Der SuperPenetrator


Mechanismus der Tiefenwirkung von Geschossen

Penetration von Geschossen

Sich überschlagende oder taumelnde Geschosse?

Gelegentlich in der Literatur auftauchende Behauptungen, dass Vollmantel-Rundkopfgeschosse sich im wasserhaltigen Zielmedium (Gewebe oder Gelatine) überschlagen, sind aufgrund nicht zutreffender Modellvorstellungen und falscher Interpretation von Geschossdeformationen entstanden. Im Normalfall gehen diese Geschosse ausreichend weit geradlinig durch den Wildkörper incl. Knochensubstanz. Dieses Verhalten kann auch an Modellsubstanzen beobachtet werden. Die oft zitierten Versuche von Fackler et al. an militärischen Spitzgeschossen (angeregt durch die ungewöhnlichen Wirkungen der .223 Rem in Vietnam) dürfen nicht auf Vollmantel-Rundkopfgeschosse übertragen werden. Es gibt neuerdings aber Geschosse aus Vollmessing mit einem sehr schlanken und spitzen Vorderteil, deren Wirkung durch das Überschlagen und die dabei auftretende Energieabgabe verursacht wird. Diese in der einschlägigen Literatur ( vgl. B. P. Kneubuehl, Geschosse, Motorbuch Verlag, Stuttgart 1994 ) beschriebenen Untersuchungen an militärischen Spitzgeschossen, die sich pendelnd nach einer Wegstrecke von ca. 15 cm überschlagen und dann Heck voran weiterfliegen oder zerbrechen, sind neben der nicht gut begründete Schulterstabilisierung von Flachkopfgeschossen (Wadcutter) und aufgepilzten Teilmantelgeschossen, die wenigen Arbeiten zur Stabilisierung von Geschossen im Wildkörper. Es ergibt sich deshalb in der Tat die Frage:

Wieso fliegen Vollmantelrundkopfgeschosse stabil geradlinig durch das Zielmedium?

Die Drallstabilisierung aus dem Flug durch die Luft sollte in dem 1000fach dichteren Medium nicht mehr wirksam sein. Weil der Angriffspunkt der Staukräfte vor dem Masse-Schwerpunkt liegt, sollte eine kleine Änderung des Anstellwinkels zu einem Querstellen des Geschosses führen. Aus Beobachtungen des Verhaltens in Modellsubstanzen und theoretischen Überlegungen lässt sich eine Erklärung für den geradlinigen Flug geben:

Nach dem Eindringen des Geschosses in das stark wasserhaltige Gewebe wird es nicht von der Flüssigkeit umströmt, sondern die Strömung wird stark beschleunigt und reißt schon an der Spitze ab, es entsteht ein Unterdruck ( Bernoulli Effekt ) und Wasser verdampft. Das Geschoss fliegt nun in einer Dampfblase, die an seiner Spitze erzeugt wird (Superkavitation).

Etwas über die Grundlagen der Supercavitation: click: Supercavitation

Das wässrige Medium (Gewebe) benetzt sehr wenig von der Oberfläche der Geschosse und der durch die Viskosität und Reibung erzeugte Widerstand (Drag) wird drastisch reduziert. Das Geschoss fliegt in einer selbst erzeugten Gasblase und vermeidet so den Reibungswiderstand des Wassers, der 1000fach über dem der Luft liegen würde. Die durch den Drall des Geschosses erzeugte Stabilisierung bleibt sehr lange erhalten und wird nur durch die Reibung an der Spitze gebremst. Die möglichen destabilisierenden Kräfte sind klein und nicht größer als die stabilisierenden Kräfte (Drall, Wirbel am Heck).

Mit anderen Worten: Der Drehimpuls des Geschosses bleibt erhalten und bewirkt auch beim Durchgang durch das wässerige Zielmedium eine gyroskopische Stabilisierung und damit einen geradlinigen Schusskanal.

Eine offene Frage war, welche Gestalt der Geschossspitze für eine möglichst große Penetration am günstigsten ist und damit für eine große Eindringtiefe. Möglichst schlanke Geschossspitzen zeigten keine besondere Penetration, eher beobachtete man an Flachkopfgeschossen gute Eigenschaften.

Angeregt durch Veröffentlichungen über die superschnellen Torpedos der "Kursk", die auch das Prinzip der Superkavitation benutzen und entsprechende Untersuchungen in amerikanischen Labors wurden einige Versuche zur Optimierung der Superkavitation von Jagdgechossen unternommen.

