[0001] Die Erfindung betrifft ein flügelstabilisiertes Geschoss, das in einem mit Drallnuten
versehenen Waffenrohr verwendet wird. Die volle Drall-Drehzahl entsprechend der Steigung
der Drallnuten des Waffenrohres wird dem Geschoss beim Abschuss erteilt, wobei ein
Drallband verwendet wird, das aus einem Stück mit dem Treibspiegel hergestellt ist.
Die Erfindung umfasst eine neue Methode und entsprechende ballistische Formerfordernisse.
Diese Kombination mit einer neuen abwerfbaren Treibspiegel-Konstruktion, die auch
einen Teil der Erfindung darstellt, ermöglicht es, eine sehr kleine Geschossstreuung
zu erzielen. Die Art des Geschosses eignet sich insbesondere für die Verwendung bei
automatischen Waffen mit einem Kaliber von 12,7 bis 70 Millimeter.
[0002] Im Gegensatz zu den üblichen drallstabilisierten Geschossen, welche ihre Flugstabilität
von den gyroskopischen Kräften erhalten, die sich aus der hohen Dralldrehzahl ergeben,
werden die Flügelgeschosse während des Fluges durch aerodynamische Kräfte stabilisiert,
welche auf das Geschoss wirken. Obwohl der Geschossdrall nicht zur Stabilisierung
der Flügelgeschosse beiträgt, ist eine niedrige Drehzahl um die Längsachse erwünscht,
zur Verminderung der nachteiligen Effekte der Massen- und Gestaltungs-Asymmetrien,
die sich aus Materialfehlern und Herstellungstoleranzen ergeben.
[0003] Flügelstabilisierte Geschosse werden vorzugsweise von Glattrohrkanonen abgeschossen;
dank dem Fehlen von Drallnuten wird kein Drall erzeugt. Solche Waffen befinden sich
zum Beispiel auf vorderen Kampfpanzern und besitzen im allgemeinen ein Kaliber von
60 Millimetern und mehr.
[0004] Automatische Kanonen mit einem Kaliber von 12,7 bis 40 Millimetern haben meistens
ausschliesslich mit Drallnuten versehene Waffenrohre zum Abschiessen von verschiedenen
Arten von drallstabilisierten Geschossen, insbesondere panzerbrechende Geschosse.
Zur Verbesserung des Panzerdurchdringungsvermögens solcher Waffen ist es erwünscht,
eine Technologie zu entwickeln, die eine erfolgreiche Verwendung von flügelstabilisierten,
langen panzerbrechenden, aus Drallrohren abgeschossenen Geschossen mit ihrer eigentümlichen
Endwirkung ermöglicht. In diesem Falle bedeutet erfolgreiche Verwendung Anpassung
der Munition an das Waffen- und Zuführ-System, welches seinerseits die erforderliche
strukturelle Ausbildung benötigt, um unter allen Bedingungen zuverlässig zu funktionieren,
zur Erzeugung einer Geschoss-Genauigkeit, die gleich oder besser ist als bei drallstabilisierten
Geschossen, welche von der gleichen Waffe abgefeuert werden.
[0005] Flügelstabilisierte Geschosse bestehen allgemein aus einem Unterkaliber-Geschosskörper
und einem Satz Flügel von vier oder mehr einzelnen Flügeln, die am hinteren Geschossende
befestigt sind. Der Geschossaufbau ist symmetrisch zu seiner Längsachse und das Geschoss
wird aus der Waffe mit Hilfe eines abwerfbaren Treibspiegels abgeschossen. Der abwerfbare
Treibspiegel hat zwei wichtige Aufgaben zu erfüllen, er soll das Unterkalibergeschoss
entlang der Mittellinie des Waffenrohres während der Beschleunigung führen und er
soll eine Abdichtung bilden, um die Treibgase während des Durchganges im Rohr zu halten.
Diese letzte Aufgabe wird durch das Drallband erfüllt, welches in die Drallnuten des
Waffenrohres eingreift und dabei den vollen Drall auf das Geschoss überträgt entsprechend
der Steigung der Drallnuten und der Mündungsgeschwindigkeit des Geschosses.
[0006] Flügelstabilisierte Geschosse, gemäss dem heutigen Stand der Technik, enthalten einen
Gleitsitz zwischen dem Drallband und dem Treibspiegel. Der Gleitsitz ist so ausgebildet,
dass er die Dralldrehzahl des Treibspiegels annähernd um 70 bis 90% vom Drall des
Drallbandes vermindert, welches den vollen Drall aufnimmt. Die Grösse des vom Gleitsitz
im Drallband übertragenen Dralls ist durch die Gleitreibung bestimmt. Somit hat beim
Austritt des Geschosses aus der Mündung des Waffenrohres das flügelstabilisierte Geschoss
eine Dralldrehzahl von ca. 10 bis 30% der Dralldrehzahl eines drallstabilisierten
Geschosses, das aus dem selben Waffenrohr abgefeuert wurde.
[0007] Es sind da zwei Problemkreise bei dieser Art des Abfeuerns flügelstabilisierter Geschosse
aus Drallrohren zu beachten. Erstens ist es schwierig, die Drallverminderung durch
den Gleitsitz mit der erforderlichen Wiederholbarkeit zu steuern, um eine annehmbare
Geschossgenauigkeit über den ganzen Bereich der Schiessbedingungen bei militärischer
Anwendung zu gewährleisten. Aenderungen der Geschosstemperatur zwischen -40 bis +60°,
Aenderungen der Feuchtigkeit, Herstellungstoleranzen, Verschmutzung durch Staub, Salz
oder andere Substanzen, die zwischen das Drallband und seinen Sitz eindringen, beeinflussen
den Reibungskoeffizient im Drallbandsitz und damit die Grösse der Drallübertragung.
[0008] Zweitens sind die Zentrifugalkräfte, welche an den Teilen des Treibspiegels angreifen,
sehr wirksam zur Einleitung der sofortigen und symmetrischen Trennung des Treibspiegels
vom Geschosskörper beim Austritt des Geschosses aus der Mündung des Waffenrohres.
