Viele Torsionsmaschinen wurden mit uneinheitlichen Ergebnissen und unvollständiger Dokumentation nachgebaut. Die hier vorgestellten Richtlinien werden selten angewendet, wenn Torsionsgeschütze aus der frühen, mittleren und späten Kaiserzeit nachgebaut und unter realen Bedingungen gemäß den oben genannten Richtlinien getestet werden, was allein wesentliche Erkenntnisse über Reichweite, Schussfrequenz und Genauigkeit liefern kann. Über die bisherigen Einzelfälle von Rekonstruktionen hinaus lassen sich weitreichende Schlussfolgerungen über die Leistungsfähigkeit der römischen Artillerie im Laufe der Zeit ziehen. Die Torsionsbolzenwaffe der späten Republik/frühen Kaiserzeit, der Scorpio, wurde auf der Grundlage der unversehrten Überreste eines Fundes in Ampurias, Spanien, und mit Hilfe der Beschreibung von Vitruv, einem römischen Architekten zur Zeit Cäsars, in De Architectura (10.10.1) mit einem Gewicht von 60 kg rekonstruiert. Der Scorpio war eine Standardwaffe, die in Festungen und im Feld (zum Beispiel auf Wagen = Carroballista) eingesetzt wurde. Nach Vegetius (2.25) verfügte jede Legion über etwa 55 davon (Abbildung 1).

Abb. 1: Die Torsionswaffe vom Typ „Scorpio“. Foto: A. Hauenstein.

Das Modell der zweiten Torsionswaffe (gebaut im Jahr 2022) vom Typ Orșova (gefunden in Rumänien an der Donau) mit einem Gewicht von 80 kg wurde später in Betrieb genommen. Archäologische Funde dieser Art von Waffe stammen aus dem 2. Jahrhundert (wie durch die Reliefs an der Trajanssäule bestätigt) bis zum 4. Jahrhundert n. Chr. Dieses Geschütz wurde auch im Feld (siehe beispielsweise die Schlacht von Harzhorn bei Göttingen im Jahr 235 n. Chr.) und in Festungen eingesetzt (Abbildung 2). 

Abb. 2: Die Torsionswaffe (Orșova) ab der mittleren Kaiserzeit. Foto: A. Hauenstein.

Die Römer haben diese Torsionskatapulte, die sowohl Bolzen als auch Steine (mit einem Gewicht von bis zu 90 kg) über große Entfernungen mit hoher Präzision abschießen konnten, nicht erfunden. Ab Beginn des 4. Jahrhunderts v. Chr. erreichte die Entwicklung, gestützt durch wissenschaftliche Forschung, ihren Höhepunkt in der hellenistischen Zeit (330 bis 30 v. Chr.). Der „Beitrag“ der Römer bestand darin, diese Katapulte in großer Zahl auf hohem technischem Niveau und mit beispielloser Einsatzsicherheit bereitzustellen. Genau das muss getestet werden: Feuerrate, Genauigkeit und Reichweite.

Mit etwas Übung lassen sich die Torsionskatapulte in etwa 10 Minuten einsatzbereit machen; in der römischen Legion gab es Einheiten, die ausschließlich dafür zuständig waren, die Einsatzbereitschaft auch unter feindlichem Beschuss sicherzustellen. Die Torsionsbündel, die Feder, bestehen aus einzelnen Schlingen, da diese leichter auszutauschen sind. In den Tests wurden bei der älteren Scorpio mit einer Federträgerhöhe von 55 cm 7 x 10 mm (= 14 Seile) Hanfschlingen verwendet, bei der späteren Torsionswaffe mit einer Federträgerhöhe von 50 cm 10 x 8 mm (= 20 Seile) Schlingen. Historische Alternativen wären Pferdehaar oder Tiersehnen gewesen. Tatsächlich werden Tiersehnen für den Zug verwendet: Die Zugkraft auf die selbstgefertigten Sehnen aus 8 miteinander verdrillten Einzelsträngen (siehe unten bei der Arcuballista) hängt direkt vom Gewicht des Torsionsmaterials im Federträger ab. In beiden Fällen war sie nahezu gleich (210 g / 225 g).

