Innenballistik

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Innenballistik

Die Innenballistik befasst sich mit den Vorgängen im Patronenlager und im Lauf der Waffe. Speziell beim Schuss, also bei der Zündung und Verbrennung der Treibladung und der Bewegung des Geschosses durch den Lauf. Sowie alle hierbei ablaufenden Vorgänge und Einwirkungen, wie z.B. Temperatur- und Druckverhältnisse, Geschossgeschwindigkeit, Geschossrotation usw. Die für eine bestimmte Waffe günstigste Kombination aus Geschosstyp, Pulvertyp und Pulvermenge kann wegen der zahlreichen bestimmenden Parameter im allgemeinen nur in Schießversuchen ermittelt werden. Die so ermittelten Daten werden in Form von Ladetafeln veröffentlicht, in denen die zulässigen Pulvermengen, Pulversorten, Maße und Gewichte für jeden Patronentyp aufgeführt werden.

Schematische Darstellung der Druckwelle des Mündungsknalls








Schussauslösung

Bei modernen Handfeuerwaffen wird der Schuss ausgelöst, indem nach Betätigen des Abzuges ein Schlagbolzen auf das Zündhütchen im Patronenboden trifft. Die schlagempfindliche Anzündladung im Zündhütchen detoniert durch die Energiezufuhr, es gelangt ein heißer Gasstrahl durch die Zündkanäle zur Treibladung und entzündet diese. Die Treibladung sollte möglichst schnell vollständig zünden. Es gibt verschiedene Typen von Zündhütchen, die entsprechend der Pulvermenge bzw. dem Volumen des Pulverraumes zum Einsatz kommen.

Beginn der Geschossbewegung

Nachdem die Treibladung gezündet wurde, entstehen durch ihre Verbrennung in kurzer Zeit große Mengen heißer Gase. Diese Gase stehen unter Druck und üben eine Kraft auf den Geschossboden aus, die vom Druck und der Querschnittsfläche des Geschosses abhängig ist:

Bei einer Patrone .30-06 mit typischer Laborierung entstehen beispielsweise nach der Zündung innerhalb von 500 Nanosekunden Gase mit dem 14000 fachen Volumen der Treibladung, wobei Temperatur und Druck auf 2700°C bzw. 3600 Bar ansteigen.

Um das Geschoss zu bewegen, ist eine bestimmte Mindestkraft (Ausziehwiderstand) erforderlich, da das Geschoss fest im Hülsenmund sitzt. Dieser Widerstand kann bei gegurteten Patronen für vollautomatische Waffen bis um 1000 Newton betragen, bei anderen Patronen liegt er jedoch in der Regel bei 300 Newton bis 600 Newton. Der Druck in der Patrone erhöht sich, bis der Ausziehwiderstand des Geschosses überschritten und das Geschoss beschleunigt wird. Die Gegenkraft dieser Beschleunigung wird durch die unter extrem hohem Druck stehenden heißen Gase auf den Patronenboden übertragen, wodurch die Rückstoßwirkung der Waffe einsetzt.


Einflussgrößen der Geschossbeschleunigung

Nachdem das Geschoss aus der Hülse ausgetrieben wurde, bewegt es sich im Übergangskonus zwischen Patronenlager und dem gezogenen Teil des Laufes im sogenannten Freiflug ohne Führung durch den Lauf. Anschließend erreicht es den gezogenen Teil des Laufes und wird in die Züge gepresst, durch die es den geschosstypischen Drall erhält. Je nach Konstruktion kann das Geschoss die Züge bereits erreichen, bevor es vollständig aus der Hülse ausgetreten ist.
Wenn das Geschoss die Laufmündung passiert hat, wird es noch über eine kurze Strecke von den noch unter hohem Druck stehenden, nachströmenden Pulvergasen beschleunigt, deren schlagartiger Druckausgleich mit dem Außenluftdruck den Mündungsknall erzeugt.

