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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Explosivstoffladung, die eine aus
explosivem Material bestehende Raumform aufweist und die im Wege
der Explosion eine räumlich anisotrope Druckwirkung in mindestens
eine Hauptwirkungsrichtung entfaltet, in die die Druckwirkung größer
ist als in andere Richtungen.
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Stand der Technik
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Eine
Detonation von Explosivstoff erzeugt in Abhängigkeit von
Menge, Anordnung und Zusammensetzung des Explosivstoffes eine starke
Druckwirkung in der Umgebung des Orts, an dem die Detonation erfolgt.
Die Druckwirkung basiert dabei in aller Regel auf einer chemischen
Umsetzung des Explosivstoffes zu gasförmigen Reaktionsprodukten, den
so genannten Schwaden, die sich mit hohen Temperaturen und Dichten
aufgrund des großen Druckunterschieds zur Umgebung mit
hohen Geschwindigkeiten ausbreiten. Durch die expandierenden Schwaden
wird auch eine sich ausbreitende Stoßwelle in der umgebenden
Luft erzeugt, die den Reaktionsprodukten typischerweise vorauseilt.
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Das
Zustandekommen der Druckwirkung kann am Beispiel der Detonation
eines kugelförmigen Explosivstoffes, einer so genannten
Kugelladung, illustriert werden. In Folge einer Zündung
der Kugelladung aus dem Zentrum heraus und anschließender
Detonation breiten sich eine Luftstoßwelle sowie die Schwaden
vom Zentrum der Detonation ausgehend gleichmäßig
in alle Raumrichtungen, d. h. isotrop, aus, wobei die Temperatur
der Reaktionsprodukte, d. h. der Schwaden, mit zunehmendem Abstand
vom Zentrum abnimmt. Hierbei nimmt gleichfalls auch die Druckwirkung
der Schwaden mit zunehmendem Abstand vom Ort der Detonation stark ab.
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Die 2a und
b zeigen in Diagrammdarstellung zwei Momentaufnahmen bezüglich
der Druckausbreitung bei der Explosion einer Kugelladung. Die Diagramme
zeigen jeweils das räumliche Druck-Profil zum Zeitpunkt
der Momentaufnahme. Längs der Ordinate der Diagramme sind
hierzu Druckwerte und längs der Abszisse Abstandswerte zum
Ort der Explosion, skaliert in Ladungsradien der Kugelladung, angetragen. 2a zeigt die Druckwirkung im so genannten
Nahfeld, d. h. in einem Abstandsbereich vom Explosionsort von nur
wenigen Ladungsradien zu einem frühen Zeitpunkt, wo ein großer
Beitrag der Schwadenströmung zur Druckwirkung gegeben ist.
Man beachte die Druckwerteskalierung in Einheiten von kbar. Die
Gesamtdruckwirkung in den in 2a diskutierten
Abständen von 1–2 Ladungsradien wird sehr überwiegend
vom hohen Strömungsdruck der Explosionsschwaden zu Beginn
der Schwadenexpansion hervorgerufen.
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Zu
einem späteren Zeitpunkt und damit in größerem
Abstand vom Ausgangspunkt der Schwadenexpansion ergibt sich ein
anderes Bild: Bei kugelartigen Explosivstoffladungen geht man typischerweise
davon aus, dass ab einem Abstand von etwa 15 Ladungsradien an so
genannte fernfeldartige Bedingungen vorliegen. Der Abfall des Maximaldrucks vom
Nah- zum Fernfeld kann vier Größenordnungen, d.
h. ein Faktor 10000 oder mehr, betragen. In 2b ist
hierzu die Druckwirkung im so genannten Fernfeld dargestellt, in
dem die vergleichsweise geringe Wirkung der Luftstoßwelle,
man beachte die Skalierung der Druckwerte in bar, dominiert und
die Schwadenströmung kaum noch zur Druckwirkung beiträgt.
Die in 2b bei 9 Ladungsradien Abstand erkennbare
steile Flanke charakterisiert die Front der Luftstoßwelle,
die den Schwaden vorauseilt. Die Luftstoßwelle zeichnet
sich insbesondere durch diese Unstetigkeit im Luftdruck aus.
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Die
Druckwirkung nimmt somit bei ungeformten Ladungen mit der Entfernung
sehr schnell ab. Ist man bestrebt eine Reichweitensteigerung der
Druckwirkung vorzunehmen, so ist eine Vergrößerung
der Sprengstoffmenge keine geeignete Maßnahme. Um bspw.
in 10-fachem Abstand denselben Maximaldruck zur erzielen, ist nach
den Skalierungsgesetzen eine Steigerung der Sprengstoffmasse um
den Faktor 1000 notwendig.