Aufgrund ihrer geringeren Reichweite feuert die ältere (frühimperiale) Skorpion-Katapulte schneller als das jüngere (spätantike) Torsionsgeschütz , die von zwei Personen bedient wird. Die verlässliche (!) Feuerrate bei einer geschulten Besatzung (2–3 Personen) beträgt 12 Schüsse pro Minute für die Skorpion-Katapulte und 9 Schüsse pro Minute für die jüngere Variante, ohne dass dabei die Treffgenauigkeit bei voreingestellter Zielposition beeinträchtigt wird. Die durchschnittliche Mündungsgeschwindigkeit der 125 bis 140 g schweren Bolzen mit Eisenspitze (nach dem Vorbild der Funde von Dura Europos in Syrien mit drei Holzflügeln) beträgt 55 m/s für den Skorpion und 77 m/s für das spätantike Torsionsgeschütz bei voller Ausdehnung und, im letzteren Fall, 170 kg Zuggewicht. Eingesetzt in Harzhorn im Jahr 235 n. Chr., erklären sie den raschen Erfolg der römischen Truppen, obwohl diese aufgrund des Überraschungseffekts im Nachteil waren.

Der onager, ein Katapult, wurde in Buch 23 (Kapitel 4.4–6) vom Leibwächter (protector domesticus) und Historiker Ammianus Marcellinus, der im vierten Jahrhundert n. Chr. lebte, ausführlich beschrieben (Abbildung 3). Abgesehen von kurzen Erwähnungen durch Autoren gibt es keine weiteren Hinweise darauf, und es sind sicherlich keine materiellen Überreste erhalten. Der Onager ist ein einarmiges Katapult, das bei Flächenbeschuss Steinkugeln auf sein Ziel abfeuerte. Der Schleuderarm bezog seine Beschleunigungskraft aus einem Hanfseilbündel. Dieses Katapult existierte von Anfang an und erreichte wahrscheinlich im vierten Jahrhundert n. Chr. seinen Höhepunkt.

Abb. 3: FAU-onager. Foto: A. Werner.

Auf der Grundlage desselben Textes (Ammianus Marcellinus) rekonstruiert Kayumov (2018) eine völlig andere Version (Abbildung 4).

Abb. 4: 3D-Rekonstruktion nach Kayumov (2018, S. 570).

Kayumovs Nachbau basiert eindeutig auf dem mittelalterlichen Trebuchet, bei dem der Schwenkarm durch ein Gegengewicht beschleunigt und gebremst wird. Beim Onager hingegen wird die Beschleunigung durch Torsionsbündel erreicht. Um die Dynamik zu verstehen, werden hier die drei wichtigsten Phasen der Bewegung untersucht: 1. Beschleunigung des Projektils durch den Wurfarm und die Schleuder. 2. Abrupte Verringerung der kinetischen Energie nach dem Loslassen des Steins. 3. Parabolflug des Projektils im Gravitationsfeld der Erde.

Abb. 5: Schematische Darstellung der auf das Katapult einwirkenden Kräfte. Zeichnung von R. Fiedler.

M = Drehmoment des Seilbündels                    l₂ = Länge des Schleuderarms

l₃ = Länge der Schleuder                                 m₂ = Masse des Geschosses

J = Trägheitsmoment des Schleuderarms           θ = Winkel des Schleuderarms zur x-Achse

ψ = Winkel der Schleuder zur x-Achse              h = Höhe der Achse über dem Boden

Die Bewegungsgleichung, aus der sich alle relevanten Informationen ableiten lassen, wird nun von einem Python-Programm berechnet, mit dem sich die physikalischen Größen ermitteln und grafisch darstellen lassen. Das Beispiel in Abbildung 6 zeigt eine Simulation der Wurfweite des FAU-Onagers mit einem Antriebsdrehmoment von 5000 Nm (= Newtonmeter), einer Masse von 1,6 kg und einem Armgewicht von 10 kg. Die Winkelposition des Arms zu Beginn der Simulation beträgt 0 Grad und die der Schleuder mit dem Projektil 90 Grad. In der Simulation lassen sich nun für jeden Punkt der Flugbahnkurve die Momentangeschwindigkeit und der Flugbahnwinkel des Projektils bestimmen und daraus die Wurfweite berechnen.

