SE509311C2 - Sätt och elektrodanordning för styrning av en drivladdnings förbränningshastighet - Google Patents

Description

509 311 10 15 20 25 30 35 Detta uppnås genom ett sätt och en elektrodanordning som definieras i patentkra- ven.

Uppfinningen avser således ett sätt vid styming av förbränningshastigheten hos en drivladdning, som har en axiell utsträckning från en initieringsände till en slutände och består av elektriskt ledande krut, innefattande matning av elektrisk ström genom krutet mellan en mittelektrod, som sträcker sig axiellt genom laddningen, och en ytterelektrod , som omger laddningens axiella utsträckning. Åtminstone en del av mittelektroden och/eller ytterelektroden är försedd med ett isoleringsskikt som isolerar elektroden från det ledande krutet. Sättet kännetecknas av att elektro- den avisoleras med en kontrollerad hastighet i riktning mot laddningens slutände under laddningens förbränning genom att ett explosivämne, som är anordnad i en spiral på nämnda med isoleringsskikt försedda del av elektroden, bringas att deto- Uefa.

Med elektriskt ledande krut avses krut som gjorts ledande genom tillsatser, ytbe- handling av krutkom etc., t.ex. såsom beskrivs i svenska patentansökningen 9402148-2, eller krut som innehåller en elektriskt ledande polymer.

Normalt leds strömmen in i mittelektroden och förs tillbaka genom ytterelektroden.

Vid början av förloppet leds strömmen in i krutet endast från en oisolerad zon av mittelektroden vid laddningens initieringsände. Även ytterelektroden har en oisole- rad zon vid laddningens initieringsände. Strömmen matas således i huvudsak radi- ellt genom laddningen mellan mittelektrod och ytterelektrod, med början i laddning- ens initieringsände och därefter successivt mot dess slutände.

Explosivämnesspiralen initieras i sin ena ände och allteftersom detonationsfronten fortplantas längs spiralen avlägsnas det isolerande skiktet och motsvarande axiella del av elektroden sätts i ledande förbindelse med krutet. Den hastighet med vilken strömgenomgången förflyttas i axiell led mot laddningens slutände, styrs således av den detonerande spiralen. Genom att variera spiralens stigning och bredd kan en önskad avisoleringshastigheten för olika axiella delar av laddningen i förväg kon- strueras och därmed förbränningshastigheten styras enligt ett önskat förlopp.

Uppfinningen avser även en elektrodanordning för matning av elektrisk ström genom en av elektriskt ledande krut bestående drivladdning för styming av dess förbränningshastighet, varvid laddningen har en axiell utsträckning från en initie- ringsände till en slutände. Elektrodanordningen innefattar en mittelektrod som 10 15 20 25 30 35 509 311 sträcker sig axiellt genom laddningen och en ytterelektrod som omger laddningens axiella utsträckning och kännetecknas av ett detonerande explosivämne som är anordnat i en spiral på åtminstone en del av mittelektroden och/eller ytterelektro- dens insida; ett isoleringsskikt som isolerar den med explosivämnesspiral försedda delen av elektroden från det ledande krutet och en tändare för initiering av explosivämnesspiralen i dess ena ände, varvid ett deto- nationsförlopp fortplantas längs spiralen och med kontrollerad hastighet avisolerar elektroden i riktning mot laddningens slutände.

Uppfinningen är i första hand avsedd att användas vid acceleration av en projektil till hög hastighet i ett eldrörsvapen varvid ytterelektroden med fördel kan utgöras av en ammunitionshylsa som på sin insida förses med explosivämnesspiral och isole- ringsskikt. Vid användning av laddningen som projektildrivladdning vänds den med sin initieringsände mot projektilen och sin slutände mot vapnets bakstycke.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är det detonerande explosiväm- net fyllt i ett gängformat spår på mittelektroden och/eller insidan av ytterelektroden.

Det gängformade spåret kan ha en ökande stigning och även en ökande bredd mot drivladdningens slutände. För att uppnå hög projektilhastighet i ett eldrörsvapen är det önskvärt att trycket i eldröret är i huvudsak konstant under utskjutningsfasen.