Bei vermindertem Geschossdrall werden auch die Zentrifugalkräfte vermindert, welche
auf die Teile des Treibspiegels wirken und zwar im Quadrat der Dralldrehzahl. In der
Folge ist die Trennung des Treibspiegels weniger schnell und weniger genau als bei
nicht gleitendem Drallband und zunehmend mehr von den aerodynamischen Kräften abhängig.
[0009] Die Einwirkung der aerodynamischen Kräfte auf das Geschoss wird verzögert durch das
Ausströmen der Treibgase beim Austritt des Geschosses aus der Waffenrohrmündung. Diese
Treibgase umhüllen das Geschoss zeitweilig in entgegengesetzter Strömungsrichtung.
Erst beim Eintritt in die Atmosphäre, was etwa in einer Entfernung von ca. 30 Kalibern
von der Mündung entfernt erfolgt, bekommen die aerodynamischen Kräfte ihre volle Wirksamkeit
für die Trennung des Treibspiegels. Die Grösse der aerodynamischen Kräfte, die zur
Trennung des Treibspiegels wirksam sind, betragen nur einen Bruchteil der Zentrifugalkräfte,
die zur Verfügung stehen, wenn mit voller Dralldrehzahl abgefeuert wird, und daher
ist eine wesentlich zerbrechlichere Treibspiegelkonstruktion erforderlich, um ihr
Zerbrechen und Trennen zu gewährleisten. Ausserdem wegen der Begrenzung der Munition
auf Kaliber bis zu 40 Millimeter sind die Abmessungen des gleitenden Drallbandes zusammen
mit seinem Sitz sehr klein und daraus ergeben sich heikle und zerbrechliche Teile.
[0010] Demgegenüber erlaubt die Verwendung von nichtgleitenden Drallbändern den Aufbau von
stärkeren Treibspiegeln. Dies ist vorteilhaft bei Schnellfeuerkanonen und der entsprechenden
strukturellen Belastung bei der Zufuhr und beim Einschieben ins Waffenrohr.
[0011] Flügelstabilisierte Geschosse, welche mit abwerfbarem Treibspiegel versehen sind,
die ein gleitendes Drallband aufweisen, ergeben erfahrungsgemäss beachtliche Unterschiede
in der Dralldrehzahl beim Austritt aus der Mündung infolge der Abweichungen im Reibungskoeffizient
am Gleitsitz des Drallbandes. Demzufolge kann die darauffolgende Beschleunigung oder
Verzögerung des Geschossdralles zu Bedingungen führen, bei denen die Dralldrehzahl
gleich gross ist wie die Nutationsfrequenz des Geschosses und Resonanz-Instabilitäten
können auftreten. Je kleiner der Geschossdrall beim Austritt aus der Waffenrohrmündung
ist und somit auch die Zentrifugalkräfte, die auf den Treibspiegel wirken, umso kleiner
ist die Geschwindigkeit und die Symmetrie beim Abwerfen der Teile des Treibspiegels,
und dadurch vergrössert sich die Geschossstreuung.
[0012] Zusammenfassend ergeben sich folgende Nachteile bei abwerfbaren Treibspiegeln an
flügelstabilisierten Geschossen für automatische Feuerwaffen mit gleitenden Drallbändern
zur Verminderung des Dralles:
1. Beträchtliche Schwankungen des Geschossdralles beim Abschuss infolge Abweichungen
des Reibungskoeffizienten im Sitz des Drallbandes.
2. Schwankungen im Geschossdrall beim Abschuss führen zu verminderter Wiederholbarkeit
der Treibspiegeltrennung und somit der Geschossbahn, wodurch die Geschossstreuung
vergrössert und die Wahrscheinlichkeit des Erstschusstreffers abgewertet wird.
3. Verminderung des Geschossdralles beim Abschuss verkleinert die Zentrifugalkräfte,
die für die Treibspiegeltrennung erforderlich sind, was eine schwächere Treibspiegelkonstruktion
nötig macht. Der Verlust an Festigkeit und Zuverlässigkeit wird zudem verschlechtert
bei der Empfindlichkeit des gleitenden Drallbandes und des Sitzes.
[0013] Befürworter der Verwendung gleitender Drallbänder nehmen irrtürmlicherweise an, dass
ein grosser aerodynamischer Strömungswiderstand während der aerodynamischen Drallabnahme
des Geschosses besteht, das eine volle Dralldrehzahl beim Abschuss besitzt. Schiessversuche
haben jedoch gezeigt, dass der wirksame Strömungswiderstand sehr klein ist, was jedoch
nicht überraschend ist in Anbetracht dessen, dass die Drallenergie von flügelstabilisierten
Unterkalibergeschossen kleiner ist als ein Prozent ihrer translatorischen kinetischen
Energie. In diesem Zusammenhang ist es auch von Interesse, dass infolge der präzisen
und symmetrischen Treibspiegeltrennung bei flügelstabilisierten Geschossen mit voller
Dralldrehzahl, die maximale Geschossneigung beim Abschuss weniger als fünf Grad betrug.
Diese niedrige anfängliche Neigung ist sehr erwünscht, um den aerodynamischen Widerstand
und die Geschossverzögerung klein zu halten.
[0014] Die vorliegende Erfindung bezweckt die Trefferwahrscheinlichkeit von flügelstabilisierten
Unterkalibergeschossen zu verbessern, die von Waffenrohren mit Drallnuten abgeschossen
werden, durch Definition der Geschosseigenschaften, welchees ermöglichen, den Abschuss
bei voller Dralldrehzahl durchzuführen, ohne die Verwendung eines Drallbandes zur
Reduzierung des Dralles. Ferner ermöglicht die Vermeidung eines zerbrechlichen gleitenden
Drallbandes die Verbesserung der strukturellen Integrität Festigkeit und Zuverlässigkeit
der Munition.
