Mündungsbremse am Rohrlauf einer Rohrwaffe, insbesondere an einer Kanone von einem Luftfahrzeug

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Einrichtung am Rohrlauf einer Rohrwaffe, insbesondere an einer Kanone von einem Luftfahrzeug, enthaltend ein am mündungsseitigen Ende des Rohrlaufs mittels Haltemittel angeordnete Flasche, die der Aufnahme einer Schockwelle an der Mündung des Rohrlaufs dient, wobei die Flasche eine hintere Öffnung und nachfolgend in Schußrichtung eine vordere Öffnung hat durch die ein abgeschossenes Projektil die Flasche verläßt. Aufgabe der Erfindung ist es, vorzugsweise bei Luftfahrzeugen, die Schockwellenbelastung als auch die Waffenrückstoßkraft der Rohrwaffe gegenüber der Struktur oder der Ausrüstung des Luftfahrzeuges erheblich zu reduzieren. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Flasche (4) einen Flaschenraum (H) in Schußrichtung (S_R) nachfolgend zur Mündung (2) bildet, wobei die Flasche (4) formschlüssig im Bereich der Mündung (2) am Rohrlauf (1) angeordnet ist und in die vordere Öffnung (4.1) der Flasche (4) ein in Schußrichtung verlaufendes Stoßteilerrohr (5) eingesetzt ist, das mit einem Ende in den von der Flasche (4) gebildeten Flaschenraumes (H) hineinragt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Einrichtung am Rohrlauf einer Rohrwaffe, insbesondere an einer Kanone von einem Luftfahrzeug, enthaltend ein am mündungsseitigen Ende des Rohrlaufs mittels Haltemittel angeordnetes Hüllrohr, das der Aufnahme einer Schockwelle an der Mündung des Rohrlaufs dient, wobei das Hüllrohr eine hintere Öffnung hat und nachfolgend in Schußrichtung eine vordere Öffnung hat, durch die ein abgeschossenes Projektil das Hüllrohr verläßt.

[0002] Beim Abschuß eines Projektils durch eine Kanone wird neben der Waffenrückstoßkraft an der Mündung des Rohrlaufs der Kanone eine Schockwelle frei, die einen gewaltigen Schalldruck erzeugt. Alle betroffenen Strukturen des Luftfahrzeuges bzw. dort angeordnete Ausrüstungen, wie beispielsweise eine Sensorik, werden dynamisch hoch beansprucht.
Um diese Auswirkungen der Schockwelle zu mindern, wurde nach dem Stand der Technik eine bekannte Mündungsbremse mit einem als "Schockwellenakkumulators" bezeichneten Hüllrohr kombiniert. Da in Fachkreisen dieses Hüllrohr auch als "Flasche" bzw. "Blastbottle" bezeichnet wird, wird im Sinne eines einheitlichen Terminus nachfolgend der Begriff der Flasche weitergeführt.
Die DE 39 40 807 A1 beschreibt eine solche Flasche als eine Schutzvorrichtung zur Reduzierung der Wirkungen einer Schockwelle und der Rückstoßkraft beim Schuß einer Kanone, die insbesondere bei Luftfahrzeugen installiert ist.

[0003] Die dortige Lösung geht davon aus, daß das Kanonenrohr in seinem Endbereich von einer Flasche umgeben ist, so daß zwischen Kanonenrohr und Flasche ein Zwischenraum besteht. Die Flasche hat an ihrem vorderen Ende eine Mündungsbremse bekannter Bauart mit einer Öffnung zum Passieren des abgeschossenen Projektils und Mittel (Schaufeln) zur Umlenkung der Schußgase entgegen der Schußrichtung. Am hinteren Ende der Flasche ist eine weitere Öffnung zum Ableiten der Schußgase angeordnet. Bei der beschriebenen Schutzvorrichtung wird nur ein Teil der Schockwelle erfaßt. Die Größe des erfaßten Anteils der Schockwelle ist abhängig von der Dimensionierung der Mündungsbremse. Dieser Anteil wird extrem stark beschränkt durch die relativ engen Durchtrittsöffnungen. Durch Umlenkmittel wird der erfaßte Teil der Schockwelle in die Flasche umgelenkt, d. h. entgegen der Schußrichtung in den hinteren Raum der Flasche geleitet und entweicht dort nach lediglich einem Durchlauf durch die hintere Öffnung der Flasche. Ein beachtlicher Anteil der Schockwelle verläßt das Kanonenrohr durch die vordere Mündung und verursacht weiterhin unerwünschte dynamische Belastungen an der Struktur des Luftfahrzeugs.
Mit der beschriebenen Lösung wird zwar eine beabsichtigte Wirkung erzielt, jedoch läßt sich die Effektivität der Schutzvorrichtung erheblich verbessern. Die möglichen Dämpfungseffekte werden nicht optimal ausgenutzt.