Detta kräver att laddningens förbrânningshastighet (dm/dt) ökar när projektilen accelererar, vilket kan åstadkommas genom att elektrodens avisoleringshastighet ökar mot laddningens slutände, dvs en ökande gängstigning hos explosivämnesspi- ralen.

Uppfinningen skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bifogade figurer.

Fig 1 visar schematiskt ett längdsnitt genom en kanon med en drivladdning och en mittelektrod och en ytterelektrod enligt känd teknik.

Fig 2 visar ett snitt genom en patron med en elektrodanordning enligt uppfinningen.

Fig 3 visar i genomskäming en förstorad vy av gränsområdet mellan elektrod och elektriskt ledande krut hos en elektrod enligt uppfinningen.

Fig 4 visar principiellt en kurva över erforderlig avisoleringshastighet som funktion av avståndet s från laddningens initieringsände och inom vilka områden avisolering 509 511 10 15 20 25 30 35 av mittelektroden respektive avisolering av ytterelektroden kan utnyttjas vid styming av förbränningsförloppet i en kanon.

Fig 5 visar i genomskäming en förstorad vy av gränsområdet mellan elektrod och elektriskt ledande krut hos en elektrod enligt uppfinningen under avisoleringpro- cessen.

Figur 1 visar känd teknik enligt svenska patentansökningen 9402148-2 för att styra förbränningshastigheten hos en drivladdning bestående av elektriskt ledande krut, varvid elektrisk ström leds genom krutet mellan en mittelektrod och en ytterelektrod.

Figuren visar schematiskt ett längdsnitt genom en kanon med eldrör 2 och bak- stycke 3, laddad med en enhetspatron 1 innefattande projektil 4, hylsa 10 samt en drivladdning 5 av ett kompakt elektriskt ledande drivämne. Drivladdningen har en axiell utsträckning från en initieringsände 6, som är vänd mot projektilen 4, till en slutände 7, som är vänd mot bakstycket 3, och omges av en ytterelektrod 9 i form av hylsan 10. En mittelektrod 8 är anordnad axiellt i drivladdningen från ett kontakt- organ i hylsans bakplan 11 och har en fri ände vid laddningens initieringsände 6.

Mittelektroden omges fram till sin fria ände av en isolator 12. Ström tillföres det elektriskt ledande kmtet från mittelektrodens fria ände och avleds genom eldröret 2 via ytterelektroden, dvs. hylsan 10, Mittelektroden kan vara av aluminium och kon- sumeras i takt med att drivämnet förbränns. Strömmen matas i varje tidpunkt över en i axiell led begränsad del av drivladdningen. Högre ström ger högre temperatur på de ledande ytoma i drivämnet och därigenom snabbare reaktion. Volymen driv- ämne per tidsenhet som initieras ökar också med strömmen genom att en större volym drivämne når antändningstemperatur och antänder.

Avisoleringen av mittelektroden sker således i detta fall i samma takt som förbrän- ningszonen förflyttas mot laddningens slutände. Den egentliga stymingen av för- bränningshastigheten, t.ex. i form av en kontinuerligt ökande krutförbränning (dm/dt) under laddningens förbränningsförlopp, måste således ske genom en ökad Strömtillförsel.

Enligt föreliggande uppfinning styrs den hastighet varmed drivladdningen förbränns, från initieringsände till slutände, genom att ett isolerande skikt 12 (13) på mittelek- troden och/eller ytterelektrodens insida avlägsnas på ett kontrollerat sätt med hjälp av en detonerande explosivämnesspiral 17 (18). lsoleringsskiktet bränns således bort med hjälp av explosivämnesspiralen, som har så låg sprängkraft att den inte 10 15 20 25 30 35 5Û9 311 initierar krutladdningen till detonation. Elektroden sätts därigenom i ledande förbin- delse med krutet med en kontrollerad hastighet mot laddningens slutände.

Den hastighet med vilken strömmatningen genom laddningen förflyttas axiellt bestäms således av den detonerande explosivämnesspiralen och motsvarande mängd krut initieras till förbränning av den elektriska effekutvecklingen. Den tillförda elektrotermiska energin ökar också krutets förbränningshastighet och ger ett tryck- höjande energitillskott till förbränningsgasema.

