DE4120067C2 - Geschoß zum Verschießen aus einem Ram-Beschleuniger und Ram-Beschleuniger hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Geschoß zum Verschießen aus einem Ram- Beschleuniger, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie einen RAM-Beschleuniger gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Ein solcher Ram-Beschleuniger bzw. eine solche Ram-Kanone und das zugehörige Geschoß sind beispielsweise bekannt aus der Schrift "The Ram-Accelerator ..." von Hertzberg, Bruckner und Bogdanoff, veröf­ fentlicht auf dem 37. Meeting der Aeroballistic Range Association vom 9. bis 12. September 1986 in Québec, Kanada.

Gemäß dieser Schrift wird ein von einem Treibspiegel umgebener Ge­ schoßkörper in einem Vorbeschleuniger etwa mittels einer Treibla­ dung beschleunigt und dann nach Entfernen der Treibspiegelteile in ein glattes Rohr koaxial eingeschossen, das mindestens an den Enden mit jeweils einer Membran verschlossen ist und mit einem explosiven Gasgemisch gefüllt ist. Die Eintrittsgeschwindigkeit des Geschoß­ körpers in das Gasgemisch sollte dabei mindestens gleich der Schallgeschwindigkeit des verwendeten Gasgemisches sein.

Der im wesentlichen rotationssymmetrische Teil der Außenoberfläche des bekannten Geschoßkörpers ist so geformt, daß er gemeinsam mit der diese mit Abstand umgebenden Innenoberfläche des genannten Roh­ res einen düsenförmigen Staukanal bildet. In diesem zündet das Gas­ gemisch, und zwar bei Unterschallverbrennung hinter dem Heck des Geschoßkörpers, bei Überschallverbrennung hinter der reflektierten Kopfwelle des Geschoßkörpers.

In jedem Fall entsteht hinter dem Geschoßkörper ein sich mit diesem mitbewegender Bereich erhöhten Gasdrucks, der den Geschoßkörper ständig beschleunigt, bis er das Ram-Beschleunigerrohr verläßt.

An der Außenoberfläche des Geschoßkörpers sind Führungsstege ange­ bracht, die diesen an der Innenoberfläche des Rohres abstützen und führen. Ein solcher Geschoßkörper kann wegen seiner als Leitflächen wirkenden Führungsstege im übrigen nicht drallstabilisiert sein.

Wegen dieser Ausbildung des Geschoßkörpers ist die Verwendung eines Treibspiegels im Vorbeschleuniger unverzichtbar; die Teile dieses Treibspiegels müssen aber, wie schon oben erwähnt, abgefangen werden, bevor der Geschoßkörper in das Beschleunigerrohr eintritt, was nur mit großem baulichem Aufwand möglich ist.

Um diesem Nachteil abzuhelfen, wurde bereits vorgeschlagen, die Führungsstege im Rohr selbst auszubilden, wobei die innenliegenden Enden der Führungsstege eine kalibergroße Führung bilden. Hierbei ist es möglich, den Geschoßkörper in einer herkömmlichen Kanone, deren Bohrung dem Geschoßkörperkaliber entspricht, vorzubeschleuni­ gen, ohne daß man einen Treibspiegel benötigt (DE 38 08 655 A1).

Ein solches mit Stegen versehenes Beschleunigerrohr, das grundsätz­ lich an der den Geschoßkörper führenden Oberfläche auch mit Zügen ausgebildet sein könnte, ist jedoch in der erforderlichen Maßhal­ tigkeit nur unter großem Aufwand herstellbar und weist eine nur ge­ ringe Haltbarkeit auf, da die Stege bei jedem Schuß über die gesam­ te Länge des Beschleunigerrohres einer hohen thermischen sowie mechanischen Belastung ausgesetzt sind und deshalb gerade an der den Geschoßkörper führenden Oberfläche durch Erosion rasch ausbrennen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Geschoß zu finden, das in einem kalibergroßen Ram-Beschleunigerrohr ohne spezielle Füh­ rungsstege verschossen bzw. beschleunigt oder nachbe­ schleunigt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfin­ dung, eine für dieses Geschoß besonders geeignete Be­ schleunigungseinrichtung zu finden.

