DE1184686B

DE1184686B - Brueckendraht-Explosionszuender

Info

Publication number: DE1184686B
Application number: DET20971A
Authority: DE
Inventors: Samuel Zeman; Millard Fillmore Scoggin Jun
Original assignee: Thiokol Corp
Current assignee: ATK Launch Systems LLC
Priority date: 1960-10-03
Filing date: 1961-10-17
Publication date: 1964-12-31
Also published as: US3198678A

Description

Brückendraht-Explosionszünder Die Erfindung betrifft Explosionszünder, und zwar insbesondere einen elektrischen Hochspannungs-Brückendraht-Explosionszünder und einen hierfür anwendbaren Primär-Zündsatz.
Elektrische Zünder oder Sprengkapseln werden in vielen Fällen angewandt, in denen eine kleine, gesteuerte Explosion oder eine Flamme erzeugt werden soll, um einen größeren, explosiven oder brennbaren Körper zu zünden. Diese Zünder oder Sprengkapseln wirken häufig durch das Schmelzen eines sehr feinen, elektrisch aufheizbaren Drahtes, der einen ihn umgebenden temperaturempfindlichen Stoff zündet. Der auf diese Weise entzündete Primär-Zündsatz wird dazu herangezogen werden, eine oder mehrere Zwischenladungen zu zünden, um schließlich den Sekundär-Zündsatz zu zünden.
Die Notwendigkeit eines schnellen Ansprechens der Zünder oder Sprengkapseln auch bei Zuleitung eines niedri-en elektrischen Stroms durch den Zünddraht hat bei den bekannten Konstruktionen zur Anwendung hochempfindlicher Sprengstoffe in Verbindung mit Zünddrähten hohen Widerstandes und kleinen Querschnitts geführt. Bei derartigen Zündern ist die Gefahr einer unbeabsichtigten Zündung infolge höherer Temperaturen, mechanischer Stöße oder infolge von im Zünddraht durch elektromagnetische Streufelder erzeugten Strömen groß.
Bekannt sind Zündsätze für elektrische Zünder auf der Basis von reaktionsfähigen Leichtmetallen wie Aluminium, Magnesium, Silizium oder ähnlichen in Gemisch mit Metalloxyden, gegebenenfalls mit Zusätzen von Kunstharzen. Auch die Verwendung von Eisenoxyd als Oxydationsmittel ist bekannt.
Bekannt ist weiter ein elektrischer Zünder mit Zündpillensätzen, die erst durch Stromstärken von über 2 Ampere bei Temperaturen von über 1000' C gezündet werden können. Dieser Zünder wird elektrisch durch einen durch einen Widerstandsdraht fließenden Strom gezündet. Auch hier aber besteht die Gefahr einer unbeabsichtigten Zündung, wenn die Temperatur durch äußere Einflüsse unbeabsichtigt bis zur Zündtemperatur ansteigt.
In jüngster Zeit ist das Verlangen nach Zündern oder Sprengkapseln zur Entzündung der Treibstoffladung von Raketenmotoren oder von Sprengstoffladungen zur Trennung der einzelnen Stufen, zur Schubumkehr, zur Zerstörung usw. in Raketenmotoren größer geworden und hat dazu geführt, daß besonders sichere Zündeimichtungen verlangt werden. Die unerwünschte Detonation einer Zündladung im Zündsystem eines großen Raketenmotors beispielsweise hat katastrophale Auswirkungen. Die Entwicklung von Zündem hat daher zu sogenannten Brückendraht-Explosionszündern geführt. Bei diesen bewirkt der plötzliche Durchgang eines Stroms hoher Stromdichte durch einen Zünddraht eine schnelle, explosionsartige Zerstörung des Drahts. Die auf diese Weise durch den Durchgang eines kurzen Stromimpulses hoher Spannung und hohen Stroms bewirkte Explosion zündet eine den Draht umgebende pyrotechnische Ladung bzw. Primär-Zündsatz, die dazu dient, weitere in einer Zündkette liegende Ladungen auszulösen.