Munitionstechnik

Unterschied zwischen Mensch und Tier:

• Tiere kämpfen in direkten Kontakt, ebenso auch unsere ersten Vorfahren

• Schon sehr früh erfand der Mensch Waffen wie Speer, Schleuder und Bogen, die es ermöglichten über größere Entfernungen zu wirken. Distanz halten!

• Dadurch konnte der Mesnch seine Wirkasamkeit bei der Jagd und in der gewaltsamen Auseinandersetzung erheblich steigern!

• Mit der Fernwirkung tauchte auch die Munition auf, die man auch als Träger der Wirkung beschreiben kann.

• Die wirksame Reichweite bleibt früher wie heute ein bestimmender Faktor für alle Waffen und Munition!

Den Gegner auf Distanz halten zu können - tunlichst jenseits der Wirksamkeit seiner eigenen Waffen - war schon immer ein wesentliches Kriterium für die Auslegung von Waffen und Munition!

Verbindung oder Gemisch aus Substanzen, in denen der zur Reaktion notwendige Sauerstoff chemisch gebunden enthält. Die Reaktion im metastabilen Material kann sich nach Auslösung ohne Zutritt weiterer Stoffe selbstständig fortpflanzen (im Gegensatz zu Diesel als reiner Brennstoff, der ein Oxidationsmittel benötigt). Die Auslösung der Reaktion kann durch Wärme, mechanische Belastung oder auch elektrostatische Entladung erfolgen.

Energetisches Material, welches zu dem Zweck der Anwendung als solches hergestellt wurde.

Ein Explosivstoff, der in seiner Anwendung in der Umsetzungsart Detonation umsetzen soll und als Stoff im wesentlcihen für diesen Zweck hergestellt wird (Molekül zerfällt während Belastung durch Stoßwelle). Ein Treibladungspulver, welches anteilig den Sprengstoff RDX enthält, dadurch grundsätzlich detonationsfähig ist, aber in seiner Anwendung für den Abbrand ausgelegt ist, wird nicht als Sprengstoff bezeichnet.

Explosivstoffe sind generell in verschiedener Ausprägung chemisch labile Stoffe! Das chemische Gleichgewicht liegt ganz auf der Seite der Reaktionsprodukte. Lediglich eine verschieden hohe Aktivierungsenergie ist notwendig, um den Zerfall in die Reaktionsprodukte auszulösen.

Eine angemessene Empfindlichkeit ist die Grundvoraussetzung für die Verwendbarkeit im Sinne von Handhabungssicherheit, Abschussfestigkeit und letztlich auch Initiierbarkeit.

• sehr empfindlich = praktisch nicht verwendbar (reines Nitroglycerin

• empfindlich = Verwendung in kleinen Mengen, besondere Einbauverhältnisse = gesichert (primäre Sprengstoffe = Zündstoffe wie Quecksilberfulminat, Bleiazid, Silberazid in Detonatoren)

• weniger empfindlich = scheiden für ungesicherten Einbau aus (reines kristallines PETN)

• unempfindliche oder sehr unempfindliche Explosivsprengstoffe = ungesicherter Einbau und Verwendung (phlegmatisiertes PETN, TNT, alle Varianten moderner IM-Sprengstoffe)

1. Wärme als Reaktionswärme (Explosionswärme)

2. Gas als Reaktionsprodukt (Schwaden, Schwadenvolumen)

Während sich Energieinhalt (meist 4000 bis 6000 kJ/kg, Spanne QEx 3000 - 15000 kJ/kg) und Schwadenvolumen (~1m^3/kg) von Explosivstoffen oft nur wenig unterschieden, entscheidet die Umsetzungsart und Geschwindigkeit über die Wirkung:

1. sehr langsam: primäre Freisetzung von Wärme, Steuerung zeitlicher Abläufe

2. schnell: kontrolliert schiebende Wirkung (Antrieb Rakete oder Rohrwaffe)

3. sehr schnell: zerreißende und beschleunigende Wirkung (Sprengstoff)

• Verbrennung, Verpuffung

• Abbrand

• Deflagration

• Detonation

Explosion

ist ein allgemeiner Vorgang, bei dem in kurzer Zeit eine große Energiemenge freigesetzt wird und so auf die Umgebung wirkt. Expansive Energiefreisetzung!

