Hohlladung

Hohlladung aufgeschnitten.

Die Hohlladung ist eine spezielle Anordnung von brisantem Sprengstoff um eine kegel- oder halbkugelförmige Metalleinlage, die sich besonders zum Durchschlagen von Panzerungen eignet. Der eingesetzte Sprengstoff beruht zumeist auf Nitropenta oder Hexogen/Oktogen.

Hohlladungen werden als panzerbrechende Munition in Panzermunition und Panzerabwehrwaffen eingesetzt. Auch im zivilen Bereich kommen sie für den Abbruch von Bauwerken (z. B. als Schneidladung) zum Einsatz.

Geschichte

Entdeckung

Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts war bekannt, dass die geometrische Form einer Sprengladung für deren Sprengwirkung eine entscheidende Rolle spielt bzw. ein ausgehöhlter Sprengkörper eine besonders hohe Durchschlagskraft besitzt.^[1] Eine Untersuchung dieses Phänomens war damals noch nicht möglich. Bis zum Zweiten Weltkrieg wurde nichts Wesentliches mehr zur Hohlladungsforschung publiziert. Insgeheim hatte die Reichswehr aber schon in den 1930er-Jahren eine Reihe von Entwicklungsarbeiten auf diesem Gebiet in Auftrag gegeben. So wurden am II. Physikalischen Institut der Berliner Universität unter Prof. Dr. Erich Schumann eine Reihe von Dissertationen zu theoretischen Problemen der Hohlladung verfasst.

Zeichnung einer Hohlladung.

Auch in den USA war seit 1880 an dem Prinzip der Hohlladung gearbeitet worden, das in den 1930er-Jahren von Henry Mohaupt weiterentwickelt wurde und zu Hohlladungs-Hand- und Gewehrgranaten und später zur Entwicklung der Bazooka führte. Diese Waffe wurde erstmals im November 1942 in Nordafrika bei der Operation Torch eingesetzt.

Konventionelle Hohlladungen

In Deutschland gelang Franz Thomanek von der Luftfahrtforschungsanstalt in Braunschweig 1935 ein Durchbruch. Er entwickelte als erste Hohlladungswaffe ein 7-cm-Tankgewehr.^[2] Entscheidend für die weitere Forschung war der 1938 ebenfalls von Thomanek entdeckte Auskleidungseffekt. Die Durchschlagskraft wurde dadurch mehr als verdoppelt. Abgeschlossen wurde die Entwicklung der Panzerfaust dann ab Sommer 1942 von einer Entwicklungsgruppe unter der Leitung von Dr. Langweiler bei der Leipziger Hugo Schneider AG (HASAG). Thomanek wechselte kurz nach seiner zweiten Erfindung zu Hubert Schardin an das Institut für Technische Physik und Ballistik an der Technischen Akademie der Luftwaffe in Berlin-Gatow.

Kurz nachdem Thomanek der Hohlladungsforschung eine neue Richtung gegeben hatte, schlug der Siemens-Wissenschaftler Max Steenbeck eine röntgenspektroskopische Untersuchung der Gasentladung bei Hohlladungen vor.^[3] 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.^[4][5] In der Folge wurden im Heereswaffenamt (HWA) und bei der Luftwaffenakademie (Schardin) umfangreiche Optimierungen vorgenommen, die unmittelbar in der Waffenentwicklung Anwendung fanden, wovon vor allem die Panzerfaust bekannt wurde.^[6]

Einer der ersten Einsätze der Hohlladung war am 10. Mai 1940 bei der Erstürmung des belgischen Fort Eben-Emael durch deutsche Fallschirmjäger, bei dem zur Zerstörung der Panzerkuppeln Ladungen von bis zu 50 kg verwendet wurden.

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.^[7]

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.^[8] Ihre Forschungen gaben den Anstoß für Experimente, mittels höchster Drücke und Temperaturen Fusionsreaktionen einzuleiten.

Auf Anregung Carl Ramsauers (Leiter der Forschungsabteilung der AEG) begannen ab Herbst Versuche mit deuteriumgefüllten Hohlkörpern beim HWA (Dr. Trinks, Dr. Kurt Diebner) und Marinewaffenamt (MWA, Dr. Otto Haxel). Im Oktober 1943 begann Trinks in der Heeresversuchsanstalt Kummersdorf-Gut mit einer Versuchsreihe Freisetzung von Atomenergie durch Reaktionen zwischen leichten Elementen.^[9] Die Versuche schlugen nach eigener Aussage fehl,^[10][11] wurden aber offensichtlich geheim fortgeführt.^[9][12][13]