Abb. 6: Flugweite eines Projektils in Abhängigkeit vom Abschusswinkel. Grafik von R. Fiedler.

Nach dem Auslösen muss die im Wurfarm gespeicherte kinetische Energie in Phase zwei abgebaut werden – wobei hohe Reaktionskräfte auf den Onager wirken. Im obigen Beispiel mit einem Antriebsdrehmoment von 5000 Nm bewegt sich der Schwerpunkt des Arms mit einer Geschwindigkeit von etwa 100 km/h und verfügt über eine kinetische Energie (Ekin) von 3,1 kJ (Kilojoule). Als einfache Näherung wird eine konstante Bremskraft über eine bestimmte Strecke angenommen. Im Fall des FAU-Onagers, der mit einem 25 cm dicken Fellkissen gebremst wird, beträgt die Beschleunigung dann 125 g (g-Kraft), die jedoch nur über einen Zeitraum von 40 Millisekunden wirkt. Die resultierende Kraft beträgt daher F = 125 kN (Kilo-Newton). Diese Kraft wirkt auf den Schwerpunkt des Wurfarms, der durch die Höhe des Torsionsbündels und die Lage des Schwerpunkts des Wurfarms bestimmt wird. Bei der hohen Drehachse der Kayumov-Variante ist das resultierende Moment dreimal so hoch. Dies muss durch die Konstruktion des Katapults am äußeren Drehpunkt ausgeglichen werden, beispielsweise durch eine dreifache Erhöhung der Belastung des Gesamtrahmens.

In Phase drei bewegt sich das Projektil frei im Gravitationsfeld der Erde. Die Simulation zeigt (Abbildung 7), dass Luftwiderstand und Start Höhe keine Rolle spielen, während Geschwindigkeit und Abschusswinkel die Flugreichweite bestimmen.

Abb. 7: Die erzielte Wurfweite in Abhängigkeit von einem Winkel von 30, 45 und 60 Grad (bei 45 Grad mit und ohne Luftwiderstand). Der Luftwiderstand hat kaum Einfluss auf die Wurfweite, der Winkel hingegen schon. Grafik von R. Fiedler.

Für die Simulation wurde für beide Varianten in folgenden Fällen dieselben Werte verwendet (FAU-Kayumov):

Das Antriebsdrehmoment und die Höhe des Torsionsbündels wurden variiert.

Im Maßstab 1:1 (FAU-Onager 500 kg) wurden mit einer Granitkugel von etwa 1,6 kg und einer aus 24 × 20 mm starken Hanfseilschlingen bestehenden Seilkonstruktion (48 Seile, 15 kg Gesamtgewicht) maximal 7200, in der Regel jedoch weniger, etwa 5000 Newton erreicht, bei einer Reichweite von 150 m. Der Abschusswinkel betrug nicht 45°, wie die Screenshots der Experimente zeigen.

Abb. 8a und b: Empirische Tests mit dem FAU-Onager. Fotos: B. Dreyer.

Die Ergebnisse von Simulationen und empirischen Tests zeigen, dass der erhöhte Fallwinkel kaum Auswirkungen auf die Wurfweite hat, wohl aber eine deutlich zerstörerischere Wirkung auf die Konstruktion. Hier liegt der Vorteil in einer Konstruktion mit geringer Torsion. Kayumovs virtuelle Rekonstruktion ist daher nichts weiter als eine vorübergehende Lösung, was den raschen Erfolg des mittelalterlichen Trebuchets erklären könnte, das angeblich aus dem Osten (China) stammt.

Die Unterbrechung in der Nutzung der komplexen und technisch anspruchsvollen zweiarmen Steinwerfer, die die Jahrhunderte bis ins 3. und 4. Jahrhundert n. Chr. dominiert hatten, ist kein Zeichen für den Leistungsabfall der römischen Truppen. Vegetius beschrieb mehrere Torsionsmaschinen, aber auch Fernkampfwaffen, die außerhalb dieser Kategorie lagen: Er beschreibt römische Bögen und die Arcuballista (Vegetius 2,15,7; 4,22,1; 4,22,7). Bögen wurden von spezialisierten Einheiten verwendet, die ihr ganzes Leben lang üben mussten, und waren schon immer in den Hilfstruppen der kaiserlichen Armeen im Einsatz. Kompositbögen waren im Osten aus klimatischen Gründen weiter verbreitet, während im Westen Holzbögen dominierten.

