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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leistungssteuerung eines Wirksystems umfassend wenigstens ein Zündsystem, wenigstens eine Sprengladung mit oder ohne umgebende Hülle, die ihrerseits auch splitterbildend ausgeführt sein kann.
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In der Vergangenheit stand die Maximierung der Wirkung von Gefechtsköpfen im Vordergrund der Entwicklungen, inzwischen erfordern Einsatzszenarien der Streitkräfte Gefechtskopfsysteme mit einer flexiblen Wirkung. Gegen weiche und halbharte Einzel- und Flächenziele, die meistens stationär sind, werden Blast-/Splittergefechtsköpfe eingesetzt, die z. T. auch über eine Penetrationsfähigkeit gegen Infrastrukturziele und/oder schwimmende Plattformen verfügen. Die maximale Wirkung eines klassischen Gefechtskopfes bekämpft dabei nicht nur das gewünschte Ziel, sondern ruft regelmäßig auch unbeabsichtigte Schäden hervor (Collateral Damage). Wirkungs- und Schadensflächen um den Treffpunkt/Detonationsort sind unter Umständen sehr groß und in ihrer Größe nicht direkt veränderbar.
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Im Gegensatz dazu ist die Wirkung flexibler Gefechtskopfsysteme präziser und an das Ziel anpassbar, am Boden mit der Zündereinstellung oder nach Möglichkeit auch noch im Einsatzgebiet (z. B. cockpit selectable). Damit können unbeabsichtigte Schäden zumindest reduziert und im Idealfall vermieden werden.
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Aus der
DE 19961204 C2 und der
DE 10008914 C2 ist je ein Gefechtskopf mit zwei gegenüberliegenden Zündketten zur Skalierung von Wirkungs- und Schadensflächen bekannt geworden. Bei entsprechender Wahl der Verzögerungszeiten wird ein Teilbereich der Sprengladung detonativ und der andere deflagrativ umgesetzt. Beide weisen folgende Eigenschaften auf:
- – Bei sehr später Initiierung des Detonators wird ein großer Anteil der Sprengladung durch eine überlagerte Reaktion umgesetzt. Hierdurch können zwar die Splittergeschwindigkeiten im Vergleich zur Detonation reduziert werden, aber infolge der größeren Splittermassen ändern sich die Wirk- und Schadensbereiche am Boden nicht signifikant. Demzufolge besteht gerade im Zwischenwirkmodus erheblicher Verbesserungsbedarf.
- – Die Aufrechterhaltung einer stabilen Deflagration in Längsachse der Ladung ist kritisch und bis heute nicht zuverlässig nachgewiesen.
- – Die Installation des genannten Deflagrators an der gegenseitigen Stirnfläche des Wirkkörpers bedingt zusätzlichen Raumbedarf und Änderungen der Systemnahtstellen.
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Die hier betrachteten Gefechtsköpfe oder Bomben mit Blastdruck- und Splitterwirkung werden in erster Linie gegen weiche und ggf. auch halbharte Ziele, wie ungepanzerte Fahrzeuge, am Boden stehende Flugzeuge, Radarstellungen und/oder einzelne Personen oder Personengruppen eingesetzt. Auch kann die Wirkung nach Eindringen im Inneren von Infrastrukturgebäuden begrenzt werden. Weitere Anwendungen existieren im küstennahen Umfeld, vor allem auch in Häfen, in denen z. B. kleine, schnelle Piratenboote zum Zielspektrum hinzutreten. Diese Aufgaben werden durch bisher bekannte Lösungsvorschläge nur unzureichend abgedeckt.
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Die
DE 102 22 184 A1 zeigt einen Gefechtskopf mit zwei benachbart angeordneten Zündeinrichtungen in Abhängigkeit vom zu bekämpfenden Ziel einstellbar ist.
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Die
DE 10 2009 017 160 B3 befasst sich mit einem Gefechtskopf, der zum einen eine detonative Initiierung aufweist, die örtlich verschiebbar ist um unterschiedliche Splittergrößen erzielen zu können. Weiterhin weist der Gefechtskopf eine üblicherweise räumlich von der detonativen Initiierung getrennt angeordneten subdetonative Zündvorrichtung auf.
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In der
DE 10 2012 006 044 B3 wird eine Meßvorrichtung für den Verlauf einer in einem Gefechtskopf sich ausbreitenden Deflagrationsfront beschrieben.
