SE2100145A1 - Temperaturutjämningssystem för eldrör - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser ett eldrör (10) för utskjutningsanordning (1), där eldröret (10) är anordnat med ett lopp (20) för utskjutning av projektiler (100) med en drivladdning (110) där eldröret (10) är anordnat med minst en kavitet (12, 14, 16) där ett ämne för magasinering av termisk energi är anordnat i kavitet (12, 14, 16). Uppfinningen utgörs vidare av en utskjutningsanordning samt en metod för att magasinera termisk energi i ett eldrör.

Description

Inkom till Patent- och registreringsverket 2021 -10-TEMPERATURUTJÄMNINGSSYSTEM FÖR ELDRÖR TEKNISKT OMRÅDE Föreliggande uppfinning avser ett eldrör för utskjutningsanordníng, där eldröret är anordnat med ett lopp för utskjutning av projektiler med en drivladdning. Uppfinningen utgörs vidare av en utskj utningsanordning samt en metod för att magasinera termisk energi i ett eldrör.

UPPFINNINGENS BAKGRUND, PROBLEMOMRÅDE OCH KÄND TEKNIK Konventionella eldrörsbaserade vapensystem är anordnade med minst ett eldrör ut vilken en projektil drivs, skjuts, av en drivladdning. Eldrör kan vara slätborrade eller försedda med räffling vilket medför att projektilen roteras under utskjutningsförloppet. Eldrör är företrädesvis tillverkade av metall, men kan även tillverkas av en keram, och är utformade med ett cirkelsymmetriskt tvärsnitt som bearbetats i eldröret. Under utskjutningsförloppet alstras värme då projektilens rörelse i eldröret orsakas av ett gastryck som alstras av att krut, drivämne, som förbränns. Företrädesvis förbränns krutet så att det på proj ektilen alstrade trycket är konstant under projektilens rörelse i eldröret. Förbränningen av drivämnet samt projektilens friktion gentemot eldrörsväggen medför att eldröret värms upp. Om ytterligare projektiler avlossas innan eldröret kylts ned till ursprunglig temperatur så kommer ytterligare värrneenergi tillföras till eldröret varför avkylning av eldröret blir än mer betydelsefullt för eldrör avsedda för att avlossa flera proj ektiler inom ett kort tidsintervall.

Problem relaterade till uppvärmning av eldrör innefattar exempelvis oavsiktlig antändning av drivämne avsett för efterföljande projektiler, även benämnt "cook off" eller "cooking off". Vidare kan olika temperaturer på eldröret påverka förbränningen av drivämnet vilket kan orsaka förändrad hastighet på projektilen vid utskjutning, även benämnt V0, varför reglering och kontroll av temperaturer på eldröret förbättrar utskjutningssystemets prestanda.

Olika former av kylmetoder innefattande kylflänsar och/eller cirkulerande kylvätska är välkänt inom teknikområdet. Olika system för att magasinera, lagra, termisk energi i eller nära eldröret på annat sätt än i eldrörets gods är inte känt.

Lösning på ovanstående problem och ytterligare problem med lösning beskrivs nedan.

UPPFINNINGEN OCH DESS SYFTE Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att lösa ovan identifierade problem.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är ett eldrör för utskj utningsanordning, där eldröret är anordnat med ett lopp för utskjutning av projektiler med en drivladdning kännetecknad av att eldröret är anordnat med minst en kavitet, utöver eldrörets lopp, där ett ämne för magasinering av termisk energi är anordnat i kavitet.

Enligt ytterligare aspekter för ett eldrör enligt uppfinningen gäller; a tt ämne för magasinering av termisk energi är ett salt. a tt saltet är en överkritisk saltlösning i form av ett hydrat. a t t den överkritiska saltlösningen innefattar magnesiumnitrat. a tt eldröret är trekantigt utformad med ett lopp centrerad i eldröret och innefattar tre kaviteter anordnade fördelade runt loppet.

Vidare så har man enligt föreliggande uppfinning åstadkommit en förbättrad utskjutningsanordning anordnad med eldrör.

Vidare så har man enligt föreliggande uppfinning åstadkommit en förbättrad metod för att magasinera temiisk energi i ett eldrör kännetecknad av att eldröret är anordnad med minst ett lopp samt minst en kavitet innefattande ett terrniskt magasinerande ämne där termisk energi genererad vid utskjutning av en projektil i eldrör värmer upp eldröret och åtminstone delar av den terrniska energin magasineras i det temiiskt magasinerande ämnet.

Enligt ytterligare aspekter för en förbättrad metod enligt uppfinningen gäller; a tt eldröret kan värmas genom att det terrniskt magasinerande ämnet kan fås att fasomvandlas från flytande till fast form och därmed generera värme.

FIGURFÖRTECKN ING Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till de bifogade figurema där: Fig. 1 visar ett eldrör i en vy från kortsidan enligt en utföringsform av uppfinningen.

Fig. 2 visar ett eldrör i en vy från eldrörets utbredning i längdled enligt en utföringsform av uppfinningen.

DETALJERAD UTFÖRANDEBESKRIVNING Föreliggande uppfinning visar på en ny och altemativ utformning av eldrör avsett för eldrörsbaserade utskj utningsanordningar. En utskj utningsanordning, även benämnd kanon, haubits, eller pjäs, så som artilleripjäs, är ämnad att medelst ett drivämne avlossa en projektil. Företrädesvis initieras ett drivämne, så som krut, i en del av kanonen, ofta en kammare speciellt anpassad för detta. Initiering sker genom antändning av drivämnet, exempelvis med en tändpatron eller en tändare i en ammunitionsenhet, som initieras genom anslag. Andra metoder för att antända drivämnet kan vara genom att laser- eller elektrisk energi antänder drivämnet. Drivämnet brinner med hög hastighet och stor gasutveckling vilket skapar ett gastryck i kammaren som driver projektilen ut ur eldröret på utskjutningsanordningen. Drivämnet är anpassat för att i så stor utsträckning som möjlig generera ett konstant tryck på projektilen under hela eldrörsförloppet, då projektilen rör sig i eldröret, vilket skapar en hög hastighet på projektilen då projektilen lämnar eldrörsmynningen. Under utskjutningsförloppet kommer termisk energi från förbränningen värma eldröret, vidare kommer friktion mellan projektilen och eldröret medföra uppvärmning av eldröret.

Projektiler, så som olika typer av granater, innefattar i de flesta fall någon form av verkansdel samt någon fomi av tändrör som initierar verkansdelen. Tändrör kan vara av olika typer där anslag är vanligt förekommande för projektiler som avser brisera vid kontakt med ett objekt, tidrör då projektilen avser brisera vid en viss förutbestämd tid samt zonrör då projektilen avser brisera då ett objekt kommer inom ett visst avstånd från projektilen. Zonrör nyttjas företrädesvis vid bekämpning av flygfarkoster medan tidrör och anslag kan nyttjas vid bekämpning av ett stort antal olika objekt. Med fördel kombineras olika typer av tändrörsfiinktion i samma tändrör, så att om ett tändrör med zonrörsfunktion inte detekterar något objekt så briserar projektilen efter en viss tid etc.

Verkansdelen innefattar företrädesvis någon form av explosivämne samt någon form av splitterverkade hölje som omsluter explosivämnet. Vidare kan olika former av styrmedel, så som fenor anordnas endera i tändröret eller i en egen delkomponent.

För att stabilisera projektilema efter att projektilerna lämnat eldröret så anordnas företrädesvis projektilema med rotation altemativt med fenor. I fallet att projektilema anordnats med rotation sägs projektilema vara rotationsstabiliserade och i fallet att projektilema anordnats med fenor sägs projektilema vara fenstabiliserade. Fenstabiliserade projektiler bör ej ha rotation eller låg rotation då de lämnar eldröret.

För att uppnå rotation på projektilema anordnas ofta räfflor i eldröret till vilka projektilen kopplar under utskj utningsförloppet. Räffling innebär att loppet i ett eldvapen, eldröret, försetts med spiralforrnade spår. Motsatsen är slätborrat eldrör. När räffloma griper in i projektilen under avfymingen får den en rotation längs sin längdaxel. Genom rotationen kommer mindre ojämnheter eller skador på projektilen inte orsaka en avdrift i projektilens bana. Rotation är också nödvändigt för att en avlång (torpedformad) projektil ska behålla sin riktning efter att den lämnat loppet och inte börja tumla runt, detta benämns att projektilen är rotationsstabiliserad. I slätborrade vapen kan bara runda (sfäriska) projektiler eller fenstabiliserade projektiler avfyras. En avlång projektil utan fenor kommer tumla när den lämnar mynningen.

Räfflor är således spår anordnade i loppet på eldröret, och upphöjningen mellan kallas bommar. Vanligtvis består räfflingen hos finkalibriga eldhandvapen av fyra högervridna räfflor medan kanoner, så som artilleripjäser, har ett större antal räfflor beroende på utskjutningsanordningens kaliber. För att räfflingen ska kunna gripa in i projektilen måste projektilen antingen vara något större än diametem mellan bommama, vilket är vanligt förekommande för finkalibervapen, eller vara försedd med en speciell fläns, benämnd gördel, som har en något större diameter än bommarna, vilket är vanligt förekommande i projektiler med en diameter på större än 20 mm. Gördeln kan vara tillverkad av plast, kompositmaterial eller en mjuk metall, så som mässing.

