DE3325868A1 - Elektromagnetische abschussvorrichtung - Google Patents

Description

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Elektromagnetische Abschußvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Abschußvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Mit elektromagnetischen Abschußvorrichtungen für Projektile können verschiedene Arten von Projektilen auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden. Einige der möglichen Anwendungen für derartige Abschußvorrichtungen erfordern außerdem eine schnelle Wiederholungsrate für aufeinanderfolgende Schüsse, beispielsweise beim Einschuß von Brennstofftabletten in einen Kernfusionsreaktor, bei der Verbindung von Materialien durch Aufprallstöße und bei Waffen.

Elektromagnetische Abschußvorrichtungen für Projektile können bekanntlich aus einem Paar von im allgemeinen parallel zueinander angeordneten leitfähigen Schienen bestehen, einem leitfähigen und zwischen den Schienen gleitenden Anker, einer Quelle eines starken Stroms und einem Schalter, um den Strom auf die Schienen und durch den Anker umzuleiten. Der in dem Anker fließende Strom erzeugt eine Kraft, mit der ein Projektil längs der Abschußschienen beschleunigt wird. Verschiedene Projektilkonfigurationen wurden bisher vorgeschlagen, wobei im allgemeinen die Projektile mit einem metallischen Anker oder mit einem Plasmaanker ausgestattet sind. Ein Projektil mit einem metallischen Anker besitzt an seiner Grundfläche ein leitfähiges Element, das über Gleitkontakte den Strom von einer Abschußschiene

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schiene zur anderen leitet. Diese Anker weiden irr allgemeinen aus einem flexiblen, in der Art einer Bürste geformtem leitfähigen Material hergestellt, das durch die elektromagnetischen Kräfte, die auch das Projektil beschleunigen, gegen die Abschußschienen gedrückt wird. Ein Projektil mit einem Plasmaanker verwendet als leitfähigen Pfad einen elektrischen Lichtbogen. Durch den Einsatz einer Abdichtung zwischen dem Projektil und dem Lauf kann das Plasma nicht am Projektil vorbei entweichen und überträgt so die an ihm angreifenden elektromagnetischen Kräfte auf das Projektil. Der Vorteil eines Plasmaantriebs liegt in der sehr geringen Masse, so daß im wesentlichen die gesamte Energie für die Beschleunigung in die Nutzlast der Abschußvorrichtung gelangt. Andererseits kann ein sich langsam bewegendes Plasma zu einer Beschädigung der Schienen während der Anfangsphasen der Projektilbeschleunigung führen. Die vorliegende Erfindung betrachtet insbesondere den Schalter, mit dem der starke Strom in die Abschußschienen umgeschaltet wird. Durch eine neuartige Konstruktion dieses Schalters soll eine hohe Wiederholungsrate und ein schnelles Wiederaufladen mit Projektilen erreicht werden, denen außerdem eine hohe Anfangsgeschwindigkeit aufgeprägt wird.

Für den Umschalter sind schon mehrere Ausführungsformen bekannt geworden, bei denen der Schalter während einer anfänglichen Ladephase den Strom leitet und anschließend zum Abschuß in die Abschußschienen verlagert. Bei diesen bekannten Umschaltern wird im allgemeinen ein Schaltanker verwendet, der den Strom während der Ladephase führt und anschließend durch elektromagnetische Kräfte über eine isolierende Oberfläche getrieben wird, um den Strom in die Abschußschienen und den Abschußanker zu verlagern. Der Schaltanker weist im allgemeinen Stoßdämpfer auf, mit dem

er wieder in Ausgangsstellung gebracht werden kann. Schaltanker

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anker wurden für Abschußvorrichtungen vorgeschlagen, die metallische oder Plasmaantriebsanker verwenden. Die Vorrichtungen mit Schaltankern beruhen auf der schnellen Bewegung des Schalters, um den Strom in den Anker zu verlagern; bevor ein neuer Abschuß eingeleitet werden kann, muß außerdem die Vorrichtung wieder neu geladen werden. Beim wiederholten Gebrauch des Schaltankers wird dieser infolge des beim Umschalten entstehenden Lichtbogens stark abgenutzt.

