-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vorfragmentierung eines Sprengkopfes. Die Erfindung betrifft außerdem einen vorfragmentierten Sprengkopf.
-
Waffensysteme zur Bekämpfung von Zielen in Luft, auf See oder am Boden umfassen unterschiedliche Arten von ballistischen Sprengköpfen, so wie Granaten aus einem Gewehrlauf abgefeuert, Roboter oder Raketen unterschiedlicher Art oder Gleitbomben abgeschossen aus Flugzeugen. Vorfragmentierung von einem Sprengkopf, wie eine Granate, bei Verwendung vorgeformter Projektile, auch bekannt als Fragmentierungseinheiten, mit hoher Dichte, in vorgeformten Hohlräumen in der Hülle der Granate verbessert bekanntlich die Wirkung im Ziel. Aus der Waffenwirkungsperspektive ist eine vorfragmentierte Granate oder Bombe effektiver und berechenbarer als eine natürlich fragmentierte Granate oder Bombe. Dennoch existieren noch Waffensysteme mit natürlich fragmentierten Sprengköpfen.
-
Für viele der bekannten Waffensysteme besteht ein Bedarf die natürlich fragmentierten Sprengköpfe durch vorfragmentierte Sprengköpfe zu ersetzen.
-
Durch Aufwerten eines Waffensystems, wie oben beschrieben, wurde gezeigt, dass die Sprengköpfe zu schwer oder zu leicht waren, was einen Einfluss auf das Trägheitsmoment des Sprengkopfes und die ballistische Leistung des Waffensystems hat.
-
Dies hat daher zu hohen Integrationskosten geführt, wegen der Notwendigkeit der Modifikation oder Austausch des Steuersystems des Waffensystems auf Grund der veränderten ballistischen Leistung.
-
Es existiert somit ein Bedarf an Verfahren zur Vorfragmentierung, wobei die oben beschriebenen Nachteile reduziert oder vollständig beseitigt werden.
-
Nach Vorfragmentierung ist es eine Voraussetzung, dass die Projektile nicht brechen oder verformt werden während der Beschleunigung, wenn der Sprengkopf explodiert. Die Geschwindigkeit der Projektile sollte zunächst hoch sein, wenn die Projektile den Sprengkopf verlassen. Gleichzeitig sollten die Projektile so gestaltet sein, um zu vermeiden, dass die Geschwindigkeit der Projektile nicht zu schnell abnimmt auf dem Weg zum Ziel und damit eine hohe Waffenwirkung in dem Ziel erreicht wird.
-
Für ein Waffensysteme, bei dem der Sprengkopf eine Granate ist, die aus einem Gewehrlauf gefeuert wird, muss der Sprengkopf in der Lage sein, hoher Beschleunigung und Zentrifugalkräften, die während des Starts auftreten, standzuhalten.
-
Die Hülle der Granate sollte als ein Rückspiegel für die Projektile wirken, wenn die Projektile die Granate verlassen und dazu beitragen, dass die Projektile beschleunigt werden auf eine hohe und gleichmäßige Geschwindigkeit in vorbestimmte Richtungen.
-
Aus Dokument
US 4 644 867 ist eine Granate bekannt, wobei die Hülle der Granate vorgeformte Fragmentierungseinheiten mit hoher Dichte enthält, gemischt mit einem Trägermaterial, bevorzugt ein metallisches Pulver. Die vorgeformten Fragmentierungseinheiten umfassen zusammen mit dem metallischen Pulver eine zusammenhängende Hülle umschließend die Sprengstoffe in dem Granatenkörper.
-
Die Hülle der Granate ist durch ein Pulvermetallurgieverfahren hergestellt, wobei das Trägermaterial mit den Fragmentierungseinheiten gemischt ist und unter hohem Druck und hoher Temperatur zu einer dichten Hülle gepresst wird. Die Hülle der Granate formt ein zusammenhängendes Strukturelement, das den axialen und radialen Kräften standhält, die auf die Hülle beim Start einwirken.
-
Der beschriebene Prozess, bei dem das Trägermaterial und die Fragmentierungseinheiten unter hohem Druck und hoher Temperatur gemischt werden, führt dazu, dass die Position der Fragmentierungseinheiten innerhalb des Trägermaterials zwischen verschiedenen Granaten variieren kann. Der hohe Druck kann außerdem zu Variationen in der äußeren Geometrie der Hülle führen, was die ballistische Leistung der Granate beeinflusst. Außerdem kann die hohe Temperatur dazu führen, dass die Materialeigenschaften der Fragmentierungselemente verändert werden.
-
Das Dokument
DE 198 55 537 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines vorfragmentierten Gefechtskopfes, der eine Geschosshülle umfasst, in der vorgeformte Splitter aufgenommen sind.
-
Aus dem Dokument
WO 2005/079 163 A2 ist ein vorfragmentierter Gefechtskopf mit einem Flossenheck bekannt. Die Gefechtskopfhülle umfasst Hohlräume, die mit Geschossen und einer Auskleidung gefüllt sind.
-
Das Dokument
US 4 129 061 A betrifft eine Splitterhülle für Gefechtsköpfe, bei der vorgeformte Splitter in eine gesinterte Stützstruktur eingebettet sind, die aus einem die Splitter allseitig umgebenden Material, z.B. einem Leichtmetallpulver, gebildet ist.
-
Das Dokument
EP 2 312 259 B1 lehrt einen Gefechtskopf mit zylindrischer aktiver Ladung, der einen rohrförmigen Halter mit einer Vielzahl von Aussparungen umfasst.
-
In Dokument
EP 0 169 585 A1 wird eine vorfragmentierte Schale vorgeschlagen, die eine Quantität von Hartmetallfragmenten umfasst.
-
Das Dokument
WO 2009/102 254 A1 beschreibt ein Geschoss zum Abfeuern aus einem Geschützrohr, wobei das Geschoss Splitterelemente umfasst.
-
Das Dokument
US 2004/0 116 576 A1 bezieht sich auf die Verwendung eines Füllmaterials aus härtbarem Copolymer als Gefechtskopfauskleidung.
-
AUFGABE DER ERFINDUNG UND IHRE UNTERSCHEIDUNGSMERKMALE
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Methode für die Vorfragmentierung eines Sprengkopfes zu verbessern, umfassend einen Sprengstoffkörper, eine Sprengladung, ein Flossenteil, und eine Sprengkopfhülle mit der Dichte ρHülle wobei die Sprengkopfhülle vorgeformte Hohlräume aufweist, wobei jeder Hohlraum zumindest ein vorgeformtes Projektil mit der Dichte ρProj und Füllmaterial oder -stoff mit der Dichte ρFüll, wobei die Dimensionen der Projektile und der Hohlräume und die Dichte der Projektile und des Füllmaterials oder -stoffs ausgewählt sind, so dass die Masse des Sprengkopfes vor der Vorfragmentierung die gleiche bleibt wie nach der Vorfragmentierung, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- - Vorformen der Hohlräume in der Sprengkopfhülle,
- - Anordnen zumindest eines Projektils in jedem vorgeformten Hohlraum,
- - Füllen von Füllmaterial oder -stoff in die Hohlräume, so dass die Hohlräume gefüllt sind,
- - Behandeln des Füllmaterials oder -stoffs, so dass das Füllmaterial oder -stoff eine zusammenhängende Struktur mit hoher Haftfestigkeit an den Projektilen und den Wänden des Hohlraums bildet.
-
Im Folgenden sind weiteren Ausführungsformen des verbesserten Verfahrens zur Vorfragmentierung eines Sprengkopfes beschrieben:
- die Dichte des Füllmaterial oder -stoff, die Sprengkopfhülle, und die Projektile sind ausgewählt, die Beziehung zu erfüllen ρFüll < ρHülle < ρProj.
- die Hohlräume sind mechanisch vorgeformt in der Sprengkopfhülle durch Bohren oder Fräsen.
- das Füllmaterial oder -stoff sind zu einer starken und zusammenhängenden Struktur verarbeitet durch Wärme- und
- Druckbehandlung.
- das Füllmaterial oder -stoff sind zu einer starken und zusammenhängenden Struktur verarbeitet durch eine Härtungsbehandlung.
- die Positionen der Hohlräume auf der Sprengkopfhülle sind abhängig von der mechanischen Festigkeit der Strengkopfhülle ausgewählt unter Verwendung eines topologischen Optimierungsverfahren.
-
Die Erfindung betrifft außerdem einen verbesserten vorfragmentierten Sprengkopf umfassend einen Sprengstoffkörper, ein Flossenteil, eine Sprengladung, und eine Sprengkörperhülle, mit der Dicke tHülle und der Dichte ρHülle, wobei die Sprengkopfhülle Projektile mit der Dichte ρProj und Füllmaterial oder -stoff mit der Dichte ρFüll umfasst, wobei die Dimensionen der Projektile und der Hohlräume und die Dichte der Projektile und des Füllmaterial oder -stoff ausgewählt sind, so dass die Masse des Sprengkopfes (1) vor der Vorfragmentierung die gleiche bleibt wie nach der Vorfragmentierung.
-
Im Folgenden sind weiteren Ausführungsformen des verbesserten vorfragmentierten Sprengkopfes beschrieben:
- das Füllmaterial oder -stoff, die Sprengkopfhülle, und die Projektile sind ausgewählt, die Beziehung zu erfüllen ρFüll < ρHülle < ρProj.
- Die Projektile sind sphärisch sind mit dem Durchmesser dProj, und die Hohlräume sind zylindrisch geformt mit der Länge lHohl und dem Durchmesser dHohl, und wobei dProj < dHohl.
- Die Projektile bestehen aus einer Legierung aus Wolfram.
- das Füllmaterial oder -stoff besteht aus einem Magnesiumpulver.
- das Füllmaterial oder -stoff besteht aus einem Aluminiumpulver.
- das Füllmaterial oder -stoff besteht aus einem Zirkoniumpulver.
- das Füllmaterial oder -stoff besteht aus einem Duroplast,.
- der Sprengkopf umfasst eine zweite Sprengkopfhülle angeordnet auf der ersten Sprengkopfhülle.
- der Sprengkopf ist eine Bombe.
- der Sprengkopf ist eine Granate.
-
VORTEILE UND WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
-
Das verbesserte Verfahren zur Vorfragmentierung führt zu mehreren Vorteilen und Wirkungen von welchen die wichtigsten sind:
- Reduzierte Kosten für die Integration in existierenden Waffensystem, da der vorfragmentierte Sprengkopf die gleiche Masse, Trägheitsmoment und äußere Geometrie hat wie der ausgetauschte natürlich fragmentierte Sprengkopf. Bestehende Sprengköpfe können ausgetauscht und ersetzt werden durch gleichwertige Alternativen mit hoher Wirkung ohne teure Änderungen des Waffensystems.
-
Eine verbesserte Waffenwirkung ohne Änderung oder Ersatz von Subsystemen des Waffensystems führt zu minimierten oder eliminierten Kosten für die Integration und damit zu einer reduzierten Anzahl an Sprengköpfen für die Bekämpfung eines Ziels.
-
Eine verbesserte Waffenwirkung, da ein bestehender Sprengkopf durch einen Sprengkopf mit Projektilen aus einer schweren Legierung ersetzt werden kann.
-
Eine unveränderte Anfangsgeschwindigkeit der Projektile verglichen mit der ursprünglichen Leistung, da die beschleunigte Masse unverändert ist.
-
Die Möglichkeit, eine Granate oder Bombe mit asymmetrisch angeordneten Projektilen zu schaffen, zum Beispiel nur auf einer Seite angeordnete Projektile, ohne den Schwerpunkt zu verändern.
-
Reduzierung von Schockwellen, da die Projektile einen gewissen Schutz gegen die anfängliche Schockwelle bieten, auf Grund von Unterschiedenen in der mechanischen Impedanz zwischen den Materialschichten unterschiedlicher Dichte.
