DE2612574C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 zum Durchbrechen einer aus sprödem Material bestehenden Fahrzeugwand, insbesondere eines Flugzeugkabinendaches, zwecks Herstellung eines Notaus­ stiegs.

Aus der US-PS 38 06 069 ist eine Vorrichtung dieser Art bekannt, die eine entlang des Sollbruchverlaufs ver­ laufende Miniatursprengschnur aufweist, die eine halb­ kreisförmige Querschnittsform hat und mit ihrer flachen Querschnittsseite mittels eines aushärtbaren Klebstoffes an der Innenseite eines Flugzeugkabinendaches befestigt ist. Beim Auslösen der Vorrichtung detoniert diese Spreng­ schnur und sprengt einen entsprechenden Ausschnitt des Kabinendaches ab.

Eine solche Sprengschnur stellt einerseits eine gewisse Sichtbehinderung für den Piloten dar, andererseits aber wird der Pilot auch, was bedeutend schwerer wiegt, im Fall der Auslösung der Vorrichtung der Verletzungsgefahr durch die Sprengwirkung oder durch umherfliegende Splitter ausgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Gattung zu schaffen, mit welcher bedarfsweise ein der Größe des erforderlichen Notausstiegs entsprechender Ausstieg in einem Flugzeugkabinen­ dach oder einer sonstigen Fahrzeugwand hergestellt werden kann, ohne die zu rettende Person zu gefährden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung gelöst.

Erfindungsgemäß ist also das linienartige Brechorgan als sich in inniger Berührung mit dem Material der zu durchbrechenden Wand befindlicher elektrischer Leiter aus­ gebildet, der im Auslösefall mittels eines energiereichen Stromstoßes aus einer elektrischen Energiequelle zum Schmelzen gebracht wird. Infolge der beim Schmelzen des Leiters auftretenden Volumenvergrößerung des Leiterwerk­ stoffs und durch die stoßartige Materialerhitzung im Bereich des Leiters entsteht ein ausreichend starker explosionsähnlicher Stoß, um das Material der Fahrzeug­ wand zu zerbrechen und die benötigte Ausstiegsöffnung herzustellen. Die Bruchbildung im Material der Fahrzeug­ wand erfolgt dabei also durch mechanische Stoß/Biege- Beanspruchungen in diesem Material. Dies läßt sich unter viel genauer steuerbaren Bedingungen bewerkstelligen, als es bei Verwendung einer Sprengschnur möglich ist.

Der elektrische Leiter wird vorzugsweise im Zuge der Herstellung der betreffenden Fahrzeugwand in dieser einge­ bettet, da hierdurch die größtmögliche Wirkung der im Auslösefalle umgesetzten Energie auf das Wandmaterial erfolgen kann. Dazu kann der Leiter entweder zwischen einzelnen Schichten einer Schichtkonstruktion oder direkt in die Wand eingegossen werden, oder er kann nach Fertigung der Wand in eine Nut derselben eingelegt und darin ver­ gossen werden.

Aus der US-PS 33 40 807 ist zwar eine Möglichkeit zum Auseinandersprengen eines Materialblockes durch einen eingebetteten elektrischen Draht beschrieben, indem der Draht durch einen energiereichen Stromstoß schlagartig zum Verdampfen gebracht wird, aber dort wird im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung ähnlich wie bei der Verwendung einer Sprengschnur eine echte Sprengwirkung erzeugt, indem durch schlagartiges Überführen des Drahtes in den gas­ förmigen Zustand eine drastische Volumenvergrößerung ähnlich wie beim Abbrennen einer Sprengschnur herbeigeführt wird. Gerade dies findet bei der vorliegenden Erfindung aber nicht statt, denn beim Umsetzen in den flüssigen Zustand ergibt sich nur eine relativ geringfügige Volumen­ vergrößerung des Materials des elektrischen Leiters, das aber im Zusammenwirken mit dem auftretenden thermischen Stoß einen sicheren Bruch der Fahrzeugwand hervorruft, ohne allerdings starke Explosionswirkungen mit umherfliegen­ den Splittern zu verursachen.