Um eine höhere Wiederholungsrate zu erzielen, wurden auch rotierende Umschalter vorgeschlagen, bei denen verschiedene Anordnungen von isolierenden und leitfähigen Abschnitten eines rotierenden Rades stationäre Stromquellen kontaktieren. Die Rotation des Rades schaltet den Strom von den stationären Stromquellen zu den Abschußschienen.

Unabhängig von der Art des verwendeten Umschalters kann während der Anfangsphase der Beschleunigung eines Projektils im Lauf der Abschußvorrichtung eine schwere Beschädigung der Abschußschienen auftreten. Diese Beschädigung kann in vernünftigen Grenzen gehalten werden, wenn der Abschußanker entsprechend konstruiert wird und wenn das Projektil mit einer Anfangsgeschwindigkeit ausgestattet ist, die ausreichend hoch liegt, um die Energiedichte auf den Abschußschienen im Verschlußteil der Abschußvorrichtung zu reduzieren.

Weder die Schaltanker noch die rotierenden Umschalter ermöglichen den Betrieb einer elektromagnetischen Abschußvorrichtung mit hohen Wiederholungsraten über längere Zeiträume. Schnelle Schußfolgen erfordern ein Verfahren zum schnellen Laden der Projektile, zum raschen Umschalten

des

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des Stroms in die Abschuß? ■'hienen, zur Aufprägung einer Anfangsgeschwindigkeit auf die Projektile v.id, wenn erforderlich, zur Einleitung eines Plasmaantriebs. Außerdem muß der Schalter so ausgelegt sein, daß er durch langer anhaltende Schußfolgen nicht abgenutzt wird.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Abschußvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine schnelle Schußfolge über längere Zeiten erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch gekennzeichnete Erfindung gelöst; Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine elektromagnetische Abschußvorrichtung für Projektile nach der hier vorgeschlagenen Erfindung weist die folgenden Bestandteile auf: ein Paar von im allgemeinen parallel zueinander angeordneten leitfähigen Schienen, die einen Lauf bilden, mit einem als Verschluß ausgebildeten Ende und einem Mündungsende; eine Quelle eines starken Stromes, die mit den Schienen verbunden ist; eine elektrisch leitende Kartusche, die im Verschlußteil des Laufes über Gleitkontakte elektrisch mit den Schienen verbunden ist und eine Druckkammer sowie eine Öffnung aufweist, in die ein Projektil eingeführt wird; Vorrichtungen, mit denen der Druck in der Druckkammer erhöht werden kann, um das Projektil längs der Kartusche zu beschleunigen und den elektrischen Kontakt zwischen Kartusche und Schienen zu unterbrechen; und Vorrichtungen, um den elektrischen Strom zwischen den Schienen zu leiten, nachdem die Kartusche keinen elektrischen Kontakt mehr mit den Schienen bildet. Die Vorrichtungen zur Druckerhöhung in der Druckkammer können verbrennbare Materialien sein, die in der Kammer angebracht werden, die dann eine geeignete Zündvorrichtung enthält.

Wenn

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Wenn einmal der elektrische Kontakt zwischen Kartusche und Schienen unterbrochen ist, wird der Strom zwischen den Schienen durch einen metallischen Anker oder einen Plasmaanker geleitet. Im Fall eines Plasmaankers kann das Plasma als Folge der Verbrennung des brennbaren Materials erzeugt worden sein.