Schumann, Trinks und Diebner erläuterten in Patenten und Publikationen nach dem Krieg den wissenschaftlichen und technischen Weg zur Herstellung von Atomhohlladungen.^{[9][14][15][16]} Allerdings geht nur Diebner auf die Notwendigkeit eines Zusatzes von Spaltstoffen (U-235, U-233, Plutonium) ein.^[15] Der Autor H. J. Hajek publizierte 1956 offensichtlich unter Pseudonym in der Zeitschrift „Explosivstoffe“ 5/6 1955, S. 65 ff einen Artikel über Atom-Hohlladungen. Darin weist er außerdem auf eine Arbeit des französischen Atomministeriums über Atomhohlladungen hin, die bis heute gesperrt ist.^[17]

In den USA und der Sowjetunion wurden sofort nach dem Krieg Forschungen zu atomaren Hohlladungen begonnen (USA – Alarm Clock,^[18] UdSSR/Russland – Layer Cake^[19]). Die Details werden bis heute geheimgehalten. Moderne Kernwaffen sind überwiegend nach dem Prinzip der Hohlladung gebaut, um die zur Kettenreaktion erforderliche Verdichtung des spaltbaren Materials zu erreichen; siehe auch Mininuke.

Funktionsweise

Eine kegelförmige Metalleinlage mit nach vorn gerichteter Öffnung wird mit möglichst brisantem Sprengstoff umgeben. Der Zünder sitzt an der Rückseite der Ladung. Wird die Ladung gezündet, so bildet sich – von der Spitze des Metallkegels ausgehend – ein Stachel aus kaltverformtem Metall, der mit sehr hoher Geschwindigkeit das Ziel durchdringt, gefolgt von einem langsameren „Stößel“, der die Hauptmasse bildet.

Entgegen der landläufigen Ansicht erreicht das Material nicht den Schmelzpunkt. Es handelt sich um eine reine Kaltverformung bei sehr hohem Druck. Trotzdem kommt es beim Einsatz von Hohlladungen häufig zu Feuer und Bränden, was auf druckverflüssigtes Zielmaterial zurückzuführen ist, das sich an der Luft pyrophor verteilt und verbrennt.

Animation der Detonation einer Hohlladung

Zeichnung B: Bildung des kumulativen Metallstrahls bei der Detonation einer Hohlladung

Die Einlage (englisch: Liner) wird aus einem gut formbarem Metall mit möglichst hoher Dichte gefertigt. Aus diesem Grund wird häufig Kupfer eingesetzt. Uran (z. B. in der russischen 3BK-21B) und Tantal (z. B. TOW2B) kommen ebenfalls zum Einsatz und verstärken durch ihre pyrophoren, branderzeugenden Eigenschaften den Schaden nach dem Durchschlagen der Panzerung.

Die Erzeugung dieses Metallstrahls wird durch eine geometrisch-dynamische Eigenheit bei Detonationen von Hohlladungen möglich, gemäß der sich die Detonationsfront als Stoßwelle mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet und die Metalleinlage gebündelt in einer Linie entlang der Achse zur Wechselwirkung gebracht wird (siehe Zeichnung B). Dabei lösen sich vom entstandenen Stachel einzelne, „Spindeln“ genannte Partikel, die dann hochenergetisch auf das Ziel einwirken. So entsteht bei hinreichender Präzision der Anordnung ein Kanal von kleinen Lunkern. Die mit Unterschallgeschwindigkeit nachströmenden Explosionsgase sind für die Wirkung dagegen irrelevant.

Die Geschwindigkeit des Stachels ist abhängig von der Brisanz des Sprengstoffs und vom Kegelwinkel der Metalleinlage. Je spitzer, desto höher die Geschwindigkeit des Stachels, aber desto geringer seine Masse im Verhältnis zum Stößel, so dass in der Praxis ein Kompromiss erforderlich ist. Unter Laborbedingungen wurden Geschwindigkeiten um 100 km/s erreicht,^[20] was aber wegen des Aufwandes (u. a. Expansion in Vakuumkammern) für gewerbliche und militärische Zwecke keine Bedeutung hat.

Da die Detonationsfront allein keine große Penetrationskraft hätte, wird die Oberfläche der Hohlladung, wie oben geschildert, mit einer Metalllage versehen. Das Metall wird bei der Detonation durch den Druck kalt verformt und zur Längsachse des Kegels geschleudert. Dort trifft das Metall aufeinander und bildet einen kumulativen Metallstrahl.

Die Spitze dieses Strahls bewegt sich mit sehr hoher Geschwindigkeit. Bei militärischen Systemen liegt diese Geschwindigkeit im Bereich von etwa 7 km/s bis 10 km/s. Trifft dieser Strahl auf ein Hindernis, entsteht ein extrem hoher Druck. Bei einer Strahlgeschwindigkeit um 10 km/s liegt der Druck in der Größenordnung von 200 GPa. Bei diesem Druck verhalten sich Festkörper wie Flüssigkeiten, so dass der Metallstrahl nach Gesetzmäßigkeiten der Fluiddynamik das Hindernis wie eine Flüssigkeit durchdringt.

