anwendungsfälle konfektioniert werden kann. Zwischen dem Penetratorkopf 6 und dem Penetratorrumpf 7 ist eine Dämpfung vorgesehen, wie sie mit Bezug auf Fig. 6 weiter unten näher erläutert wird. Die wie folgt geschilderte geometrische Ausgestaltung des Penetrators 10 samt des Penetratorkopfes 6 und des Penetratorrumpfes 7 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Die in Fig. 6 gezeigt Dämpfung kann ebenso mit anders ausgestalteten Penetratorn 10 kombiniert werden.
  • Detailansichten des Penetratorkopfes 6 sind in Fig. 2 bis 5 dargestellt, insbesondere in Fig. 2. Der Penetratorkopf 6 ist integral mit einer Penetratorspitze 1 und einem Meißelkranz 2 aus einem wolframbasierten Vollhartmetall mit Cobaltmatrix gefertigt. Allgemein können diese Komponenten in anderen Ausführungen jedoch eine beliebige schwermetallbasierte Legierung, insbesondere mit einem keramischen Anteil in einer duktilen Matrix, aufweisen. Die Penetratorspitze 1 weist eine spitzbogenförmige (ogive) Nasenform auf und ist gegenüber dem Meißelkranz 2 axial vorgelagert (vgl. z.B. Fig. 5). Der Meißelkranz weist fünf Meißelelemente 3 auf, die radial versetzt um die Penetratorspitze 1 herum mit regelmäßigen azimutalen Abständen zueinander angeordnet sind. Aufgrund der Vorlagerung der Penetratorspitze 1 sind die einzelnen Meißelelemente 3 axial zurückgelagert gegenüber der Penetratorspitze 1 positioniert. Jedes Meißelelement 3 weist eine radial ausgerichtete Radialschneide 4 und eine azimutal ausgerichtete Azimutalschneide 5 auf (vgl. Fig. 3). Hierbei steht jede Radialschneide 4 radial von der Penetratorspitze 1 ab. Die jeweilige Azimutalschneide 5 sitzt wiederum radial außen auf der zugehörigen Radialschneide 4 auf. Hierbei sind die Radialschneiden 4 axial zurückgelagert gegenüber den Azimutalschneiden 5 angeordnet, wobei die Meißelelemente 3 konkret von der Azimutalschneide 5 über die Radialschneide 4 axial schräg nach hinten unter einem Winkel von etwa 60° auf die Penetratorspitze 1 zulaufen. Jede Radialschneide 4 ist hierbei zweiseitig geschliffen ausgebildet, während die Azimutalschneiden 5 einseitig geschliffen mit einer axial nach hinten zulaufenden Schneide ausgebildet sind.
  • Die Penetratorspitze 1 und der umliegende Meißelkranz 2 des gezeigten Penetrators 10 sind derart geometrisch gestaltet und angeordnet, dass ein mehrstufiger Penetrationsprozess entsteht, durch den ein stark erhöhtes Durchschlagsvermögen gegenüber herkömmlichen Penetratorn bei Anwendung auf Panzerungen aus UHPC erreicht wird. Der Penetrator 10 prallt zunächst mit der vorgelagerten Penetratorspitze 1 auf ein Zielobjekt auf, wobei eine sich radial ausbreitende Vorschädigung des Zielobjektes im Aufprallbereich entsteht. Anschließend treffen die Meißelelemente 3 des Meißelkranzes 2 mit den Azimutalschneiden 5 auf das Ziel auf und greifen in dieses klauenartig ein. Sowohl die einseitige Schneidenform als auch die Anordnung der Azimutalschneiden 5 verringern hierbei das Risiko von Querschlägern unter schrägen Einschlagswinkeln. Aufgrund des vorhandenen Impulses wird der Penetrator 10 anschließend weiter in das Ziel hineingetrieben. Hierbei zertrümmern die Radialschneiden 4 die vorgeschädigte Aufprallstelle zwischen den Azimutalschneiden 5 und der Penetratorspitze 1, wobei insbesondere Verstärkungselemente wie beispielsweise Stahlbewehrungen oder Stahlfasern von den Radialschneiden 4 durchtrennt bzw. durchschnitten werden. Die zweischneidige Ausführung der Radialschneiden 4 verhindert hierbei, dass eine ungewünschte Rotation des Penetrators 10 generiert wird. Gleichzeitig können entstehende Trümmer zwischen den Meißelelementen 3 ungehindert abfließen. Der Penetratorkopf 6 weist einen größeren radialen Durchmesser als der Meißelkranz 2 auf (vgl. Fig. 5), sodass das Trümmermaterial im Anschluss nach Außen verdrängt wird. Sobald eine kritische Eindringtiefe erreicht ist, kann eine Rückseite des Panzermaterials aufgrund eines massiven Scherversagens des Panzermaterials abgestoßen werden (englisch: "Scabbing"). Die Empfindlichkeit des Panzermaterials gegenüber Scherlasten wurde zuvor aufgrund des gezielten Zertrennens der Verstärkungsstrukturen erheblich vergrößert.
  • Der Penetratorrumpf 7 weist eine zylindrische Grundform auf, entlang derer insgesamt vier axial ausgerichtete Gleitschienen 8 und vier ebenfalls axial ausgerichtete Trümmerkanäle 9 azimutal alternierend angeordnet sind. Die Trümmerkanäle 9 dienen hierbei der Weiterleitung von Trümmermaterial, welches entlang des Penetratorkopfes 6 abgeführt wird. Hierzu sind die Trümmerkanäle 9 als Vertiefungen in den Penetratorrumpf 7 eingefräst worden. Die Trümmerkanäle 9 sorgen somit für einen hydrostatischen Druckausgleich während des Eindringens des Penetrators 10 in das Zielobjekt. Die Gleitschienen 8 hingegen versteifen den Penetrator 10 gegenüber Biegungen und führen diesen gleichzeitig weiter in das Zielobjekt hinein. Sowohl der Penetratorkopf 6 als auch der Penetratorrumpf 7, insbesondere die Penetratorspitze 1 und/oder die Gleitschienen 8, können mit einer geeigneten reibungsarmen und/oder verschleißfesten Beschichtung versehen sein, um das Eindringen des Penetrators 10 weiter zu verbessern. Um den Penetratorrumpf 7 mit einer ausreichenden Festigkeit und Steifigkeit zu versehen, ist dieser in dieser Ausführung aus einem Kaltarbeitsstahl gefertigt.
  • Aus Fig. 4 und 5 kann entnommen werden, dass in dem Penetratorrumpf 7 und dem Penetratorkopf 6 radiale Befestigungsbohrungen 11 ausgebildet sind. Hierbei sind die radialen Befestigungsbohrungen 11 des Penetratorrumpfes 7 in einen Befestigungssockel 15 des Penetratorrumpfes 11 eingearbeitet, über den der Penetratorrumpf 7 in eine komplementär geformte Aufnahmevertiefung 16 des Penetratorkopfes 6 einsteckbar ist. Der Penetratorkopf 6 weist wiederum einen Befestigungskragen 17 auf, durch den dessen radiale Befestigungsbohrungen 11 hindurchführen. Zur Montage können der Penetratorrumpf 7 und der Penetratorkopf 6 somit derart zusammengesteckt werden, dass die Befestigungsbohrungen 11 zueinander ausgerichtet werden und anschließend entsprechende Schrauben, Bolzen oder ähnliche Befestigungsmittel eingeführt werden können.
  • Fig. 6 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des Penetrators aus Fig. 1 von schräg vorne mit einem eingebauten Stoßdämpfer 12 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Der Stoßdämpfer 12 ist flächig zwischen dem Penetratorrumpf 7 und dem Penetratorkopf 6 dazu ausgebildet, Stoßlasten des Penetratorkopfs 6 auf den Penetratorrumpf 7 zu dämpfen, die während des Aufpralls auf bzw. des Eindringens in ein Zielobjekt entstehen. Hierzu umfasst der Stoßdämpfer 12 eine erste Dämpfungsscheibe 13, die geschlossen ausgebildet und axial angeordnet ist. Ferner umfasst der Stoßdämpfer 12 eine zweite Dämpfungsscheibe 14, die als Ringscheibe axial konzentrisch bezüglich der ersten Dämpfungsscheibe 13 ausgebildet ist. Die erste Dämpfungsscheibe 13 liegt hierbei auf dem Befestigungssockel 15 des Penetratorrumpfes 7 innerhalb der Aufnahmevertiefung 16 des Penetratorkopfes 6 auf. Die zweite Dämpfungsscheibe 14 ist um den Befestigungssockel 15 herum auf dem Penetratorrumpf 7 gegenüber von dem Befestigungskragen 17des Penetratorkopfes 6 angeordnet. Die Geometrien des Penetratorkopfes 6 sowie des Penetratorrumpfes 7 gewährleisten hierbei eine lineare Führung dieser Körper zueinander, wodurch unter anderem ein Einknicken bzw. Umbiegen des Gesamtsystems unterbunden werden kann. Ferner wird hierdurch eine gleichmäßige Belastung der Dämpfungsscheiben 13, 14 erreicht.
  • Die Dämpfungsscheiben 13, 14 können aus einem Vollmaterial wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung oder einem faserverstärktem Kunststoff gefertigt sein. Grundsätzlich können jedoch ebenso komplexere Dämpfungsmaterialien bzw. Dämpfungssysteme zur Anwendung kommen, z.B. Wabenstrukturen, Wellenstrukturen und/oder dergleichen. Weiterhin können die Dämpfungsscheiben 13, 14 mehrschichtig ausgebildet sein, um Stoßlasten schrittweise und/oder progressiv aufzufangen. Prinzipiell sind in anderen Ausführungen auch allgemeine komplexe Innengeometrien bzw. Innentstrukturen der Dämpfungsscheiben 13, 14 vorgesehen.
  • Die gezeigte modulare Ausbildung des Penetrators 10 bietet konstruktionsbedingt zwischen dem Penetratorrumpf 7 und dem Penetratorkopf 6 einen vorteilhaften Anbringungsbereich für den Stoßdämpfer 12. Der Stoßdämpfer 12 ist flächig ausgeführt, um den benötigten Installationsraum einerseits so gering wie möglich zu halten und um die Dämpfungswirkung andererseits gegenüber einer Druckbeanspruchung zu maximieren. Mittels der Dämpfung können stoßempfindliche Komponenten des Penetrators 10 wie beispielsweise elektronische Bauteile, Wirkladungen oder dergleichen geschützt werden, die z.B. in dem Penetratorrumpf 7 untergebracht sein können (nicht eingezeichnet). Die Dämpfung bietet insbesondere einen zusätzlichen Schutz des Systems gegen beispielsweise eine Detonation einer möglichen Vorhohlladung oder dergleichen. Dies ist ein erheblicher Vorteil, da die auftretenden Schocklasten grundsätzlich eine technische Herausforderung beispielsweise für einen Zündelektronik darstellen können. Beispielsweise kann derart eine ungewünschte verfrühte Detonation einer Sprengladung vermieden werden. Darüber hinaus kann die Ausfall- und/oder Defektwahrscheinlichkeit beim Einsatz des Penetrators 10 gesenkt werden. Dies macht den Penetrator 10 besonders geeignet für die angesprochenen Anwendungen gegen UHPC-Panzerungen. Aufgrund der modularen Aufteilung des Penetrators 10 ist es weiterhin möglich eine Wirkladung auf die beiden Module des Penetrators 10 aufzuteilen, welcher insbesondere unabhängig voneinander oder zeitlich versetzt zueinander zündbar sein können, um die Wirksamkeit des Penetrators 10 weiter zu verbessern. Vorteilhafterweise sind die Befestigungsbohrungen 11 in der gezeigten Ausführung als Langlöcher mit einem verbreiterten axialen Durchmesser entlang der Penetratorachse ausgebildet, sodass die Befestigungsmittel ausreichend Spiel bei einem Aufschlag des Penetrators 10 und einem daraus resultierenden Einfedern des Penetratorkopfes 6 auf den Penetratorrumpf 7 aufweisen.
  • Zusammenfassend wird mit dem gezeigten Penetrator ein effizientes, hochwirksames und überschallfähiges System mit verbesserter Einschlagsdämpfung für die Einwirkung auf ultra-hochfeste Ziele beispielsweise aus UHPC bereitgestellt. Aufgrund der modularen Gestaltung ist das System besonders flexibel, schnell und zielangepasst umrüstbar.