Ein Schalter, mit dem der Strom zwischen den beiden leitfähigen Schienen einer elektromagnetischen Abschußvorrichtung geleitet werden kann, und der den Strom auf einen leitfähigen Anker zwischen den Schienen umschaltet, besteht nach der hier vorliegenden Erfindung aus folgenden Bestandteilen: einer elektrisch leitenden Kartusche mit einer Druckkammer und einer Öffnung, in die ein Projektil eingeführt wird; Vorrichtungen, mit denen der Druck innerhalb der Druckkammer erhöht werden kann, um das Projektil zur Mündung der Abschußvorrichtung zu beschleunigen und gleichzeitig die Kartusche in entgegengesetzter Richtung zu beschleunigen; und Vorrichtungen, mit denen der Strom zwischen den Schienen geführt und das Projektil längs der Schienen beschleunigt werden kann, nachdem die Kartusche keinen elektrischen Kontakt mehr mit den Schienen bildet. Die Vorrichtungen, mit denen der Strom zwischen den Schienen geführt wird, kann ein elektrisch leitfähiger metallischer Anker sein , der anfänglich innerhalb der Druckkammer angeordnet, aber elektrisch von der Kartusche isoliert ist, oder es kann sich um einen Plasmaanker handeln, der durch die Verbrennung innerhalb der Druckkammer erzeugt wird.

Unabhängig von der Art des verwendeten Ankers werden die folgenden Schritte durchgeführt, um den Strom aus einem Paar von elektrisch leitfähigen Schienen in den leitenden Anker zu verlagern: es wird eine leitfähige Kartusche in

elektrischen

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elektrischen Kontakt mit den leitfähigen Schienen gebracht, wobei die Kartusche eine Druckkammer und eine Öffnung aufweist, in die ein Projektil eingeführt wird; es wird ein Strom durch die Schienen und die Kartusche erzeugt; innerhalb der Druckkammer wird ein Druck erzeugt, um das Projektil in Richtung der Mündung der leitfähigen Schienen zu beschleunigen; zwischen den Schienen wird ein Strom über einen Anker geführt; der elektrische Kontakt zwischen der Kartusche und der. Schienen wird unterbrochen. 10

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Abschußvorrichtung für Projektile

nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Abschußvorrichtung für Projektile nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

die Figuren 3, 4 und 5 vergrößerte Ansichten des Verschlußteils der Abschußvorrichtung nach Fig. 2 mit Angabe der relativen Lage der Schienen und der Kartusche während der verschiedenen Phasen 5 einer Abschußsequenz.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer im Stand der Technik bekannten elektromagnetischen Abschußvorrichtung für Projektile. Bei dieser Vorrichtung ist eine Stromquelle 10, die einen starken Strom liefert und aus einer Reihenschaltung eines Gleichstromgenerators 12, eines Schalters 14 und einer Drosselspule 15 besteht, mit einem Paar von im allgemeinen parallel zueinander angeordneten leitfähigen Schienen 18 und 20 verbunden. Der Schalter

verbindet

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verbindet die leitfähigen Schienen 18 und 20 an ihrem Verschlußteil und ermöglicht es, den Strom aus der Stromquelle 10 in die Schienen 18 und 20 zu verlagern. Der Anker 24, der als stromführendes Element zwischen den Schienen 18 und 20 dient, ist mit einem wahlweise vorhandenen isolierenden Führungsring 26 und dem Projektil 28 verbunden. Der Anker 24 kann entweder ein metallischer auf den Schienen gleitender Anker sein oder ein Plasma. Wenn ein Plasmaanker verwendet wird, dient der isoliernde Führungsring 26 dazu, den Lauf zwischen den Schienen 18 und 20 abzudichten, um so einen Durchtritt des Plasmas um das Projektil 28 zu verhindern. In einer anderen Ausführungsform kann das Projektil 28 so gestaltet sein, daß es selbst den Lauf abdichtet. Während einer Abschußsequenz sind die Schalter 14 und 22 anfänglich geschlossen, um so den Stromfluß durch die Drosselspule 16 zu ermöglichen. Wenn in der Spule 16 ein vorbestimmter Wert des Stromes erreicht wurde, der einem gewünschten Energiepegel entspricht, wird der Schalter 22 geöffnet, um so den Strom von der Quelle 10 in die Schienen 18 und 20 und durch den Anker 24 zu verlagern. Dieser Stromfluß durch die Schienen und den Anker erzeugt eine Kraft auf den Anker, die das Projektil längs der Schienen beschleunigt.