-
Die genaue Positionierung der Hohlräume auf der Sprengkopfhülle erlaubt es die Waffenwirkung des Sprengkopfes zu optimieren im Hinblick auf die mechanische Festigkeit der Hülle.
-
Zusätzliche Vorteile und Wirkungen gemäß der Erfindung werden in dieser Studie und unter Beachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen, einschließlich einer Anzahl der vorteilhaftesten Ausführungsformen, Patentansprüche und die beiliegenden Zeichnungen deutlich.
- 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Sprengkopfes von der Seite mit Projektilen angeordnet in der Sprengkopfhülle.
- 2 zeigt schematisch eine Teilvergrößerung eines Projektils, das in einem Hohlraum mit Füllstoff in der Sprengkopfhülle angeordnet ist gemäß 1.
- 3 zeigt schematisch eine Teilvergrößerung aus drei Projektilen, die in einem Hohlraum mit Füllstoff in der Sprengkopfhülle angeordnet sind gemäß 2.
- 4 zeigt schematisch eine Teilvergrößerung von Projektilen, die in Füllstoff in der Sprengkopfhülle gemäß 2 angeordnet sind.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Vorfragmentierung gemäß der Erfindung bedeutet, dass die Hohlräume vorgeformt sind in der Hülle oder in dem Mantel des Körpers eines Sprengkopfes, wie einer Bombe. In den Hohlräumen sind Projektile, wie Kugeln, Würfel, Stäbe oder Zylindern mit hohen Dichten angeordnet. Die Projektile sind umgeben mit Füllstoff oder -material mit geringer Dichte in einer Menge, so dass die Hohlräume gefüllt sind. Die Dimensionen der Projektile und der Hohlräume und die Dichte der Projektile und des Füllstoff sind ausgewählt, so dass die Masse der Bombe konstant gehalten wird nach der Vorfragmentierung wie vor der Vorfragmentierung.
-
Zur Erfüllung von Anforderungen an Waffenwirkung weisen die Projektile ein Material mit hoher Dichte auf und bestehen bevorzugt aus einer schweren Legierung, wie eine Legierung bestehend aus Wolfram, auch bekannt als „Tungsten“. Andere Materialien und Legierungen mit hoher Dichte können ebenfalls verwendet werden. Der Füllstoff oder -material besteht aus einem Material mit geringer Dichte, bevorzugt ein komprimiertes und wärmebehandeltes Metallpulver bestehend aus beispielsweise Mangan und Aluminium. Der Füllstoff oder -material kann auch aus einem Duroplast bestehen, zum Beispiel aus Isocyanat-gehärtetem Polyurethan-Kunststoff. Der Füllstoff oder -material kann außerdem aus mehreren Materiallagen mit unterschiedlicher Dichte bestehen.
-
1 zeigt eine Bombe 1, oder einen Sprengkopf 1, angeordnet um aus einem Flugzeug abgeworfen zu werden. Die Bombe 1 umfasst einen Bombenkörper 2, oder einen Sprengkopfkörper 2, und ein rückseitiges Flossenteil 3. Der Bombenkörper 2 umfasst eine äußere Bombenhülle 4, oder eine Sprengkopfhülle 4, die im Inneren eine Sprengladung 6 umschließt. Hohlräume 5 mit definierter Größe und Form sind in der Bombenhülle 4 geformt. Die Hohlräume 5 auf der Bombenhülle 4 sind vorgeformt in vorbestimmten Positionen auf der Bombe 1.
-
Zumindest ein Projektil 7 mit definierter Form, Größe und Dichte ist in jedem Hohlraum 5 angeordnet. Die Projektile 7 bestehen bevorzugt aus schweren Legierungen in Kugelform, aber es ist auch möglich, andere Arten von Projektilen 7 zu verwenden.