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es, vorzugsweise bei Luftfahrzeugen die Schockwellenbelastung als auch die Waffenrückstoßkraft der Rohrwaffe gegenüber der Struktur oder der Ausrüstung des Luftfahrzeuges erheblich zu reduzieren.
Die Aufgabe wird gelöst entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

[0005] Der von der Flasche umfaßte Flaschenraum ist in Schußrichtung der Mündung des Rohrlaufs im wesentlichen nachgeordnet.
Die Flasche ist der Mündung des Rohrlaufs in Schußrichtung mit ihrer hinteren Öffnung aufgesetzt. Somit liegen hintere Öffnung und vordere Öffnung der Flasche in Schußrichtung, d. h. auf der Schußachse. Ein Haltemittel, welches den Rohrlauf umfaßt, trägt die Flasche und positioniert die hintere Öffnung der Flasche formschlüssig an der Mündung des Rohrlaufs. Die Lasten, die sich bei der Stoßreflexion am vorderen Ende der Flasche ergeben, werden über die Wandung der Flasche auf die Flaschenhalterung übertragen und nicht über innere Stege, wie im Fall der Mündungsbremse nach DE 39 40 807 A1. Dadurch wird eine maximale Expansion des Hauptstoßes aus der Rohrmündung ermöglicht.
Die Flasche trägt mit ihrer vorderen Öffnung ein ebenfalls in Schußrichtung positioniertes Stoßteilerrohr, welches mit seiner innenliegenden Öffnung in den Flaschenraum ragt. Innenliegende Öffnung heißt, daß diese Öffnung des Stoßteilerrohres innerhalb des Flaschenraumes angeordnet ist. Das Stoßteilerrohr teilt mit seiner innenliegenden Öffnung den Flaschenraum in zwei Räume (Kammern), einen Expansionsraum, der zwischen innenliegender Öffnung des Stoßteilerrohrs und Mündung des Rohrlaufs angeordnet ist und einen Sackraum, der einem nachfolgenden Raum entsprechend der im Flaschenraum vorhandenen Länge des Stoßteilerrohrs entspricht.
Der freie Durchtritt in den Expansionsraum hat den Vorteil, daß das aus dem Rohrlauf austretende Gas (Schockwelle) sofort explosionsartig in einen relativ großen Raum (den Expansionsraum) expandieren kann. Dabei erfolgt keine Behinderung durch enge Einströmschlitze oder sofortige Zwangsumlenkung durch Umlenkmittel. Der Expansionsraum könnte sich auch über die Mündung des Rohrlaufs hinaus entgegen der Schußrichtung geringfügig nach hinten erstrecken, um den Zeitpunkt einer zweiten Reflexion beeinflussen zu können.

