DE3337064C1 - Differenzdruckkolben-Brennkammersystem fuer Rohrwaffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Differenzdruckkolben-Brenn­ kammersystem für Rohrwaffen, mit einer regenerativ ange­ triebenen Treibstoffeinspritzeinrichtung zur Erzeugung von Treibgasen aus flüssigen, insbesondere hypergolen Treibstoffkomponenten, mit einem im Waffengehäuse koaxial zum Waffenrohr axial-beweglich angeordneten Differenzdruck­ kolben mit Treibstoffzuführkanälen und mit einem Ladekol­ ben, der mit Füllkanälen und Ansaugkanälen in Verbindung steht und konzentrisch in dem zylindrischen Schaft des Differenzdruckkolbens, relativ zu diesem axial-beweglich angeordnet ist, wobei der Differenzdruckkolben und der Ladekolben mit einer die Axialbewegung steuernden Ein­ richtung verbunden sind.

Differenzdruckkolben-Brennkammersysteme für Rohrwaffen mit Einrichtungen zur Erzeugung von Treibgasen aus hyper­ golen Treibstoffkomponenten sind an sich bekannt. Die wesentlichen Vorteile von Rohrwaffen oder auch Maschinen­ kanonen mit hypergolem Flüssigtreibstoff gegenüber solchen mit Treibladungspulvern sind das Fehlen einer Kartusche für die Aufnahme der Treibladung, das Fehlen einer Zünd­ einrichtung, der flüssige Aggregatzustand des Treibstoffs, höhere Mündungsgeschwindigkeiten der Geschosse und relativ geringe Erwärmung und Erosion des Waffenrohres.

Aus der DE-OS 31 10 255 ist eine regenerativ arbeitende Flüssigtreibstoff-Geschützvorrichtung mit einer Direkt­ einspritzung bekannt. Diese Vorrichtung entspricht inso­ weit der Gattung des Differenzdruckkolben-Brennkammer­ systems nach der Patentanmeldng. Aus der DE-OS 31 10 255 geht jedoch nicht eine irgendwie geartete Steuerung der Kolben hervor, auch wenn in der Beschreibung von einer möglichen Steuerung einer Kolbenstange zur Erzielung eines programmierten Ablaufs gesprochen wird. Aus diesem sehr allgemeinen Hinweis, der im übrigen in der weiteren Be­ schreibung und in den Zeichnungen keine Ergänzung oder Konkretisierung erfahren hat, ist nicht auf eine Steuer­ einrichtung gemäß dem Anmeldungsgegenstand zu schließen.

Die US-PS 37 63 739 zeigt eine Steuereinrichtung aus einer extern angetriebenen Steuerwalze mit Steuerkurven, in denen Steuerrollen von Kolben einer Flüssigtreibstoff­ waffe abrollen. Mit der Bewegung der Steuerrollen in den Steuerkurven soll aufgabengemäß eine mehr oder weniger schnelle Folge von Zündungen erzielt werden, wobei zu diesem Zweck Öffnungen in Kammerwänden ganz oder teil­ weise, schnell oder langsam geöffnet bzw. geschlossen werden. Die Steuerkurven für den Einspritzkolben, das Rollenventil und den Zündbolzen mit Zündelektrode sind alle völlig gleichgestaltet. Sie verlaufen ringförmig um die Steuerwalze und besitzen eine gleichgestaltete Kurve zu gleichen Zeitpunkten der Walzenbewegung. Dies bedeutet, daß das Einspritzen von Flüssigtreibstoff in die Brennkammer gleichzeitig mit dem Vorgehen des Bolzens zum Zwecke der Zündung geschieht. Relative Kolbenbewe­ gungen zur Erzielung differenzierter Einspritz- und Zünd­ vorgänge sind mit dieser Steuereinrichtung nicht zu er­ zielen.

