-
Die
Erfindung betrifft ein Zündsystem
unter Verwendung eines initialsprengstofffreien Detonators, der
elektronisch gesteuert wird. Die initialsprengstofffreien Zündsysteme
werden in folgenden Bereichen und bei folgenden Anwendungen eingesetzt:
in der Militärtechnik
in Gefechtsköpfen,
Raketen, Austreibgeneratoren und Sprengzündern; bei Gewinnungssprengungen
und im Tunnelbau in Sprengzündern
sowie in elektronischen Sprengzündern
und bei der Erdölexploration
in hochtemperaturstabilen Sprengzündern und elektronischen Sprengzündern.
-
Bekannte
Zündsysteme
haben nach dem Stand der Technik als wesentliches Merkmal in der Regel
ein Primärelement
und immer zwei unterschiedliche Explosivstoffladungen, die Primär- und die
Sekundärladung.
Der wesentlich empfindlichere Primärsprengstoff oder Initialsprengstoff
wird durch das Primärelement,
beispielsweise eine Anzündpille, initiiert.
Der Primärsprengstoff
wiederum zündet
den unempfindlichen Sekundärsprengstoff.
Wegen der Empfindlichkeit der Primärsprengstoffe sind erhöhte Sicherheitsvorkehrungen
bei der Fertigung, beim Transport, bei der Lagerung und bei der
Handhabung erforderlich, was kostenaufwändig und nachteilig ist. Bei
den bekannten elektronischen Zündsystemen werden
zusätzlich
Schutzfunktionen wie Überspannungsschutz,
Begrenzerstrukturen, Filtereigenschaften und/oder Steuerungsfunktionen
wie Zünderadresszuordnungen,
Entsicherungscode und Einstellung der Verzögerungszeiten, vorzugsweise
mit Hilfe einer aus elektronischen Bauteilen bestehenden Schaltung,
realisiert. Die Funktionszuverlässigkeit der
Schaltung und ihre Sicherheit gegen Störungen, beispielsweise durch
Hochfrequenz oder Streuspannung, sind die wichtigsten Qualitätskriterien.
Diese Technologie hat bei Extremsituationen allerdings Nachteile,
die zu Sicherheits- und Zuverlässigkeitsproblemen
führen
können.
-
Folgende
Beispiele sind als Extremsituationen zu verstehen: Hochfrequenzbelastungen
im unmittelbaren Umfeld von Sende- und Radaranlagen, wie auf sie
Militärschiffen
oder Bohrinseln auftreten können,
oder Streuspannungen wie sie im Bereich von Hochspannungsleitungen,
auf Militärschiffen oder
auf Bohrinseln vorhanden sind. Insbesondere auf Schiffen und auf
Bohrinseln besteht die Gefahr, dass es in unmittelbarer Sendernähe aufgrund
der eingekoppelten hochfrequenten Energie oder in der Nähe von Hochspannungsleitungen
durch Streuspannungen zur "Zündung zur
Unzeit" kommt. Deshalb
bestehen Vorschriften, die den Umgang mit Sprengmitteln bei Sendebetrieb
und im Bereich von Hochspannungsanlagen untersagen.
-
Initialsprengstofffreie
Detonatoren wie EBW-Detonatoren (Exploding-Bridge-Wire) und EFI (Exploding-Foil-Initiator)
werden in sicherheitsrelevanten oder in teueren Systemen wie beispielsweise Trägerraketen
oder Satelliten verwendet. Diese Detonatoren bieten eine hohe Sicherheit
gegen ungewollte Zündung,
da die Zündempfindlichkeit
sehr hoch ist. Nachteilig ist die aufwendige Steuerungstechnologie
und der komplexe Aufbau dieser Detonatoren. Bei der Verwendung von
EFI ist darauf zu achten, dass die Leitungsführung sehr niederohmig sein muss
und der Zündkreis
niederinduktiv gehalten werden muss. Der elektrische Schalter, der
die Zündspannung
durchschaltet, muss leistungsstark und sehr schnell sein. Bedingt
durch diese konstruktiven Forderungen sind die Kosten der Detonatoren
und der zugehörigen
Zündsysteme
entsprechend hoch.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, initialsprengstofffreie Zündsysteme
in Aufbau und Leitungsführung
zu vereinfachen sowie stör-
und ausfallsicherer zu machen.
-
Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt durch das erfindungsgemäße, initialsprengstofffreie
Zündsystem, dessen
Aufbau in einem Blockschaltbild gemäß 1 verdeutlicht
wird.
