Hohlladung
Eine Hohlladung ist eine Sprengladung, die so geformt ist, dass die Energie des Sprengstoffs gezielt eingesetzt werden kann. Verschiedene Arten von Hohlladungen werden für unterschiedliche Zwecke verwendet, z. B. zum Schneiden und Formen von Metall, zum Zünden von Kernwaffen, zum Durchschlagen von Panzerung oder zum Perforieren von Bohrlöchern in der Öl- und Gasindustrie. ⓘ
Eine typische moderne Hohlladung mit einer Metalleinlage im Ladungshohlraum kann Panzerstahl bis zu einer Tiefe durchdringen, die mindestens dem Siebenfachen des Durchmessers der Ladung entspricht (Ladungsdurchmesser, CD), wobei auch größere Tiefen von 10 CD und mehr erreicht wurden. Entgegen einem Missverständnis (das möglicherweise auf die Abkürzung für High-Explosive Anti-Tank, HEAT, zurückzuführen ist) hängt die Wirksamkeit der Hohlladung in keiner Weise von einer Erhitzung oder einem Schmelzen ab; das heißt, der Strahl einer Hohlladung schmilzt nicht durch die Panzerung hindurch, da seine Wirkung rein kinetischer Natur ist - der Prozess erzeugt jedoch eine beträchtliche Hitze und hat nach dem Eindringen oft eine erhebliche sekundäre Brandwirkung. ⓘ
Die Hohlladung ist eine spezielle Anordnung brisanten Sprengstoffs um eine kegel- oder halbkugelförmige Metalleinlage, die sich besonders zum Durchschlagen von Panzerungen eignet. Der eingesetzte Sprengstoff beruht zumeist auf Nitropenta, Hexogen oder Oktogen. ⓘ
Hohlladungen werden im militärischen Bereich als panzerbrechende Munition in Panzermunition und Panzerabwehrwaffen eingesetzt. Im zivilen Bereich kommen im Aufbau Varianten mit gleichem Wirkprinzip als Schneidladungen zum Einsatz, welche beispielsweise für den Abbruch von Bauwerken aus Stahl- und Stahlbeton eingesetzt werden. ⓘ
Munroe-Effekt
Der Munroe- oder Neumann-Effekt ist die Bündelung der Explosionsenergie durch einen Hohlraum auf der Oberfläche eines Sprengstoffs. Die früheste Erwähnung von Hohlladungen stammt aus dem Jahr 1792. Franz Xaver von Baader (1765-1841) war damals ein deutscher Bergbauingenieur, der in einer Bergbauzeitschrift einen konischen Hohlraum am vorderen Ende einer Sprengladung vorschlug, um die Wirkung des Sprengstoffs zu erhöhen und dadurch Pulver zu sparen. Diese Idee wurde eine Zeit lang in Norwegen und in den Bergwerken des Harzes übernommen, obwohl der einzige verfügbare Sprengstoff zu dieser Zeit Schießpulver war, das kein hochexplosiver Sprengstoff ist und daher nicht in der Lage, die für den Hohlladungseffekt erforderliche Druckwelle zu erzeugen. ⓘ
Der erste echte Hohlladungseffekt wurde 1883 von Max von Foerster (1845-1905), dem Leiter der Nitrocellulosefabrik von Wolff & Co. in Walsrode, Deutschland, erzielt. ⓘ
1886 meldete Gustav Bloem aus Düsseldorf das US-Patent 342.423 für halbkugelförmige Hohlraumzünder aus Metall an, um die Wirkung der Explosion in axialer Richtung zu konzentrieren. Der Munroe-Effekt ist nach Charles E. Munroe benannt, der ihn 1888 entdeckte. Als ziviler Chemiker, der in der U.S. Naval Torpedo Station in Newport, Rhode Island, arbeitete, bemerkte er, dass bei der Detonation eines Blocks explosiver Schießbaumwolle, in den der Name des Herstellers eingestanzt war, neben einer Metallplatte der Schriftzug in die Platte geschnitten wurde. Wenn umgekehrt die Buchstaben als Relief über die Oberfläche des Sprengstoffs erhaben waren, wurden auch die Buchstaben auf der Platte über die Oberfläche gehoben. Im Jahr 1894 konstruierte Munroe seine erste grobe Hohlladung:
Zu den Experimenten, die er machte ... gehörte eines mit einem Tresor von neunundzwanzig Zoll Würfelgröße, mit vier Zoll und drei Viertel dicken Wänden, die aus Eisen- und Stahlplatten bestanden ... [W]enn eine Hohlladung Dynamit von neuneinhalb Pfund Gewicht und ungestopft darauf gezündet wurde, wurde ein Loch von drei Zoll Durchmesser deutlich durch die Wand gesprengt ... Die hohle Patrone wurde hergestellt, indem die Dynamitstangen um eine Blechdose gebunden wurden, deren offene Öffnung nach unten gerichtet war. ⓘ
Obwohl Munroes Experiment mit der Hohlladung im Jahr 1900 in der Zeitschrift Popular Science Monthly veröffentlicht wurde, blieb die Bedeutung der "Auskleidung" der Hohlladung mit einer Blechdose noch 44 Jahre lang unerkannt. Ein Teil dieses Artikels aus dem Jahr 1900 wurde in der Februarausgabe 1945 von Popular Science nachgedruckt, in der die Funktionsweise von Hohlladungssprengköpfen beschrieben wurde. Es war dieser Artikel, der der breiten Öffentlichkeit endlich verriet, wie die sagenumwobene Bazooka im Zweiten Weltkrieg tatsächlich gegen gepanzerte Fahrzeuge funktionierte. ⓘ
