Flüssigtreibmittel, Warum klappts nicht? Einstellungen

[Tankman]

(Keine Angst, ich werde das Forum nicht mit 1000 neuen Threads zuspammen. Aber die Frage hab ich schon seit Jahren und auch hier war die Suche nicht ergiebig)

Es gab ja schon diverse Versuche klassische Pulverkanonen bzw. Patronen durch flüssige Treibmittel zu ersetzen, so z.B. bei der Crusader PzH.
Die Vorteile scheinen ja auf der Hand zu liegen:
- Treibmittel können in Tanks untergebracht werden, die prinzipiell in Form und Größe frei gestaltbar sind um somit die Raumnutzung im Fz zu optimieren
- schnelleres Laden durch Einpumpen / Einspritzen der Treibladung statt einzelner Treibladungsbeutel (zumindest bei der Ari)
- unkomplizierte Konfigurierbarkeit der Treibladungsmenge bei jedem Schuss
- "Brennkammer" und Einspritzvorgang bieten Entwicklungspotential analog Verbrennungsmotor
- einfacherer / kompakter Autoloader möglich, da nur der Efektor geladen wird

Wenn man ein solches System auch in Panzerkanonen nutzen könnte, wären große Verbesserungen denkbar. Man könnte die innerten Effektoren (KE-Pfeile oder PELE Munition) getrennt von allem was umsetzen kann sehr platzsparend auch außerhalb des stark umpanzerten Volumens unterbringen und nur HE/MZ sowie das Treibmittel ebenfalls sehr platzsparend an geeigneter Stelle im Fz. D.h. man kann effektiv mehr Munition mitführen, als im patronierten Zustand.
Wenn ich mir vorstelle, wie viele KE Pfeile rein volumenmäßig in den Munbunker vom LEO passen .....

Auch das Treibmittel könnte viel effizienter genutzt werden. Ich muss ja nicht die vollen 14 Mj gegen einen BTR 82 abrufen, da reicht auch weniger.
Auch für ein HE / MZ Geschoss auf Nahdistanz muss ich nicht die volle Treibladung reinbuttern.

Wenn das Treibmittel dann auch noch aus zwei inerten Komponenten besteht, die nur für den jeweils nächsten Schuss in einer geschützten Kammer
gemixt werden, dann eröffnen sich gewaltige Möglichkeiten...
Mich wundert, dass z.B. Hilmes auf diese Möglichkeit in seinen Büchern nicht eingeht. Es muss also mehrere große Probleme bei der Technik geben,
über die nach außen hin wenig zu finden ist.


Also lautet die Hauptfrage dieses Threads:
Wo liegen die Probleme? Es muss einige sehr schwer zu lösende geben. Bei den Perspektiven, die die Entwicklung bietet,
kann es am Forschungsbudget alleine nicht gelegen haben. Hat jemand Informationen dazu?

[goschi]

Wenn ich eine alte Powerpointpräsentation von RUAG zu dem thema korrekt im Kopf habe (ist lange her, daher etwas unsicher), ist eines der Kernprobleme die Oberfläche der Treibladung.
Einfach gesagt hat eine Flüssigkeit immer eine minimal mögliche Oberfläche, während Treibladungen in Pulverform eine optimierte Oberfläche haben (die PzH2000 setzt zB Stab-ladungen ein, die eine maximale Oberflächenform haben und auf Abbrenndauer hin optimiert sind)
Was an Flüssigkeiten brennt ist immer nur di Oberfläche, daher haben Verbrennungsmotoren Einspitzsysteme, die die Treibstoffe als feine Wolke einlassen

löst man dies mit Einspritzen während der Zündung kommen die Probleme dazu, dass einerseits das Einspritzsytem SEHR robust sein muss, dazu stark und schnell, da man eine hohe Energiedichte in die schon explodierende Zündmasse bringen muss.

Die simple Vorstellung, dass man halt etwas Treibmittel in eine Zündkammer füllt und das zündet funktioniert nicht, die Zündkammern der Prototypen dazu waren denn auch alle sehr kompliziert und aufwändig und damit auch empfindlich.

