DE2312793A1

DE2312793A1 - Piezoelektrischer zuender, insbesondere fuer geschosse

Info

Publication number: DE2312793A1
Application number: DE2312793A
Authority: DE
Inventors: Uwe Brede; Heinz Dr Gawlick
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1973-03-15
Filing date: 1973-03-15
Publication date: 1974-09-19
Also published as: IT1015846B; CH579766A5; NL7403531A; FR2221708B1; FR2221708A1; GB1453106A; US3967555A

Description

Dynamit Nobel Aktiengesellschaft, 5210 Troisdorf

Piezoelektrischer Zünder, insbesondere für Geschosse

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Zünder, insbesondere für Geschosse, mit einem Piezoelement, welches die beim Auftreffen auf ein Ziel erzeugte mechanische Stoßwelle in eine elektrische Spannung umsetzt, und über eine Schwellwertschaltung einen Detonator zündet.

Es ist bekannt, bei einem Aufschlagzünder ein Piezoelement einzusetzen, das einen Teil der beim Aufschlag entstehenden mechanischen Stoßenergie in eine elektrische Spannung umsetzt. Diese Spannung wird über ein Halbleiterbauelement mit Schwell wertverhalten an den Detonator weitergeleitet, um diesen zu zünden. Das Halbleiterbauelement sorgt dafür, daß nicht schon geringfügige Stöße und Erschütterungen zur Auslösung der Detonation führen. Derartige Zünder arbeiten ohne zusätzliche elektrische Energiequellen. Die gesamte zur Einleitung des ZUndvorganges notwendige Energie wird beim Aufschlag von dem Piezoelement aufgebracht.

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Bei derartigen Zündern ist es nicht ohne weiteres möglich, Zündsperren vorzusehen, die die Zündauslösung dann verhindern, wenn ein Stoß innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, in der eine Zündung in jedem Fall vermieden werden muß, auf das Piezoelement einwirkt. Außerdem können beim Einbau des Zünders in ein Geschoß während des Geschoßfluges keine Entsicherungen nach Verlassen einer Sicherheitszone beim Abschuß vorgesehen werden. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, die Zündung nach einer bestimmten Flugzeit des Geschosses herbeizuführen, wenn das Geschoß innerhalb dieser Zeit nicht auf ein Ziel getroffen ist oder wenn das Piezoelement nicht angesprochen hat. Wollte man diese Funktionen bei dem bekannten piezoelektrischen Zünder berücksichtigen, so müßte man zwei getrennte Stromkreise vorsehen. Dies ist jedoch aus räumlichen Gründen in den meisten Fällen nicht möglich, da bei Granatzündern kleinerer Kaliber bis 40 mm nur sehr wenig Raum für den gesamten Zünder zur Verfugung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Zünder zu schaffen, bei dem spezielle Bedingungen für die Betätigung des Detonators festlegbar sind, so daß die Sicherheit gegen ungewolltes Zünden erhöht ist, u.U. aber auch eine Zündung herbeigeführt werden kann, ohne daß das Piezoelement angesprochen hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Detonator über einen von dem Piezoelement und von mindestens einer v/eiteren Funktionagruppe schaltbarer oder blockierbaren Schalter mit einer elektrischen Stromquelle verbindbar ist.

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Die Betätigung des Detonators erfolgt hierbei energiemäßig durch die elektrische Stromquelle. Die Funktion des Plezoelementes ist auf die Steuerung des Schalters beschränkt. Außer dem Piezoelement wirken die Funktionsgruppen auf den Schalter ein..Eine dieser Funktionsgruppen kann beispielsweise die Selbstzerlegung des Geschosses herbeiführen, wenn der Zünder eine bestimmte Zeit lang nach dem Abschuß oder beispielsweise bei einer Handgranate nach der manuellen Betätigung eines ZUndauslösers nicht gezündet hat.

Ferner kann eine Funktionsgruppe für Vorrohrsicherheit und/oder eine weitere<Funktionsgruppe für Durchschlagverzögerung vorgesehen sein. Diese Funktionsgruppen sind Zeitglieder, die die Durchschaltung der elektrischen Energie von der Stromquelle zu dem Detonator während bestimmter Zeiten verhindern. Der Aufbau dieser Funktionsgruppen ist nicht Gegenstand der Erfindung.