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Zur
Erhöhung der Wirkung in einem vorgegebenen Abstand von
Explosionsort oder zur Vergrößerung der Wirkreichweite
ohne Erhöhung der Explosivstoffmenge ist eine Reihe von
Realisierungsmöglichkeiten bekannt, bei denen in Abkehr
von einer isotropen Wirkungsausbreitung, wie bei der vorstehend beschriebenen
Kugelladung, die Wirkung anisotrop ist. Einige derartige Realisierungen
sind nachstehend kurz skizziert:
So genannte Hohlladungen sehen
eine einseitige Ummantelung einer rotationssymmetrischen Metalleinlage
mit einem Explosivstoff vor, der bei Detonation die Metalleinlage,
die zumeist in Form einer kegel- oder halbkugelförmig ausgebildeten,
dünnwandigen Metallschicht ausgebildet ist, längs
zur Ladungsachse, die der Symmetrieachse der Metalleinlage entspricht,
zu kollabieren vermag. Die Metalleinlage wird nachfolgend strahlartig
längs der Ladungsachse aus der Hohlladung herausgeschleudert.
Der Strahl dehnt sich entlang der Achse aus, bis schließlich
Partikulierung eintritt. Die optimale Wirkung von Hohlladungen,
die z. B. in Waffen zur Bekämpfung gepanzerter Fahrzeuge
eingesetzt werden, ist deshalb auf kurzen Abständen von
einige Ladungsdurchmessern Abstand gegeben, so dass eine Hohlladung
im Allgemeinen als Gefechtskopf auf einem Flugkörper zum Ziel
gebracht und kurz vor dem Ziel ausgelöst wird. Eine derartige
Hohlladung ist beispielsweise in der
DE 31 17 091 C2 ,
DE 33 36 516 A1 oder der
DE 29 13 103 C2 erläutert.
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In
einer Abwandlung einer vorstehend erläuterten Hohlladung
ist es durch Extrusion des Querschnittprofils der Hohlladung in
die laterale Dimension sowie durch geeignete Materialwahl der Metalleinlage
möglich, eine so genannte Linearladung zu erzeugen, die
einen ebenen Partikelstrahl erzeugt, siehe z. B.
DE 37 39 683 C2 . Auch solche
als Schneidladungen bezeichnete Explosivstoffladungen sind in der
Regel dafür ausgelegt, Objekte, wie Stahlträger oder
Panzerungen in kurzem Abstand zu zertrennen.
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In
diesem Zusammenhang sei beispielsweise auf die
DE 11 2005 000 960 T5 verwiesen
in der eine einphasige Wolframlegierung für eine Hohlladungseinlage
beschrieben ist, die über verbesserte Strahlausbildungseigenschaften
verfügt.
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Ferner
sind Spezialformen ausgekleideter Hohlladungen bekannt, die bei
explosiv geformten Projektilen (siehe z. B.
DE 39 41 245 A1 ) zur Bildung eines
zusammenhängenden Penetrators genutzt werden, der über
große Distanzen ballistisch fliegen kann und über
eine hohe Penetrationsleistung verfügt. Grundsätzlich
ist jedoch die Wirkung bei allen bekannten Varianten von Hohlladungen
aufgrund der hohlladungstypischen Metalleinlage strahl- oder projektilartig.
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Es
sind auch die Explosivstoffmenge zumindest teilweise ummantelnde
Kapselungen, z. B. aus Metall, bekannt, die durch die Detonation
in beliebige oder vordefinierte Fragmente aufgebrochen werden. Die
im Nahfeld, d. h. in der unmittelbaren Umgebung des Explosivstoffes,
freigesetzte Energie wird dabei zum Teil zur Beschleunigung dieser
Fragmente, bspw. in Form von Splittern, genutzt, die sich nachfolgend,
begrenzt durch die Verzögerung aufgrund aerodynamischer
Kräfte, über relativ große Entfernungen
hin ausbreiten und somit eine zerstörende Wirkung in größerem
Abstand bewirken können. Im Allgemeinen sind die Reichweite
der Splitter und der durch diese abgedeckte Raumwinkelbereich größer als
erwünscht.
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Anhand
so genannter Zylinderladungen, bei denen der Explosivstoff die Raumform
eines Vollzylinders annimmt, konnte nachgewiesen werden, insbesondere
in Kombination mit einer geeigneten Wahl der die Zündung
an der Explosivstoffladung auslösenden Initiierungspunkten,
dass die Druckwirkung in bestimmten Raumrichtungen erhöht
bzw. verringert werden konnte. Wie von Schraml et al., „Effects of
initiator position an near-field blast from cylindrical charges",
Konferenzbeitrag zu Military Aspects of Blast and Shock (MABS) 17,
Las Vegas, Nevada, USA (2002), gezeigt, kann beispielsweise
durch die simultane Zündung an den Mittelpunkten der Endflächen
einer zylindrischen Ladung erreicht werden, dass es in der Mittelpunktsebene
senkrecht zur Zylinderachse zu einer verstärkten Druckwirkung
kommt. Bestenfalls wird die Ausbreitungsrichtung der Druckwirkung
im Nahfeld dabei in idealisierender Näherung auf eine zweidimensionale
Scheibe begrenzt. Aber auch bei Zylinderladungen ist davon auszugehen,
dass ab einem relativ geringen Abstand nur noch fernfeldartige Bedingungen
vorliegen, in dem die Druckwirkung durch die Schwaden bzw. der Reaktionsprodukte
gering ist und allein durch die Luftstoßwelle dominiert
wird. Insbesondere nimmt auch die Anisotropie der Druckwirkung mit
wachsender Entfernung von der Ladung schnell ab, siehe hierzu beispielsweise: M.