[0015] Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf flügelstabilisierte Geschoss für automatische
Feuerwaffen mit einem Kaliber von 12,7 bis 40 Millimeter. Ein abwerfbarer Treibspiegel
mit starr befestigtem Drallband erzeugt einen Drall während der Beschleunigung des
Geschosses im Waffenrohr entsprechend der Steigung der Drallnuten und der Mündungsgeschwindigkeit
des Waffenrohres. Der resultierende Drall beim Abschuss ist daher ausschliesslich
von der Mündungsgeschwindigkeit abhängig und daher präzise wiederholbar. Die Drallbewegung
wird unvermindert auf das Unterkalibergeschoss übertragen. Anschliessend an den Austritt
aus dem Waffenrohr und nach der Treibspiegeltrennung gelangt das Unterkalibergeschoss
in die Atmosphäre und ist den aerodynamischen Kräften ausgesetzt. Ausser dass die
aerodynamischen Kräfte das Geschoss im Fluge stabilisieren, wirken sie auch auf die
Leitflügel und bewirken eine rasche Verminderung der Dralldrehzahl des Geschosses.
Nach verhältnismässig kurzer Flugdauer erreicht die Dralldrehzahl den konstanten Wert.
Diese konstante Dralldrehzahl ist durch den Abschrägungswinkel der Flügel bestimmt
und ausserdem proportional zur Geschoss-Fluggeschwindigkeit. Um stabile Flugbedingungen
aufrecht zu erhalten und um Flugbahnabweichungen zu vermeiden ist es notwendig, dass
die konstante Dralldrehzahl des Geschosses immer grösser ist als die Nutations- oder
Eigenfrequenz. Diese Wahl der konstanten Dralldrehzahl soll das Auftreten von Resonanz-Instabilitäten
verhindern, welche zu grossen Anstellwinkeln und sogar zu katastrophalen Schwankungen
führen. Die kritische Dralldrehzahl (Nutationsfrequenz) des Geschosses ist durch das
Trägheitsmoment und die aerodynamischen Eigenschaften bestimmt und stellt einen festen
Wert für ein gegebenes Geschoss dar. Innerhalb gewisser Grenzen kann die Grösse des
kritischen Dralles durch die Ausbildung des Geschosses beeinflusst werden.
[0016] Das flügelstabilisierte Geschoss ist mit einem abwerfbaren Treibspiegel versehen,
der im wesentlichen drei Hauptteile aufweist, nämlich ein Treibspiegelheck, einen
Treibspiegelkörper und eine Schutzhaube. Das Treibspiegelheck ist vorzugsweise aus
Leichtmetall, insbesondere Aluminium, das aus drei oder mehr gleichen Elementen zusammengesetzt
ist und den Penetrator im mittleren Bereich in koaxialer Lage zum Waffenrohr festhält.
Das Treibspiegelheck überträgt die längsgerichteten Beschleunigungskräfte und den
Drall, der durch die Drallnuten vom Treibspiegel auf den Penetrator übertragen wird.
Ein Treibspiegelkörper aus Kunststoff ist vor dem Treibspiegelheck angeordnet und
ist mit einem integrierten Drallband versehen, das in die Drallnuten eingreift und
sowohl als Abdichtung als auch zur Uebertragung der Drallbewegung - die von den Drallnuten
auf den Penetrator übertragen wird - vorgesehen ist. Der Treibspiegelkörper umfasst
ferner die drei oder mehr Längsnuten, die sich radial von seiner äusseren zylindrischen
Oberfläche erstrecken und einen Steg von gegebener Dicke an der Innenseite der Längsnuten
übriglassen. Der Treibspiegel wird entlang diesen Längsnuten unter der Wirkung der
Zentrifugalkraft beim Austritt aus der Waffenrohrmündung zerbrechen.
[0017] Gemäss einem wesentlichen Merkmal der Treibspiegelausbildung ist eine mechanische
Verbindung zwischen Treibspiegelkörper und Treibspiegelheck vorhanden, welche den
vorderen Teil des Treibspiegelhecks und den hinteren Teil des Treibspiegelkörpers
miteinander verankert. Diese Verbindung verhindert die Trennung der Teile unter der
Wirkung des Treibgasdruckes, der beim Abschuss auf die hintere Seite des Drallbandes
einwirkt. Ausserdem überträgt die Verbindung den Drall von Treibspiegelkörper auf
das Treibspiegelheck.
[0018] Gemäss einem weiteren wichtigen Merkmal der vorliegenden Erfindung sind die Trennflächen
zwischen den Teilen des Treibspiegelhecks abgedichtet und die Verbindung der Rückseite
des Treibspiegelhecks mit dem Penetrator ist mit einer ringförmigen Dichtung versehen.
Die Abdichtung der Heckteile, die ringförmige Dichtung und der Treibspiegelkörper
bilden eine einzige integrierte Einheit vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff.
Wegen des komplizierten Aufbaues von Treibspiegelkörper und Dichtungen wird diese
Einheit vorzugsweise im Spritzgussverfahren auf der zuvor zusammengestellten Einheit
von Treibspiegelheck und Penetrator hergestellt.
[0019] Eine Schutzhaube wird auf das vordere Ende des Treibspiegelkörpers aufgesetzt, um
das vordere Ende des Penetrators zu schützen und um das Geschoss der automatischen
Zuführvorrichtung anzupassen.
[0020] Im Anschluss an die Abtrennung des Treibspiegels ist die induzierte Abnahme des Geschossdralles
auf den konstanten Geschossdrall sehr schnell, sehr genau und wiederholbar. Dies kombiniert
mit der Tatsache, dass die anfängliche Dralldrehzahl an der Mündung ebenso genau steuerbar
ist wie die Mündungsgeschwindigkeit. Im allgemeinen beträgt die Abweichung vom Standard
nicht mehr als ein Prozent und ergibt einen genau wiederholbaren Ablauf des Geschossdralles
während des Fluges.
[0021] Der volle Drall, der sich bei einem festen, nicht gleitenden Drallband ergibt, bewirkt
die hohen Zentrifugalkräfte, welche auf die Treibspiegelteile einwirken und die für
die sofortige und symmetrische radiale Trennung beim Austritt des Geschosses aus der
Rohrmündung erforderlich sind. Dieses Verfahren der Treibspiegelabtrennung - kombiniert
mit der gesteuerten Geschossdrall-Abnahme entlang der Geschossbahn - wie das bei Geschossen
mit festem Drallband möglich ist, ergibt eine Geschossgenauigkeit, die mit den bekannten
Geschossen bisher nicht erreichbar war.