Ferner zeigen sowohl die DE-PS 17 28 074 als auch die DE-PS 17 28 077 Rohrwaffen, bei denen die Treibstoffein­ spritzung durch einen regenerativ angetriebenen Differenz­ druckkolben geschieht. Während nach der DE-PS 17 28 074 der Einspritzstart und die Zündung durch eine zusätzliche Einspritzvorrichtung vorgenommen werden, erfolgt die Treibstoffansaugung nach der DE-PS 17 28 077 durch einen fremdangetriebenen Vorlauf des Differenzdruckkolbens und der Einspritzstart und die Zündung durch den fremdangetrie­ benen Rücklauf des Differenzdruckkolbens.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Differenzdruckkolben- Brennkammersystem für Rohrwaffen der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem die Ansaug- und Einspritz­ vorgänge regelmäßig zu exakt vorbestimmten Zeitpunkten ablaufen. Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfin­ dung dadurch gelöst, daß die Steuereinrichtung in an sich bekannter Weise aus mit dem Differenzdruckkolben und dem Ladekolben verbundenen Steuerrollen gebildet ist, die in jeweils zugeordneten, nebeneinanderliegend-ringförmig um­ laufenden Steuerkurven einer gemeinsamen Steuerwalze ab­ rollen, welche für den Differenzdruckkolben und den Lade­ kolben bei Ladebeginn eine gleiche Startposition ein­ nehmen und für den Ladevorgang unter einem gleichen Stei­ gungswinkel parallel bis zur entsprechenden Steigung ver­ laufen, wobei die Steuerkurve für den Ladekolben von der erreichten Steigung in die Startposition unter dem gleichen Steigungswinkel zurückgeführt ist und die Steuerkurve des Differenzdruckkolbens die im Bereich der Zündung bis zur Startposition über die Wegstrecke der Steuerwalze in vol­ ler Breite erhalten bleibt, so lange unter einem Stei­ gungswinkel Null weitergeführt ist, bis die Steuerkurve des Ladekolbens die Ebene der Startposition erreicht hat, um daraufhin unter einem Steigungswinkel von nahezu 90° in die eigene Startposition zurückzufallen, wobei die Steuerkurve für den Differenzdruckkolben zur Einstellung verschieden langer Zündverzugszeiten ferner mit ihrer unteren Kurvenkontur einen Abwärtsbogen und mit ihrer unteren Kurvenkontur einen Aufwärtsbogen auf der relativ kurzen Weglänge der Steuer­ walze beschreibt. Die Vorteile dieser erfindungsgemäßen Lösungsmerkmale sind, daß die Steuerkurve für den Lade­ kolben in einem Arbeitszyklus den Ladekolben über die Steuerrolle nach vorne schiebt. Treibstoff aus dem Tank ansaugt, den Ladekolben zurückbewegt und dadurch den Treibstoff hinter den Kopf des Differenzdruckkolbens pumpt. In dem gleichen Arbeitszyklus wird auf der zweiten Steuerkurve der Differenzdruckkolben über dessen Steuer­ rolle synchron mit dem Ladekolben nach vorne geschoben. Während der Ladekolben zurückbewegt wird, wird der Diffe­ renzdruckkolben in der weiteren Phase der Bewegung nach vorne gepreßt und erst kurz vor Erreichen der Steuer­ kurven-Startposition nach erfolgter hypergoler Zündung und regenerativem Antrieb sehr schnell zurückgefahren, was einem schnellen Kolbenrücklauf entspricht. Der Diffe­ renzdruckkolben und der Ladekolben werden also nach der Erfindung in optimaler Weise über die Kurvensteuerung zwangsweise axial bewegt, so daß die Ansaug- und Ein­ spritzvorgänge regelmäßig zu exakt vorbestimmten Zeit­ punkten ablaufen. Diese Zwangssteuerung wirkt sich gerade bei Schnellfeuerwaffen oder Hochleistungsmaschinenkanonen vorteilhaft aus, weil Fehlsteuerungen und dadurch Fehl­ zündungen vermieden werden.