Außerdem soll die thermische und mechanische Belastung der führenden Innenoberfläche des Ram-Beschleunigerrohres ge­ mindert und damit die Rohrerosion reduziert werden.

Allen diesen Anforderungen genügt das Geschoß des An­ spruchs 1, das bevorzugt aus einer Beschleunigungseinrich­ tung des Anspruchs 9 verschossen wird.

Hierbei ist erfindungsgemäß der Staukanal nicht, wie be­ kannt, rings um das Geschoß herum ausgebildet, sondern durchsetzt mittig den Geschoßkörper, so daß dieser etwa die Form eines Hohlzylinders aufweist. Die Einlaßöffnung des Staukanals ist von einer schneidenartigen Kante umge­ ben.

Zwar sind schon Geschosse bekannt, die einen axialen Durch­ gangskanal aufweisen (DE-OS 27 12 807), doch dieser Durch­ gangskanal dient ausschließlich außenballistischen Zwecken (Verringerung des Flugwiderstandes), während der Staukanal des erfindungsgemäßen Geschosses innenballistisch wirksam ist. Ferner ist dieser Druckschrift kein Staukanal ent­ nehmbar, der erkennbar der geometrischen Forderung des An­ spruchs 1 entspricht.

Die das Kaliber bestimmende Außenoberfläche des erfin­ dungsgemäßen Hohlgeschosses wird hierbei im kalibergleichen Ram-Beschleunigerrohr geführt.

Bei Überschallverbrennung findet diese innerhalb des Stau­ kanales statt und erhitzt den Geschoßkörper; die Innen­ oberfläche des Ram-Beschleunigerrohres wird hierbei nur mittelbar erwärmt. Bei Unterschallverbrennung geht die Verbrennung von der Mitte des Ram-Beschleunigerrohres aus und nicht von dessen Randoberfläche; auch in diesem Fall ist die thermische Belastung des Rohres und seiner Innen­ oberfläche stark gemindert.

Andererseits gelangt das Gasgemisch, das in den Staukanal ein­ strömt, nur mit einer sehr geringen und noch dazu mit stets der­ selben Oberfläche in Berührung, nämlich der Innenoberfläche des Ge­ schoßkörpers, die den Staukanal bildet.

Im übrigen weist der Querschnitt des Staukanals entlang der Achse des Geschoßkörpers im wesentlichen dieselbe Geometrie auf wie der bekannte, einen vollen Geschoßkörper umfangsseitig umgebende Stau­ kanal.

Bei Verwendung eines glatten Ram-Beschleunigerrohres genügt es, die Außenfläche des Geschoßkörpers im wesentlichen als glatten Kreiszy­ lindermantel auszubilden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch besonders von Vorteil, an der Außenseite des Geschoßkörpers minde­ stens einen Dichtungs- und/oder Führungsring vorzusehen, der sei­ nerseits mit der Innenoberfläche des Ram-Beschleunigerrohres in Gleiteingriff steht. Dieses kann auch mit Zügen mit konstantem oder progressivem Drall versehen sein. Die Dichtungs- und Führungsringe übernehmen hierbei die Führung und Abdichtung des Geschoßkörpers gegenüber der Rohrwandung.

Bevorzugt ist ein Dichtungsring an der Vorderkante des erfindungsgemäßen Geschosses angeordnet, der wirksam das Einströmen des brennbaren Gasgemisches in den Ringspalt zwischen Geschoß und Rohr verhindert.

Außerdem kann bei einer glatten Rohrwandung deren reibungsbedingter Verschleiß durch solche Ringe gemindert werden, und eventuelle Maßänderungen am Geschoß, etwa durch Erwärmung, und am Rohr, etwa durch Erosion, können ausgeglichen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Ge­ schoßkörper im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet.

