VORRICHTUNG ZUR GESTEUERTEN INITIIERUNG DER DEFLAGRATION EINER SPRENGLADUNG

Abstract

 Eine Vorrichtung zur Auslösung einer subdetonativen Reaktion, insbesondere einer Deflagration, einer Sprengladung eines Wirksystems lässt sich durch Maßnahmen an die Konfiguration der Sprengladung und, sofern vorhanden, ihre Hülle soweit anpassen, dass eine stabile Deflagration der gesamten Sprengladung erreicht wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur gesteuerten Initiierung einer subdetonativen Reaktion - insbesondere der Deflagration - einer in einer Hülle angeordneten Sprengladung, umfassend wenigstens einen im Bereich der Längsachse der Sprengladung verlaufenden Sprengladungskern.

[0002] Aus der DE 100 08 914 C2 ist eine dosierbare Sprengladung für einen Gefechtskopf mit zwei unterschiedlichen Zündeinrichtungen bekannt geworden. Während die erste Zündeinrichtung die Sprengladung detonativ initiiert, ist die weitere, gegenläufig ausgerichtete Zündeinrichtung so ausgelegt, dass höchstens eine subdetonative Initiierung erfolgen kann. Auch die Verwendung von wenigstens einer Detonationsschnur für diesen Zweck ist hieraus bekannt. In der Praxis haben sich einige Probleme ergeben, die im Extremfall zum Erlöschen der Initiierung oder zur komplett detonativen Initiierung führen können.

[0003] In der DE 10 2012 006 044 B3 ist eine zylindrische Sprengladung mit einer Hülle beschrieben, die eine parallel zur Sprengschnur angeordnete Messvorrichtung aufweist, welche den Fortschritt der laufenden Deflagration detektiert.

[0004] Die US 2012/0227609 A1 beschreibt ein Zündsystem mit zwei unterschiedlichen Zündeinrichtungen. Die erste Zündeinrichtung ist konventionell für die detonative Auslösung der Sprengladung ausgelegt. Die örtlich gegenüber liegende zweite Zündeinrichtung ist für eine deflagrative Initiierung der Sprengladung dimensioniert. Da in diesem Zündsystem das selbe Bauprinzip mit gegenüber liegenden Zündstellen verwendet wird, von denen aus die Detonationswellen gegeneinander laufen, treten auch hier die bereits bekannten Mängel auf.

[0005] Dem gegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Zündvorrichtung zu entwickeln, die in der Lage ist, eine deflagrative Initiierung über die gesamte Länge der Sprengladung aufrecht zu erhalten, ohne dass die Deflagrationsreaktion in axialer oder radialer Richtung in einen Abbrand übergeht, ausstirbt oder in eine Detonation umschlägt.

[0006] Dies soll in derart robuster Weise geschehen, dass auch in stark verdämmten Wirksystemen (wie Penetratoren) sowie unter extremen militärischen Umweltbedingungen (insbesondere unter sehr geringen und sehr hohen Temperaturen) die Deflagration der Sprengladung kontrolliert und zuverlässig erfolgt.

[0007] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sprengladung einen Sprengladungskern aufweist, der in seinen Querabmessungen dem radialen Verlauf der Hülle in Längsrichtung der Sprengladung anpassbar ist, und dass seine Aufladung über die Länge des Sprengladungskerns hinsichtlich der Art des Sprengstoffes homogen oder örtlich unterschiedlich einstellbar ist.

[0008] Hieraus ergeben sich diverse Gestaltungsmöglichkeiten, die in den weiteren Ansprüchen beschrieben sind und die eine Anpassung dieser Initilerung an die örtlichen Gegebenheiten in der Sprengladung ermöglichen.

[0009] Vorteilhaft ist, dass die Querabmessung des Sprengladungskerns dem Verlauf der Hülle in Längsrichtung der Sprengladung anpassbar ist. Dies kann in Stufen erfolgen oder auch kontinuierlich, so dass damit der Sprengladungskern an jede Form der Hülle angeglichen werden kann.