Ein deutsches Patent dazu ist zB hier zu finden:
https://patents.google.com/patent/DE3919761C2/de

[Stefan Kotsch]

Pulver ist oft röhrenförmig (bis zu 8 Röhren in einer Stange). Da wird die brennende und gasabgebende Oberfläche während des Abbrandes immer größer. Das kompensiert das sich vergrößernde Innenvolumen des Rohres hinter dem Geschoss und hält den Druck konstant bzw. im optimalen Bereich. Mit Flüssigkeiten ist das wie schon oben gesagt eine ganz andere Geschichte mit neuen Aufgabenstellungen, wie Abdichtung, Transport etc..
Und dann wird auch die Bevorratung der Flüssigkeit ein echtes Problem sein. Ich bin da jetzt nicht der Treibladungsfachmann, aber man kann wohl davon ausgehen, dass die Masse der Probleme noch nicht befriedigend gelöst werden konnte. Von den Kosten ganz zu schweigen.

[xena]

Gab es da überhaupt noch nennenswerte Entwicklungsbemühungen? Die ersten Ideen und Versuche gab es ja schon vor 40 Jahren. Genau so auch mit der Rail Gun. Nach dem KK hat sich alles in Luft aufgelöst, weil Gelder nicht mehr so flossen. Ich meine, dass es beiden flüssigen Treibmitteln auch einen Zerstäuber hätte geben sollen. Vorteil war auch, dass auch eine saubere Verbrennung möglich wäre, wie auch eine für das System weniger belastende Beschleunigung des Projektiles. Das Treibmittel hätte man als Zweikomponentensystem machen können, wo die einzelne Komponente relativ harmlos gewesen wäre, was wiederum Brände und Explosionen vermindert hätte. Die Idee als ganzes nicht schlecht, aber es fehlte der Wille es bis zuletzt durch zu entwickeln. Mit Rail Guns kommt man auch recht schleppend voran, weil die auch nur firmenintern weiter entwickelt werden.

[General Gauder]

Für Kampfpanzer frage ich mich auch ob man nicht auch langsamer schießen würde, mit Patronen Munition kann man ja sobald die Patrone im Rohr ist und der Verschluss geschlossen schießen, bei der Flüssigen Treibladung müsste man dann ja noch abwarten bis dies eingespritz/gepumpt wurde. wohin entweicht z.B. die Luft die sich in der Brennkammer befindet wenn man die Treibladung einspritzt. Auch nicht unwichtig, die Schläuche die dann zur Brennkammer führen stehen ja sicherlich unter hohem Druck was ist wenn einer dieser Schläuche Platzt, einerseits ist das sicherlich nicht toll für die Besatzung einen Strahl Treibmittel ab zu bekommen andererseits ist der Panzer ersteinmal nicht mehr in der Lage zu schießen.

[Reitlehrer]

In den Ausgaben der Wehrtechnik in den 80er gab es dazu einige Beiträge. Leider habe ich inzwischen alle entsorgt, da die doch einiges an Platz einnahmen.

Auf alle Fälle ging es vor allem um KPz, weniger um Artillerie.

Soweit ich mich erinnere war der Stand, dass es prinzipiell funktioniert, aber es im Detail so viele Probleme gibt, dass kein einsatzreifes System entstand.

[Delta]

Ich denke/halte folgende Probleme für möglich:

1. geeignetes Flüssigtreibmittel finden, das alle Eigenschaften eines Treibladungspulvers (TLP) hat. Also gleichmäßiges Abbrandverhalten, eher Schub statt Schlag, Temperaturunempfindlichkeit (wäre zusätzlich kompliziert, wenn das Mittel aktiv gekühlt/gewärmt werden müsste). Aus meiner Sicht muss das Treibladungsmittel schon während des Ladens der Kanone mit eingefüllt werden und liegt/schwimmt dann im Patronenlager rum.
Eine Einspritzung nach Bedarf/bei Betätigung Abfeuereinrichtung würde voraussetzen, dass man das Mittel innerhalb Sekundenbruchteilen einfüllen kann. Das bedeutete aber mächtige Pumpen und Einspritzmaschinerie (gehen wir bei einer Panzerkanone von ca. 8,5kg Treibladung@5000J/g aus, die innerhalb ca. einer 1/10s zur Verfügung stehen müsste, um praktikabel zu sein, dann reden wir hier von Einspritzleistungen von 80kg/s. Bedeutet wahrscheinlich, dass man das nur mit einem gewissen Systemvordruck/Gasgenerator hinbekommt, zumindest denke ich, dass eine Turbopumpe bei der notwendigen Größe zu träge im Anlaufen ist. Gleichzeitig muss das Luftvolumen aus dem Patronenlager evakuiert werden. Das bedeutet, man benötig auch noch die notwendigen Ein/Auslassventile.
Wie auch immer: Der ganze Kram ist mit Power-Supply und Tankadapter am Verschlussblock zu befestigen, außer man findet eine Möglichkeit das ganze mit extrem schnellen Schnellverschlüssen oder superflexiblen Schläuchen zu befestigen (Rohrrücklauf!).

2. geeignetes Patronenlager finden. Here's another tricky part und das ist auch der Punkt, warum ich sagte, dass evakuiert werden muss: Flüssig bedeutet, dass das Zeug bei Standardgravitation sich immer unten sammelt. Je nach Rohrneigung hätte man da die Suppe in unterschiedlichen Geometrien im Patronenlager vorliegen, wenn es nicht geometrisch geordnet/geführt wird und erzeugt unterschiedliches Abbrandverhalten und nicht achsensymmetrische Druckverläufe. Hässlich für das Material und schwer zu rechnen. Wenn das Zeug geladen wird, und dann einfach da im Patronenlager rumliegt bis zur Schussabgabe, dann muss das Ding also knallvoll sein, damit man immer die gleiche Geometrie erzeugt.

3. Das widerspricht der Möglichkeit der variablen Einspritzung; außer es gelingt eine variable Patronenlagergeometrie zu erfinden, die die Betriebsdrücke von ca. 500-700MPa aushält.

Das sind meine Bedenken für Suppe, die ins Patronenlager eingefüllt wird und erst danach am Stück gezündet wird, wie eine Patrone. Da kommt dann noch dazu die Frage, wie man entlädt, wenn man nicht abgefeuert hat, oder umladen muss.

Weitere denkbare Möglichkeiten:
4. Das Ganze wird als zündfähiges mehrkomponentiges Gemisch eingespritzt, und dann gezündet wie beim Ottomotor.
Denke nicht dass das funktioniert; Geometrie dürfte Probleme machen, außerdem wahrscheinlich zu wenig Zeit zum Einspritzen. Eigentlich gleicher Gedanke wie unter 1/nur ggf. als Gemisch: Man braucht ca. 55MJ thermische Energie in der Treibladung, um dem Geschoss noch 15MJ auf den Weg mitzugeben. Treibladung der KE-Munition Leopard 2 (DM53) hat ca. 5000J/g, verfüllt sind 8,5kg, damit kommt man auf E0 von 12,5MJ; gehen wir für 15MJ also mal so von ca. 10kg aus) ; und wir reden immer noch von Einspritzung bei Betätigung Abfeuerung... 0,1-0,2 sec = 50-100kg/sec Einspritzleistung. Eher nicht.

5. Das Ganze funktioniert ca. wie ein Flüssigraketentriebwerk: Die Verbrennung beginnt mit dem Einspritzen; es wird während der gesamten Innenballistischen Phase eingespritzt. Ich habe das Patent, das goschi erwähnt hat so verstanden, dass dies der Art war, das zu machen, zumindest deutet die Verwendung von Hypergolen darauf hin.
Hier muss zum einen die Punpe schnell genug anspringen (siehe 4), aber dann auch noch kontinuierlich/variabel das Zeug nachspritzen, bis die Innenballistische Phase vorbei ist.
Ein Panzergeschoss hat nach 6m Beschleunigung im Rohr ca. 1800m/s drauf. Bei konstanter Beschleunigung vom 27.000g über die 6m Länge dauert dieser Prozess knapp 7 Millisekunden. 7 Millisekunden, um die ca. 10kg Treibladung in die Düse zu schieben. Wir sind jetzt bei einer Einspritzleistung von ca. 1400kg Treibladung/sec. Gegen einen Betriebsdruck in der Kammer von 500-700Mpa. Angebaut auf dem Verschlussblock, weil das Ding ist während der Schussabgabe fest mit der Brennkammer verbunden und fährt mit zurück. Konstruktiv spannend.
Ach ja, um die 1400kg/sec mal in Perspektive zu setzen:


Rockedyne F-1 (Apollo Hauptstufe; ca. 2600kg/sec pro Triebwerk)


Der Beitrag wurde von Delta bearbeitet: 12. Apr 2022, 19:53

[Tankman]

Danke für die vielen fundierten Antworten!

Es wäre natürlich auch interessant zu wissen, ob das Volumen von Flüssigtreibmittel ähnlich dem von "Pulver" ist.
Nimmt es wesentlich mehr Raum ein, sind die Vorteile weitestgehend futsch. Selbes gilt insbesondere, wenn es sehr empfindlich
reagiert oder ungewollt umsetzt. Das ist aber wahrscheinlich alles noch "Top Secret".

Wenn ich die Probleme die der Aggregatzustand "Flüssig" mit sich bringt so lese, kommt mir noch eine andere Idee:

Warum nicht feines Pulver, Pellets o.ä. in das Patronenlager "einblasen". Das würde die Vorteile von festen Treibmittel mit dem Handling/
Platzverbrauch usw. von Flüssigtreibmitteln verbinden.

Vieles scheint ja auch mit der Größe / Füllstand des Patronenlagers zu tun zu haben und ob man das Treibmittel mit dem Einspritzen gleich zündet
oder ob man das Patronenlager einfach voll macht. Hier habe ich vor Jahren mal eine Patentschrift gesehen (Quelle leider nicht mehr vorhanden),
bei der das Problem der variablen Brennkammer so gelöst wurde:

Da wo sonst das Patronenlager ist, wird nur der Effektor eingeführt. In einem Kranz darum sind ca 20 kleine Brennkammern im Spitzen Winkel zum Patronenlager angeordnet. Sah ein bisschen aus wie ein Sternmotor bei dem die Zylinder im 75° Winkel zur Achse stehen. Es wird eine Anzahl X Brennkammern vollgepumpt und dann gezündet. Die Brennkammern werden durch den Effektor versiegelt.

Wer noch weitere Erkenntnisse hat, immer her damit. Das Thema interessiert mich brennend!

[FreeFall]

Hallo Tankman,

möchtest du nicht mal erzählen, was du mit all den Informationen anfangen willst, die du hier systematisch abfragst?


Grüße, FreeFall

[Tankman]

Eine Systematik gibt es nur in dem Sinne, dass das Fragen sind, die ich schon seit langer Zeit mit mir rumschleppe. Nun habe ich mich im Forum angemeldet und hau die alle raus. Mehr dazu im Thread "Fahrzeugkomponenten".

[Wraith187]

Das finde ich jetzt etwas enttäuschend. Ich hatte ja gehofft du sagst, dass du in deiner Garage an einem privaten Prototypen des Panzers der Zukunft bastelst. Mit vollautomatischer Reihenfeuerkanone mit Flüssigtreibmittel, mit von semi-autonomen Knowbots gesteuerter hydropneumatischer Einzelrollenverstellung und -federung, Keramikmatrixpanzerung und 1-Mann-Besatzung etc.

[Thomas]

Was? 1 Mannbesatzung?

Nix!

Das sollten vollautonome Drohnen werden!


Dachte ich jedenfalls

[Wraith187]

Willst du Skynet und Terminatoren? Denn genau so bekommt man das. Deswegen: Nein.

[xena]

Die Drohnen kommen aber so langsam... Und Skynet im Anschluss wohl auch...

Nur halt mit paar Jahren Verzögerung.