Experten glauben, dass eine ringförmige Scheibe an der Spitze der Torpedos als Kavitator wirkt, der die Gasblase erzeugt, in der sich das Objekt bewegt. Dieser Kavitator soll scharfkantig sein und aus einem Material bestehen, das die grossen Kräfte beim Aufschlag aushalten kann. Es sind auch andere Formen und Methoden vorgeschlagen worden, die z. Tl. die Stabilität noch weiter verbessern sollen.

Das optimierte Geschoss, der "Super Penetrator", der die Superkavitation nutzt, hat folgende wichtige Merkmale:

1. An der Spitze eine kreisförmige harte Scheibe, mit einem seitlich leicht vorstehenden Rand, der eine "Abreisskante" für die Strömung bildet. Hier geht die hydrodynamische Strömung in eine quasi aerodynamische über.

2. Von dieser Spitze zum zylindrischen Hauptteil des Geschosses führt ein konischer oder ogivaler Kopf mit einem nicht zu grossen Winkel bezüglich der Geschossachse. Der Radius der Ogive beträgt ca. 5 Kaliber, ein Kegel von ca. 25 Grad hat sich auch bewährt.

3. Das Geschoss sollte nach Möglichkeit aus einem Lauf mit einer relativ kurzen Dralllänge verschossen werden.

Einige Anmerkungen zu den drei oben genannten Merkmalen:

Zu 1.: Die Kavitatorscheibe kann als separates Teil aus Stahl bestehen. Es ist aber bei Vollgeschossen aus Messing auch möglich, diese integriert aus dem Geschossmaterial zu formen. Der Durchmesser kann, abhängig von Kaliber und Einsatzzweck, optimiert werden. Für das Kaliber .458 (Durchmesser 11,63 mm) bei 740 m/s wurden Kavitatordurchmesser von 5 bis 8,5 mm benutzt. Ein optimaler Wert ist 6 bis 7,5 mm.

Zu 2.: Ein Kavitator vor einer halbkugelförmigen Geschossspitze ( Radius 0,5 Kaliber ) führt nicht zu einer erhöhten Penetration, obwohl alle Vollgeschosse eine meist weniger stabile Superkavitation erzeugen.

Zu 3.: Ist das Geschoss nahe der Mündung noch mit sehr geringer Stabilität in der Luft unterwegs, kommt es auch im Zielmedium zu Kursabweichungen, verminderter Penetration und evtl. Überschlagen. Das Geschoss ist kurz nach Verlassen der Mündung noch nicht ausreichend stabilisiert und der Präzessionswinkel noch sehr gross. Es kann sich noch keine perfekte Kavitationsblase bilden. Gewöhnlich wird der Drall der Geschosse so ausgelegt, dass gerade eine ausreichende Stabilisierung in Luft erzielt wird. Besonders bei kleinen Kalibern erzielt man so die größte Präzision. Der Nachteil dieser Vorgehensweise ist allerdings eine grosse Empfindlichkeit im Zielmedium. Militärische .223 Geschosse fliegen z. Tl. erst ab 80 m stabil und überschlagen sich im Ziel. Die grösseren Kaliber, z. B. .458, haben zwar eine sehr viel grössere Stabilität in Luft, weil aber in der Kavitationsblase doch etwas andere Bedingungen herrschen, ist die Stabilität mit dem üblichen Drall nicht optimal für sehr kurze Entfernungen. Dies spielt allerdings nur eine Rolle in besonderen Situationen wie bei der Elefantenjagd oder bei Fangschüssen. Abzuraten ist von dem früher in der .460 Weatherby benutzte Drall von 16". Für schwere Geschosse (> 500 gr) im Kaliber .458 sollte ein minimaler Drall von 14 " gewählt werden, besser ist noch 12" oder gar 10". Inzwischen haben andere Autoren die Abhängigkeit der Eindringtiefe von nicht deformierenden Geschossen vom Drall bestätigt.

Die Stabilisierung in Wasser und wässerigen Medien und Gewebe ist eine sehr kritische Sache. In harten Medien wie kunststoffgebundene Platten oder Knochen tritt ein Überschlagen oder eine sonstige Destabilisierung nicht auf. In solchen Materialien werden die Kräfte, die vor dem Masseschwerpunkt angreifen, kompensiert durch die Kräfte, die hinter diesem wirksam werden. Das Ergebnis ist ein geradliniger Schusskanal..