[0006] Der natürlichen Ausbreitungsrichtung folgend, expandiert das Gas weiter in den Sackraum, getrennt von dem möglichst geringen Anteil des Gases, welches durch die innere Öffnung des Stoßteilerrohres direkt austritt. Der Sackraum hat eine relativ große Eintrittsöffnung. Die Form des Sackraumes kann durchaus nach vorn schlanker werdend ausgebildet sein, wodurch sich zwar seine effektive Länge etwas verkürzt (der einlaufende Stoß wird fokussiert), die Wirksamkeit aber kaum beeinträchtigt würde.
Mittels des in den Flaschenraum ragenden Stoßteilerrohrs wird ein kleiner Teil des ersten Stoßes abgeschnitten, noch bevor die an der Wand des Expansionsraumes reflektierten Stöße diesen Stoß verstärken. Die Öffnung des Stoßteilerrohres sollte möglichst klein sein, so daß gerade die Freigängigkeit für das Geschoß gewährt ist. Freigängigkeit heißt, daß das Geschoß gerade das Stoßteilerrohr passieren kann ohne ein Klemmen zwischen Geschoß und Stoßteilerrohr. Somit wird Einfluß genommen auf die Stärke des ersten Stoßes an der äußeren Öffnung (außerhalb des Flaschenraumes liegende Öffnung) des Stoßteilerrohrs und damit eine Beanspruchung auf die Struktur des Luftfahrzeuges reduziert. Der Durchmesser des Stoßteilerrohrs könnte sich aber im Bedarfsfall in Richtung äußerer Öffnung aufweiten, um eine Freigängigkeit für ein pendelndes Geschoß zu ermöglichen.

[0007] Mit der Erfindung wird erreicht, daß sowohl die Waffenrückstoßkraft als auch die Schockwelle deutlich gegenüber dem Stand der Technik reduziert wird. Der Impuls bei Reflexion der Schockwelle am Ende des Sackraumes bewirkt eine dem Rückstoß des Geschosses entgegengesetzte Kraft, die um so größer ist, je besser es gelingt Teile des Hauptstoßes aus der Rohrmündung in den Sackraum umzuleiten.

[0008] Weiterhin wird der Ausströmimpuls des Gases aus dem Flaschenraum auf einen wesentlichen größeren Zeitraum verteilt. Somit "verschmiert" sich der Rückstoß in Richtung einer gleichmäßigeren Last anstatt eines Stoßes, was die Schallbelastung auf die Struktur des Luftfahrzeuges erheblich reduziert.

[0009] Zwischen dem in den Flaschenraum hineinragenden Ende des Stoßteilerrohres und der Mündung des Rohrlaufs verbleibt ein solcher Abstand, daß der an der Wand des Expansionsraumes reflektierte erste Stoß, noch bevor die reflektierte Welle die Schußachse erreichen würde, von der äußeren Oberfläche des Stoßteilerrohres in den Sackraum reflektiert wird.
Durchmesser und Tiefe des Expansionsraumes üben einen Einfluß aus auf die Lage eines Fokusbereiches, der sich ergibt nach dem reflektierten ersten Stoß an der Wand des Expansionsraumes. Dieser Fokusbereich ist in seiner Lage optimal, wenn er an oder in Schußrichtung stromab zur inneren Öffnung des Stoßteilerrohres liegt.
Der Durchmesser und insbesondere die Länge des Sackraumes bestimmen den Zeitpunkt, an dem die in diesem Raum reflektierte Stoßwelle die innere Öffnung des Stoßteilerrohres wieder erreicht. Dieses sollte noch vor dem Erreichen des Maximums des aus der Rohrmündung austretenden Hauptstoßes eintreten. Dadurch wird erreicht, daß der reflektierte Stoß ein ungehindertes Durchbrechen des Gases durch die innere Öffnung des Stoßteilerrohres beeinträchtigt, weil die Gase aus dem Sackraum, um aus dem Stoßteilerrohr austreten zu können, um 180 Grad umgelenkt werden müssen. Dies verursacht enorme Strömungsverluste.

[0010] Der Durchmesser der Flasche ist meist durch die Flugzeugstruktur eingeschränkt.

[0011] Sind sowohl Durchmesser als auch Tiefe des Expansionsraumes durch die Struktur des Luftfahrzeuges festgelegt, besteht in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Möglichkeit, die in die Flasche ragende Länge des Stoßteilerrohres verstellbar zu machen, so daß der feststehende Fokus an der Wandung des Stoßteilerrohres positioniert ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Durchmesser der inneren Öffnung gerade der Freigängigkeit eines Geschoßes entsprechend.