1910 entdeckte Egon Neumann aus Deutschland, dass ein TNT-Block, der normalerweise eine Stahlplatte verbeulen würde, ein Loch in diese Platte schlug, wenn der Sprengstoff eine konische Vertiefung aufwies. Der militärische Nutzen von Munroes und Neumanns Arbeit wurde lange Zeit nicht erkannt. Zwischen den Weltkriegen erkannten Wissenschaftler in mehreren Ländern - Myron Yakovlevich Sukharevskii (Мирон Яковлевич Сухаревский) in der Sowjetunion, William H. Payment und Donald Whitley Woodhead in Großbritannien und Robert Williams Wood in den USA -, dass sich bei Explosionen Projektile bilden können. Doch erst 1932 entwickelte Franz Rudolf Thomanek, ein Physikstudent an der Technischen Hochschule in Wien, ein Panzerabwehrgeschoss, das auf dem Hohlladungseffekt beruhte. Als die österreichische Regierung kein Interesse zeigte, diese Idee weiterzuverfolgen, wechselte Thomanek an die Technische Hochschule in Berlin, wo er sein Studium bei dem Ballistikexperten Carl Julius Cranz fortsetzte. Dort entwickelte er 1935 zusammen mit Hellmuth von Huttern den Prototyp eines Panzerabwehrgeschosses. Obwohl sich die Leistung der Waffe als enttäuschend erwies, setzte Thomanek seine Entwicklungsarbeit fort und arbeitete mit Hubert Schardin am Waffeninstitut der Luftwaffe in Braunschweig zusammen. ⓘ
1937 glaubte Schardin, dass die Wirkung von Hohlladungen auf die Wechselwirkung von Stoßwellen zurückzuführen sei. Im Zuge der Erprobung dieser Idee entwickelte Thomanek am 4. Februar 1938 den Hohlladungs-Auskleidungseffekt (Hohlladungssprengstoff). (Gustav Adolf Thomer war es, der 1938 zum ersten Mal den durch eine Hohlladungsexplosion erzeugten Metallstrahl durch Blitzlicht sichtbar machte). In der Zwischenzeit hatte Henry Hans Mohaupt, ein Chemieingenieur in der Schweiz, 1935 unabhängig eine Hohlladungsmunition entwickelt, die dem schweizerischen, französischen, britischen und amerikanischen Militär vorgeführt wurde. ⓘ
Während des Zweiten Weltkriegs wurden Hohlladungsmunitionen von Deutschland (Panzerschreck, Panzerfaust, Panzerwurfmine, Mistel), Großbritannien (PIAT, Beehive-Kraterladung), der Sowjetunion (RPG-43, RPG-6), den USA (Panzerfaust) und Italien (Effetto Pronto Speciale-Granaten für verschiedene Artilleriegeschütze) entwickelt. Die Entwicklung von Hohlladungen revolutionierte die Panzerbekämpfung. Panzer waren durch eine Waffe, die von einem Infanteristen oder einem Flugzeug getragen werden konnte, ernsthaft gefährdet. ⓘ
Einer der ersten Einsätze von Hohlladungen erfolgte 1940 durch deutsche Segelfliegertruppen gegen das belgische Fort Eben-Emael. Diese Sprengladungen - entwickelt von Dr. Wuelfken vom deutschen Heereswaffenamt - waren ungefütterte Sprengladungen und erzeugten keinen Metallstrahl wie die modernen HEAT-Sprengköpfe. Aufgrund der fehlenden Metalleinlage erschütterten sie die Geschütztürme, zerstörten sie aber nicht, so dass andere Luftlandetruppen gezwungen waren, auf die Geschütztürme zu klettern und die Geschützrohre zu zerschlagen. ⓘ
Seit dem Ende des 18. Jahrhunderts war bekannt, dass die geometrische Form einer Sprengladung für deren Sprengwirkung eine entscheidende Rolle spielt, beziehungsweise ein ausgehöhlter Sprengkörper eine besonders hohe Durchschlagskraft besitzt. Zuerst beschrieb Franz von Baader im Jahre 1792 diesen Effekt. Wissenschaftliche Beschreibungen folgten 1883 von Max von Förster, 1885 von Gustav Bloem und 1888 von Charles Edward Munroe. Munroe war der Namensgeber für den Munroe-Effekt, auf dem die Hohlladung beruht. 1910 entdeckte der deutsche Wissenschaftler Egon Neuman den Effekt neu und das deutsche Sprengstoffunternehmen WASAG konnte ihn als erstes patentieren. Obwohl das Wissen und die Technologie bereitstanden, wurde die Hohlladung im Ersten Weltkrieg (1914–1918) nicht verwendet. Eine mögliche Erklärung ist, dass das Militär auf Kopfzünder bestand, die Hohlladung die Wirkung aber nur mit einem Bodenzünder entfalten konnte. Es folgten weitere wissenschaftliche Veröffentlichungen, beispielsweise von Alfred Stettbacher, Ernst Richard Escales sowie Robert Williams Wood. ⓘ
In der Zwischenkriegszeit verschob sich der technische Vorteil in Richtung Panzer und die Infanterie suchte geeignete Abwehrwaffen. 1932 entwarf Franz Rudolf Thomanek ein 70-mm-Tankgewehr mit Hohlladungsmunition, allerdings ohne den noch unbekannten Effekt der Auskleidung der Hohlladung zu berücksichtigen. Das Tankgewehr TG 70/M34 war die erste Waffe, die den Effekt der Hohlladung ausnutzte. Die Präsentation des Tankgewehrs verlief zwar nicht erfolgreich; der Wert des Konzeptes wurde aber erkannt. ⓘ
In der Zeit 1935–1938 wurde der Auskleidungseffekt entdeckt, durch den die Durchschlagsleistung anstieg. Der Schweizer Heinrich Mohaupt beanspruchte, diesen im Spätjahr 1935 entdeckt zu haben. Thomanek machte diese Entdeckung am 4. Februar 1938 an der Luftfahrtforschungsanstalt in Braunschweig. Die Entdeckungen geschahen zufällig und wahrscheinlich unabhängig voneinander; eine genaue Untersuchung dieses Phänomens war zuerst noch nicht möglich. Mohaupt erhielt ein Patent am 9. November 1939 in Frankreich, Thomanek am 9. Dezember 1939 in Deutschland. Allerdings ist das Datum von Mohaupts Entdeckung umstritten. Während sich bei Thomanek die Ereignisse durch Dokumente gut belegen lassen, ist man bei Mohaupt nur auf seine 1966 retrospektiv verfassten Berichte angewiesen. ⓘ