Um eine Selbstzerlegung des Geschosses nach einer vorbestimmten einstellbaren Zeitspanne herbeizuführen, kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß die Spannung des Piezoelementes der sich zeitlich langsam oder mit Verzögerung aufbauenden Spannung einer ersten Funktionsgruppe überlagert ist, daß das Piezoelement und die erste Funktionsgruppe mit dem Steuereingang eines Schwellwertschalters verbunden sind, welcher die Stromquelle mit dem Detonator verbindet, und daß die Schaltschwelle des Sehwellwertschalters so bemessen ist, daß sie von der Spannung des Piezoelementes nur in Überlagerung mit derjenigen der erst en Funktionsgruppe überschritten wird.

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Durch die Überlagerung der Spannung des Piezoelementes mit derjenigen der ersten Funktionsgruppe erreicht man, daß in der ersten Zeit nach dem Einschalten der Stromquelle keine Zerlegung des Geschosses erfolgen kann, auch wenn ein mechanischer Stoß auf das Piezoelement einwirkt, weil die elektrische Energie des Piezoelementes allein nicht ausreicht, um die Schaltschwelle zu überwinden. Die Spannung der ersten Funktions gruppe baut sich zeitabhängig auf und unterstützt die Spannung des Piezoelementes. Die Summe beider Spannungen ist nach Ablauf der vorgesehenen Sicherheitszeit imstande, die Schaltschwelle zu überschreiten und die Zündung herbeizuführen.

Wenn man dafür sorgt, daß die Spannung der ersten Funktionsgruppe schließlich so weit ansteigt, daß sie die SchwellSpannung des Schwellwertschalters erreicht, so erhält man eine Selbstzerlegungscharakteristik des Geschosses, weil die Zerlegung unabhängig von einer Stoßeinwirkung auf das Piezoelement spätestens dann erfolgt, wenn die Schaltung der ersten Funktionsgruppe den Schwellwerk erreicht.

Die erste Funktionsgruppe läßt sich verhältnismäßig einfach aus einer RC-Schaltung herstellen, deren Ausgang mit dem Piezoelement und mit dem Steuereingang des Schwellwertschalters verbunden ist. Es genügt eine aus einem Widerstand und einem Kondensator bestehende Verzögerungsschaltung, die mit der Stromquelle verbindbar ist. Die Zeit, nach der die Selbstzerlegung erfolgt, beginnt mit dem Anschalten des RC-Gliedes an die Stromquelle. Dieses Anschalten kann durch .einen beim Abschuß des Geschosses selbs*tätig schließenden Einschalter, beispielsweise einem Beschleunigungsschalter, erfolgen.

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Konstruktiv ist der erfindungsgemäße Zünder zweckmäßigerweise so aufgebaut, daß das Piezoelement starr in die Spitze eines vorn am Geschoß angebrachten Zündkopfes eingebaut ist, und daß hinter dem Piezoelement, von diesem durch eine Wand getrennt, die elektronischen Teile der Funktionsgruppen und Schalter angeordnet sind. Dabei liegt die Stromquelle vorzugsweise hinter den elektronischen Teilen der Funktionsbaugruppen und den Schaltern.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an einem Ausfiihrungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild eines Zünders,

Fig. 2 zeigt das Schaltbild der in Fig. 1 gestrichelt umrandeten Baugruppe, und

Fig. 3 zeigt den Verlauf der elektrischen Spannungen und der mechanischen Deformationswelle nach dem Abschuß eines Geschosses bzw. dem Auftreffen auf ein Ziel.

Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit der konstruktiven Ausbildung des Zünders,

Fig. 5 zeigt schließlich das Ersatzschaltbild des Schwellwertschalters.

In Fig. 1 ist das Piezoelement mit 10 bezeichnet. Es besteht aus einem Piezokristall bzw. einer Piezotablette, deren eine Elektrode mit der Masse des ZUndergehäuses verbunden ist, während die andere Elektrode an die erste Funktionsgruppe 11 angeschlossen ist. Die erste Funktionsgruppe 11 ist ein Verzögerungsglied, das eine plötzlich über Leitung 12 angelegte Gleichspannung in eine langsam

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ansteigende Spannung umwandelt, die erst verzögert den Endwert erreicht. Dieser Spannung wird die Ausgangsspannung des Piezoelementes 10 überlagert.

Der Ausgang der ersten Funktionsgruppe 11 ist mit dem Steuereingang des Schwellwertschalters 13 verbunden, übersteigt der Spannungswert am Steuereingang 14 des Schwellwertschalters 13 die Schaltsehwelle, so schaltet der Schwellv/ertschalter die von der Stromquelle 15 kommende Leitung ΐβ zu der zu dem elektrischen Detonator führenden Leitung 18 durch, so daß der Detonator 17 gezündet wird. Eine der beiden Klemmen des Detonators 17 liegt an Masse.