[0010] Mittels der Aufladung des Sprengladungskerns über die Länge des Sprengladungskerns, die hinsichtlich der Art des Sprengstoffes homogen oder örtlich unterschiedlich einstellbar ist, können bei Bedarf auch unterschiedliche Sprengstoffarten miteinander zu einem Sprengladungskern kombiniert werden. Für einen Sprengladungskern eignen sich auch vergleichsweise energiereiche (hochbrisante) und/oder sensitive CHNO-basierte Sprengstoffe wie z. B. hexogen- oder oktogenbasierte Sprengstoffmischungen sowie RDX (Cyclo-1,3,5-Trimethylen-2,4,6-Trinitramin, Hexogen), HMX (Cyclo-1,3,5,7-Tetramethylen 2,4,6,8-Tetranitramin, Oktogen), PETN (Pentaerythritoltetranitrat), HNS (Hexanitrostilben), FOX-7 (1,1-Diamino-2,2-Dinitroethylen), FOX-12 (Guanylharnstoffdinitramid) oder Mischungen hieraus. Darüber hinaus können inerte Binder wie HTPB (Hydroxylterminiertes Polybutadien), Silikongummi, Polyurethangummi, Polystyrol, Estan, Nylon, Wachs und/oder Graphit verwendet werden

[0011] Zudem kann der Durchmesser des Sprengladungskerns bei nicht konstantem Hüllendurchmesser variieren und direkt an diesen angepasst werden. Die Aufladung des Sprengladungskerns ist dabei an Größe und Form der Sprengladung anzupassen.

[0012] Um einen direkten Kontakt vom detonativ reagierenden Sprengstoffkern zur Sprengladung zu unterbinden und so die Schockwelle bei Detonation des Sprengladungskerns zu dämpfen, ist es hilfreich, wenn der Sprengladungskern von einem Mantel oder einem Rohr umgeben ist. Dieser Mantel oder das Rohr kann beispielsweise aus einem Gewebe, einem Kompositewerkstoff (GFK, CFK, CRC oder CFRC), einem Kunststoff oder einer Kombination daraus bestehen. Als Material für eine Ummantelung (Mantel oder Rohr) kommen u. a. Textilfasern, Kunststoffe (Polymere) wie z. B. Kevlar, Nylon, Polyethylen, Polypropylen, PTFE (Teflon), PVC, Polystyrol, Plexiglas (Acrylglas) oder Polyurethan aber auch Wachs in Betracht.

[0013] Auch die Wandstärke und das Material des Mantels oder des Rohrs kann dem radialen Verlauf der Hülle in Längsrichtung der Sprengladung in Stufen oder kontinuierlich angepasst werden.

[0014] Mit dem Deflagrator, der im Modus der kleinsten Wirkung allein initiiert wird, wird eine subdetonative Reaktion ausgelöst. Dies geschieht im Ausführungsbeispiel durch Detonation des Sprengladungskerns, wodurch die heißen Reaktionsgase ein noch nicht reagiertes energetisches Material konvektiv erhitzen. Dies setzt sich weiter über in der Sprengladung vorhandene Poren fort. Es bildet sich eine mehrphasige Reaktionszone heraus, bei der die Druck- und Flammfront im Gegensatz zur Detonation räumlich voneinander getrennt sind und sich durchaus mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortpflanzen können. Die Reaktion führt letztlich zu einer Druckerhöhung, unter der der Sprengstoff auch mechanisch versagen kann und sich Risse bilden und weiter fortpflanzen. Die Reaktionsgeschwindigkeiten hängen auch vom Verdämmungszustand der Sprengladung, d.h. Wandstärke und Festigkeit der Hülle, ab. Die Geschwindigkeit der Flamm- und Druckfront liegt dabei typischerweise unterhalb der Schallgeschwindigkeit der Sprengladung.

[0015] Eine stabile Deflagration ergibt sich aus der Rate der Energiedissipation im Vergleich zur Energieerzeugungsrate, die hier durch den Sprengladungskern kontrolliert wird. Nachfolgend werden einige Systemeinflussfaktoren beschrieben und konkrete Zahlen / Zahlenbereiche für einzelne Parameter angegeben, bei denen eine Deflagration stabil abläuft.

