DE69008208T2

DE69008208T2 - Mit einer Kombination von Plasmaantrieb und chemischer Treibladung arbeitendes Geschütz.

Info

Publication number: DE69008208T2
Application number: DE69008208T
Authority: DE
Inventors: Joseph Ashkenazi; Baoz Brill; Zvi Kaplan; David Saphier; Shlomo Wald
Original assignee: Israel Atomic Energy Commission
Current assignee: Israel Atomic Energy Commission
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1990-01-24
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2010-01-25
Also published as: ATE104764T1; IE63049B1; EP0382000A2; EP0382000B1; IE900259L; DK0382000T3; IL89231A; IL89231A0; ES2055811T3; EP0382000A3; DE69008208D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft sogenannte Hypergeschwindigkeitsgeschütze, das sind Geschütze, die in der Lage sind, Projektile bei Mündungsgeschwindigkeiten von mehr als 1.500 und bis zu 4.000 m/sec abzufeuern, d.h. bei Geschwindigkeiten, die im allgemeinen über den Möglichkeiten von herkömmlichen Geschützen liegen. Durch Auferlegen von Hypergeschwindigkeiten auf von Geschützen abgefeuerte Projektile wird deren Verhalten in bezug auf Reichweite, Durchschlagskraft und Genauigkeit verbessert.
Herkömmlicherweise werden Projektile innerhalb des Laufs durch die Wirkung eines sog. chemischen Vortriebsstoffs beschleunigt, d.h. durch Vortriebsgase, die durch die schnelle Verbrennung eines chemischen Vortriebsstoffes erzeugt werden. Die Mündungsgeschwindigkeit solcher Projektile wird jedoch üblicherweise aufgrund der niedrigen Schallgeschwindigkeit in den Verbrennungsgasen unter 1.500 m/sec sein. Bei einigen Arten von bekannter chemischer Vortriebsmunition ist es möglich, Mündungsgeschwindigkeiten bis zu 2.000 m/sec zu erreichen. Dies benötigt jedoch relativ hohe Mengen von Vortriebsstoff pro Projektil und führt zu beträchtlichen Belastungen in dem Verschluß und dem Lauf.
Bei der Zündung des chemischen Vortriebsstoffs wird der Verbrennungsprozeß gestartet und die gasförmigen Produkte werden bei einer Rate w erzeugt, die durch
w = AbPα (I)
bestimmt ist, wobei A die Oberfläche des Vortriebsstoffs, P der Druck innerhalb der Geschützkammer und b und α für jede Art von Vortriebsstoff spezifische Brennkoeffizienten sind. Wenn die Kraft auf die Projektilbasis größer wird als die statische Reibung und die Gravurkräfte, beginnt sich das Projektil zu bewegen und das Volumen, in dem das Gas expandiert, vergrößert sich. Diese Vergrößerung des Volumens bewirkt eine allgemeine Verringerung des mittleren Drucks Pav in dem Lauf, nachdem ein bestimmtes Maximum erreicht ist. Der Druck Pb hinter dem sich nach vorne bewegenden Projektil wird weiter auf Werte niedriger als Pav aufgrund der Gasverdünnung hinter dem "entkommenden Projektil" verringert. Der Druck Pb, der auf die sich bewegende Projektilbasis wirkt, wird ungefähr durch folgende Gleichung bestimmt:
wobei γ das Verhältnis cp/cv von jeweils den spezifischen Wärmen des Vortriebsgases bei konstantem Druck und konstantem Volumen ist, M die Machtzahl des Projektils in bezug auf das Vortriebsgas und φ eine üblicherweise in dem Bereich von 1,5 sich bewegende experimentelle Konstante ist. Es folgt aus Gleichung (II), daß, je höher die Projektilgeschwindigkeit ist, umso niedriger das Verhältnis von Pav zu Pb ist, und der auf die Projektilbasis ausgeübte Druck verringert sich schneller für Hochgeschwindigkeitsgeschützen als für Niedergeschwindigkeitsgeschütze. Folglich verringert sich die Stärke der Beschleunigung in Hochgeschwindigkeitsgeschützen schneller als in Niedergeschwindigkeitsgeschützen. Ebenso verhält sich der thermische Wirkungsgrad.
Um die intrinsische Einschränkung von chemischen Vortriebsstoffen zu überwinden, wurden verschiedene Geschütze vorgeschlagen, die durch ein Ergänzen des anfänglichen Vortriebs aus dem in dem Verschluß gezündeten Vortriebsstoff durch eine Vielzahl von aufeinanderfolgend wirkenden Zusatzvortrieben gekennzeichnet sind, die durch zusätzliche chemische Vortriebsladungen zustande gebracht werden, welche entlang dem Lauf angebracht sind und geeignet ausgebildet sind, um durch das Passieren des Projektils gezündet zu werden. Anordnungen dieser Art sind z.B. in US 2 360 217,; 3 044 363; 3 357 306; 3 459 101 und 3 613 499 beschrieben.
Durch Verwendung dieses Verfahrens ist es möglich, höhere Geschwindigkeiten aufgrund der Wirkungen der zusätzlich zu der anfänglichen Ladung vorgesehenen Verstärkungsladungen zu erhalten. Trotzdem haben diese Geschütze keine weitverbreitete Verwendung erfahren, was hauptsächlich auf die Schwierigkeit des Verwirklichens der benötigten Steuerung des Verbrennens der Verstärkerladungen entlang des Laufs zurückzuführen ist.
Ein weiteres Verfahren zum Beschleunigen von Projektilen auf Hypergeschwindigkeit besteht in der Verwendung von unter hohem Druck stehenden leichten Gasen, auch als "Leichtgaskanone" bezeichnet. Die Leichtgaskanone wurde nicht über das experimentelle Stadium hinaus entwickelt.