Held „Impulse Method for the Blast Contour of Cylindrical
High Explosive Charges", Propellants, Explosives, Pyrotechnics 24,
17–26 (1999).
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Eine
weitere Möglichkeit zur gerichteten Drucksteigerung ist
der Einsatz von massiven Verdammungen, die die Ausbreitung der Explosionsschwaden
in bestimmte Richtungen unterbinden. Dies ist in einem technischen
Gerät allerdings mit einem erheblichen Zuwachs in der Gesamtmasse
verbunden, was für bestimmte Anwendungen nicht akzeptabel
ist, insbesondere in Fällen, in denen die Masse der Verdämmung
wesentlich größer sein muss als die Sprengstoffmasse.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Explosivstoffladung,
die eine aus explosivem Material bestehende Raumform aufweist und
im Wege der Explosion eine räumliche anisotrope Druckwirkung
in mindestens eine Hauptwirkungsrichtung entfaltet, in die die Druckwirkung
größer ist als in andere Wirkrichtungen, wie dies
beispielsweise bei der vorstehend erläuterten Zylinderladung
der Fall ist, derart weiterzubilden, dass eine deutliche Verbesserung
der Reichweite der Druckwirkung sowie auch der räumlichen
Fokussierbarkeit der Druckwirkung bei der Detonation erreicht werden
sollen. So soll insbesondere eine kontrolliert gerichtete Ausbreitung
der Druckwirkung in eine scharf definierte Raumrichtung möglich
werden. Ausdrücklich gilt es sich Strahl- oder Projektil-artig
ausbreitende Körper oder Splitter zu vermeiden, zumal deren
Reichweite nicht oder nur sehr schwer zu begrenzen ist.
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Die
Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist
im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende
Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren
Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele,
zu entnehmen.
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Lösungsgemäß ist
eine Explosivstoffladung, die eine aus explosivem Material bestehende
Raumform aufweist und im Wege der Explosion eine räumliche
anisotrope Druckwirkung in mindestens eine Hauptwirkungsrichtung
entfaltet, in die Druckwirkung größer ist als
in andere Wirkrichtungen, dadurch ausgebildet, dass die aus explosivem
Material bestehende Raumform einen der Hauptwirkungsrichtung zugewandten,
sich in die Hauptwirkungsrichtung erstreckenden Oberflächenbereich
aufweist, auf dem Partikel aufgebracht sind und/oder auf dem eine
bei der Explosion in Partikel zerfallende Materialschicht aufgebracht
ist. Die Partikel bestehen vorzugsweise aus nicht metallischem Material
und verfügen über eine den Partikeln zuordenbare
Gesamtmasse, die kleiner ist als eine dem explosiven Material zuordenbare Masse.
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Es
ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass eine
sehr markante Erhöhung der Druckwirkung mit zugleich verbesserten
räumlichen Fokussierungseigenschaften – d. h.
eine maximale Druckwirkung kann in einem sehr eng begrenzten Raumbereich
erzielt werden – durch die räumlich geometrische
Ausgestaltung der Raumform des explosiven Materials erzielt werden
kann, ohne dabei an sich bekannte, die Druckwirkung verstärkende
sowie die Anisotropie der Druckwirkung beeinflussende, zumeist aus
massivem Materialien bestehende Verdammungen einzusetzen. Auch können
die angestrebten Ziele ohne jegliche Metalleinlagen erreicht werden,
die bei den eingangs erläuterten Hohlladungen die in diesem
Zusammenhang bekannten Wirkungen entfalten. Auch bedarf es grundsätzlich
keiner, das explosive Material umgebenden Tragstruktur, beispielsweise
in Form einer Kapselung, vielmehr können die angestrebten
Ziele unter Zugrundelegung einer eigenstabilen Formgebung des explosiven
Materials erreicht werden. Dies setzt voraus, dass das explosive
Material zur Ausbildung einer stabilen Raumform geeignet ist und
eine eigenstabile mechanische Tragfähigkeit besitzt ist.
Im Falle von den räumlich nicht eigenstabilen explosiven
Materialien, wie beispielsweise Gele etc., sind entsprechende, die
Raumform des explosiven Materials vorgebende Umhüllungen bzw.
Umkapselungen vorzusehen, die ihrerseits möglichst detonationsneutral
sind, d. h. möglichst keinerlei die Entfaltung der Druckwirkung
bei der Detonation des explosiven Materials negativ beeinträchtigenden
Effekte besitzen.