De flesta eldrör innefattar räffling och genom att anordna projektiler med slirande gördlar kan såväl rotationsstabiliserade som fenstabiliserade projektiler skjutas med räfflade eldrör. Slätborrade eldrör nyttjas i princip enbart för vapensystem ämnade att bekämpa bepansrade stridsfordon då proj ektilens rotation medför att riktad sprängverkan, RSV, fungerar sämre efiersom centrifugalkraften gör att strålen sprids ut.

Då projektilen kopplar till eldröret uppkommer friktion som medför att eldröret värms upp. Därtill kommer krutets förbränning medföra att eldröret värms upp. Uppvärmning av eldröret medför ett antal olika problem, exempelvis kan eldrörets livslängd påverkas, vidare kan eldrörets storlek förändras samt vidare kan eldrörets värme oavsiktligt initiera drivämnet och därmed avfyra en projektil vilket kan medföra risker för egen trupp eller egen utrustning altemativt minska möjligheten att bekämpa fienden och därmed potentiellt äventyra sin egen säkerhet. Oavsiktlig initiering benämns "cooking off".

För att förhindra uppvärmning kan olika former av kylning användas, exempelvis olika former av kylmedia som pumpas eller cirkuleras i kanaler anordnade på eller i eldröret. Vidare kan eldröret anordnas med kylflänsar för att avlägsna värme från eldröret. Eldrör är även företrädesvis tillverkade med viss godstjocklek för att kunna hantera uppvärmningseffekter under nyttjandet av eldröret.

Genom att anordna eldröret med lämpligt ämne, exempelvis ett salt, löst för att bereda en övermättad lösning kan en effektiv temperaturreglering åstadkommas.

En övermättade lösning är en lösning som innehåller mer av ett löst ämne än vad lösningen egentligen, enligt konventionell kemi, borde kunna innehålla. Detta kan ske när ett lösligt ämne hälls i ett varmt lösningsmedel och när sedan lösningen svalnat inte klarar av att kristalliseras ut. Denna princip är exempelvis känd från konventionella handvärmare som ofta innehåller en lösning bestående av natriumacetat och vatten. När handvärmare, ofta i formen av en av lösningen fylld påse av plast, värms löses natriumacetatet i vattnet och en mättad lösning bildas. Saltet tar under uppvärrnningsprocessen upp termisk energi. När sedan påsen kyls ner kan inte saltet återta sin struktur eftersom det inte finns något att bygga kristaller på. Den övergår i en överrnättad och underkyld smälta, som är mycket instabil.

För att överskottssaltet skall fällas ut och frige den lagrade energin som värme krävs endast en mycket liten stöming. För att initiera en handvärmare kan därför användaren knäppa på en metallplatta, företrädesvis en platta av jämhaltigt stål med mikroskopiska skåror där molekyler av natriumacetat i fast fomi förekommer. Metallplattan anordnas inuti anordningen, påsen, för att starta reaktionen. När metallplattan böjs fram och tillbaka, friges kristaller från mikroskopiska sprickor i metallen. Det medför att smältan får de kristaller, groddar, som krävs för att starta kristalliseringen genom kämbildning. I en exoterrn reaktion bildas då kristaller av natriumacetat och värmen frigörs. Genom att vänna upp den överrnättade lösningen kan processen återupprepas.