Verschiedene Vorschläge sind für die Beschleunigung der Projektile mittels elektrothermischer Energie bekannt. So beschreiben z.B. die US 2 783 684 und 2 790 354 die Verfahren und Vorrichtungen zum Beschleunigen eines Projektils innerhalb eines Geschützlaufs durch Erzeugen von Hochdruckwellen, die das Projektil entlang der Länge des Rohrs beschleunigen. Der hohe Druck wird mittels, von innerhalb des Rohrs über entlang der Länge des Rohrs beabstandeten Hochspannungselektroden erzeugten elektrischen Bogenentladungen aufrechterhalten, so daß die elektrischen Bogenentladungen kontinuierlich erzeugt werden, wenn das Projektil sich entlang des Rohrs bewegt.
Im Rahmen einer weiteren Entwicklung des Konzepts des Beschleunigen eines Projektils mittels elektrothermischer Energie wurde wiederholt die Verwendung von Plasma vorgeschlagen, beispielsweise in der US 3 916 761, der US 4 590 842, der EP-A2-0232594 und der US 4 715 261. Beispielsweise beschreibt die US-A-3 916 761 einen zweistufigen Leichtgas-Plasmaprojektilbeschleuniger, der einen Leichtgasbeschleuniger enthält, um eine anfängliche Geschwindigkeit dem Projektil aufzuerlegen, und einen Plasmabeschleuniger und Kompressor, der das Projektil empfängt und es auf höhere Geschwindigkeiten beschleunigt. In diesem Fall wirkt der Plasmagenerator zusammen mit einer Kompressorwindung so, daß das Plasma expandiert, um die Beschleunigung des Projektil zu unterstützen.
Gemäß all diesen Vorschlägen werden chemische Vortriebsstoffe durch ein Plasma ersetzt oder ein durch Plasma erwärmtes Gas, das auf die Rückseite der Projektile einwirkt. Die wesentliche Einschränkung für die praktische Anwendung des bekannten Plasmavortriebs ist die sehr große und umständliche elektrische Leistungsversorgung, die damit im Zusammenhang steht.
Es sind auch sogenannte Magnetschienengeschützbeschleuniger mit Plasmavortrieben bekannt, wie sie z.B. in der US 4 343 223; der US 4 467 696; der US 4 485 720; der US 4 577 545 und der US 4 621 577 offenbart sind.
In der EP-A-331 150, die gemäß Artikel 54 (3) EPÜ als Stand der Technik angesehen wird und deren Prioritätsdokument unserer israelischen Patentanmeldung Nr. 85622 vom 3. März 1988 entspricht, wird zum ersten Mal ein Geschütz zum Beschleunigen von Projektilen beschrieben, bei dem die sich fortbewegenden chemischen Ladungen durch elektrothermische Energiequellen gezundet werden. Bei einer in dieser Patentanmeldung offenbarten Art sind Injektoren für elektrothermische Energie entlang des Geschützlaufs vorgesehen, die synchron mit der Fortbewegung des Projektils innerhalb des Laufs abgefeuert werden, wobei jeder solche Injektor eine bestimmte an dem Projektil angebrachte chemische Vortriebsladung zühdet. Im wesentlichen arbeitet diese Art von Geschütz gemäß unserer israelischen Patentanmeldung 85622 auf dem Prinzip der sich fortbewegenden Ladung, bei dem die Verstärkung des Vortriebs auf das Projektil durch nacheinanderfolgend gezündete Vortriebsladungen zustande gebracht wird, die an dem Projektil selbst angebracht sind, während die Injektoren für elektrothermische Energie an dem Lauf nur für die Zündung dienen.
Die obenerwähnte Anmeldung 85622 beschreibt weiter ein alternatives Verfahren, bei dem eine Plasmainjektoreinheit zum Schaffen einer Auslöseladung mittels eines Hochdruckgasstroms an der Rückseite des Geschützes koaxial zu dem Lauf befestigt ist. Das injizierte Plasma wirkt über eine Arbeitsflüssigkeit so, daß der Hochdruckheißgasstrom für das Auslösen des chemischen Vortriebsstoffs erzeugt wird. Somit ist in diesem Fall die Plasmainjektoreinheit außerhalb der Munitionshülse.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Geschütz zu schaffen, bei dem hohe Mündungsgeschwindigkeiten erreicht werden können und von dem man erwartet, daß es sich besser verhält als die verschiedenen bekannten, auf chemischer und/oder Elektrothermischer Beschleunigung beruhenden Geschütze.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Schaffen eines Projektile abschießenden Geschützes mit den in Anspruch 1 dargelegten Merkmalen.
Das erfindungsgemäße Geschütz, wie es oben beansprucht wurde, ermöglicht die in einem chemischen Vortriebsstoff gespeicherte Energie durch den Zusatz lediglich einer minimalen Menge von elektrischer Energie aufs äußerste zu nützen, um das Projektil auf Hypergeschwindigkeit anzutreiben. Die Verbesserung in bezug auf reinen chemischen Vortrieb ist die beträchtliche Erhöhung der Mündungsgeschwindigkeit, während in bezug auf ein Geschütz mit rein elektrothermischer Energie eine bedeutende Verringerung in der Größe der elektrischen Leistungsversorgung erzielt wird. Die Erfindung schafft somit einen neuen und wirksamen Weg, um Hypergeschwindigkeit zu erzielen.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, daß die Mündungsgeschwindigkeit eines Projektils im Vergleich zu herkömmlichen Geschützen bedeutend erhöht werden kann durch Kombinieren der herkömmlichen Verbrennung eines Vortriebsstoffs und der Injektion von elektrothermischer Energie auf kontrollierte Weise, um ein Hybridsystem zu erhalten, das hier als "Hybrid-Geschütz" bezeichnet wird.