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Das
der Fokussierung der Druckwirkung bei einer lösungsgemäß ausgebildeten
Explosivstoffladung zugrunde liegende Wirkprinzip sei zur besseren Illustration
anhand eines einfachen möglichen Ausführungsbeispiels
beschrieben. Es sei angenommen, dass das explosive Material eine
Raumform aufweist, die teller- oder schalenförmig ist,
wobei die im Weiteren als Tellerform bezeichnete Raumform rotationssymmetrisch
und dünnwandig ausgebildet ist und insbesondere eine konkav
gekrümmte Oberfläche vorsieht. Es sei ferner angenommen,
dass eine derartige Explosivstoffladung im Bereich des Tellermittelpunktes,
der als Durchstoßpunkt der Symmetrieachse der Tellerform
aufzufassen ist, zur Auslösung bzw. Initiierung der Detonation
einen Zündpunkt vorsieht. Unmittelbar nach dem Zündereignis
erfolgt eine sich symmetrisch um den Zündpunkt längs
der räumlichen Erstreckung der Tellerform explosiv ausbreitende,
chemische Stoffumwandlung, die sich mit einer von der Wahl des explosiven
Materials abhängigen Detonationswellengeschwindigkeit ausbreitet. Aufgrund
der konkav vorgegebenen Tellerform der Explosivstoffladung erfolgt
die Schwadenausbreitung und die damit verbundene Schwadenströmung
primär in Richtung der durch die Tellerform vorgegebene
Rotationsachse, die sich virtuell von dem konkaven Oberflächenbereich
der Tellerform in eine Raumrichtung erstreckt, die in der weiteren
Terminologie als Hauptwirkungsrichtung bezeichnet wird, längs der
sich eine Fokussierung der mit der Schwadenausbildung einhergehenden
Druckwirkung ergibt.
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Nach
derzeitigem Verständnis der mit einer derartigen Raumform
einer Explosivstoffladung verbundenen räumlichen Fokussierung
der sich bei Detonation ausbildenden Druckwirkung längs
einer räumlichen Hauptwirkungsrichtung gilt es, die Schwadenausbreitungsgeschwindigkeit
entlang der Hauptausbreitungsgeschwindigkeit in der Atmosphäre
an die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Detonation im Sprengstoff,
d. h. die Geschwindigkeit mit der sich die chemische Stoffumwandlung
innerhalb des Sprengstoffes ausbreitet, anzupassen. Von großer Bedeutung
scheint hierbei der Neigungs- bzw. Öffnungswinkel zu sein,
unter dem sich der konkav ausgebildete Oberflächenbereich
längs zur Hauptwirkungsrichtung erstreckt. Weist die konkav
ausgebildete Oberflächenform einen sehr großen Öffnungswinkel
auf, d. h. die Tellerform ist sehr flach ausgebildet, so ist die
Geschwindigkeitskomponente, mit der sich die chemische Stoffumwandlung
in Richtung der durch die Konkavform vorgegebene Hauptwirkungsrichtung
ausbreitet, kleiner als im Falle einer sehr stark gekrümmten
Tellerform. Zum anderen ist es möglich, die Schwadenausbreitungsgeschwindigkeit durch
geeignete Wahl des explosiven Materials vorzugeben. Zusammenfassend
kann daher festgestellt werden, dass eine wirksame Fokussierung
der detonationsbedingten Druckwirkung zu beobachten ist, sofern
der Öffnungswinkel der konkaven Oberflächenform
einer lösungsgemäß ausgebildeten Raumform,
die aus explosivem Material besteht, sowie das explosive Materials
derart gewählt werden, so dass die anfängliche Schwadenausbreitungsgeschwindigkeit
in die Hauptwirkrichtung und die Geschwindigkeit, mit der sich die
Stoffumwandlung des Sprengstoff in diese Richtung räumlich
ausbreitet, identisch oder weitgehend identisch sind.
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Selbstverständlich
eröffnet sich eine Vielzahl von Möglichkeiten
für die Ausbildung derartig konkreter Raumformen für
explosives Material zur Realisierung der vorstehend beschriebenen
räumlich gerichteten Fokussierung der mit der Detonation
verbundenen Druckwirkung. So sind neben der vorstehend erwähnten
teller- oder schalenförmigen Raumform, die typischerweise
einen sphärisch oder parabolisch gekrümmten konkaven
Oberflächenbereich vorsieht, auch kegelförmige,
vorzugsweise flachkegelförmige Raumformen denkbar, deren
Kegelöffnungswinkel die sich in Hauptbreitungsrichtung
orientierte Schwadenausbreitungsgeschwindigkeit wesentlich bestimmt.
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Die
vorstehenden Raumformen werden typischerweise lediglich mit einem
einzigen Zündpunkt, an dem die initiale Zündauslösung
erfolgt, versehen, der im Symmetriepunkt der jeweiligen Raumform
angeordnet ist.
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Grundsätzlich
ist es jedoch möglich, bei vergleichbaren oder anders gestalteten
Raumformen mehrere Zündpunkte oder auch Zündflächenbereiche
vorzusehen, um hierdurch eine hinreichende Schwadenfokussierung
längs einer Hauptwirkungsrichtung zu erhalten. In vorteilhafter
Weise bietet es sich an, eine aus explosivem Material gefertigte Raumform,
die nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch um eine Rotationsachse
ausgebildet ist, mit einer Vielzahl räumlich voneinander
getrennter Zündpunkte auszustatten, die beispielsweise
arrayförmig an einem Oberflächenbereich der Raumform
angeordnet sind und die einzeln über eine entsprechende Zündauslöseeinheit
ausgelöst werden können. Bei entsprechender Ausführung
der Raumform der Explosivstoffladung mit einer Vielzahl einzelner
Zündpunkte kann durch die Auswahl der räumlich
verteilten Zündpunkte und deren getrennte Auslösung
eine Leistungssteigerung der Druckwirkung sowie auch eine räumliche
Ausrichtung der Hauptwirkungsrichtung, in die sich die Druckwirkung
ausbreitet, bewirkt werden, ohne dabei die räumliche Orientierung
der Raumform des explosiven Materials zu ändern.