Arcuballistae waren zwar nicht die typischen Fernkampfwaffen des frühen Römischen Reiches, fanden jedoch in späterer Zeit, als die Kämpfe entlang der Demarkationslinien fließender wurden, breitere Anwendung. Der Unterschied zu früheren Zeiten bestand darin, dass die „limites“ als eine Art Stolperdraht für die mit „burgi“ befestigten Gebiete hinter der Grenze fungierten. Dies erforderte mobile Einheiten wie Kavallerie, die in der Lage waren, die Burgi mit Fernkampfwaffen zu verteidigen, deren Handhabung leicht zu erlernen war. Eine Armbrust, bei der das Laden vom Abfeuern getrennt war, bot eine Lösung. So bot sie gewisse Vorteile bei Belagerungen und in der Seekriegsführung, da der nächste Schuss geladen werden konnte, während man in Deckung ging.

Die Quellenlage zur arcuballista ist bemerkenswert schlecht – mit Ausnahme von Vegetius, der die Waffe jedoch nicht im Detail beschrieb, da er davon ausging, dass sie allgemein bekannt sei. Darüber hinaus ist sie auf zwei Reliefs aus Gallien abgebildet, die die Waffe im Zusammenhang mit der Jagd zeigen (Abbildung 10), und zwar im ersten Jahrhundert n. Chr.

Für die Rekonstruktion der arcuballista mussten Herstellungsverfahren entwickelt werden. Die Bogensehnen wurden mit einer einfachen Technik hergestellt und erwiesen sich als sehr stabil und langlebig, was sich bereits bei den Torsionsgeschützen (oben) bewährt hatte. Zunächst wurden natürliche Sehnen und künstliche Sehnen hinsichtlich ihrer Dehnungseigenschaften verglichen. Nachdem festgestellt wurde, dass sich natürliche Sehnen und künstliche Sehnen genau gleich verhielten, konnten wir uns für weitere Experimente auf die wesentlich kostengünstigeren künstlichen Sehnen verlassen. Die Herstellung der Bogensehnen für die arcuballista erfolgte durch gleichmäßiges Verdrillen der Sehnenstränge. Für diesen Vorgang wurden zwei Holzscheiben mit Löchern verwendet, von denen eine fest in Position gehalten wurde (Abbildung 9). Dadurch war es möglich, sechs Sehnenfäden gleichmäßig um einen Kernfaden zu wickeln. Der Kern bestand aus zwei Fäden (in der angestrebten Länge, in unserem Fall 116 cm), die mit sechs zusätzlichen Fäden umwickelt wurden, die in entgegengesetzter Richtung verdreht waren. Zugversuche zeigten, dass die Bogensehne ein Zuggewicht von 168,5 kg aushalten konnte.

Abb. 9: Durchbohrte Buchstaben zur Herstellung von Bogensehnen.

Abb. 10: Reliefs aus Salignac (links) und Saint-Marcel (rechts) (Espérandieu, 1908, S. 442–444). 1679 (Salignac) und 1683 (Saint-Marcel).

Unter den Rekonstruktionen von Arcuballistae ragen insbesondere die von Baatz (1999) – die jedoch nie über Zeichnungen hinaus umgesetzt wurde – sowie die Rekonstruktion von Andreas Bichler hervor, die sich auf die Zeichnungen von Baatz stützt.

Beide Rekonstruktionen weisen folgende Merkmale auf:

1. Ein hölzerner Reflexbogen ist rechtwinklig in einen hölzernen Korpus eingesetzt.
2. Der hölzerne Korpus macht die Waffe schwer und unhandlich, wenn eine Holzart (wie Eiche) verwendet wird, die der hohen Spannung standhalten kann, die beim Spannen und Schießen auf sie wirkt.
3. Die Bogensehne scheuert am hölzernen Korpus, selbst wenn die Ecken des Korpus abgerundet sind.
4. Die Bogensehne wird durch eine Nuss (aus Holz oder Knochen) in Position gehalten und durch einen Abzug unterhalb des Griffs ausgelöst.