Das Verhalten eines Hybrid-Geschützes gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie nachfolgend charakterisiert:
a) Der Druck in dem Lauf erhöht sich auf die maximal erlaubbaren Auslegewerte so schnell, wie es technisch möglich ist;
b) der maximale Druck wird für eine verlängerte Zeitdauer aufrechterhalten;
c) das Verhältnis des Basisdrucks zum mittleren Druck wird durch Aufrechterhalten einer Pufferzone aus Leichtgas zwischen der Projektilbasis und dem expandierenden Vortriebsgas erhöht, wobei der Wirkungsgrad des Beschleunigungsprozesses erhöht wird.
Als Folge davon wird die gewünschte Hypergeschwindigkeit an der Mündung erhalten.
Die Pufferzone aus energieangeregtem Leichtgas ist auf ein Volumen hinter dem Projektil beschränkt. Folglich gibt es eine geringere Verdünnung an der Vorderseite des expandierenden Vortriebstoffs und mehr seiner Energie wird auf das Projektil über die Pufferzone aus Leichtgas übertragen, wodurch eine höhere Geschwindigkeit dem Projektil auferlegt wird.
Das erfindungsgemäße Hybridkonzept ist neu und wird nach bestem Wissen der Anmelder hier zum ersten Mal vorgeschlagen.
Beim Betrieb wird jedes Mal, wenn der Plasmastrahlgenerator der dem Verschluß zugeordneten elektrothermischen Energieinjektorvorrichtung einen Plasmapuls erzeugt, ein Strahl von aktiviertem, gasförmigem leichtem Arbeitsfluid in der Richtung auf einen in den Verschluß geladenen Munitionszündsatz injiziert. Die Erfindung setzt voraus, daß das so injizierte leichte Arbeitsfluid die Basis des Projektils erreicht. Dann ist speziell entworfene Munition notwendig, bei der die Hülse ein zentrales perforiertes Rohr umfaßt, das von der Vortriebsladung umgeben ist und vorzugsweise mit einem ablativen Material, wie Plastikmaterial, ausgelegt ist, das bei Erhitzen eine leichte gasförmige Phase freisetzt, die mit der injizierten leichten gasförmigen Phase kombiniert. Aufgrund der Perforationen in dem zentralen Rohr der Hülse wird die Vortriebsladung durch den injizierten heißen Gasstrom gezündet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie er in Anspruch 10 beansprucht wird, wird eine Munition zur Verwendung in einem Hybrid-Geschütz der bezeichneten Art geschaffen, welche ein Projektil und einen chemischen Vortriebsstoff umfaßt, der eine Hülse mit einem axial sich erstreckenden, hohlen, perforierten Rohr hält, das an der Basis der Hülse offen ist und zu der Projektilbasis führt.
Der Vortriebsstoff in einer solchen Munition ist von einer an sich bekannten Art und wird so ausgewählt, daß übermäßiger Druck in dem Lauf vermieden wird. Eine solche Auswahl kann vom Fachmann sofort ausgeführt werden, indem ein Vortriebsstoff mit einer geeigneten chemischen Zusammensetzung ausgewählt wird, indem ein Hemmstoff eingebaut wird, und indem eine vernünftige Auswahl der Geometrie der Geschosse getroffen wird.
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein herkömmliches Geschütz in ein Hybrid-Geschütz umzuwandeln durch Schaffen eines Injektors für elektrothermische Vortriebsenergie an der Rückseite des Verschlusses mit einem gegenseitig zueinander ausgebildeten Plasmastrahlgenerator und einer rohrförmigen Kammer, die an einer Injektionsdüse angeschlossen ist und ein Arbeitsfluid mit einem Molekulargewicht hält, das nicht dasjenige des chemischen Vortriebsstoffs der bezeichneten Munition übertrifft.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung, wie er in Anspruch 6 der vorliegenden Erfindung beansprucht wird, wird ein Verfahren zum Umwandeln eines herkömmlichen Geschützes ist ein Hybrid-Geschütz gemäß der bezeichneten Erfindung geschaffen, indem ein einem Verschluß zugeordneter, oben bezeichneter Injektor für elektrothermische Vortriebsenergie an einem solchen herkömmlichen Geschütz angeschlossen wird. Nach diesem Aspekt der Erfindung kann ein herkömmlicher Lauf mit den gegebenen technologischen Einschränkungen, wie dem maximalen Druck und der Länge, nachgerüstet werden, um ein Projektil bei einer viel höheren Geschwindigkeit abzufeuern.
Nach noch einem weiteren Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Injektorvorrichtung für elektrothermische Energie zur Verwendung mit einem Hybrid-Geschütz der bezeichneten Art mit einem Plasmastrahlgenerator und einer dazu ausgerichteten rohrförmigen Kammer, die an eine Injektionsdüse angeschlossen ist und ein Arbeitsfluid hält, das ein Molekulargewicht aufweist, das dasjenige des Vortriebsstoffs der bezeichneten Munition nicht übertrifft.