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In
diesem Zusammenhang sei beispielsweise angenommen, dass bei dem
vorstehend beschriebenen Beispiel einer teller- oder schalenförmig
ausgebildeten Raumform rückseitig zum konkaven Oberflächenbereich
eine Vielzahl arrayförmig angeordneter Zündpunkte
vorgesehen ist, deren Zündauslösung im Unterschied
zu einer Zündauslösung ausschließlich
am Ort des Symmetriezentrums anderweitig erfolgt.
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So
können die um die Symmetrieachse der tellerförmigen
Raumform verteilt angeordneten Zündpunkte unter Vorgabe
einer bestimmten Zeitabfolge sowie auch unter Vorgabe eines bestimmten Zündauslösemusters
gezündet werden, das beispielsweise nicht notwendigerweise
die Auslösung aller vorhandenen Zündpunkte vorsieht,
sondern vielmehr nur eine selektive Auswahl von vorhandenen Zündpunkten.
Auf diese Weise ist es möglich, die räumliche
Hauptwirkrichtung längs der eine Fokussierung der detonationsbedingten
Druckwellen erfolgt, vorgebbar zu schwenken ohne dabei die Orientierung
der Raumform der Explosivstoffladung zu verändern.
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Bei
einer derart erzielten Schwadenfokussierung bzw. räumlichen
Variation der Hauptwirkungsrichtung längs der sich die
Druckwirkung maximal entfaltet, ist es erforderlich, eine Anpassung
zwischen der räumlichen Anordnung sowie der zeitlichen
Abfolge der Auslösung der Zündpunkte und den Eigenschaften
des explosiven Materials und dessen Raumform vorzunehmen.
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Weiterhin
ist es ebenso denkbar, neben der Verwendung nur eines einzigen einheitlichen
explosiven Materials zur Ausbildung der Raumform, das über
eine bestimmte Schwadenausbreitungsgeschwindigkeit verfügt,
auch unterschiedliche Explosivstoffe einzusetzen, um die Raumform
auszubilden. Hierdurch können längs der Raumform
der Explosivstoffladung Übergänge mit verschiedenen
Explosivstoffeigenschaften geschaffen werden, die durchaus zielführend
zum Zwecke einer Fokussierung der detonationsbedingten Druckwellen
eingesetzt werden können.
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Wie
bereits vorstehend kurz angesprochen, eröffnet sich eine
nahezu unbegrenzte Vielfalt an möglichen geometrischen
Raumformen für eine Realisierung der lösungsgemäß erkannten
Fokussierung der Druckwirkung längs einer Hauptausbreitungsrichtung.
Neben Teller-, Scheiben- oder Flachkegelformen sind auch andere
Ladungsgeometrien, wie beispielsweise Doppelkonusformen oder vielfältig gekrümmte
Oberflächen, mit konkaver Gesamtkontur und fokussierender
Wirkung denkbar.
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Neben
der vorstehenden, sehr wesentlichen räumlichen Auslegung
der Raumform des explosiven Materials sowie auch der räumlich
und zeitlichen Vorgehensweise zu deren Zündung, ist darüber
hinaus als sehr Wesentlich erkannt worden, dass eine weitere Maßnahme
zu treffen ist, um eine deutliche Erhöhung des Wirkabstandes
der fokussierten Druckwirkung zu erhalten. Diese Maßnahme
betrifft das Vorsehen einer Partikelbeschichtung zumindest auf Teilbereichen
des konkaven Oberflächenbereiches der Raumform. Durch die
Partikelbeschichtung, beispielsweise in Form einzelner Partikel
oder einer, bei der Explosion in Partikel zerfallende Materialschicht, kann
eine deutliche Erhöhung der Druckwirkung in einem gegebenen
Abstand erzielt werden kann.
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Insbesondere
und ausdrücklich bestehen die Partikel nicht notwendigerweise
aus Metall, sondern vorzugsweise aus glasartigen oder keramischen Werkstoffen.
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Lösungsgemäß ist
erkannt worden, dass durch Vorsehen von Partikel oder einer in Partikel zerfallenden
Materialschicht auf dem konkav ausgebildeten Oberflächenbereich
eine entscheidende Erhöhung der Druckwirkung in einem gegebenen
Abstand bewirkt wird. Zwar wird jedes einzelne Partikel bei einem
möglichen Auftreffen auf einer Zielstruktur zur lokalen
Penetration an der Einschlagstelle beitragen, jedoch ist dies nicht
der Grund für eine erhöhte Druckwirkung, vielmehr
lässt sich die markante Erhöhung der Druckwirkung
auf eine Zielstruktur durch das Schwarmverhalten aller Partikel
zurückführen, wobei der Einschlag der Partikelwolke
die Druckwirkung unterstützt. Wesentlich scheint jedoch
zu sein, dass die sich nach der Detonation ausbildende Partikelwolke
die Strömungsvorgänge der Explosionsprodukte nachhaltig
verändert. Ferner soll die den Partikeln zuordenbare Gesamtmasse
kleiner sein als die dem explosiven Material zuordenbare Masse.
