Treibladungsanordnung für Rohrwaffen oder ballistische Antriebe
Die Erfindung betrifft eine Treibladungsanordnung für Rohrwaffen oder ballistische Antriebe, bestehend aus einer Kom- paktladung und einem Zündsystem.
Bei chemisch reagierenden Treibladungen wird die Leistung im wesentlichen von dem Verhältnis der Masse der Ladung und ihrer Energiedichte zur Masse des zu beschleunigenden Ob- jektes, z.B. eines Projektils, einer Rakete oder dergleichen, bestimmt. Das Bestreben geht stets dahin, die Masse der Treibladung und ihre Energiedichte auf den konkreten Bedarfsfall abzustimmen. Für die Mündungssgeschwindigkeit des Projektils ist insbesondere die innere Ballistik, also der Zündvorgang und der Abbrand der Treibladung sowie die Übertragung der Energie auf das Projektil vor Verlassen des Laufs maßgeblich.
Der Abbrand der Treibladung und die Beschleunigung des Pro- jektils ist ein dynamischer Vorgang, der sich in extrem kurzer Zeit abspielt, innerhalb der die Gasentwicklung durch die Treibladung nicht nur auf die Masse des Projektils abgestimmt, sondern auch der Tatsache Rechnung getra-
gen werden muß, daß sich mit der Beschleunigung des Projektils das vom Treibgas auszufüllende Volumen vergrößert. Diese sich überlagernden Vorgänge müssen wiederum derart aufeinander abgestimmt sein, daß das Projektil die ge- wünschte Mündungsgeschwindigkeit erreicht. Hierfür maßgeblich ist die Gasdruck-Zeit-Kurve, die im allgemeinen einer Gauß- Kurve ähnlich ist, d.h. der Druck steigt expotentiell auf einen Maximaldruck an und fällt etwas weniger steil mit zunehmender Beschleunigung des Projektils zur Mündung hin expotentiell ab. Eine ähnliche Charakteristik mit etwas symmetrischerem Verlauf der Gauß-Kurve zeigt die Umsatzgeschwindigkeit der Treibladung. Maßgeblich für die Antriebs - leistung ist das Druck- Zeit - Integral , das durch den maximal zulässigen Gasdruck im Ladungsraum nach oben begrenzt ist. Der Idealfall wäre ein trapezförmiger Druckverlauf, bei dem der Maximaldruck schneller erreicht und gleichzeitig das Integral der Druck-Zeit -Kurve größer sein sollte.
Um eine hohe Mündungsgeschwindigkeit des Projektils zu er- reichen, werden in der Regel als Kompaktladungen bezeichnete Treibladungen mit hoher Ladungsdichte, also einem großen Verhältnis der Masse des Treibladungspulvers zu seinem Volumen eingesetzt. Hierbei wird die für eine hohe Mündungs- geschwindigkeit des Projektils erforderliche hohe Ladungs- dichte durch großvolumige Treibladungen mit regelmäßiger
Anordnung der Ladungspartikel erzielt. Die Zündung erfolgt durch chemische Zündmittel, z.B. Nitrate, welche mechanische Zündeinrichtungen, wie Schlagbolzen, oder elektrome- chanische Zündeinrichtungen erfordern.
Nachteilig ist einerseits, daß derartige Zündmittel gegenüber Umwelteinflüssen, wie Wärme oder Feuchtigkeit, empfindlich sind und zu einem unzeitigen Zünden führen können. Andererseits muß beim Zünden sichergestellt sein, daß die entstehenden Schwaden des Zündmittels mit einer möglichst
großen Oberfläche der Treibladung in Kontakt treten, da andernfalls die lineare Abbrandgeschwindigkeit der Treibladung zu gering ist, um die gesamte Ladung in kurzer Zeit abzubrennen bzw. den für die gewünschte Mündungsgeschwin- digkeit des Projektils erforderlichen Druck zu erreichen. Um für einen reproduzierbaren Druckanstieg erforderliche reproduzierbare Abbrandflachen auszubilden, werden z.B. Röhrenpulver oder zylindrische Mehrlochpulver eingesetzt, welche von Kanälen zum Durchtritt des Schwaden des Zündmit- tels durchsetzt sind, so daß der Abbrand der Treibladung an einer großen Oberfläche initiiert wird. Hierdurch wird jedoch die Treibladungsdichte herabgesetzt und die Mündungs- geschwindigkeit des Projektils dadurch verringert. Des weiteren fällt der Gasdruck unmittelbar nach Erreichen seines Maximums wieder expontiell ab. Während bei kleinkalibrigen Rohrwaffen, wie Flugabwehrgeschützen oder Panzerkanonen, auf diese Weise Abbrandzeiten von 1 bis 10 ms erreicht werden, sind die Abbrandzeiten bei großkalibrigen Rohrwaffen, wie Artilleriegeschützen, erheblich länger.