Vanligast bland saltema att användas i handvärrnare är trihydrat av natriumacetat, med den kemiska formeln: CH3C00Na - 3 H20 [1] Smältpunkten är för en trihydrat av natriumacetat är 58°C, vilket är den temperatur en handvännare innehållande trihydrat av natriumacetat maximalt uppnår när kristallisationsprocessen sätts igång. För handvärmare är det kemiska ämnet, natriumacetat, valt för att en lämplig temperatur skall uppnås utan att skada användaren av handvärmaren, för industriella processer kan andra ämne väljas med såväl högre som lägre smältpunkt. Den kemiska formeln för den exoterma reaktionen med trihydrat av natriumacetat är: CH3COO' (1) + Na* (I) _» CH3COONa - 3 H20 (s) [2] Andra ämnen som kan användas är exempelvis: Magnesiumnitrat hexahydrat med den kemiska formeln: Mg(N03)2 ° 6 H20 [3] Tiohydrat av natriumsulfat med den kemiska fonneln: Na2S04 ' 10 H20 [4] Eller andra lösningar innefattande grå kopparsulfat, CuS04, litiumnitrat LiN03 eller natriumtiosulfat, Na2S FUNKTIONSBESKRIVNING En utskjutningsanordning är anordnad för att avfyra, skjuta, projektiler med en drivladdning. Drivladdningen, som exempelvis kan vara krut, förbränns efter initiering och alstrar ett högt tryck som driver projektilen ut ur ett eldrör. Projektilen anordnas i eldröret genom ett förfarande som benämns ansättning, vanligt förekommande är att en runt projektilen omslutande gördel deformeras gentemot i eldröret anordnad räffling som kvarhåller projektilen i eldröret. Drivladdningen anordnas i vad som ofta är benämnt kammare i vilken drivladdningen förbränns under alstrandet av gaser, krutgaser, som bringar projektilen att förflytta sig i eldröret. Företrädesvis skapas ett kontinuerligt/konstant tryck i kammaren som även fyller upp eldröret bakom projektilen då den förflyttar sig mot eldrörsmynningen.

Problem med att avfyra projektiler anordnade med gördel är dels att gördeln sliter på eldröret samt dels att tätningen mellan projektil och eldrör kan glappa och därmed släppa förbi krutgaser vilket påverkar utskjutningsförloppet bland annat genom att projektilens utskjutningshastighet, V0, kan variera mellan olika projektiler beroende på varierad tätning mellan projektil och eldrör. Genom att kontrollera temperaturen på eldröret kan toleransen på loppet i eldröret kontrolleras och på så sätt förbättra kopplingen mellan gördel och eldrör.

Fig. 1 visar eldröret 10 sett från kortsidan, eldrörets radiella del, med en eldrörsöppning 20. Eldröret 10 har i den visade utföringsformen en trekantig eller triangulär form men kan även vara av annan geometrisk förrn och anpassas utifrån exempelvis tillverkningstekniska fördelar. Eldröret är utformat med ett antal kaviteter 12, 14, 16 innefattande ett temperatunnagasinerande ämne. Eldröret är utformat med en viss godstjocklek 30 som kan vara varierande. Geometrin för eldrörsöppningens tvärsnitt 20, loppet, samt kaviteter 12, 14, 16 bearbetas i eldröret med konventionella bearbetningsmetoder så som exempelvis olika former av skärande bearbetning innefattande brotschning. Tvärsnittet 20 för eldrörsöppningens geometri kan även benämnas eldrörets lopp. Eldröret 10 kan även tillverkas genom additiva tillverkningsmetoder.

Det temperaturmagasinerande ämnet lagrar termisk energi och kan exempelvis vara ett salt eller en saltlösning, exempelvis en övermättad saltlösning och anordnas i kaviteter 12, 14, Då ammunition avfyras i eldrör kommer termisk energi från förbränning av drivämnet i kammaren, förbränningsgasemas utbredning i eldröret samt friktionsvärme från projektilens rörelse i eldröret värma eldröret. Den termiska energin från uppvärmningen kommer breda ut sig i eldröret och, helt eller delvis, omsluta det temperaturmagasinerande ämnet anordnat i kaviteter 12, 14, 16. Den termiska energin kan lagras i det temperaturmagasinerande ämnet, exempelvis genom att det temperatunnagasinerande ämnet genomgår en fasomvandling. Det temperaturmagasinerade ämnet är företrädesvis initialt i fast form och under uppvärmningsförloppet ackumuleras termisk energi i det temperaturmagasinerande ämnet och en fasomvandling till flytande form kan inträffa om den alstrade termiska energin är tillräcklig för att det temperaturmagasinerande ämnet i hela kaviteten 12, 14, 16 kommer genomgå fasförändring. Efter utskjutningsförloppet med påföljande uppvärmning avslutats så kommer det temperaturmagasinerande ämnet avkylas och återgå till fast fomi. I det fall det temperaturmagasinerande ämnet genomgått full fasförändring och därmed är i flytande form kan en kämbildning initieras så att det temperaturmagasinerande ämnet återigen kristalliseras. Initiering kan ske genom att, på elektrisk, kemisk eller mekanisk väg, anordna minst en molekyl i fast form av det temperaturmagasinerande ämnet i den överrnättade lösningen i flytande form. Exempel på metoder för initiering kan innefatta anordnandet av en metallplatta innefattande sprickor där kristaller av det temperaturmagasinerande ämnet i fast form inneslutits som kan frigöras genom mekanisk deformation av metallplattan, exempelvis genom att på elektromagnetisk väg deforrnera metallplattan, I en alternativ utförandeform nyttjas en eutektisk blandning som det temperaturmagasinerande ämnet. En eutektisk blandning eller eutektikum av två ämnen är en blandning med sådan sammansättning att smältpunkten är den lägsta möjliga, och i alla fall lägre än hos de två enskilda ämnena. Det är endast i ett blandningsförhållande på atomnivå/molekylämivå som sammansättningen smälter som en helhet vid en specifik temperatur (den eutektiska temperaturen) och bildar ett supergitter, samtidigt som alla dess komponenter frisätts i en vätskeblandning. Den eutektiska punkten representerar den lägsta temperaturen för vilken den flytande fasen av en blandning kan existera. Hos en eutektisk blandning växlar fasema mellan smält och fast form ögonblickligt, då den eutektiska temperaturen passeras. Vid andra blandningar än den eutektiska råder ett visst temperaturintervall då blandningen gradvis övergår från det ena aggregationstillståndet till det andra. Inom detta intervall har blandningen en trögflytande konsistens.