Die Versuchsanordnung erlaubte es, den Weg des stabilen Fluges in den wässerigen Medien zu bestimmen.

Auf 100 m Entfernung war die Stabilität und die Penetration in wässerigen Medien, abhängig vom Durchmesser der Scheibe, doppelt bis fast dreimal so groß wie bei konventionellen Rundkopfgeschossen ( FMJ ). Paradox: Je grösser der Durchmesser der Scheibe, umso weiter der stabile Flug und damit die Eindringtiefe. Letztere wird nicht, wie in vielen theoretischen Modellen angenommen, durch die Staukräfte und die Zähigkeit des Zielmediums bestimmt. Wenn die gyroskopische Stabilisierung verloren geht und die Superkavitationsblase nicht mehr wirkt, stellt sich das Geschoss unter 90° quer und erfährt meist einen mehr oder weniger starken seitlichen Impuls. Unter Abweichung vom geradlinigen Flug ist dann die Eindringtiefe bald am Ende. Dies ist auch die Ursache dafür, dass gelegentlich Geschosse im Wildkörper geborgen werden, die eine starke Richtungsänderung erfahren haben.

Allerdings nimmt mit zunehmendem Durchmesser die Penetration für feste Medien und Knochen ab. Die Balance zwischen Penetrationsvermögen und Energieabgabe (Wundwirkung, Schocktransfer) auf dem Wege durch den Tierkörper kann für das neue SP Geschoss je nach Einsatzzweck optimiert werden. Die Abreißkante der Kavitatorscheibe ist für die Erzeugung der Superkavitationsblase verantwortlich, ihr Durchmesser bestimmt die Energieabgabe und die Größe der Penetration.

In der jagdlichen Praxis sollte ein solcher SuperPenetrator besonders nützlich sein bei Patronen mit einem kleinen Penetration Index, wie an anderer Stelle beschrieben. Moderne Patronen mit konventionellen FMJ Geschossen und einem PI um 130 haben auf jeden Fall genügend Durchschlagsvermögen. Angesichts moderner Deformationsgeschosse sind nicht deformierende Geschosse hoher Penetration eigentlich nur auf Elephant oder als backup shot auf abgehende Büffel o.ä. zu verwenden. Es hat sich allerdings bei der Verwendung auf Antilopen herausgestellt, dass der SuperPenetrator auch ein ausgezeichnetes Jagdgeschoss für kleineres Wild darstellt. Durch die Kavitatorscheibe wird eine derart starke hydrodynamische Druckwelle im wasserhaltigen Wildkörpergewebe erzeugt, dass längs des Schusskanals in einigem Abstand noch grosse Zerstörungen erfolgen. Die Wirkung ähnelt der eines Teilmantelgeschosses mit hoher Tiefenwirkung.

Leider hat sich durch die vermehrte Einführung von Kupfer- und Messinggeschossen mit ihrer gegenüber bleigefüllten Geschossen geringeren Dichte und damit größeren Länge eine Philosophie breit gemacht, die empfiehlt, leichte Geschosse zu verwenden, diese würden durch ihre grössere Geschwindigkeit die geringere Masse kompensieren. Das ist auch richtig für Deformationsgeschosse, die infolge ihres kleineren Pilzes eine relativ größere Eindringtiefe als bleigefüllte TM haben. Bei den nicht deformierenden Großwildgeschossen kann man diese Überlegungen aber nicht anwenden. Die Impulsdichte bzw. der Penetrationsindex bleiben einfach zu niedrig, man kann geringere Masse bei den Jagdpatronen nicht durch Geschwindigkeit ersetzen, ohne in unzulässig hohe Druckbereiche zu kommen. ( Das gilt auch für neuere unterkalibrige oder mit Entlastungsrillen oder Führunsbändern ausgeführte Geschosse.) Obwohl Drag-Fungtionen im Wildkörper nicht bekannt sind, lässt sich doch eines feststellen: Leichtere Geschosse erleiden auf ihrem Weg durch den Wildkörper eine signifikant größere Geschwindigkeitsabnahme als die schwereren Geschosse. Das bedeutet, das schwere Geschosse eine größere Impulsdichte und damit Penetration beibehalten als leichtere. Auch unter diesem Gesichtspunkt führt die Empfehlung für leichtere Geschosse in die Irre.