Der schmelzbare elektrische Leiter kann draht- oder bandförmig sein, und seine Wirkung läßt sich dadurch steigern, daß sein Verlauf so gestaltet wird, daß beim Durchgang des Stromstoßes eine mechanische Spannungshäufung im angren­ zenden Wandmaterial bewirkt wird. Dazu kann der Leiter­ verlauf V-förmige Knicke oder Querschnittseinschnürungen aufweisen, was beides zur Folge hat, daß an diesen Stellen das Abschmelzen bevorzugt auftritt und dann Lichtbogen entstehen können, die eine besonders starke Erhitzung zur Folge haben. In Kombination dieser beiden Möglichkeiten, können auch Querschnittseinschnürungen jeweils an Leiter­ biegungen angeordnet sein.

Die jeweils erforderliche elektrische Energie hängt von der Dicke der zu durchbrechenden Wand und dem Wand­ material sowie von der geometrischen Form des Leiterquer­ schnitts und natürlich in gewisser Weise auch von der Geometrie der herzustellenden Ausstiegsöffnung ab.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt

Fig. 1 in einem Diagramm die spezifische Schmelzenergie verschiedener Materialien, die für den elektri­ schen Leiter in Betracht kommen,

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung ein mit Schmelzelementen ver­ sehenes Kabinendach einer Flugzeugführerkanzel, und

Fig. 3 ein Schaltschema der Vorrichtung.

Als typisches Versuchsbeispiel wurde eine 30 cm im Quadrat messende Probe aus gezogenem oder gegossenem Acryl- Kabinendachwerkstoff mit Dicken zwischen 10 mm und 20 mm unter Verwendung eines Leiters zerstört, der aus einem in der Mitte des Probenmaterials in Form eines gleich­ seitigen Dreiecks eingebetteten 0,38 mm-Draht mit einer Länge von 11 cm bestand. Dabei wurde eine gespeicherte Energie von 500 J innerhalb eines Zeitraums von weniger als 1 ms zugeführt. Bei Verwendung von Nichromdraht gleicher Abmessungen und bei den gleichen Bedingungen ist zur Erzeugung der gleichen Zerstörungswirkung eine Energie von 1 kJ erforderlich, die jedoch nur mit der halben Geschwin­ digkeit zugeführt zu werden braucht.

Diese Unterschiede haben ihre Ursache in Unterschieden der physikalischen Konstanten des Leitermaterials, bei welchem es sich um Metalle, Legierungen und sogar Kohle­ fasern handeln kann. Die in diesem Fall hauptsächlich wichtige physikalische Konstante ist das Joule'sche Integral (R ∫ I² dt) zum Schmelzen. Dies ist in Fig. 1 für eine Anzahl von Werkstoffen als Funktion des Querschnitts des verwen­ deten Leiters dargestellt. Die in dieser Graphik dargestellten Daten sind bei der Wahl der richtigen Bemessung des Elements an derjenigen Stelle wichtig, an welcher seine Unterbrech­ ung erwünscht ist. Aus der Graphik ist leicht ersichtlich, daß eine Querschnittsverminderung einen viel geringeren Wert des Joule'schen Integrals erfordert, da das Joule'sche Integral zum Quadrat der Querschnittsfläche proportional ist, wie auf dem Gebiet der elektrischen Schmelzsicherungen bekannt ist. Aus diesem Grund weisen die obenerwähnten kleinen Einschnürungen die Wirkung auf, daß sie eng begrenzte örtliche Energiefreisetzungen hervorrufen.

