DE3901882A1 - Durch sprengen trennbares bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein durch Sprengen trennbares Bauelement, also ein System, bei welchem Bauteile mit Hilfe einer Explosion getrennt werden.

Explosionstrenneinrichtungen werden vielseitig ver­ wendet, beispielsweise beim Abtrennen von Raketen­ stufen und bei der Freigabe von Mehrfachsprengköpfen. Bei solchen Einrichtungen ist die Kontrolle der De­ tonation wesentlich, um eine zerstörungsfreie voll­ ständige Trennung der Komponenten zu erreichen. Weiterhin muß der Aufbau fest genug sein, um vorge­ gebene Lasten bis zum gewünschten Trennungszeitpunkt tragen zu können.

Bei den Explosionstrenneinrichtungen wird gewöhnlich eine Sprengladung in einem Metallrohr benutzt, das sein Volumen und/oder seine Form ändert, ohne beim Detonieren der Ladung zu zerreißen. Das durchzu­ trennende Bauelement ist durch eine Nut oder Einker­ bung geschwächt, die sich längs der gewünschten Trenn­ linie erstreckt. Das den Sprengstoff enthaltene Rohr ist angrenzend an diese Schwächungslinie angeordnet (US-A-34 86 410 und 36 98 291). Das Bauelement wird durch eine Kombination von Scher-, Zug- und Biegekräften beim Detonieren der Sprengladung durchtrennt. Bei solchen Einrichtungen besteht das Problem, daß die Einkerbung oder Nut zwar die Größe der für die Trennung erforderlichen Sprengkraft verringert, jedoch eine zu starke Schwächung des Bauteils vermieden werden muß, die zu einem vorzeitigen Ausfall durch Einwirkung vorgegebener struktureller Belastungen führen könnte. Wenn die Einkerbung oder Nut nicht tief genug ist, kann es erforderlich werden, daß die Größe der Sprengkraft bis zu einem Punkt gestei­ gert wird, an dem das expandierbare Rohr zerreißen und die Bauteile bei der Detonation beschädigen kann.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein durch Sprengen trennbares Bauelement zu schaffen, bei welchem die Beschränkungen und Nach­ teile der bekannten Einrichtungen vermieden werden und das in wirksamer Weise durchtrennt werden kann und dabei höhere strukturelle Belastungen als die bisher bekannten Einrichtungen aufnehmen kann.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 5, 9 und 14 angegebenen Merkmalen gelöst, die in den zugehörigen Unteransprüchen vorteilhaft weiter­ gebildet sind.

Das erfindungsgemäße durch Sprengen trennbare Bau­ element hat in der speziellen Ausgestaltung zwei Schwächungsbereiche in jedem der zu trennenden Bau­ teile, und zwar einen dort, wo die Trennung erfolgen soll, und den anderen im Abstand davon. Der zweite Schwächungsbereich ist fester als der erste. Die Sprengladung ist zwischen den beiden Bereichen ange­ ordnet. Bei der Detonation der Sprengladung biegt sich das Bauteil in dem festeren Bereich weg, nachdem es vorher durch Scheren und Biegen in dem schwächeren Bereich durchbrochen worden ist. Die Schwächungsbe­ reiche werden von Paaren von Einkerbungen oder Nuten gebildet, die symmetrisch bezüglich einander auf den gegenüberliegenden Seiten eines jeden Bauteils angeordnet sind.

Anhand einer Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel eines durch Sprengen trennbaren Bauelements im Schnitt gezeigt ist, wird die Erfindung näher erläutert.

Bei dem in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Bauteile 11, 12 vorgesehen, beispielsweise Stirnwände an benachbarten Raketenstufen, die anfäng­ lich miteinander verbunden sind, jedoch getrennt werden sollen. Die beiden Bauteile 11 und 12 sind miteinander durch ein Paar von Platten 13, 14 verbunden, die sich zwischen den beiden Bauteilen 11 und 12 auf ihren gegenüberliegenden Seiten erstrecken. Die Platten 13, 14 sind an den Bauteilen 11, 12 durch geeignete Be­ festigungsmittel, wie Zapfen 15, 16 festgelegt. Die Bauteile 11, 12 und die Platten 13, 14 können jede gewünschte Form haben, beispielsweise ebenflächig oder zylindrisch sein, wobei die Zapfen 15, 16 im Abstand längs der sich überlappenden Abschnitte der jeweiligen Bauteile 11, 12 und Trennplatten 13, 14 angeordnet sind.