Dies bedeutet, daß die Geschoßspitze von einer kreisförmigen, den Einlaß umgebenden, schneidenartigen Kante gebildet wird.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß im Gegensatz zu den bekannten Ram-Beschleunigern somit eine experimentelle Optimie­ rung der Geometrie des Staukanals ohne weiteres möglich ist, ohne daß die Außenabmessungen des Geschoßkörpers oder gar die Innenab­ messungen des Ram-Beschleunigerrohres geändert werden müssen.

Außerdem ist eine einfache Fertigung von Rohr und Geschoß möglich.

Soweit überhaupt eine Vorbeschleunigung des Geschoßkörpers vorge­ nommen wird und diese mittels eines auf diesen einwirkenden Gas­ druckes erzielt wird, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung am Geschoßheck ein Verschlußkolben angeordnet, der bei­ spielsweise kalibergroß sein kann und somit das gesamte Geschoßheck und damit auch den Auslaß des Staukanals von hinten her abdeckt.

In diesem Fall kann der Verschlußkolben als Treibspiegel gegenüber den Treibgasen im Vorbeschleuniger abdichten.

Der Verschlußkolben kann aber auch als ein Verschlußpfropfen ausge­ bildet sein, der im Auslaß des Staukanals sitzt und diesen somit gegenüber von hinten einwirkenden Gasen abdichtet. Diese Ausgestal­ tung hat gegenüber dem kalibergroßen Verschlußkolben den Vorteil der geringeren, im Vorbeschleuniger zu beschleunigenden Masse.

In jedem Fall wird der Verschlußkolben dann, wenn der Geschoßkörper im Ram-Beschleunigerrohr vom Gasgemisch mit Überschallgeschwindig­ keit angeströmt wird, von diesem nach hinten weggeblasen.

Um diese Abtrennung des Verschlußkolbens zu erleichtern, kann aber auch gegebenenfalls eine Abtrennladung vorteilhaft sein, die gezün­ det wird, wenn oder kurz bevor der Geschoßkörper in das Ram-Be­ schleunigerrohr eingeschossen wird bzw. in diesem vom Gasgemisch beaufschlagt wird.

Durch die Abtrennung des Verschlußkolbens kann auch vorteilhaft ei­ ne Zündeinrichtung zum Zünden der durch den Staukanal hindurchge­ tretenen Gase ausgelöst werden, die dann vorteilhaft ist, wenn die Anströmung des Geschoßkörpers noch verhältnismäßig langsam erfolgt.

Das erfindungsgemäße Hohlgeschoß kann als einstückiger Hohlkörper ausgebildet sein, enthält aber gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung Subgeschosse oder ist aus diesen zusam­ mengesetzt.

Das Hohlgeschoß kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung auch als Nutzlastträger ausgebildet sein, wobei Aushöhlungen zur Aufnahme der Nutzlasten vorgesehen sein können.

Es ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auch von Vorteil, innerhalb des Staukanales ein zentrales Wuchtgeschoß anzu­ ordnen, soweit dieses aufgrund seiner Oberflächenausbildung zur Formung des Staukanales beiträgt oder dessen Strömung nicht unge­ bührlich stört.

Die Erfindung bezieht sich nicht nur auf ein Geschoß zum Verschießen in einer Ram-Beschleunigungseinrichtung, sondern ausdrücklich auch auf eine solche, zum Verschießen des erfindungsgemäßen Ge­ schosses eingerichtete Ram-Beschleunigungseinrichtung gemäß Anspruch 9.

Der Gegenstand der Erfindung wird anhand der beigefügten, schemati­ schen Zeichnung beispielsweise noch näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 die Geometrie des im schematischen Längsschnitt gezeigten erfindungsgemäßen Ram-Hohlgeschosses,

Fig. 2 die Stoßwellen des angeströmten erfindungsgemäßen Hohlge­ schosses, im Längsschnitt,

• a) bei Unterschallverbrennung und
• b) bei Überschallverbrennung, und

Fig. 3a) und b) zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines am Heck des im Längsschnitt dargestellten Hohlgeschosses sitzenden Verschlußkolbens.