Thomanek wechselte kurz nach seiner Entdeckung zu Hubert Schardin an die Technische Akademie der Luftwaffe in Berlin-Gatow. Kurz nachdem Thomanek der Hohlladungsforschung eine neue Richtung gegeben hatte, schlug der Siemens-Wissenschaftler Max Steenbeck eine röntgenphotometrische Untersuchung der Gasentladung bei Hohlladungen vor. In der Folgezeit entwickelten das Ballistische Institut und das Siemens-Forschungslabor Röntgenblitzröhren, mit denen mehr als 45.000 Bilder pro Sekunde aufgenommen wurden. Damit konnte erstmals die Strahlbildung bei einer Hohlladung und die Wirkung auf eine Panzerplatte beobachtet und analysiert werden. In der Folge wurden im Heereswaffenamt (HWA) und an der Luftwaffenakademie durch Schardin umfangreiche Optimierungen vorgenommen, die unmittelbar in die Waffenentwicklung einflossen, wovon vor allem die Panzerfaust bekannt wurde. Nachdem Erich Schumann die Leitung der Heeresforschung im Heereswaffenamt übernommen hatte, stieg Walter Trinks 1940 zum Leiter des Referats Wa FI b‚ Sprengphysik und Hohlladungen, auf. Bis zum Kriegsende erarbeitete die Wissenschaftlergruppe um Trinks mindestens vierzig Geheimpatente zum Thema Hohlladung. ⓘ
Heinrich Mohaupt brachte im Jahre 1940 die Hohlladungstechnologie in die USA, was zu Hohlladungs-Gewehrgranaten sowie später zur Entwicklung der Bazooka führte. ⓘ
Sturmpistole mit Panzerwurfkörper 42
beehive charge der U.S. Army
Hafthohlladung
Handgranaten vom Typ RKG-3E
APAV 40 als Beispiel einer Gewehrgranate mit Hohlladung
HEAT-Geschoss
AT2 (Attrappe) ⓘ
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Anwendungen
Modernes Militär
Die gängige Bezeichnung für Hohlladungsgefechtsköpfe in der militärischen Terminologie ist HEAT-Gefechtskopf (High-Explosive Anti-Tank). HEAT-Gefechtsköpfe werden häufig in Panzerabwehrlenkraketen, ungelenkten Raketen, Geschossen (mit und ohne Drallstabilisierung), Gewehrgranaten, Landminen, Bomblets, Torpedos und verschiedenen anderen Waffen eingesetzt. ⓘ
Nicht-militärische Anwendungen
Im nichtmilitärischen Bereich werden Hohlladungen bei der Sprengung von Gebäuden und Bauwerken verwendet, insbesondere zum Durchschneiden von Metallpfählen, Säulen und Trägern und zum Bohren von Löchern. In der Stahlerzeugung werden kleine Hohlladungen häufig zum Durchstoßen von mit Schlacke verstopften Abstichen verwendet. Sie werden auch in Steinbrüchen, beim Brechen von Eis, beim Aufbrechen von Baumstämmen, beim Fällen von Bäumen und beim Bohren von Pfostenlöchern eingesetzt. ⓘ
Am häufigsten werden Hohlladungen in der Erdöl- und Erdgasindustrie eingesetzt, insbesondere bei der Fertigstellung von Erdöl- und Erdgasbohrungen, wo sie gezündet werden, um die Metallverkleidung der Bohrung in bestimmten Abständen zu durchbohren und den Zufluss von Öl und Gas zu ermöglichen. ⓘ
Eine 4,5 kg schwere Hohlladung wurde bei der Hayabusa2-Mission auf dem Asteroiden 162173 Ryugu eingesetzt. Das Raumschiff ließ den Sprengsatz auf den Asteroiden fallen und zündete ihn, während sich das Raumschiff hinter der Abdeckung befand. Durch die Detonation wurde ein etwa 10 Meter breiter Krater ausgehoben, der den Zugang zu einer unberührten Probe des Asteroiden ermöglichte. ⓘ
Funktion
Ein typischer Sprengkörper besteht aus einem massiven Sprengstoffzylinder mit einem metallgefütterten konischen Hohlraum an einem Ende und einem zentralen Zünder, einer Reihe von Zündern oder einem Detonationswellenleiter am anderen Ende. Die Explosionsenergie wird direkt von der Oberfläche des Sprengstoffs weg (normal zur Oberfläche) freigesetzt, so dass die Formgebung des Sprengstoffs die Explosionsenergie im Hohlraum konzentriert. Wenn der Hohlraum richtig geformt ist (in der Regel konisch), treibt der enorme Druck, der durch die Detonation des Sprengstoffs erzeugt wird, die Auskleidung im Hohlraum nach innen, so dass sie auf ihre Mittelachse stürzt. Durch die daraus resultierende Kollision wird ein Hochgeschwindigkeitsstrahl aus Metallpartikeln gebildet und entlang der Achse nach vorne geschleudert. Der größte Teil des Strahlmaterials stammt aus dem innersten Teil der Auskleidung, einer Schicht von etwa 10 bis 20 % der Dicke. Der restliche Teil der Auskleidung bildet ein sich langsamer bewegendes Materialstück, das aufgrund seines Aussehens manchmal als "Karotte" bezeichnet wird. ⓘ
Da die Geschwindigkeit des Kollapses entlang der Auskleidung variiert, variiert auch die Geschwindigkeit des Strahls entlang seiner Länge und nimmt von vorne her ab. Durch diese Schwankungen der Strahlgeschwindigkeit wird der Strahl gedehnt und zerfällt schließlich in Partikel. Im Laufe der Zeit neigen die Partikel dazu, aus der Ausrichtung zu fallen, wodurch sich die Eindringtiefe bei großen Abständen verringert. ⓘ
An der Spitze des Kegels, der den vordersten Teil des Strahls bildet, hat die Auskleidung außerdem keine Zeit, vollständig beschleunigt zu werden, bevor sie ihren Teil des Strahls bildet. Dies führt dazu, dass der kleine Teil des Strahls mit einer geringeren Geschwindigkeit ausgestoßen wird als der Strahl, der sich später hinter ihm bildet. Infolgedessen verschmelzen die anfänglichen Teile des Strahls zu einem ausgeprägten breiteren Spitzenabschnitt. ⓘ
Der größte Teil des Strahls bewegt sich mit Hyperschallgeschwindigkeit. Die Spitze bewegt sich mit 7 bis 14 km/s, der Strahlschwanz mit einer geringeren Geschwindigkeit (1 bis 3 km/s) und das Geschoss mit einer noch geringeren Geschwindigkeit (weniger als 1 km/s). Die genauen Geschwindigkeiten hängen von der Konfiguration und dem Einschluss der Ladung, der Art des Sprengstoffs, den verwendeten Materialien und der Art der Sprengstoffzündung ab. Bei typischen Geschwindigkeiten erzeugt der Penetrationsprozess so enorme Drücke, dass er als hydrodynamisch angesehen werden kann; in guter Näherung können der Strahl und die Panzerung als nichtviskose, kompressible Flüssigkeiten behandelt werden (siehe z. B.), wobei ihre Materialstärke ignoriert wird. ⓘ
Eine neuere Technik, bei der die magnetische Diffusionsanalyse zum Einsatz kommt, hat gezeigt, dass die Temperatur der äußeren 50 % des Volumens einer kupfernen Düsenspitze während des Flugs zwischen 1100 und 1200 K liegt, also viel näher am Schmelzpunkt von Kupfer (1358 K) als bisher angenommen. Diese Temperatur stimmt mit einer hydrodynamischen Berechnung überein, die das gesamte Experiment simulierte. Im Vergleich dazu zeigen zweifarbige radiometrische Messungen aus den späten 1970er Jahren niedrigere Temperaturen für verschiedene Hohlladungsauskleidungen, Kegelkonstruktionen und Arten von Sprengstofffüllungen. Bei einer mit Comp-B geladenen Hohlladung mit Kupferauskleidung und spitzer Kegelspitze lag die Temperatur der Düsenspitze bei einer Stichprobe von fünf Schüssen zwischen 668 K und 863 K. Octol-geladene Ladungen mit einer abgerundeten Kegelspitze hatten im Allgemeinen höhere Oberflächentemperaturen mit einem Durchschnitt von 810 K, und die Temperatur einer Zinn-Blei-Einlage mit Comp-B-Füllung betrug im Durchschnitt 842 K. Während der Zinn-Blei-Strahl als flüssig bestimmt wurde, liegen die Kupferstrahlen weit unter dem Schmelzpunkt von Kupfer. Diese Temperaturen stimmen jedoch nicht vollständig mit dem Nachweis überein, dass weich geborgene Kupferstrahlpartikel Anzeichen von Schmelzen im Kern aufweisen, während der äußere Teil fest bleibt, und können nicht mit der Massetemperatur gleichgesetzt werden. ⓘ
Die Position der Sprengladung im Verhältnis zum Ziel ist aus zwei Gründen entscheidend für eine optimale Penetration. Wird die Sprengladung zu nahe am Ziel gezündet, hat der Strahl nicht genug Zeit, um sich vollständig zu entfalten. Der Strahl zerfällt und zerstreut sich jedoch nach einer relativ kurzen Entfernung, in der Regel deutlich unter zwei Metern. Bei solchen Abständen zerfällt er in Partikel, die dazu neigen, zu taumeln und von der Eindringachse abzudriften, so dass die aufeinanderfolgenden Partikel das Loch eher erweitern als vertiefen. Bei sehr großen Abständen geht die Geschwindigkeit durch den Luftwiderstand verloren, was die Eindringtiefe weiter verschlechtert. ⓘ
Der Schlüssel zur Wirksamkeit der Hohlladung ist ihr Durchmesser. Mit fortschreitender Durchdringung des Ziels nimmt die Breite des Lochs ab, was zu einer charakteristischen "Faust-zu-Finger"-Wirkung führt, wobei die Größe des späteren "Fingers" auf der Größe der ursprünglichen "Faust" beruht. Im Allgemeinen können Hohlladungen eine Stahlplatte mit einer Dicke von 150 bis 700 % ihres Durchmessers durchschlagen, je nach Qualität der Ladung. Diese Zahl bezieht sich auf einfache Stahlplatten, nicht auf Verbundpanzer, reaktive Panzer oder andere Arten moderner Panzer. ⓘ
Liner
Die häufigste Form des Innenbehälters ist konisch, mit einem inneren Scheitelwinkel von 40 bis 90 Grad. Unterschiedliche Scheitelwinkel führen zu unterschiedlichen Verteilungen von Strahlmasse und -geschwindigkeit. Kleine Apex-Winkel können dazu führen, dass sich der Strahl verzweigt oder sich gar nicht erst bildet; dies ist darauf zurückzuführen, dass die Kollapsgeschwindigkeit über einem bestimmten Schwellenwert liegt, der normalerweise etwas höher ist als die Schallgeschwindigkeit des Auskleidungsmaterials. Andere weit verbreitete Formen sind Halbkugeln, Tulpen, Trompeten, Ellipsen und bikonische Formen; die verschiedenen Formen ergeben Strahlen mit unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Massenverteilungen. ⓘ
Die Auskleidungen werden aus vielen Materialien hergestellt, darunter verschiedene Metalle und Glas. Die tiefste Durchschlagskraft wird mit einem dichten, duktilen Metall erreicht, und eine sehr häufige Wahl ist Kupfer. Für einige moderne Panzerabwehrwaffen wurden Molybdän und Pseudolegierungen aus Wolfram und Kupfer (9:1, d. h. die Dichte beträgt ≈18 Mg/m3) verwendet. Nahezu alle gängigen Metallelemente wurden ausprobiert, darunter Aluminium, Wolfram, Tantal, abgereichertes Uran, Blei, Zinn, Cadmium, Kobalt, Magnesium, Titan, Zink, Zirkonium, Molybdän, Beryllium, Nickel, Silber und sogar Gold und Platin. Die Wahl des Materials hängt vom Ziel ab, das durchdrungen werden soll; so hat sich beispielsweise Aluminium als vorteilhaft für Betonziele erwiesen. ⓘ
In frühen Panzerabwehrwaffen wurde Kupfer als Auskleidungsmaterial verwendet. Später, in den 1970er Jahren, stellte man fest, dass Tantal aufgrund seiner viel höheren Dichte und sehr hohen Duktilität bei hohen Dehnungsgeschwindigkeiten dem Kupfer überlegen ist. Andere Metalle und Legierungen mit hoher Dichte haben in der Regel Nachteile in Bezug auf Preis, Toxizität, Radioaktivität oder mangelnde Duktilität. ⓘ
Für die tiefsten Bohrungen liefern reine Metalle die besten Ergebnisse, da sie die größte Duktilität aufweisen, die das Aufbrechen des Strahls in Partikel während der Ausdehnung verzögert. Bei Sprengladungen für die Fertigstellung von Ölbohrungen ist es jedoch wichtig, dass sich kein fester Klumpen oder eine "Karotte" bildet, da diese das gerade durchbohrte Loch verstopfen und den Zufluss von Öl behindern würde. In der Erdölindustrie werden Auskleidungen daher in der Regel pulvermetallurgisch hergestellt, häufig aus Pseudo-Legierungen, die, wenn sie ungesintert sind, Strahlen ergeben, die hauptsächlich aus dispergierten feinen Metallpartikeln bestehen. ⓘ