[0022] Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines flügelstabilisierten Geschosses mit abwerfbarem
Treibspiegel, das von einem mit Drallnuten versehenen Waffenrohr mit vollem Drall
entsprechend der Steigung der Drallnuten des Waffenrohres abgeschossen wird.
[0023] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines flügelstabilisierten Geschosses
mit abwerfbarem Treibspiegel, das mit vollem Drall von einem mit Drallnuten versehenen
Waffenrohr abgeschossen wird und anschliessend auf eine konstante Dralldrehzahl in
schneller, präziser und genau wiederholbarer Weise verzögert wird mit Hilfe einer
aerodynamischen Dämpfung, die zu einer genau wiederholbaren Drallabnahme während der
Flugbahn des Geschosses führt.
[0024] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines flügelstabilisierten Geschosses
mit abwerfbarem Treibspiegel, das von einem mit Drallnuten versehenen Waffenrohr abgeschossen
wird, das den vollen Drall beim Abschuss erreicht und eine konstante Dralldrehzahl
besitzt, die grösser ist als die Nutationsfrequenz des Geschosses.
[0025] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines flügelstabilisierten Geschosses
mit abwerfbarem Treibspiegel, das mit vollem Drall von einem mit Drallnuten versehenen
Waffenrohr abgeschossen wird und eine Halbwertszeit von nicht mehr als 0,1 Sekunden
besitzt, wobei diese Halbwertszeit erforderlich ist, um die Dralldrehzahl auf einen
Wert abzusenken, der auf halbem Weg zwischen Anfangswert beim Abschuss und der konstanten
Dralldrehzahl liegt.
[0026] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines flügelstabilisierten Geschosses,
das einen robusten Treibspiegel aufweist, der sich unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte
sofort und radial-symmetrisch nach dem Abschuss trennen lässt.
[0027] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines abwerfbaren Treibspiegels für ein
flügelstabilisiertes Geschoss, bei welchem der Treibspiegel drei Elemente aufweist,
nämlich ein Treibspiegelheck, einen Treibspiegelkörper aus Kunststoff mit einem integrierten
Drallband und Dichtungen und einer ballistischen Schutzhaube.
[0028] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines abwerfbaren Treibspiegels für ein
flügelstabilisertes Geschoss, in welchem Treibspiegelheck und Treibspiegelkörper eine
mechanische Verbindung besitzen und der Treibspiegelkörper ein integriertes Drallband
besitzt zum Abdichten der Treibgase und zum Uebertragen des vollen Dralles auf das
Geschoss, der durch die Drallnuten des Waffenrohres erzeugt wird.
[0029] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines abwerfbaren Treibspiegels für ein
flügelstabilisiertes Geschoss, bei welchem der Treibspiegelkörper ein integriertes
Drallband aufweist zum Abdichten der Treibgase in den Drallnuten und mit einer Abdichtung,
die sich über die Zwischenflächen der Treibspiegelheckteile erstreckt und mit einer
Dichtung an der Berührungsfläche zwischen Treibspiegelheck und Penetrator.
[0030] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines abwerfbaren Treibspiegels für ein
flügelstabilisiertes Geschoss, das eine integrierte Konstruktion von Treibspiegelkörper,
Drallband und Dichtung der Elemente des Heckteiles und Dichtung zwischen Heck und
Penetrator aufweist.
[0031] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines Treibspiegelkörpers für ein flügelstabilisiertes
Geschoss, der im Spritzgussverfahren direkt auf das mit dem Penetrator vereinigte
Treibspiegelheck aufgegossen wird.
[0032] Diese und andere Merkmale der Erfindung werden besser verständlich aus der folgenden
Beschreibung der Erfindung:
[0033] Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben, das
in der beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Es zeigt:
Fig.1 einen Längsschnitt durch ein flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss mit abwerfbarem
Treibspiegel;
Fig.2 eine Längsansicht des flügelstabilisierten Unterkalibergeschosses;
Fig.3 ein Diagramm der Dralldrehzahl des flügelstabiliserten Geschosses in Funktion
der zurückgelegten Flugbahn;
Fig.4 einen Längsschnitt durch das flügelstabilisierte Unterkalibergeschoss mit abwerfbarem
Treibspiegel;
Fig.5 einen Querschnitt durch das Unterkalibergeschoss entlang der Linie 4-4 in Fig.4;
Fig.6 einen Querschnitt durch den Treibspiegelkörper und das Unterkalibergeschoss
entlang der Linie 2-2 in Fig.4;
Fig.7 einen Querschnitt durch das Treibspiegelheck und das Unterkalibergeschoss entlang
der Linie 3-3 in Fig.4;
Fig.8 einen Schnitt durch das mit Flügeln versehene hintere Ende des Penetrators und
Fig.9 eine Ansicht dieses Penetrators von hinten.
[0034] In Fig.1 ist ein Längsschnitt durch das Unterkaliber-Geschoss, das sich in einem
abwerfbaren Treibspiegel befindet, dargestellt. Das Unterkaliber-Geschoss besteht
aus einem Penetrator 10 und einer Flügelanordnung 12 an seinem hinteren Ende. Für
viele Anwendungen ist ein pyrotechnischer Leuchtsatz 14 vorgesehen, der sich allgemein
im zentralen Körper der Flügelanordnung befindet. Zur Erzielung einer grossen Eindringleistung
wird ein Schwermetall, insbesondere eine Wolframlegierung oder eine angereicherte
Uraniumlegierung, für den Penetrator 10 verwendet. Zur Herstellung der Flügelanordnung
wird entweder Stahl oder Aluminium verwendet. Im Falle von Hochgeschwindigkeitsgeschossen
müssen die Aluminium-Flügel mit einer Schutzschicht versehen sein, um ein Abbrennen
durch die aerodynamische Erhitzung zu verhindern.
