DE1206987B - Hoehenempfindliche Schaltvorrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIh

Deutsche Kl.: 21c-35/08

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

L39967VIIId/21c
7. September 1961
16. Dezember 1965

Die Erfindung bezieht sich auf eine höhenempfindliche Schaltvorrichtung mit einem geschlossenen hohlen, mit einem radioaktiven Gas gefüllten Körper und zwei Elektroden, die im offenen Zustand zwischen sich einen Luftspalt bilden.

Bei ballistischen Raketen ist es erforderlich, Mittel vorzusehen, um den Sprengkopf scharf zu machen bzw. zu entsichern, nachdem die Rakete eine verhältnismäßig große Höhe erreicht hat. Derartige Einrichtungen eliminieren die Möglichkeit, daß der Sprengkopf bereits während der frühen Stufen des Fluges explodiert, weswegen sie aus augenfälligen Gründen dringend erforderlich sind. Bisher ist es üblich gewesen, Stromkreise zum Entsichern des Sprengkopfes oder zum Auslösen eines Entsicherungsstromkreises vorzusehen, die einen beschleunigungsabhängigen Schalter benutzten. Der Entsicherungsstromkreis blieb untätig oder ausgesperrt, bis eine vorbestimmte Änderung in der Beschleunigung der Rakete den beschleunigungsabhängigen Schalter betätigte, der seinerseits dem Entsicherungsstromkreis ermöglichte, tätig zu werden und den Sprengkopf scharf zu machen. Bei bestimmten Raketentypen jedoch sind die Beschleunigungsänderungen bereits in verhältnismäßig geringer Höhe vollendet, und die Rakete steigt dann nur noch längs ihrer ballistischen Flugbahn höher. Wenn bei diesem Raketentyp die gegenwärtige übliche Art von Entsicherungskreisen verwendet werden sollte, würde der Sprengkopf in einer geringeren Höhe scharf gemacht, als es erwünscht ist. Um diese Situation zu vermeiden, wäre es dringend erwünscht, einen von Höhenänderungen abhängigen Schalter anstatt eines auf Beschleunigungsänderungen entsprechenden Schalters zu verwenden.

Es ist bereits ein elektrischer, auf Differenzdruck ansprechender, also von Höhenänderungen abhängiger Kleinschalter vorgeschlagen worden mit einem elastischen Faltenbalg und einer von dem Balg betätigten Kontakteinrichtung, bei welchem der luftdicht abgeschlossene Balg von konstantem Unterdruck in einer Kammer mit veränderlichem Luftdruck angeordnet und auf einen bestimmten umgebenden Kammerdruck pneumatisch vorgespannt ist. Eine solche Einrichtung ist jedoch von ihrer jeweiligen Beschleunigung abhängig, da sie bewegliche Massenteilchen enthält. Nicht nur die Kontakte mit ihrem veränderlichen Luftspalt, sondern auch der Faltenbalg ändert seine Lage und verschiebt sich bei einer Veränderung des Beschleunigungszustandes des ganzen Schalters, wobei noch hinzu kommt, daß die Beschleunigungskräfte verschieden einwirken, je Höhenempfindliche Schaltvorrichtung

Anmelder:

Leesona Corporation, Cranston, R. I. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:
Rene Joseph Perdreaux,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. September 1960 (54 432)

nachdem in welcher Lage der Schalter in die Gesamteinrichtung eingebaut ist.