Ungesinterte, kaltgepresste Auskleidungen sind jedoch nicht wasserdicht und neigen zur Sprödigkeit, wodurch sie bei der Handhabung leicht beschädigt werden können. Bimetallische Auskleidungen, in der Regel zinkbeschichtetes Kupfer, können verwendet werden; bei der Strahlbildung verdampft die Zinkschicht und es bildet sich kein Butzen; der Nachteil sind höhere Kosten und die Abhängigkeit der Strahlbildung von der Qualität der Verbindung der beiden Schichten. Niedrigschmelzende (unter 500 °C) Lot- oder lötähnliche Legierungen (z. B. Sn50Pb50, Zn97.6Pb1.6 oder reine Metalle wie Blei, Zink oder Cadmium) können verwendet werden; diese schmelzen, bevor sie das Bohrlochgehäuse erreichen, und das geschmolzene Metall verstopft das Loch nicht. Andere Legierungen, binäre Eutektika (z. B. Pb88.8Sb11.1, Sn61.9Pd38.1 oder Ag71.9Cu28.1), bilden einen Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit einer duktilen Matrix mit spröden Dendriten; solche Werkstoffe verringern die Bildung von Butzen, sind aber schwer zu formen. ⓘ
Ein Metall-Matrix-Verbundwerkstoff mit diskreten Einschlüssen aus niedrig schmelzendem Material ist eine weitere Option; die Einschlüsse schmelzen entweder, bevor der Strahl das Bohrlochgehäuse erreicht, wodurch das Material geschwächt wird, oder sie dienen als Keimzellen für Risse, so dass das Geschoss beim Aufprall zerbricht. Die Dispersion der zweiten Phase kann auch mit gießbaren Legierungen (z. B. Kupfer) mit einem in Kupfer unlöslichen Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, wie Wismut, 1-5 % Lithium oder bis zu 50 % (normalerweise 15-30 %) Blei, erreicht werden; die Größe der Einschlüsse kann durch thermische Behandlung eingestellt werden. Es kann auch eine inhomogene Verteilung der Einschlüsse erreicht werden. Andere Zusätze können die Eigenschaften der Legierung verändern: Zinn (4-8 %), Nickel (bis zu 30 % und oft zusammen mit Zinn), bis zu 8 % Aluminium, Phosphor (bildet spröde Phosphide) oder 1-5 % Silizium bilden spröde Einschlüsse, die als Rissbildungsstellen dienen. Bis zu 30 % Zink können hinzugefügt werden, um die Materialkosten zu senken und zusätzliche spröde Phasen zu bilden. ⓘ
Oxidglas-Liner erzeugen Strahlen mit geringer Dichte, was zu einer geringeren Eindringtiefe führt. Zweischichtige Auskleidungen mit einer Schicht aus einem weniger dichten, aber pyrophoren Metall (z. B. Aluminium oder Magnesium) können verwendet werden, um die Brandwirkung nach dem Durchschlagen der Panzerung zu verstärken; diese können durch Sprengschweißen hergestellt werden, da die Metall-Metall-Grenzfläche dann homogen ist, keine nennenswerten Mengen an Intermetallen enthält und keine nachteiligen Auswirkungen auf die Bildung des Strahls hat. ⓘ
Die Eindringtiefe ist proportional zur maximalen Länge des Strahls, die ein Produkt aus der Strahlspitzengeschwindigkeit und der Zeit bis zur Partikelbildung ist. Die Strahlspitzengeschwindigkeit hängt von der Körperschallgeschwindigkeit im Auskleidungsmaterial ab, die Zeit bis zur Partikelbildung ist abhängig von der Duktilität des Materials. Die maximal erreichbare Strahlgeschwindigkeit beträgt etwa das 2,34-fache der Schallgeschwindigkeit im Material. Die Geschwindigkeit kann bis zu 10 km/s erreichen, wobei sie etwa 40 Mikrosekunden nach der Detonation ihren Höhepunkt erreicht; die Kegelspitze ist einer Beschleunigung von etwa 25 Millionen g ausgesetzt. Der Druck zwischen der Düsenspitze und dem Ziel kann bis zu einem Terapascal betragen. Der immense Druck lässt das Metall wie eine Flüssigkeit fließen, obwohl die Röntgenbeugung gezeigt hat, dass das Metall fest bleibt; eine der Theorien, die dieses Verhalten erklären, schlägt einen geschmolzenen Kern und einen festen Mantel des Strahls vor. Die besten Materialien sind kubisch-flächenzentrierte Metalle, da sie am dehnbarsten sind, aber auch Graphit und keramische Kegel mit Null-Duktilität zeigen eine erhebliche Durchschlagskraft. ⓘ
Sprengladung
Für eine optimale Penetration wird normalerweise ein Sprengstoff mit hoher Detonationsgeschwindigkeit und hohem Druck gewählt. Der gebräuchlichste Sprengstoff für Hochleistungs-Panzerabwehrsprengköpfe ist HMX (Oktogen), allerdings nie in seiner reinen Form, da er zu empfindlich wäre. Es wird normalerweise mit einigen Prozent eines Kunststoffbindemittels gemischt, wie z. B. im polymergebundenen Sprengstoff (PBX) LX-14, oder mit einem anderen weniger empfindlichen Sprengstoff wie TNT, mit dem es Octol bildet. Weitere gängige Hochleistungssprengstoffe sind Zusammensetzungen auf RDX-Basis, wiederum entweder als PBX oder als Gemisch mit TNT (zur Bildung von Zusammensetzung B und den Cyclotols) oder Wachs (Cyclonites). Einige Sprengstoffe enthalten pulverisiertes Aluminium, um die Explosions- und Detonationstemperatur zu erhöhen, doch führt dieser Zusatz im Allgemeinen zu einer geringeren Leistung der Hohlladung. Es gibt Forschungsarbeiten zur Verwendung des sehr leistungsfähigen, aber empfindlichen Sprengstoffs CL-20 in Hohlladungsgefechtsköpfen, die jedoch aufgrund seiner Empfindlichkeit derzeit in Form des PBX-Verbundstoffs LX-19 (CL-20 und Estan-Bindemittel) durchgeführt werden. ⓘ