[0035] Im allgemeinen besteht die Flügelanordnung aus 4 bis 6 Flügeln,welche symmetrisch
um den zentralen Körper herum angeordnet sind. In Fig.2 ist eine Flügelanordnung mit
vier Flügeln dargestellt. Im Hinblick auf die Waffe muss die Flügelspannweite 16 gleich
oder kleiner sein als der Bohrungsdurchmesser des Waffenrohres. Zur Verminderung des
aerodynamischen Strömungswiderstandes ist die vordere Kante der Flügel pfeilförmig
abgeschrägt, wobei die Flügel verhältnismässig dünn sind. Der Grundriss der Flügel
muss genügend gross sein, um eine aerodynamische Stabilität in Längsrichtung des Unterkaliber-Geschosses
zu gewährleisten mit einer Stabilitätsspanne von nicht weniger als 1,5 Unterkalibergeschossdurchmessern,
wobei die Stabilitätsspanne definiert wird als der Abstand des aerodynamischen Druckzentrums
24 gegenüber dem Schwerpunkt 26 des Geschosskörpers.
[0036] Erfindungsgemäss soll die Flügelanordnung ein aerodynamisches Roll- oder Quermoment
bezüglich der Längsachse 20 des Geschosses erzeugen, um eine konstante Dralldrehzahl
während des Fluges zu gewährleisten, entsprechend dem Antrieb durch einen Propeller.
Das Rollmoment wird aerodynamisch erzeugt, entweder durch den Anstellwinkel der Flügel,
ähnlich den Stabilisierungsflügeln an einem Flugzeug, oder durch eine abgeschrägte
Führungskante 22 der in Fig.2 dargestellten Flügel, oder durch abgeschrägte Ablaufkanten
der Flügel. Vorzugsweise sind alle Flügel gleich ausgebildet.
[0037] Die Erfindung bezweckt in erster Linie, dass das Unterkalibergeschoss den vollen
Drall erhält entsprechend der Steigung der Drallnuten und der Mündungsgeschwindigkeit
des Waffenrohres. Dies erfordert, dass der abwerfbare Treibspiegel ein starr befestigtes
Drallband aufweist, welches den durch die Drallnuten erzeugten Drall auf das Unterkaliber-Geschoss
ohne Schlupf überträgt. Beim Austritt des Geschosses aus der Rohrmündung und der Abtrennung
des Treibspiegels gelangt das Unterkaliber-Geschoss in die Atmosphäre und wird sofort
einer drallreduzierenden aerodynamischen Dralldämpfung ausgesetzt. Die schnelle Drallverminderung
dauert an, bis ein konstanter Drall erreicht ist, entsprechend der Ausbildung der
Flügel und der Geschossgeschwindigkeit. Die Halbwertszeit, d.h. die Zeit, welche notwendig
ist, um die Dralldrehzahl des Geschosses auf den halben Wert zwischen dem anfänglichen
Wert beim Abschuss und der konstanten Drehzahl zu bringen, sollte nicht grösser sein
als 0,1 Sekunden. Während dieser Phase erhält das Geschoss wachsende dynamische Stabilität
und die Halbwertszeit ist grösser als 0,1 Sekunden und ist somit zu kurz, um eine
mögliche Steigerung der Präzessionsbewegung infolge der Magnuskräfte zuzulassen.
[0038] Die Erfindung bezweckt ferner,eine konstante Dralldrehzahl des Unterkaliber-Geschosses
zu bestimmen, um das Auftreten von Resonanz-Instabilitäten zu verhindern sowie entsprechende
Resonanz-Sprünge während des Geschossfluges. Sich drehende flügelstabilisierte Geschosse
sind Resonanz-Instabilitäten ausgesetzt; das sind Verhältnisse, bei denen der Geschossdrall
gleich gross ist wie die Nutationsfrequenz oder Eigenfrequenz des Geschosses. Diese
sind gekennzeichnet durch eine Zunahme eines nicht drehenden Ausgleichsangriffswinkels,
der sich aus der konstruktiven Asymmetrie ergibt, die z.B. durch Herstellungstoleranzen
entsteht oder durch Materialfehler. Die Nutationsfrequenz ω₁ eines flügelstabilisierten
Geschosses wird durch die dreistufige Theorie der Bewegung bestimmt entsprechend der
folgenden Gleichung:
![](https://data.epo.org/publication-server/image?imagePath=1989/04/DOC/EPNWA2/EP88111368NWA2/imgb0001)
p = Dralldrehzahl
I
A = axiales Trägheitsmoment
I
T = transversales Trägheitsmoment
s = gyroskopischer Stabilitätsfaktor
[0039] Resonanz-Instabilität führt zu grossen Angriffswinkeln und führt somit zu unannehmbaren
Geschossstreuungen. Ausserdem kann die Resonanz begleitet sein von Drehbewegungen
und Gierungen. Um das Auftreten von Resonanz-Instabilität zu vermeiden, muss die konstante
Dralldrehzahl sich von der Nutationsfrequenz des Geschosses unterscheiden. Die vorliegende
Erfindung bezweckt, dass die Geschossdralldrehzahl schnell von ihrem Anfangswert beim
Abschuss auf die konstante Dralldrehzahl abnimmt, welche grösser ist als die Nutationsfrequenz
des Geschosses und zwar um mindestens einen Faktor zwei unter allen Bedingungen im
Operationsbereich der Munition. Dieses Verfahren, das auch als Dralldrehzahlanpassung
bezeichnet wird, ist ferner an einem weiteren Bespiel gemäss Figur 3 beschrieben.
Die Darstellung zeigt die Geschossdralldrehzahl in Funktion der Geschossflugweite
für ein flügelstabilisiertes Geschoss, das von einer automatischen 25mm-Kanone mit
einer Steigung der Drallnuten von 7,5% abgeschossen wurde. Bei einer Mündungsgeschwindigkeit
von 1300 Meter/Sekunde beträgt die entsprechende Dralldrehzahl 13′690 rad/sec. Anschliessend
an die Abtrennung des Treibspiegels vermindert sich die Geschossdrehzahl schnell infolge
der aerodynamischen Drehzahldämpfung. Die Halbwertszeit (7505 rad/sec) wird nach 0,058
Sekunden erreicht und gemäss einer Geschossgeschwindigkeit von 1300 m/sec im Abstand
von 75 Metern von der Waffe. Bei einer Entfernung von annähernd 600 Metern von der
Waffe hat das Geschoss seine konstante Drallgeschwindigkeit von etwa 1320 rad/sec
erreicht. Diese Dralldrehzahl wird proportional zur Geschossgeschwindigkeit noch weiter
abnehmen. Bei einem horizontalen Abstand von der Waffe von ca. 2000 Metern beträgt
die Geschossgeschwindigkeit noch ca. 1200 m/sec und der konstante Drall beträgt noch
ca. 1106 rad/sec. Die Eigenfrequenz des Geschosses beträgt ca. 440 rad/sec. Somit
ist bei maximaler Reichweite des Geschosses die konstante Dralldrehzahl immer noch
um einen Faktor 2,5 grösser als die Nutationsfrequenz und somit wird die Resonanz-Instabilität
vermieden. Die vorgelegten Angaben beruhen auf Schiessversuchen und zeigen die Wirkung
der Drallabstimmung, die einen Gegenstand der vorliegenden Erfindung darstellt.
[0040] Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines abwerfbaren Treibspiegels für ein
flügelstabilisiertes Unterkaliber-Geschoss. Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
besteht der abwerfbare Treibspiegel aus drei Hauptkomponenten, wie in dem Längsschnitt
von Fig.4 dargestellt ist. Die hinterste Komponente ist ein Treibspiegelheckteil 28,
das aus drei oder mehr gleichen Elementen 29 besteht, welche den Penetrator 10 des
Unterkaliber-Geschosses in koaxialer Lage enthalten. Diese drei Elemente 29 berühren
sich gegenseitig entlang radial gerichteten ebenen Flächen 30. Die Anordnung des Treibspiegelheckteils
28 ist auch anhand der Fig.5 beschrieben, welche eine Ansicht des abwerfbaren Treibspiegels
von hinten zeigt. Die Berührungsfläche des Treibspiegelheckteiles mit dem mittleren
Teil des Penetrators 10 hat verschiedene Aufgaben zu erfüllen. Erstens bewirkt diese
Fläche, dass der Penetrator sich in koaxialer Lage bezüglich der Waffenrohrachse befindet.
Zweitens muss diese Berührungsfläche genügend stark sein, um die in Längsrichtung
wirkenden Beschleunigungskräfte vom Treibspiegel auf das Geschoss beim Abschuss zu
übertragen. Drittens soll die Berührungsfläche ohne Schlupf den Drall übertragen,
der durch die Drallnuten des Waffenrohres vom Treibspiegel auf den Penetrator wirkt.
Die soeben beschriebenen Funktionen werden am besten mit Hilfe einer Schraubenfläche
32 erfüllt oder durch eine Anzahl ringförmiger Nuten.
[0041] Eine weitere Komponente des abwerfbaren Treibspiegels bildet der Kunststoff-Treibspiegelkörper
34, der sich vor dem Treibspiegelheckteil befindet, wie aus Fig.4 ersichtlich ist.
Der Treibspiegelkörper weist ein integriertes Drallband 36 auf, welches beim Abschuss
in die Drallnuten des Waffenrohres eingreift, und das sowohl zur Abdichtung für die
Treibgase dient, als auch zur Uebertragung der Drallbewegung, die von den Drallnuten
des Waffenrohres auf das Unterkaliber-Geschoss übertragen wird. Der Treibspiegelkörper
34 weist drei oder mehr in Längsrichtung sich erstreckende Nuten 38 auf, welche sich
auch in radialer Richtung von der äusseren Zylinderfläche bis zum Penetrator 10 erstrecken
und bis zur Teibspiegelbasis 28, derart dass eine Rippe 40 stehen bleibt, welche eine
bestimmte Dicke an der inneren Begrenzung der Nut 38 besitzt. Diese Längsnuten sind
in Fig.4 und 6 dargestellt. Beim Austritt des Geschosses aus der Mündung der Waffe
zerbricht der Treibspiegelkörper sofort entlang diesen Rippen 40 unter der Wirkung
der Zentrifugalkräfte, die durch den grossen Drall erzeugt werden. Die Anwesenheit
dieser Rippen gewährleistet eine Abdichtung gegen das Eindringen von Wasser und anderer
schädlicher Einwirkungen während der Speicherung und dem Transport der Munition.
[0042] Da sind zwei kritische Konstruktions-Kennzeichen, die für eine erfolgreiche Wirkung
des Treibspiegelkörpers 34 wesentlich sind. Das erste Merkmal betrifft die konstruktive
Ausbildung der Berührungsfläche 42 zwischen dem vorderen Teil des Treibspiegelhecks
28 und dem hinteren Teil des Treibspiegelkörpers 34, gemäss Fig.4. Diese mechanische
Verbindung ist notwendig, um den Treibspiegelkörper 34 am Treibspiegelheck 28 zu verankern
und dadurch eine Trennung zwischen den beiden Komponenten unter der Wirkung der Treibgaskräfte
zu verhindern, welche auf das hintere Ende des Drallbandes 36 während des Abschusses
einwirken, und um den Drall vom Treibspiegelkörper auf das Treibspiegelheck zu übertragen.
Die Ausbildung dieser Verbindung ist so gestaltet, dass sich die Wirkung der Gasdichtung
zwischen Treibspiegelkörper 34 und Treibspiegelheck 28 während des Gasdruckes auf
das Drallband beim Abschuss im Waffenrohr vergrössert.
[0043] Die Form der Verbindung ist gegeben durch die äussere Kontur der vorderen zwei Drittel
der Heckoberfläche vor der Haltenute 43 für die Patronenhülse, wobei diese Kontur
sich im wesentlichen unter dem Drallband des Treibspiegelkörpers befindet. Beim Abschuss
des Geschosses werden das Drallband und der Treibspiegelkörper zusammengedrückt und
bilden eine wirksame Gasdichtung entlang der Zwischenfläche, wodurch ein Durchtritt
von Treibgasen durch diese Zwischenfläche verhindert wird. Ausserdem überträgt der
Treibspiegelkörper den Drall, der durch die Drallnuten erzeugt wird über das Treibspiegelheck
ohne Schlupf auf den Penetrator 10 an der mechanischen Verbindungsfläche.