Om laddningen har konstant tvärsnittsyta och om förbränningen av krutpatronen styrs så att gastrycket nära förbränningszonen hålls konstant (t.ex. 500 MPa), gäller att avisoleringshastigheten u approximativt skall ges av uttrycket l 1 2 2 - u1 s s 2 Uo S, S1 där uo =starthastigheten (typiskt 1 m/s vid 500 MPa) u, :sluthastigheten (typiskt 200 m/s) S, = patronens längd s är avståndet från initieringsänden (projektilläget) till läget för avisoleringen.

Avisoleringshastigheten avser den linjära hastigheten i axiell led längs laddningen och svarar mot den önskade linjära förbränningshastigheten hos laddningen. lsoleringsskiktet täcker mittelektrodens och/eller ytterelektrodens utsträckning med undantag av en oisolerad zon 14 (15) vid laddningens initieringsände. Det är inte nödvändigt att både mittelektroden och ytterelektroden har isolerande skikt, men när så är fallet kan den oisolerade zonen vara längre på mittelektroden än på ytter- elektroden. Exempelvis kan mittelektroden ha en oisolerad zon som utgör ca. 25% av elektrodens längd medan ytterelektroden är isolerad utom på en kort zon invid initieringsänden.

Med den metod som beskrivs nedan är det lättare att styra avisoleringen vid stor diameter på mittelektroden och ytterelektroden. Naturligtvis har ytterelektroden alltid en större diameter men ur tillverkningssynpunkt är det lämpligare att ordna avisole- 509 311 10 15 20 25 30 35 ringen på mittelektroden där så är möjligt. Detta innebär att för större projektilkaliber (t.ex. större än 80 mm) kan avisoleringen med fördel ske vid mittelektroden medan för mindre kaliber avisoleringen väsentligen måste ske vid ytterelektroden.

Figur 2 visar en patron med en utföringsfonn av en elektrodanordning enligt upp- finningen. Detaljer som motsvarar varandra i de olika figurema har givits samma hänvisningsbeteckningar. l en hylsa 10 är en drivladdning 5 bestående av elektriskt ledande krut anordnad. Drivladdningen har en axiell utsträckning från en initiering- sände 6, som är vänd mot en projektil 4, till en slutände 7 vid hylsans bakplan 11.

Axiellt genom laddningen sträcker sig en mittelektrod 8 från kontaktorgan i hylsans bakplan till laddningens initieringsände 6. Laddningen består lämpligen av kompakt krut och är avsedd att i huvudsak ändförbrännas från sin initieringsände 6 till sin slutände 7. Drivämnet i laddningen kan utgöras av ett fast, plastiskt eller vätske- formigt krut, t.ex en gelad vätska, och kan bestå av t.ex ett kompositkrut eller plast- bundet sprängämne (PBX). Drivämnet kan vara baserat på explosivämen såsom HMX, RDX, PETN, HNS, NTO, TNT, TNAZ, CL-20 (HNIVV), ADN, NC, NG/NC eller blandningar av dessa.

Drivämnet kan göras elektriskt ledande t.ex. såsom beskrivs i den svenska patent- ansökningen 9402148-2, dvs att elektriskt ledande ytor åstadkommas i krutet genom inblandning av fibrer av elektriskt ledande material. Fibrema kan t.ex. vara metallfibrer, kolfibrer eller elektriskt ledande plastfibrer. l det fall drivämnet består av fasta drivämneskom kan de elektriskt ledande ytoma åstadkommas genom påläggning av elektriskt ledande skikt på eller i omedelbar närhet av de fasta dri- vämneskomen. Påläggningen kan t.ex göras genom inblandning, sprutmålning, sputtering eller vacuumdeponering. Det elektriskt ledande drivämnet kan även vara ett kompositkrut eller plastbundet sprängämne där bindemedlet består av en elek- triskt ledande polymer.

Kontaktorganet och mittelektroden 8 är isolerad från hylsan 10, t.ex kan hylsans bakplan 11 bestå av ett elektriskt icke ledande material. Hylsans mantel, som också utgör ytterelektrod 9, består liksom mittelektroden av metall med god elektrisk led- ningsfönnåga, t.ex. mässing. Mittelektroden utsida och ytterelektrodens insida är försedda med isoleringsskikt 12 respektive 13 som isolerar respektive elektrod från det ledande krutet förutom på en oisolerad zon 14 på mittelektroden och en oisole- rad zon 15 på ytterelektroden närmast laddningens initieringsände 6. Under isole- ringsskikten är elektrodema försedda med ett detonerande explosivämne 16 som är 10 15 20 25 30 509 511 anordnat i spiral 17 och 18 runt mittelektroden respektive runt ytterelektrodens insida.

Ett föredraget sätt att anordna denna explosivämnesspiral framgår av figur 3, som visari genomskärning en förstorad vy av gränsområdet mellan elektroden (mittelektrod eller ytterelektrod) och det elektriskt ledande krutet. Vid spiralens 17 (18) början, närmast laddningens initieringsände, sitter en tändare 22 för initiering av spiralen till detonation. Tändaren kan vara en EFI, EBW eller vanlig eltändare och är schematiskt markerad med en cirkel i figuren. Tändaren kan förses med ström via ledningar 23 och styrs lämpligen av en jonisationskontakt 24 som sitter något närmare laddningens initieringsände 6 än tändaren. När förbränningen når fram till jonisationskontakten bränns en reaktiv isoleringen bort på jonisationskon- takten varvid strömmen når fram till tändaren 22 vilken initierar explosivämnesspira- len 17 (18).

På mittelektodens utsida, radie r. är en gänga 19 svarvad med successivt ökande stigning räknat från laddningens initieringsände. På samma sätt är på ytterelektro- dens insida, radie rz, en gänga svarvad med successivt ökande stigning. Spåren är avskilda med en rygg 20 med den konstanta bredden a (storleksordningen 1 mm).

Spårens bredd, b, på mittelektroden och bz på ytterelektroden, är en funktion av avståndet S från laddningens initieringsände. Spårens djup är av storleksordningen 0.3 mm. Djupet kan också vara en funktion av s. Spåren är fyllda med det detone- rande sprängämnet, tex. ett lämpligt grafiterat eller metalliserat sprängämne (tex.

HNS) med den täthet som uppnås vid pressning till ca. 200 MPa och mycket fin- komigt. Sprängämnet skall kunna bringas till detonation itunna skikt. En detona- tionshastighet D på omkring 5000 m/s eller lägre är önskvärd.

Bredden b1 och bz erhålles nu ur sambanden D i=1,2 vilket ger biflflfittiliizfilaiea 509 511 10 15 20 25 30 Vi ser av uttrycket för b, att för , a 2 D 2 uo 2 a 2 D 2 s, z : - - - s,~ i - s 2nr, uo u, 2nr, u, blir sprängämnessträngens bredd noll. Med värdena a =1 mm rz =20 mm uo = 10 m/s u, =200 m/s D =5000 m/s S, :400 mm erhålles s; till ca 20 mm dvs den allra första delen av ytterelektroden kan inte aviso- leras med den angivna metoden. Den lägsta avisoleringshastigheten som kan erhållas ges av 1 2 2 2 5 um, = uo wp-[ïßfi (E) 4) sin u1 Zur, ut, 2nr, till ca 30 m/s. i=1,2 Med ovanstående värden erhålles Umm De sprängämnesfyllda spåren täcks företrädesvis med en metallfolie 21 av t.ex koppar eller aluminium. Metallfolien utgör en fördämning som tillåter mindre kritisk tjocklek för detonation och hindrar detonationsöverföring till drivladdningen. Utanpå detta förses sedan elektrodema med isoleringsskiktet 12 (13), t.ex. en elektriskt isolerande folie eller lack med lämplig genombrottsspänning. Det isolerande skiktet kan med fördel väljas att vara ett reaktivt ämne. l figur 4 visas schematiskt en kurva över erforderlig avisoleringshastighet som funk- tion av avståndet från drivladdningens initieringsände. I figuren har markerats vilken del av krutpatronen som inte kan styras av den angivna metoden, vilken del som kan styras med hjälp av avisolerande sprängämnesspiral vid mittelektroden och vil- ken del som kan styras med hjälp av avisolerande sprängämnesspiral vid ytterelek- troden. Vid den första delen av krutpatronen kan inte strömmen styras med hjälp av avisolering. 10 15 20 25 509 311 Sättet fungerar på följande sätt: Den första delen s; av mittelektroden (zonen 14) och den första delen s; av ytter- elektroden (zonen 15) är oisolerade vid starten. Drivladdningens förbränning initie- ras i dess initieringsände 6 med en tändare (ej visad). Laddningen förbränns i huvudsak som en ändbrinnande laddning mot sin slutände 7. Under förbränningens initialskede leds ström genom krutet mellan de oisolerade zonema 14 och 15 hos mittelektroden 8 respektive ytterelektroden 9.

