Innenballistik-Softwarefamilie SimIB für die Auslegung der nächsten Generation Rohrwaffen der Bundeswehr

Projektile benötigen für eine hohe Fluggeschwindigkeit und zur Einwirkung auf ein Ziel kinetische Energie, die durch einen innenballistischen Antrieb bereitgestellt wird. Im Ladungsraum einer Rohrwaffe erfolgt zunächst die Anzündung der Treibladung. Diese besteht üblicherweise aus einer großen Anzahl von Treibladungspulver-Körnern, die eine bestimmte Geometrie und spezifische Abbrandeigenschaften aufweisen. Der Gasdruck im Ladungsraum steigt in kurzer Zeit stark an und das Projektil beginnt zu beschleunigen. Die heißen Pulvergase strömen durch das Waffenrohr und treiben das Projektil an, bis es die Rohrmündung verlässt. Für eine hohe Mündungsgeschwindigkeit sollte der Druck schnell und stetig ansteigen, sowie über einen möglichst langen Zeitraum anliegen, ohne dass es zu einer Überlastung von Waffe oder Munition kommt. Das Fraunhofer EMI stellt für Amtsseite und Industrie Simulationsprogramme bereit, mit denen sich für das jeweilige Anforderungsprofil geeignete Lösungen für die Auslegung ableiteten lassen, wie zum Beispiel Anforderungen an eine gesteigerte Reichweite für zukünftige Artilleriesysteme. Ebenso ermöglichen diese Simulationsprogramme, Aspekte zur sicheren Handhabung zu beurteilen.

Zeitenwende

In der Zeit nach dem Ende des Kalten Kriegs war das Einsatzprofil der Bundeswehr geprägt vom Übergang von der Landes- und Bündnisverteidigung zu Out-of-area-Einsätzen. Dies machte sich in der Ausrüstung der Truppe deutlich bemerkbar. Rohrwaffen, insbesondere für Kampfpanzer und Artillerie, verloren an Bedeutung, denn es bestand eine technische Überlegenheit gegenüber Gegnern in asymmetrischen Konflikten. Seit der Annexion der Krim durch die Russische Föderation im Jahr 2014 und insbesondere dem Überfall auf die Ukraine und der danach eingeläuteten Zeitenwende im Jahr 2022 hat sich dies massiv geändert. Die Fähigkeit, militärische Konflikte mit hoher Intensität unter Einsatz von schweren Waffen zu führen, sowie die Wirkung gegen klassische Ziele auf dem Gefechtsfeld, insbesondere schwere Kampfpanzer mit enorm hohem Schutzniveau, sind innerhalb kurzer Zeit wieder in den Fokus gerückt.

Leistungssteigerung von Rohrwaffen wieder im Fokus des Interesses

Da über viele Jahre eine Modernisierung ausgeblieben ist, kann nicht mehr von einer Überlegenheit der eigenen Wirkmittel ausgegangen werden. Für eine Leistungssteigerung bestehender Systeme oder die Entwicklung neuer, leistungsgesteigerter Rohrwaffen und der zugehörigen Munition werden moderne Softwaretools für die Auslegung und Beurteilung benötigt. Diese müssen auf dem aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstand basieren und in Abhängigkeit von den getroffenen Annahmen die innenballistischen Abläufe zuverlässig vorhersagen können. Vor diesem Hintergrund arbeitet das Fraunhofer EMI daran, eine Familie moderner Innenballistikprogramme mit der Bezeichnung SimIB (Simulationstool InnenBallistik) zu erstellen. Diese soll die im Wesentlichen aus den 1980er- und 1990er-Jahren stammenden und bislang für derartige Berechnungen verwendeten Programme ersetzen und den zukünftigen nationalen Standard bilden.

Erste Ausbaustufe: SimIB-0D

Die erste Ausbaustufe stellt die Software SimIB-0D dar. Hierbei handelt es sich um ein Berechnungstool, basierend auf der STANAG 4367, welches bei der deutschen Amtsseite und Industrie seit 2015 erfolgreich eingesetzt wird. Es stehen verschiedenste Funktionen zur Verfügung, die es erlauben, klassische Kanonen aller Kaliber mit unterschiedlichen Pulversorten zu modellieren − aber auch Zweikammersysteme für Granatwerfer und Mörser sowie Handwaffen.

Da der Gleichungslöser von SimIB ausgegliedert ist, ist es außerdem möglich, diesen über eine höhere Programmiersprache wie zum Beispiel Python zu steuern und ganz gezielt zur Optimierung eines Antriebs einzusetzen. Ziel einer solchen Optimierung ist üblicherweise das Erreichen einer hohen Mündungsgeschwindigkeit für das Geschoss, während gleichzeitig die Belastbarkeit des Rohrs oder anderer Waffenteile nicht überschritten werden darf.

Durch den gewählten Ansatz können auch neuartige Pulvergeometrien ohne aufwendige Versuche beurteilt werden, was Kosten einspart. Für einen sicheren Betrieb wird oft die maximale Belastung der Waffe als Grenzdruck angegeben. Diesen kann SimIB als zusätzliche Randbedingung berücksichtigen, sodass dieser immer und selbst ohne zusätzliches Optimierungsverfahren eingehalten wird.

Aktuelle Forschung: gasdynamische Modelle

Derzeit ist die Variante SimIB-1D Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten, welche eine gasdynamische Betrachtung der Innenballistik ermöglicht. Daher kann die Strömungsbewegung der heißen Antriebsgase und das Verhalten des Pulverbetts im Waffenrohr mit analysiert werden.

Besonders bei großkalibrigen Systemen, wie der Artillerie mit großen Ladungsräumen oder Panzerkanonen, die Geschosse auf Geschwindigkeiten von mehr als 1700 Meter pro Sekunde beschleunigen sollen, kommt dem Prozess der Anzündung des Pulverbetts eine entscheidende Bedeutung zu. Bei falscher Auslegung können sich im Ladungsraum Druckwellen aufbauen, die zum Bruch von Pulverkörnern führen – im schlimmsten Fall mit katastrophalen Folgen für Material und Einsatzkräfte. Diese Sicherheitsanforderungen können durch Simulationen mit SimIB-1D analysiert werden. Die derzeitige Version ist in der Lage, grundlegende Ladungsaufbauten zu berechnen. Die Software soll künftig sukzessive erweitert werden, sodass sie zukünftig den vielfältigen Funktionsumfang von SimIB-0D bieten kann.

Die Zukunft: High-Performance-Simulationen in 3D

Für die Zukunft sind außerdem dreidimensionale Simulationen in Planung, welche ein noch tiefergehendes Verständnis der Effekte beim Antrieb eines Geschosses erlauben. Damit sollen bisher noch wenig verstandene Phänomene untersucht sowie die Systeme noch leistungsfähiger und sicherer werden.