In erfinderischer Weiterbildung kann die Steuerwalze exzentrisch zum Differenzdruck-Kolben und Ladekolben im Waffengehäuse drehbar gelagert sein. Ferner können wahl­ weise für jede Steuerrolle eigene Steuerwalzen vorge­ sehen sein, die miteinander synchron geschaltet sind, und es kann die über eine Außenverzahnung angetriebene Steuerwalze konzentrisch zum Ladekolben im Waffengehäuse drehbar gelagert sein.

In erfindungsgemäßer Weiterbildung kann der Ladekolben einen auf seiner Längsachse verlaufenden, zentralen Zu­ führkanal mit einem den Rückfluß verhindernden Ventil aufweisen und über einen am Schaftende im Waffengehäuse angeordneten Füllraum mit einem Ansaugkanal verbunden sein, während eine im wesentlichen ringförmig um den zen­ tralen Füllraum angeordnete Füllkammer für die zweite Treibstoffkomponente mit einem parallel zur Ladekolben­ längsachse ausgerichteten, außenliegenden Zuführkanal verbunden ist. Die Länge der Füllkammer kann dabei in Ladekolbenlängsachse gemessen gleich oder kürzer sein als die Bewegungsräume für die Axialbewegung des Differenz­ druckkolbens und des Ladekolbens.

In der Zeichnung ist ein Beispiel der Erfindung darge­ stellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Differenz­ druckkolbens mit Kurvensteuerung während des Ladevorganges im Schnitt,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Differenz­ druckkolbens mit konzentrisch angeordneter Steuerwalze,

Fig. 3 den Differenzdruckkolben nach Fig. 1 während des Zündzeitpunktes im Schnitt,

Fig. 4 den Differenzdruckkolben nach Fig. 1 nach erfolgter Schußabgabe im Schnitt,

Fig. 5 die Steuerkurven der Steuerwalze in Ab­ wicklung auf einer Ebene.

In einem Waffengehäuse 1 einer nicht weiter dargestellten Rohrwaffe ist in einer koaxial zur Seelenachse des Waffen­ rohres 2 verlaufenden Bohrung 3 der Differenzdruckkolben 4 axial-beweglich angeordnet. Der vordere und zum Waffen­ rohr 2 hin offene Teil der Bohrung 3 bildet die Brenn­ kammer 5, die ausgehend vom Waffenrohr 2 unter einem re­ lativ flachen Winkel konisch erweitert ist. Konzentrisch im hohl-zylindrischen Schaft 6 des Differenzdruckkolbens 4 ist relativ zu diesem ein Ladekolben 7 axial-beweglich gelagert. Der Ladekolben 7 besitzt einen auf seiner Längs­ achse angeordneten Zuführkanal 8 für die erste Treib­ stoffkomponente, beispielsweise den Oxidator. Der Zuführ­ kanal 8 ist mit einem Rückschlagventil 10 versehen und steht mit dem am Schaftende 9 des Ladekolbens 7 im Waffen­ gehäuse 1 ausgebildeten Füllraum 11 in Verbindung, dessen Ansaugkanal 12 an den Treibstofftank angeschlossen ist. Der Zuführkanal 13 für die zweite Treibstoffkomponente, den Brennstoff, befindet sich radial außenliegend vom Ladekolben 7 außerhalb des Schaftes 6 des Differenzdruck­ kolbens 4. Dieser Zuführkanal 13 ist mit einer ringförmig um den Füllraum 11 angeordneten Füllkammer 14 im Waffen­ gehäuse 1 verbunden, deren Ansaugkanal 15 zum Tankbehälter des Brennstoffes führt. Sowohl im Zuführkanal 13 als auch in den Ansaugkanälen 12 und 15 sind Rückschlagven­ tile 16, 17 eingesetzt, um ein unerwünschtes Zurück­ strömen der Treibstoffe zu verhindern.

Der Brennstoff wird über außenliegende Düsen 18 am Kopf des Differenzdruckkolbens 4 und der Oxidator über im Kopf innenliegende Kanäle 19 in die Brennkammer 5 eingespritzt, wobei der Einspritzvorgang durch die Axialbewegung des Differenzdruckkolbens 4 erfolgt. Zwischen den sich rela­ tiv zueinander und axial bewegten Teilen sind Dichtungs­ mittel 20 vorgesehen, wodurch ein Einströmen von Flüssig­ keiten in die benachbarten Räume vermieden wird.