Es sind verschiedene elektrische Energiequellen ver­ fügbar, die in der Lage sind, die erforderliche Energie­ menge in der erforderlichen kurzen Zeitspanne bereitzu­ stellen. Beispielsweise sind mit kapazitiv gespeicherter Energie oder mit induktiv gespeicherter Energie arbeitende Quellen geeignet; ebenso Kurzzeitgeneratoren und thermische Batterien. Eine sehr wirtschaftliche Form einer Energie­ quelle weist einen kapazitiven Energiespeicher auf, der an eine Induktivität angepaßt ist, welche während der Schmelz­ zeit des gewählten Elements durch den von der Kapazität ausgehenden Energiestrom erregt wird. Diese Energiequellen­ form ist natürlich besonders zur Plasmaerzeugung bei einem V-förmigen Element nützlich. Die Schmelzzeit wird durch die Daten aus der Graphik bestimmt und stellt eine Funktion der jeweiligen Kapazität, Induktivität und des Ohmschen Widerstandes dar. Es können Elektrolyt- oder keramische Kondensatoren Anwendung finden, wodurch das Gewicht und die Größe der Schaltung auf ein Minimum verringert und die erforderliche Speisespannung reduziert wird.

Die Kondensatoren sind vorzugsweise in Reihe zur Speise­ spannung geschaltet, da dadurch die Auswirkung eines fehler­ haften Kondensators auf ein Minimum verringert wird. Die Schmelzelemente, Schalter und ggfs. verwendeten Spulen sind dann als Unterstromkreise über die Kondensatoren ge­ schaltet, wobei die Schalter zur gleichzeitigen Bestätigung vorgesehen sind. Bei einem unterteilten System zur Kabinen­ dachzerstörung und zum Kabinendachabwurf ist vorteilhafter­ weise jeder Kondensator beiden System-Unterstromkreisen gemeinsam zugeordnet. Die Energie kann von äußeren Stellen bezogen werden, durch welche die Kondensatoren vor dem Flug aufgeladen und möglicherweise nach dem Flug entla­ den werden. In diesem Fall kann zur Aufrechterhaltung der Ladung während des Fluges ein Pufferlader Anwendung fin­ den. Alternativ dazu kann die Energie aus dem bordeigenen System bezogen werden, wobei die Kondensatoren vorzugs­ weise bis zum Bedarfsfall entladen bleiben. Dazu kann eine Gruppe paralleler Energieschalter Anwendung finden, von denen jedem Untersystem und jeder möglichen Funktion einer zugeordnet ist und welche die Kondensatoren bei Betätigung mit einer Quelle mit der erforderlichen hohen Speisespannung verbinden. Ein jeweils zwischen einem Energieschalter und dem zugehörigen Untersystemschalter geschaltetes Verzögerungssystem kann so ausgelegt sein, daß die Untersystemschalter jeweils ein paar mm nach der Betätigung der Energieschalter geschlossen werden, wenn die Kondensatoren bereits ausreichend aufgeladen sind.

Eine wirksame Zerstörung kann mit Kondensatoren zwischen 4 µF bei Spannungen bis zu 7,5 kV in Kombination mit Spulen mit einer Induktivität bis zu 110 µH sowie mit Kondensatoren einer Elektrolytbauart mit einer Kapazität bis zu 30 000 µF bei Spannungen bis zu 450 V in Verbindung mit Spulen mit Induktivitäten bis zu 34 µH erzielt werden.

Gemäß Fig. 2 weist das Kabinendach einer Flugzeug­ führerkanzel in einem Rahmen 12 eine transparente Wand 11 auf. In die Kabinendachwand sind fünf Schmelzelemente 13 eines Kabinendach-Zerstörungsuntersystems und acht Schmelz­ elemente 14 eines Kabinendach-Abwurfsystems eingebettet.

Die Elemente 13 sind um denjenigen Bereich des Kabinen­ daches herum angeordnet, durch welchen der Pilot beim Hinauskatapultieren hindurchpassieren muß, und zwar an Stellen, an denen sie die Sicht möglichst wenig behin­ dern. Diese Elemente bestehen aus Blechband mit einer Ab­ messung von 1 mm × 0,08 mm und einer Länge von 300 mm und weisen eine Vielzahl von V-förmigen Knicken auf, die der­ art verteilt zu dem genannten Bereich hin gerichtet sind, daß im Bedarfsfall ausreichend viele Risse in diesem Bereich erzeugt werden, um ihn im Bruchstückchen zu zer­ brechen, die jeweils keine ausreichende Energie besitzen, um die betreffende Person oder dessen Überlebensaus­ rüstung wesentlich zu beeinträchtigen. Die Elemente 13 sind durch Leiter 15 in den Untersystemstromkreis ge­ schaltet, welche im Bereich des Rahmens 12 Abreißkon­ takte 16 aufweisen.