[0012] Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel unter Einbeziehung der Zeichnungen dargestellt und näher beschrieben. Es zeigen

Figur 1

schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung

Figur 2

schematischer Ablauf der Strömungsentwicklung zum Zeitpunkt des Eintretens des Stoßes in den Expansionsraum und Fokusierung

Figur 2a

Schnitt S-S an der Expansionskammer

Figur 3

Strömungsentwicklung beim Abschneiden eines Teilstoßes durch die Hülse und Einlauf in den Sackraum

Figur 4

Strömungsentwicklung nach Reflexion im Sackraum

Figur 5

Strömungsentwicklung in Fortsetzung von Figur 4

Figur 6

Schockwelle als Stoßimpuls

Figur 7

lmpulsverlauf der Schockwelle an der äußeren Öffnung der Hülse

[0013] Nach dem schematischen Aufbau der in Figur 1 gezeigten Einrichtung ist deutlich zu erkennen, daß der von der Flasche 4 umfaßte Flaschenraum H der Mündung 2 eines Rohrlaufs 1 in Schußrichtung S_R im wesentlichen nachgeordnet ist. Dieser Flaschenraum H ermöglicht ein Zwischenspeichern der Energie des Gases aus dem Rohrlauf 1, welches beim Abschuß eines Geschoßes entsteht. Durch dieses Zwischenspeichern der Energie des Gases kann dieses sich nicht stoßartig freisetzen.
Die Flasche 4 hat eine hintere Öffnung 4.2 und eine vordere Öffnung 4.1. Die Flasche 4 ist mit der hinteren Öffnung 4.2 formschlüssig der Mündung 2 des Rohrlaufs 1 aufgesetzt. Ein Haltemittel 3, welches den Rohrlauf 1 an der Mündung umfaßt, trägt die Flasche 4. Die vordere Öffnung 4.1 der Flasche 4 hat mittels Träger 7 ein Stoßteilerrohr 5 in Schußrichtung S_R positioniert. Das Stoßteilerrohr 5 ragt mit seiner inneren Öffnung 5.1 in den Flaschenraum H. Die äußere Öffnung 5.2 des Stoßteilerrohres bildet zugleich die Mündung der Flasche 4. Die innere Öffnung 5.1 des Stoßteilerrohres 5 teilt den Flaschenraum H in zwei Räume (2 Kammern), den Expansionsraum A und den Sackraum B. Der Expansionsraum A wird charakterisiert durch den Durchmesser d und die Tiefe T. Der Sackraum ist ein sogenannter "toter" Raum, der keinen Ausgang hat. Der Sackraum B erstreckt sich vom Expansionsraum bis an die vordere Wandung der Flasche 4. Die vordere Wandung der Flasche 4 kann zugleich als Umlenkmittel 6 ausgebildet sein.
Im Expansionsraum A kann das aus dem Rohrlauf 1 austretende Gas explosionsartig expandieren. Im Sackraum B expandiert das Gas weiter, getrennt von dem Anteil des Gases, welches durch das Stoßteilerrohr 5 direkt austritt. Das Stoßteilerrohr 5 sollte einen möglichst kleinen Durchmesser ausweisen, der gerade eine Freigängigkeit für das Geschoß garantiert. Im Bedarfsfall kann sich das Stoßteilerrohr in Richtung äußerer Öffnung aufweiten, um die Freigängigkeit für ein pendelndes Geschoß zu ermöglichen, Wie Figur 2a erkennen läßt, kann dieser Stoß in seiner "natürlichen" Laufrichtung (entspricht der Schußrichtung) mit einer möglichst großen "Eintrittsöffnung" in den Sackraum B expandieren. Ein nur geringer Teil des ersten Stoßes wird durch das Stoßteilerrohr 5 an die Umgebung freigesetzt.