Beispiel: Detonation eines Sprengstoff oder auch berstender Druckbehälter

• bezeichnet jede Oxidationsreaktion, auch unter Zutritt von Luftsauerstoff

• Verpuffung ist die schneller ablaufende Form. Im Gegensatz zur Deflagration ohne signifikanten Druckaufbau, geringere Geschwindigkeit (0,01-1 m/s)

Beispiel: Lagerfeuer, Kraftstoff-Luft-Gemisch im Ottomotor

• Umsetzungsprouzess, der durch Wärmeleitung & Wärmeübergang gekennzeichnet ist und grundsätzlich ohne Zutritt von Luftsauerstoff möglich ist (Sauerstoff chemisch im abbrennenden Stoff mindestens teilweise gebunden)

• Geschwindigkeit der Umsetzung ist von Zusammensetzung, Druck, Temperatur und dem physikalischen Zustand des Materials (Porosität, Korngröße, …) abhängig

• Die Schwaden (Reaktionsprodukte) strömen entgegen der Abbrandsrichtung

Beispiel: Antrieb einer Feststoffrakete

• Zersetzungsreaktion, die wesentlich unterhalb der Schallgeschwindigkeit des Stoffes abläuft und hinzutreten von Sauerstoff nicht bedarf (mehrere 100 m/s)

• pflanzt sich durch die freiwerdende Reationswärme in Verbindung mit Gasströmung fort (heiße Reaktionsprodukte treiben Reaktion im Pulver voran).

• Umsetzungsprozess ist von Gasgeschwindigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit der Reaktionsprodukte gekennzeichnet, feine Porosität / große Oberfläche erforderlich!

Beispiel: Umsetzung einer pyrotechnsichen Mischung

• Eine Detonation ist die Reaktionsform der Umsetzung eines Explosivstoffs, bei der die chemische Reaktion mit einer Stoßwelle gekoppelt ist.

• Es handelt sich um eine stoßwelleninduzierte Umsetzung, die sich mit einer Geschwindigkeit oberhalb der Ruheschallgeschwindigkeit des Explosivstoffes (meist Festkörper), mit der Detonationsgeschwindigkeit ausbreitet (mehrere 1000 m/s)

• Direkt hinter der Ausbreitungsfront strömen hier die Gase in Ausbreitungsrichtung und erzeugen eine starke Richtungswirkung (besonderes Merkmal bei Detonation)

• Benötigt eine Initialzündung (Sprengkapsel)

Beispiel: Initiierung und Detonation einer Sprengladung

Verbrennung / Abbrand

• Wärme

• langsame Gasentwicklung

• langsamer Druckanstieg

Verpuffung / Deflagration

• Wärme

• schnelle Gasentwicklung

• schnelle aber schiebende Druckwirkung

Detonation

• Wärme

• sehr schnell Gasentwicklung

• sehr hoher Druck mit Richtungswirkung

Explosivstoff

• sekundärer Sprengstoff

  • ziviler Einsatz

  • militärischer Einsatz

• Treibstoffe

  • Treibladungspulver für Rohrwaffen

  • Raketentreibstoffe

• primärer Sprengstoff

• pyrotechnische Stoffe

1. Einheitlicher Stoff (Moleküle), die unter Energiezugabe zerfallen

   1. Primärsprengstoffe

   2. Sekundärsprengstoffe

   3. Treibladungspulver

2. Gemische aus zwei oder mehr Reaktionspartnern (Brennstoff + Sauerstoffträger)

   1. Treibladungspulver

   2. pyrotechnischer Knallsatz

   3. Raketenfesttreibstoff

1. Einheitlicher Stoff (Moleküle), die unter Energiezugabe zerfallen

   1. Nitroverbindungen -C-NO2

   2. Ester -O-NO2

   3. Nitramine -N-NO2

   4. Metallische Derivate

2. Oxidationsmittel in Gemischen aus zwei oder mehr Reaktionspartnern

   1. Nitrate

   2. Chlorate

   3. Perchlorate

3. Reduktionsmittel in Gemischen aus zwei oder mehr Reaktionspartnern

   1. Metallpulver

   2. Mineralöle oder mehrwertige Alkohole

   3. andere organische Stoffe

Treibladungspulver

a: Ein-Basig: Schießbaumwolle / Nitrozellulose + Stabilisator

b: Zwei-Basig: a + Sprengöl (Nitroglycerin oder Diglykoldinitrat)