Gemäß einer Ausführungsform umfaßt ein erfindungsgemäßes Hybrid-Geschütz nur einen dem Verschluß zugeordneten Injektor für elektrothermische Vortriebsenergie. Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat das erfindungsgemäße Hybrid-Geschütz zusätzlich wenigstens einen dem Lauf zugeordneten Injektor für elektrothermische Vortriebsenergie, der an dem Lauf angebracht ist, und eine zwischen diesem und dem Lauf liegende, ausgerichtete rohrförmige Kammer, die eine Düsenöffnung in den Lauf aufweist sind ein Arbeitsfluid trägt, das ein Molekulargewicht hat, das dasjenige des chemischen Vortriebstoffs der bezeichneten Munition nicht übertrifft. Vorzugsweise sind die dem Lauf zugeordneten Injektoren für elektrothermische Vortriebsenergie paarweise angeordnet, wobei jedes Paar in axialsymmetrischer Anordnung in bezug auf die Längsachse des Laufs angebracht ist. Nach einer Abwandlung dieser Ausführungsform ist ein einziges Paar von dem Lauf zugeordneten Injektoren für elektrothermische Vortriebsenergie vorgesehen, während nach einer anderen Abwandlung das Geschütz mehrere Paare von dem Lauf zugeordneten Injektoren für elektrothermische Vortriebsenergie aufweist, die voneinander beabstandet sind.
Wenn ein herkömmliches Geschütz in ein Hybrid-Geschütz gemäß der Erfindung durch Anschließen eines dem Lauf zugeordneten Injektors für elektrothermische Vortriebsenergie umgewandelt wird, ist es auch möglich, es mit einem Lauf zu versehen, der wenigstens einen daran angebrachten Injektor für elektrothermische Vortriebsenergie aufweist.
Bei der Betätigung eines Injektors für elektrothermische Vortriebsenergie wird ein Plasmastrahl erzeugt, der eine Menge eines Arbeitsfluids in energiereichen Zustand versetzt, und ein Schwall von aktiviertem Arbeitsfluid wird daraus in Form eines Strahls (jet) ausgestoßen und je nach Lage des Falls in den Verschluß oder den Lauf injiziert. Die elektrische Startervorrichtung, die für sich bekannt ist, ist so entworfen, daß ein Zyklus von aufeinanderfolgenden Anregungen der verschiedenen Injektoren für elektrohermische Vortriebsenergie für jeden Munitionszündsatz erzeugt wird. Falls es gewünscht wird, kann die elektrische Startervorrichtung so entworfen sein, daß die Bildung von zwei oder sogar drei aufeinanderfolgenden Strahlen von aktiviertem Arbeitsfluid durch den dem Verschluß zugeordneten Injektor hervorgerufen wird, bevor der erste dem Lauf zugeordnete Injektor betrieben wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Hybrid-Geschütz injiziert der dem Verschluß zugeordnete Injektor für elektrothermische Vortriebsenergie aktiviertes Arbeitsfluid in den Verschluß und dient auch als eine Zündvorrichtung für den chemischen Vortriebsstoff. Über eine ledigliche Zündfunktion hinaus wechselwirkt das in den Verschluß injizierte aktivierte Arbeitsfluid mit den bei Zündung des chemischen Vortriebsstoffs erzeugten Vortriebsgasen, um den Druck mit einer schnelleren Pate zu erhöhen als bei herkömmlichen Geschützen, so daß der maximal in dem Geschütz erlaubbare, auf die Rückseite des Projektils wirkende Druck schneller erreicht wird.
Wenn die Projektilbasis die Düsen eines dem Lauf zugeordneten Injektors für elektrothermische Vortriebsenergie passiert, wird ein solcher Injektor mittels eines Sensors eines optischen oder anderen Typs aktiviert, wobei ein energiebeaufschlagtes Arbeitsfluid in den Lauf injiziert wird. Das injizierte, leichte gasförmige Arbeitsfluid bildet eine Pufferschicht mit einer höheren Schallgeschwindigkeit als der chemische Vortriebsstoff und schafft deshalb eine wirksame Vorrichtung, um seine Energie und die Energie des expandierenden Vortriebsstoffs auf das Projektil zu übertragen und dem Projektil die benötigte kinetische Energie mitzugeben.
Es hat sich herausgestellt, daß in einem erfindungsgemäßen Hybrid-Geschütz der mittlere Druck im Lauf an seinem Maximum für eine relativ lange Zeitdauer bleibt und daß weiter die Zuwachsstufe zwischen dem mittleren Druck im Lauf und dem Projektilbasisdruck verringert ist. Als Folge davon kann das Projektil auf Hypergeschwindigkeit beschleunigt werden, das sind Geschwindigkeiten zwischen 1.500 und 4.000 m/sec, je nach der gewünschten Anwendung, wobei der niedrigere Bereich beispielsweise für Artillerie und Geschosse zur Durchdringung von Panzerungen dient und der höhere Bereich für antiballistische Fluggeschosse.
Die Erfindung wird nun beispielhaft in bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
Fig.1 eine grafische Darstellung, die Zeitprofile des mittleren und des Projektilbasisdrucks eines herkömmlichen Hochgeschwindigkeitsgeschützes mit chemischem Vortrieb zeigt und der Möglichkeiten, die mit einem erfindungsgemäßen Hybrid-Geschütz erzielt werden können;
Fig.2 eine grafische Darstellung für das berechnete Verhalten und Eigenschaften einer Bauart des erfindungsgemäßen Hybrid-Geschützes, die den von jedem der elektrothermischen Energiepulse und dem abbrennenden Vortriebsstoff bewirkten mittleren Laufdruck zeigt;
Fig.3 einen axialen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Hybrid-Geschütz mit nur einem elektrothermischen Vortriebsenergieinjektor;
Fig.4 einen axialen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Hybrid-Geschütz mit drei elektrothermischen Vortriebsenergieinjektoren;