[0014] Mit den Figuren 2, 3, 4 und 5 wird in Nummernfolge der zeitliche Ablauf einer Strömungsentwicklung im Flaschenraum beim Abschuß eines Geschoßes schematisch erläutert. Dabei kann von folgenden Randbedingungen ausgegangen werden. Die Stoßgeschwindigkeit in dem Flaschenraum H kann im Bereich von 500 bis 1000 m/s liegen. Die Zeit bis zum Aufbau des Stoßmaximums vor der äußeren Öffnung 5.2 des Stoßteilerrohres 5 im Bereich der Flugzeugstruktur beträgt etwa 0,5 ms. Ein mittleres Stoßdruckverhältnis ≈ 50 an der Mündung 2 des Rohrlaufs 1 sei vorausgesetzt.
Unter diesen Randbedingungen erreicht beispielsweise der Stoß, der durch das aus der Mündung 2 austretende Gas verursacht wird, nach 0,1 ms die innere Öffnung 5.1 des Stoßteilerrohres 5. Der Stoß weist seitlich starke Expansionsbereiche auf ("wirksamer" Winkel des Ausströmkegels ≈ 30 bis 45 Grad), so daß zuerst im Bereich A' in Figur 2 eine merkliche Stoßreflexion an der Wandung des Expansionsraumes A auftritt. Dieser reflektierte Stoß erreicht den Bereich der Schußachse zuerst im Fokusbereich F, der seine Lage an oder stromab der inneren Öffnung 5.1 des Stoßteilerrohres 5 findet und somit die Tiefe (T) des Expansionsraumes A bestimmt. Das Geschoß dürfte sich zu dieser Zeit im Bereich der inneren Öffnung 5.1 befinden.
Der Stoß im Sackraum B erreicht dessen vordere Wand und wird reflektiert. Inzwischen erreicht die Zeit etwa 0,3 ms. Das Gas zwischen vorderer Wand und reflektiertem Stoß wird zum Stehen gebracht und erreicht sehr hohe Drücke und Temperaturen. Die Zeit zum Hin- und Herlaufen des Stoßes im Sackraum B sollte so bemessen sein, daß der reflektierte Stoß die innere Öffnung 5.1 des Stoßteilerrohres 5 erreicht, lange bevor die Strömung aus der Mündung 2 voll ausgebildet ist, d. h. lange bevor sich das sonst übliche Maximum des Stoßimpulses ausbildet. Diese Zeit dürfte beispielsweise bei 0,25 bis 0,3 ms liegen. Diese Zeitspanne bestimmt die Länge des Sackraumes B. Demnach wird die Länge des Sackraumes B beispielsweise 0,1 bis 0,2 m betragen. Das Geschoß befindet sich zu dieser Zeit noch immer im Stoßteilerrohr 5.
Entsprechend Figur 4 erreicht der reflektierte Stoß im Sackraum B die innere Öffnung 5.1 des Stoßteilerrohres 5. Im gesamten Sackraum B ist die Strömung zum Stillstand gebracht. Bei weiterem Fortschreiten des Stoßes "würgt" dieser die noch im Expansionsraum A vorhandene Strömung in Richtung Stoßteilerrohr ab. Das hochkomprimierte Gas aus dem Sackraum B expandiert nun in die innere Öffnung 5.1 des Stoßteilerrohres 5, wobei es um 180 Grad umgelenkt werden muß. Das Geschoß hat das Stoßteilerrohr 5 verlassen.
Wie Figur 5 weiter zeigt, erreicht nach einem Zeitraum von etwa 0,6 ms der reflektierte Stoß die Mündung 2 und verhindert ein weiteres Ausgasen des Rohrlaufes 1, weil ein Teil von ihm in den Rohrlauf 1 hineinläuft. Der andere Teil wird wieder reflektiert und der Vorgang beginnt von neuem. Ein Expansionsfächer e breitet sich in den Sackraum B aus und beschleunigt das Gas wieder in Richtung zur inneren Öffnung 5.1. Da die innere Öffnung 5.1 des Stoßteilerrohres 5 scharfkantig ausgebildet ist, ist bei den vorhandenen extrem hohen Drücken nur ein maximaler effektiver Umlenkwinkel von ca. 120 Grad möglich. Dadurch bildet sich eine starke Ablösung und eine Einschnürung der Strömung im Mündungsbereich, der die Ausströmung des Gases stark behindert. Auf diese Weise wird der Mündungsstoß effektiv in viele kleine Stöße zerlegt und praktisch in einen Strahl verwandelt, der die Flugzeugstruktur wesentlich geringer belastet als die Lösung nach dem Stand der Technik.

