Schießpulver

Als Treibmittel für konventionelle militärische Waffen wird seit langem ausschließlich rauchloses, richtiger rauchschwaches Pulver verwendet. Unterschieden werden einbasige Pulver wie Nitrocellulosepulver, zweibasige Pulver aus Nitrocellulose und Nitroglycerin und dreibasige Pulver wie Nitrocellulose und Nitroglycerin oder Nitrocellulose und Diglykoldinitrat plus Nitroguanidinpulver.

Nitrocellulose ist ein Nitratester der Cellulose. Sie entsteht durch Einwirken von Nitriersäure (Salpetersäure und Schwefelsäure) auf Baumwolle oder Holzzellstoff. Nach der vollständigen Nitrierung lautet die Bruttoformel C6H7O2(ONO2)3. Grundbestandteil der Nitrocellulosepulver ist Nitrocellulose, ein Gemisch aus Schießbaumwolle (Stickstoffgehalt von 13,26 bis 13,35 %) und Collodiumwolle (Stickstoffgehalt von 11 bis 13 %).

Zur Pulverherstellung wird das Nitrocellulosegemisch mit Hilfe von Lösungsmitteln, meist Alkohol und Äther, gelatiniert. Weitere Zusätze wie Stabilisatoren werden jetzt zugegeben. Die so erhaltene plastische und lösemittelfeuchte Masse wird durch hydraulische Strangpressen in Streifen-, Nudel- oder Röhrenform gepreßt und mit Schneidemaschinen auf die gewünschte Länge geschnitten. Die im Pulver noch vor handenen Lösemittel werden durch Wässern und Trocknen des Pulvers entfernt. Nach dem Trocknen wird das Pulver in Trommeln poliert und graphitiert. Dabei wird gleichzeitig seine Oberfläche mit alkoholischen Lösungen von Centralit, Dibutylphthalat, Campher, Dinitrotoluol oder anderen phlegmatisierenden Stoffen behandelt.

Zur Herstellung von Nitroglycerinpulver wird Nitrocellulose in Wasser aufgeschwemmt, das Nitroglycerin der intensiv aufgerührten Suspension langsam zugegeben, wobei das Nitroglycerin von der Nitrocellulose praktisch völlig gebunden wird. Dann wird der größte Teil des Wassers (bis auf 25 bis 35 %) abzentrifugiert oder abgepreßt und die Pulverrohmasse zerkleinert. Anschließend wird sie, falls erforderlich, zusammen mit den Zusätzen, die nicht in  Nitroglycerin löslich sind, in Mischwerken vermengt und dann auf geheizten Walzwerken gelatiniert, wobei das Wasser bis auf einen Rest von ca. 1 % verdampft.

Diesem in der Wärme plastischen Produkt wird dann, je nach Pulvertyp, auf Kaliberwalzen, Schneidemaschinen, Stanzen oder auch durch hydraulische Strangpressen die endgültige geometrische Form gegeben, die das Abbrandverhalten bestimmt.

Dieses ohne Lösungsmittel hergestellte „POL-Pulver“ hat gegenüber Nitrocellulosepulver den Vorteil größerer Gleichmäßigkeit, denn größere Schwankungen, die durch zurückgehaltene Lösemittelreste entstehen, werden vermieden. Ein weiterer Vorteil ist seine kürzere Fertigungszeit infolge Fortfalls der Trockenzeiten. Die Nitroglycerinpulver werden, je nach Verwendungszweck, mit einem Nitroglyceringehalt von 25 bis 50 % gefertigt.

In USA und England werden heute noch viele Nitroglycerinpulver und Nitroguanidinpulver mit Hilfe von Lösungsmitteln hergestellt. Zur Erleichterung des Knet- und Preßvorganges wird dem Nitroglycerin zunächst Aceton zugefügt, das später durch Trocknen wieder entfernt werden muß.

In neuerer Zeit hat man anstelle des Nitroglycerins eine Reihe anderer flüssiger Salpetersäureester eingeführt (Diglykoldinitrat, Triglykoldinitrat, Methrioltrinitrat, Butantrioltrinitrat), von denen das Diglykoldinitratt größere Verwendung gefunden hat. Mit ihm oder mit Triglykoldinitrat werden kalorienärmere Pulver erzeugt; für die Rohrlebensdauer besonders der großen Geschütze ist dies besonders wichtig. Die “kalten” rohrschonenden Pulver wurden bereits während des II. Weltkrieges in Deutschland entwickelt.

Die weitere Entwicklung zur Fertigung von rohrschonenden Pulvern mit noch günstigeren Eigenschaften ergab das „kalte Nitroguanidinpulver“, bei dem als Energieträger zu Diglykoldinitrat (oder Triglykoldinitrat) und Nitrocellulose als dritte Komponente Nitroguanidin hinzutritt (triple base powder).

Der Nitroguanidingehalt beträgt 25 bis 40 %, die Pulver werden analog der POL-Fertigung, also ohne Lösungsmittel, hergestellt. Pulver mit einem Anteil von über 40% Nitroguanidin können nur mit Hilfe von Lösemitteln hergestellt werden. Die Nitroguanidinpulver bieten bei konventionellen Waffen weltweit die günstigste Lösung zur Schonung der Rohre.