Die Partikel sollen daher möglichst nicht metallisch sein, beispielsweise
aus keramischen Materialien bestehen. Durch diese Forderung unterscheidet
sich die lösungsgemäße Explosivstoffladung
insbesondere von jenen Sprengstoffen, denen zur Wirkungssteigerung
Schwermetallpartikel zugesetzt werden, den so genannten Dense-Inert-Metal-Explosives
(DIME).
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Das
Aufbringen der Partikel bzw. einer in Partikel durch Detonation
zerfallenden Materialschicht auf den konkav ausgebildeten Oberflächenbereich
der Raumform wird vorzugsweise mit adhäsiv wirkenden Substanzen
zur Herstellung einer innigen Verbindung zwischen Partikel und Raumform vorgenommen,
die ihrerseits geeignet ausgewählt sind und somit einen
positiven Beitrag zur Gesamtwirkung leisten können.
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Durch
die Wahl der Partikelgröße und damit auch der
Masse der Partikel kann darüber hinaus ausgeschlossen werden,
dass sich die Partikelwolke unkontrolliert weit vom Ort der Detonation
ausbreitet, wie dies beispielsweise bei den Penetratoren aus konventionellen
Projektilsprengstoffladungen der Fall ist. Die lösungsgemäße
Explosivstoffladung ermöglicht eine räumlich extrem
gerichtete Druckwirkung, deren Wirkweite vordefinierbar ist. Die
Druckwirkung in großem Abstand vom Ort der Explosivstoffladung kann
vergleichbar zur Wirkung einer Kugelladung sein, die sich direkt
in Kontakt mit einer Zielstruktur befindet. Wesentlich ist, dass
sich die extrem hohe Druckwirkung der lösungsgemäß ausgebildeten
Explosivstoffladung in großem Abstand von der Ladung nur
in einem definierten Raumwinkelbereich entfaltet, dessen Richtung
im Wesentlichen durch die geometrische Ausbildung der Raumform und
der Zündweise vorgebbar ist. Die Reichweite der Partikelwolke
ist bei gegebener Partikel-Gesamtmasse und Sprengstoffmenge durch
die Auswahl von Größe, Masse und Form der Einzelpartikel
beeinflussbar.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
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1 Perspektivische
Darstellung einer flachkegeligen Explosivstoffladung,
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2a, b Diagrammdarstellungen zur Veranschaulichung
der Druckwirkung im Nah- und Fernfeld (Stand der Technik),
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3 Gegenüberstellung
der Druckwirkung einer an sich bekannten Zylinderladung mit einer
lösungsgemäß ausgebildeten Explosivstoffladung,
sowie
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4a–e
Mehrseitenansicht einer mit schalenförmiger Raumform ausgebildeten
Explosivstoffladung, Ausführungsform einer lösungsgemäß ausgebildeten
Explosivstoffladung mit zwei und mehr Zündpunkten.
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Wege zur Ausführung der Erfindung,
gewerbliche Verwendbarkeit
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Bei
der lösungsgemäßen Explosivstoffladung,
die sich letztlich einzig und allein durch die Kombination einer
bestimmt vorgegebenen Raumform aus explosivem Material sowie mit
an einem bestimmten Oberflächenbereich der Raumform vorgesehenen
Partikeln und/oder mit einer durch die Detonation im Partikel zerfallenden
Materialschicht ergibt, kommt es im Wesentlichen darauf an, dass
die geometrische Ausbildung der Raumform sowie die Wahl des explosiven
Materials derart gewählt sind, dass sich in Abhängigkeit
von der Zündweise ein für die weitere Ausbreitung
günstiger zeitlicher räumlicher Verlauf der Front
der sich ausbreitenden chemischen Stoffumwandlung und einer damit
einhergehenden resultierende Schwadenausbildung durch die freie Atmosphäre
ergibt.
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Für
den Fall einer, auf einen räumlichen Punkt gerichteten
rotationssymmetrischen Raumform, erfüllt beispielsweise
die in den 1 perspektivisch dargestellte
Flachkegelladung. Die als Flachkegel ausgebildete Explosivstoffladung 1 weist
einen konkaven Oberflächebereich 2 auf, der sich
in der Figurdarstellung in die Zeichenebene kegelförmig
in den Bereich der Kegelspitze 3 zusammenlaufen verjüngt.
Die Raumform ist dünnwandig mit einer Wandstärke
von einigen Millimetern bis zu einigen Zentimetern, je nach Wahl
des Flachkegeldurchmessers, ausgebildet. Ausdrücklich wird
darauf hingewiesen, dass sowohl an der in der 1 sichtbaren
konkaven Oberfläche 2 als auch an der nicht sichtbaren
Rückseite keine Verdämmungsschichten zwingend
vorgesehen sind, die die Detonationswirkung des explosiven Materials,
aus der die flachkegelige Raumform der Explosivstoffladung 1 besteht,
beeinflusst.