[0015] Mit Impuls i₁ aus Figur 6 wird schematisch der Stoß ohne Einrichtung an der Mündung des Rohrlaufs dargestellt. Bei einer steilen Stirnflanke S wird nach einer Zeit t_M sehr schnell ein relativ großes Maximum M des Stoßes erreicht, um dann in einer Rückflanke R steil abzufallen. Dieser Vorgang dauert ca. 1 ms. Nach der Erfindung ist der an der äußeren Öffnung 5.2 des Stroßteilerrohres zu registrierende Impuls i₂ (Schockwelle) - wie Figur 7 zeigt - in seiner Höhe wesentlich reduziert und zeitlich gestreckt wie die schematische Darstellung weiter zeigt. Diese Impulsform läuft erst in sehr großer Entfernung wieder zu einem Stoß zusammen. Diese starke Reduzierung des Stoßes mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß es gelang, den reflektierten Stoß zu nutzen, um den zwischenzeitlich sich noch aufbauenden ersten Stoß (Anstiegsflanke des Impulses) so zu beeinflussen, daß sich das Maximum M nicht ausbilden kann, sondern abgewürgt wird und sich der Impuls i₂ in Richtung einer zeitlich längeren, aber deutlich geringeren Impulshöhe, verzögert (verschmiert) wird. Die Geometrie des Flaschenraums trägt dazu bei, daß die Strömung aus dem Rohrlauf abgewürgt wird noch bevor sich die Stirnflanke des Stoßes voll aufbauen kann. Dadurch werden Vibrationen deutlich gemindert. Neben Kanonen für Luftfahrzeuge ist die Erfindung auch bei anderen, bekannten Feuerwaffen einsetzbar.

Ansprüche

1. Einrichtung am Rohrlauf einer Rohrwaffe, insbesondere an einer Kanone von einem Luftfahrzeug,
enthaltend ein am mündungsseitigen Ende des Rohrlaufs mittels Haltemittel angeordnete Flasche, die der Aufnahme einer Schockwelle an der Mündung des Rohrlaufs dient, wobei die Flasche eine hintere Öffnung und nachfolgend in Schußrichtung eine vordere Öffnung hat durch die ein abgeschossenes Projektil die Flasche verläßt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flasche (4) einen Flaschenraum (H) in Schußrichtung (S_R) nachfolgend zur Mündung (2) bildet, wobei die Flasche (4) formschlüssig im Bereich der Mündung (2) am Rohrlauf (1) angeordnet ist und in die vordere Öffnung (4.1) der Flasche (4) ein in Schußrichtung verlaufendes Stoßteilerrohr (5) eingesetzt ist, das mit einem Ende in den von der Flasche (4) gebildeten Flaschenraum (H) hineinragt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem in den Flaschenraum hineinragenden Ende (5.1) der Stoßteilerrohres (5) und der Mündung (2) des Rohrlaufes (1) ein solcher Abstand (T) verbleibt, daß der an der Wand des Expansionsraumes (A) reflektierte erste Stoß, bevor die reflektierte Welle die Schußachse (S_R) erreichen würde, von der äußeren Oberfläche des Stoßteilerrohres (5) in den Sackraum (B) reflektiert wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Sackraumes (B) so bemessen ist, daß die im Sackraum (B) an dem Umlenkmittel (6) reflektierte Stoßwelle die Öffnung (5.1) des Stoßteilerrohres (5) erreicht, bevor das Maximum (M) des aus der Rohrmündung (2) austretenden Stoßes ausgebildet ist.

4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Stoßteilerrohr (5) in seiner in den Flaschenraum (H) ragenden Länge einstellbar ist.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Öffnung (5.1) des Stoßteilerrohres (5) gerade der Freigängigkeit eines Geschosses entspricht.

Zeichnung