Weiterhin sind mittels elektrischer Energie iniitierbare Kompaktladungen (elektrothermisch- chemisch Kanone) bekannt, doch gestaltet sich das Zünden und der Abbrand solcher Kompaktladungen als schwierig, da die Ladungsanordnung aufge- brochen und zerlegt und dabei definierte Oberflächen geschaffen werden müssen, damit ein für die gewünschte Mündungsgeschwindigkeit erforderlicher An- und Abbrand mit hoher Umsatzgeschwindigkeit der Treibladung erreicht wird.
Gleiches gilt für- die in neuerer Zeit untersuchten flüssigen Treibladungen, die in eine entsprechende Dispersion überführt werden müssen.
Die DE 195 46 341 AI beschreibt eine Treibladung mit einem in einer zylindrischen Hülse angeordneten sekundären
Sprengstoff und einem neben diesem angeordneten Initialsprengstoff, welcher durch Einkoppeln von Laserstrahlung gezündet wird. Eine hohe Umsatzgeschwindigkeit der Treibladung beim Abbrand kann mit einer solchen Anordnung nicht erreicht werden, da der Initialsprengstoff nur an einer einem Lichtleiter zugewandten Seite des Sekundärsprengstoffs angeordnet ist und letzterer folglich beim Zünden der Ladung nicht spontan aufgebrochen und zerlegt wird.
Der DE 35 42 447 AI ist eine mittels Laserstrahlung aktivierbare Zündmischung entnehmbar, welche 10 bis 30 Mass.-% eines heiß brennenden feinpartikulären Metallpulvers, insbesondere Zirkon, Titan oder Bor, 60 bis 80 Mass.-% eines Oxidationsmittels, insbesondere Bleioxid, und 1 bis 5 Mass.-% Ruß enthält. Zur Zündung einer Treibladung ist vorgesehen, die Zündmischung in einem engen geometrischen Bereich des Ladungspulvers von wenigen mm2 anzuordnen, auf welchen der Laserstrahl auftrifft. Auch in diesem Fall ist eine spontane Umsetzung des Ladungspulvers nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Treibladungsanordnung vorzuschlagen, die unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile beim Abbrand dem idealen, trapezförmigen Verlauf der Druck- Zeit -Kurve soweit wie möglich ange nähert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Treibladungs- anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in der Kompaktladung wenigstens ein elektromagnetische Strah- lung absorbierendes Medium verteilt eingelagert und mittels des elektromagnetische Strahlung emittierenden Zündsystems aktivierbar ist, um die Kompaktladung bei Auslösen des Zündsystems in Fragmente zu zerlegen und die Fragmente in
das bei Abbrand der Kompaktladung erzeugte Gasvolumen zu beschleunigen .
Durch die innere Zündung der erfindungsgemäßen Treibla- dungsanordnung an den elektromagnetische Strahlung absorbierenden Bereichen wird die Kompaktladung in definierter Sequenz in Bruchstücke zerlegt. Der Aufbau der Kompaktladung und ihre Anordnung wie auch die des Zündsystems lassen sich so wählen, daß Bruchstücke mit relativ regelmäßiger Geometrie entstehen, die folglich auch relativ regelmäßige Oberflächen bieten, die wiederum für einen regelmäßigen An- und Abbrand sorgen. Ebenfalls ist es durch verstärktes Einbringen des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Mediums in definierte Bereichen der Treibladung möglich, die- se Bereiche früher zu zünden und somit den Abbrand in Abhängigkeit der Zeit zu steuern. Die bei der Fragmentierung entstehenden Bruchstücke weisen eine hohe Abbrandflache auf und werden in das sich beim Abbrand der Treibladung entwik- kelnde Gasvolumen beschleunigt und dort vollständig umge- setzt. Auf diese Weise wird beispielsweise bei einer Rohrwaffe die mit der Beschleunigung des Projektils einhergehende Volumenvergrößerung und Druckabsenkung unverzüglich kompensiert. Durch diesen Aufbau der Treibladungsanordnung läßt sich der entstehende Maximaldruck über eine längere Zeit aufrechterhalten, so daß sich im Druck-Zeit-Diagramm anstelle eines Peaks ein Druckplateau ergibt, um das Projektil mit einem länger anhaltenden Gasdruck zu beschleunigen. Hierdurch kann der Maximaldruck wie auch der Mündungsdruck abgesenkt werden, ohne daß die Antriebsleitung bzw. die Mündungsgeschwindigkeit absinkt. Entsprechend läßt sich bei gleichem Maximaldruck eine wesentlich höhere Mündungs- geschwindigkeit erzielen.