-
Das
erfindungsgemäße initialsprengstofffreie
Zündsystem 100 enthält einen
initialsprengstofffreien Detonator 104. Es können sowohl
Sekundärexplosivstoffe
wie beispielsweise Oktogen (HMX), Hexogen (RDX), Hexanitrostilben
(HNS), Nitropenta (PETN) oder auch insensitive Explosivsoffe wie
beispielsweise NIGU, NTO oder Derivate verwendet werden.
-
Die
dem Detonator vorgeschaltete Elektronik besteht aus der Logik- und
Steuerschaltung 102, der Zündendstufe 103 und
einer elektronischen Schutzschaltung 105. Die Logik- und
Steuerschaltung 102 ist mit der Zündendstufe 103 über eine
Datenleitung 109 für
Kontroll- und Prüfzwecke
verbunden. Mit dieser Datenleitung kann z.B. die Ladespannung des Zündkondensators überwacht
werden. Das Zündsignal
für den
Detonator 104 wird von der Zündendstufe 103 über die
Leitung 110 übertragen.
-
Zur
Ansteuerung der Logik- und Steuerschaltung 102 über den
Datenbus 108 werden nur Datenprotokolle oder Trigger verwendet,
die niederenergetisch sind. Die angelegte Betriebsspannung liegt
deutlich unter der einstellbaren Nofire-Schwelle des initialsprengstofffreien
Detonators 104. Die Logik- und Steuerschaltung 102 dekodiert
das Datenprotokoll und steuert und überwacht die Zündendstufe 103.
Das Datenprotokoll besteht aus einer Pulsfolge, die von einem übergeordneten
Gerät erzeugt wird. Übergeordnete
Geräte
sind im militärischen
Bereich Zünder
und Zündsicherungsvorrichtungen,
Programmier- und Abfeuerungsgeräte
und bei Sprengzündern
Prüf- und
Programmiergeräte.
-
Als
zusätzliche
Funktionen können
in der Logik- und Steuerschaltung 102 so genannte Zünderadressen
oder/und Funktionsprioritäten
in einem Speicher, beispielsweise EEPROM, hinterlegt werden. Diese
Vorgehensweise ist vorteilhaft, wenn bestimmte zeitliche Abläufe an mehreren
Stellen/Orten vorgegeben sind und ist dann besonders vorteilhaft,
wenn das initialsprengstofffreie Zündsystem 1, beispielsweise
als Sprengkapsel, erst kurz vor ihrem Einsatz programmiert wird.
-
Soll
das initialsprengstofffreie Zündsystem
100 nur
für einen
bestimmten Einsatz vorgesehen sein, für den eine festliegende Programmierung
vorgesehen ist, ist es vorteilhaft, wenn für jede Zünderadresse eigens eine voreingestelltes
Zündsystem
vorgesehen ist. Bei dieser kann dann die jeweilige Zünderadresse
in Form eines bereits vorgegebenen Leiterbahnmusters, insbesondere
als vorgegebenen Widerstand, auf der Platine der Logik- und Steuerschaltung
102 angeordnet
sein, wie es aus der
DE 19930904
A1 bekannt ist. Dadurch wird das herkömmliche, aufwendige Durchtrennen
bestimmter Leiterbahnen (Codierung) auf einem so genannten Programmierfeld
auf einer für
alle Zündzeitstufen
gemeinsam gefertigten Leiterplatte vermieden. Die entsprechende
Zünderadresse
kann in Weiterbildung der Erfindung bereits durch eine auf der Leiterplatte angeordnete
Kennzeichnung, beispielsweise durch eine die Zünderadresse bezeichnende Nummer, kenntlich
gemacht sein. Dadurch wird der Zusammenbau des initialsprengstofffreien
Zündsystems vereinfacht
und Verwechslungen unterschiedlicher Zünderadressen werden vermieden.
-
Die
Zündendstufe 103 ist
vorzugsweise eine Kondensator-Entladungs-Zündendstufe,
bei der ein zuvor aufgeladener Zündkondensator
mittels eines Schalters über
den initialsprengstofffreien Detonator 104 entladen wird.
Die Zündendstufe 103 besteht
im Wesentlichen aus Spannungswandler, Spannungskontrolle, Kondensator
und Schalter. Als Schalter wird vorzugsweise ein Thyristor verwendet,
es sind ebenso alle anderen Halbleiterschalter und mechanischen
Schalter verwendbar.