In dem zwischen den Platten 13, 14 und den gegenüber­ liegenden Enden der Bauteile 11 und 12 gebildeten Raum ist ein durch Sprengen expandierbares Rohr 17 ange­ ordnet. Das expandierbare Rohr 17 ist in herkömmlicher Weise gebaut und hat eine Sprengschnur 18 innerhalb eines Metallrohrs 19, das insgesamt im Querschnitt ovalförmig ist, also zwei ebene Seiten und zwei abge­ rundete Seiten aufweist.

Zwischen den abgerundeten Seiten des Metallrohrs 17 und den Enden der Bauteile 11, 12 ist ein Dämpfungs­ material 21, beispielsweise ein Kunstschaum oder ein anderes Weichpolymer angeordnet, um zu verhindern, daß das Rohr 17 auf die Teile während der Aktivierung des expandierbaren Rohrs 17 stößt. Ein solcher Stoß würde zu einer Abflachung oder Spitzenbildung der Rohrwand führen, wodurch die Wand geschwächt würde und reißen könnte. Die Isolierung der Sprengein­ richtung trägt somit dazu bei, eine Beschädigung des Rohrs 17 selbst sowie des es umgebenden Aufbaus zu verhindern. Gewünschtenfalls kann eine Vielzahl gesonderter Distanzstücke oder eine oder mehrere Federn, beispielsweise flache Metallfedern anstelle einer durchgehenden Schicht des Dämpfungsmaterials verwendet werden, um die gewünschte Isolierung und Abfederung zu erhalten.

Jede der Trennplatten 13, 14 hat zwei Schwächungsbe­ reiche 23, 24, die in einer außermittigen Lage bezogen auf das expandierbare Rohr 17 und auf gegenüberliegenden Seiten des Rohrs 17 angeordnet sind. Die Bereiche 23 sind dabei schwächer als die Bereiche 24. Beim Sprengen werden die Platten 13, 14 um die stärkeren Bereiche 24 nach dem Durchtrennen der schwächeren Bereiche 23 verschwenkt und abgebogen.

Jeder der Schwächungsbereiche 23 wird von einem symme­ trischen Paar von Einkerbungen oder Nuten 26 gebildet, die an der Innen- und Außenseite der Platte, in der sie ausgebildet sind, münden. Jeder der Bereiche 24 wird von einem Paar von Einkerbungen oder Nuten 27 gebildet, die auf der Innen- und Außenseite der Platte, in der sie ausgebildet sind, münden. Die Einkerbungen oder Nuten 26 bzw. 27 in jedem der Schwä­ chungsbereiche 23 bzw. 24 liegen einander symmetrisch gegenüber. Die Stärke h der Platten 13, 14 in den Bereichen 23 ist geringer als die Stärke h′, d. h. h < h′, so daß die Platten 13, 14 in den Bereichen 24 fester als in den Bereichen 23 sind. Somit werden bei der Detonation der Sprengladung in dem expandierbaren Rohr 17 die Platten 13, 14 in den Bereichen 24 abgebogen und in den Bereichen 23 durchbrochen. Das Durchbrechen erfolgt hauptsächlich durch eine Kombination von Scherung und Biegung, wobei die Abschnitte 31 der Platten 13, 14 zwischen den beiden Schwächungsbereichen 23, 24 in Auswärtsrichtung gebogen werden, was in der Zeichnung gestrichelt dargestellt ist.

Die Abschnitte 31 der Platten 13, 14 zwischen den Schwächungsbereichen 23, 24 sind dicker als die anderen Abschnitte der Platten 13, 14. Diese zusätzliche Dicke gewährleistet, daß das expandierbare Rohr 17 nur gegen die Abschnitte der Platten 13, 14 andrückt, die ausge­ brochen werden sollen, was dazu beiträgt, Schäden an anderen Abschnitten des Bauelements zu verhindern, wenn die Einrichtung aktiviert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Abschnitte 31 in der Größen­ ordnung von 30 bis 35% dicker als der Rest der Platten 13, 14. Sie können dicker oder dünner sein, solange sie dick genug sind, um zu gewährleisten, daß sie die einzigen Abschnitte der Platten 13, 14 sind, gegen die durch das expandierbare Rohr 17 gedrückt wird. Die Positionierung der Einkerbungen oder Nuten 26, 27 ist für die richtige Arbeitsweise der Einrichtung wesentlich. Es sind alle Einkerbungen oder Nuten zu der Mittellinie des expandierbaren Rohres 17 ver­ setzt. Die Einkerbungen oder Nuten 26 sind so posi­ tioniert, daß ihre unteren Seiten nicht höher als der Berührungspunkt zwischen den ebenen Seiten und den oberen abgerundeten Seiten des Rohres 17 und vorzugsweise unter diesem Punkt liegen. Die Ein­ kerbungen oder Nuten 27 sind so nahe wie möglich an den Zapfen 16 positioniert, ohne daß dadurch die Installierung und/oder Funktion der Zapfen beein­ trächtigt wird. Eine Reduzierung des Abstands zwischen den Einkerbungen oder Nuten und den Zapfen 16 auf ein Minimum gewährleistet, daß das Bauelement außer­ halb des Bereichs, der für das Wegbrechen ausgelegt ist, so stark wie möglich ist.

Durch die außermittige Positionierung der Einkerbungen 26 bezüglich des expandierbaren Rohrs 17 ergibt sich eine Kombination aus Scherung und Biegung in den Platten an den Einkerbungen, so daß weniger Spreng­ energie erforderlich ist, verglichen mit Einrichtungen, bei denen sich die Einkerbungen angrenzend an die Mitte des Rohres befinden und bei denen die Bauteile durch eine Kombination von Zug und Biegung durchbrochen werden.

Die Verwendung von symmetrisch positionierten Doppel­ einkerbungen zur Bildung von Schwächungsbereichen gibt den Platten 13, 14 in stärkerem Maße die Fähig­ keit, axiale Belastungen aufzunehmen und Biegemomenten zu widerstehen, was durch die Pfeile 32 bzw. 33 ver­ anschaulicht ist, als dies der Fall sein würde, wenn nur einzelne unsymmetrische Einkerbungen verwendet würden. Die Doppeleinkerbungen beseitigen ein un­ symmetrisches Belasten der Platten an den Einkerbungen mit der Folge, daß Zug- und Druckbelastungen nur Zug- und Druckspannungen in den Schwächungsbereichen 23 erzeugen. Mit Einzeleinkerbungen würden Zug- oder Druckbelastungen zusätzlich Biegespannungen erzeugen und die Platten müßten mindestens zweimal so dick in den Schwächungsbereichen sein, um die gleichen Zug- und Druckbelastungen aufnehmen zu können. Die Größe der Sprengenergie zum Durchtrennen der Platten ist abhängig von der Dicke der Platten. So ist verglichen mit Einzelnutplatten der gleichen strukturellen Festig­ keit wesentlich weniger Sprengkraft zum Durchtrennen der Doppelnutplatten erforderlich. Mit anderen Worten, die Doppelnutplatten sind wenigstens zweimal so fest wie die Einzelnutplatten mit der gleichen Stegstärke h.

Die zusätzlichen Schwächungsbereiche 24, die als Scharniere wirken, um welche die abgetrennten Abschnitte während des Sprengens leichter gebogen oder verschwenkt werden können, reduzieren weiterhin die Größe der zum Durchtrennen und Verschwenken der Platten erforder­ lichen Sprengenergie. Mit den Scharnieren und den außermittigen Doppeleinkerbungen ist verglichen mit der Anbringung einer einzigen zentrierten Einkerbung nur etwa halb so viel Sprengenergie zum Durchtrennen der Platten mit einer vorgegebenen strukturellen Festigkeit erforderlich.

Das Dämpfungsmaterial 21 oder andere Abfederungsein­ richtungen isolieren und schützen die relativ weichen abgerundeten Seiten des expandierbaren Rohrs 17 gegen­ über steiferen Bauteilen und verhindern ein Schwächen und mögliches Reißen des Rohres 17 in diesen Bereichen während der Sprengung.

Die durch die Dämpfungseinrichtung geschaffene Iso­ lierung und die Verringerung der Größe der zum Trennen der Platten erforderlichen Sprengenergie tragen auch dazu bei, die Hochfrequenzschwingungen oder den Pyro­ schock zu verringern, die bzw. der in dem umgebenden Aufbau bei Aktivierung der Sprengung in dem expandier­ baren Rohr erzeugt werden bzw. wird. Diese Vibrationen können für eine elektronische, optische oder mechanische Ausrüstung, die mit dem Bauelement verbunden ist, schädlich sein. Die Reduzierung der Vibrationen ermög­ licht es, das durch Sprengen trennbare Bauelement in einem weiteren Anwendungsbereich zusätzlich zur Trennung von Raketenstufen und zum Zerlegen von Mehrfachspreng­ köpfen einzusetzen.

Bei manchen Anwendungen möchte man keine Schwächungs­ bereiche 24 und somit Platten 13, 14 haben, die nur die Schwächungsbereiche 23 aufweisen. Dies erfordert zwar eine etwas stärkere Sprengladung, beispielsweise um etwa 10% oder weniger, als bei den Einsätzen, bei denen die zusätzlichen Schwächungsbereiche verwendet werden.

Claims (18)

1. Durch Sprengen trennbares Bauelement, gekenn­ zeichnet durch einen Plattenteil (13, 14), ein Paar von fluchtend ausgerichteten Einkerbungen (26), die symmetrisch zueinander auf gegenüberliegenden Seiten des Plattenteils (13, 14) angeordnet sind und einen Schwächungsbereich (23) zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt des Plattenteils (13, 14) bilden, und durch eine Sprengeinrichtung (17) zum Anlegen einer seitlich gerichteten Kraft an dem Plattenteil (13, 14), um die Trennung des ersten und zweiten Abschnitts in dem Schwächungsbereich (23) zu bewirken.

2. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Plattenteil (13, 14) eine Nut (27) ausgebildet ist, die einen Schwächungsbereich (24) bildet, um den das Plattenteil (13, 14) beim Aktivieren der Sprengeinrichtung (17) gebogen werden kann.

3. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengeinrichtung ein seitlich expandierbares Rohr (17) aufweist, daß seitlich angrenzend an das Plattenteil (13, 14) in einer Lage positioniert ist, die zu dem Schwächungsbereich (23) versetzt ist.

4. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine angrenzend an das expandierbare Rohr (17) angeordnete Dämpfein­ richtung (21), die einen Stoß des Rohres (17) gegen andere Abschnitte des Bauelements verhindert.

5. Durch Sprengen trennbares Bauelement, gekenn­ zeichnet durch ein erstes Plattenteil (13) und ein zweites Plattenteil (14), die im Abstand angeordnet sind, durch ein Paar von fluchtend ausge­ richteten Einkerbungen (26) in jedem der Plattenteile (13, 14), die sich auf den gegenüberliegenden Seiten öffnen und Schwächungsbereiche (23) zwischen einem ersten und einem zweiten Abschnitt eines jeden Platten­ teils (13, 14) bilden, und durch eine Sprengeinrichtung (17), die zwischen den Plattenteilen (13, 14) zum Ausüben einer seitlich gerichteten Kraft auf die Plattenelemente (13, 14) positioniert ist, um eine Trennung des ersten und zweiten Abschnitts der Platten­ teile (13, 14) in den Schwächungsbereichen (23) zu bewirken.

6. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Paar von Nuten (27), die symmetrisch zueinander auf gegen­ überliegenden Seiten eines jeden Plattenteils (13, 14) angeordnet sind und Schwächungsbereiche (24) bilden, um die sich die Plattenteile (13, 14) bei Aktivierung der Sprengeinrichtung (17) biegen können.

7. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengeinrichtung ein seitlich expandierbares Rohr (17) aufweist, das in seiner Lage zu den Schwä­ chungsbereichen (23, 24) versetzt ist.

8. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Dämpfein­ richtung (21), die zwischen den Plattenteilen (13, 14) angrenzend an das expandierbare Rohr (17) ange­ ordnet ist, um einen Stoß des Rohrs (17) gegen andere Abschnitte des Bauelements zu verhindern.

9. Durch Sprengen trennbares Bauelement, ge­ zeichnet durch ein Bauteil (13, 14), welches einen ersten Abschnitt (11) und einen zweiten Abschnitt (12) aufweist, die voneinander zu trennen sind, durch einen ersten Schwächungsbereich (23) in dem Bauteil (13, 14) zwischen dem ersten Abschnitt (11) und dem zweiten Abschnitt (12), durch einen zweiten Schwächungs­ bereich (24), der im Abstand von dem ersten Schwächungs­ bereich (23) angeordnet ist und eine größere Festigkeit als der erste Schwächungsbereich (23) hat, und durch eine Sprengeinrichtung (17) zum Anlegen einer Kraft an das Bauteil (13, 14) zwischen dem ersten Schwächungs­ bereich (23) und dem zweiten Schwächungsbereich (24), um das Bauteil (13, 14) in dem zweiten Schwächungs­ bereich (24) zu biegen und um das Bauteil (13, 14) in dem ersten Schwächungsbereich (23) zu durchbrechen, damit der erste Abschnitt (11) und der zweite Ab­ schnitt (12) des Bauteils (13, 14) getrennt werden.

10. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil eine Platte (13, 14) mit einem Paar von fluch­ tend ausgerichteten Einkerbungen (26) aufweist, die symmetrisch auf ihren gegenüberliegenden Seiten ange­ ordnet sind und den ersten Schwächungsbereich (23) bilden.

11. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 9 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (13, 14) ein Paar von fluchtend ausge­ richteten Nuten (27) aufweist, die auf ihren gegen­ überliegenden Seiten symmetrisch angeordnet sind und den zweiten Schwächungsbereich (24) bilden.

12. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sprengeinrichtung ein seitlich expan­ dierbares Rohr (17) aufweist, das seitlich angrenzend an das Bauteil (13, 14) zwischen den Schwächungsbe­ reichen (23, 24) angeordnet ist.

13. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Dämpf­ einrichtung (21) angrenzend an das expandierbare Rohr (17), um einen Stoß des Rohrs (17) gegen andere Abschnitte des Bauelements zu verhindern.

14. Durch Sprengen trennbares Bauelement, ge­ kennzeichnet durch ein Paar von insgesamt parallelen Bauteilen (13, 14), von denen jedes einen ersten Abschnitt (11) und einen zweiten Abschnitt (12) aufweist, die voneinander zu trennen sind, durch einen ersten Schwächungsbereich (23) in jedem der Bauteile (13, 14) zwischen dem ersten Abschnitt (11) und dem zweiten Abschnitt (12), durch einen zweiten Schwächungsbereich (24), der im Abstand von dem ersten Schwächungsbereich (23) in jedem der Bauteile (13, 14) vorgesehen ist und eine größere Festigkeit als der erste Schwächungsbereich (23) aufweist, und durch eine Sprengeinrichtung (17), die zwischen den Bauteilen (13, 14) zum Anlegen einer Kraft an die Bauteile (13, 14) zwischen dem ersten Schwächungsbereich (23) und dem zweiten Schwächungsbereich (24) angeordnet ist, um jedes der Bauteile (13, 14) in dem zweiten Schwächungsbereich (24) zu biegen und um jedes der Bauteile (13, 14) in dem ersten Schwächungsbereich (23) zu durchbrechen, um eine Trennung des ersten Abschnitts (11) und des zweiten Abschnitts (12) der Bauteile (13, 14) zu bewirken.

15. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile Platten (13, 14) aufweisen, von denen jede ein Paar von fluchtend ausgerichteten Einker­ bungen (26) aufweist, die symmetrisch auf ihren gegen­ überliegenden Seiten angeordnet sind und den ersten Schwächungsbereich (23) bilden.

16. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Platten (13, 14) ein Paar von Nuten (27) aufweist, die symmetrisch zueinander auf den gegenüberliegenden Seiten der Platte (13, 14) angeordnet sind und den zweiten Schwächungsbereich (24) bilden.

17. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Sprengeinrichtung ein seitlich expan­ dierbares Rohr (17) aufweist, daß zwischen den Schwä­ chungsbereichen (23, 24) in den jeweiligen Bauteilen (13, 14) angeordnet ist.

18. Durch Sprengen trennbares Bauelement nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Dämpfein­ richtung (21) angrenzend an das expandierbare Rohr (17), um einen Stoß des Rohrs (17) gegen andere Ab­ schnitte des Bauelements zu verhindern.