c: Drei-Basig: b+ Sprengstoff (Nitroguandin oder RDX)

d: a, b, c + spezielle Beschichtungen der Pulverkörner

-> Ziel: Beeinflussung Abbrandverhalten und Eigenschaften der Schwaden

Sprengstoff

a: Hilfsmittel zur Weiterverarbeitung

b: Phlegmatisiert

c: Kunststoffbinder

d: Melt-Cast-Mischungen

-> Ziel: Beeinflussung Verarbeitkeit, mech. Eigenschaften Ladung, Empfindlichkeit

primäre Sprengstoffe

Zündmittel: in kleinen Mengen für Einleitung einer Zündung (Initiierung) oder auch Anzündung. Meist in Kombination mit pyrotechnischen Stoffen und sekundären Sprengstoffen.

Beispiel: Detonatoren oder Anzündmittel

sekundärer Sprengstoff

Wirkladung zur Erzielung endballistischer Gefechtswirkung

Beispiele: Gefechtskopf, Bombe, …

Treibstoffe (Pulver und Treibsätze)

Zum Antrieb von Geschossen, Raketen und Lenkflugkörpern

Zur Signalgebung, Tarnung, Täuschung und Aufklärung

Als Hilfsmittel zwecks Erzeugung pneumatischer, mechanischer und thermischer Funktionen.

Beispiel: Verzögerungsstrecken, Gasgeneratoren, Ausstoßladungen, pyrotechnische Seilschneider, …

• Ausbreitungsgeschwindigkeit der Störung mit Schallgeschwindigkeit (250-10000m/s)

• sehr hohe Materialgeschwindigkeiten (100-10000m/s)

• sehr hohe Drücke (500-100000MPa) Drücke liegen oft vielfach jenseits der Festigkeit üblicher konstruktionsmaterialien

• Vorgänge sind in ihrer wesentlichen Auswirkung in kürzester Zeit abgeschlossen, alles was danach kommt kann als Neben- oder Nachwirkungen gesehen werden

• wegen der hohen Geschwindigkeiten können die Vorgänge meist als adiabat betrachtet werden. Wärmeleitung kann sich nicht / nur wenig auswirken

• Vorgänge sind mit den menschlichen Sinnesorganen als Folge der Kurzzeitigkeit nicht im Detail wahrnehmbar. Notwendigkeit von Messtechnik, bildgebenden Verfahren, einfachen Berechnungen und Simulationen!

• Als Resultat von Drücken jenseits der Festigkeit üblicher Materialien sind die Gegenstände der Untersuchung nach Ablauf des Vorganges nicht mehr als Ganzes vorhanden. Maximal eine Rekonstruktion möglich.

• In Materie (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) werden kleine mechanische Druckschwankungen mit konstanter Geschwindigkeit weitergeleitet. Diese Geschwindigkeit wird als Schallgeschwindigekeit bezeichnet:

  • Gase bei Normalbedingungen: CO2 250m/s, Luft 331m/s, H2 1250m/s

  • Flüssigkeiten: Wasser 1450m/s

  • Festkörper: Blei 2000m/s, Aluminium 5000m/s, Keramiken > 10000m/s

• Die Zustandsgleichung der betreffenden Stoffe ist verändelrich mit p, ρ und T. Daher gilt die Schallgeschwindigkeit nur für infinitesimal kleine Druckschwankungen!

• Im einfachsten Fall:

• Bei der Kollision von Festkörpern (FK) oder bei direktem Kontakt von FK mit einer detonierenden Sprengladung tritt eine sehr schnelle Änderung der Belastung auf

• Die Belastung liegt in einer Größenordnung, in der der FK nicht mehr als inkompressibel angenommen werden darf. Kompressibler Festkörper!

• Die Annahme aus Starrkörpermechanik, dass die auf den Körper einwirkende Kraft jedes Volumenelement des Körpers gleichzeitig kraftproportional beschleunigt, gilt hier nicht!