Derartige schwache Ladungen bzw. zu leichte Geschosse sind auch mit einem SuperPenetrator nicht zu kompensieren. Der SP nutzt nur die vorhandenen Möglichkeiten (Energie) eines Geschosses durch Stabilisierung der Flugbahn im Wildkörper, er verschafft nicht neue "magische" Fähigkeiten. Deshalb sollte man den SP in kleinen Geschossgewichten nicht für die Großwildjagd verwenden, weil das leicht zu Mißerfolgen führen kann. Dagegen ist er auch auf grosse Antilopen ( plains game ) eine sehr gute Empfehlung.

Bei Vollgeschossen aus Kupfer wird wegen der guten innenballistischen Eigenschaften oft sehr weiches reines Kupfer verwendet. Bei sehr harten Knochentreffern besteht hier allerdings die Gefahr einer Stauchung des Geschosses, wodurch die konstruktiv beabsichtigte Penetration vermindert werden kann. Ein SuperPenetrator für die Jagd auf Elefantenbullen sollte daher vorzugsweise aus einer härterer Messinglegierung bestehen.

Die Untersuchungen zeigen, wie wichtig die Form des Geschosskopfes für das Penetrationsvermögen ist. Es ergibt sich folgende Reihenfolge mit ansteigendem Penetrationsvermögen:

*) Es gibt inzwischen mehrere Geschosse am Markt, die die Eigenschaften des Flachkopfgeschosses noch verbessern, z.Tl. in Richtung der Effekte, die den SuperPenetrator auszeichnen. ( Scharfkantiger Flachkopf, optimierter Durchmesser und Ogivalform, tassenförmiger Hohlkopf, der beim Aufschlag eine Verformung zu einer Abreisskannte ermöglicht.

Diese Rangfolge in Abhängigkeit von der Form der Geschosse ist an realen Wildkörpern bestätigt worden.
"The influence of nose shape of bullets on the penetration in dangerous game".
Daniel McCarthy, African Hunter, Vol. 11 No. 1, 2004

Das Bild zeigt von links nach rechts:  Halbkugel Solid;   konventionelles Vollmantelgeschoss;  Flachkopfgeschoss;  SuperPenetrator mit Stahlscheibe und Ogive;  SP mit Stahlscheibe und kegelförmigem Kopf;  SP voll aus Messing.

Einige Ausführungen:

Für das Kaliber .458 bei einer Vo von 720 m/s optimierte Geschosse des SuperPenetrators mit 500 gr Gewicht zeigen die folgenden Abbildungen. Wasserhaltige Medien wurden stabil über 250 cm durchschlagen, harte kunststoffgebundene Platten 75 cm.

Das erste Bild zeigt die bevorzugten Konstruktionen, links Kupfergeschoss mit Ogive und Kavitatorscheibe aus Stahl, Länge 39 mm; rechts ein speziell für die .458 Lott auf kurze Länge optimiertes Geschoss aus Messing mit Bleikern und einer speziellen Form der Spitze, Länge 35,5 mm.

Das zweite Bild zeigt Geschosse mit kegelförmiger Spitze, links Kupfer mit Stahlscheibe, rechts Vollmessing. Gewicht 440 gr.

Das dritte Bild zeigt von links: Das 500 gr Messinggeschoss mit Bleikern, dann dasselbe geborgen nach 70 cm kunststoffgebundene Spanplatten, dann ein Geschoss, geborgen nach stabilem Durchgang durch 240 cm wasserhaltiges Medium und aufgefangen mit einer Stahlplatte. Die Verformung entstand durch denn Aufprall auf die Stahlplatte.

Das relativ kurze 500 gr Messinggeschoss hat eine spezielle, für einen kurzen Geschosskopf entwickelte Form. Wichtig ist neben der eigentlichen Kavitatorscheibe auch eine zweite scharfe Abrisskante unter einem bestimmten Winkel hinter der vorstehenden Scheibe:

Einige SuperPenetrator im Kaliber .458 und Schnittmodel

9,3 mm 300 grs,  .375 - 300 grs,  .416 - 410 grs,  .458 - 500 grs,  .510 - 650 grs

Zur Schulterstabilisierung:

Alle Effekte, die an Geschossen im Zielmedium beobachtet werden, lassen sich zwanglos mit dem Erhalt der Drallstabilisierung durch die Superkavitation , wie oben ausgeführt, erklären.

Bisher wurde in der Literatur gelegentlich das Modell der Schulterstabilisierung für eine Erklärung des stabilen Fluges durch das Gewebe benutzt. Dabei nimmt man an, dass bei einer beginnenden Winkelstellung des Geschosses an der voreilenden Schulter grössere Kräfte wirksam werden und das Geschoss quasi zurückdrehen. Eine plausible Rechnung zu dieser Hypothese wurde bisher aber nicht veröffentlicht.