Die Elemente 14 sind entlang des Randes der Kabinen­ dachwand 11 angeordnet. Jedes Element 14 besteht aus einem Band mit einer Abmessung von 1 mm × 0,08 mm × 100 und ist mit zwei V-förmigen Knicken versehen, die jeweils vom Rand der Kabinendachwand weg zeigen.

Der in Fig. 3 gezeigte Stromkreis enthält fünf Elektro­ lytkondensatoren 20 mit 30 000 µF, die in Reihe zwischen einem äußeren Punkt 21 und Masse geschaltet sind. Jeder Kondensator 20 bildet eine Energiequelle zum Schmelzen der Elemente der Untersysteme zum Kabinendachabwurf und zur Kabinendachzerstörung. Über jeden Kondensator 20 ist ein Schalter 22, eine Spule 23 und 30 µH und über die Kontakte 16 und die Leiter 15 ein Element 13 des Zer­ störungsuntersystems und parallele Schalter 24 und 25, eine Spule 26 und 30 µH und mindestens ein Element 14 des Abwurfsuntersystems geschaltet. Die Schalter 22 sind für automatische gleichzeitige Betätigung als Bestandteil eines Schleudervorgangs ausgelegt. Die Schalter 24 sind für gleichzeitige manuelle Betätigung durch den Piloten und die Schalter 25 für eine Betätigung von außerhalb des Cockpits ausgelegt.

Im Abwurfuntersystem sind die drei vorderen Elemente 14 a in Reihe in einem Untersystemstromkreis zusammengefaßt, die mittleren Seitenelemente 14 B, 14 C und das hintere Mittelelement 14 C sind jeweils in einen gesonderten Unter­ systemstromkreis geschaltet und die beiden hinteren Eck­ elemente 14 D sind in Reihe in einem weiteren Untersystem­ stromkreis zusammengefaßt. Jeder der fünf so gebildeten Untersystemstromkreise wird von einem der Kondensatoren 20 gespeist.

Ein Pufferlader 27, der von einer Flugzeughaupt­ leitung 28 gespeist wird, dient der Aufrechterhaltung der Ladung der Kondensatoren 20.

Das System wird vor einem Flugzeugeinsatz durch Auf­ laden der Kondensatoren 20 mit Hilfe einer Speisespannung von 2,5 kV, die zwischen den Punkt 21 und Masse angelegt wird, betriebsbereit gemacht. Während des Flugzeugein­ satzes wird die Ladung mit Hilfe des Pufferladers 27 auf­ rechterhalten.

Wenn der Pilot den Schleudersitz auslöst, werden die Schalter 22 automatisch während der Ereignisfolge des Schleudervorgangs geschlossen, wodurch die Kondensatoren 20 über die Spulen 23 entladen werden und die Schmelzelemente 13 zerstören. Infolge des durch die Selbsterregung der Spulen hervorgerufenen Stromstoßes bildet sich ein Lichtbogen zwischen den voneinander getrennten Schmelzelementen­ bereichen an den Scheiteln der V-Knicke, und entlang der Winkelhalbierenden der V-Knicke gerichtetes Plasma ver­ größert den durch das Schmelzelement selbst verursachten Schock.