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bewährte Idee der Überlagerung einer subdetonativen Reaktion, z. B. einer Deflagration, und einer Detonation zum Zweck der Leistungssteuerung und Eingrenzung der Wirkflächen zu übernehmen, dabei aber die genannten Schwachpunkte zu vermeiden. Weiterhin soll das Prinzip auch auf Wirksysteme mit einem erheblich größeren Formfaktor anwendbar sein und deren Funktionssicherheit erhöhen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem eine Initiierung einer ersten Ladung zu einem ersten Zeitpunkt zur Einleitung einer sich radial ausbreitenden subdetonativen Reaktion in Ladung L2 und eine detonative Initiierung einer zweiten Ladung zu einem zweiten Zeitpunkt t2 ausgelöst wird. Dabei wird der Zeitpunkt der Initiierung der ersten Ladung gegenüber dem Zeitpunkt der Initiierung der zweiten Ladung abhängig vom zu bekämpfenden Ziel variabel eingestellt oder entfällt.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Reaktionsfronten beider Ladungen mit fast der gleichen Geschwindigkeiten in gleicher Richtung der Ladungslängsachse laufen. Dabei entstehen über die gesamte Ladungslänge fast gleiche Überlagerungsverhältnisse, ein entscheidener Vorteil dieser Erfindung gegenüber den vorherigen Anmeldungen. Damit können die Wirkflächen und die Letalität der Wirkkörper wirklich skaliert werden.
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Die beiden Initiierungsorte liegen räumlich unmittelbar nebeneinander, können sogar in einem Zünder mit zwei Zündstellen integriert sein.
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In vorteilhafter Weise erfolgt nach Auslösung der subdetonativen Initiierung zu einem ersten Zeitpunkt anschließend die detonative Initiierung der zweiten Ladung zu einem zweiten Zeitpunkt, z. B. nach errechneten Vorgaben oder mittels einer Auswertung der Messung des Reaktionsfortschritts der ersten Ladung.
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Die Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, die eine erste Zündeinrichtung für die Initiierung einer ersten Ladung, sowie eine zweite Zündeinrichtung für die detonative Initiierung einer zweiten Ladung aufweist, wobei die Anordnung der ersten und der zweiten Zündeinrichtung derart gewählt ist, dass diese Zündeinrichtungen unmittelbar benachbart liegen, und wobei die zweite Zündeinrichtung direkt am heckseitigen Ende der das Wirksystem umschließenden Hülle angeordnet ist.
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In vorteilhafter Weise wird die erste Zündeinrichtung zu einem ersten Zeitpunkt und die zweite Zündeinrichtung zu einem zweiten Zeitpunkt gezündet, wobei gilt t1 ≤ t2 und wobei der zeitliche Abstand zwischen t1 und t2 maßgeblich für das quantitative Verhältnis des subdetonativ umgesetzten Sprengstoffanteils zum detonativ umgesetzten Sprengstoffanteil ist. Die Zündzeitpunkte werden dabei nach Vorgaben gesteuert oder sind spontan einstellbar sind. Es ist ebenso gut möglich, einen der Zündzeitpunkte in Abhängigkeit von dem anderen Zündzeitpunkt und den sich daraus ergebenden gemessenen Reaktionsfortschritt einzustellen.
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Eine Ausführungsmöglichkeit besteht darin, dass die erste Ladung als eine im Bereich der Längsachse des Wirksystems angeordnete Sprengschnur ausgeführt ist. Es ist auch möglich, die erste Ladung als eine Vielzahl parallel zur Längsachse des Wirksystems angeordneten Sprengschnüren auszuführen.
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Eine erfindungsgemäße Alternative besteht darin, dass die Funktion der ersten Ladung als Hohlladung oder als eine mehrere Projektile bildende Ladung ausgeführt ist. Gegebenenfalls kann die Hohlladung mit einer vorgeschalteten Platte versehen sein.
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Eine weitere erfindungsgemäße Alternative besteht darin, dass die erste Ladung durch einen Sprengladungskern mit einer Sprengladung höherer Sensitivität als die zweite Ladung ausgeführt ist. Dieser Sprengladungskern kann auch ummantelt sein, z. B. mit einem Kunststoffmantel.
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Die Vorrichtung kann auch so ausgeführt sein, dass die erste Ladung L1 als eine Vielzahl von im Bereich der Längsachse LA angeordneten Sprengladungskernen mit Sprengladung höherer Sensitivität ausgeführt ist. Diese Sprengladungskerne können auch mit Kunststoff ummantelt sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, ohne dass die Erfindung ausschließlich hierauf beschränkt wäre. Es zeigt
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1: einen Längsschnitt durch ein Wirksystem mit zwei auf einer Seite des Wirksystems angeordneten Zündeinrichtungen;
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2: ein Weg-Zeit-Diagramm einer typischen zylinderförmigen verdämmten Sprengladung gemessen mittels in der Ladung eingelegter VOD-Sonden;
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3: Schnitte durch ein Wirksystem mit gemischt subdetonativer und detonativer Umsetzung des Sprengstoffes.
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Bei den angestrebten subdetonativen Reaktionsprozessen wird in erster Linie die Anfangsgeschwindigkeit der Splitter reduziert, was (unabhängig auch von Splittermassen und -zahlen) letztlich zu einer Verringerung von Wirkungs- und (Kollateral-)Schadensflächen führt. Zudem wird der Blastdruck, insbesondere der erste Spitzenüberdruck, deutlich verringert. Letzteres hängt auch auch von der Verdämmung durch eine Hülle ab.
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Die hier beschriebene Vorrichtung zur Skalierbarkeit initiiert die beispielsweise mittig angeordnete Sprengschnur und die nachfolgende Detonation mittels eines Detonators von der gleichen Seite aus. Dies hat im Wesentlichen zwei Vorteile. Zum einem kommt es durch die angenähert gleiche Detonationsgeschwindigkeit von Sprengschnur und Sprengstoff über die gesamte Ladungslänge zu annähernd gleichen Überlagerungsverhältnissen der beiden Modi subdetonative Reaktion und Detonation. Zum anderen bietet der Einbau eines kompakten Zündsystems anstelle räumlich verteilter Zündstellen Vorteile in Bezug auf Einbau, Kosten und Zuverlässigkeit sowie Wirkungsflächen gegen militärische Ziele am Boden und Schadensflächen gegen nicht militärische Ziele oder Objekte am Boden. Es brauchen keine Kabelkanäle/Verbindungen, weder innen noch außen, vom Heckteil zur Stirnseite geführt werden. Dabei kann die Einleitung der subdetonativen Reaktion (hier beispielsweise die mittig angeordnete Sprengschnur) oder auch durch eine oder auch mehrere, auch gekrümmte, außermittig angeordnete Sprengschnüre oder eine Kombination mehrerer Subdetonationsauslöser bewirkt werden.
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Die Detonationsschnur kann grundsätzlich auch durch eine Hohlladung ersetzt werden, wobei die Wirkung durch das Design der Hohlladung und ggf. durch zusätzliche Vorschaltplatten so eingestellt wird, dass die Sprengladung L2 lediglich zu einer subdetonativen Umsetzung angeregt wird. Die Stachelspitzengeschwindigkeit (ggf. nach der Vorschaltplatte) ist dann so ausgelegt, dass sie in einer ähnlichen Größenordnung wie die Detonationsgeschwindigkeit der Sprengladung liegt.
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Grundsätzlich werden bei der Initiierung eines Wirksystems im Rahmen dieser Erfindung drei unterschiedliche Modi unterschieden, die in der Folge zu unterschiedlichen Wirkungen führen.
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Im Modus für die geringste Wirkung wird mit dem Subdetonator (Deflagrator) eine subdetonative Reaktion ausgelöst, die als Deflagration oder Low Velocity Detonation (LVD) bezeichnet wird. Druck- und Flammenfront der mehrphasigen Reaktionszone sind im Gegensatz zur Detonation räumlich voneinander getrennt und können sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen. Die Geschwindigkeiten hängen auch von der Verdämmung, d. h. Dicke und Festigkeit der Metallhülle, ab. Die Geschwindigkeit der Druckfront liegt im Bereich der Schallgeschwindigkeit des Sprengstoffs, d. h. bei einer Deflagration knapp unter der Schallgeschwindigkeit und bei einer LVD bis zur 1,4fachen Schallgeschwindigkeit. Diese Deflagration wird z. B. durch die Sprengschnur initiiert und pflanzt sich dann von der Gefechtskopfmitte radial nach außen hin fort. Da die Geschwindigkeit dieser Deflagrationsreaktion in der Größenordnung der Schallgeschwindigkeit des Sprengstoffs liegt und damit erheblich langsamer als eine Detonation ist (auch die Sprengschnur wird detonativ umgesetzt), gleicht die Reaktionsfront der Deflagration einem Mach'schen Kegel.