Der bekannte, höhenabhängige Kleinschalter ist daher allenfalls dann anwendbar, wenn die Beschleunigungskräfte noch verhältnismäßig gering sind, wie beispielsweise bei einem Flugzeug im Gegensatz zu einer Rakete, und dann auch nur, wenn vereinzelt auftretende höhere Beschleunigungen keine weittragenden Folgen für die von der Meßeinrichtung auszulösenden Vorgänge haben können. Gemäß der bekannten Einrichtung soll bei Überschreiten einer ganz bestimmten Flughöhe lediglich eine Lampe eingeschaltet werden. Es kann zweifellos ohne weiteres hingenommen werden, daß, wenn das Flugzeug durch ein Turbulenzgebiet fliegt, infolge momentaner Stöße diese Lampe etwas aufflackert. Anders ist es jedoch, wenn in einer Rakete bei Erreichen einer ganz bestimmten Höhe eine Sprengladung, ein Meßinstrument oder eine Fernsehkamera eindeutig eingeschaltet werden soll. Bei einer solchen Steuerungseinrichtung wären bewegliche Teile nicht brauchbar.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltvorrichtung mit einem geschlossenen hohlen, mit einem radioaktiven Gas gefüllten Körper und zwei Elektroden, die im offenen Zustand zwischen sich einen Luftspalt bilden, werden die vorgenannten Nachteile dadurch überwunden, daß der geschlossene hohle Körper aus elektrisch isolierendem Werkstoff besteht, ein radioaktives Medium enthält und für vom radioaktiven Medium emittierte geladene Teilchen durchlässig ist und daß die zwei Elektroden den hohlen Körper praktisch einhüllen und dabei eine innere Gestalt

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haben, die im wesentlichen der äußeren Gestalt des hohlen Körpers entspricht, daß ferner die Ränder der Elektroden mit Abstand voneinander angeordnet sind und dadurch zwischen sich einen Luftspalt bilden, und daß der Luftspalt in einem elektrischen Stromkreis zur Bestimmung seiner vom Luftdruck abhängigen elektrischen Leitfähigkeit liegt.

Ein weiterer Vorteil der Schaltvorrichtung nach der Erfindung liegt noch im Genauigkeitsbereich der Messung. Bei der Einrichtung nach der Erfindung wird der Spalt erst im Hochvakuum nicht mehr leitfähig, wenn nämlich nicht mehr genug zu ionisierende Luftmoleküle vorhanden sind, die als Träger eines elektrischen Stromes über den Spalt dienen können. Die höhenempfindliche Schaltvorrichtung nach der Erfindung spricht also erst in einem ausgesprochenen Hochvakuum, wie es draußen im Weltenraum vorliegt, an, während bei dem bekannten Schalter mit Faltenbalg der größte Empfindlichkeitsbereich dort liegt, wo mindestens noch nennenswerte prozentuale Druckänderungen vorkommen. Auf Hochvakuum ist der bekannte Schalter nicht zu eichen, da die dort nur noch möglichen geringfügigen Luftdruckänderungen relativ zum Normaldruck das Gerät nicht zum Ansprechen bringen, während im Gegensatz dazu bei der Vorrichtung nach der Erfindung gerade durch das Verschwinden der wenigen noch vorhandenen Luftmoleküle, die ionisiert werden können, die Träger für einen möglichen Stromtransport hinweggenommen und damit der elekirische Strom unterbrochen wird.

Weitere Gegenstände, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung offenbar, die sich auf die Zeichnung bezieht:

F i g. 1 ist ein Schnitt durch eine Kombination von Nuklearbatterie und höhenabhängiger Schaltvorrichtung;

F i g. 2 ist ein Schnitt durch eine höhenabhängige Schaltvorrichtung, und

F i g. 3 ist ein schematisches Schaltbild für einen Stromkreis zum Entsichern bzw. Scharfmachen, der die Kombination von Nuklearbatterie und höhenabhängiger Schaltvorrichtung gemäß F i g. 1 enthält.

In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile in allen Figuren. Gemäß F i g. 1 besteht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kombination von Nuklearbatterie und höhenabhängiger Schaltvorrichtung aus einer kugelförmigen Glashülle oder Ampulle 10, die eine Füllung von Krypton 85, einem radioaktiven Gas, enthält. Andere radioaktive Fluide würden in ähnlicher Weise geeignet sein, doch ist es vorzuziehen, daß sie ihrer Natur nach ungiftig sind. Zwei Kollektorelektroden 11 und 12 aus Kupfer, die im wesentlichen halbkugelige Gestalt haben, sind mit dem Äußeren der Ampulle 10 verbunden. Die Elektroden 11 und 12 sind längs eines Äquators der Kugel 10 mit etwas Abstand auseinandergesetzt, um einen Luftspalt 13 zu bilden, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird.