Statt eine fragliche Schulterstabilisierung zu postulieren, sollte man die Frage stellen:

Wie wird die Drallstabilisierung des Geschosses im Ziel erhalten bzw. durch welche Einflüsse gestört?

Einige Argumente für diesen Mechanismus bzw. gegen das Modell der Schulterstabilisierung sind folgende:

Zunächst muss man festhalten, dass eine Drehung um den Masseschwerpunkt wie bei der Stabilisierung in Luft im Gewebe gar nicht auftritt. Das Geschoss verhält sich wie ein Kreisel mit einer Aufstandsfläche an der Spitze. Eine mögliche Drehung der Geschossachse durch Störkräfte erfolgt um diese Spitze, eine Stabilisierung durch Staukräfte kann nur auf die Flanken wirken und würde das Geschoss wieder gerade stellen. Die geradlinige Penetration in festen Substanzen wird wahrscheinlich durch derartige Mechanismen verursacht.

Weil die gyroskopische Drallstabilisierung auch im Gewebe wirksam ist, beobachtet man, dass die Stabilisierung im Ziel umso besser ist, je stabiler es in Luft flog. Entsprechende Untersuchungen haben gezeigt, dass Geschosse, die mit einem kürzeren Drall verschossen werden, eine größere Penetration erreichen. Das ist mit "Schulterstabilisierung" nicht zu erklären.

Der Mechanismus der Schulterstabilisierung sollte beim Auftreffen auf schräge Ziele gerade das Gegenteil bewirken und das Geschoss umhauen. Der Zieleintritt beeinflusst aber die Flugbahn nicht.

Ebenso sollten Inhomogenitäten im Gewebe ein Kippen des Geschosses verursachen. Weil diese beim Durchdringen eines Wildkörpers zwangsläufig auftreten und unterschiedlich an der Frontfläche angreifen, sollte ein stabiler Flug also unmöglich sein. Hier widerspricht sich das Modell der Schulterstabilisierung selbst.

Auch sollte die beobachtete Instabilität bei Nahschüssen nicht auftreten, die 3-5° Winkelabweichung durch die anfängliche Präzession sollte für eine Schulterstabilisierung leicht zu korrigieren sein. Der Aufbau der Kavitationsblase dagegen wird in diesem Fall leichter gestört und man beobachtet gelegentlich die Querschläger.

Echte (Halbkugel) Rundkopfgeschosse sollten nicht schulterstabil fliegen können, weil bei einer Drehung keine voreilende Schulter vorhanden ist. Sie fliegen aber doch stabil. Eine, wenn auch nicht optimale, Superkavitationsblase wird nämlich auch von diesen erzeugt und nur diese ist für den stabilen Flug verantwortlich.

Zylindrische Modellgeschosse mit dem Schwerpunkt etwas hinter der geometrischen Mitte sollten ideal für die Demonstration der Schulterstabilisation sein. Aus Glattrohren ohne Drall verschossen, kippen diese aber sofort um 90° und fliegen quer weiter, wie es die Hydrodynamik vorhersagt.

Stabilisierung von Teilmantel- und deformierenden Kupfergeschossen

Sobald nach dem Auftreffen Teilmantelgeschosse (sogen. Softpoints) einen Pilz ausbilden, wirken die gleichen stabilisierenden Effekte wie die oben für die nicht deformierenden Geschosse, speziell den SuperPenetrator, beschriebenen.

Das gilt insbesondere für die modernen Vollkupfergeschosse, die einen relativ kleinen, aber ausgeprägten Pilz ausbilden. (Vgl. BarnesX, Reichenberg )

Konventionelle Teilmantelgeschosse werden z.Tl. derart stark deformiert, dass Durchmesser und Länge sich größenmäßig annähern. Dann wird der Angriff destabilisierender Kräfte so gering, dass die Geschosse sich fast wie Rundkopfgeschosse stabil geradlinig im Target bewegen.

Werden Teilmantelgeschosse so stark deformiert, dass sie platt wie ein "Pfannkuchen" aussehen, treten Mechanismen in Aktion, wie sie in der Hydrodynamik von Platten beschrieben werden. Diese verhindern auch ein Taumeln oder Kippen und gewährleisten eine geradlinige Bewegung im Wildkörper. Natürlich alles mit eingeschränkter Penetration.

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