In allen Figuren sind durchgehend die gleichen Bezugszeichen ver­ wendet. In jeder Figur ist jeweils im Längsschnitt ein Ram-Be­ schleunigerrohr 7 angedeutet, das in der Darstellung eine glatte, kreiszylindrische Innenoberfläche aufweist.

In diesem Ram-Beschleunigerrohr befindet sich jeweils ein Ram-Hohl­ geschoß 4, das als ein kreiszylindrischer Körper ausgebildet ist, der dichtend, aber verschieblich im Rohr 7 sitzt und axial so aus­ gedreht ist, daß er einen durchgehenden düsenförmigen Staukanal 1 aufweist, dessen Durchmesser vom Einlaß 2 aus bis zu einer Engstel­ le konvergiert und nach dieser bis zu einem Auslaß 3 hin wieder di­ vergiert, wobei der Durchmesser der Einlaßöffnung mit dem Außen­ durchmesser des Geschosses 4 übereinstimmt, der Durchmesser der Aus­ laßöffnung dagegen kleiner sein kann.

In jeder der Figuren befindet sich im Rohr 7 rechts vom Geschoß 4 ein explosives Gasgemisch mit hohem Druck, das durch den Staukanal 1 strömt, wobei die Anströmung des Einlasses 2 mindestens mit Schallgeschwindigkeit erfolgt.

In Fig. 1 ist der Halbwinkel des Einlasses 2 mit α bezeichnet und so gewählt, daß die an der Projektilspitze beginnende kegelför­ mige Kopfwelle mit ihrer Spitze an der Engstelle liegt, die mit dem Radius r₁ bezeichnet ist. Der Radius der Einlaßöffnung und des Kalibers von Rohr 7 und Geschoßkörper 4 ist mit r bezeichnet. Die axiale Länge des Einlasses 2 ist mit a bezeichnet.

In der Engstelle beginnt die reflektierte Kopfwelle. Der Auslaßra­ dius r₂, die Länge b des Auslasses und der Konuswinkel β des Aus­ lasses sowie die anderen Abmessungen sind so festgelegt, daß die in Fig. 2 gezeigten Betriebszustände erreicht werden.

In Fig. 2a und 2b ist die Zone beginnender Verbrennung jeweils mit 5 bezeichnet. Die jeweilige Strömungsgeschwindigkeit ist anhand der Schallgeschwindigkeit M (für das jeweilige Gasgemisch) bezeichnet.

Je nach dem Geschwindigkeitsbereich der Relativgeschwindigkeit zwi­ schen Hohlgeschoß 4 und anströmendem Gasgemisch erfolgt die Ver­ brennung entweder, wie in Fig. 2a gezeigt, in einer Unterschall­ strömung mit senkrechtem Stoß im divergenten Düsenauslaß 3 oder, wie in Fig. 2b gezeigt, hinter einer schiefen Detonationswelle im Überschall.

In Fig. 3a und b ist ein Verschlußkolben 6 bzw. Verschlußpfropfen 6' gezeigt, der den Staukanal 1 im Geschoßkörper 4 heckseitig ver­ schließt. Ein solcher Verschlußkolben ist etwa dann erforderlich, wenn das Geschoß in einer Pulver- oder Druckgaskanone vor dem Ein­ tritt in das Ram-Beschleunigerrohr 7 vorbeschleunigt wird, kann aber weggelassen werden, wenn die Vorbeschleunigung auf andere Wei­ se erfolgt, etwa mittels eines wandernden Magnetfeldes, oder wenn das gegenüber der Umgebung ruhende Geschoß vom Gasgemisch ange­ strömt wird, wie das etwa dann der Fall ist, wenn man das Geschoß in das Ende eines Ram-Beschleunigerrohres noch hinter der hinter­ sten Membran einsetzt, also außerhalb des Druckgasraumes anordnet, und dann durch Zerstören der Membran das Druckgas durch den Stauka­ nal 1 zur Umgebung hin austreten läßt (Beschleunigung aus dem Stillstand bzw. ohne Vorbeschleunigung).