Fig.5 einen axialen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Hybrid-Geschütz mit mehreren elektrothermischen Energieinjektoren entlang des Laufs;
Fig.6 einen axialen Schnitt durch einen Plasmastrahlerzeuger, der einen Teil eines elektrothermischen Vortriebsenergieinjektors in einem erfindungsgemäßen Hybrid- Geschütz bildet, und
Fig.7 einen axialen Schnitt durch eine ein Arbeitsfluid tragende Kammer in einem elektrothermischen Vortriebsenergieinjektor eines erfindungsgemäßen Hybrid- Geschützes.
Es werden nun besondere Ausführungsformen beschrieben.
In der Fig. 1 ist der Druck innerhalb des Geschützlaufs gegenüber der Zeit nach dem Abfeuern aufgetragen. Die erste Kurve 1 zeigt das mittlere Druckprofil bei einem herkömmlichen Hochgeschwindigkeitsgeschütz, bei dem das Projektil durch expandierende Gase beschleunigt wird, die durch einen explodierenden chemischen Vortriebsstoff erzeugt werden. Diese Kurve kennzeichnet die innere Ballistik von sämtlichen herkömmlichen Geschützen, wobei in dem gezeigten Fall ein maximaler Druck von 500 MPa nach 1,5 m/sec erreicht wird.
Die zweite Kurve 2 in der Fig. 1 zeigt den auf die Projektilbasis wirkenden Druck, und man erkennt, daß mit Zunahme der Projektilgeschwindigkeit der auf die Projektilbasis wirkende Druck sich gemäß Gleichung (II) verringert und bedeutend kleiner ist als der mittlere Druck im Lauf.
Die Kurven 3 und 4 zeigen das Druckpotential, das in einem erfindungsgemäßen Hybridgeschütz erzielt werden kann, wobei hauptsächlich der maximale mittlere Druck für eine längere Zeitdauer aufrechterhalten werden kann und folglich der auf die Projektilbasis (Kurve 4) ausgeübte Druck höher ist und das Verhältnis Pb/Pav viel höher ist als in dem herkömmlichen Geschütz.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, daß bei gleichen Längen und Durchmessern das Druckprofil in einem erfindungsgemäßen Hybridgeschütz ein besseres Verhalten und eine höhere Mündungsgeschwindigkeit sicherstellt, als dies mit einem herkömmlichen Geschütz erzielt werden kann.
Man kann darüber hinaus zeigen, daß das Verhalten eines erfindungsgemäßen Hybrid-Geschützes auch einem Geschütz mit gleicher Länge und Durchmesser mit ausschließlichem Plasmavortrieb überlegen ist, da in dem Hybrid-Geschütz nur ein Bruchteil der Vortriebsenergie als elektrische Energie bereitgestellt werden muß. Folglich kann ein erfindungsgemäßes Hybrid-Geschütz für viele Anwendungen geeignet sein, da es keine großen und umständlichen elektrischen Leistungsquellen benötigt.
Die Art und Weise, in der das Druckprofil eines erfindungsgemäßen Hybrid-Geschützes, wie es in idealisierter Form mittels Kurve 2 in der Fig. 1 gezeigt ist, in Wirklichkeit erzielt werden kann, wird nun erläutert.
Gemäß der Erfindung tritt ein synergistischer Effekt zwischen den expandierenden Vortriebsgasen, die aus der Verbrennnung des chemischen Vortriebsstoffs entstehen, und einem plasmaaktivierten Arbeitsfluid auf. Um das gewünschte Ergebnis in bezug auf das Druckprofil in dem Lauf zu erzielen, werden wenigstens drei elektrothermische Injektionen benötigt. Diese Injektionen können entweder durch den dem Verschluß zugeordneten Injektor oder durch einen oder mehrere dem Lauf zugeordnete Injektoren geschaffen werden. Wie erwähnt, sind die dem Lauf zugeordneten Injektoren vorzugsweise in Paaren angeordnet, wobei jedes solche Paar in einer axial-symmetrischen Anordnung angebracht ist. In vielen Fällen wird ein solches Paar, das nahe an dem Verschlußbereich gelegen ist, ausreichend sein. Im Fall von Geschützen mit langen Läufen eignen sich zwei oder mehrere Paare von Injektoren, die geeignet voneinander beabstandet sind.
Es wird nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in der eine Kurve 5 das normale mittlere Druckprofil in einem herkömmlichen Geschütz mit chemischem Vortriebsstoff zeigt und identisch zu Kurve 1 in der Fig. 1 ist. Bei einem erfindungsgemäßen Hybrid-Geschütz wird die normale Zündung mittels eines Schlagzünders durch eine Plasmazündung mittels dem dem Verschluß zugeordneten elektrothermischen Vortriebsenergieinjektor ersetzt. Zum Zwecke der Zündung erzeugt der Injektor einen bei 6 gezeigten ersten Puls, und infolge von diesem Puls ändert sich das mittlere Druckprofil von der Form der Kurve 5 zu der der Kurve 7 in der Fig. 2.
Der dem Verschluß zugeordnete elektrothermische Vortriebsenergieinjektor ist so entworfen, daß ein zweiter mit 8 in der Fig. 2 bezeichneter Puls bereitsgestellt wird, der die Wirkung hat, den maximalen Druck in dem Lauf für eine längere Zeitdauer aufrechtzuerhalten, was zu dem in Kurve 9 in der Fig. 2 gezeigten Profil führt. Dieser zweite Puls kann auch durch einen dem Lauf zugeordneten Injektor injiziert werden.