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Im Zwischenwirkmodus, der in 3 schematisch vereinfache dargestellt ist, ergibt sich eine überlagerte Wirkung, die zwischen den Wirkungen einer subdetonativen Reaktion und einer Detonation liegt. Sie kann durch Initiierung des Subdetonators (Deflagrators) und spätere, zeitversetzte Initiierung des Detonators erfolgen. Die Wirkungsreduzierung gegenüber einer reinen Detonation wird dabei umso größer, je größer der Zeitabstand zwischen den Intiierungen von Subdetonator und Detonator ist. Der zeitliche Zündabstand muss mindestens so groß sein, dass abhängig von der Gefechtskopf- oder Bombenlänge die subdetonative Reaktion in keinem Fall überholt wird, insbesondere wenn die Detonationsgeschwindigkeit der Sprengschnur kleiner als die der Sprengladung selbst ist. Die andere Grenze ergibt sich aus der Zeitdauer, nachdem die subdetonative Reaktion den Ladungsrand erreicht und somit die Sprengladung radial vollständig subdetonativ umgesetzt wird.
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Der Zeitverzug des Detonators bestimmt den pyrotechnischen Skalierungsfaktor. Das Zündsystem ist darauf programmierbar. Die Zündverzögerungszeit Δt kann auf mehrere Weise ermittelt werden: einmal aus der kontinuierlichen Messung des Reaktionsfortschrittes (z. B. durch eine oder mehrere entsprechende Sonden in der Sprengladung) oder als Fixwert, bestimmt aus bekannten Größen wie Reaktionsgeschwindigkeiten von z. B. Sprengschnur und radialer Geschwindigkeit der subdetonativen Reaktionsfront. Weiterhin sind die Wirksystemdimensionen zu berücksichtigen. Für jeden Wirkladungstyp ergeben sich so parametrische Datensätze für die jeweils gewünschte Skalierung.
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Im Modus für die maximale Wirkung gilt, je kleiner die Zeitverzögerung zwischen der Initiierung der Sprengschnur und des Detonators gewählt wird, um so höher ist die Ausgangsleistung. Zur Erzielung der maximalen detonativen Umsetzung des Sprengstoffes wird der Subdetonator gar nicht gezündet oder es werden Subdetonator und Detonator gleichzeitig gezündet (die Zeitverzögerung wird auf Null gesetzt). Dann entspricht die Leistung des Wirkteiles der klassischen Zündung mit einer High Order-Detonation der gesamten Sprengladung inklusive der Ladung L1, z. B. der Sprengschnur.
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Ein Ausführungsbeispiel ist beispielhaft in der 1 der Zeichnung dargestellt. Diese zeigt einen schematisch vereinfachten Längsschnitt durch ein Wirksystem, das mit je einer Zündeinrichtung für eine I1 Initiierung der Ladung L1 und für eine detonative Initiierung I2 der Ladung L2 ausgestattet ist. Beide Zündeinrichtungen befinden sich nicht nur auf derselben Seite des Wirksystems, sondern sie sind auch so nahe wie möglich aneinander angeordnet.
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Weiterhin ist außerdem die von der in der Mitte angeordneten Sprengschnur SP ausgehende subdetonative Reaktion, hier einer Deflagration, die aufgrund der für sie typischen Reaktionsgeschwindigkeiten in axialer und in radialer Richtung einem Mach'schen Kegel gleicht.
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Zum Verständnis sind nachfolgend jeweils für unterschiedliche Ladungen beispielhaft typische Fortpflanzungsgeschwindigkeiten der Detonationen und Deflagration angegeben:
- – Detonationsgeschwindigkeit einer Sprengschnur SP: ca. 7000 m/s (fertigungsbedingte Streuungen liegen in der Größenordnung von bis zu 10%);
- – Detonationsgeschwindigkeit der Sprengladung L2: ca. 7400 m/s;
- – Schallgeschwindigkeit der Sprengladung L2: ca. 2000 m/s;
- – Deflagrationsgeschwindigkeit in der Sprengladung L1 < 2200 m/s;
- – Winkel des Mach'schen Kegels ca. 16° (bei den o. a. Geschwindigkeiten).