[0016] Unempfindliche, gegossene Sprengladungen enthalten einen Anteil des Kunststoffbinders von mindestens 10%. Der Anteil des Sprengstoffmoleküls, für das sich RDX (Cyclo-1,3,5-Trimethylen-2,4,6-Trinitramin, Hexogen), HMX (Cyclo-1,3,5,7-Tetramethylen 2,4,6,8-Tetranitramin, Oktogen), NTO (5-Nitro-1,2,4-Triazole-3-One), FOX-7 (1,1-Diamino-2,2-Dinitroethylen), FOX-12 (Guanylharnstoffdinitramid) u.a. anbieten, kann dabei zwischen 90 und 50% liegen. Als Binder eignet sich hierfür u. a. ein Zweikomponenten-Gießharz mit Hydroxyl-terminiertem Polybutadien (HTPB), aber auch Silikongummi, Polyurethangummi, Polystyrol, Estan oder Nylon. In der Bindermatrix werden die granularen Sprengstoffkristalle eingekapselt. Eine solche kunststoffgebundene Sprengladung verfügt grundsätzlich infolge des Herstellungsprozesses über mikroskopisch kleine Poren. Diese Poren bestimmen die Porosität der Sprengladung und stellen die für die Deflagrationsreaktion notwendige freie Oberfläche zu Verfügung. Die Porositäten liegen hierbei typischerweise im einstelligen Prozentbereich, d.h. deutlich unter fünf Prozent. Zur Steigerung der Blastdruckwirkung kann die Sprengladung zusätzlich über gecoatete oder nicht gecoatete Metallpulver mit Partikeln z.B. aus Aluminium, Magnesium, Zirkonium, Titan, Wolfram, Titankarbid oder Zirkonkarbidverfügen. Hierbei wird ein Anteil von typischerweise 15 bis 25 Masse-Prozenten angestrebt, sofern der Blastdruck zu optimieren ist. Zur Steigerung des Blastdruckes kann die Sprengladung auch mit bis 20 Prozent Ammoniumperchlorat (AP) angereichert sein.

[0017] Zur Vermeidung einer schockinitiierten Detonation der Sprengladung ist es zweckmäßig, wenn die Sprengladung eine vergleichsweise geringe Schocksensitivität aufweist. Hierzu sollten die Materialien des Sprengladungskerns und seines umschließenden Mantels oder Rohrs mit ihren Hugonioteigenschaften derart gewählt werden, dass die Schockimpedanz des Mantels/Rohrs zu einer signifikanten Reduktion des streifenden Detonationsdruckes des Sprengladungskerns führt. Die Schockimpedanz Z kann mit der bekannten Formel bestimmt werden

mit ρ₀ als Dichte, U als Schockgeschwindigkeit, c₀ als Bulk-Schallgeschwindigkeit, s als Steigung und u als Partikelgeschwindigkeit. Der Schockdruck ergibt sich dann mit

[0018] Zweckmäßigerweise sollte der resultierende Druck an der Grenzfläche des Dämpfungsmaterials zur Sprengladung unterhalb des Schockinitiierungsdrucks liegen. Günstig ist außerdem ein kritischer Durchmesser für eine schockinitiierte Detonation der Sprengladung, der mindestens 5 mm, typischerweise mehr als 10 mm, beträgt.

[0019] Um eine Entzündung der Sprengladung durch Hot Spots infolge der schwachen Schockwelle und der heißen Reaktionsgase zu fördern, sollte die Sprengladung eine vergleichsweise geringe Selbstentzündzungstemperatur aufweisen. Sie sollte kleiner als 230°C sein und typischerweise deutlich unterhalb von 200°C liegen. Nichtsdestotrotz sollte sie hinreichend groß sein, um die Insensitivität der Sprengladung bei thermischen Stimuli wie Slow-Cook-Off- und Fast-Cook-Off-Tests nicht unnötig negativ zu beeinflussen.

[0020] Bei Vorhandensein einer Ladungshülle sind die relevanten Parameter die Wandstärke, auch im Vergleich zum Ladungsdurchmesser, und die Materialfestigkeit.

[0021] Diese werden über den statischen Versagensdruck zweckmäßig miteinander verknüpft. Oberhalb eines spezifischen Grenzdrucks werden mit höherer Wahrscheinlichkeit unerwünschte Übergänge in stärkere Reaktionen (Detonation-to-Deflagration-Transitions, DDTs) erwartet. Eine Verdämmung an den Ladungsenden kann durch die nachfolgend beschriebene Entlüftung so reguliert werden, dass sich kaum Unterschiede zu an den Enden offenen Ladungen zeigen. Dies zeigt sich dann in ähnlichen Aufweitungsgeschwindigkeiten der Ladungshülle und damit Druckraten infolge der Reaktion der Sprengladung.