Befindet sich das Geschoß beim Start innerhalb des Druckgasraumes, dann ist der Verschlußpfropfen 6' zweckmäßig, wie er in Fig. 3b gezeigt ist; dieser Verschlußpfropfen 6' kann mittels einer Auslö­ seeinrichtung (nicht gezeigt) dichtend und lösbar im Auslaß 3 des Staukanales 1 festgehalten werden. Der gesamte Geschoßkörper kann dagegen am Ende eines Ram-Beschleunigerrohres gegen den Innenrand eines Verschlusses dichtend anliegen, der von einer nahezu kaliber­ großen Öffnung durchsetzt ist. In diesem Fall benötigt das Ram-Be­ schleunigerrohr 7 keine hintere Dichtungsmembran, sondern der Ge­ schoßkörper 4 selbst dichtet gegenüber dem Druck des Gasgemisches ab.

Wird die Auslöseeinrichtung ausgelöst, dann wird der Verschluß­ pfropfen 6' nach hinten aus dem Auslaß 3 des Staukanales 1 durch die Öffnung des Verschlusses geschossen, und das Gasgemisch strömt durch den Staukanal 1 nach außen. Es muß lediglich das Druckgefälle zwischen dem unter Druck stehenden Gasgemisch und der Umgebung so gewählt werden, daß eine genügend rasche Anströmung des Staukanals 1 erfolgt. Am Verschluß können Glühdrähte angeordnet sein, die zu­ sammen mit der Auslösung des Verschlußpfropfens 6' erregt werden und das austretende Gasgemisch zünden, dessen Verbrennungsdruck dann auf den vom Verschluß ausgesparten Teil des Hecks des Geschoß­ körpers 4 einwirkt und diesen nach vorne beschleunigt. Wenn die Druckeinwirkung durch den Staukanal so lange genügend hoch ist, daß die Relativgeschwindigkeit zwischen zwischen Geschoß­ körper und Anströmung mindestens immer Schallgeschwindig­ keit erreicht, gelingt das Abfeuern des Geschosses ohne dessen Vorbeschleunigung und aus dessen Stillstand heraus.

Claims (9)

1. Geschoß zur Beschleunigung in einem, mit einem zünd­ fähigen Druckgasgemisch gefüllten Ram-Beschleunigerrohr,

• 1. - dessen Geschoßkörper (4) von einer mittigen, einen Stau­ kanal (1) bildenden Längs-Durchgangsbohrung (1) durch­ setzt ist,
• 2. - bei der der Durchmesser (2r) der Einlaßöffnung (2) im wesentlichen dem Außendurchmesser entspricht,
• 3. - wobei die Anströmgeschwindigkeit am Eintritt des Ram-Be­ schleunigerrohres mindestens Mach 1 ist und
• 4. - die Geometrie des Staukanals (1) so gewählt ist, daß durch die Verbrennung des Druckgasgemisches ein Geschoß­ vortrieb erzeugt wird.

2. Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es am Außenumfang mindestens einen Dichtungs- und/oder Führungsring aufweist.

3. Geschoß nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Außenfläche des Geschoßkörpers (4) im wesentlichen der eines Kreiszylinders entspricht.

4. Geschoß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeich­ net durch einen den Ausgang (3) des Staukanals (1) von hinten her verschließenden, nach hinten von diesem ab­ trennbaren Verschlußkolben (6; 6').

5. Geschoß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkolben als ein in den hinteren Abschnitt (3) des Staukanals (1) eingesetzter Verschlußpfropfen (6') ausgebildet ist.

6. Geschoß nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Geschoßkörper (4) nach dem Abschuß abtrennbare Subgeschosse aufweist oder aus diesen zusammen­ gesetzt ist.

7. Geschoß nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß inmitten des Staukanals (1) ein zum Ge­ schoßkörper (4) koaxiales Wuchtgeschoß angeordnet ist.

8. Geschoß nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Geschoßkörper (4) mindestens eine Aushöhlung zur Aufnahme von Nutzlast aufweist.

9. Beschleunigungseinrichtung für ein Geschoß nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Abschuß der Geschoßkörper (4), dessen Staukanal (1) ver­ schlossen ist, das Ram-Beschleunigerrohr dichtend ver­ schließt.