Ein dritter elektrothermischer, mit 10 in der Fig. 2 bezeichneter Puls hat die beiden Funktionen, daß erstens die Dauer ausgedehnt wird, während der der maximale Druck aufrechterhalten wird, so daß die gewünschte Hypergeschwindigkeit erhalten wird, und daß zweitens mehr Gas mit niedrigem Molekulargewicht, d.h. hoher Schallgeschwindigkeit injiziert wird, um als ein noch wirksameres Druckübertragungsmedium auf die Projektilbasis zu dienen. Dieser Puls ist der energiereichste elektrothermische Puls, der in den Lauf injiziert wird, und enthält hauptsächlich die elektrothermische Vortriebsenergie. Das daraus folgende Profil des Gesamtdrucks gegenüber der Zeit in dem Hybrid-Geschütz, das aus den drei Pulsen resultiert, ist als Kurve 11 in der Fig. 2 dargestellt.
Die Injektion des dritten Pulses kann ausgeführt werden aus:
a) dem dem Lauf zugeordneten Injektor,
b) einem Satz von dem Lauf zugeordneten Injektoren, oder
c) einer Reihe von dem Lauf zugeordneten Injektoren, die entlang des Laufs gelegen sind um eine Reihe von Pulsen zu liefern, die zusammen näherungsweise zur Form der Kurve 10 führen.
Es sei darauf hingewiesen, daß die elektrothermischen Energieinjektionen, wie sie in den Kurven 6, 8 und 10 in der Fig. 2 dargestellt sind, lediglich näherungsweise Formen darstellen. Die genaue Pulsform und der Zeitablauf bestimmt sich spezifisch für jedes bestimmte Geschütz, für jede bestimmte Anwendung und für jede gewünschte Geschwindigkeit.
Es ist offensichtlich, daß die richtige Zeitabfolge der verschiedenen Schübe von aktiviertem Arbeitsfluid, das in das Geschütz mittels der dem Verschluß zugeordneten und dem Lauf zugeordneten elektrothermischen Injektoren und die Dauer jeder solchen Injektion geeignet programmiert sein müssen, was mittels einer geeigneten, an sich bekannten elektronischen Zeitgeber- und Schaltvorrichtung erzielt wird.
Die erfindungsgemäße, in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsform des Hybrid-Geschützes umfaßt einen Lauf 12 mit einem Verschluß 13, an dessen Rückseite ein dem Verschluß zugeordneter elektrothermischer Vortriebsenergieinjektor 14 angebracht ist, der einen Plasmastrahlgenerator 15 mit einem zugeordneten einen Puls formenden Netzwerk (PFN) 16 umfaßt und eine rohrförmige Kammer 17 zwischen dem Plasmastrahlgenerator 15 und dem Verschluß 13, welche ein Arbeitsfluid 18 trägt.
Der gezeigte Verschluß 13 hält einen Munitionszündsatz mit einem Projektil 19 und einer zugeordneten Hülse 20, die einen geeignet ausgewählten herkömmlichen chemischen Vortriebsstoff 21 hält. In die Hülse 20 ist ein zentrales perforiertes Rohr 22 eingefügt, das mit einer ablativen Schicht 23 aus Plastikmaterial ausgelegt ist, welche jene des Rohrs 22 überlappende Perforationen aufweist und aus einem Material besteht, das bei Erwärmung ein leichtes Gas freisetzt. Die Hülse 20 weist einen Sockel 24 mit einer mittig angeordneten Bohrung auf, wobei in der gezeigten Art die mittige Bohrung des Sockels 24 mit einer Düse 25 an einer Kammer 17 ausgerichtet ist.
Das Geschütz umfaßt auch eine elektronische Zeitgebervorrichtung (nicht gezeigt), die derart entworfen ist, daß auf geeignet programmierte Weise das PFN 16 des Injektors 14 aktiviert wird, um so auf nacheinander folgende Weise wenigstens drei Plasmapulse zu erzeugen. Jedes Mal, wenn bei Betrieb der Plasmastrahlgenerator 15 des Injektors 14 einen Plasmapuls erzeugt, wird ein Strahl aus aktiviertem Arbeitsfluid 18 über die Düse 25 und die mittige Bohrung des Sockels 24 in das zentrale Rohr 22 der Hülse 20 injiziert und eine Pufferzone mit kleinem Volumen in der Nähe der Basis des Projektil 19 wird erzeugt. Auf seinem Weg zündet das injizierte heiße Arbeitsfluid den Vortriebsstoff 21.
Der erste Schwall aus Arbeitsfluid, der durch den ersten Plasmapuls erzeugt wird, kann angenähert ein dem Profil 6 in der Fig. 2 entsprechendes Flußprofil haben. Dann folgt ein zweiter Plasmapuls, der einen zweiten Schwall von Arbeitsfluid erzeugt, der z.B. ein dem Profil des Pulses 8 in der Fig. 2 entsprechendes Flußprofil hat, und auf ähnliche Weise erzeugt ein dritter Plasmapuls einen dritten Schwall von Arbeitsfluid mit einem Flußprofil, das näherungsweise ähnlich zu dem des Pulses 10 in der Fig. 2 ist.
Durch den kombinierten Effekt, der durch die Expansion der Gase aus dem verbrennenden chemischen Vortriebsstoff 21 und den ersten beiden Schwällen von durch den Injektor 14 injiziertem aktiviertem Arbeitsfluid und die Akkumulierung in der Nähe der Basis des Projketils 19 hervorgerufen wird, beginnt sich dieses entlang des Laufs zu bewegen und zu einer geeigneten Zeit folgt dann die dritte Injektion von Arbeitsfluid. Als Folge der durch die Wechselwirkung der drei Schwälle von aktiviertem Fluid aus dem Injektor 14 mit den Bortriebsgasen hervorgerufenen Wirkungen bildet sich ein Druckprofil, das denen der Kurve 3 in der Fig. 1 und der Kurve 11 in der Fig. 2 ähnlich ist, und das Projektil 19 wird aus der Mündung des Laufs 12 bei einer hohen Geschwindigkeit zwischen 1.500-4.000 m/sec ausgestoßen.