[0044] Das zweite kritische Merkmal ist die Dichtung 44, die sich nach hinten durch die
Kanäle 41 erstreckt, die sich in den Berührungsflächen der Treibspiegelheck-Segmente
befinden. Am hinteren Ende des Treibspiegelhecks 28 ragt die Dichtung, welche sich
durch die Kanäle erstreckt, in eine ringförmige Abdichtung 46, die sich an der Rückseite
37 des Treibspiegelhecks 28 befindet und den Penetrator 10 umgibt. Die Rückseite 37
umfasst auch eine ringförmige Nut 39 zur Verankerung der ringförmigen Abdichtung 46.
Die Dichtung 44 ist auch aus Fig.7 ersichtlich, welche einen Querschnitt durch das
Treibspiegelheck 28 zeigt. Diese Dichtung ist von Bedeutung: um zu verhindern, dass
Treibgase in die Treibspiegelanordnung während des Abschusses eindringen und zwar
entweder durch die Berührungsflächen 30 der Treibspiegelheck-Segmente oder entlang
dem Umfang des Penetrators 10. Die Dichtung 44 und die Abdichtung 46 und der Treibspiegelkörper
bilden eine einzige integrale Einheit, welche wegen ihrer komplizierten Ausbildung
im Spritzgussverfahren in einem einzigen Arbeitsgang auf dem zuvor zusammengesetzten
Treibspiegelheck hergestellt wird. Diese Herstellung im Spritzgussverfahrn an Ort
und Stelle auf dem Treibspiegelheck erfordert eine spezielle Form, in welcher die
Geschoss-Treibspiegelheck-Untergruppe eingesetzt und zentriert wird, damit eine koaxiale
Ausrichtung aller Teile gewährleistet ist.
[0045] Der Querschnitt der Dichtung 44 und die entsprechenden Kanäle in den Berührungsflächen
30 der Treibspiegelsegmente 28 kann grösser sein als in Fig.4 dargestellt. Immerhin
ist es notwendig, dass der Treibspiegelkörper 34, die Dichtung 44 und die Abdichtung
46 eine einzige Einheit bilden. Vorzugsweise wird ein kohle- oder glasfaserverstärkter
Kunststoff verwendet, wie z.B. Nylon oder flüssiges Kristall-Polymer (LCP), das sich
für das Spritzgussverfahren an Ort und Stelle für den Treibspiegelkörper als Dichtung
und Abdichtung eignet.
[0046] Die dritte wesentliche Komponente des abwerfbaren Treibspiegels ist die Schutzhaube
48, die am vorderen Ende des Treibspiegelkörpers befestigt ist. Die äussere Form muss
den Anforderungen an die Oberfläche der Munition für Feuerwaffen entsprechen. Die
Haube ist notwendig zum Schutze des Unterkaliber-Geschossteiles, das über das vordere
Ende des Treibspiegelkörpers herausragt, solange die Munition gespeichert, transportiert
und der Waffe zugeführt wird. Zur Verminderung des Gewichts der Schutzhaube ist diese
hohl, mit einer dünnen Wand und vorzugsweise aus Kunststoff im Spritzgussverfahren
hergestellt. Die Schutzhaube wird vorzugsweise am Treibspiegelkörper mit Hilfe eines
Schnappsitzes 50 befestigt.
[0047] Wie bereits weiter oben ausgeführt, ist die Stabilität des Geschosses, d.h. der Abstand
S zwischen dem Schwerpunkt 26 des Penetrators 10 und dem Luftangriffspunkt 24 am Penetrator
10 von der Ausbildung des Stabilisierungsflügels 12 abhängig. Ebenso ist die Halbwertszeit
des Dralles einerseits und die Grösse des konstanten Dralles von der Ausbildung der
Stabilisierungsflügel 12 abhängig. Wie gesagt soll dieser Abstand S zwischen Schwerpunkt
26 und Luftangriffspunkt 24 im Minimum 1,2 mal grösser sein als der Unterkaliber-Durchmesser
des Penetrators 10. Die Halbwertszeit soll 0,10 Sekunden betragen und der konstante
Drall soll um 50 Prozent grösser sein als die Nutationsfrequenz oder Eigenfrequenz
des Penetrators 10, wie aus Fig.3 ersichtlich ist. Die Eigenschaften des Penetrators
10 werden nur durch eine entsprechende Ausbildung der Stabilisierungsflügel 12 erreicht.
Daher soll die Konstruktion der vier Stabilisierungsflügel 12 anhand der Figuren 8
und 9 noch ausführlicher erläutert werden.
[0048] Gemäss Fig.8 ist die abgeschrägte Führungskante 22 um beispielsweise 30° geneigt
und weist gemäss dem Schnitt A-A eine zweite Abschrägung von 10° auf und gemäss der
Ansicht B beträgt diese Abschrägung 5°. Wesentlich ist dabei, dass die Flügel 12 nur
auf einer Seite abgeschrägt sind und zwar in Drallrichtung des Geschosses gesehen
auf der hinteren oder abgewandten Seite. Schlussendlich hat auch die Flügellänge a
in Fig.8 eine Bedeutung für die Stabilität des Penetrators 10.
[0049] Gemäss Fig.9 sind vier Flügel 12 gleichmässig am Umfang verteilt angeordnet und relativ
dünn, d.h. beispielsweise 0,5 - 1,0 Millimeter. Gemäss Fig.8, Ansicht B, ist die Kante
22 mehr oder weniger scharf, d.h. der Wert b liegt zwischen 0 - 70% der Dicke des
Flügels. Zur Lage des Schwerpunktes 26 und des Luftangriffspunktes 24 können noch
folgende Werte genannt werden: Gemäss Fig.2 beträgt der Abstand S1 zwischen der Spitze
des Penetrators 10 und dem Schwerpunkt 26 beispielsweise 86 - 93 Millimeter und der
Abstand S2 zwischen der Spitze des Penetrators 10 und dem Luftangriffspunkt 24 beträgt
beispielsweise 100 - 120 Millimeter. Die Stabilität des Penetrators 10 ergibt sich
somit aus der Differenz S2-S1 und dem Durchmesser des Penetrators 10.
1. Flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss, das aus einem mit Drallnuten versehenen
Waffenrohr mit vollem Drall entsprechend der Steigung der Drallnuten und der Mündungsgeschwindigkeit
abgeschossen wurde, enthaltend einen Penetrator (10), der aus einem langen Stab besteht
und an dessen hinterem Ende ein Satz Stabilisierungsflügel (12) befestigt ist, wobei
das Geschoss eine gegebene Nutationsfrequenz aufweist und die Stabilisierungsflügel
(12) eine aerodynamische Form aufweisen, welche dem Penetrator (10) ein Minimum an
Längsstabilität von 1,2 Unterkaliber-Geschoss-Durchmesser geben, mit einer aerodynamischen
Rolldämpfung, die eine Drallhalbwertszeit von nicht mehr als 0,10 Sekunden bewirkt
und mit einer konstanten Dralldrehzahl, welche mindestens 50% grösser ist als die
Nutationsfrequenz des Geschosses während der ganzen Flugzeit des Geschosses.
2. Flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine aerodynamische Rolldämpfung, die eine Drallhalbwertszeit ergibt, die kleiner
ist als die Zeit für Aenderungen in der Geschosspräzession, die sich aus dem Magnuseffekt
ergibt, und mit einer konstanten Dralldrehzahl, die grösser ist als die Nutationsfrequenz
des Geschosses während der ganzen Flugzeit des Geschosses.
3. Flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der Penetrator (10) mit genügend aerodynamischer Dämpfung für seine Nutations-
und Präzessionsbewegung versehen wird, aus der sich eine zunehmende dynamische Stabilität
ergibt, wenn sich die Rollbewegung des Geschosses vermindert.
4. Flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss, nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine konstante Dralldrehzahl, um das Auftreten von Resonanzsprüngen sowie Rollbewegungen
oder katastrophale Gierungen des Geschosses während der ganzen Flugzeit des Geschosses
zu vermeiden.
5. Abwerfbarer Treibspiegel zum Abschiessen eines flügelstabilisierten Unterkalibergeschosses
aus einem mit Drallnuten versehenen Waffenrohr, enthaltend ein segmentiertes, metallisches
Heck (28) mit einer Anzahl Zwischenflächen (30), sowie länglichen Hohlräumen zur Aufnahme
des Geschosses (10) im Bereich seines Schwerpunktes (26) und entlang der Längsachse
(20), einen Kunststoff-Treibspiegel (34), der am Heck (28) befestigt ist und von diesem
aus entlang der Geschossachse (20) nach vorne ragt, mit einem am Treibspiegel integrierten
Drallband (36), um dem Unterkalibergeschoss (10) einen schlupffreien Drall entsprechend
der Drallnutensteigung und der Mündungsgeschwindigkeit zu erteilen, sowie Mittel (44,46)
zum Abdichten der Heck-Zwischenflächen (30) und zum Abdichten der Verbindung zwischen
Unterkalibergeschoss (10) und Heck (28).
6. Abwerfbarer Treibspiegel für ein flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss gemäss
Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen im Spritzgussverfahren hergestellten Treibspiegelkörper
(34), enthaltend ein integriertes Drallband (36) und eine integrierte Dichtung (44,46),
die sich nach hinten durch die sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitze (30) des
metallischen Treibspiegelhecks (28) erstreckt und eine ringförmige Abdichtung (46)
bildet, welche das Unterkalibergeschoss (10) an der Rückseite des Treibspiegels (28)
umgibt, wobei die Abdichtung (44,46) dazu dient, zu verhindern, dass die Treibgase
in den Treibspiegel (28,34) zwischen den sich in Längsrichtung erstreckenden Segmenten
(29) des Heckteiles (28) und der Verbindung (32) zwischen Unterkalibergeschoss (10)
und Treibspiegel (28,34) eindringen.
7. Abwerfbarer Treibspiegel nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Heck (28), das
im Bereich des Schwerpunktes (26) mit dem Unterkalibergeschoss (10) in koaxialer Lage
im Eingriff steht, wobei das Heck (28) eine Verbindungsfläche (42) aufweist, die sich
nach vorne erstreckt, um in einen im Spritzguss hergestellten Kunststoff-Treibspiegel
(34) einzugreifen, der ebenfalls das Unterkalibergeschoss (10) in koaxialer Lage enthält,
und der Treibspiegel (34) ein integriertes Drallband (36) aufweist, das in die Drallnuten
des Waffenrohres eingreift, um dem Geschoss (10) einen schlupffreien Drall zu erteilen.
8. Abwerfbarer Treibspiegel für ein flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss gemäss
Anspruch 6, mit einem Kunststoff-Treibspiegelkörper (34), mit integriertem Drallband
(36), mit Kunststoff-Dichtungen (44), die sich durch das segmentierte Treibspiegelheck
(28) erstrecken, mit einer Kunststoffabdichtung (46), die sich am hinteren Ende des
Heckteiles befindet und die eine Einheit bilden, die im Spritzgussverfahren hergestellt
ist und sich über das Unterkalibergeschoss (10) und den metallischen Heckteil (28)
erstreckt.
9. Abwerfbarer Treibspiegel für ein flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss gemäss
Anspruch 5, der den vollen Drall gemäss der Steigung der Drallnuten und der Mündungsgeschwindigkeit
auf das Unterkalibergeschoss überträgt, wobei der Teibspiegel (28,34) so ausgebildet
ist, dass er die Vorteile der grossen Zentrifugalkraft ausnützt, die auf den Treibspiegel
(28,34) wirkt, sobald das Geschoss (10) aus der Waffenrohrmündung austritt.
10. Flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Penetrator (10) an seinem hinteren Ende Stabilisierungsflügel (12) aufweist,
die an ihrer Führungskante (22) nach hinten abgeschrägt sind, und in Drallrichtung
gesehen an ihrer hinteren Seite ebenfalls abgeschrägt sind, wobei diese Ausbildung
so gewählt ist, dass sich die gewünschte Längenstabilität, Drallhalbwertszeit und
konstante Dralldrehzahl ergibt.
11. Flügelstabilisiertes Unterkalibergeschoss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Penetrator (10) an seinem hinteren Ende Stabilisierungsflügel (12) aufweist,
deren Länge in Achsrichtung des Geschosses so gewählt ist, dass sich die gewünschte
Längenstabilität, Drallhalbwertszeit und konstante Dralldrehzahl ergibt.