Ballistik

 

Ballistik (die):

[griechisch bάllein ‚werfen‘ „Die Lehre von den geworfenen Körpern”], ist ein Teilbereich der Physik und beschreibt die Vorgänge, die einen Körper betreffen, der sich durch ein Schwerefeld bewegt. Die forensische Ballistik befasst sich mit der Aufklärung von Delikten, die mit Schusswaffen begangen werden.

Geschichte und Fachgebiete

Als „Vater“ der Ballistik gilt der Italiener Nicolo Tartaglia (~1499–1557). Er entdeckte die Wurfparabel und erkannte die Möglichkeit, die Bewegungen von geworfenen Körpern in ihre Einzelkomponenten zu zerlegen und damit zu berechnen.
In ihrem militärischen Zweig, der Artillerieballistik, bildet sie die Grundlage der Artillerie und Raketenwaffen. Des Weiteren ist sie zentraler Bestandteil der Raumfahrtphysik.
Insbesondere werden in der Ballistik die Vorgänge beschrieben, die aus einer Waffe verschossene Projektile betreffen. Hierbei werden folgende Unterbereiche angesprochen:

    • Innenballistik: Vorgänge im Lauf und Patronenlager einer Waffe beim Abschuss eines Projektils
    • Abgangsballistik: Vorgänge an der Laufmündung einer Waffe beim Schuss
    • Außenballistik: Vorgänge während des Fluges am Projektil, welches verschossen wurde
    • Zielballistik: Wirkung des Projektils im Ziel (insbesondere Wundballistik)
    • Raketenballistik: Vorgänge während des Fluges einer Rakete

Untersuchungsgebiete

Zentrales Untersuchungsgebiet ist die ballistische Kurve, deren Idealisierung die Wurfparabel ist. Daneben untersucht sie die zusammen mit der Sprengstoffchemie und Pyrotechnik die Interaktionen zwischen Geschoss, Ausstossladung (bzw. im militärischen Sprachgebrauch Treibladung) und Schussvorrichtung (Rohr). Da Geschosse außer pyrotechnisch auch mit Druckluft oder anders geschossen werden, sind allgemeine Ergebnisse der Hydrodynamik ausschlaggebend, sowie der Fluiddynamik in der Untersuchung der Vorgänge während des Abschusses und während des Fluges.

Wichtige thermodynamische Aspekte sind:

    • Geschossenergie
    • Mündungsenergie
    • Auftreffenergie
    • Gasdruck und spezifische Energie der Treibladung

Wichtige pyrotechnische Aspekte sind:

    • Ladedichte
    • Spezifisches Schwadenvolumen
    • Detonationsgeschwindigkeit
    • sowie die Rohrgeometrie und insbesondere der Zug, der den Drall erzeugt, um die Flugbahn zu stabilisieren.

Von einer ballistischen Rakete spricht man, wenn diese im Unterschied zum aerodynamischen Flug eine ballistische Kurve fliegt, was bei gegebener Menge an Treibstoff theoretisch und praktisch die höchste effektive Reichweite ergibt. Hierbei wird die Rakete nur in der Antriebsphase direkt nach dem Start beschleunigt und fliegt dann antriebslos (wenn auch nicht ungesteuert) wie ein Geschoss weiter.


Innenballistik

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 der Verbrennung 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.


Abgangsballistik

Die Abgangsballistik (auch Zwischen- oder Übergangsballistik genannt) von Rohrwaffen untersucht die Bewegung der Geschosse sowie damit zusammenhängende Vorgänge an der Mündung und in deren unmittelbarer Umgebung.
Durch Vorgänge, die Gegenstand abgangsballistischer Untersuchungen sind, ändert sich die Geschossgeschwindigkeit, und es treten Abgangsfehler auf. Die Ermittlung dieser Veränderungen ist das erste Hauptproblem der Abgangsballistik.
Beim Abschuss treten an der Rohrmündung und in deren unmittelbarer Umgebung akustische und elektromagnetische, insbesondere optische, Erscheinungen auf, die zur Detektion, Ortung und Identifikation der Waffe benutzt werden können. Diese Aufklärungsaufgaben und die entsprechenden Tarnungsaufgaben bilden das zweite Hauptproblem der Abgangsballistik.