-
Ein Füllstoff oder -material 8 in definierter Menge mit einer spezifischen Dichte ist angeordnet die Projektile 7 in den Hohlräumen 7 zu umgeben. Das Verfahren zur Vorfragmentierung umfasst die folgenden Schritte: Anordnung oder Vorformung der Hohlräume 5 in der Bombenhülle 4 des Bombenkörpers 2. Anordnung der Projektile 7 in den Hohlräumen 5. Füllen des Füllstoffs oder - material 8 in die Hohlräume 5, die Projektile 7 umgebend, in einer Menge, so dass der Füllstoff oder -material die Hohlräume 5 vollständig ausfüllt. Behandeln des Füllmaterial oder -stoff 8, so dass das Füllmaterial oder -stoff 8 eine zusammenhängende Struktur mit hoher Haftfestigkeit an den Projektilen 7 und an den Wänden der Hohlräume 5 bildet.
-
Vorformen der Hohlräume 5 in der Bombenhülle 4 ist bevorzugt durch mechanische Bearbeitung durchgeführt, wie Bohren oder Fräsen. Alternativ kann die Bearbeitung auch Laserablation umfassen. Es ist außerdem möglich verschiedene Bearbeitungsarten zu kombinieren.
-
In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Bombe 1 eine zweite Bombenhülle fest angeordnet auf der ersten Bombenhülle 4, dabei ist die Funktion der zweiten Bombenhülle sicherzustellen, dass die Projektile 7 während einer Drehung der Bombe 1 in den Hohlräumen 5 gehalten werden. Die zweite Bombenhülle besteht vorzugsweise aus einer vorgeformten Metallhülle aus Stahl oder Kunststoff, angeordnet um die erste Bombenhülle vollständig oder teilweise zu ummanteln und so angeordnet, dass sie direkt auf der ersten Bombenhülle montiert werden kann, beispielsweise durch thermische Ausdehnung oder alternativ durch andere Montagemittel wie Schnapphalterung.
-
Wie es in 2 gezeigt ist, sind die Projektile 7 in zylindrisch geformten Hohlräumen 5 mit rundem Querschnitt in definierten Abstände voneinander angeordnet, wobei der Boden des Hohlraums 5 halbrund ist. Alternativ können die Hohlräume einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen und der Boden des Hohlraums 5 kann kegelförmig ausgebildet sein, wobei der kegelförmig geformte Boden des Hohlraums 5 zur Zentrierung der Projektile 7 in die zentrale Position der Hohlräume 5 beiträgt.
-
Ein kegelförmig geformter Boden trägt außerdem dazu bei, dass sich der Füllstoff oder -material 8 besser um die Projektile verteilt während des Füllvorgangs.
-
In den 3 und 4 sind zwei alternative Ausführungsformen einer Bombenhülle 4 gemäß der Erfindung gezeigt. 3 zeigt eine Ausführungsform mit einem größeren Hohlraum 10, um drei Projektile anstelle von einem Projektil aufzunehmen und einen umgebenden Füllstoff oder -material 8. Der größere Hohlraum 10 impliziert eine kompaktere Hülle der Projektile und ein vereinfachtes Verfahren zur Vorfragmentierung im Vergleich zu der in 2 gezeigten Ausführungsform.
-
4 zeigt eine Ausführungsform mit masseneutral eingebauten Projektilen 7 in dem Bombenkörper 4 ohne die vorgeformten Hohlräume. Mit masseneutral eingebauten Projektilen ist es möglich, die Projektile 7 auf einer Seite des Bombenkörpers 5 anzuordnen ohne, dass das Trägheitsmoment oder den Schwerpunkt der Bombe zu beeinflussen. Wenn die Bombe 1 mit einer vorbestimmten Seite der Bombe in Richtung des Ziels ausgerichtet werden kann, mithilfe eines Kontrollsystems, und gleichzeitig die Kapazität hat, im richtigen Moment zu detonieren, kann dies ausgenutzt werden, um die richtige Seite mit Projektilen im richtig Moment in Richtung des Ziels zu drehen.