Die Einschaltung der ersten Funktionsgruppe und somit der Beginn des Spannungsanstieges an ihrem Ausgang wird durch den Ein-Schalter 19 bestimmt, der unmittelbar hinter der Stromquelle 15 liegt und an den die Leitung 12 angeschlossen ist. Der Ein-Schalter 19 wird beispielsweise beim Abschuß des Geschosses aus dem Rohr selbsttätig geschlossen.

An die Stromquelle 15 sind ferner zwei weitere Funktionsgruppen 20 und 21 angeschlossen, die den Zündzeitpunkt beeinflussen. Die Funktionsgruppe 20 dient der Vorrohrsicherheit und die Funktionsgruppe 21 der Durchschlagverzögerung. Beide Funktionsgruppen 20, 21 sind Zeitglieder, die während bestimmter Zeiten die Auslösung der Zündung z.B. dadurch verhindern, daß sie die Leitung 18 des elektrischen Detonators 17 an iMasse legen oder das Anlaufen der Funktionsgruppe 11 verhindern.

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Aus Fig. 2 ersieht man den schaltungstechnischen Aufbau der ersten Funktionsgruppe 11. Diese besteht aus einem RC-Glied, dessen Kondensator 22 Über den an Leitung 12 liegenden Widerstand 23 aufgeladen wird, sobald der Ein-Schalter 19 geschlossen ist. Der Verbindungspunkt 24 von Widerstand 23 und Kondensator 22 ist einerseits mit dem Piezoelement 10 und andererseits mit dem Steuereingang 14 des Schwellwertschalters 13 verbunden.

Beim Abschuß eines Geschosses aus dem Rohr wird der Ein-Schalter 19 geschlossen. Dabei baut sich am Kondensator 22, der anfangs spannungslos ist, langsam eine Spannung auf, die „sich asymptotisch dem vollen Endwert der von der Stromquelle 15 gelieferten Spannung nähert. Der Verlauf des Spannungsanstieges an Punkt 24 ist in Fig. 3 mit 25 bezeichnet. Der Zeitpunkt des Schließens des Ein-Schalters 19 sei t .

Trifft das Geschoß zum Zeitpunkt t, auf ein Ziel auf, so ergibt sich der in Fig. 3 unten dargestellte Verlauf 26 der mechanischen Deformationswelle am Piezokristall gemäß einer gedämpften Sinusfunktion. Diese Deformationewelle, die mit der für das Material charakteristischen Schallgeschwindigkeit durch das Piezoelement 10 hindurchläuft, erzeugt mit einer Verzögerung einen entsprechenden Wechselspannungsimpuls, der zum Zeitpunkt t₂ einsetzt und der Spannung 25 an Kondensator 22 überlagert wird, so daß sich die Gesamtspannung 27 ergibt, übersteigt diese die Schaltschwelle 28 des Schwellwertschalters 13* dann erfolgt die Durchschaltung von Leitung l6 auf Leitung l8 und somit die Einleitung der Zündung. Ob

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eine Zündung erfolgt,hängt also neben der Amplitude der am Piezoelement. 10 erzeugten Spannung von der jeweiligen Amplitude der Spannung 25 ab, und somit von dem Zeitpunkt tp bzw. t.,, zu dem der Aufschlag erfolgt.

Findet kein Aufschlag des Geschosses statt, dann steip.;t die Spannung 25 weiter an, bis sie die Schwell spannung erreicht und ohne Unterstützung durch eine piezoelektrisch erzeugte Spannung die Durchschaltung am Schwell schalter 15 bewirkt. Das Geschoß zerlegt sich also nach Ablauf der Zeit t, selbst.

In Fig. 4 ist die konstruktive Ausführung eines Zündkopfes 30 im Längsschnitt ersichtlich. Der Zündkopf 30 ist zweiteilig. Er besteht aus einer nach vorn spitz zulaufenden Hülse 31, in deren Spitze 32 die Piezotablette 10 eingesetzt wird. Die Piezctablette stützt sich über eine nicht gezeigte Gegenelektrode nach hinten an der V'and 33 ab. Die Gegenelektrode ist mit den im Raum 3^ der Hülse 31 untergebrachten Funktionsbaugruppen und elektrischen und elektronischen Bauefementen elektrisch leitend verbunden.

An die Hülse 31 schließt sich nach hinten der Block 35 an. Dieser enthält in einer Ausnehmung 36 die Energieversorgung in Form der Stromquelle 15, beispielsweise einer elektrischen Batterie. Die Hülse 31 ist an den Hock 35 angeschraubt. Beide Teile sind zu diesem Zweck mit entsprechenden Gewinde versehen.