[0022] Der Versagensdruck einer Verdämmung unter statischer Belastung wird berechnet anhand

mit


d_i als Innendurchmesser, d_a als Außendurchmesser und σ_max als Maximalspannung. Eine Verdämmung mit einem statischen Versagendruck kleiner als 6,0 kbar, typischerweise kleiner als 2,6 kbar, wird dabei, sofern die Initiierung optimal an die Ladungsabmessungen angepasst ist, als günstig angesehen, um eine kontrolliert ablaufende Deflagration zu gewährleisten. Im Gegensatz dazu können höhere Verdämmungswerte, insbesondere wenn keine ausreichende Entlüftung vorhanden ist, Übergänge in stärkere Reaktionen (DDTs) begünstigen. Grundsätzlich kann die Entlüftung durch Ladungsdeckel, Sollbruchstellen der Hülle und Bohrungen nachhaltig beeinflusst werden, sofern es sich um eine vollständig verdämmte Sprengladung handelt. Vorteilhaft ist die Entlüftung insbesondere im Bereich der Initiierung, wo die Deflagrationsreaktion beginnt und hierdurch der Druck zuerst ansteigt.

[0023] Als Hüllenmaterial eignen sich beispielsweise nicht nur Metalle wie Stahl, Aluminium, Titan oder entsprechende Legierungen, sondern auch Kunststoffe oder Kompositewerkstoffe wie GFK oder CFK, sowie CRC oder CFRC. Damit wird eine geringere letale Wirkung erreicht, dagegen aber eine höhere Druckwelle. Bei Verwendung nicht metallischer Hüllenmaterialien beschränkt sich schließlich die Wirkung auf den Blastüberdruck und die Hitze, wobei beide rasch mit dem Abstand vom Umsetzungsort abnehmen.

[0024] Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig.1: die Radiallänge einer Sprengladung in Relation zur Aufladung eines Sprengladungskerns;

Fig.2: ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Verwendung in einem bekannten Wirksystem;

Fig.3: Beispiele möglicher Querschnitte von Sprengladungskernen.

[0025] In der Figur 1 ist vertikal der Innenradius (Radiallänge) von der Mittelachse bis zur Innenwand der Hülle aufgetragen und horizontal die hierfür geeignete Aufladung eines Sprengstoffkerns. Innerhalb der gestrichelten Linien wird eine stabil ablaufende Deflagration erreicht. Oberhalb der gestrichelten Linien geht die Deflagration in eine Verbrennungsreaktion über und/oder stirbt gänzlich aus und unterhalb geht sie unkontrolliert in eine stärkere Reaktion wie eine teilweise oder vollständige Detonation über.

[0026] In der Figur 2 ist ein Schnitt durch ein Wirksystem dargestellt, das innerhalb der Hülle HÜ bis auf einen schlanken Hohlraum im Bereich der Längsachse LA mit Sprengstoff SP gefüllt ist. Dieser nicht näher bezeichnete Hohlraum dient der Aufnahme des Sprengladungskerns SK. Der Sprengladungskern erstreckt sich von einer ersten Zündeinrichtung Z1 an der Spitze des Wirksystems bis zu einer weiteren Zündeinrichtung Z2 am Heck des Wirksystems. Beide Zündeinrichtungen können zur Initiierung des Sprengladungskerns herangezogen werden.

[0027] Erfindungsgemäß ist der Sprengladungskern SK in mehrere Abschnitte A1, A2, A3 aufgeteilt. Dabei kann die Aufteilung je nach den Erfordernissen des Wirksystems auch in weniger oder mehr Abschnitte sinnvoll sein. Diese Abschnitte entsprechen jeweils einer genau für diesen Abschnitt angepassten Aufladung des Sprengladungskerns SK. Es ist auch möglich den Verlauf der Aufladung entsprechend dem Verlauf der Hülle HÜ derart anzupassen, dass die Aufladung nach einem höheren Wert im mittleren Bereich zum Ende hin wieder abnimmt.

[0028] Es wurden bereits typische Werte für Aufladungen in den unterschiedlichen Bereichen ermittelt, die Erfolg versprechend sind. So kann eine Aufladung im Abschnitt A1 im Wertebereich 30 bis 70 g/m liegen, im zweiten Bereich A2 im Wertebereich 50 bis 90 g/m und schließlich im dritten Bereich A3 im Wertebereich 70 bis 100 g/m.

[0029] Eine weitere Anpassungsmöglichkeit besteht in der Wahl des Querschnitts des Sprengladungskerns SK. Dieser kann je nach Anpassungsbedarf beispielsweise eckig, rund oval, halbrund ausgeführt sein, wie dies in Figur 3 dargestellt ist.