Das sich aufgrund der sorgfältigen Anordnung und Aus­ bildung der Elemente 13 ergebende Rißsystem stellt sicher, daß mindestens derjenige Teil des Kabinendaches in kleine Bruchstücke zerbrochen wird, der sich im Bereich des Aus­ trittsweges des Schleudersitzes mit dem Piloten befindet. Die Druckdifferenz zwischen dem Cockpitinneren und der Außenluft, die, falls notwendig, durch Anordnung der Elemente nahe der inneren und äußeren Kabinendachober­ fläche vergrößert wird, stellt sicher, daß die Bruch­ stücke nach außen weggeschleudert werden.

Wenn das Flugzeug eine Bruchlandung ausführt, betätigt der Pilot gewöhnlich eher das schnelle Kabinendachabwurf­ untersystem als die normale Öffnungsvorrichtung, indem er die miteinander gekuppelten Schalter 24 schließt. Die Kondensatoren 20 werden dann über die Spulen 26 und die Elemente 14 entladen, wodurch das Kabinendach auf­ grund einer ähnlichen Wirkungsweise wie beim Zerstörungs­ untersystem weggesprengt wird. Wenn der Pilot ohnmächtig ist, kann der Schalter 25 mit der gleichen Wirkung durch eine Rettungsperson von außen betätigt werden. Das Kabinen­ dach wird dann aus seinem Rahmen abgestoßen, herausgezogen oder abgehoben, wodurch die Kontakte 16 des Zerstörungs­ untersystems abgerissen werden.

Bei einer alternativen Schaltung ist der Speise­ spannungsanschluß 21 über ein paralleles Schaltersystem mit einer 2,5-kV-Quelle im Flugzeug verbunden. Dieses Parallelschaltersystem weist einen automatischen Schalter, welcher dem Zerstörungsuntersystem angeordnet und im Zuge des Schleudervorgangs betätigbar ist, und zwei dem Ab­ wurfuntersystem zugeordnete handbetätigbare Schalter auf. Jeder der Schalter ist über ein Verzögerungssystem mit dem zugehörigen Schalter 22 bzw. 24 verbunden, welch letzterer in diesem Fall nur über das Verzögerungssystem betätigbar ist. Der Schalter 25 und der Pufferladekreis 27 sind dann nicht erforderlich.

Bei dieser alternativen Schaltung werden die Konden­ satoren 20 vor dem Flug nicht aufgeladen und bleiben bis zum Bedarfsfall entladen. Bei Betätigung einer der Schalter in den erwähnten Parallelschaltersystem bewirkt die Auf­ ladung der Kondensatoren und die Auslösung des Verzögerungs­ systems. Nach einer geeigneten Anzahl von ms, wenn die Kondensatoren 20 ausreichend aufgeladen sind, schließt das Verzögerungssystem den jeweiligen gewünschten Schalter 22 bzw. 24 und betätigt das gewünschte Untersystem.

Das System kann leicht ständig überprüft werden, wodurch sich ein Maß an Betriebssicherheit ergibt, das bei Sprengschnursystemen nicht verfügbar ist. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung einer Mehrzahl von Schmelz­ elementen, daß das System bei Ausfall eines Elements nicht wesentlich beeinträchtigt ist.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Durchbrechen einer insbesondere aus sprödem Material bestehenden Fahrzeugwand, insbesondere eines Flugzeugkabinendaches, zwecks Herstellung eines Not­ ausstiegs, mit mindestens einem im wesentlichen linienartig entlang des Sollbruchverlaufs verlaufenden Brechorgan, dadurch gekennzeichnet, daß das Brechorgan ein in dem Material der zu durchbrechenden Wand (11) eingebetteter elektrischer Leiter (13, 14) ist, dem eine elektrische Energiequelle (20) zugeordnet ist, die beim Einschalten einen den Leiter zum Schmelzen bringenden Stromstoß erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (13, 14) in seinem Verlauf V-förmige Leiterknicke aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter in seinem Verlauf Querschnitts­ einschnürungen aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (13, 14) aus einem Material mit niedrigem Joule'schen Integral (R ∫ I² dt) besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (13, 14) band­ förmig ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle mindestens einen Kondensator (20) aufweist, welchem eine Spule (23, 26) zugeordnet ist.