Offiziell arbeitet man seit etwa 1970 auch an der Entwicklung  nitratesterfreier LOVA-Treibladungspulver. Diese Treibmittel sind unempfindlicher gegenüber thermischen und mechanischen Einwirkungen als Nitrocellulosepulver. Sie können zu Geschoßträgern geformt werden und bilden so die Grundlage der modernen hülsenlosen Munition.

Die im I. Weltkrieg gemachten Erfahrungen mit Ammonpulver führten dazu, die Verwendung von Ammonnitrat als Bestandteil der üblichen POL-, Nitroglycerin- bzw. Diglykolpulver zu überprüfen. Die Erfahrungen waren aber schlecht, da durch die Hygroskopizität des Ammonnitrats Schwierigkeiten bei seiner Verarbeitung auftreten, so daß diese Pulvertypen bei den konventionellen Feuerwaffen nur äußerst zurückhaltende Verwendung gefunden haben.

Die ballistischen Eigenschaften des Pulvers werden außer durch die chemische Zusammensetzung auch durch die Formgebung beeinflußt. Für konventionelle Waffen wird grundsätzlich ein progressiver Abbrand, zumindest aber ein Pulverkorn mit während des Abbrandes konstanter Oberfläche, angestrebt.

Man unterscheidet je nach der geometrischen Form folgende Pulvertypen:

– Röhrenpulver (lange Röhren)
– Röhrchenpulver (kurz geschnittene Röhren)
– Mehrlochpulver (kurze Röhren, mehrfach perforiert)
– Blättchenpulver
– Streifenpulver
– Kugelpulver
– Würfelpulver
– Nudelpulver (kurz geschnittene Stäbchen)
– Ringpulver.

Für Handfeuerwaffen werden die feinkörnigen Pulver, für Kanonen in erster Linie Röhrenpulver, für Steilfeuergeschütze (Haubitzen, Mörser) vorteilhaft Blättchen- und
Röhrchenpulver verwendet.

Der Pulverabbrand

Die Umsetzung des Pulvers erfolgt an der Oberfläche des einzelnen Korns mit einer Umsetzungsrate der  oberflächennahen Schicht (lineare Verbrennungsgeschwindigkeit), die im wesentlichen von der chemischen Zusammensetzung des Pulvers und dem Druck in der Gasphase abhängt. Der Anteil der Treibladung, der in der Zeiteinheit umgesetzt wird, hängt von der linearen Brenngeschwindigkeit und der Geometrie des Pulvers ab. Diese lineare Brenngeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die chemische Umsetzung von der Anzündstelle infolge Wärmeleitung und -strahlung fortschreitet. Die Schwaden strömen entgegengesetzt zur Fortschreitungsrichtung ab. Die Abbrandgeschwindigkeit bezeichnet den Abbrandfortschritt im Treibmittel; sie ist nicht nur von der Zusammensetzung, dem Druck, der Temperatur, dem physikalischen Zustand des Treibmittels (Porosität, Korngrößenverteilung der Bestandteile, Verdichtung) abhängig, sondern auch von der Formgebung, also von der Größe der Pulverelemente und ihrer Form als Blättchen, Kugeln, Röhren, Mehrlochröhrchen usw. bis zu den kompliziertesten Formen der Raketentreibsätze. In der Raketentechnik bezeichnet der Begriff der Abbrandgeschwindigkeit den stationären Abbrandfortschritt in der Brennkammer. Im geschlossenen Raum wächst der Druck P bis zum Erreichen seines Maximalwertes Pmax. In der Waffe sinkt der Druck nach einem Maximalwert wieder ab, da sich durch die Geschoßbewegung im Rohr der Verbrennungsraum stetig vergrößert. Bei kontinuierlichem Abströmen der Schwaden, wie z.B. bei einer Rakete, bleibt der Druck während des Abbrandes konstant. Die lineare Brenngeschwindigkeit (burningrate) und ihre Abhängigkeit von Druck und Temperatur kann nur experimentiell bestimmt werden (Crawford-Bombe).

Die nachfolgende Zeichnung vom Brennverhalten der Pulverformen läßt erkennen, daß Röhrenpulver (d) mit  konstanter Formfunktion  abbrennt, denn die Abnahme der
äußeren Oberfläche der Röhre  wird durch die Zunahme der  Oberfläche der Bohrung aufgehoben. Dabei ist  vorgegeben, daß die Pulverröhre wesentlich länger ist als ihr Durchmesser. Das Streifenpulver c verhält sich genauso, wenn Breite und Länge des Streifens groß genug gegenüber seiner Dicke sind. Dieser Zustand ist erreicht, wenn Dicke und

Breite des Streifens weniger als ein Vierter der Länge betragen. Kugel- und Würfel oder Blättchenpulver a und Pulver in der Form von Vollzylindern b zeigen einen stark degressiven Verlauf der Formfunktion, während beim 7-Loch-Pulver e die Oberfläche zunächst zunimmt bis zu dem Punkt, an dem die einzelnen Stege des Pulverkorns abgebrannt sind. Dann nimmt auch die Oberfläche des 7-Loch-Pulvers ab. Das ist ein Pulver mit vornehmlich oder teilweise progressivem Abbrand. Der Durchmesser derPulverstange sollte dabei wenigstens das 10fache des Durchmessers eines Loches betragen.

Pulver mit progressivem Abbrand werden verwendet, wenn eine große Mündungsgeschwindigkeit des Geschosses (Abgangsgeschwindigkeit, V0) bei einem möglichst geringen Gasdruck erreicht werden soll.