• Die Ausbreitung der Belastung geschieht in Form einer Stoßwelle, die im überstrichenen Bereich eine plötzliche Änderung der Zustandsgrößen auslöst:

• Stoßgeschwindigkeit U = Ausbreitungsgeschwindigkeit

• Stoßdruck p, Dichte ρ, Energie E und Materialflussgeschwindigkeit u steigen sprunghaft an

• Hinter der Stoßfront strömt das Material mit der Geschwindigkeit u

• Die Anstiegszeit Δt ist in der Regel sehr klein, hängt jedoch vom Material ab. Bei schwachen Stößen und/oder porösem Material kann die deutlich sichtbar sein.

• In der Regel ist der Stoßdruck p Maß für die Stärke eines Stoßes U, u, E1-E0 und ρ1-ρ0 hängen stark vom Stoßdruck ab.

• Zustandsänderung im Material bei Einleitung einer Stoßwelle endlicher Länge

• Druckverlauf über dem Weg als Momentaufnahme

1. Masseerhaltung (Kontinuitätsgleichung)

überstrichene Masse = komprimierte Masse

ρ0*U*ΔtA= ρ1*(U-u)*Δt*A

ρ0*U=ρ1*(U-u)

->Kompression in Abhängigkeit von Stoß- und Materialflussgeschwindigkeit

ρ0/ρ1=(1-u/U)

1. Impulserhaltung (Impulssatz)

Impuls der komprimierte Masse = Impuls der Stoßwelle

I=Δm*u=F*Δt

I=ρ0*U*A*Δt*u=Δp*A*Δt

->Stoßdruck in Abhängigkeit von Stoß- und Materialflussgeschwindigkeit

p1-p0=ρ0*U*u

1. Energieerhaltung (1. Hauptsatz der TD)

Stoßenergie = kinetische Energie + innere Energie

p1*u=1/2*ρ0*U*u^2+ρ0*U*(E1-E0)

->Berechnung der Stoßtemperatur eines beaufschlagten Materials

E1-E0=(T1-T0)*cν=1/2*(ν0-ν1)*(p1+p0)

ν=1/ρ

U=c0+s*u

c0 und s: Stoßparameter

Mit den drei Erhaltungssätzen und der Zustandsgleichung stehen vier Gleichungen mit fünf Unbekannten (p, ρ, E, U, u) zur Verfügung. Diese Gleichungen definieren Kurven in einem fünfdimensionalen Variablenraum mit nur einer unbekannten Variablen. Diese Kurven werden als Rankine-Huogoniot-Kurven bezeichnet.

Mit den vier Gleichungen können alle Zustandsgrößen im Material berechnet werden, sobald eine Variable bekannt ist. Ein 1-dimensionaler Stoßvorgang kann so mit guter Präzision berechnet werden.

Absorption, exponentielles Schwächungsgesetz:

• Druckabnahme p(x)=p0exp(-a*x)

Radiale Fokussierung und Defokussierung:

• Druck Zu- oder Abnahme 2D p1=p0*(R0/R1)

Sphärische Fokussierung und Defokussierung:

• Druck Zu- oder Abnahme 3D p1=p0*(R0/R1)^2

• Detonation breitet sich sphärisch vom Punkt der Initiierung aus

• Unter idealen Bedingungen ist die Detonationsgeschwindigkeit einer homogenen Ladung konstant und hängt nicht von Anfangs- und Randeffekten ab

Detonation=Stoßwelle + chemische Reaktion

1) Es handelt sich um einen stationären Prozess mit konstanter Detonationsgeschwindigkeit.

2) Die Detonationsfront ist eine Stoßwelle und kann wie eine Stoßwelle eines nicht reaktiven Materials gehandhabt werden (Stoßwellentheorie)

3) Die Breite der Reaktionszone ist vernachlässigbar klein

4) Die Reaktionsprodukte, welche die Reaktionszone verlassen, sind im chemischen und thermodynamischen Gleichgewicht. Die Reaktion ist abgeschlossen

5) Randeffekte können vernachlässigt werden. Sie wirken nicht auf die Detonation zurück

Diese Annahmen gelten in sehr guter Näherung für die Detonation der meisten militärischen Sprengstoffe. Bei der Auslegung von Zündketten und Ladungen wird üblicherweise eine stationäre ideale Detonation angestrebt.