Durchschlägt eine solche Hohlladung die Panzerung eines Fahrzeuges, können der explosionsartig eindringende Metallstrahl und Splitter der Panzerung den Treibstoff oder die Munition entzünden und die Besatzung töten. Die Öffnung, die ein solcher Strahl hinterlässt, ist dabei wesentlich kleiner als das Kaliber des ursprünglichen Geschosses.

Da der kumulative Strahl etwas Raum benötigt, um sich zu entwickeln, besitzen Hohlladungen oft eine langgestreckte ballistische Haube, durch welche die Ladung beim Aufschlag in ausreichendem Abstand gezündet werden kann. Wegen der hohen Geschwindigkeit des kumulativen Strahls ist die Fluggeschwindigkeit des mit der Hohlladung bestückten Geschosses zweitrangig. Daher werden hauptsächlich relativ langsame, teils rückstoßfreie Geschosse mit Hohlladungen versehen, wodurch das Gewicht des Abschussgerätes gering gehalten werden kann (z. B. Bazooka oder Panzerfaust).

Wird das Geschoss dagegen 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.

• Siehe auch: Projektilbildende Ladung

Siehe auch

Explosionseffekte

Munroe-Effekt, Plane-Wave-Generator

Anwendungen

Panzermunition, Durchschlagskraft, MILAN, RPG-7, Panzerfaust 3, APILAS, AT-14 Spriggan, PTAB

Literatur

• Ian V. Hogg: Infanterie-Unterstützungswaffen. Motorbuch-Verlag, Stuttgart 1997, ISBN 3-613-01843-8, (Waffen und Gerät 4).
• Rainer Karlsch: Hitlers Bombe. Die geheime Geschichte der deutschen Kernwaffenversuche. Deutsche Verlags-Anstalt, München 2005, ISBN 3-421-05809-1.
• Rainer Karlsch, Heiko Petermann (Hrsg.): Für und Wider „Hitlers Bombe“. Studien zur Atomforschung in Deutschland. Waxmann Verlag, Münster u. a. 2007, ISBN 978-3-8309-1893-6 (Cottbuser Studien zur Geschichte von Technik, Arbeit und Umwelt 29).
• Günter Nagel: Atomversuche in Deutschland. Geheime Uranarbeiten in Gottow, Oranienburg und Stadtilm. Heinrich-Jung-Verlagsgesellschaft, Zella-Mehlis u. a. 2002, ISBN 3-930588-59-5.