-
Ein
DC/DC-Wandler generiert die zum Zünden erforderliche Allfire-Spannung
und speichert die Energie in einem Kondensator. Ist der Kondensator der
Zündendstufe 103 aufgeladen,
so kann die Auslösung
bei militärischer
Anwendung vorzugshalber durch einen externen Trigger, der mittels
Sensorik (Abstand, Bodenaufschlag, Laufzeit) generiert wird, erfolgen.
Bei Sprengzündern
im zivilen Bereich ist ein Datenprotokoll zu bevorzugen, das vom
Zündgerät erzeugt
wird. Die Zündendstufe
wird auf die Zündbedingungen
des initialsprengstofffreien Detonators angepasst. Die Zündempfindlichkeit
wird durch die Vorgaben an den initialsprengstofffreien Detonator
bestimmt und kann zwischen 50V und etwa 2000V eingestellt werden.
-
Die
Schutzschaltung 105 stellt sicher, dass unzulässige Spannungen
und Ströme
sowie elektromagnetische und elektrostatische Störungen nicht die Logik- und
Steuerschaltung 102 beeinflusst, die dann zur Initiierung
des Detonators 104 führen
könnte.
Die Schutzschaltung 105 kann mit der Logik- und Steuerschaltung 102 in
einem Bauteil, z.B. einem ASIC, untergebracht sein oder vorzugsweise
diskret, d.h. mit separaten Bauteilen wie Varistoren, Ferritfilter,
Kondensatoren, Widerstände,
Schmelzsicherungen, Dioden und Funkenstrecken, vor der Logik- und Steuerschaltung 102 untergebracht
sein.
-
Eine
Schnittstelle 106 des Zündsystems 100 ist
ein Datenbus 108, der zur Spannungsversorgung 107 des
Zündsystems
und zur Informationsübertragung
an die Logik- und Steuerschaltung 102 dient. Als Spannungsversorgung
wird vorzugsweise eine Spannung gewählt, die weit unterhalb der
Nofire-Schwelle des Detonators liegt aber ausreicht um die Logik-
und Steuerschaltung zu betreiben.
-
Der
erfindungsgemäße Detonator
unterscheidet sich von den Detonatoren, die aus dem Stand der Technik
bekannt sind, durch das Initiierungselement und die Ladung, die
aus insensitiven Explosivstoffen und/oder Sekundärexplosivstoffen besteht.
-
Die
Zündempfindlichkeit
des erfindungsgemäßen Detonators
wird durch drei Parameter beeinflusst: durch das Initiierungselement,
den Explosivstoff und die Konstruktion des Detonators.
-
Die
wichtigsten Einflussgrößen des
Initiierungselementes sind der Werkstoff, die Fläche und die Dicke der Leiterbahn
sowie ihre geometrische Gestaltung. Das Initiierungselement kann
eine Unterbrechung in Form eines Spalts definierter Breite zur Herstellung
eines kapazitiven Widerstands aufweisen. Dadurch ist die Zündempfindlichkeit
beeinflussbar und die Zündverzugszeiten
können
erheblich verkürzt
werden.
-
Art
und Typ, die Kristallform, das Herstellverfahren, die Korngröße und die
Ladungsdichte sowie Anzahl, Durchmesser und Höhe der Explosivstofflagen sind
die Eigenschaften des Explosivstoffs, die die Zündempfindlichkeit beeinflussen.
-
Das
Gehäuse
des Detonators beeinflusst durch seine Wandstärke und die Festigkeit des
Werkstoffs (Verdämmung)
die Zündempfindlichkeit.
-
Zwischen
den vorgenannten Parametern und Einflussgrößen treten außerdem Wechselwirkungen
auf, die zu berücksichtigen
sind.
-
Durch
eine geeignete Abstimmung der vorgenannten Parameter für Initiierungselement,
Explosivstoff und Detonatorkonstruktion lassen sich Zündempfindlichkeiten
von 50V bis mehr als 2000V herstellen. Vorzugsweise sind in übergeordneten
sicherheitsrelevanten Systemen, wie z.B. Sprengzündern im Ölfeldbereich oder bei militärischen
Zündsystemen,
Detonatoren zu verwenden, die eine Nofire- Spannung von mehr als
500V aufweisen.