Fig. 2 zeigt eine elektromagnetische Abschußvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 2 ist der Umschalter 22 von Fig. 1 durch einen Umschalter ersetzt, der in Form einer Kartusche ausgestaltet ist. Die Kartusche 30 wird aus elektrisch leitendem Material hergestellt, und weist eine Druckkammer 32 und eine Öffnung 34 auf, in die eine Projektilanordnung eingesetzt werden kann. Die Kartusche 30 wird zwischen ein Paar von im allgemeinen parallel zueinander angeordneten leitfähigen Schienen 36 und 38 so angeordnet, daß sie einen

Gleitkontakt

O O Z O O Ό ö

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Gleitkontakt zu den Schienen bildet. Die Isolation 40 und 42 liegt längs der inneren Oberflächen der leitfähigen Schienen 36 und 38 in deren Verschlußteil. Diese Isolation weist eine Länge auf, die kleiner ist als die · Länge der Kartusche 30, so daß ein elektrischer Kontakt zwischen der Kartusche 30 und den Schienen 3 6 und 3 8 längs der Oberflächen 44 bzw. 4 6 besteht. Da die Projektilanordnung in diesem Ausführungsbeispiel einen metallischen Anker 24 verwendet, ist die Isolation 48 und 50 längs der inneren Oberfläche der Kartasche 30 angeordnet, um einen vorzeitigen Stromfluß über den Anker 24 zu vermeiden. Die Druckkammer 32 kann mit einem brennbaren Material gefüllt sein, das über einen Zünder 52 bei Beginn der Abschußsequenz gezündet wird. Ein wahlweise vorhandener isolierender Führungsring 26 dient zur Positionierung des Projektils 28 und zur Abdichtung des Laufs, wenn ein Plasmaanker verwendet wird.

Die Betriebssequenz der elektromagnetischen Abschußvorrichtung nach Fig. 2 ist folgendermaßen:

1. Die Kartusche 30 mit dem Projektil 2 8 im wahlweise vorhandenen Führungsring 26 und dem Anker 24 wird in den Verschlußteil der Abschußschienen 36 und 38 geladen und bildet einen Gleitkontakt mit den Schienen.

2. Der Schalter 14 wird geschlossen, um die Drosselspule 16 zu laden. Der Strom fließt vom Generator 12 über die Spule 16, die Schiene 36, die Kartusche 30 und die Schiene 38 zurück zum Generator 12. Die isolierenden Oberflächen und 50 unterbinden einen Stromfluß im Anker 24 und verhindern so einen vorzeitigen Abschuß.

3. Wenn die in der Drosselspule 16 gespeicherte induktive Energie einen gewünschten Pegel erreicht hat, löst ein

mechanisches

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mechanisches oder elektrisches Signal die Zündeinrichtung 52 aus, die das brennbare Material in der Druckkammer 32 zündet.

4. Der Druck in Kammer 32 bewirkt, daß die Projektilanordnung sich in Richtung auf die Abschußschienen bewegt, während gleichzeitig die Kartusche 30 in Rückwärtsrichtung getrieben wird.

5. Der Strom durch die Kartusche 30 fließt nun in den Anker 24, da dieser die isolierenden Oberflächen 48 und 50 verläßt und den metallischen Teil der Kartusche 30 kontaktiert.

6. Das Projektil bewegt sich weiter nach vorne in die leitfähigen Schienen 36 und 38, während die Kartusche 30 weiter nach rückwärts wandert. Wenn die Kartusche 30 ausreichend weit nach hinten gewandert ist, unterbindet die Isolation 40 und 42 am Verschlußende der leitfähigen Schienen 36 und 38 den Stromfluß in der Kartusche 30 und verlagert so den gesamten Strom in den Anker 24.

7. Der Druck in der Druckkammer 32 prägt dem Projektil eine Anfangsgeschwindigkeit auf, so daß die Erosion der Schienen verringert wird. Der Druck, der bei einem Abschuß erforderlich ist, kann aus der geforderten minimalen Anfangsgeschwindigkeit des Projektils bestimmt werden, die erreicht werden muß, um die Beschädigung der Schienen in annehmbaren Grenzen zu halten. Außerdem kann die Verbrennung des Materials in Kammer 32 ein Plasma erzeugen, das als Anker für ein Projektil mit einem Plasmaanker dient.

