Die Innenballistik beschreibt die Abläufe beim Abfeuern eines Projektils aus einer Schusswaffe im Zeitraum vom Auslösen des Schusses bis zum Austreten des Projektils aus dem Lauf.
Bei der Schussentwicklung wirken zahlreiche Parameter, wobei vor allem Kenngrößen der Thermodynamik, Thermochemie, Strömungsmechanik und Mechanik eine Rolle spielen. Hierbei werden der Druckverlauf des Abbrandes der Treibladung, die Energie der Treibladung, die Lauflänge der Waffe, das Kaliber, die Geschossmasse und die konstruktiven Merkmale der Waffe und gegebenenfalls der Patrone in die Betrachtung einbezogen.
Die für eine bestimmte Waffe günstigste Kombination aus Geschosstyp, Pulvertyp und Pulvermenge kann wegen der zahlreichen bestimmenden Parameter im Allgemeinen nur in Schießversuchen ermittelt werden. Die so ermittelten Daten werden in Form von Ladetafeln veröffentlicht, in denen die zulässigen Pulvermengen, Pulversorten, Maße und Gewichte für jeden Patronentyp aufgeführt werden.
Schussauslösung Bei modernen Handfeuerwaffen wird der Schuss ausgelöst, indem nach Betätigen des Abzuges ein Schlagbolzen auf das Zündhütchen im Patronenboden trifft. Die schlagempfindliche Anzündladung im Zündhütchen detoniert durch die Energiezufuhr, es gelangt ein heißer Gasstrahl durch die Zündkanäle zur Treibladung und entzündet diese. Die Treibladung sollte möglichst schnell vollständig zünden. Es gibt verschiedene Typen von Zündhütchen, die entsprechend der Pulvermenge bzw. dem Volumen des Pulverraumes zum Einsatz kommen.
Beginn der Geschossbewegung Nachdem die Treibladung gezündet wurde, entstehen durch ihre Verbrennung in kurzer Zeit große Mengen heißer Gase. Diese Gase stehen unter Druck und üben eine Kraft auf den Geschossboden aus, die vom Druck (in Pascal) und der Querschnittsfläche des Geschosses (in Quadratmeter) abhängig ist: (in Newton) Bei einer Patrone .30-06 mit typischer Laborierung entstehen beispielsweise nach der Zündung innerhalb von 500 Nanosekunden Gase, deren Normalvolumen dem 14000-fachen Volumen der Treibladung entspricht, wobei Temperatur und Druck auf 2700 °C bzw. 3600 bar ansteigen.David Harding (Hrsg.), Waffen-Enzyklopädie, Motorbuch Verlag, ISBN 3-613-01488-2, 2. Auflage, 1995, S. 113
Um das Geschoss zu bewegen, ist eine bestimmte Mindestkraft (Ausziehwiderstand) erforderlich, da das Geschoss fest im Hülsenmund sitzt. Dieser Ausziehwiderstand kann bei gegurteten Patronen für vollautomatische Schützenwaffen bis um 1000 N betragen, bei anderen Patronen liegt er in der Regel bei 300 N bis 600 N. Der Druck in der Patrone erhöht sich, bis der Ausziehwiderstand des Geschosses überschritten und das Geschoss bewegt wird. Dabei wirkt der Gasdruck gleichzeitig auf die Hülsenwände und presst diese gegen die Innenwände der Patronenkammer, es kommt zur Liderung. Der Druck auf den Hülsenboden vermag zu diesem Zeitpunkt noch nichts bewirken, da die Patrone noch ein geschlossenes System darstellt.
Einflussgrößen der Geschossbeschleunigung mini|Schematische Darstellung der Druckwelle beim Abfeuern eines Projektils mit Überschallgeschwindigkeit Nachdem das Geschoss aus der Hülse ausgetrieben wurde, bewegt es sich im Übergangskonus zwischen Patronenlager und dem gezogenen Teil des Laufes im sogenannten Freiflug ohne formschlüssige Führung durch den Lauf. Sobald das Geschoss die Hülse verlassen hat, kann der Gasdruck die Patronenhülse nach hinten gegen den Verschluss drücken. Sogenannte Masseverschlüsse nutzen diese Bewegung für die Durchführung des Repetierfunktion der Waffe.