-
Das
Initiierungselement 111 des Detonators 104 ist
Teil eines Zündelements,
das anhand eines Ausführungsbeispiels
in den 2 und 3 dargestellt ist, wobei 2 eine
Aufsicht auf das Zündelement
und 3 einen Schnitt durch das Zündelement nach 2,
entsprechend dem dort eingezeichneten Schnittverlauf II – II, zeigt.
-
Das
Zündelement 1 besteht
aus einer Scheibe aus keramischem Werkstoff als Polkörper 2,
auf dem das Initiierungselement 3 aufgebracht ist. Das Initiierungselement 3 besteht
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einer dünnen
Schicht aus einem leitfähigem
Werkstoff in Form einer Leiterbahn, die auf einem Polkörper 2,
einem Substrat aus einem nicht leitenden Werkstoff, direkt aufgebracht
ist, wie er in der Elektrotechnik als Isolierstoff in der Form von Glas,
nicht leitender Keramik, Porzellane oder Isolierstoffplatten, beispielsweise
Epoxidharzplatinen, Verwendung findet. Die Leiterbahn kann unterschiedliche
Geometrien aufweisen und aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
-
Die
Leiterbahn 3 weist im vorliegenden Fall senkrecht zu ihrem
Verlauf eine Unterbrechung 4 auf. Die Initiierung erfolgt
bei diesem Zündelement
also nicht in herkömmlicher
Weise durch eine Widerstandserwärmung
einer Leiterbahn, sondern durch eine kapazitive Entladung, die sich
durch ihre Intensität und
Kurzzeitigkeit auszeichnet. Die Zuleitung zum Initiierungselement 3 erfolgt
mittels zweier Drähte 5 und 6,
die durch Bohrungen 7 bzw. 8 in dem Polkörper 2 hindurchgeführt sind
und an den Stellen 9 bzw. 10 mit dem Initiierungselement 3 durch
Lötstellen verbunden
sind.
-
Die
Leiterbahn besteht aus Metallen oder Metalllegierungen oder Metallverbindungen
oder Oxiden wie Kupfer, Nickel oder Legierungen wie Wolfram, CrNi,
CrSiAl, CuNiMn, FeNi, CuNiSn, Oxide. Sie können durch Aufdampfen, Sputtern,
Zerstäuben,
Diffundieren oder Galvanisieren aufgetragen werden, wobei die Schichtdicke
unter 35 μm liegt.
-
Das
Initiierungselement kann auch aus Metallstrukturen wie Widerstandspasten
bestehen, beispielsweise als Palladiummixtur. In der Regel wird
sie im Siebdruckverfahren aufgetragen. Hierbei liegt die Schichtdicke
unter 500 μm.
Die Metallstruktur kann anschließend getempert werden.
-
Der
Widerstand des Initiierungselements und damit seine Zündempfindlichkeit
wird durch die Werkstoffzusammensetzung, durch die Fläche und Geometrie
der Leiterbahn, die Dicke der leitenden Schicht, durch ihre geometrische
Gestaltung sowie durch eine Kombination dieser Merkmale definiert.
Je kleiner die Leiterbahnfläche,
um so empfindlicher wird der Detonator.
-
Zur
Erreichung von Langzeitstabilität
ist es denkbar, das Initiierungselement mit Glas oder Schutzlack
zu versehen.
-
Das
Initiierungselement kann auch extern als Bauelement gefertigt und
dann auf dem Polkörper aufgebracht
werden. Weiterhin ist eine einpolige Ausführung realisierbar, bei der
ein Pol auf das Gehäuse des
Detonators gelegt wird.
-
Nachfolgend
wird der Aufbau des erfindungsgemäßen Detonators, dessen schaltbildmäßige Darstellung
in 1 mit 4 bezeichnet ist, entsprechend
eines Ausführungsbeispiels
nach 4 beschrieben.
-
Der
Detonator 20, im Schnitt dargestellt, hat ein die Ladungskammer 21 umschließendes Ladungsgehäuse 22,
bestehend aus einer Innenhülse 23 und
einer diese umschließenden
Außenhülse 24. Beide
Hülsen
bestehen vorzugsweise aus hochfestem Stahl. In die Innenhülse 23 ist
der Polkörper 2 mit dem
Initiierungselement 3 (entsprechend 1 mit 11 bezeichnet)
eingesetzt, deren Aufbau in den 2 und 3 beschrieben
worden ist. Durch die Abdichtungsmasse 25 führen die
beiden Anschlüsse 5 und 6.