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Bei
einer konkreten Realisierungsform sieht die Flachkegelform einen Öffnungswinkel
von etwa 130° vor, wobei als explosives Material Nitropenta (PEIN)
gewählt ist und die Zündung im Zentrum 3 der Flachkegelladung
erfolgt, da in diesem Fall die durch die Raumform mitbestimmte Laufzeit
in dem explosiven Material auf die Detonationsgeschwindigkeit der Explosivstoffladung
abgestimmt ist.
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Eine
Fokussierung der sich durch die Detonation der Explosivstoffladung 1 ausbildenden
Druckwirkung ist längs der Kegelsymmetrieachse A, längs der
sich der konkave Oberflächenbereich 2 der Explosivstoffladung
sich konisch erweiternd erstreckt, zu beobachten.
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Neben
der speziellen Wahl der Raumform der Explosivstoffladung 1 trägt
eine nicht weiter dargestellte Belegung der konkav ausgebildeten
Oberfläche 2 mit aus nichtmetallischen Partikeln,
beispielsweise in Form von Glasperlen oder anderen nichtmetallischen,
vorzugsweise aus keramischen Werkstoffen bestehenden Partikeln,
mit einer Partikelgröße bis hinab zu Mikro- oder
Nanometern dazu bei, die Reichweite der nahfeldartigen Druckwirkung aufgrund
einer gerichteten Schwadenströmung längs der Hauptwirkungsrichtung
A drastisch zu erhöhen. Erst durch das Vorsehen der an
dem konkaven Oberflächenbereich 2 aufgebrachten Partikel
P oder einer entsprechenden Materialschicht, die im Wege einer Detonation
in eine Vielzahl von Partikeln zerfällt, ist eine drastische
Steigerung der Reichweite der Druckwirkung erzielbar. Zwar tragen
die Partikel bei Auftreffen auf einer Zielstruktur zu einem gewissen lokalen
Penetrationseffekt bei, die drastische Erhöhung der Reichweite
der Druckwirkung ist jedoch durch die Gesamtwirkung des Systems
durch die sich ausbreitende Schwadenströmung kombiniert
mit der partikulären Strömung von Zusatzstoffen
bestimmt.
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Anhand
der in 3 gezeigten Bilddarstellungen kann ersehen werden,
wie groß der Druckunterschied zwischen einer an sich bekannten
Zylinderladung, gemäß 3 (oben)
und einer lösungsgemäß ausgebildeten
Flachkegelladung mit Partikelbeschickung, gem. 3 (unten),
sein kann. So sei angenommen, dass in 3 (oben),
linke Darstellung im Zentrum, die Zylinderladung mit horizontal
verlaufender Zylinderachse angeordnet ist, die linksseitig an längs
der Zylinderachse gezündet wird. Zur Erfassung der Druckwirkung
sind ein Drucksensor Nr. 1 längs der Zylinderachse und
zwei Drucksensoren Nr. 2 jeweils beidseitig senkrecht zur Zylinderachse
angeordnet. Anhand des Druck/Zeit-Verlaufes, der in dem Diagramm
getrennt für die Sensoren 1 und 2 dargestellt
ist, kann ersehen werden, dass sich längs der Zylinderachse
eine leicht erhöhte Druckwirkung (siehe Graph Nr. 1) im
Vergleich zu der von den Sensoren 2 erfassten Druckwirkung
einstellt. In 3 (unten) ist eine identische
Situation bezüglich der zu erfassenden Druckwirkung dargestellt,
jedoch wird in diesem Fall eine Flachkegelladung mit einem einzigen,
an der Spitze der Flachkegelladung angebrachten Zündpunkt,
zur Detonation gebracht. Auch in diesem Fall sind die Druckwirkungen
in dem nebenstehenden Diagramm getrennt für den Sensor 1 längs der
Flachkegelachse sowie der Sensoren 2 dargestellt. Deutlich
ersichtlich ist die weitaus größere Druckwirkung
längs der Hauptwirkungsrichtung bei gleichem Abstand im
Vergleich zum Fallbeispiel in 3 (oben).
Zudem ist der ausgeprägte Druckunterschied zwischen den
Sensoren 1 und 2 in 3 (unten)
zu beachten.
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In
den 4a bis e ist eine alternative Raumform zur Ausgestaltung
einer Explosivstoffladung 1 perspektivisch aus unterschiedlichen
Blickwinkeln dargestellt.
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Die
Explosivstoffladung 1 weist in diesem Fall eine schalenförmige
bzw. kalottenförmige Raumform auf, die gem. 4a über
einen sphärisch geformten Oberflächenbereich 2 verfügt.
Anhand der 4b, die eine Seitenansicht der
Explosivstoffladung zeigt ist gleichsam ersichtlich, dass weder
an der konkaven Vorderseite als auch der rückwärtigen Seite
Verdämmungsschichten vorgesehen sind. Die eingezeichnete
Achse gibt die Hauptwirkungsrichtung A an, im Falle einer Zündung
der Explosivstoffladung am Zündpunkt Z1, der von der Symmetrieachse,
gleichbedeutend mit der Hauptwirkrichtung A durchsetzt wird.