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Primär-Zündsalz zur Verwendung in einem derartigen Brückendraht-Explosionszünder. Der Zündsatz ist derart zusammengesetzt, daß er nicht zündet, wenn der Brückendraht durch angelegte Gleichspannungen, statische Ladungen, Hochfrequenzwellen oder andere äußere elektrische Felder, die ein langsames Erhitzen des Brückendrahtes oder des anliegenden Zündsatzes bewirken, erhitzt oder geschmolzen wird. Der erfindungsgemäß zur Anwendung kommende Zündsat7 ist thermisch sehr stabil, außerordentlich unempfindlich gegen eine Entzündung durch Stöße und auch noch detonationssicher beim Fließen von Stromimpulsen niedriger Spannung durch den Brückendraht.
Die Verwendung -von Sprengstoffen gemäß der Erfindung in Explosions-Brückendrahtzündern führt zu einem Ansprechen dieser Zünder in Zeitspannen von 20Mikrosekunden bis zu mehreren Millisekunden, je nach der eingeleiteten Energie, innerhalb eines Temperaturbereiches, der größer ist als von - 56 bis 71' C in Höhen von mehr als 90 000 rn.
Der erfindungsgemäße elektrische Hochspannungs-Brückendraht-Explosionszünder enthält, wie bekannt, einen Primär-Zündsatz auf der Grundlage eines Gemisches aus Leichtmetallpulver und Schwermetalloxyd, gegebenenfalls mit Zusatz eines brennbaren Kunstharzes, und die vorstehend genannten Vorteile werden durch einen Gehalt von mindestens 30/'o Leichtmetallpulver, von 80 bis 97% Bleimonoxyd oder einem Gemsich von Bleimonoxyd und 10 bis 201/o Eisenoxyd (Fe.O.) sowie gegebenenfalls einem Zusatz von 8 bis 15% Polytetrafluoräthylen erreicht.
In einer praktischen Ausführung enthält der Zünder einen Grundkörper, beispielsweise aus Kunststoff, der teilweise von einer Kappe umgeben ist, und Zuleitungsdrähte, die innerhalb der Kappe über den Brückendraht miteinander verbunden sind. Ein Primär-Zündsatz einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung liegt an dem Brückendraht und ist über einen dünnen, zerstörbaren Deckel beispielsweise aus Aluminiumfolie von dem in der Sprengkapsel befindlichen Sekundär-Zündsatz getrennt. Dieser Sekundär-Zündsatz kann aus üblichen Zünd- oder Detonationsmaterialien bestehen, wie z. B. Mischun-C (Yen von Bor und Ammoniumperchlorat, Aluminium und Ammoniumperchlorat oder Bleistyphnat.
Zur Zündung wird ein starker Stromstoß durcii den Brückendraht geleitet, der darauf schlagartig explosionsähnlich verdampft. Dieser Stromstoß kann eine Stromdichte über 1 Million Ampere pro Quadratzentinieter haben, und die Stromspitze wird in weniger als 5 Mikrosekunden erreicht. Der Brückendraht selbst kann aus einem Edelmetall bestehen, wie beispielsweise Platin-Iridium oder einer Platin-Rhodium-Legierung, und hat im allgemeinen einen Durchmesser von ungefähr 50 p und eine Länge von 1,27 bis 2,54 nun.
Die pyrotechnische Zusammensetzung gemäß der Erfindung enthält einen feinverteilten metallischen Brennstoff und ein oder mehrere feinverteilte anorganische Oxydationsmittel, am besten in Gegenwart eines feinverteilten brennbaren Kunstharzes, das sowohl als Oxydationsmittel wie auch als Träger für die anorganischen Substanzen dient. Als metallischer Brennstoff kommen z. B. Aluminium oder Aluminiumlegierungen mit Magnesium, Silizium, Titan oder anderen gut oxydierbaren aktiven Metallen in Anwendung. Statt dessen können auch Mischungen aus feinverteiltem Aluminium und feinverteiltem Magnesium, Silizium, Titan oder anderen gut oxydierbaren aktiven Metallen verwendet werden.
Das feinverteilte Metall oder die feinverteilten Metalle werden zweckmäßig in Form von Metallflocken, in feingepulverter Form oder als Mischung dieser beiden Formen verwendet.