Diese Form der Arcuballista (Abbildung 11) wurde aus leichterem Kiefernholz nachgebaut. Dennoch ist der gesamte Holzkörper nach wie vor schwer (3,6 kg) und vor allem kopflastig (3,2 kg). Dies führt dazu, dass die voll bestückte Waffe sehr unausgewogen ist. Dies steht im Widerspruch zur (späteren) Entwicklung und Logik einer Armbrust, bei der in der Regel auf eine einfache Handhabung für den Soldaten geachtet wird.

Abb. 11: Arcuballista aus Kiefernholz, „traditionelle“ Nachbildung unter Verwendung einer Nuss (nach Baatz und Bichler, siehe oben). Foto: B. Dreyer.

Neuer Ansatz: Christof Schindler und Wolfgang Wilsch gingen noch einen Schritt weiter (Abbildung 12). Bei genauerer Betrachtung der Reliefs (Abbildung 10) zeigt sich, dass die Bogensehne offenbar nicht über dem Korpus, sondern in dessen Inneren verläuft. Die Bogensehne verläuft viel näher an dem natürlichen Winkel, der sich aus der Positionierung des Bogens innerhalb der Waffe ergibt, was den Verschleiß der Sehne deutlich verringert. Diese ausgehöhlte Konstruktion macht die Waffe zudem im Vergleich zu einem massiven Holzkorpus wesentlich leichter. Wenn die Waffe so gebaut ist, lässt sie sich nicht nur vom Pferd aus, sondern auch zu Fuß und hinter Befestigungsanlagen viel leichter handhaben, da der Pfeil im Inneren des Korpus fixiert ist. Der neue Ansatz schafft zudem eine perfekt ausbalancierte Waffe, was die Ergonomie verbessert (3,2 kg; 2,1 kg Frontgewicht im Fall der neuen Eichenreplik). In der neuen Version wurde auf die Nuss verzichtet und diese durch einen einfachen Haken ersetzt, der mit dem Abzug verbunden ist. Diese einfache Änderung vergrößert den Auszug der Bogensehne um 5 cm, was auch die Schusskraft bei einem Gerät erhöht, das die gleichen Abmessungen wie die „traditionellen“ Rekonstruktionen von Baatz/Bichler aufweist.

Abb. 12: Arcuballista, neu angefertigt, aus Eichenholz und mit Hakenabzug. Foto: B. Dreyer.

Im Vergleich zum Bogen (ein ungarischer Bogen mit einem Zuggewicht von 56 lbs und einem entsprechend langen Pfeil erreichte 55 m/s) konnte die „traditionelle“ Arcuballista (Typ I) Geschwindigkeiten von 35–42 m/s erreichen, auch wenn der Verschleiß durch das Abrunden der Kanten des Korpus, wie bei spätmittelalterlichen Armbrüsten, deutlich verringert werden konnte.

Die neu konstruierte Arcuballista (Typ II) hat fast das gleiche Zuggewicht von 55,1 lbs. Beide Waffen können von einem halbwegs geübten Schützen mindestens viermal pro Minute abgefeuert werden. Mit entsprechendem Training sind acht Schüsse möglich. Der Pfeil fliegt mit Geschwindigkeiten zwischen 50–51 m/s (180–183,6 km/h). Dies entspricht den Ergebnissen des Bogens ohne Holzkorpus – doch dies kann jeder, nicht nur gut ausgebildete Bogenschützen. Damit erreicht der Pfeil eine theoretische Reichweite von 260 m, wenn er in einem Winkel von 45° abgeschossen wird.

Weiterführende Links

Theoretische Grundlagen

Wie schnell ist eine Arcuballista wirklich? In diesem Experiment erreichen wir eine Kadenz von 7 Schuss pro Minute – und das bei einer Zugkraft von über 50 Pfund, ganz ohne intensive Übung.

Literatur:

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