Andere Merkmale
Ein "Waveshaper" ist ein Körper (in der Regel eine Scheibe oder ein zylindrischer Block) aus einem inerten Material (in der Regel fester oder geschäumter Kunststoff, manchmal aber auch Metall, eventuell hohl), der in den Sprengstoff eingesetzt wird, um den Verlauf der Detonationswelle zu verändern. Die Wirkung besteht darin, den Zusammenbruch des Kegels und die daraus resultierende Strahlbildung zu verändern, um die Durchschlagskraft zu erhöhen. Waveshaper werden häufig verwendet, um Platz zu sparen; eine kürzere Ladung mit einem Waveshaper kann die gleiche Leistung erzielen wie eine längere Ladung ohne Waveshaper. ⓘ
Ein weiteres nützliches Konstruktionsmerkmal ist die Unterkalibrierung, d. h. die Verwendung einer Hülse mit einem kleineren Durchmesser (Kaliber) als die Sprengladung. Bei einer gewöhnlichen Ladung ist der Sprengstoff in der Nähe der Kegelbasis so dünn, dass er nicht in der Lage ist, die angrenzende Hülse auf eine ausreichende Geschwindigkeit zu beschleunigen, um einen wirksamen Strahl zu bilden. Bei einer subkalibrierten Ladung wird dieser Teil des Sprengkörpers effektiv abgeschnitten, was zu einer kürzeren Ladung bei gleicher Leistung führt. ⓘ
Verteidigung
Während des Zweiten Weltkriegs waren sowohl die Präzision der Ladungskonstruktion als auch der Detonationsmodus schlechter als bei modernen Sprengköpfen. Diese geringere Präzision führte dazu, dass sich der Strahl krümmte und zu einem früheren Zeitpunkt und damit in einer kürzeren Entfernung aufbrach. Die daraus resultierende Streuung verringerte die Eindringtiefe bei einem gegebenen Kegeldurchmesser und verkürzte auch die optimale Abstandsentfernung. Da die Sprengladungen bei größeren Entfernungen weniger wirksam waren, wurden an einigen deutschen Panzern zum Schutz gegen gewöhnliche Panzerabwehrgewehre Seiten- und Turmschürzen angebracht, die dem Strahl Raum zur Streuung gaben und damit auch die Durchschlagskraft von HEAT verringerten. ⓘ
Die Verwendung zusätzlicher, in Abständen angebrachter Panzerschürzen an gepanzerten Fahrzeugen kann den gegenteiligen Effekt haben und die Durchschlagskraft einiger Hohlladungsgefechtsköpfe sogar erhöhen. Aufgrund von Beschränkungen bei der Länge des Geschosses/der Rakete ist der eingebaute Abstand bei vielen Gefechtsköpfen geringer als der optimale Abstand. In solchen Fällen vergrößert die Ummantelung den Abstand zwischen der Panzerung und dem Ziel, und der Gefechtskopf detoniert näher an seinem optimalen Abstand. Die Ummantelung darf nicht mit der Käfigpanzerung verwechselt werden, die in erster Linie dazu dient, das Zündsystem von RPG-7-Geschossen zu beschädigen, die aber auch dazu führen kann, dass sich ein HEAT-Geschoss beim Aufprall nach oben oder unten neigt, wodurch sich der Eindringpfad für den Hohlladungsstrahl verlängert. Trifft die Nasensonde auf eine der Panzerungslamellen des Käfigs, funktioniert der Gefechtskopf wie gewohnt. ⓘ
Varianten
Es gibt verschiedene Formen von Hohlladungen. ⓘ
Lineare Hohlladungen
Eine lineare Hohlladung (LSC) hat eine Auskleidung mit V-förmigem Profil und unterschiedlicher Länge. Die Auskleidung ist von Sprengstoff umgeben, der dann von einem geeigneten Material umhüllt wird, das den Sprengstoff schützt und ihn bei der Detonation eindämmt (verdichtet). "Bei der Detonation bewirkt die Fokussierung der Hochdruckwelle des Sprengstoffs beim Auftreffen auf die Seitenwand, dass die Metallauskleidung des LSC kollabiert und so die Schneidkraft erzeugt. Die Detonation dringt in die Auskleidung ein und bildet einen kontinuierlichen, messerartigen (planaren) Strahl. Der Strahl schneidet jedes Material in seinem Weg bis zu einer Tiefe, die von der Größe und den in der Ladung verwendeten Materialien abhängt. Im Allgemeinen dringt der Strahl etwa 1 bis 1,2 Mal so tief ein wie die Ladungsbreite. Für das Schneiden komplexer Geometrien gibt es auch flexible Versionen der linearen Hohlladung, die mit einer Ummantelung aus Blei oder hochdichtem Schaumstoff und einem duktilen/flexiblen Auskleidungsmaterial, das ebenfalls häufig aus Blei besteht, versehen sind. LSCs werden üblicherweise zum Schneiden von Walzstahlträgern (RSJ) und anderen strukturellen Zielen verwendet, beispielsweise beim kontrollierten Abriss von Gebäuden. LSCs werden auch zum Trennen der Stufen von mehrstufigen Raketen verwendet. ⓘ
Explosiv geformter Penetrator
Der explosiv geformte Penetrator (EFP) ist auch als selbstschmiedendes Fragment (SFF), explosiv geformtes Projektil (EFP), selbstschmiedendes Projektil (SEFOP), Plattenladung und Misznay-Schardin-Ladung (MS) bekannt. Ein EFP nutzt die Wirkung der Detonationswelle des Sprengstoffs (und in geringerem Maße die Antriebswirkung seiner Detonationsprodukte), um eine Platte oder Schale aus duktilem Metall (z. B. Kupfer, Eisen oder Tantal) in ein kompaktes Hochgeschwindigkeitsprojektil zu schleudern und zu verformen, das gemeinhin als Geschoss bezeichnet wird. Dieses Geschoss wird mit einer Geschwindigkeit von etwa zwei Kilometern pro Sekunde auf das Ziel geschossen. Der Hauptvorteil der EFP gegenüber einer herkömmlichen (z. B. konischen) Hohlladung ist ihre Wirksamkeit bei sehr großen Abständen, die dem Hundertfachen des Durchmessers der Ladung entsprechen (bei einem praktischen Gerät vielleicht hundert Meter). ⓘ