8. Die in der rückwärtigen Bewegung der Kartusche 30 enthaltene Energie kann dazu ausgenützt werden, einen Lade-

mechanismus zu bedienen, der eine neue Anordnung aus Projektil

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jektil und Kartusche in die Schienen 36 und J8 einsetzt. In einer anderen Ausführungsform kann -f-^r in der Kartusche erzeugte Druck auch einen Kolben betätigen, der eine Vorrichtung zum Auswurf und zum Laden der Kartusche auslöst. Die Vorrichtung zum Neuladen kann ähnlich ausgestaltet sein wie die einer konventionellen Repetierwaffe.

Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen den Verschlußteil der Abschußvorrichtung von Fia- 2 während verschiedener Phasen einer Abschußsequenz. Fig. 3 zeigt die Abschußvorrichtung im geladenen schußbereiten Zustand. Der Ladestrom aus der Quelle 10 fließt vom Anschluß 54 der Schiene 3 6 über den Körper der Kartusche 30 zum Anschluß 56 der Schiene 38, wie es durch die Pfeile in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Isolation 48 und 50 verhindert, daß der Strom durch den Projektilanker 24 fließt, was zu einem vorzeitigen Abschuß führen würde. Zu einem geeigneten Zeitpunkt wird die Zündeinrichtung 52 ausgelöst, die die Verbrennung in der Kammer 32 einleitet und dort einen Druck erzeugt.

In Fig. 4 erzeugt der Druck in Kammer 32 eine Kraft, die gleichzeitig das Projektil 28 und die Kartusche 30 beschleunigt. Wenn ein Plasmaanker verwendet werden soll, kann die Verbrennung des Materials in Kammer 32 einen Plasmaanker erzeugen, der schließlich den Strom zwischen den Schienen 36 und 38 trägt. Wenn sich die Kartusche 30 nach hinten in Bewegung setzt, teilt sich der Strom und fließt sowohl durch die Kartusche 30 als auch durch den Anker 24 des Projektils. Die Aufteilung des Stroms wird durch den Kontakt des Ankers 24 mit dem metallischen Teil der Kartusche 30 bewirkt, wenn sich diese nach hinten bewegt. Diese Bewegung nach hinten drängt den Strom an der Vorderkante der Schienenisolierung 40 und 42 zusammen und fängt an, eine Umschaltspannung zu erzeugen.

Fig. 5

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Fig. 5 zeigt die Stellung der Kartusche 30 und des Projektils 28, wenn die Kartusche 30 hinter die Schienenisolierung 40 und 42 gelangt. Diese Isolierung verhindert, daß ein Strom durch die Kartusche fließt , so daß der gesamte Strom in die Schienen. 36 und 38 und den Anker 24 gelangt. Die Kartusche 30 und das Projektil 28 können beide eine ausreichend hohe Geschwindigkeit erreichen, um zu verhindern, daß während dieser Umschaltphase des Betriebs eine Beschädigung der Schienen auftritt. Die Geometrie der Umschaltvorrichtung unterstützt den Umschaltprozeß, da der Strom nicht in einen völlig verschiedenen Pfad verlagert werden muß; stattdessen gleitet die Umschaltkartusche nur aus dem bevorzugten Strompfad hinaus, während sie gleichzeitig durch den Anker des Projektils ersetzt wird.

Wenn ein Plasmaanker verwendet wird, muß ein Führungsring 26 vorgesehen sein, der den Lauf abdichtet und sicherstellt, daß das Plasma nicht vor das Projektil gelangen kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Führungsring 36 ausreichend dick gemacht wird, so daß die Vorderkante des Führungsrings 26 die Punkte 62 und 64 der Schienen 36 bzw. 38 passiert hat, bevor die Hinterkante des Führungsrings 26 die Endpunkte 58 und 60 der Kartusche verläßt. Dadurch wird die Möglichkeit eines Plasmalecks um den Führungsring 2 6 herum vermieden. In einer anderen Ausführungsform kann das Projektil 28 entsprechend gestaltet werden, um die Abdichtung des Laufes zu bewirken.