Im Waffengehäuse 1 ist in exzentrischer Anordnung zum Differenzdruckkolben 4 bzw. zum Ladekolben 7 eine Steuer­ walze 22 gelagert, die über eine Antriebswelle 21 in Dreh­ bewegung versetzt wird. Die Steuerwalze 22 besitzt Steuer­ kurven 23 und 24, in welche Steuerrollen 25 und 26 ein­ greifen. Die Steuerrolle 25 ist auf dem Steuerzapfen 27 gelagert und mit dem Schaft 6 des Differenzdruckkolbens 4 fest verbunden. Sie greift in die Steuerkurve 23 ein. Die Steuerrolle 26 auf dem Steuerzapfen 28 dagegen ist fest an den Ladekolben 7 angeschlossen und in der Steuerkurve 24 geführt. Die Drehbewegung der Steuerwalze 4 und des Lade­ kolbens 7 relativ zueinander und zwangsgesteuert.

Alternativ zur exzentrischen Lagerung der Steuerwalze 22 ist auch die konzentrische Lagerung möglich, wie dies Fig. 2 zeigt. In dem Waffengehäuse 1 ist hier die Steuer­ walze 29 hohlzylindrisch ausgeführt und konzentrisch zum Ladekolben 7 drehbar gelagert. Die Steuerwalze 29 steht mit einem Antriebsrad 30 über eine Ringverzahnung 31 in An­ triebsverbindung. Das Antriebsrad 30 wird seinerseits von der Steuerwelle 32 gedreht. In der Steuerwalze 29 befin­ den sich im Innenring eine Steuerkurve 33 für den Eingriff der Steuerrolle 25 des Differenzdruckkolbens und eine Steuerkurve 34 für die Steuerrolle 26 des Ladekolbens 7. Der axiale Bewegungsraum 35 für den Ladekolben 7 ent­ spricht im wesentlichen dem Bewegungsraum 36 für den Differenzdruckkolben 4. Beide Bewegungsräume 35, 36 sind jeweils etwa gleich lang oder kürzer als die axiale Länge der Füllkammer 14 bzw. Füllraum 11.

Die Steuerkurven 23, 24 und 33, 34 haben natürlich den jeweils gleichen Verlauf und sind insbesondere aus Fig. 5 ersichtlich. Der Einfachheit wegen und um eine bessere Übersicht zu erzielen, sind in Fig. 5 nur die Steuer­ kurven 23, 24 eingetragen. Die absoluten Bewegungsrich­ tungen der Steuerrollen 25 und 26 verdeutlicht der Doppel­ pfeil 37, während der Pfeil 38 die absolute Bewegungs­ richtung der Steuerwalze 22 zeigt. Die Pfeile 39 geben die Relativbewegung der Steuerrollen 25, 26 zu den Steuer­ kurven 23, 24 an. Beide Steuerkurven 23 und 24 liegen im Abstand nebeneinander und besitzen die gleiche Start­ position 40, 41.

Die Fig. 5 zeigt jeweils einen Arbeitszyklus der Steuer­ kurven auf der Strecke 42. Beide Kurven 23, 24 verlaufen unter einem gleichen Steigungswinkel parallel bis zur ent­ sprechenden Steigung 44 über die Strecke 43 der Treib­ stoffansaugung bis zum max. Punkt 44 bzw. 45. Die Steuer­ kurve 24 des Ladekolbens 7 ist von der erreichten Steigung 44 über die Strecke 46 der Zuführung der Treibstoffe unter dem wiederum gleichen Steigungswinkel bis in die Ebene 47 der Startposition 41 zurückgeführt und läuft auf gerader Bahn 48 aus. Die Steuerkurve 23 für den Differenzdruck­ kolben 4 verbleibt nach Erreichen der Steigung 45 auf der erzielten Höhe über die Strecke 49, bis die Steuerkurve 24 ihre untere Ebene 47 nahezu erreicht hat. Danach fällt die Steuerkurve 23 über die Strecke 50 unter dem Steigungs­ winkel von nahezu 90° ab bis in die Ebene der Startpo­ sition 40.