Außenballistik

Die Außenballistik untersucht die Bahn antriebsloser, ungelenkter ballistischer Geschosse. Die Aussagen der Außenballistik gelten für Geschosse aus Rohrwaffen, für ballistische Raketengeschosse nach dem Brennschluss und für Bomben.
Die Bahn angetriebener oder gelenkter Geschosse, Raketen und Bomben wird in der Raketenballistik behandelt.

Die vier Hauptaufgaben der Außenballistik sind:

    • Ermittlung der Geschossbahn nach dem klassischen Bahnmodell unter meteorologischen und ballistischen Normalbedingungen
    • Untersuchungen der Starrkörperbewegungen des Geschosses und deren Einflüsse
    • Berücksichtigung der Abweichungen von den Normalbedingungen, also die Störrechnung
    • Ermittlung von Schusstafeln und Bombenwurftafeln

Zielballistik

Die Zielballistik (auch: Terminalballistik oder Endballistik) beschreibt als ein Teilgebiet der Ballistik das Verhalten von Projektilen beim Auftreffen auf ein Ziel, Eindringen in ein Ziel oder beim Durchdringen eines Zieles. Ziele können verschiedene Arten von Körpern im physikalischen Sinne sein; sowohl feste, flüssige als auch gasförmige Körper.
Im Bereich der Waffenforschung simuliert man weiche Ziele oftmals mit Materialien wie ballistischer Gelatine oder Seife. Wenn das Ziel ein menschlicher oder ein tierischer Körper ist, verwendet man auch den Begriff Wundballistik.

Weichziele

Das zielballistische Verhalten der bei modernen Gewehren eingesetzten Ogivalgeschosse hängt von der Schussentfernung und der Geschosskonstruktion ab.
Durch den Drall gezogener Läufe rotieren die Geschosse um ihre Längsachse, was sie am fortschreitenden Kippen und Überschlagen hindert. Störungen wie Wirbelbildung in der Umströmung bewirken eine gewisse Abweichung der Geschoss(rotations)achse von der Flugbahn, dadurch greift die Widerstandskraft der durchflogenen Luft nicht zentral sondern neben dem Schwerpunkt des Geschosses an. Dieses Kippmoment lässt das Geschoss als Kreisel mit seiner Rotationsachse auf einem Kegel um die momentane Richtung der Flugbahn präzedieren. Diese Frequenz der Präzession ist kurz nach dem Abschuss so am stärksten und nimmt durch die mit der Fluggeschwindigkeit abnehmende Luft-Widerstandskraft mit der Flugdauer ab. Dass auch der Winkel der Präzession abnehmen kann ist ein komplexerer Dämpfungsvorgang.
Die Präzession bestimmt das Verhalten beim Durchdringen relativ weicher Medien wie etwa Holz. Bei hoher Präzession, wie sie auf kürzere Schussdistanzen zu erwarten ist, kann sich ein Geschoss mit geringer Deformationsneigung im Zielmedium überschlagen, was durch die hecklastige Konstruktion moderner Langgeschosse begünstigt wird. Durch den größeren Querschnitt beim Überschlagen wird sehr rasch Bewegungsenergie an das Zielmedium abgegeben. Das verringert die Durchschlagswirkung und vergrößert gegebenenfalls die temporäre Wundhöhle. Unter Umständen können solche Geschosse durch die hohen Kräfte beim Überschlag zerbrechen. Auf größere Distanzen, wenn die Präzession eines Geschosses abgenommen hat, kann der Drall das Geschoss beim Durchdringen eines weichen Zielmediums stabilisieren. Das kann dazu führen, dass die Durchschlagsleistung eines Geschosses bei steigender Schussentfernung zunächst zunimmt. So liegt die Eindringtiefe eines Geschosses einer Patrone .30-06 in trockenen Sand bei einer Geschwindigkeit von 508 m/s bei 33 cm gegenüber einer Eindringtiefe von 16 cm bei 823 m/s.
Die Bewegung von Deformationsgeschossen kann durch das Aufpilzen nach dem Eindringen ins Ziel auch bei hoher Geschwindigkeit stabil bleiben. Durch den großen Querschnitt des deformierten Geschosses wird die Bewegungsenergie schnell an das Zielmedium abgegeben, wodurch sich die Durchschlagswirkung verringert.