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Die 2 zeigt eine Anordnung zur Messung des Verlaufs einer subdetonativen Reaktion eines Sprengstoffes, welche mittels einer im Bereich der Längsachse angeordneten Sprengschnur ausgelöst wurde. Der Aufbau der Messanordnung ist in der linken oberen Hälfte des Diagramms dargestellt. Gut zu erkennen ist die ummantelte Sprengladung L1, welche die zentral angeordnete Sprengschnur SP umgibt. In der Sprengladung sind parallel zur Sprengschnur SP zwei Sonden vorgesehen. Die erste Sonde VOD1 ist nahe an der Sprengschnur SP angeordnet und sensiert die Reaktion in unmittelbarer Nähe der Sprengschnur, die andere ist in der Nähe der Hülle HU angeordnet und sensiert den verzögerten Reaktionsverlauf nahe der Hülle.
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Mit der in der Sprengladung SP einsetzenden Reaktion steigen beide Kurven relativ stetig an und weisen eine geringfügig andere Steigung auf. Die im Diagramm angegebenen Geschwindigkeiten in longitudinaler Richtung wurden mittels linearer Regression ermittelt. Die Geschwindigkeit der inneren Sonde VOD1 liegt mit ca. 7200 m/s etwas oberhalb der ebenfalls gemessenen Detonationsgeschwindigkeit der Sprengschnur mit 6900 m/s, aber unterhalb der Detonationsgeschwindigkeit der Sprengladung von 7400 m/s. Am Ladungsrand setzt sich die Sprengladung etwas langsamer um, ist allerdings nach wie vor deutlich durch die Sprengschnur gesteuert. Mit Hilfe des bekannten Abstands der beiden Sonden lassen sich Reaktionsgeschwindigkeiten in radialer Richtung bestimmen, die dann im Bereich der Schallgeschwindigkeit der Sprengladung liegen.
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Das Signal der äußeren Sonde VOD3 zeigt außerdem zu Beginn der Messung einen steileren Anstieg der Geschwindigkeit als im weiteren Verlauf. Erklären lässt sich dies dadurch, dass am Ladungsrand die Reaktion und ein damit verbundener Druckanstieg erst später einsetzen (geometrische bedingte Anlaufeffekte). Am anderen Ladungsende, d. h. zum Ende der Messung, klingt die Reaktion am Ladungsrand bereits nach ca. 200 mm Ladungslänge ab. Dies ist auf die fehlende Sprengschnur im unteren Ladungssegment zurückzuführen, die dazu führt, dass die Reaktion zunächst in einen Abbrand übergeht und schließlich gänzlich ausstirbt. Somit wird kein ausreichender Druck erzeugt, um einen Kurzschluss der Sonde hervorzurufen, der dann indirekt durch eine Messeinrichtung gemessen werden kann.
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In der 3 ist vereinfacht der Zwischenmodus für die reduzierte detonative Umsetzung der Sprengladung L2 dargestellt. Durch Einstellung einer längeren Verzögerungszeit zwischen den Zündzeitpunkten von I1 und I2 wird ein Teil der Sprengladung L2 subdetonativ, also mir geringer Wirkung, umgesetzt. In der Figur ist der zentrale helle Teil DFU die Darstellung des subdetonativ umgesetzten Teils und der dunklere Teil DTU, der den helleren umgibt, die Darstellung des detonativ umgesetzten Teils der Sprengladung. Der Schnitt AA' verdeutlicht die konzentrische Anordnung der beiden Teile DFU und DTU.
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Betrachtet man als konkretes Anwendungsbeispiel eine MK84 Dumb Bomb als Skalierungsbeispiel, so ergeben sich etwa folgende Parameter:
- • Radius der Sprengladung von 15 cm–20 cm, daraus folgt:
- • Zeit der vollständigen deflagrativen Umsetzung radial im Mittel ~90 μs,
- • Zeitverschiebung der beiden Detonationsfronten über 3 m Lauflänge aufgrund unterschiedlicher Geschwindigkeiten ~30 μs,
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Daraus ergeben sich grob folgende Zündverzögerungszeiten Δt:
| • Minimale Wirkleistung: | > 1 ms | >> keine Detonatorzündung |
| • 30% der Vollleistung: | 70 μs | |
| • 60% der Vollleistung: | 40 μs | |
| • Maximale Wirkleistung: | 0 s | >> bzw. nur Detonatorzündung |
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Das beschriebene Wirkprinzip ist jedoch nicht auf diese Bombe beschränkt, sondern auf nahezu alle Wirkkörper auch mit Blast-/Splitterwirkung anwendbar.