[0030] Aufgrund der Anpassungsmöglichkeiten kann ein Sprengladungskern bei nahezu beliebigen Formen und Größen von Gefechtsköpfen und anderen Wirksystemen Anwendung finden.

[0031] Ein weiterer Vorteil ist die signifikante Reduktion der Anfangsgeschwindigkeit der aus der Hülle abgegebenen Splitter. Ebenso von Vorteil ist die erhebliche Verringerung des maximalen Blastdruckes. Dies lässt sich einfach anhand der Abschätzung der Leistung einer Sprengladung charakterisieren

mit p als Dichte und D als Reaktionsgeschwindigkeit, zumeist der Detonationsgeschwindigkeit, der Sprengladung. Bei der Deflagration lässt sich infolge der signifikant geringeren Reaktionsgeschwindigkeiten und Reaktionsdrücke die Leistung damit auf 5 bis 15 Prozent im Vergleich zur detonativen Umsetzung der Sprengladung reduzieren.

Ansprüche

1. Vorrichtung zur gesteuerten Initiierung einer subdetonativen Reaktion - insbesondere einer Deflagration - einer Sprengladung, die in einer Hülle angeordnet sein kann, umfassend wenigstens einen im Bereich der Längsachse der Sprengladung verlaufenden Sprengladungskern, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Querabmessung des Sprengladungskerns dem radialen Verlauf der Hülle in Längsrichtung der Sprengladung anpassbar ist,

- die Aufladung des Sprengladungskerns über die Länge des Sprengladungskerns hinsichtlich der Art des Sprengstoffes homogen oder örtlich unterschiedlich einstellbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufladung des Sprengladungskerns hinsichtlich ihrer Form dem radialen Verlauf der Hülle in Längsrichtung der Sprengladung anpassbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprengstoff unter Berücksichtigung seiner Dichte und/oder seiner prozentualen Zusammensetzung im Sprengladungskern anordenbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für den Sprengladungskern Mischungen aus Sprengstoffmolekülen nach Anspruch 4 und inertem Binder wie HTPB, Silikongummi, Polyurethangummi, Polystyrol, Estan, Nylon, Wachs und/oder Graphit verwendet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detonationsgeschwindigkeit des Sprengladungskerns idealerweise genauso groß oder geringfügig kleiner ist als die Detonationsgeschwindigkeit der Sprengladung.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstentzündungstemperatur des Sprengladungskerns unter 230°C und typischerweise unter 200°C liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querabmessungen des Sprengladungskerns erheblich kleiner sind als der Durchmesser der Sprengladung und deren Verhältnis zwischen 1/10 und 1/30 liegen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprengladungskern von einem Mantel umgeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke und/oder das Material des Mantels in ihrer Form dem Verlauf der Hülle in Längsrichtung der Sprengladung anpassbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Mantels in der Größenordnung wie die Querabmessungen des Sprengladungskerns liegen und diese typischerweise unterschreiten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sprengladungskern von einem Rohr umgeben ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke und/oder das Material des Rohrs in ihrer Form dem Verlauf der Hülle in Längsrichtung der Sprengladung anpassbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Rohrs in der Größenordnung wie die Querabmessungen des Sprengladungskerns liegen und diese typischerweise unterschreiten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegossene Sprengladung mit einem CHNO-basierten Sprengstoffmolekül wie RDX, HMX, NTO, FOX-7 oder FOX-12, eingekapselt in einem inertem Binder wie HTPB, Silikongummi, Polyurethangummi, Polystyrol, Estan oder Nylon, und/oder zusätzlich Metallpulver aus Aluminium, Magnesium, Zirkonium, Titan, Wolfram, Titankarbid, Zirkonkarbid und /oder Ammoniumperchlorat (AP) besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sprengladung von einer Hülle aus Metallen wie Stahl, Aluminium, Titan oder entsprechenden Legierungen oder Kunststoffen oder Kompositewerkstoffen wie GFK oder CFK sowie CRC oder CFRC umgeben ist und das Verhältnis der Hüllenmasse zur Sprengladungsmasse (M/C) zwischen 1,0 und 8,0 beträgt und der statische Versagensdruck der Hülle unter 6 kbar, typischerweise unter 2,6 kbar, liegt.

Zeichnung