1. Einleitung
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Die internationale Staatengemeinschaft sieht sich der
Problematik der Räumung von Millionen von Antipersonenminen
gegenüber, die ausgedehnte Landstriche vieler Länder
bedrohen und zu Verletzungen und Todesfällen führen, die die
Existenz von Familien in diesen Gegenden gefährden. Die
Explosion von Panzerabwehrminen, gegen Personen gerichteten
Landminen, versteckten Minen und Sprengfallen hat zu
ungewolltem menschlichen Leid und Verletzungen bei einer
steigenden Zahl von Zivilisten geführt. Betroffen sind vor
allem Frauen und Kinder, insbesondere nach dem Ende der
Kampfhandlungen. Darüber hinaus haben Landminen dazu
geführt, daß weite Flächen wertvollen und bewirtschaftbaren
Ackerlandes brach liegen, was zu desaströsen
wirtschaftlichen Problemen für Regionen und einzelne Gemeinden führt.
Der wirtschaftliche Druck führt zu einer steigenden
Gefährdung der ländlichen Bevölkerung, die schließlich trotz der
Gefahr keine Wahl hat, als weiterhin die mit
Explosivkampfmitteln verseuchten Felder zu bestellen. Die ohnehin
schwierigen Friedensvereinbarungen und
Schlichtungsaktivitäten, die in der Anfangsphase gemeinschaftlicher Versuche
zur Schaffung eines dauerhaften Friedens immer unter dem
Druck eines möglichen Mißerfolgs stehen, werden durch die
Minenverteilung zusätzlich erschwert. Die teure
medizinische Behandlung von durch Minen verursachten Unfällen
erhöht den Druck auf Gesundheitssysteme, die oft nur
rudimentär ausgebildet sind, und die Behandlung- und
Rehabilitationskosten für Überlebende steigen weiter an. Der
traumatische Einfluß, den diese Verletzungen und Todesfälle auf die
Bevölkerung haben, ist nicht meßbar und stellt die am
meisten störende Erfahrung für Mitarbeiter humanitärer
Hilfsorganisationen dar. Die vor allem durch fortdauernde
Bürgerkriege bedingte große Anzahl von Landminen, Sprengfallen
und fehlgezündeten Artilleriegranaten, die jetzt in mehr
als 60 Ländern verstreut liegen, hat in den letzten Jahren
zu einem zunehmenden Engagement seitens der internationalen
Staatengemeinschaft geführt, das zu einem Bann der
Benutzung von Landminen geführt hat.
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Das weltweite Verbot von Antipersonenminen ist zweifellos
aufgrund der vorstehend aufgeführten erdrückenden Beweise
völlig gerechtfertigt. Jedoch erfordern die in zunehmendem
Maße stattfindenden Missionen zur Friedenssicherung,
Konfliktentschärfung und Beendigung von Bürgerkriegen neue
Verfahren zur Schaffung von Absperrungen und Hindernissen,
die ein ungewolltes Passieren von Personen oder Fahrzeugen
verhindern und Sperrgebiete absichern können. Für den Fall,
daß derartige Verfahren nicht verfügbar sind, resultiert
ein hoher Personalbedarf, der schnelles Handeln aufgrund
der logistischen und finanziellen Anforderungen sehr
schwierig macht. Diese Tatsache bedingt
Entscheidungsverzögerungen auf politischer Ebene, die oft zu Komplikationen
und Vertiefungen der Konflikte führen.
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Die anzustrebenden Lösungen müssen eine Effizienz
aufweisen, die mit der der verbotenen Minen vergleichbar ist und
sollten deshalb die folgenden Gesichtspunkte beinhalten:
- - Aussenden eines akustischen und/oder optischen
Alarmsignals,
- - Anzeigen des Ereignisses und
- - substantielle Behinderung vorrückender Personen oder
Fahrzeuge.
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In jedem Fall müssen jedoch die Prinzipien nicht-letaler
Wirkmittel berücksichtigt werden, um bleibende Schäden bei
betroffenen Personen, insbesondere bei Frauen und Kindern,
auch nach Ende der Einwirkung sicherzustellen.
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Die hier dargestellten Ergebnisse treffen die Anwendung von
Airbags als nicht letale Sperren in einem allgemeinen Sinn.
2. Airbags als nicht letale Sperren
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Die seit 1991/92 als serienmäßiges Zubehör in
Kraftfahrzeugen eingeführten Airbags haben die Sicherheit von
Passagieren und Fahrern bei Unfällen stark verbessert. Mehr als
1000 Menschenleben werden dadurch allein in Deutschland
jährlich gerettet. Verletzungen wurden vollständig
vermieden oder in ihrem Grad deutlich vermindert.