Die erfindungsgemäße Treibladungsanordnung macht die Ver- wendung von chemischen Zündmitteln entbehrlich, wodurch sie
b einfacher und sicherer handhabbar ist. Weiterhin erfordert sie keine zur Initiierung solcher chemischer Zündmittel erforderlichen mechanischen oder elektromechanischen Zündeinrichtungen, so daß sie aufgrund ihres einfachen Aufbaus ko- stengünstig ist.
Ferner läßt sich die Dichte der erfindungsgemäßen Treibladungsanordnung gegenüber herkömmlichen Treibladungen wesentlich erhöhen, indem die Einlagerungen des elektromagne- tische Strahlung absorbierenden Mediums sehr dünn ausgelegt werden, so daß diese im Vergleich zu den bei bekannten Treibladungen für einen Schwadendurchgriff vorgesehenen Kanälen einen deutlich geringeren Raumbedarf erfordern.
Die Ausbildung von Fragmenten mit relativ regelmäßiger Geometrie und folglich hoher Abbrandoberflache läßt sich insbesondere dadurch erreichen, daß die Kompaktladung einen im wesentlichen regelmäßig strukturierten Aufbau aufweist bzw. das elektromagnetische Strahlung absorbierende Medium in der Kompaktladung in regelmäßiger Anordnung eingelagert ist. Bei Auslösen des Zündsystems wird dann die Kompaktladung entlang den Bereichen aus dem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Medium aufgebrochen und in ent¬ sprechend regelmäßigen Fragmenten nach innen beschleunigt, wobei die sich bildenden Oberflächen für einen einwandfreien An- und Abbrand sorgen.
Die Kompaktladung kann beispielsweise von im wesentlichen geometrisch regelmäßig angeordneten Schichten aus dem elek- tromagnetische Strahlung absorbierenden Medium durchsetzt sein, wobei die Schichten bevorzugt im wesentlichen rasterartig angeordnet sind. Je nach Art des Explosivstoffs und des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Mediums beträgt die Schichtdicke hierbei zweckmäßig zwischen 1 und 1000 um.
Die Kompaktladung kann auch von im wesentlichen geometrisch regelmäßig angeordneten Kanälen aus dem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Medium durchsetzt sein, wobei der Durchmesser der Kanäle zweckmäßig zwischen 1 und 1000 um beträgt.
Ebenfalls ist eine im wesentlichen disperse Anordnung des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Mediums in der Kompaktladung denkbar, wobei die dispersen Einlagerungen entweder statistisch oder im wesentlichen geometrisch regelmäßig, insbesondere rasterartig, angeordnet sein können.
In jedem Fall kann das in dem Explosivstoff verteilt einge- lagerte und gegebenenfalls diesen umhüllende elektromagnetische Strahlung absorbierende Medium auf beliebige Weise, z.B. durch Erhitzung und gegebenenfalls mit der Erhitzung einhergehender Wärmeausdehnung und/oder Verdampfung, Photo- reaktion, Spaltung, Überführen in einen Plasmazustand od. dgl. zur Zündung der Kompaktladung bzw. zur Fragmentierung derselben führen. Die Kompaktladung kann hierbei entweder im wesentlichen pulverförmig sein, wobei die Pulverpartikel einen Aufbau der vorgenannten Art aufweisen, oder die Kompaktladung ist nach Art eines Formteils ausgebildet, wel- ches z.B. in einen Ladungsraum einer Rohrwaffe einbringbar ist .
In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Intensität und/oder das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung des Zündsystems steuerbar ist. Durch eine zeitliche oder auch örtliche Steuerbarkeit der elektromagnetischen Strahlung kann der Druck- Zeit-Verlauf gezielt beeinflußt werden, z.B. einerseits durch gezieltes Nachzünden der entstandenen Fragmente oder durch Erhitzen der Verbren- nungsgase, indem die elektromagnetische Strahlung an die
Resonanzfrequenz derselben angepaßt wird. So ist beispielsweise ein pulsartiges Einkoppeln der elektromagnetischen Strahlung mit gegebenenfalls veränderlicher Frequenz bis zum Austritt des Projektils aus der Mündung der Rohrwaffe denkbar. Ferner kann auf diese Weise die zum Zünden der
Kompaktladung verwendete elekromagnetische Strahlung an die Umgebungsbedingungen angepaßt werden, so daß z.B. bei einer erhöhten Umgebungstemperatur, welche eine erhöhte Abbrand- geschwindigkeit bewirkt, die Intensität der Strahlung ver- ringert werden kann, um nur einen Teil der Einlagerungen aus dem elektromagnetische Strahlung absorbierenden Medium zu aktivieren, die Fragmentierung der Kompaktladung bzw. die Abbrandoberflache zu verringern und die temperaturbedingte Erhöhung der Abbrandgeschwindigkeit dadurch zu kom- pensieren.
Eine bevorzugte Ausführung sieht vor, daß die elektromagnetische Strahlung eine Wellenlänge von etwa 1 mm bis etwa 1 m (Mikrowellen) aufweist. Selbstverständlich kommt je nach Art des elektromagnetische Strahlung absorbierenden Mediums auch elektromagnetische Strahlung anderer Wellenlängenbereiche, z.B. Ultraviolett, Infrarot od. dgl. in Frage, wobei die Wellenlängenbereiche entweder laserartig schmalbandig oder plasmaartig breitbandig sein können. Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung richtet sich vornehmlich nach dem Absorptionspektrum des jeweiligen elektromagnetische Strahlung absorbierenden Mediums, wobei sichergestellt sein muß, daß das verwendete Medium für den gewählten Wellenlängenbereich ein höheres Absorptionsvermö- gen als der jeweilige Explosivstoff der Kompaktladung aufweist .
Die elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise mittels eines in die Kompaktladung reichenden Emittors, wie einer Antenne, in die Kompaktladung einkoppelbar sein, oder
die elektromagnetische Strahlung ist mittels die Kompaktladung umgebender Emittoren in die Kompaktladung einkoppel - bar. In jedem Fall kann die Kompaktladung in einer Kartusche angeordnet sein, was insbesondere für die Handhabung einer im wesentlichen pulverförmigen Treibladung vorteilhaft ist.
Als elektromagnetische Strahlung absorbierendes Medium wird zum einen aufgrund seiner Verträglichkeit mit den meisten Explosivstoffen, zum anderen aufgrund seines hohen Absorptionsvermögens für elektromagnetische Strahlung in einem breiten Frequenzbereich vorzugsweise Kohlenstoff, insbesondere Ruß , verwendet .
Nachstehend ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Treibladungsanordnung bei Rohrwaffen;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Treibladungskorns ;
Fig. 3 ein Druck-Zeit-Diagramm einer herkömmlichen Treibladung mit chemischen Zündmitteln und
Fig. 4 ein Druck-Zeit-Diagramm einer erfindungsgemäßen Treibladungsanordnung .
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Rohrwaffe 10 mit einem (abgebrochen dargestellt) Lauf 12 und einem Ladungsraum 11, in welchem eine Treibladung 4 in Form einer Kompaktladung untergebracht ist. Die Kompaktla-
düng 4 besteht z.B. aus einem Pulver aus einem Explosivstoff oder einer Explosivstoffmischung und einem verteilt eingelagerten elektromagnetische Strahlung absorbierenden Medium, z.B. Ruß. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das elek- tromagnetische Strahlung absorbierende Medium 3 in den Treibladungspartikeln 1 der Kompaktladung in regelmäßiger Anordnung eingelagert, wobei es den Explosivstoff 2 in rasterartig angeordneten Schichten durchsetzt. Im Lauf 12 befindet sich ein Projektil 13, dessen Heck in den Ladungs- räum 11 hineinragt. Zum Zünden der Treibladung 4 ist ein Zündsystem 5 mit einem steuerbaren Mikrowellengenerator 6 vorgesehen. Die von dem Mikrowellengenerator 6 erzeugte elektromagnetische Strahlung ist über eine Antenne 7 in den Ladungsraum 11 einkoppelbar .
Nach Zünden der Kompaktladung 4 mittels des Mikrowellengenerators 6 werden die Partikel 1 der Kompaktladung 4 entlang den Rußschichten 3 in im wesentlichen regelmäßige Fragmente zerlegt und die Fragmente in das bei Abbrand der Kompaktladung 4 erzeugte Gasvolumen beschleunigt. Zugleich setzt der Abbrand der Fragmente ein und findet die Umsetzung der Treibstoff -Fragmente aus der Kompaktladung 4 statt. Das Projektil 13 wird auf einer längeren Strecke gleichmäßig mit annähernd konstantem Druck beaufschlagt und verläßt den Lauf 12 mit der gewünscht hohen Mündungsgeschwindigkeit bei gegebenenfalls abgesenktem Mündungsdruck.
In Fig. 3 ist der Druck- Zeit -Verlauf einer herkömmlichen Treibladung mit der Kurve 15 wiedergegeben. Der Druck p steigt expotentiell auf einen Maximaldruck pmax an und fällt etwas weniger steil mit zunehmender Beschleunigung ,des Projektils zur Laufmündung hin expotentiell ab.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, läßt sich durch die erfindungs- gemäße Treibladungsanordnung ein Druckverlauf gemäß Kurve
16 erzeugen, die bei einem etwas voreilenden Anstieg ein ausgeprägtes Druckplateau 17 mit zeitverzögertem Druckabfall zeigt. Hierdurch kann bei einer erhöhten Antriebsleistung, für die das Druck-Zeit- Integral maßgeblich ist, der Maximaldruck pmax verringert bzw. bei gleichem Maximaldruck eine erhöhte Antriebsleistung erzielt werden.