Feingepulverte Substanzen, insbesondere Aluminium, haben, verglichen mit Metallflocken, den Vorteil einer hohen Reaktionsfähigkeit und werden vorteilhaft in Größen von 15 bis 35 Mikron verwendet. Kleinere Teilchen mit einer durchschnittlichen Größe von 5 bis 15 Mikron sind ebenfalls geeignet. Feingepulvertes Material ist infolge seiner elektrischen Leitfähigkeit, die geringer ist als diejenige von Metallflocken, etwas empfindlicher gegen Zündung durch elektrostatische Ladungen. Aus diesem Grunde kombiniert man das feingepulverte Material häufig mit Metallflocken, wie z. B. Aluminiumflocken, um das Problem der Empfindlichkeit gegen statische Ladungen aus der Welt zu schaffen.
Wenn flockenförmige Materialien verwendet werden, so sind diese vorzugsweise so weit verkleinert, daß ungefähr 90 % des Metalls durch ein Sieb mit einer Siebfeinheit von 325 niesh (44 Mikron) hindurchgehen.
Der metallische Brennstoff wird in Verbindung mit Bleimonoxyd als Oxydationsmittel verwendet. Das Bleimonoxyd kann teilweise durch Eisenoxyd ersetzt werden. Die anorganischen Oxydationsmaterialien werden vorzugsweise in einer solchen Teilchengröße verwendet, daß sie durch ein Sieb mit einer Siebfeinheit von 200 mesh (74 Mikron) hindurchgehen.
Die pyrotechnische Zusammensetzung enthält vorzugsweise einen kleinen Anteil, etwa 3 bis 20 Gewichtsprozent des feinverteilten Aluminiummetall-Brennstoffes und 97 bis 80 Gewichtsprozent Bleimonoxyd-Oxydationsmittel. Falls das Bleimonoxyd teilweise durch feinverteiltes Eisenoxyd ersetzt wird, sollte die Endmischung zum Erzielen bester Ergebnisse etwa 10 bis 20 Gewichtsprozent Eisenoxyd enthalten.
Die Metall-Bleimonoxyd-Mischung kann auch mit einem synthetischen organischen Harz kombiniert werden. Insbesondere eine Mischung mit »Teflon« (Polytetraffuoräthylen) hat sich als günstig erwiesen. Der »Teflon«-Puder wirkt sowohl als Oxydationsmittel als auch als Träger und macht die gesamte Zusammensetzung flockig und locker, so daß ein Zusammenbacken infolge von Schwingungen oder anderer Einflüsse verhindert wird. Die elektrostatischen Eigenschaften des Polymeren bewirken außerdem, daß dieses die feinverteilten Brennstoff- und Oxydationsmittelteilchen auf seiner Oberfläche in innigem Kontakt hält, wodurch deren schnelle Reaktion gefördert wird. In solchen Anwendungsfällen wird das YTeflon« zweckmäßig mit einer Teilchengröße von ungefähr 20 bis 50 Mikron, vorzugsweise 35 Mikron, verwendet.
Die anorganische Mischung kann auch mit feinverteiltem Polyäthylen oder Polytrifluorchloräthylen (»Kel F«) in ähnlicher Weise vermischt werden. Auch können die anorganischen Stoffe in zweckmäßiger Weise mit einem dünnen Überzugsfilm handelsüblicher Silikonöle versehen werden, indem die anorganische Mischung mit den in einem Lösungsmittel, zweckmäßig Kohlenwasserstoffen wie Hexan oder Benzol, verteilten ölen benetzt werden. Bei Verdunsten des Lösungsmittels setzt sich das Silikonöl in Form eines feinen Films auf den Teilchen des anorganischen Stoffes ab.
Werden Aluminium und Bleimonoxydmischungen mit einem synthetischen Polymeren, wie z. B. Polytetrafluoräthylen kombiniert, wird ein Teil des Bleimonoxyds in der Weise durch das Polyrnere ersetzt, daß die Endmischung ungefähr 8 bis 15 Gewichtsprozent des Polymeren enthält. Diejenigen Mischungen, die sich für die Verwendung in Brückendrahtzündern als am zweckmäßigsten erwiesen haben, weisen folgende Zusammensetzungen auf:

Gewichtsprozent

Aluminium .......... 3 bis 18

Bleimonoxyd ........ 82 bis 97

Bei Verwendung von Eisenoxyd in Verbindung mil Bleimonoxyd als Oxydationsmittel ist die bevorzugte Mischung die folgende:

Gewichtsprozent

Aluminium .......... 5 bis 20

Eisenoxyd ........... 10 bis 20

Bleimonoxyd ........ 60 bis 85

In Kombination mit Polytetrafluoräthylen ist die bevorzugte Mischung die folgende:

Gewichtsprozent

Aluminium .......... 3 bis 15

»Teflon« ............ 8 bis 15

Bleimonoxyd ........ 72 bis 89

Diese Mischungen haben viele Eigenschaften, durch die sie besonders geeignet zur Verwendung in Explosions-Brückendrahtzündem sind. Einmal sind sie auch bei hohen Temperaturen überaus lagerfest. Die einzelnen Bestandteile sind verhältnismäßig inert. Außerdem neigen diese Mischungen nicht zur Detonation infolge von Hitze- oder Stoßwirkung. Ferner sind sie nicht hygroskopisch, Bei anderen Ausführungen können die Brennstoff-Oxydationsmittel-Mischungen, insbesondere diejenigen, die »Teflon-x enthalten, in die Form von kleinen Kügelchen oder sonstiger Granulate gepreßt werden, wobei das Polymere als Schmiermittel, Bindemitiel und Oxydationsmittel wirkt. An Stelle dessen kann das Polymere auch als Bindemittel in den Kügelchen od. dgl. nach Benetzung mit einer geeigneten Flüssigkeit, wie z. B. n-Hexan, verwendet werden. Obgleich derartige dichte Mischungen nicht besonders für die Verwendung von Explosions-Brückendrahtzündem gedacht sind, haben sie doch die besonderen Vorteile der puderfönnigen Mischungen in bezug auf die Sicherheit, nämlich eine hohe Zündtemperatur, Unempfindlichkeit gegen Detonation infolge von Stößen usw., und können in solchen Fällen verwendet werden, in denen die Zündung beispielsweise durch eine Zündflamme mittels eines üblichen Zünders oder einer üblichen Sprengkapsel erfolgt.
Der Erfolg von pyrotechnischen Mischungen mit einem schwachen, stabilen Oxydationsmittel, wie z. B. Bleimonoxyd, in Verbindung mit einem aktiven Metall, wie z. B, Aluminium, ist überraschend. Insbesondere ergibt die Reaktion von Aluminium und Bleimonoxyd mit oder ohne zusätzliche Oxydationsmittel, eine Zündleistung, die man allein auf der Grundlage der therinischen Leistung nicht vorhersehen kann. Versuche haben gezeigt, daß Explosions-Brückendrahtzünder, die eine pyrotechnische Mischung von 12% flockenförmigem Aluminium, 12% »Teflon« und 761/o Bleimonoxyd enthielten, eine Zündverzögerungszeit von 1 Millisekunde oder weniger aufweisen, obwohl ihre Verbrennungswärme lediglich 478 Kalorien pro Granim beträgt. Im Vergleich hierzu haben vergleichbare Explosions-Brückendrahtzünder aus einer üblichen Mischung aus Bor und Kaliumnitrat eine Zi#ndverzögerungszeit von 5 bis 10 Millisekunden, obgleich der Explosions-Heizwert dieser Mischung 1650 Kalorien pro Gramm beträgt.

Die folgenden Beispiele werden lediglich zur Erläuterung angeführt, nicht aber zur Begrenzung des Erfindungsgedankens:

Beispiel 1

Gewichtsteüe

Atomisiertes Aluminium (5 bis 35 Mikron) 6,6

Polytetrafluoräthylenpuder(35Mkron)... 11,4

Bleimonoxyd (200 mesh) ............... 82,0

Beispiel 2

Gewichtsteüe

Aluminiumflocken (325 mesh) .......... 6,6

Puderförmiges Polytetrafluoräthylen

(35 Mikron) ........................ 11,4

Bleimonoxyd (200 mesh) ............... 82,0

Beispiel 3

Gewichtsteüe

Aluminiumflocken (325 mesh) .......... 12

Puderförmiges Polytetrafluoräthylen

(35 Mikron) ........................ 12

Bleimonoxyd (9-00 mesh) ............... 76

Beispiel 4

Gewichtsteile

Atomisiertes Aluminium (35 Mikron) .... 10,8

Bleimonoxyd (200 mesh) ............... 89,2

Beispiel 5

Gewichtsteile

Atomisiertes Aluminium (35 Mikron) .... 20

Eisenoxyd (200 mesh) ................. 20

Bleimonoxyd (200 mesh) ............... 60

Claims

Patentanspruch: Elektrischer Hochspannungs-Brückendraht-Explosionszünder mit einem Primär-Zündsatz auf der Grundlage eines Gemisches aus Leichtmetallpulver und Schwermetalloxyd, gegebenenfalls mit Zusatz eines brennbaren Kunstharzes, gekennzeichnet durch einen Gehalt von mindestens 3% Leichtmetallpulver, von 80 bis 971/o Bleimonoxyd oder einem Gemisch von Bleimonoxyd und 10 bis 20% Eisenoxyd (Fe,O") sowie gegebenenfalls einem Zusatz von 8 bis 1511/o Polytetrafluoräthylen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 945 495; schweizerische Patentschrift Nr. 272 257; britische Patentschrift Nr. 7 148 aus dem Jahre 1901.