Anschließend erreicht es den gezogenen Teil des Laufes und wird in die Züge gepresst, durch die es den Drall erhält. Je nach Konstruktion kann das Geschoss die Züge bereits erreichen, bevor es vollständig aus der Hülse ausgetreten ist. Erst jetzt kann das Geschoss durch die Arbeitskraft der Pulvergase auf eine Geschwindigkeit gebracht werden, die stark genug ist, einen Gegenimpuls zu erzeugen. Diese Gegenkraft der Beschleunigung wird durch die unter hohem Druck stehenden Gase auf den Patronenboden übertragen, wodurch die Rückstoßwirkung der Waffe einsetzt. Sogenannte Rückstoßlader nutzen diese Kraft für die Repetierfunktion der Waffe. Wenn das Geschoss die Laufmündung passiert hat, wird es noch über eine kurze Strecke von den noch unter hohem Druck stehenden, nachströmenden Pulvergasen beschleunigt, deren schlagartiger Druckausgleich auf den Luftdruck den Mündungsknall erzeugt.
Bei bekannter Lauflänge (in Meter) und bekannter Mündungsgeschwindigkeit (in Meter pro Sekunde) kann die mittlere Geschossbeschleunigung errechnet werden: (in Meter pro Quadratsekunde)
Aus der Mündungsgeschwindigkeit und der Lauflänge kann auch die Beschleunigungszeit errechnet werden: (in Sekunden)
Die Beschleunigungskraft , die auf das Geschoss wirkt, kann aus der Geschossmasse (in Kilogramm) und der Geschossbeschleunigung errechnet werden: (in Newton)
Geschosswiderstand und Laufschwingungen Der Widerstand, den das Geschoss der Beschleunigung entgegensetzt, resultiert nicht allein aus seinem Beharrungsvermögen, sondern auch aus den anderen mechanischen Widerständen, die durch seine Bewegung verursacht werden. In erster Linie sind das der Reibungswiderstand zwischen Geschoss und Laufwandung, aber auch andere Größen wie der Luftwiderstand im Laufinneren oder Laufverformungen, die die Bewegung des Geschosses hemmen.
Durch die beim Abschuss wirkenden Kräfte wird der Lauf in Schwingung versetzt. Das Ausmaß dieser Schwingungen hat Einfluss auf die mit dem Lauf erreichbare Streuung der Treffer. Der Lauf schwingt in Richtung der Laufseele und in Richtung senkrecht zur Laufseele, ferner wird durch das Gegenmoment des Dralles eine Torsionsschwingung erzeugt.Willi Barthold, Jagdwaffenkunde, VEB Verlag Technik Berlin 1969, bearbeitete Auflage 1979, S. 194 Waffen, die für eine möglichst hohe Schusspräzision ausgelegt sind, wie etwa Scharfschützengewehre, besitzen darum in der Regel schwere Läufe mit deutlich verstärkter Laufwandung. Bei Geschützen tritt darüber hinaus beim Schuss eine reproduzierbare, systematische Biegung des Rohres nach oben oder nach unten auf, die als Abgangsfehlerwinkel in die Berechnung der Richtdaten eingeht. Die Biegung reicht je nach Bauart typisch von -20' (Bogenminuten) bis etwa +1° 10'.Günter Hauck, Äußere Ballistik, Militärverlag der DDR, 1. Auflage 1972, S. 525
Gasdruck und Abbrandverhalten der Treibladung mini|400x400px|Gasdruck und Geschossgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg Das Geschoss wird primär durch den Gasdruck beschleunigt. Es wird bei der Schussentwicklung nicht gleichförmig beschleunigt, da der Druck, den die Treibladung entwickelt, während der Schussentwicklung nicht konstant ist. Der Druck steigt nach der Zündung auf einen Höchstwert und sinkt wieder ab, bis das Geschoss die Mündung passiert. Die zulässige Obergrenze des Druckes wird durch die Festigkeit des Laufes und des Verschlusses bestimmt und darf nicht überschritten werden.