Um eine Einstellung der möglichen, verschieden langen Zündverzugszeiten zu erzielen, was durch die unterschied­ lichen Treibstoffkomponenten bewirkt werden kann, verläuft die obere Kontur 51 der Steuerkurve 23 für den Differenz­ druckkolben 4 ab Position 52 im Bogen abwärts, um den Differenzdruckkolben 4 in die Startposition 40 zurückzubringen. Die untere Kontur 53 der Steuerkurve 23 hat im gleichen Bereich dagegen einen Aufwärtsbogen, der bewirkt, daß der Differenzdruckkolben 4 in dieser Phase bis zum Stillstand gebracht wird. Innerhalb dieser kurzen Strecke 54, der Zündverzugszeit, wird also der Kolben 4 abgebremst, um sodann nach erfolgter Zündung beschleu­ nigt in die Startposition 40 zurückzufahren. In diesem letzten Bereich 55 kann die Steuerkurve 23 die Breite zwischen der Zündung und dem Start einnehmen.

Innerhalb der Strecke 49 wird der Differenzdruckkolben nach vorne auf den Dichtkonus 56 gedrückt. Die Strecke 54 ist gleichbedeutend mit der Zeit der fremdangetriebenen Einspritzung, während die Strecke 57 die Zeit für die regenerativ angetriebene Einspritzung darstellt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen das Differenzdruckkolben- Brennkammersystem in der Position des Ladevorganges. In dieser Position hat die Steuerrolle 26 in der drehenden Steuerwalze 22 bzw. 29 die Strecke 43 zurückgelegt. Der Ladekolben 7 ist nach vorne verschoben und saugt Treib­ stoff in den Füllraum 11 bzw. die Füllkammer 14 an. Gleichzeitig hat die Steuerrolle 25 die Strecke 43 in der Steuerkurve 23 (33) bewältigt, wodurch der Differenzdruck­ kolben 4 ebenfalls nach vorne geschoben wurde. Die nun erreichte Position ist bei Punkt 44 bzw. 45.

Den Zeitpunkt der Zündung zeigt Fig. 3. Dies erfolgt, wenn die Steuerrolle 26 in der Steuerkurve 24 (34) den Weg 46 zurückgelegt und Punkt 58 erreicht hat. Diesem Rücklauf folgt die Steuerolle 25 für den Differenzdruck­ kolben 4 nicht. Sie bleibt auf der erzielten Höhe bis etwa Punkt 5, wenn die Steuerrolle 26 des Ladekolbens 7 nahezu die Ebene 47 erreicht hat. Während der Bewegung der Steuerrolle 25 bis zum Punkt 52 wird der Differenzdruck­ kolben 4 nach vorne gepreßt. Während dieser Zeit ist ge­ mäß der gleichmäßig abfallenden Steuerkurve 24 der Lade­ kolben 7 zurückgezogen worden und hat so Treibstoff hinter den Kopf des Differenzdruckkolbens 4 gepumpt.

Fig. 4 zeigt die Situation nach dem Schuß. Die Steuer­ rolle 26 ist in der Steuerkurve auf der Bahn 59 bis in die Startposition 41 zurückgefahren. Die Steuerkurve 23 fällt vom Punkt 52 steil bis in die Startposition 40 ab, was bedeutet, daß der Differenzdruckkolben 4 nach hypergo­ ler Zündung und regenerativem Antrieb einen sehr schnellen Rücklauf hat.

Mit 60 sind Geschosse schematisch dargestellt, die in Geschoßlagern 61 eingesetzt und dem Waffenrohr 2 im vor­ gegebenen Takt der Steuerwalze 22 bzw. 29 zugeführt werden.

Mit 62 ist ein Entlüftungskanal bezeichnet.