In einer Bohrung 37* die ausgehend von dem Raum 36 nach hinten führt, ist der elektrische Detonator VJ unter-

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gebracht. An die Bohrung 37 schließt sich die beispielsweise νerschwenkbare Detonatorsicherung 38 und schließlich der Booster 39 an.

Der Zündkopf 30, der vorn auf das Geschoß aufgeschraubt wird, bildet die Geschoßspitze, deren vorderstes Teil die Piezotablette in der Spitze 32 ist.

Die Piezotablette kann allerdings auch im Inneren des ZUndkopfes 30, z.B. in dem Raum 34, angeordnet sein. In diesem Fall muß der auf die Geschoßspitze einwirkende Stoß über einen Amboß oder eine Stange auf die Piezotablette übertragen v/erden. Diese muß an ihrer Rückseite fest abgestützt sein.

Der Schwellwertschalter 13 wird vorzugsweise als integrierter Baustein ausgebildet, dessen Ersatzschaltbild in Fig. 5 gezeigt ist. Die Anoden-Kathodenstrecke (Laststrecke) 4o, 4l ist durch einen Thyristor 42 in Reihe mit einer Diode 43 gebildet. An der Steuerelektrode des Thyristors liegt eine in Sperrichtung betriebene Diode 44. Bei überschreiten der natürlichen Durchbruchspannung, die zwischen 6,8 und 7,1 V liegt, wird die Diode 44 leitend und zündet den Thyristor 42.

Die Diode 43 dient zum Schutz gegen sog. Überkopfzünden. Dieses überkopfzünden tritt ein, wenn sehr steile Spannungsanstiegsverhältnisse zwischen Anode und Kathode auftreten. Bei 4o wird die Leitung l6 und bei 4l die Leitung l8 angeschlossen. Mit 14 ist der Steuereingang des Schwellwertschalters 13 bezeichnet.

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Die Erfindung ermöglicht es, Zünder mit je nach den Erfordernissen des Einzelfalles unterschiedlichem ZUndverhalten herzustellen und die Sicherheit gegen unbeabsichtigtes Ansprechen und fehlerhaftes Unterbleiben der Zündung zu vermeiden. "

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Claims

2317793 - 11 Ansprüche

1. Piezoelektrischer Zünder, insbesondere für Geschosse, mit einem Piezoelement, welches die beim Auftreffen auf ein Ziel erzeugte mechanische Stoßwelle in eine elektrische Spannung umsetzt und über eine Schwellwertschaltung einen Detonator zündet, dadurch gekennzeichnet, daß der Detonator (17) über einen von dem Piezoelement

(10) und von mindestens einer weiteren Funktionsgruppe

(11) schaltbaren oder blockierbaren Schalter (13) mit einer elektrischen Stromquelle (15) verbindbar ist.

2. Zünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Piezoelementes (lO) der sich zeitlich langsam oder mit Verzögerung aufbauenden Spannung (25) einer ersten Punkt ions gruppe (11) überlagert ist, daß das Piezoelement (10) und die erste Punktionsgruppe (11) mit dem Steuereingang eines Schwell wertschalters (IJ) verbunden sind, welcher die Stromquelle (15) mit dem Detonator (17) verbindet, und daß die Schaltschwelle des Schwellwertschalters so bemessen ist, daß sie von der Spannung des Piezoelementes nur in Überlagerung mit derjenigen der ersten Funktionsgruppe überschritten wird.

3. Zünder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Funktionsgruppe (11) aus einer RC-Schaltung besteht, deren Ausgang mit dem Piezoelement (lo) und mit dem Eingang (l4) des Schwellwertschalters (13) verbunden ist.

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4. Zünder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (2-5) der ersten Funktionsgruppe (11) nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne die Schwell spannung (28) des Schwellwertschalters (ll) erreicht.

5. Zünder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen
die Funktionsgruppen (11, 20, 21) beim Abschuß mit der Stromquelle (15) verbindenden Ein-Schalter (19)·

6. Zünder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (10) starr in die Spitze eines vorn am Geschoß zu befestigenden Zündkopfes (30) eingebaut ist, und daß hinter dem Piezoelement, von diesem durch eine Wand (33) getrennt,

die elektronischen Teile der Funktionsgruppen (11, 20, 21) und Schalter (13) angeordnet sind.

7. Zünder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den elektronischen Teilen der Funktionsgruppen
und den Schaltern die Stromquelle (15) angeordnet ist.

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