Die EFP ist relativ unempfindlich gegenüber reaktiven Panzern der ersten Generation und kann bis zu 1000 Ladungsdurchmesser (CD) zurücklegen, bevor ihre Geschwindigkeit aufgrund des Luftwiderstands nicht mehr ausreicht, um die Panzerung zu durchdringen, oder das Ziel nicht mehr erfolgreich getroffen werden kann. Der Aufprall einer Kugel oder eines Geschosses verursacht in der Regel ein Loch mit großem Durchmesser, das aber relativ flach ist und höchstens ein paar CD beträgt. Wenn das Geschoss die Panzerung durchschlägt, kommt es zu Abplatzungen und umfangreichen Hinterpanzerungseffekten (BAE, auch Hinterpanzerungsschaden, BAD). Die BAE werden hauptsächlich durch die Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeitsfragmente der Panzerung und des Geschosses verursacht, die in den Innenraum geschleudert werden, sowie durch den von diesen Trümmern verursachten Explosionsüberdruck. Modernere EFP-Gefechtskopfversionen können durch die Verwendung fortschrittlicher Zündmodi auch lange Stangen (gestreckte Geschosse), Mehrfachgeschosse und gerippte Stab-/Geschoss-Geschosse erzeugen. Die langen Stangen sind in der Lage, eine viel größere Panzerungstiefe zu durchdringen, wobei die BAE einen gewissen Verlust erleidet, die Mehrfachgeschosse sind besser geeignet, um leichte oder flächige Ziele zu bekämpfen, und die mit Flossen versehenen Geschosse sind viel genauer. ⓘ
Der Einsatz dieses Gefechtskopftyps ist hauptsächlich auf leicht gepanzerte Bereiche von Kampfpanzern (MBT) wie die Oberseite, den Bauch und die hinteren gepanzerten Bereiche beschränkt. Er eignet sich gut für den Angriff auf andere, weniger stark geschützte gepanzerte Kampffahrzeuge (AFV) und für das Durchbrechen von materiellen Zielen (Gebäude, Bunker, Brückenpfeiler usw.). Die neueren Stabgeschosse können gegen die stärker gepanzerten Bereiche von Kampfpanzern wirksam sein. Waffen, die auf dem EFP-Prinzip beruhen, wurden bereits im Kampf eingesetzt; die "intelligenten" Submunitionen in der CBU-97-Streubombe, die von der US-Luftwaffe und der Marine im Irak-Krieg 2003 eingesetzt wurden, nutzten dieses Prinzip, und die US-Armee experimentiert Berichten zufolge im Rahmen des Projekts SADARM (Seek And Destroy ARMor) mit präzisionsgelenkten Artilleriegranaten. Es gibt auch verschiedene andere Projektil- (BONUS, DM 642) und Raketensubmunitionen (Motiv-3M, DM 642) sowie Minen (MIFF, TMRP-6), die das EFP-Prinzip nutzen. Beispiele für EFP-Gefechtsköpfe sind die US-Patente 5038683 und US6606951. ⓘ
Tandem-Gefechtskopf
Einige moderne Panzerabwehrraketen (RPG-27, RPG-29) und -flugkörper (TOW 2B, Eryx, HOT, MILAN) verwenden einen Tandemsprengkopf, der aus zwei separaten Sprengladungen besteht, die in der Regel in einem gewissen Abstand voreinander angebracht sind. Der TOW-2A war der erste, der Mitte der 1980er Jahre Tandemsprengköpfe verwendete, ein Aspekt der Waffe, den die US-Armee unter dem Druck der Medien und des Kongresses offenlegen musste, weil sie befürchtete, dass die Panzerabwehrraketen der NATO gegen sowjetische Panzer, die mit den neuen ERA-Kästen ausgestattet waren, unwirksam waren. Die Armee gab bekannt, dass an der Spitze der zusammenklappbaren TOW-2B-Sonde ein 40-mm-Vorläufersprengkopf mit Hohlladung angebracht war. In der Regel ist die vordere Ladung etwas kleiner als die hintere, da sie in erster Linie dazu gedacht ist, ERA-Kästen oder -Platten zu zerstören. Beispiele für Tandemsprengköpfe sind die US-Patente 7363862 und US 5561261. Die US-Hellfire-Panzerabwehrrakete ist eine der wenigen Raketen, die das komplexe technische Kunststück vollbracht haben, zwei Hohlladungen mit gleichem Durchmesser in einem Gefechtskopf zu vereinen. Kürzlich hat ein russisches Rüstungsunternehmen eine 125-mm-Panzerkanone mit zwei hintereinander angeordneten Hohlladungen gleichen Durchmessers vorgestellt, wobei die hintere Hohlladung so versetzt ist, dass ihr Durchdringungsstrahl den Durchdringungsstrahl der vorderen Hohlladung nicht beeinträchtigt. Der Grund dafür, dass sowohl die Hellfire-Munition als auch die russische 125-mm-Munition zwei Sprengköpfe mit gleichem Durchmesser haben, liegt nicht in der Erhöhung der Durchschlagskraft, sondern in der Verstärkung der panzerbrechenden Wirkung. ⓘ
Voitenko-Kompressor