Claims (6)

1. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem für Rohrwaffen, mit einer regenerativ angetriebenen Treibstoffeinspritz­ einrichtung zur Erzeugung von Treibgasen aus flüssigen, insbesondere hypergolen Treibstoffkomponenten, mit einem im Waffengehäuse koaxial zum Waffenrohr axial­ beweglich angeordneten Differenzdruckkolben mit Treib­ stoffzuführkanälen und mit einem Ladekolben, der mit Füllkanälen und Ansaugkanälen in Verbindung steht und konzentrisch in dem zylindrischen Schaft des Differenz­ druckkolbens, relativ zu diesem axial-beweglich ange­ ordnet ist, wobei der Differenzdruckkolben und der Lade­ kolben mit einer die Axialbewegung steuernden Einrichtung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung in an sich bekannter Weise aus mit dem Differenzdruckkolben (4) un dem Ladekolben (7) verbundenen Steuerrollen (25, 26) gebildet ist, die in jeweils zugeordneten, nebeneinanderliegend-ringförmig umlaufenden Steuerkurven (23, 24; 33, 34) einer gemein­ samen Steuerwalze (22, 29) abrollen, welche für den Diffe­ renzdruckkolben (4) und den Ladekolben (7) bei Ladebe­ ginn eine gleiche Startposition (40, 41) einnehmen und für den Ladevorgang unter einem gleichen Steigungswinkel parallel bis zur entsprechenden Steigung (44) verlaufen, wobei die Steuerkurve (24; 34) für den Ladekolben (7) von der erreichten Steigung (44) in die Startposition (41) unter dem gleichen Steigungswinkel zurückgeführt ist und die Steuerkurve (23; 33) des Differenzdruckkolbens (4), die im Bereich der Zündung bis zur Startposition (40) über die Wegstrecke (48) der Steuerwalze (22; 29) in voller Breite erhalten bleibt, so lange unter dem Steigungswinkel Null weitergeführt ist, bis die Steuer­ kurve (24; 34) des Ladekolbens (7) die Ebene der Start­ position (41) erreicht hat, um daraufhin unter einem Steigungswinkel von nahezu 90° in die eigene Startpo­ sition (40) zurückzufallen, wobei die Steuerkurve (23; 33) für den Differenzdruckkolben (4) zur Einstel­ lung verschieden langer Zündverzugszeiten ferner mit ihrer oberen Kurvenkontur (51) einen Abwärtsbogen und mit ihrer unteren Kurvenkontur (53) einen Aufwärts­ bogen auf der relativ kurzen Weglänge (54) der Steuer­ walze (22; 29) beschreibt.

2. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerwalze (22) exzentrisch zum Differenzdruck-Kolben (4) und Ladekolben (7) im Waffengehäuse (1) drehbar gelagert ist.

3. Differendruckkolben-Brennkammersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über eine Außenverzahnung (31) angetriebene Steuer­ walze (29) konzentrisch zum Ladekolben (7) im Waffengehäuse (1) drehbar gelagert ist.

4. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise für jede Steuerrolle (25, 26) eigene Steuerwalzen vorgesehen sind, die miteinander synchron geschaltet sind.

5. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladekolben (7) einen auf seiner Längsachse verlaufenden, zentralen Zuführkanal (8) mit einem den Rückfluß verhindernden Ventil (10) aufweist und über einen an senem Schaftende im Waffengehäuse (1) angeordneten Füllraum (11) mit einem Ansaug­ kanal (12) verbunden ist, während eine im wesentlichen ringförmig um den zentralen Füllraum (11) angeordnete Füllkammer (14) für die zweite Treibstoffkomponente mit einem im wesentlichen parallel zur Ladekolbenlängsachse ausgerichteten außenliegenden Zuführ­ kanal (13) verbunden ist.

6. Differenzdruckkolben-Brennkammersystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Füllkammer (14) in Ladekolbenlängsachse ge­ messen gleich oder kürzer den Bewegungsräumen (35) für die Axial­ bewegung des Ladekolbens (7) ist.