Fig. 2 visar eldröret 10 sett från långsidan i genomskäming, eldrörets radiella del, med en eldrörsöppning, ett lopp 20 samt två kaviteter 14, 16, den tredje kaviteten 12 är ej synlig i det aktuella snittet. Vidare visas en kammare 40 där projektil och drivämne anordnas, endera i form av hylsad ammunition, det vill säga där projektil är anordnad till en hylsa innefattande ett drivämne och kan även innefatta för drivämnet anordnad initiator eller altemativt i fonn av en separerad projektil och drivämne vilket är vanligt förekommande vid grövre kalibrar. Vidare är inlopp 50, 52 visade där det temperaturmagasinerade ämnet kan anordnas samt eventuell kontrollanordning för det temperaturmagasinerade ämnet kan anordnas. Kontrollanordning kan innefatta olika sensorer, exempelvis temperatursensor eller sensor för att mäta vid vilken fonn det temperaturmagasinerade ämnet är i, exempelvis fast form eller flytande fonn. Vidare kan olika former av anordningar för att initiera eller på annat sätt förändra det rådande aggregationstillståndet (även benämnt aggregationsformen). Respektive kavitet 12, 14, 16 kan vara utformade som en kavitet löpande över hela eldrörets utredning altemativt löpa längs en del av eldröret altemativt vara uppdelad i flera separerade enheter längs med kavitetemas 12, 14, 16 axiella utbredning.

UTFÖRINGSEXEMPEL Exempel på kaliber är 20 - 155 mm och en längd på eldrör på mellan 1 m till 10 m.

ALTERNATIVA UTFÖRINGSFORMER Uppfinningen är inte begränsad till de speciellt visade utföringsforrnema utan kan varieras på olika sätt inom patentkravens ram.

Det inses exempelvis att antalet, storleken, materialet och fonnen av de i eldröret ingående elementen och detaljema anpassas efter det eller de projektil och projektilsammansättningar och övriga konstruktionsegenskaper som för tillfället föreligger.

Projektíl kan exempelvis anordnas for sprängverkan, splitterverkan, brandverkan, termobarisk verkan, brandbekämpning, träningsprojektiler, lyssatser, röksatser, elektromagnetisk verkan, elektromagnetisk stöming eller andra laster och funktioner.

Claims (5)

1. Eldrör (10) för utskjutningsanordning (1), där eldröret (10) är anordnat med ett lopp (20) för utskjutning av proj ektiler med en drivladdning k ä n n e t e c k n a d a V att eldröret (10) är anordnat med minst en kavitet (12, 14, 16) där ett ämne för magasinering av terrnisk energi är anordnat i kaviteten (12, 14, 16) samt där eldröret (10) är trekantigt utforrnad med ett lopp (20) centrerad i eldröret och innefattar tre kaviteter (12, 14, 16) anordnade fördelade runt loppet (20).

2. Eldrör (10) för utskjutningsanordning (1) enligt kravk ä n n e t e c k n a d a v att ämne för magasinering av termisk energi är ett salt.

3. Eldrör (10) för utskjutningsanordning (1) enligt krav 2 k ä n n e t e c k n a d a v att saltlösningen är en överkritisk saltlösning i form av ett hydrat.

4. Eldrör (10) för utskjutningsanordning (1) enligt något av krav 3 k ä n n e t e c k n a d a v att den överkritiska saltlösningen innefattar magnesiumnitrat.

5. Utskjutningsanordning (1) anordnad med eldrör (10) enligt något av krav 1 - 4.