Hartziele

Bei massiven Hartzielen kann nur eine ausreichende Durchschlagskraft erreicht werden, wenn das auftreffende Geschoss über hohen Impuls in der Lage ist, durch den Druck beim Aufprall die Fließgrenze des Zielmediums zu überwinden, ohne dass es selbst durch den Druck zu stark deformiert wird. Deswegen sind panzerbrechende Massivgeschosse groß, enthalten spezifisch dichte und harte Materialien und werden mit hoher Mündungsgeschwindigkeit abgefeuert.


Wundballistik

Wundballistik ist die Lehre vom Verhalten der Geschosse beim Eindringen in den Körper eines Menschen oder Tieres. Insbesondere wird das Verhalten des Geschosses beschrieben sowie die von ihm bewirkten Verletzungen an Geweben und Organen. Die Wundballistik ist ein interdisziplinärer Bereich mit Verbindungen zur Medizin, Forensik, Physik und Militärforschung. Grundsätzlich können das Verhalten des Geschosses im Körper (Actio, physikalisch-ballistischer Aspekt) und die Auswirkungen auf das Gewebe und andere Körperbestandteile (Reactio, medizinisch-biologischer Aspekt) betrachtet werden. Man unterscheidet in der Ballistik zwischen, Innen-, Außen- sowie Endballistik (auch Zielballistik genannt). Die Wundballistik ist ein Teilgebiet der Endballistik. Die Innenballistik hat bei der Untersuchung von aufgesetzten und nahen Schüssen eine große Mitbestimmungskraft auf den Wundbildungsmechanismus, genauso wie Nutations- und Präzessionsbewegungen eher beim kurzen Schuss eine Rolle spielen. Mit zunehmender Schussdistanz wird die Länge des geraden Schusskanals größer. Für die Wundballistik spielt die Untersuchung des temporären Wundkanals eine besonders große Rolle. Dieser tritt hauptsächlich bei Langwaffen, weniger bei Kurzwaffen, auf. Entscheidend ist nicht die Gesamtenergie des Geschosses, sondern wie viel davon im beschossenen Körper abgegeben wird. Durch Überschlag des Geschosses oder „Aufpilzen“ (bei Teilmantel- und Hohlspitzgeschossen) wird die Energieabgabe erhöht bzw. maximiert. Die Durchschlagskraft sinkt, die sogenannte Mannstoppwirkung erhöht sich.


Todesursachen

Es kommen drei Todesursachen bei Schussverletzungen in Betracht.

    1. der Kreislaufstillstand durch Zerstörung des Herzens oder von Hauptblutgefäßen. Nach etwa 15 Sekunden tritt Bewusstlosigkeit aufgrund von mangelhafter Sauerstoffversorgung des Gehirns ein. Es folgt der Hirntod nach etwa sieben Minuten. Das unmittelbare Zusammenbrechen von durch Herzschuss getroffenen Personen lässt sich aufgrund eines nervösen Reflexes erklären.
    2. mögliche Ursache ist eine Zerstörung wichtiger Hirnzentren selbst. Dabei führt insbesondere die Zerstörung des Stammhirns unmittelbar zum Tod, aber Verletzungen am und Verlust von Teilen des Stirnhirns, wo keine animalischen Funktionen ausgeführt werden, können durchaus, teils unter Persönlichkeitsveränderungen überlebt werden.
    3. kann ein so genannter Schocktod eintreten. Bei Hasen wurde beobachtet, dass deren Tod eintritt, obwohl eine große Zahl von Schrotkugeln nur unter die Haut und in Muskelgewebe, aber nicht in vitale Organe eindringt und somit an sich keine tödlichen Verletzungen hervorruft.