1964 schlug ein ukrainischer Wissenschaftler vor, eine Hohlladung, die ursprünglich zum Durchschlagen dicker Stahlpanzerungen entwickelt worden war, an die Aufgabe der Beschleunigung von Schockwellen anzupassen. Das daraus entstandene Gerät, das ein wenig wie ein Windkanal aussieht, wird Voitenko-Kompressor genannt. Der Voitenko-Kompressor trennt zunächst ein Prüfgas von einer Hohlladung mit einer verformbaren Stahlplatte. Wenn die Hohlladung detoniert, konzentriert sich der Großteil ihrer Energie auf die Stahlplatte, die dadurch nach vorne getrieben wird und das Testgas vor sich herschiebt. Ames setzte diese Idee in ein selbstzerstörendes Stoßrohr um. Eine 66 Pfund schwere Hohlladung beschleunigte das Gas in einer 3 cm dicken und 2 m langen Glasröhre. Die Geschwindigkeit der entstehenden Schockwelle betrug 67 km/s (220.000 Fuß pro Sekunde). Der der Detonation ausgesetzte Apparat wurde vollständig zerstört, aber nicht bevor nützliche Daten gewonnen wurden. In einem typischen Voitenko-Kompressor beschleunigt eine Hohlladung Wasserstoffgas, das wiederum eine dünne Scheibe auf bis zu 40 km/s beschleunigt. Eine leichte Abwandlung des Voitenko-Kompressorkonzepts ist die superkomprimierte Detonation, eine Vorrichtung, bei der statt eines herkömmlichen Gasgemischs ein komprimierbarer flüssiger oder fester Brennstoff in der Stahlkompressionskammer verwendet wird. Eine weitere Erweiterung dieser Technologie ist die explosive Diamant-Amboss-Zelle, bei der mehrere entgegengesetzte Strahlen mit geformter Ladung auf einen einzigen, in Stahl eingekapselten Brennstoff (z. B. Wasserstoff) geschossen werden. Die in diesen Vorrichtungen verwendeten Brennstoffe sowie die sekundären Verbrennungsreaktionen und der lange Explosionsimpuls erzeugen ähnliche Bedingungen wie bei Brennstoff-Luft- und thermobarischen Sprengstoffen. ⓘ
Nukleare Hohlladungen
Das vorgeschlagene nukleare Antriebssystem für das Projekt Orion hätte die Entwicklung nuklearer Hohlladungen zur Reaktionsbeschleunigung von Raumfahrzeugen erfordert. Durch Kernexplosionen ausgelöste Hohlladungseffekte sind spekulativ diskutiert worden, aber es ist nicht bekannt, dass sie tatsächlich erzeugt worden sind. So wurde beispielsweise der frühe Kernwaffenkonstrukteur Ted Taylor im Zusammenhang mit Hohlladungen mit den Worten zitiert: "Eine Ein-Kilotonnen-Spaltvorrichtung, die richtig geformt ist, könnte ein Loch mit einem Durchmesser von 3 m (zehn Fuß) und 305 m (tausend Fuß) in festes Gestein schlagen. Außerdem wurde in den 1960er Jahren offenbar ein nuklear angetriebener, explosiv geformter Penetrator für die Abwehr von ballistischen Flugkörpern vorgeschlagen. ⓘ
Beispiele in den Medien
- In der Sendung Future Weapons des Discovery Channel wurde das Krakatoa vorgestellt, ein einfaches Hohlladungswaffensystem, das von Alford Technologies für den Einsatz bei Spezialoperationen entwickelt wurde. Die Waffe bestand aus einer einfachen Plastikhülle, einem Kupferkegel und einem Volumen an Plastiksprengstoff. Dieses Gerät durchschlug 25 mm dicke Stahlplatten in einer Entfernung von mehreren Metern. ⓘ
Geschichte
Atomare Hohlladungen
Den Anstoß für eine völlig neue Arbeitsrichtung der Kernphysik gaben die theoretischen Arbeiten der Strömungsforscher Adolf Busemann und Gottfried Guderley aus dem Jahr 1942. Beide arbeiteten an der Luftfahrtforschungsanstalt in Braunschweig und beschäftigten sich mit der Fokussierung von Stoßwellen. Sie zeigten, wie mit energiereichen, stoßartigen Wellen Druck- und Temperatursprünge in einem kleinen Bereich um das Konvergenzzentrum herum zu erzielen waren. Ihre Forschungen gaben den Anstoß für Experimente, mittels höchster Drücke und Temperaturen Fusionsreaktionen einzuleiten. ⓘ
Auf Anregung Carl Ramsauers, des Leiters der Forschungsabteilung der AEG, begannen ab Herbst Versuche mit deuteriumgefüllten Hohlkörpern beim HWA (Walter Trinks, Kurt Diebner) und Marinewaffenamt (MWA, Otto Haxel). Im Oktober 1943 begann Trinks in der Heeresversuchsanstalt Kummersdorf-Gut mit einer Versuchsreihe Freisetzung von Atomenergie durch Reaktionen zwischen leichten Elementen. Die Versuche schlugen nach eigener Aussage fehl, wurden aber offensichtlich geheim fortgeführt. ⓘ
Erich Schumann, Trinks und Diebner erläuterten in Patenten und Publikationen nach dem Krieg den wissenschaftlichen und technischen Weg zur Herstellung von Atomhohlladungen. Allerdings ging nur Diebner auf die Notwendigkeit eines Zusatzes von Spaltstoffen (235U, 233U, Plutonium) ein. Der Autor H. J. Hajek publizierte 1956 offensichtlich unter Pseudonym in der Zeitschrift „Explosivstoffe“ (Ausgabe 5/6 1955, S. 65 ff) einen Artikel über Atom-Hohlladungen. Darin wies er außerdem auf eine Arbeit des französischen Atomministeriums über Atomhohlladungen hin, die bis heute gesperrt ist. ⓘ
Abwehr
Zur Abwehr von Hohlladungsgeschossen wird Verbundpanzerung, Schottpanzerung und Reaktivpanzerung bei Panzern eingesetzt. Letztere besteht aus vielen aufgebrachten Sprengstoffsegmenten, die beim Aufschlag detonieren und dadurch den Strahl verwirbeln sollen. Als Gegenmaßnahme wurde die Tandemhohlladung entwickelt, wobei die vordere kleinere Hohlladung die Reaktivpanzerung auslöst und die sofort darauf gezündete hintere Hauptladung dann die nunmehr „ungeschützte“ Panzerung durchbrechen kann. Doppelhohlladungen werden hauptsächlich in Panzerabwehrlenkwaffen verwendet. ⓘ
Bei den Flugzeugträgern der Gerald-R.-Ford-Klasse kommt eine Panzerung zum Einsatz, bei der zwei Platten mittels Kondensatoren mit ausreichend elektrischer Ladung versehen werden, sodass der Strahl verdampft wird, sobald er einen Kontakt zwischen den Platten herstellt. ⓘ
Wird das Geschoss mittels Drall stabilisiert, nimmt die Durchschlagsleistung stark ab. Der Grund ist, dass durch die Zentrifugalkraft der Strahl aufgeweitet wird. Aus diesem Grund werden die meisten Hohlladungsgeschosse flügelstabilisiert. ⓘ