Die Ausführungsform eines in der Fig. 4 gezeigten erfindungsgemäßen Hybrid-Geschützes umfaßt zusätzlich zu dem dem Verschluß zugeordneten elektrothermischen Vortriebsenergieinjektor auch zwei dem Lauf zugeordnete Injektoren. In der Fig. 4 sind Bauteile, die jenen der Fig. 3 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Wie man sieht, umfaßt diese Ausführungsform nahe an dem Verschluß 13 ein Paar von dem Lauf zugeordnete elektrothermische Vortriebsenergieinjektoren 25 und 26, die in einer besonderen Anordnung und symmetrisch in bezug auf die Achse des Laufs 12 angeordnet sind. In dieser Ausführungsform ist die elektronische Zeitgebervorrichtung (nicht gezeigt) derart entwickelt, daß auf eine geeignet programmierte Weise das PFN der verschiedenen Injektoren aktiviert wird, und es sind geeignete Faseroptiken oder andere Sensoren vorgesehen, um die Lage und die Geschwindigkeit des sich bewegenden Projektils festzustellen.
Ähnlich wie in der Ausführungsform nach der Fig. 3 werden die ersten beiden Pulse des Arbeitsfluids durch den dem Verschluß zugeordneten elektrothermischen Energieinjektor 14 erzeugt. Im Unterschied zu jener Ausführungsform wird jedoch in dieser Ausführugsform der dritte Verstärkerpuls mit Arbeitsfluid durch die dem Lauf zugeordneten elektrothermischen Vortriebsenergieinjektoren 25 und 26 erzeugt, die zur geeigneten Zeit gleichzeitig aktlviertes Arbeitsfluid in den Lauf injizieren.
Die Ausführungsform eines in der Fig. 5 gezeigten erfindungsgemäßen Hybrid-Geschützes ist ähnlich zu der der Fig. 4, wobei wieder entsprechende Teile durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In dieser Ausführungsform ist das einzelne Paar von dem Lauf zugeordneten elektrothermischen Injektoren 25 und 26 nach der Fig. 4 durch mehrere solcher Paare, wie 25', 26'; 25'', 26''; und 25''', 26''' und falls gewünscht, durch noch weitere ersetzt. Der Betrieb dieser Ausführungsform ist im wesentlichen ähnlich zu dem nach der Fig. 4 mit der Ausnahme, daß in diesem Fall mehrere Paare von Injektoren nacheinander aktiviert werden, so wie sich das Projektil aus dem Lauf heraus bewegt. Eine Vielzahl von Injektoren hat den Vorteil, daß ein wirkungsvollerer Zuschnitt der elektrothermischen Pulsformen möglich ist und ein verbessertes Vorhandensein der Leichtgaspufferzone hinter dem fortschreitenden Projektil geschaffen wird.
Der dem Verschluß zugordhete Plasmastrahlgenerator 15 nach den Figuren 3 und 4 wird genauer in der Fig. 6 gezeigt. Wie man sieht, umfaßt er ein hochfestes Stahlgehäuse 27 mit angeschlossenen Haltekappen 28 und 29, die einem hohen Druck widerstehen können. Das Gehäuse 27 hält einen zylindrischen Körper eines isolierenden Materials hoher mechanischer Stärke, das aus Verbundstoff hergestellt ist, und eine Kathode 31 und eine Anode 32.
Eine Kapillarröhre 33 aus ablativem Plastikmaterial 34 verbindet die Kathode 31 mit der Anode 32, von denen die letztere eine mittige Bohrung und einen integralen, nach außen mit einem Schraubengewinde versehenen rohrförmigen Bereich 35 aufweist, dessen zentrale Bohrung in vollständiger Ausrichtung mit der Bohrung 34 ist und eine Auslaßdüse für das Plasma bildet. Die Auslegeschicht 34 mit Plastikmaterial wird durch elektrischen Strom abgelöst, um das Plasma zu erzeugen.
Der Plasmainjektor ist an das elektrische Pulsformnetzwerk (PFN), das bei 16 in den Figuren 3, 4 und 5 angedeutet ist, und das hier der Einfachheit halber durch einen Schalter 36 dargestellt ist, ein induktives Element 37 und einen Kondensator 38 angeschlossen. Eine elektrische Leistungsversorgung für die hauptsächliche Leistung wird verwendet, um elektrische Energie in das PFN zu laden.
Jeder elektrothermische Injektor umfaßt auch eine rohrförmige Kammer, die ein Arbeitsfluid hält, wie z.B. Kammer 17 in den Figuren 3, 4 und 5 und eine solche Kammer ist genauer in der Fig. 7 gezeigt. Sie umfaßt einen Körper 40 aus hochfestem Material und hat eine mit einem Schraubengewinde versehene Einlaßdüse 41, die zur Befestigung an der mit dem nach außen weisenden Schraubengewinde versehenen Injektionsdüse 35 des Plasmastrahlgenerators der Fig. 6 geeignet ausgebildet ist. Der Körper 40 ist weiter an ein Verbindungsteil 42 angeschlossen, das zur Verbindung mit dem Verschluß 13 des Geschützes, das in einer der Figuren 3, 4 oder 5 gezeigt ist, geeignet ausgebildet ist.
Der Körper 40 trägt eine Auslegeschicht 43, die geeignet ist, bei Durchgang eines Plasmastrahls ein Arbeitsfluid freizusetzen. Die Auslegeschicht 43 kann z.B. in der Form eines absorbierenden Materials vorgesehen sein, das mit dem Arbeitsfluid getränkt ist oder alternativ in der Form eines Gels, oder der gesamte Raum könnte mit einer ein leichtes Gas bildenden Substanz gefüllt sein.
Die rohrförmige Kammer 44 des Körpers 40 dient als die Mischkammer, in der der aus dem Generator der Fig. 6 ankommende Plasmastrahl sich mit dem Arbeitsfluid in der Kammer mischt.
Angrenzend an die Einlaßdüse 41 gibt es ein ringförmiges Teil 45 aus hochtemperaturfestem Material mit einer konischen Öffnung 46, und ein zweiter ringförmiger Körper 47 aus hochtemperaturfestem Material in der Nähe des gegenüberliegenden Endes und mit einer konischen Öffnung 48 dient als Auslaßdüse für das aktivierte Arbeitsfluid.