När förbränningen har avverkat sträckan s; initieras ytterelektrodens gänga 19 vid läget s; och avisoleringsprocessen på ytterelektroden har startats. När förbrän- ningen har avverkat sträckan s; initieras mittelektrodens gänga och avisoleringen av mittelektroden har startats. lnitieringen av detonationförloppet kan ske med en tändare 22 som styrs av en jonisationskontakt 23 (fig 3). Om endast avisoleringen sker vid mittelektroden finns inget s; och om avisoleringen endast sker vid ytter- elektroden finns inget S1' .

Avisoleringsprocessen visas i figur 5. Detonationsfronten fortplantas längs den explosivämnesfyllda gängan 19 och avlägsnar isoleringsskiktet på motsvarande del av elektroden. Metallfolien 21 som täcker gängan förgasas samtidigt som ström 24 leds in i krutet från den frilagda elektroden. Motsvarande del av laddningen initieras till förbränning och förbränningen förstärks/påskyndas av den tillförda elektroterrnis- ka energin. Processen fortsätteri riktning mot laddningens slutände 7 och den has- tighet med vilken den fortskrider i axiell led bestäms i huvudsak av gängans stig- ning. Detonationsfrontens hastighet längs gängan är väsentligen konstant och bestäms av det valda detonerande explosivämnet.

Claims (19)

509 10 15 20 25 30 35 311 10 Patentkrav:

1. Sätt vid styrning av förbränningshastigheten hos en drivladdning (5) som har en axiell utsträckning från en initieringsände (6) till en slutände (7) och består av elek- triskt ledande krut, innefattande matning av elektrisk ström genom krutet mellan en mittelektrod (8), som sträcker sig axiellt genom laddningen, och en ytterelektrod (9), som omger laddningens axiella utsträckning, varvid åtminstone en del av mittelek- troden och/eller ytterelektroden är försedd med ett isoleringsskikt (12,13) som isole- rar elektroden från det ledande krutet kännetecknat av att elektroden avisoleras med en kontrollerad hastigheti riktning mot laddningens slutände under laddning- ens förbränning genom att ett explosivämne (16), som är anordnad i en spiral (17,18) på nämnda med isoleringsskikt försedda del av elektroden, bringas att detonera.

2. Sätt enligt krav 1 kännetecknat av att det detonerande explosivämnet (16) är fyllt i ett gängformat spår (19) på elektroden under isoleringssklktet.

3. Sätt enligt krav 2 kännetecknat av att det gängforrnade spåret (19) har en ökande stigning i riktning mot laddningens slutände (7).

4. Sätt enligt krav 2 kännetecknat av att det gängforrnade spåret (19) har en ökan- de bredd i riktning mot laddningens slutände (7).

5. Sätt enligt krav 2 kännetecknat av att det gängformade spåret (19) täcks av en metallfolie (21).

6. Sätt enligt krav 1 kännetecknat av att initieringen av det detonerande explo- sivämnet (16) styrs av en i krutet inbäddad jonisationskontakt (24).