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Derartige Airbags zeigen eine hohe Effizienz beim
Entfalten, wodurch Personen geschützt werden. Allerdings ist
damit ein ernstzunehmender Stoß verbunden, insbesondere wenn
die entsprechenden Personen sich nicht in der normalen
Sitzposition befinden, obwohl bleibende Verletzung
normalerweise vermieden werden (siehe Fig. 1). Die gaserzeugende
pyrotechnische Mischung brennt schnell ab, bewirkt einen
lauten Knall und erzeugt Teilchenwolken während des
Aufblasens. Die letztgenannten Effekte lassen sich aus großer
Entfernung sowohl akustisch als auch optisch
identifizieren.
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Aus diesem Grund können Airbags als Vorrichtungen angesehen
werden, die in optimaler Weise geeignet sind, heutzutage
verwendete Absperrvorrichtungen zu ersetzen, da sie alle
Gesichtspunkte beinhalten, die bezüglich Absperrungen für
Sperrgebiete zu fordern sind, und da sie sich darüber
hinaus in völliger Übereinstimmung mit den Prinzipien der
Nicht-Letalität befinden. Eine geringe Anzahl von Unfällen
ist bekannt geworden, bei denen negative Auswirkungen
beobachtet wurden. Derartige Erfahrungen können durch
Verwendung intelligenter Geräte berücksichtigt werden, zu denen
Sensoren sowie ein abstimmbarer und an die Situation
angepaßter Auffaltvorgang gehören.
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Die der Modifizierung von Airbagsystemen zwecks einer
Verwendung als nicht letale Sperren zugrundeliegenden Aufgaben
sind demnach:
- - Anpassen der Größe, der Aufblas-Geschwindigkeit und der
Geometrie an die Anforderungen der Sperre, die am Boden
oder an Gebäuden angeordnet werden sollte.
- - Vorsehen intelligenter Systeme zur intelligenten und
flexiblen Reaktion auf das Airbagsystem auslösende
Ereignisse.
- - Verringerung toxischer und umweltschädlicher Einflüsse
durch Verwendung azid-freier Treibsatz-Mischungen.
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In einer detaillierten Fassung betreffen die
Aufgabenstellungen:
- - Die Gasgenerator-Mischung für ein Zweikammer-
Airbagmodul: Ein variabler Gasausstoß sollte die
Umstände des Entfaltens und die Position einer Person
oder eines Fahrzeugs berücksichtigen. Das Airbagsystem
sollte sich je nach Beurteilung der Situation entweder
allmählich oder aggressiv entfalten.
- - Die Mischung sollte aus umweltfreundlichen Materialien
bestehen und in der Herstellung und dem Umgang
wirtschaftlich sein.
- - Sensoren und elektronische Steuereinheiten zur Analyse
der Entfalt-Situation im Zuge eines hochentwickelten
Risiko-Managements sowie zum Auslösen eines geeigneten
Gasausstoßes der beiden Stufen durch das Zünden nur
einer oder beider Stufen innerhalb variabler
Zeitintervalle.
- - Funktionstests in Annährung an reale Ereignisse und die
Rückwirkung derartiger Tests auf die Entwicklung von
Gasgeneratoren und Sensoren.
3. Situationsbezogenes Reaktionskonzept
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Die Anforderungen insbesondere an intelligente
Sperrensysteme wurden untersucht; ausgearbeitetes Grundlagenwissen
war nicht verfügbar.
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Das Hauptergebnis war eine Ereignismatrix, die als
Nachschlage-Tabelle verwendet werden kann, und die es der
elektronischen Steuer-Einheit ermöglicht, eine Entscheidung
über das Auslösen des Airbags in Abhängigkeit von den
Entfernungen oder der Situation betroffener Personen zu
treffen. Berücksichtigt werden müssen hierbei eine Stärke der
Reaktion, Auftreffwinkel, Personengröße, Position.
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Unter einer "normalen" Position ist zu verstehen, daß eine
Person oder ein Fahrzeug die Airbagsperre innerhalb deren
Entfaltungs-Reichweite, jedoch nicht direkt am Ort des
Airbags selbst passiert. Die Personen können sich hinsichtlich
ihrer Größe und ihres Gewichts unterscheiden und können
unterschiedliche Geschwindigkeiten der Bewegung aufweisen.