-
Das
Initiierungselement 3 ist mit einer oder mehreren Lagen
insensitiven Explosivstoffen und/oder Sekundärexplosivstoffen 26 bedeckt,
der mittels Pressen verdichtet worden ist. Die Ladedichte sollte
so groß wie
möglich
gewählt
werden und insbesondere im Bereich des Initiierungselements den höchstmöglich erzeugbaren
Wert erreichen, was die Initiierung begünstigt. Über die beschriebene Anordnung
wird die Außenhülse 24 geschoben,
die mit der geladenen Innenhülse 23 zu
dem fertigen Detonator verbunden wird. Vorzugsweise erfolgt die
Verbindung durch Laserschweißung 27.
Diese Verbindung zwischen Innen- und Außenhülse kann auch formschlüssig, beispielsweise
mittels Gewinde, oder durch Bördeln
oder stoffschlüssig,
beispielsweise neben Schweißen,
durch Kleben erfolgen. Die Verbindung 27 muss eine solche
Festigkeit aufweisen, dass die Verdämmung ausreichend ist, um bei
bestimmungsgemäßer Zufuhr
der elektrischen Energie die Einleitung der Detonation sicherzustellen.
-
Durch
eine Materialreduzierung der stirnseitigen Wand der Außenhülse 24,
beispielsweise durch eine Kerbe 28 oder eine generelle
Reduzierung der Wandstärke,
wird sichergestellt, dass bei eingeleiteter Detonation eine Vorzugsrichtung
zur Detonationsübertragung
auf nachgeschaltete Zündmittel
gewährleistet
ist.
-
Eine
Abstimmung zwischen Initiierungselement Detonator und Explosivstoff
ist immer erforderlich. Detonatoren gleicher Bauart mit unterschiedlichen
Explosivstoffen und identischen Ladeparametern können unterschiedliche Zündempfindlichkeiten aufweisen.
-
Ein
Detonator der beschriebenen Bauart wird durch Anlegen einer Spannung,
vorzugsweise mittels Kondensatorentladung, gezündet. Die Funktion ist nicht
vergleichbar mit dem herkömmlichen
Verfahren der Stromzündung,
wie es durch die elektrischen Zünd-
und Anzündmittel
bekannt ist. Durch schnelle Zuführung
der elektrischen Energie wird das Initiierungselement zerstört und es
kommt aufgrund des freigesetzten, kurzen Energieimpulses zu einer Initiierung
der ersten Explosivstoffladung. Die beschriebene Initiierung führt vorteilhaft
zu einer Detonationsübertragung
auf nachgeschaltete Ladungen, wenn der Detonator einen wie in 4 beschriebenen
Aufbau aufweist. Das Gehäuse
des Detonators muss während
der Zündeinleitung
dem Druckaufbau bis zur Initiierung des Explosivstoffs standhalten.
Die stirnseitige Wand der Außenhülse des
Detonators ist in der Stärke
so zu dimensionieren, dass eine Sollbruchstelle entsteht oder es
wird durch Schwächung des
Materials gezielt eine Sollbruchstelle hergestellt, die eine Vorzugsrichtung
freigibt zur Detonationsübertragung
auf nachgeschaltete Ladungen.
-
Der
erfindungsgemäße Detonator
hat den Vorteil, dass er unempfindlich ist gegen Streuspannung und
Hochfrequenz. Die in einem Fehlerfall eingekoppelte Energie liegt
in der Regel unter der Nofire-Spannung und reicht zu einer Zündung nicht
aus. Sie wird in Wärme
umgesetzt und führt
im Extremfall zur Zerstörung
des Initiierungselements, ohne dass der Explosivstoff initiiert
wird.
-
Ein
wesentlicher Vorteil des beschriebenen initialsprengstofffreien
Detonators besteht darin, dass für
seine Zündung
keine besonderen Anforderungen an den Zündkreis zu stellen sind. Im
Gegensatz zu anderen initialsprengstofffreien Detonatoren, die auf
dem Prinzip der Draht- oder der Folienexplosion beruhen, müssen schaltungstechnische
Besonderheiten nicht berücksichtigt
werden. Beispielsweise ist bei EFI der Zündkreis niederinduktiv und
niederohmig auszulegen und zur Durchschaltung des Zündimpulses
ist ein schnelles und leistungsfähiges Schaltelement
zu verwenden. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung können elektronische
Standardbauteile benutzt werden, die Zündleitungen bedürfen keiner
besonderen Niederinduktivität.