Die Ampulle 10 ist mit einer Nabe 14 versehen, die durch die Mitte der oberen Elektrode 11 hindurchragt. Ein Emitter 15 ist in die Nabe 14 eingeschmolzen und steht mit dem Inneren der Ampulle 10 in Verbindung. Diese Anordnung ergibt eine Nuklearbatterie, die zwischen der Elektrode 11 und dem Emitter 15 oder zwischen der Elektrode 12 und dem Emitter 15 arbeitet. Aus jeder dieser Kombinationen ist ungefähr dieselbe Menge Strom verfügbar. Wenn die Elektroden 11 und 12 elektrisch miteinander verbunden sind, ist ein doppelt so großer Strom verfügbar. Diese Ausbildung unterscheidet sich von üblichen Nuklearbatterien darin, daß jene gewöhnlich mit einer einzigen Kollektorelektrode versehen sind; d. h., daß die Elektroden 11 und 12 aus einem Stück bestehen, anstatt durch den Luftspalt 13 getrennt zu sein. Zusätzlich zur Schaffung von zwei Nuklearbatterien innerhalb eines einzigen Gehäuses führt der Luftspalt 13 eine Schaltfunktion aus, die weiter unten beschrieben wird.

In F i g. 2 ist ersichtlich, daß die höhenabhängige Schaltvorrichtung mit der Kombination von Nuklearbatterie und höhenabhängiger Schaltbatterie gemäß F i g. 1 identisch ist, jedoch mit der Ausnahme, daß die Nabe 14 und der Emitter 15 fortgelassen sind. Diese Ausführung ergibt eine höhenabhängige Schaltvorrichtung, ohne daß dieser die Batteriefunktion innewohnt. Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Der Luftspalt 13 zwischen den Elektroden 11 und 12 wird fortwährend vom Krypton 85 bestrahlt, und die Luft im Zwischenraum 13 wird ionisiert. Die Elektroden 11 und 12 arbeiten als Schaltkontakte. Der Grad oder Betrag der Ionisation steuert den Widerstand im Spalt zwischen den Elektroden 11 und 12; in geringen Höhen, wo die Luft dichter ist, ist der lonisationsgrad im Spalt »groß«, und der Schalter ist »geschlossen«. In großen Höhen, wo die Dichte der umgebenden Luft wesentlich geringer ist, ist der lonisationsgrad »klein«, und der Schalter ist infolge eines außerordentlich großen Widerstandes zwischen den Elektroden 11 und 12 »offen«. Diese Ausführung ergibt eine Schaltvorrichtung, die den Zustand eines geschlossenen Stromkreises herstellt, wenn sie von dichter Luft in niedriger Höhe umgeben ist, und die den Zustand eines praktisch offenen Stromkreises herstellt, wenn sie von der in großen Höhen zu findenden verdünnten Luft umgeben ist.

In F i g. 3 ist ein Stromkreis zum Entsichern bzw. Scharfmachen dargestellt, bei dem die Kombination einer Nuklearbatterie mit einer höhenabhängigen Schaltvorrichtung verwendet ist. Im Interesse eines gründlichen Verständnisses des Stromkreises sei dieser nachfolgend hinsichtlich seiner Arbeitsweise beschrieben:

Da der Grad bzw. die Geschwindigkeit des radioaktiven Zerfalls irgendeines radioaktiven Stoffes praktisch konstant ist, ist der Stromausgang einer Nuklearbatterie praktisch auch konstant. Die Spannung einer Nuklearbatterie ist deswegen abhängig vom Widerstand des äußeren Stromkreises. Im Stromkreis gemäß Fig. 3 ist ein Kondensator 16 an die aus dem Emitter 15 und dem Kollektor 11 gebildete Batterie angeschlossen. Ein Kondensator 18 ist an die aus dem Emitter 15 und dem Kollektor 12 gebildete Batterie angeschlossen. Um zu verhindern, daß die der Nuklearbatterie innewohnende Eigentümlichkeit des konstanten Stromes die Kondensatoren 16 und 18 überladet, ist ein Spannungsregulator vorgesehen, der aus einem Widerstand 19 und aus einer KaItkathodengasdiode 20 besteht. In Meereshöhe wird die Luft im Spalt 13 stark ionisiert, so daß der Spannungsregulator 19, 20 im Effekt parallel zu jedem Kondensator 16 und 18 geschaltet wird, weil die ionisierte Luft im Spalt 13 die Elektroden 11 und 12 elektrisch verbindet. So wirken die Elektroden 11

und 12 als die Kontakte sowohl einer auf die Höhenlage ansprechenden Schaltvorrichtung als auch als die negativen Anschlüsse der Nuklearbatterie. Der Spannungsregulator 19, 20 bestimmt so die auf die Kondensatoren 16 und 18 gegebene Batteriespannung; diese regulierte Spannung kann durch passende Wahl der Zündspannung der Diode 20 vorbestimmt werden.

Wenn die die Schaltung gemäß Fig. 3 tragende Rakete immer größere Höhen erreicht, wird die to Dichte des Luftspaltes 13 verringert, und der Ionisationsgrad im Spalt 13 wird entsprechend reduziert, bis der Widerstand im Spalt 13 einen Wert erreicht, bei dem der Spannungsregulator 19, 20 effektiv vom Kondensator 16 abgeschaltet wird. Wenn der Spannungsregulator von der aus dem Emitter 15 und dem Kollektor 11 gebildeten Batterie effektiv abgeschaltet ist, steigert diese Batterie die Ladung auf dem Kondensator 16, bis die Zündspannung einer KaItkathodengasdiode 21 erreicht wird. Wenn die Diode 21 zündet, wird der Kondensator 16 über eine Induktivität 22 entladen. Die an der Induktivität 22 auftretende Spannung wird über eine Verbindungsleitung 25 auf den Schirm einer Kaltkathodengasdiode 24 aufgegeben. Dieser auf den Schirm der Diode 24 aufgegebene Spannungsimpuls bewirkt die Zündung der Diode und die Entladung des Kondensators 18 über eine an die Belastungsanschlüsse 26 und 27 angeschlossene Belastung. Die Zündspannungen der Dioden 21 und 24 müssen natürlich größer sein als die Zündspannung der Diode 20, damit die Schaltung wie beschrieben arbeitet. Die an den Anschluß 27 angelegte Belastung kann entweder der Stromkreis zum Scharfmachen des Sprengkopfes der Rakete sein oder aber eine Relaisvorrichtung, die einen besonderen Stromkreis zum Scharfmachen sperrt oder sichert, bis die Relaisvorrichtung durch die Entladung des Kondensators 18 Spannung erhält bzw. betätigt wird.

Somit ist eine verbesserte Nuklearbatterie geschaffen, die zwei Nuklearbatteriekreise innerhalb eines einzigen Gehäuses ergibt und die zusätzlich zur Batteriefunktion eine Schaltfunktion ausführen kann. Außerdem ist eine Schaltvorrichtung geschaffen, die bei einer vorbestimmten Höhe einen Stromkreis einschaltet und die dabei völlig unabhängig von Beschleunigungsänderungen des Trägervehikels ist, das die Schaltung trägt. Es ist natürlich auch offensichtlich, daß die höhenempfindliche Schaltvorrichtung gemäß F i g. 2 für sich allein als auf die Höhenlage ansprechende Vorrichtung verwendet werden kann und nicht mit einer Nuklearbatterie kombiniert werden muß.

Die vorbeschriebenen Ausführungsformen dienen nur zur Illustration der prinzipiellen Erfindungsmerkmale. Zahlreiche andere Ausnutzungsformen gemäß der Erfindung können vom Fachmann leicht geschaffen werden.

Claims (10)

Patentansprüche: 60

1. Höhenempfindliche Schaltvorrichtung mit einem geschlossenen hohlen, mit einem radioaktiven Gas gefüllten Körper und zwei Elektroden, die im offenen Zustand zwischen sich einen Luftspalt bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der geschlossene hohle Körper (10) aus elektrisch isolierendem Werkstoff besteht, ein radioaktives Medium enthält und für vom radioaktiven Medium emittierte geladene Teilchen durchlässig ist und daß die zwei Elektroden (11, 12) den hohlen Körper (10) praktisch einhüllen und dabei eine innere Gestalt haben, die im wesentlichen der äußeren Gestalt des hohlen Körpers (10) entspricht, daß ferner die Ränder der Elektroden (11, 12) mit Abstand voneinander angeordnet sind und dadurch zwischen sich einen Luftspalt (13) bilden, und daß der Luftspalt (13) in einem elektrischen Stromkreis zur Bestimmung seiner vom Luftdruck abhängigen elektrischen Leitfähigkeit liegt.

2. Höhenempfindliche Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Emitter vorgesehen ist, der durch eine der Elektroden und die anliegende Ampullenwand hindurchgeht und in das Innere der Ampulle hineinreicht, wobei der Emitter gegenüber der einen vorgenannten Elektrode elektrisch isoliert ist.

3. Höhenempfindliche Schaltvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt längs einem Äquator der Ampulle verläuft, wobei an der Ampulle ein durch die Mitte einer der Kollektorelektroden hindurchgehender Zapfen ausgebildet ist, durch den der in das Innere der Ampulle hineinreichende Emitter hindurchgeht.

4. Höhenempfindliche Schaltvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine kugelförmige Glasampulle vorgesehen ist und daß die Kollektorelektroden im wesentlichen halbkugelförmig und mit dem Äußeren der kugelförmigen Ampulle in einander diametral gegenüberliegenden Lagen verbunden sind.

5. Höhenempfindliche Schaltvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ampulle als radioaktives Medium Krypton 85 enthält.

6. Höhenempfindliche Schaltvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektroden aus Kupfer gebildet sind.

7. Höhenempfindliche Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Ampulle so gewählt ist, daß die Ampulle für vom Krypton 85 emittierte primäre Beta-Teilchen durchlässig ist, während sie für zurückgestreute Primärteilchen und niedrig-energetische Sekundärteilchen undurchlässig ist.

8. Schaltung zum Auslösen von Schaltvorgängen unter Verwendung der höhenempfindlichen Schaltvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter Anode ist und die durch einen Luftspalt voneinander getrennten Elektroden Kathoden sind, wobei ein erster Stromkreis an die Anode und eine der Kathoden angeschlossen ist und ein zweiter Stromkreis an die Anode und die andere der Kathoden angeschlossen ist und wobei weiter eine Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkreis vorgesehen ist, um den zweiten Stromkreis beim Zünden des ersten Stromkreises zu triggern bzw. einzuschalten.

9. Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum zweiten Stromkreis ein Spannungsregulator liegt und daß die

Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkreis eine kapazitive Kopplung ist.

10. Schaltung nach Anspruch 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektrische Energiequelle mit einer Anode und zwei Kathoden vorgesehen ist, wobei ein erster Stromkreis an die Anode und eine der Kathoden und ein zweiter Stromkreis an die Anode und die andere der Kathoden angeschlossen ist und wobei die Kathoden über eine höhenempfindliche Schaltvor-

richtung miteinander verbunden sind, wobei weiter ein Spannungsregulator parallel zum zweiten Stromkreis liegt und eine kapazitive Kopplung zwischen dem ersten und dem zweiten Stromkreis vorgesehen ist, um den zweiten Stromkreis beim Zünden des ersten Stromkreises zu triggern bzw. einzuschalten.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1076 230.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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