Obwohl der Gasdruck nicht konstant ist, kann vereinfacht das Wirken eines konstanten mittleren Gasdruckes (in Pascal) angenommen werden, der zu der gleichen Mündungsgeschwindigkeit führen würde. Als Praxiswerte des mittleren Gasdruckes können Werte von etwa 40 % bis 60 % des maximalen Gasdruckes angenommen werden. Eine rein rechnerische Ableitung des mittleren Gasdrucks aus Geschossmasse, Geschossquerschnitt und -beschleunigung ist nicht möglich, da der tatsächliche Geschosswiderstand beim Abschuss nur durch Versuche ermittelt werden kann. Ist der Geschosswiderstand (in Newton) bekannt, kann der mittlere Gasdruck errechnet werden: (in Pascal)
Der Geschosswiderstand kann bei bekanntem mittleren Gasdruck und bekannter Mündungsgeschwindigkeit errechnet werden:
Der Geschosswiderstand verringert den Wirkungsgrad der Energieumsetzung der Treibladung.
Um den Gasdruck und den Gasdruckverlauf an den jeweiligen Waffentyp, den Geschosstyp, die Geschossmasse und die Lauflänge anzupassen, werden Menge und Abbrandgeschwindigkeit der Treibladung auf den jeweiligen Zweck abgestimmt. Die Abbrandgeschwindigkeit von Treibladungspulvern lässt sich über die chemische Zusammensetzung, die Oberflächenbeschaffenheit, die Gesamtoberfläche je Volumeneinheit und die Form der Pulverkörner bestimmen. Verbreitete Formen sind Plättchen, Stäbchen oder Röhrchen mit an den jeweiligen Einsatzbereich angepassten Größen. Die Abbrandgeschwindigkeit kann auch durch Beschichtung der Pulverkörner etwa mit Graphit beeinflusst werden.
Je glatter die einzelnen Pulverkörner sind, je kleiner ihre Oberfläche und je kleiner die Oberfläche des Pulvers pro Volumeneinheit ist (grobe Körnung), desto langsamer verbrennt das Pulver. Schnell abbrennende Pulver sind offensive Pulver, langsamer abbrennende Pulver sind progressive Pulver. Offensive Pulver kommen zum Einsatz, wenn nur ein kurzer Weg zur Geschossbeschleunigung zur Verfügung steht (Kurzwaffen) oder wenn relativ leichte Geschosse aus einer Langwaffe verschossen werden.
Der Druck, den eine Treibladung erzeugt, hängt auch von der Geschossmasse ab. Bei gleichem Kaliber setzt ein schweres Geschoss der Expansion der Treibgase durch seine Masseträgheit einen höheren Widerstand entgegen, so dass sich Druck und Temperatur der Treibgase erhöhen, was bei modernen Nitropulvern die Abbrandgeschwindigkeit und damit die Druckentwicklung weiter erhöhen kann. Das führt unter Umständen zu unerwünscht hohem Gasdruck beim Schuss. Ein leichtes Geschoss führt durch seine geringere Masseträgheit zu einer niedrigeren Druck- und Temperaturentwicklung und so zu einem langsameren Abbrand. Damit kann die Energie der Treibladung unter Umständen weniger effektiv in Geschossenergie umgesetzt werden.
Schwere Geschosse werden darum bevorzugt mit Treibladungen aus progressiven Pulvern abgefeuert, umgekehrt werden für leichte Geschosse eher Treibladungen aus offensiven Pulvern verwendet. Bei kurzen Läufen kommen eher offensive Pulver zum Einsatz, da bei zu langsamer Verbrennung unter Umständen unverbranntes Pulver die Laufmündung verlässt und als Energielieferant verloren geht. mini|Druckverlauf bei unterschiedlichem Abbrandverhalten, die farbigen Flächen unter den Kurven entsprechen der verrichteten Arbeit (W) und sind idealisiert gleich groß, die Endgeschwindigkeit v ist jeweils gleich. Der Energiegehalt der Treibladungen ist kaum von ihrem Abbrandverhalten abhängig. Bei gleicher Lauflänge und Pulverladung kann damit ein Geschoss von einem offensiven und einem progressiven Pulver auf die gleiche Geschwindigkeit gebracht werden. Das offensive Pulver erzeugt dabei einen höheren Gasdruck, der aber für einen kürzeren Zeitraum auf das Geschoss wirkt, so dass die verrichtete Arbeit idealisiert die gleiche ist.
Beim Schuss wird etwa ein Fünftel bis ein Drittel der Energie der Treibladung in kinetische Energie des Geschosses umgesetzt. Die übrige Energie geht vor allem durch Wärmeableitung und in Form der Restenergie der Treibladungsgase verloren. Bei Revolvern vermindert der Gasverlust zwischen Trommel und Lauf die Energie der Treibladung zusätzlich.