-
Ein zusätzlicher Vorteil von masseneutralen eingebauten Projektilen, wie in 4 gezeigt, ist, dass naturgemäß Splitterfragmente von der Projektil-freien Seite der Bombe 1 schneller an Geschwindigkeit verlieren als die Projektile 7, was vorteilhaft ist aus Sicht einer Minimierung von Kollateralschäden (MCD - „Minimum Collateral Damage“) und dass der Bereich des Risikos reduziert wird. Ein Vorteil dadurch ist, dass die Bombe 1 nur Projektile 7 auf einer Seite der Bombe 1 benötigt, was wirtschaftlich günstig ist.
-
In einer zusätzlichen nicht gezeigten Ausführungsführungsform, sind mehr als drei Projektile 7 in dem gleichen Hohlraum angeordnet.
-
Die Projektile können die gleiche oder unterschiedliche Größen und/oder Formen haben. Die Hohlräume 5 können auch gemäß kurzen oder langen Rillen in der Bombenhülle 4 geformt sein. Andere geometrische Formen der Hohlräume 5 sind auch möglich.
-
Die Positionen der Hohlräume 5 auf der Bombenhülle 4 sind abhängig von der Festigkeit der Bombenhülle ausgeführt. In Bereichen mit hoher mechanischer Belastung oder Stress sind die Abstände zwischen den Hohlräumen vergrößert und in Bereichen mit geringer mechanischer Belastung oder Stress sind die Abstände zwischen den Hohlräumen 5 reduziert. Topologische Optimierungsverfahren können benutzt werden, um die Hohlräume 5 auf der Bombenhülle 4 so zu positionieren, dass die strukturelle Festigkeit der Bombenhülle 4 verbessert wird.
-
Projektile mit der Dichte ρProj sind platziert und befestigt oder gebunden an die vorgeformten Hohlräume 5. Die Projektile 7 sind so geformt, dass sie die Hohlräume nur teilweise füllen. Der Platz oder das übrige Volumen der Hohlräume 5, der nicht mit Projektilen 7 gefüllt ist, ist mit einem Füllmaterial oder - stoff 8 mit der Dichte ρFüll gefüllt. Die Dichte der Projektile und des Füllmaterial oder -stoff 8 sind ausgewählt, so dass das Gewicht des entfernten Materials bei der Vorformung der Hohlräume in der Bombenhülle 4 dem Gewicht der zusätzlichen Projektile 7 und dem zugefügten Füllmaterial oder -stoff 8 entspricht, z.B. ist das Gewicht der Bombe identisch vor und nachdem die Vorfragmentierung auf die Bombe angewandt wurde. Die Dichte des Füllmaterial oder -stoff ρFüll, die Bombenhülle ρHülle, und der Projektile ρProj sind ausgewählt, so dass die Beziehung ρFüll < ρHülle < ρProj erfüllt ist.
-
Durch Einstellung der Form, Größe und Orientierung der Hohlräume 5 und Projektile 7 wenn die Vorfragmentierung angewendet wird, ist es möglich, die Waffenwirkung und die Richtung der Waffenwirkung zu beeinflussen. In einer ersten Ausführungsform weisen die Hohlräume 5 eine zylindrische Form auf und sind senkrecht angeordnet relativ zu der longitudinalen Achse der Bombe 1, um eine maximale seitliche Waffenwirkung zu erreichen.
-
In einer zweiten Ausführungsform sind die Hohlräume 5 und die Projektile 7 in einem vorderen Abschnitt des Bombenkörpers 2 angeordnet, schräg oder schief relativ zu der longitudinalen Achse der Bombe 1, um die Waffenwirkung in die vordere Richtung der Bombe 1 zu erhöhen und wobei die Hohlräume 5 und die Projektile 7 in dem rückseitigen Abschnitt des Bombenkörpers 2 so senkrecht orientiert angeordnet sind relativ zu der longitudinalen Achse der Bombe 1, um eine maximale seitliche Waffenwirkung zu erreichen. Eine Untersuchung der Orientierung der Hohlräume 5 und Projektile 7 kann zum Beispiel mit Röntgenstrukturanalyse durchgeführt werden.