  • In der vorangegangenen detaillierten Beschreibung sind verschiedene Merkmale zur Verbesserung der Stringenz der Darstellung in einem oder mehreren Beispielen zusammengefasst worden. Es sollte dabei jedoch klar sein, dass die obige Beschreibung lediglich illustrativer, keinesfalls jedoch beschränkender Natur ist. Sie dient der Abdeckung aller Alternativen, Modifikationen und Äquivalente der verschiedenen Merkmale und Ausführungsbeispiele. Viele andere Beispiele werden dem Fachmann aufgrund seiner fachlichen Kenntnisse in Anbetracht der obigen Beschreibung sofort und unmittelbar klar sein.
  • Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um die der Erfindung zugrundeliegenden Prinzipien und ihre Anwendungsmöglichkeiten in der Praxis bestmöglich darstellen zu können. Dadurch können Fachleute die Erfindung und ihre verschiedenen Ausführungsbeispiele in Bezug auf den beabsichtigten Einsatzzweck optimal modifizieren und nutzen. In den Ansprüchen sowie der Beschreibung werden die Begriffe "beinhaltend" und "aufweisend" als neutralsprachliche Begrifflichkeiten für die entsprechenden Begriffe "umfassend" verwendet. Weiterhin soll eine Verwendung der Begriffe "ein", "einer" und "eine" eine Mehrzahl derartig beschriebener Merkmale und Komponenten nicht grundsätzlich ausschließen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Penetratorspitze
    2
    Meißelkranz
    3
    Meißelelement
    4
    Radialschneide
    5
    Azimutalschneide
    6
    Penetratorkopf
    7
    Penetratorrumpf
    8
    Gleitschiene
    9
    Trümmerkanal
    10
    Penetrator
    11
    radiale Befestigungsbohrung
    12
    Stoßdämpfer
    13
    erste Dämpfungsscheibe
    14
    zweite Dämpfungsscheibe
    D1
    Durchmesser Meißelkranz
    D2
    Durchmesser Penetratorkopf
    D3
    Durchmesser Penetratorspitze

Claims (9)

  1. Penetrator (10), mit:
    einem Penetratorrumpf (7);
    einem Penetratorkopf (6), welcher modular zur lösbaren Befestigung an dem Penetratorrumpf (7) ausgebildet ist; und
    einem flächigen Stoßdämpfer (12), welcher zwischen dem Penetratorrumpf (7) und dem Penetratorkopf (6) dazu ausgebildet ist, Stoßlasten des Penetratorkopfs (6) auf den Penetratorrumpf (7) abzudämpfen;
    wobei der Stoßdämpfer (12) mehrstufig für eine progressive Aufnahme von Stoßlasten zur Einstellung des Dämpfungsverhaltens ausgebildet ist.
  2. Penetrator (10) nach Anspruch 1, wobei der Stoßdämpfer (12) eine erste Dämpfungsscheibe (13) umfasst.
  3. Penetrator (10) nach Anspruch 2, wobei die erste Dämpfungsscheibe (13) geschlossen ausgebildet und axial angeordnet ist.
  4. Penetrator (10) nach Anspruch 3, wobei der Stoßdämpfer (12) zumindest eine zweite Dämpfungsscheibe (14) umfasst, welche ringförmig und axial konzentrisch zu der ersten Dämpfungsscheibe (13) ausgebildet ist.
  5. Penetrator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Stoßdämpfer (12) zumindest bereichsweise aus einem Vollmaterial gefertigt ist.
  6. Penetrator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Stoßdämpfer (12) zumindest bereichsweise eine Wabenstruktur und/oder Wellenstruktur aufweist.
  7. Penetrator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Stoßdämpfer (12) zumindest eines von einem Leichtmetallmaterial, einem Faserverbundmaterial und/oder einem Kunststoff aufweist.
  8. Penetrator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei radiale Befestigungsbohrungen (11) in dem Penetratorrumpf (7) und dem Penetratorkopf (6) ausgebildet sind, wobei der Penetratorkopf (6) und der Penetratorrumpf (7) zusammensteckbar sind, um die Befestigungsbohrungen (11) zueinander auszurichten.
  9. Penetrator (10) nach Anspruch 8, wobei die radialen Befestigungsbohrungen (11) als Langlöcher ausgebildet sind.
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