Forschungsbereiche

Im Bereich der Forensik werden alle Umstände, die mit der Schussabgabe in Zusammenhang stehen, untersucht. Insbesondere die Untersuchung von Schussspuren und Schmauchspuren können wichtige Hinweise zu einem Verbrechen liefern.


Methoden

Erforscht wird die Wundballistik mit Hilfe von ballistischer Gelatine oder Glyzerinseife, wobei ersteres verbreiteter ist. Durch die plastische Verformung des letzteren, der den temporären Wundkanal quasi „einfriert“, kann dieser für die Wundballistik entscheidende Aspekt entsprechend gut analysiert werden. Durch Vergleich wurde hinreichend nachgewiesen, dass sich diese Materialien unter Beschuss annähernd gleich verhalten wie menschliches Gewebe. Knochen können durch eingebettete Kunststoffe simuliert werden. Im Übrigen spielt das unterschiedliche elastoplastische Verhalten der beiden Stoffe für die Herausbildung der Verletzungen eine minder wichtige Rolle. Entscheidender sind Dichte, Viskosität und Fließfähigkeit, in der sich beide Materialien untereinander wie auch im Vergleich zur Muskulatur sehr ähneln. Gelegentlich finden auch noch Tierversuche statt (meist anästhesierte Schweine, worauf die Projektile abgeschossen werden). Allerdings gibt es genug reale Schussverletzungen (Rechtsmedizin, Kriegs-Chirurgie), so dass auf Tier- und Leichenversuche weitgehend verzichtet werden kann.

Verletzungen durch Pfeile

Die Wundballistik bei Pfeilverletzungen wurde 2004 von Hubert Sudhues untersucht. In diesem Rahmen wurde festgestellt, dass die Ballistik von Pfeilen und deren wundballistisches Potential erheblich von Schusswaffenprojektilen abweicht.

Verletzungen durch Splitter

Auch Verletzungen durch Splitter werden in der Wundballistik untersucht. Dabei bestehen keine grundsätzlichen großen Unterschiede zu denen der Projektile. Splitter werden durch Sprengstoff beschleunigt, wohingegen Projektile ihre Bewegungsenergie durch Pulververbrennung erfahren. Splitter können aber auch durch Geschossfragmentation entstehen. Die für die Wundballistik relevanten Splittermassen reichen von einigen hundertstel Gramm bis zu einigen 10 Gramm, wobei Geschwindigkeiten bis zu 2.000 m/s auftreten können. Daraus ergeben sich Energien von 1 J bis 60 kJ.


Erwünschte Wirkungen

Im Bereich des Militärs gilt: Die Schussverletzungen sollen so schwer sein, dass die getroffene Person nicht mehr in der Lage ist, weiterzukämpfen beziehungsweise ihren Auftrag zu erfüllen. Hierbei spricht man im Allgemeinen von Kampfunfähigkeit. Dabei kann es von Vorteil sein, dass der Gegner „nur” schwer verletzt statt getötet wird, weil dann weitere Soldaten mit dessen sanitätsdienstlicher Versorgung gebunden sind und nicht mehr unmittelbar am Kampfgeschehen teilnehmen können. Im Bereich der Jagd gilt: Die entstehenden Schussverletzungen sollen das Tier möglichst auf der Stelle töten und bewegungsunfähig machen (Blattschuss), um einerseits dem Tier unnötige Qualen zu ersparen und andererseits zu verhindern, dass das getroffene Tier noch flüchten kann. Des Weiteren sollte ein sicherer Ausschuss gewährleistet sein, um ein geflüchtetes Tier anhand seiner Schweißfährte schnell wiederzufinden. Dennoch sollte das Geschoss so wenig wie möglich Schaden am Gewebe verursachen, um den Wert des Felles und des Fleisches nicht zu mindern.