Das Sensorsystem sollte in der Lage sein, diese Situation
zu erkennen. Der Abstand der Person vom Airbag wurde in
vier Bereiche unterteilt, in denen die Steuereinheit in
Abstimmung mit der tatsächlichen Position und Situation
reagieren sollte (siehe Tabelle 1).
Tabelle 1
Risikobereiche und -situationen einer
Aribagsperre
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Die Eigenbewegung der Person oder des Fahrzeugs sollte
mitberücksichtig werden. Das Auffalten eines heutzutage
üblichen Airbags für Fahrer von Kraftfahrzeugen geschieht
innerhalb etwa 40 ms. Für Seitenairbags beträgt die Auffalt-
Zeit etwa die Hälfte dieses Wertes. Eine gesteuerte
Reaktion sollte schätzungsweise innerhalb von 10 ms erfolgen. Die
Sensorsignale müssen deutlich schneller sein.
4. Entwicklung von Sensoren und elektronischer
Steuereinheit
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Die Grundlagen der Sensortechnologie könnten dieselben
sein, wie sie auch vielen anderen Anwendungen
zugrundeliegen. Sie könnten beinhalten:
- - Optische (Laser-)Techniken im nahen infraroten (NIR)
Wellenlängen-Bereich wie etwa Lichtschranken,
Lichtvorhänge, möglicherweise mit räumlicher Abtastung,
- - Ultraschall-Sender und -detektoren,
- - Mikrowellen-Sensoren,
- - Berührungs- und Gewichtssensoren,
- - Verformungs-Sensoren sowie
- - Videotechniken im sichtbaren und infraroten (NIR, IR)
Wellenlängen-Bereich mit und ohne Beleuchtung.
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Aufgrund einer Untersuchung verschiedener Techniken wurde
eine Beobachtung mittels einer CCD- und CMOS-Kamera mit
einer Beleuchtung von Personen und Bildaufbereitung
ausgewählt und detailliert untersucht (siehe Fig. 2). Diese Art
der Beobachtung erfüllt die Kriterien, wäre jedoch nur in
sehr wichtigen Bereichen wie Eingangsbereichen, Gängen,
Tunneln usw. sinnvoll einzusetzen. Ein Testaufbau läßt sich
installieren, um die Anforderungen an den optischen Sensor
zu definieren und um die optimale Position für einen
optimalen Betrieb im Fahrzeug aufzufinden. Die Tests sollten an
Testpuppen (Dummies) ausgeführt werden. Die
Entfernungsmessung erfolgt hinsichtlich eines ausgezeichneten Bereichs
auf der Testpuppe und eines Referenzpunkts. Der Fehler der
Entfernungsmessung nimmt umgekehrt proportional zur
Entfernung vom Sensorsystem zu. Dies ist akzeptabel, da die
Notwendigkeit präziser Messungen vordringlich in der Nähe des
Airbags gegeben ist, der darüber hinaus in der Nähe der
Sensor-Position angeordnet sein sollte. Zusätzlich kann die
Größe einer Person abgeschätzt werden. Im allgemeinen
besteht ein Zusammenhang zwischen dem Auflösungsvermögen des
optischen Sensorsystems, der Auslesezeit, der
Datenverarbeitungszeit und dem Preis. Allerdings lassen sich die
Erholungs-Raten der Sensoren mit einem Niedrigpreis-System
erreichen. Erholungs-Raten von 20 ms oder sogar 10 ms für
einen Datentransfer zur elektronischen Steuereinheit lassen
sich mit verbesserten, bereits verfügbaren Prozessoren
erreichen, wurden aber noch nicht realisiert. Ein möglicher
Vorteil besteht darin, unmittelbar vor dem Auffalt-Vorgang
aufgenommene Bilder zu speichern. Dadurch wäre es möglich,
die zum Auffalten führende Situation zu identifizieren.
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Die Entfernungsmessung basiert auf einem Triangulations-
Verfahren, das die Bewegung einer ausgewählten Stelle auf
der empfindlichen Fläche der CCD-Kameras analysiert. Die
Bildverarbeitung geschieht wie folgt:
- - Zwei Bereiche werden ausgewählt, innerhalb derer die
Bilder verglichen werden sollen.
- - Ein normalisierter Wert eines mittleren quadratischen
Fehlers MSE dieser Bereiche wird berechnet, indem die
Intensitätsunterschiede entsprechender Pixel
quadratisch summiert werden.
- - Der Bereich wird über die volle Detektorfläche
verschoben, um Stellen mit kleine MSE-Werten zu finden, die
eine Ähnlichkeit von Bildern anzeigen.