Weblinks

• Shaped charges for oilfield use – dynawell.de

Einzelnachweise

1. ↑ Vgl. Heinz Freiwald: Zur Geschichte der Hohlraumwirkung bei Sprengladungen. In: Schriften der Deutschen Akademie der Luftfahrtforschung, Berlin 1941; Hubert Schardin: Über die Entwicklung der Hohlladung. Wehrtechnische Hefte 1954, Heft 4, S. 97ff.
2. ↑ Vgl. Franz Rudolf Thomanek: Die Hohlladung. Jahrbuch der Wehrtechnik, Nr. 3, S. 76.
3. ↑ Vgl. Max Steenbeck: Wissenschaftliche Veröffentlichungen der Siemenswerke. Bd. XVIII, 1938, S. 363.
4. ↑ Vgl. Rudi Schall: Röntgenblitzer in Betrieb und Anwendung. Mai 1953
5. ↑ Vgl. Hubert Schardin: Über die Entwicklung der Hohlladung. In: Wehrtechnische Hefte 1954, Heft 4, S. 119.
6. ↑ Interview mit Professor Hauke Trinks am 29. April 2004, aufgezeichnet von Heiko Petermann. Zur Gruppe um Trinks gehörten unter anderem die promovierten Physiker Rudi Schall, Gerd Hinrichs, Werner Holtz, Ortwin Schulze, Werner Schwietzke und Günter Sachsse
7. ↑ Vgl. z. B. Erich Schumann, Gerd Hinrichs: Vorläufige Mitteilung zum Bericht 43/2 über die Wirkungssteigerung bei Hohlsprengkörpern durch Zündführung (Linsen). sowie Erich Schumann: Über Sprengwaffen. Sprengstoffphysikbericht 44/9, 16. November 1944, Nachlass Erich Schumann
8. ↑ Vgl. Gottfried Guderley: Starke kugelige und zylindrische Verdichtungsstöße in der Nähe des Kugelmittelpunktes bzw. der Zylinderachse. In: Zeitschrift für Luftfahrtforschung, 1942, Bd. 19, Lfg. 9, S. 302–312; Adolf Busemann: Die achsensymmetrische kugelige Überschallströmung. In: ebd., Bd. 19, Lfg. 4, S. 137–145
9. ↑ ^{a b c} 1948/49 – Erich Schumann: Die Wahrheit über die deutschen Arbeiten und Vorschläge zum Atomkernenergie-Problem (1939–45). Das Manuskript enthält im Kapitel II Hinweise und Konstruktionsvorschläge zur Zündung von Fusionsreaktionen. Bundesarchiv, Bundesarchiv-Militärarchiv
10. ↑ Vgl. Walter Trinks: Über das Wesen der Detonation und die Wirkungsweise von Hohlsprengladungen. In: Soldat und Technik 1958/11 sowie Rudi Schall: Fortschritte der militärischen Sprengstoffforschung. In: Wehrtechnische Monatshefte, 54. Jg. 1957, S. 386–394.
11. ↑ Vgl. Walter Herrmann, Georg Hartwig, Heinz Rackwitz, Walter Trinks, H. Schaub: Versuche über die Einleitung von Kernreaktionen durch die Wirkung explodierender Stoffe. G-303, Deutsches Museum München.
12. ↑ Berichte von Zeitzeugen über Kugelexperimente (gekühlte Schalenanordnungen und starke Explosionen im Raum Friedland (Mecklenburg), erwähnt in Rainer Karlsch „Hitlers Bombe“
13. ↑ Schriftliche Mitteilung von Walter Gerlach an Hermann Göring über Fusionsexperimente
14. ↑ Vgl. Patent Vorrichtung, um Material zur Einleitung von mechanischen, thermischen oder nuklearen Prozessen auf extrem hohe Drücke und Temperaturen zu bringen. Nr. 977.825, Erfinder Schumann, Trinks; Anmelder: Bundesverteidigungsministerium 13. August 1952, Veröffentlichung 8. April 1971, vgl. auch Patent Nr. 977863; Verfahren zur Zündung thermonuklearer Reaktionen mittels konvergenter Detonationsverdichtungsstöße. Patent Nr. D 23685, Anmelder Kurt Diebner, Friedwardt Winterberg, Anmeldetag 28. August 1956; „Verfahren zur elektromagnetischen Zündung thermonuklearer Kernbrennstoffe“; Patent Nr. D 24361, Anmelder Kurt Diebner, Friedwardt Winterberg, Anmeldetag 30. November 1956
15. ↑ ^{a b} Vgl. Kurt Diebner: Fusionsprozesse mit Hilfe konvergenter Stoßwellen&nbsp – einige ältere und neuere Versuche und Überlegungen. In: Kerntechnik, März 1962, S. 90.
16. ↑ Vgl. Walter Trinks: Über ein Verfahren zur Erzeugung höchster Drucke und Temperaturen. (Unveröffentlichtes Manuskript 1943), zitiert nach: H. von Falser: Über die sprengstoffgetriebene Implosion gasgefüllter metallischer Hohlkörper. August 1972.(unveröffentlichtes Manuskript)
17. ↑ Vgl. 1960 folgt ein ausführlicher Artikel „Die Möglichkeit von Kernreaktionen mittels Hohlladungen“ publiziert in „Wehrtechnische Monatshefte“ 1960, S. 8 ff.Hajek erklärt ausführlich unter Bezug auf erfolgreiche Versuche mit gegeneinander gerichteten Hohlladungs-Kaskadenzündung die Funktionsweise der Atom-Hohlladung.
18. ↑ 1958 – Thomas Poulter – Forschungsarbeit über „Thermal fusion by opposing Mach 10 detonation fronts“. Tech. Report GU-960 (1958), Erwähnung in „By Thomas C. Poulter and Co-Workers. Covering Fifty Yerars of Research and Explorations“. Der Bericht wird bis heute geheim gehalten.
19. ↑ 1947 November 3. – Bericht von Zeldovich „Utilization of the Subatomic Energy of the Light Elements“ (sehr positive Einschätzung über die Möglichkeit mit chem. Sprengstoff in einer Hohlladungsanordnung mit Schockwellen LiD zu zünden) In Folge wird das Projekt KB-11 angeordnet.
    • Sacharow schlägt das Projekt Sloika (Layer Cake) vor (Schockwellen auf ein Deuterium-U238-Gemisch)
    • 23. August 1949 – Ginzburg schreibt seinen überarbeiteten Bericht an die sowjetische Führung „Detonation Wave in the System (Li-6 D)- Uranium“ und weist auf die vielfach höhere cross section des Li6D gegenüber reinem Deuterium hin. Einsatz von Schnellspaltung von U238 unter Beschuss von 14,1 MeV Neutronen. Diese Projekte werden gegen Ende der 1940er-Jahre gestoppt, da sie zu dieser Zeit militärisch nicht relevant sind.
20. ↑ G. I. Pokrowski: Explosion und Sprengung. BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft