DE19741888C1

DE19741888C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung des Stoßdrucks von Zündmitteln

Info

Publication number: DE19741888C1
Application number: DE1997141888
Authority: DE
Inventors: Winfried Dr Rer Na Scheunemann; Ulrich Dipl Ing Giesen
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 1997-09-23
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2017-09-24

Description

Zündmittel, wie Zündpillen, Detonatoren, Zündverstärker, Zündüberträger, Sprengkapseln etc., zünden als Element einer Zündkette mit den von ihnen ausgehenden Stoßdrücken (Stoßwellen), die ihnen nachfolgende Komponente. Für ein zuverlässiges Funktionieren ist dabei eine definierte Leistungsentfal tung des Zündmittels erforderlich.

Die Leistung von Zündmitteln muß deshalb bei der Entwicklung von Zündket ten bei des Auswahl der Zündmittel sowie bei der Beurteilung der Funktions fähigkeit gealterter Zündketten bekannt sein.

Die diesbezüglichen Parameter werden bisher in der Regel mittels Metallplat ten nachgewiesen, in die durch die vom Zündmittel ausgehende Stoßwelle unterschiedlich große Vertiefungen oder Löcher gestaut werden, was als z. B. Maß für die Leistung angenommen wird. Zum Nachweis der Funktionsfähig keit müssen dann immer noch realitätsnahe Experimente unter Einsatz des Zündmittels Und der nachfolgenden Empfängerladung durchgeführt werden.

Im Rahmen einer physikalischen Definition der Leistung von Zündmitteln ist der zeitaufgelöste Druck der vom Zündmittel herrührenden Stoßwelle der be stimmende Parameter, den es zu messen gilt. Zur Leistungsbestimmung sind deshalb quantitative ortsaufgelöste Druckmessungen an Zündmitteln durch zuführen, so daß sich der Zünddruck an verschiedenen relevanten Orten (z. B. Ausgangsebene des Zündmittels, Eingangsebene der Empfängerladung) be stimmen läßt. Damit wird das Zündvermögen des Zündmittels präziser unter Abschätzung seiner Leistungsreserven bestimmt, was bei der Alterung (Lagerfähigkeit etc.) der Zündmittel eine große Rolle spielt.

Zu diesem Thema sind Druckmessungen an Stoßwellen mit einem Kohle- Masse-Widerstand (KMW) nach R W. Watson:

Gauge for Determining Shock Pressures, Rev. Sci. Instr. 38; J. Ribovich et al.: AIAA Journal Vol. 6, No. 7, Seite 1260 (1968) oder K. H. Hollenberg: Druckmessungen an Stoßwellen in Flüssigkeiten und Stoßwellen und Festkör pern, Habilitationsschrift Mathematisch-naturwissenschaftliche Fakultät Uni versität Düsseldorf 1983 bekannt.

Die vorgenannten Meßmethoden schreiben den iterativen Einsatz singulär KMW vor.

Von J. Ginsberg wird die simultane Anwendung mehrerer KMW im Zusam menhang mit Gas-Kanonen-Messungen erwähnt (M. J. Ginsberg et. al. Rev. Sci. Instruments 62 (9), 2218 (1991)).

Die Angaben dieser Arbeit führen den vorgenannten Stand des Technik jedoch nicht zu einer wohldefinierten Kombination von Drucksensoren weiter, wel che die verschiedenen Einzelsensoren und das zu untersuchende Zündmittel zu einer Vorrichtung für ortsaufgelöste Messungen integriert, noch sind ihr Hinweise auf ein anzuwendendes Extrapolationsverfahren entnehmbar, wel ches auf den Ausgangsdruck von Zündmitteln schließen läßt.

Dies gilt gleichermaßen für J. Austing et. al. (Propellants, Explosives, Pyro technics 16, 205 (1991)) welche Drücke mit KMW nur direkt in der Oberfläche von Explosivstoffen ohne Ortsauflösung messen, so daß vorwiegend nur Lauf zeiten der Stoßwelle und keine ortsabhängigen Drücke gemessen werden. Die Messung von Stoßdrücken in der Oberfläche von Zündmitteln ist zudem höchst problematisch (frühzeitige Zerstörung des Sensors).

Um mit den Möglichkeiten des Standes der Technik auf den Stoßdruck in z. B. der Ausgangsebene des Zündmittels schließen zu können, erfordern die be kannten Lösungen bisher eine Vielzahl von Einzelmessungen, wobei jedesmal ein neues Zündmittel zu verwenden ist, welches unterschiedliche Stoßdrücke liefern kann, was Anlaß zu größeren Fehlerbreiten gibt. Die direkte Kopplung eines KMW direkt an das Zündmittel ist problematisch wegen der zwangsläu figen Zerstörung des Sensors durch die Schwaden (Metallpartikel etc.), so daß man auf ortsaufgelöste Messungen in bestimmten Abständen von der Aus gangsebene des Zündmittels mit anschließendes Extrapolation der Druckwer te in die Ausgangsebene des Zündmittels angewiesen ist.

Auf dem Nachbargebiet der Zündmittel, der Geschoßkunde, ist eine Vorrich tung aus der US 5,359,796 bekannt, die ein länglich gestrecktes Volumen aufweist, welches über seine Erstreckung mit Drucksensoren besetzt ist, die Störungen (Druckwellen) eines das Volumen fällenden Mediums aufnehmen und an eine Auswerteschaltung weiterleiten, wobei die Störungen vom schnellen Durchqueren einer Patrone von deren Energieverlust ins Medium bestimmt sind.

Zur Leistungsprüfung von Zündmitteln ist diese Vorrichtung jedoch nicht verwendbar. Wegen ihres Merkmals, eines nicht geschlossenen Volumens, verursacht eine in ihr ausgelöste Detonation einen sofortigen Austritt des Mediums. Als Folge ist eine ungestörte Druckwellenausbreitung vom Ort der Detonation zu den Drucksensoren nicht möglich.

Weil die bekannte Vorrichtung originär zur Prüfling von Geschossen vorgese hen ist, fehlt ihr eine sichere Aufnahmeeinrichtung für explosible Zündmittel, wie auch eine integrierte Anzündeinrichtung zur gefahrlosen Initiierung des Zündmittels.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Möglichkeit zur Leistungsprü fung von Zündmitteln zu schaffen, bei des nach nur noch einer Einzelmessung genaue Werte zum Prüfling vorliegen.

Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 3 und einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.

Die Unteransprüche 2 und 4 bis 8 bilden die Erfindung in vorteilhafter Weise weiter.

Mit der Erfindung ist es nunmehr möglich, im Rahmen der Abschätzung von Funktions- und Einsatzfähigkeit bei in Benutzung befindlichen und für eine Anwendung es bestimmter Stelle vorgesehenen Zündmitteln, deren Lei stungsparameter mit geringem Aufwand in Erfahrung zu bringen.

Gemäß Anspruch 2 ist es dabei vorgesehen, die Stoßwelle einem Fluid mitzu teilen und von diesem an die Sensoren leiten zu lassen.

Mit der Fluidleitung ist wegen der besseren Einkoppelmöglichkeit des Druck impulses in die Sensorstruktur eine Genauigkeitssteigerung des Verfahrens möglich. Des weiteren kann das Verfahren durch Wahl des Fluids besser an unterschiedliche Prüflinge angepaßt werden.

Mit Anspruch 4 sind vorteilhafte Bedingungen für den Prozeßstart des Verfah rens auf seiner Zeitachse definiert.

Weil es zu Veränderungen während des Überstreichens eines Drucksensors in der Stoßweile kommen kann, schreibt der Anspruch 5 eine spiralförmige An ordnung der Drucksensoren am Umfang des Volumens vor. So ist sicherge stellt, daß Deformationen in der Stoßwelle nicht auf nachfolgende Sensoren einwirken können.

Einen Hinweis auf einen besonders kostengünstigen Drucksensor in Form von Kohlemassewiderständen, gibt der Anspruch 6. Deren Nachteil, eine besonde re Temperaturempfindlichkeit, läßt sich mit eines Volumen-Temperierein richtung, wie in Anspruch 7 vorgeschrieben, günstig beeinflussen.

Zur Adaptierung des Verfahrens an einen großen Vorrichtungsbedarf, wie er z. B. bei der Serienfertigung von Munition besteht, ist es nach Anspruch 8 vorgesehen, die Drucksensoren mit ihren Zuleitungen in Form einer gedruck ten Schaltung auf den Innenwänden des Volumens einzubringen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend näher beschrieben und in den Zeichnungen Fig. 1 und 2 dargestellt.

Es zeigt

die Fig. 1 eine Vorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren,

die Fig. 2 die Einbindung des Vorrichtung in eine Auswerteschaltung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren wird gebildet aus einem Volumenträgers 1, welches das Prüfvolumen 2 ein schließt. Zur Erhöhung der Standsicherheit steht der Volumenträger 1 auf ei ner mit ihm verbundenen Bodenplatte 3. Zur Fixierung des Prüflings dient die auf der Bodenplatte 3 angebrachte Aufnahme 4, die eine Möglichkeit zur Re aktionsauslösung bietet. Im Ausführungsbeispiel ist die Aufnahme 4 als Schraube ausgeführt. Dies bietet den Vorteil, ihre Ausnehmung zur Fixierung des Zündmittels verschiedenen Prüflingskonturen optimal anpassen zu kön nen. Zusätzlich ist so ein vorteilsweiser schneller Aufnahmenwechsel gewähr leistet. In der Ausgangsebene des Zündmittels ist ein erstes druckgesteuerter Sensor in Form einer Kurzschlußsonde 5 plaziert. In wohldefinierten Abstän den von der Ausgangsebene des Zündmittels entfernt, sind Drucksensoren 6 spiralförmig an der Innenseite des Volumenträgers angeordnet.

Wie die Zeichnung 2 zeigt, wird zur Prüfling das zu untersuchende Zündmit tel 7 in die Halterung 4 gegeben und über die Zündeinrichtung 8 zur Auslö sung gebracht. Die entstehende Druckwelle läuft von ihrer Ausgangsebene ausgehend, im Volumen zum offenen Ende. Die erzeugte Stoßwelle passiert dabei als erstes die Kurzschlußsonde 5, welche für Triggerzwecke und Festle gung des Nullpunktes der Systemzeitachse ein druckabhängiges Signal abgibt. Nach dem Überstreichen der Kurzschlußsonde wirkt die Stoßwelle nachfol gend auf die in verschiedenen Entfernungen zur Zündmittelebene angeordne ten Drucksensoren 6. Bevorzugt werden hier besonders preiswerte, kommer zielle Kohle-Masse-Widerstände (KMW). Diese Widerstände ändern ihren ohm schen Widerstand über einen großen Bereich als Funktion des Druckes.

Zur Kompensation ihrer nachteiligen Temperaturabhängigkeit, empfiehlt es sich, das Volumen mit Hilfe der Temperaturregeleinrichtung 9, vor allem bei einer Stoßwellenleitung in einem Fluid, definiert zu temperieren. Durch ein Stromversorgungsmodul 10 werden die KMW 6 mit einer konstanten Span nung versorgt. Die Druckeinwirkung der Stoßwelle führt zu einem, dem drucklosen Zustand des KMW 6 gegenüber erniedrigten Widerstandswert, was ein Maß für die Druckerhöhung ist.

Die Zeitwertdifferenzen werden an ein Auswertemodul 11 geleitet, das im we sentlichen aus einem Datenpuffer 12, einem Zeitzeichengenerator 13, einem Prozessor, einem Programmspeicher 15 und einer Werteausgabe 16 besteht.

Die Daten der Drucksensoren 6 werden mit den zugehörigen Zeitwerten im Datenpuffer 12 zwischengespeichert. Ein von einem im Programmspeicher 15 abgelegten Rechenprogramm gesteuerter Prozessor 14, berechnet dann nach einem üblichen mathematischen Algorithmus jeden gewünschten Stoßdruck, ausgehend von der Ausgangsebene des Zündmittels bis ans Ende der Druck sensorstrecke.

Die Werte sind danach der Werte-Ausgabe 16 entnehmbar. Neben der automa tischen Berechnung der ebenen bezogenen Stoßdruckberechnung ist es selbstverständlich möglich, eine übliche Extrapolation auf der Grundlage zwi schengespeicherter Leitwertänderungen mit Hilfe der üblichen mathemati schen Verfahren von Hand durchzuführen.

Bezugszeichenliste

1

Volumenträger

2

Prüfvolumen

3

Bodenplatte

4

Zündmittelhalterung

5

Kurzschlußsonde

6

Drucksensor (bei Kohle-Masse-Widerstand: KMW)

7

Zündmittel

8

Zündeinrichtung

9

Temperaturregeleinrichtung

10

Stromversorgungsmodul

11

Auswertemodul

12

Datenpuffer

13

Zeitgeber

14

Prozessor

15

Programmspeicher

16

Werteausgabe

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung des Stoßdrucks in Entfernungs- und Zeitabhän gigkeit zu einem Zündmittel, bei dem

a) ein Zündmittel zur Reaktion gebracht wird, dessen
b) Stoßwelle in einem prismatischen oder zylindrischen Volumen ge führt wird, wobei
c) die Stoßwelle im Bereich der Ausgangsebene des Zündmittels einen ersten Druckschalter betätigt, der ein Signal zur Nullpunktgenerie rung einer Zeitachse abgibt, wonach
d) die Stoßwelle weitere Drucksensoren passiert, deren Signale in Ab hängigkeit zur aktuellen Druckbeaufschlagung stehen und nachfol gend
e) die Signaländerungswerte einem Rechenverfahren zugeführt werden, welches nach Berechnung der Druckwerte am Ort der Drucksensoren durch eine Ausgleichsrechnung mit Extrapolation den Druck am Aus gang des Zündmittels oder in einer beliebigen Entfernung dazu zu bestimmen gestattet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßwelle vom Zündmittel in ein Fluid, vorzugsweise Wasser, eingekoppelt wird.

3. Vorrichtung für das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein prismatisches oder zylinderförmiges Volumen (2) einschließt, bei dem an einer der das Volumen (2) einfassenden Ebenen eine Aufnahme mit der Möglichkeit einer Reaktionseinleitung für mindestens ein Zündmittel (7) angebracht ist, wobei in der Ausgangsebene des Zündmittels (7) ein erster druckgesteuerter Sensor (6) angeordnet ist, dem in Abständen, auf die Höhe des Volumens (2) verteilt, weitere Drucksensoren (6) folgen, die mit einem Auswertemodul (11) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckwechsel am Drucksensor (6) in der Ausgangsebene des Zündmittels (7), einen Einschalt- oder Ausschaltvorgang des Drucksensors (2) bewirkt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Volumenhöhe verteilten Drucksensoren (6), spiralförmig am Umfang des Volumens (2) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (6) mit Kohlemassewiderständen dargestellt werden, deren aktuelle Leitwerte vom einwirkenden Druck bestimmt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum definierten Temperieren (9) des Volumens (2) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (6) in Form einer gedruckten Schaltung mit ihren elektrischen Zuleitungen, innen auf den Seitenflächen oder dem Mantel des Prüfvolumens (2) aufgebracht sind.