- - Die Pixelzahl, um die der Bereich bis zum Erreichen der
Ähnlichkeit verschoben werden mußte, steht in Beziehung
zur Entfernung des zu analysierenden Objektes.
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Die elektronische Steuereinheit muß den Auffalt-Vorgang auf
der Grundlage von Informationen, die durch den
Identifizierungs-Sensor zur Verfügung gestellt werden, freigeben. Die
Steuereinheit beinhaltet elektrische Leistungstreiber zum
Auslösen der Zündkapseln, die die zweistufigen
Aufblaseinrichtungen zünden. Die Hardware der elektronischen
Steuereinheit ECU muß die folgenden Aufgaben ausführen:
- - Verarbeiten der Sensorsignale, die vom optischen
Identifizierungs-Sensor übermittelt werden, sowie weiterer
gespeicherter Informationen.
- - Ausführen des Evaluations-Algorithmus' zum Analysieren
der Sensorsignale und zum Ableiten einer Entscheidung.
- - Auslösen der Zündkapseln, die die Verbrennung des
Gasgenerators zünden, woraufhin sich der Airbag auffaltet.
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Die ECU evaluiert alle Daten der externen Sensoren und des
internen Zustands unter Zuordnung
- - der bei verschiedenen Ereignissen vorgesehenen
Reaktionen,
- - der Daten des Personen-Sensors: Liefern von
Informationen bezüglich der Entfernung, der Größe, des Gewichts
usw. und Auslösen der entsprechenden Zündkapseln in
Abhängigkeit von deren Eingaben und den Anforderungen der
Risikobereiche/-Situation.
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Sensoren für Fahrzeuge können in analoger Weise abgeleitet
werden.
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Die Evaluierungs-Software muß aus mehreren Teilen bestehen:
- - einem Diagnose-Modul,
- - einem Selbsttest-Modul,
- - einem Zustands-Überwachungsmodul,
- - einem Algorithmus-Modul,
- - dem Überwachungs-Modul für den vorübergehende Personen
erfassenden Sensor sowie
- - weitere Teile und/oder Module.
5. Azid-freie Gasgenerator-Mischungen
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Das Gasgenerator-Material muß ungiftig und
umweltverträglich sein. Die Reaktionsprodukte dürfen ebenfalls selbst in
Spuren keine giftigen Produkte enthalten. Eine azid-freie
Gasgenerator-Mischung kann auf stickstoffreichen und
kohlenstoffarmen organischen Verbindungen, beispielsweise
Nitroguanidin (NIGU), Triaminoguanidinnitrat (TAGN),
Guanidinazoteetrazolat (GZT), 5-Aminotetrazol usw. erfolgen. Die
stickstoffreichen und kohlenstoffarmen organischen
Verbindungen GZT und NIGU wurden ausgewählt und zur Mischung von
Gasgeneratoren verarbeitet, die darüber hinaus
Oxidationsmittel und Katalysatoren aufweisen.
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Mehrere GZT und NIGU-Treibmittel wurden zu Test- und
Anpassungszwecken hergestellt. Das geeignetere Treibmittel GZT
ist in für eine spätere industrielle Produktion hinreichend
großen Mengen verfügbar. GZT wird auch in einer Form
hergestellt, die direkt für den Mischvorgang bei der Treibsatz-
Herstellung verwendet werden kann. Die Herstellung des
Oxidationsmittel der Mischung stellte sich als kritisch
heraus; das hauptsächliche Problem besteht im Erzielen der
angestrebten Partikelgröße auf ökonomische Weise. Dieses
Problem wurde gelöst. Die Herstellung des Oxidationsmittels
wurde in einer Größenordnung von 500 l realisiert. Zur
Herstellung der Treibsätze wurde eine automatische
Arbeitsmaschine verwendet. Die Werkzeuge müssen hohen
Präzisionsanforderungen genügen, um Gasgenerator-Treibsätze
herzustellen, die stabil gegenüber mechanischer Belastung sind. Die
Mischungen sind chemisch stabil gegen Erhitzen und
Schockeinflüsse und enthalten weder im Material selbst noch in
den gasförmigen Produkten keinerlei giftige Verbindungen in
einer grenzwertüberschreitenden Menge. Sie sind leicht
zündbar und leicht modifizierbar, um unterschiedliche
Abbrandgeschwindigkeiten zu erzielen. Der Gasausstoß liegt in
der Größenordnung von 500 l/kg und erfüllt die anderen
Anforderung, die an Aufblasgase für Airbags gestellt werden.
Fig. 3 zeigt verschiedene Körner einer Gasgenerator-
Mischung.