Claims

1. Ein Geschütz zum Abschießen eines Pojektils (19), das einen Lauf und ein Verschlußstück (13) aufweist, das eine Injektorvorrichtung (14) für eine elektrothermische Vortriebsenergie mit einem Plasmastrahlgenerator (15) zur Beschleunigung der Projektile; und

eine elektrischen Zündvorrichtung (16) zur Anregung der Injektorvorrichtung für die elektrothermische vortriebsenergie einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß

das Projektil ein einen chemischen Vortriebsstoff beinhaltendes Projektil (19) ist, das einen chemischen Vortriebsstoff (21) trägt;

daß die Injektorvorrichtung (14) für die elektrothermische Vortriebsenergie dem Verschluß (13) des Geschützes zugeordnet und an dessen Hinterseite angeordnet ist und zwischen dem Plasmastrahlgenerator (15) und dem Verschluß eine ausgerichtete rohrförmige Kammer (17) einschließt, die eine sich in den Verschluß (12) öffnende Düse (25) hat und eine leichte Arbeitsflüssigkeit (18) mit einem Molekulargewicht, das dasjenige des chemischen Vortriebsstoffs nicht überschreitet, hält;

daß die elektrische Zündvorrichtung (16) die dem Verschluß zugeordnete Injektorvorrichtung (14) für die elektrothermische Vortriebsenergie in einer pulsierenden, aufeinanderfolgenden Weise mit Energie versorgt, wobei die Injektorvorrichtung (14) die gewünschten Jet-Ströme von aktivierter, gasförmiger, leichter Arbeitsflüssigkeit in eine Hülse (20) des den chemischen Vortriebsstoff tragenden Projektils ausstößt; und

daß das Geschütz ein Hybrid-Geschütz ist, das das einen chemischen Vortriebsstoff tragende Projektil (19) durch einen kombinierten Vortriebseffekt, der durch den chemischen Vortriebsstoff (21) und durch die elektrothermische Energie aus der Injektorvorrichtung (14) für die elektrothermische Vortriebsenergie erzeugt wird, abschießt.

2. Eine Hybrid-Geschütz nach Anspruch 1 mit wenigstens einem dem Lauf zugeordneten Injektor (25, 26) für elektrothermische vortriebsenergie, der an dem Lauf (12) angebracht ist, und der einen Plasmastrahlinjektor und zwischen diesem und dem Lauf eine ausgerichtete rohrförmige Kammer umfaßt mit einer sich in den Lauf öffnenden Düse, die eine Arbeitsflüssigkeit mit einem Molekulargewicht, das dasjenige des chemischen Vortriebsstoffs nicht überschreitet, hält.

3. Ein Hybrid-Geschütz nach Anspruch 2, wobei die dem Lauf zugeordneten Injektoren für elektrothermische Vortriebsenergie paarweise (25, 26) angeordnet sind, wobei jedes Paar an dem Lauf in axialsymmetrischer Anordnung bezüglich der Längsachse des Laufes angebracht ist.

4. Ein Hybrid-Geschütz nach Anspruch 3, das ein einziges Paar von Injektoren für elektrothermische Vortriebsenergie umfaßt.

5. Ein Hybrid-Geschütz nach Anspruch 4, das mehrere Paare von Injektoren für elektrothermische Vortriebsenergie umfaßt.

6. Ein Verfahren zum Umwandeln eines herkömmlichen Geschützes in ein Hybrid-Geschütz gemäß Anspruch 1, das umfaßt: Anbringen eines Injektors (14) am hinteren Ende des Verschlusses, wobei der Injektor (14) in gegenseitiger Ausrichtung zueinander einen Plasmastrahlgenerator (15) und eine rohrförmige Kammer (17) umfaßt, die eine Injektionsdüse (25) aufweist und eine Arbeitsflüssigkeit (18) hält mit einem Molekulargewicht, das dasjenige des chemischen Vortriebsstoffs der gewählten Munition nicht überschreitet.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 6, das zusätzlich das Ersetzen eines vorhandenen Laufs durch einen mit wenigstens einem Injektor für elektrothermische Vortriebsenergie ausgestatteten Lauf umfaßt, wobei der Injektor in gegenseitiger Ausrichtung zueinander einen Plasmastrahlgenerator und eine rohrförmige Kammer umfaßt, die mit einer Düse ausgestattet ist, und eine Arbeitsflüssigkeit hält mit einem Molekulargewicht, das dasjenige des chemischen Vortriebsstoffes nicht überschreitet.

8. Eine Injektorvorrichtung (14) für elektrothermische Vortriebsenergie zur Verwendung in einem Hybrid-Geschütz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6 bis 7, das in gegenseitiger Ausrichtung zueinander einen Plasmastrahlgenerator (15) und eine rohrförmige Kammer (17) umfaßt, die mit einer Injektionsdüse (25) versehen ist und eine Arbeitsflüssigkeit (18) hält.

9. Eine Munition zur Verwendung mit einem Hybrid-Geschütz gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und 6 bis 7, das ein Projektil (19) und eine Hülse (20) umfaßt, die einen chemischen Vortriebsstoff (21) hält und ein sich axial erstreckendes hohles, perforiertes Rohr (22) hat, das zur Basis der Hülse offen ist und zur Basis des Projektils führt.

10. Eine Munition nach Anspruch 9, wobei die innere Seite des perforierten Rohrs (22) mit einem ablativen Material (23) ausgelegt ist, das bei Erwärmung eine leichte gasförmige Phase freisetzt.