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In
den 4c und d ist jeweils die gleiche kalottenförmig
ausgebildete Explosivstoffladung 1 gezeigt aber nun mit
zwei Zündpunkten Z1 und Z2. Wie bereist vorstehend erwähnt
würde eine Zündung der Explosivstoffladung 1 am
Zündpunkt Z1 eine längs der Achse A1 sich fokussierend
ausbildende Druckwirkung bewirken. Wird hingegen die gleiche Explosivstoffladung,
ohne diese räumlich zu schwenken, an dem Punkt Z2 initial
gezündet, so ergibt sich eine um die Hauptwirkungsrichtung
A1 geschwenkte zweite Hauptwirkungsrichtung A2, längs der
sich die Druckwirkung fokussierend ausbreitet. Es kann somit gezeigt
werden, dass durch bestimmte Verlagerung des Zündpunktes
zur Raumform der Explosivstoffladung die Raumrichtung, längs
der sich die Druckwirkung fokussierend ausbreitet, geschwenkt werden kann.
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4e zeigt
eine arrayförmige Anordnung von jeweils fünf Zündpunkten
Z1 bis Z5, die verteilt auf der Rückseite der schalenförmig
ausgebildeten Raumform der Explosivstoffladung 1 aufgebracht sind.
Die einzelnen Zündpunkte Z1 bis Z5 können einzeln,
getrennt oder in Kombination mit einer entsprechenden Zündauslöseeinheit
getriggert werden. So konnte bereits experimentell nachgewiesen
werden, dass eine Steuerung der Hauptwirkungsrichtung, längs
der sich die Druckwirkung fokussierend ausbreitet, durch Variation
der Lage der Zündpunkte möglich ist.
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Mit
einer lösungsgemäßen Explosivstoffladung
wurden bereits erfolgreiche Versuche durchgeführt, mit
denen demonstriert werden konnte, dass Stahlbleche, die in Abständen
von bis zu 5 m vom Ort der Explosivstoffladung angeordnet waren, aufgrund intensiver
kurzzeitiger Druckeinwirkung zum Aufplatzen gebracht werden konnten.
Bei Beabstandung der lösungsgemäß ausgebildeten
Explosivstoffladung in nur einem Meter zu dem Stahlblech ähnelte
das sich an dem Stahlblech ausbildende Schadensbild jenem Schaden,
den eine kugelförmige Ladung gleicher Sprengstoffmasse
in direkten Kontakt zum Stahlblech verursacht. Dies verdeutlicht
das weitaus höhere Druckwirkungspotential der lösungsgemäßen Explosivstoffladung
zum Beispiel gegenüber herkömmlichen kugelförmigen
Ladungen.
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Mit
den lösungsgemäßen Maßnahmen
konnte nachweisbar die nahfeldartige Druckwirkung der Schwadenströmung,
verglichen mit den Ausdehnungen des Nahfeldes einer herkömmlichen
massegleichen Kugelladung, über sehr große Abstände übertragen
werden. Die hierzu erforderlichen Maßnahmen tragen insbesondere
dem Aspekt einer technisch einfachen und kostengünstigen
Realisierung Rechnung und lassen sich überdies mit geringerem Gewicht
realisieren. Gleichzeitig basiert die Erhöhung der Druckwirkung
nicht, wie bei bisherigen vergleichbaren bekannten Lösungen,
auf projektilartigen Eigenschaften oder Splitterwirkungen, da Projektile oder
Splitter entlang ihrer Flugbahn über große Entfernungen
weiter fliegen, während die Druckwirkung von Ladungen,
die nach dem obigen Prinzip ausgelegt sind, in der Reichweite der
Druckwirkung effektiv einstellbar und damit begrenzbar ist. Gefährdungen durch
Splitterflug können somit effektiv ausgeschlossen werden.
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Die
lösungsgemäße Explosivstoffladung lässt
sich durch eine Vielzahl wissenschaftlicher Zwecke, in technischen
Verfahren sowie Apparaten einsetzen, beispielsweise durch Beschleunigung
von Objekten oder zur Umformung von Werkstoffen.
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- 1
- Explosivstoffladung
- 2
- Konkaver
Oberflächenbereich
- 3
- Kegelspitze
- P
- Partikel
- Z
- Zündpunkt
- A
- Hauptwirkungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3117091
C2 [0007]
- - DE 3336516 A1 [0007]
- - DE 2913103 C2 [0007]
- - DE 3739683 C2 [0008]
- - DE 112005000960 T5 [0009]
- - DE 3941245 A1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Schraml et
al., „Effects of initiator position an near-field blast
from cylindrical charges", Konferenzbeitrag zu Military Aspects
of Blast and Shock (MABS) 17, Las Vegas, Nevada, USA (2002) [0012]
- - M. Held „Impulse Method for the Blast Contour of Cylindrical
High Explosive Charges", Propellants, Explosives, Pyrotechnics 24,
17–26 (1999) [0012]