Geschosswiderstand

Ist der Widerstand, den das Geschoss der Beschleunigung entgegensetzt.Dieser resultiert nicht allein aus dem Beharrungsvermögen des Projektils, sondern auch aus den anderen mechanischen Widerständen, die durch seine Bewegung verursacht werden. In erster Linie ist das der Reibungswiderstand zwischen Geschoss und Laufwandung, aber auch andere Größen wie der Luftwiderstand im Laufinneren oder Laufverformungen hemmen die Bewegung des Geschosses beträchtlich.

Gasdruck und Abbrandverhalten der Treibladung

Das Geschoss wird primär durch den Gasdruck beschleunigt, welcher bei der Verbrennung der Treibladung entsteht. Es wird bei der Schussentwicklung nicht gleichförmig beschleunigt, da der Druck, den die Treibladung entwickelt, während der Schussentwicklung nicht konstant ist. Der Druck steigt nach der Zündung auf einen Höchstwert und sinkt wieder ab, bis das Geschoss die Laufmündung passiert. Die zulässige Obergrenze des Gasdruckes wird durch die Festigkeit des Laufes und des Verschlusses, sowie des Patronenlagers bestimmt und darf keinesfalls überschritten werden.

Die Mündungsgeschwindigkeit ist abhängig von der Beschleunigung des Geschosses und der Lauflänge Die Mündungsenergie ist von der Mündungsgeschwindigkeit und der Geschossmasse abhängig.

Der erreichbaren Mündungsgeschwindigkeit sind bestimmte Grenzen gesetzt. Die Geschossbeschleunigung hängt vom Gasdruck und über die Querschnittsbelastung von der Geschossmasse ab, auch die konstruktive Beschaffenheit von Laufbohrung und Geschoss haben Einfluss auf die Geschossbeschleunigung.

Der Gasdruck kann nicht beliebig erhöht werden, da die Festigkeit von Lauf und Verschluss begrenzt sind. Die Querschnittsbelastung kann nicht beliebig gesenkt werden. Die Lauflänge hat ebenfalls Grenzen, da die Längsstabilität eines Laufes und damit die Schusspräzision nur bis zu einer bestimmten Kaliberlänge mit vertretbarem Aufwand sichergestellt ist. Auch verringert sich die Lebensdauer gezogener Läufe ab einer bestimmten Mündungsgeschwindigkeit überproportional.

Um bei gegebenem Gasdruck und Lauflänge die Mündungsgeschwindigkeit zu erhöhen, muss die Masse des Geschosses verringert werden. Da sich mit der dadurch höheren Geschossbeschleunigung die Beschleunigungszeit verringert, muss eine schneller abbrennende (offensive) Treibladung verwendet werden um den gleichen Gasdruck zu erreichen.


Treibladungsmenge und Hülsenform

Je mehr Energie ein Geschoss erhalten soll, desto größer muss die Masse der Treibladung sein. Dem Volumen des Pulverraumes sind relativ zur Kalibergröße konstruktive Grenzen gesetzt. Eine Möglichkeit, eine große Treibladung unterzubringen, ist eine Verlängerung des Pulverraumes. Wird der Raum aber zu lang, kann so unter Umständen die Treibladung nicht mehr gleichmäßig durchzünden, was zu enormen Energieverlust und großen Abweichungen bei der Mündungsgeschwindigkeit und somit auch bei der ballistischen Flugbahn führen kann.
Leistungsfähige Patronen sind oft flaschenförmig und haben dadurch einen Durchmesser, der über dem der Laufbohrung liegt. Der Pulverraum kann somit vergrößert werden, ohne dass die Hülse zu lang wird. An der Hülsenschulter kommt es zu Strömungsverlusten beim Abschuss, die auch dieser Art der Volumenvergrößerung Grenzen setzen, da sonst ebenfalls kein konstantes durchzünden der Treibladung möglich ist.