6. Zweistufen-Modul
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Ein adaptierbarer Airbag, mit dem sich in Tests
verschiedene Aufblasgeschwindigkeiten und Druck-Zeit-Kurven erzielen
lassen, kann durch ein Zweikammer-Verbrennungsmodul
realisiert werden, daß durch zwei Zündkapsel-Verstärker-
Anordnungen mit variabler Zeitverzögerung gezündet wird.
Vorzugsweise beinhaltet das Generator-Design eine
kostengünstige Lösung und berücksichtigt herstellungstechnische
Gesichtspunkte. Die Verbrennungskammer weist zwei
asymmetrische Zündstellen auf und ist mit modularen Treibsätzen
aus kleinen und großen Pellets füllbar. In Verbindung mit
unterschiedlichen Zündstrategien und Zeitverzögerungen kann
eine große Vielfalt von Druck-Zeit-Kurven generiert werden.
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Fig. 4 zeigt den Prototyp eines Zweistufen-Airbagmoduls
mit verschiedenen Pelletgrößen und zwei unterschiedlichen
Zündern. Derartige Zweistufen-Module ermöglichen das
Erzeugen verschiedener Druck-Zeit-Kurven zum Aufblasen eines
Airbags (siehe Fig. 5).
7. Entfalten und Wechselwirkung mit Testpuppen
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Fig. 6 zeigt das Entfalten eines 60 l Airbags. Prinzipiell
bestimmen die Form und die Faltung der Hülle das Auffalten
in Achsrichtung und senkrecht zur Achse.
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Die Maximalgeschwindigkeit eines Airbags hängt von der
Auffalt-Charakteristik ab. Sie liegt in der Größenordnung von
100 bis 350 km/h. Fig. 7 zeigt die Maximalgeschwindigkeiten
für zeitgleiches und zeitversetztes Zünden des Moduls.
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Tabelle 2 betrifft den Aufprall des Airbags auf eine
Testpuppe. Die Durchbiegung des Nackens und das auf den Kopf
und die Brust einwirkende Moment wurden gemessen. Durch
eine Feinabstimmung der Aufblascharakteristik lassen sich die
Werte der Maximalgeschwindigkeiten und der Aufprall-Momente
soweit absenken, daß keine ernsthaften Verletzungen bei
schweren oder leichten Personen auftreten. Die
Identifizierung eines Kindes verhindert das Auffalten vollständig.
Tabelle 2
An Testpuppen gemessene Werte beim Auffalten
eines Airbags bei direktem Kontakt gemessen bei
verschiedenen Verzögerungen der zweistufigen
Airbag-Zündung
Schlußfolgerungen
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Airbags stellen geeignete Vorrichtungen zur Konstruktion
von Absperrungen dar. Die Form läßt sich situationsbedingt
anpassen, um Bereiche abzusperren oder um Eingangsbereiche,
Gänge oder Tunnel zu verschließen. Intelligente
Ausgestaltungen beinhalten Sensoren zum Identifizieren der Situation
(Personen oder Fahrzeuge, Größe und/oder Gewicht usw.) und
ermöglichen ein angepaßtes Auffalten durch Verwendung einer
zweistufigen, variablen Zündung. Aufprallmessungen an
Testpuppen lieferten Werte, die unterhalb einer Schwelle lagen,
ab der langanhaltende Verletzungen auftreten.
Kurzbeschreibung der Figuren
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Fig. 1 zeigt einen sich auffaltenden Fahrerairbag in einem
Kraftfahrzeug.
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Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung das Prinzip
einer Abstandsmessung mittels der von zwei Kameras bei
Beleuchtung im nahen Infrarot gelieferten Bilder.
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Fig. 3 zeigt Beispiele der Reaktions-Mischung und
verschiedenartig geformte Treibmittel, mit denen sich
unterschiedliche Gasausstoß-Raten erzielen lassen.
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Fig. 4 zeigt ein Gasgenerator-Modul mit zwei Zündern sowie
kleinen und großen Pellets, mit denen sich ein an die
Anforderungen bezüglich der zu beeinflussenden Person
angepaßtes Auffalten erzielen läßt.
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Fig. 5 zeigt Druck-Zeit-Kurven beim Zünden des Zweistufen-
Airbagmoduls in einem 60 l-Behälter und in einem Airbag.
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Fig. 6 zeigt Videobilder vom Auffalten eines Airbags.
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Fig. 7 zeigt die Maximalgeschwindigkeiten beim Auffalten
eines Airbags mittels eines Zweistufen-Moduls.