7. Sätt enligt krav 1 kännetecknat av att ytterelektroden (9) utgöres av en ammuni- tionshylsa (10).

8. Elektrodanordning för matning av elektrisk ström genom en av elektriskt ledande krut bestående drivladdning (5) för styming av dess förbränningshastighet, varvid laddningen har en axiell utsträckning från en initieringsände (6) till en slutände (7), vilken elektrodanordning innefattar en mittelektrod (8) som sträcker sig axiellt genom laddningen och en ytterelektrod (9) som omger laddningens axiella utsträckning kännetecknad av ett detonerande explosivämne (16), som är anordnat 10 15 20 25 30 35 509 311 11 i en spiral (17,18) på åtminstone en del av mittelektroden och/eller ytterelektrodens insida ett isoleringsskikt (12,13) som isolerar den med explosivämnesspiral försedda delen av elektroden från det ledande krutet en tändare (22) för initiering av explosivämnesspiralen i dess ena ände, varvid ett detonationsförlopp fortplantas längs spiralen och med kontrollerad hastighet aviso- lerar elektroden i riktning mot laddningens slutände.

9. Elektrodanordning enligt krav 8 kännetecknat av att det detonerande explo- sivämnet (16) är fyllt i ett gängfonnat spår (19) på mittelektroden och/eller ytterelek- trodens insida.

10. Elektrodanordning enligt något av kraven 8-9 kännetecknat av att laddningen (5) är en projektildrivladdning och att dess initieringsände (6), i vilken förbränningen initieras, är vänd mot projektilen (4) och dess slutände (7) är vänd mot vapnets bakstycke (3).

11. Elektrodanordning enligt krav 10 kännetecknat av att det gängformade spåret (19) har en ökande stigning mot laddningens slutände (7).

12. Elektrodanordning enligt krav 11 kännetecknat av att det gängforrnade spåret (19) har en ökande bredd mot drivladdningens slutände (7).

13. Elektrodanordning enligt krav 11 kännetecknat av att det gängforrnade spårets (19) bredd är en funktion av avståndet från laddningens initieringsände (6) enligt uttrycket 1 b, = 2flf,(%>-I1+U%)- 1183]: -a f= 1,2 0 1 där b,.=spårets bredd, b1=innerelektrod och bfytterelektrod; r,.=elektrodens radie, r1=innerelektrod och r2=yttere|ektrod D =sprängämnets detonationshastighet; uo =avisoleringens starthastighet i axiell riktning; u,=avisoleringens sluthastighet i axiell riktning; S=avstånd från laddningens initieringsände; s1=laddningens längd; a=avståndet mellan spåren. 10 15 20 25 30 509 311 12

14. Elektrodanordning enligt krav 8 kännetecknad av att isoleringsskiktet täcker mittelektrodens och/eller ytterelektrodens utsträckning med undantag av en oisole- rad zon vid laddningens initieringsände.

15. Elektrodanordning enligt krav 14 kännetecknad av att både mittelektroden (8) och ytterelektroden (9) är försedda med isoleringsskikt (12,13) och att den oisole- rade zonen (14) på mittelektroden är längre än den oisolerade zonen (15) på ytter- elektroden.

16. Elektrodanordning enligt krav 15 kännetecknad av att den oisolerade zonen (14) utgör ca. 25 % av mittelektrodens längd.

17. Elektrodanordning enligt krav 14 kännetecknad av att endast mittelektroden (8) är försedd med ett isoleringsskikt (12).

18. Elektrodanordning enligt krav 14 kännetecknad av att endast ytterelektroden (9) år försedd med ett isoleringsskikt (13).

19. Elektrodanordning för matning av elektrisk ström genom en av elektriskt ledande krut bestående drivladdning (5) för styming av dess förbränningshastighet, varvid laddningen har en axiell utsträckning från en initieringsände (6) till en slutän- de (7), vilken elektrodanordning innefattar en mittelektrod (8) som sträcker sig axiellt genom laddningen och en ytterelektrod (9) som omger Iaddningens axiella utsträckning, kännetecknad av ett gängformat spår (19) på åtminstone en del av mittelektrodens utsida och/eller på åtminstone en del av ytterelektrodens insida; ett detonerande explosivämne (16) som är fyllt i det gängformade spåret; en metallfolie (21) som täcker det explosivämnesfyllda gängforrnade spåret; ett isoleringsskikt (12,13) på åtminstone den med spår försedda delen av mittelek- troden respektive av ytterelektroden, och en tändare (22) för initiering av det detonerande explosivämneti dess ena ände, varvid ett detonationsförlopp fortplantas längs det gängformade spåret (19) och avisolerar elektroden.