Wenn das Projektil 28 längs der Schienen 36 und 38 beschleunigt wird, bewegt sich die Kartusche 30 weiter nach hinten und wird aus dem Verschlußteil der Abschußvorrichtung ausgeworfen. Diese nach hinten gerichtete Bewegung

oder

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oder der Druck in der Druckkammer kann zu ^aden eines Mechanismus verwendet werden, der automatisch eine frische Kartusche und ein Projektil in die Abschußschienen einsetzt. Das Laden der neuen Kartusche erlaubt dann einen neuen Abschußzyklus.

Mit einer elektromagnetischen Abschußvorrichtung der hier vorgeschlagenen Art können also Projektile mit hoher Wiederholungsrate abgeschossen werden. Da eine Umschaltkartusche verwendet werden kann, die nach einmaligem Gebrauch weggeworfen wird, kann die Abschußvorrichtung auch kontinuierlich mit hoher Wiederholungsrate betrieben werden. Die Verbrennung innerhalb der Druckkammer der Kartusche prägt dem Projektil eine Anfangsgeschwindigkeit auf, um die Beschädigung der Schienen zu verhindern und kann außerdem ein Plasma zur Verfügung stellen, wenn ein Plasmaanker gewünscht ist. Die Verwendung einer Druckkammer erhöht die Geschwindigkeit eines Projektils beträchtlich, da dieser Druck zur Verstärkung der elektromagnetischen Kräfte der Abschußvorrichtung herangezogen wird.

Die Verwendung eines Umschalters nach Art einer Kartusche stellt ein kompaktes, einfaches und bewährtes Verfahren zum Nachladen eines schnellfeuernden Systems dar. Es ermöglicht auch ein Verfahren zur schnellen Verlagerung des Stroms in den Anker eines Projektils mit minimaler Erosion der Systemkomponenten. Die bekannten Nachlademechanismen für Repetierwaffen können bei der hier vorgeschlagenen Abschußvorrichtung verwendet werden.

In der Druckkammer der Kartusche können die verschiedenen bekannten druckerzeugenden Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Zünddrähte, herkömmliches verbrennbares Material, chemische Reaktionen usw.

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Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE

   10

   15-

   IJ Elektromagnetische Abschußvorrichtung für Projektile, die zwischen zwei im allgemeinen parallel zueinander angeordneten leitfähigen Schienen durch elektromagnetische Kräfte eines Stromflusses zwischen den Schienen beschleunigt werden, wobei Umschalter zur Verlagerung des Stroms aus einer Stromquelle in die Schienen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet,

   daß als Umschalter eine elektrisch leitfähige Kartusche (30) verwendet wird, die gleitfähig zwischen die Schienen (36, 38) eingesetzt wird und die folgenden Merkmale aufweist: eine Öffnung zur Aufnahme des Projektils, eine Druckkammer (32),

   eine Vorrichtung zur Erhöhung des Druckes in der Druckkammer, um Projektil und Kartusche in entgegengesetzten Richtungen zu beschleunigen, Vorrichtungen (48, 50), um in der Ruhestellung der Kartusche einen Stromfluß über die elektrischen Kontakte des Projektils (Anker 24) zu verhindern.
2. 2.

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   2. Abschußvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ruhestellung der Kartusche die elektrischen Kontakte des Projektils auf isolierenden Bereichen (48, 50) der Innenseite der Kartusche liegen.
3. 3. Abschußvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer Explosiv- oder Verbrennungsstoffe enthält, die über eine Zündvorrichtung (52) gezündet werden.
4. 4. Abschußvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennnzeichnet, daß die Innenflächen der Abschußschienen an ihrem rückwärtigen Ende so mit Isolierflächen (40, 42) versehen sind, daß die Kartusche in ihrer Ruhestellung nur in ihrem vorderen Teil einen elektrischen Kontakt zu den Schienen aufweist.