DE3131332C2 - Elektrisches Zündsystem für Sprengkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zündsystem, das drahtlos arbeitet, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die am weitesten verbreiteten Sprengverfahren arbeiten mit elektrischen Zündern, die über ein Kabelsystem mit einer Sprengmaschine verbunden sind, die elektrische Energie an die Zünder leitet, um mit diesen die Sprengladungen zur Detonation zu bringen.

In manchen Anwendungsfällen, beispielsweise beim Sprengen von Tunnels, muß eine große Zahl von elektrischen Zündern gleichzeitig gezündet werden. Beispielsweise für einen einspurigen Eisenbahntunnel mit einem Querschnitt von etwa 30 Quadratmetern müssen 100 bis 150 Zünder gleichzeitig gezündet werden. Es ist technisch und zeitlich sehr aufwendig, bei einer solch großen Zahl von Zündern die Verdrahtung vorzunehmen, sei es das diese in Serie oder parallel geschaltet sind, und zwar besonders dort, wo nicht allzuviel Raum zur Verfügung steht. Außerdem muß auch verhindert werden, daß elektrische Ableitströme auftreten, die sich besonders dann einstellen, wenn die Leitungsdrähte blank sind und mit der Erde in Berührung kommen. Es können dann nämlich Fehlzündungen auftreten. Dies bedeutet, daß erhebliche Sicherungsmaßnahmen erforderlich sind, so müssen beispielsweise die miteinander verbundenen Drahtenden frei in der Luft schwebend gehalten werden, oder man muß sie mittels Isolierbändern gegen einen Berührungskontakt mit der Erde isolieren. Die Vorbereitung einer solchen Sprengung ist daher nicht nur zeitaufwendig, sie führt auch nicht immer zu dem gewünschten Erfolg.

Aus der US-PS 31 70 399 ist ein drahtlos arbeitendes Zündsystem bekannt, bei dem die Zündung durch einen Heizdraht bewirkt wird, der sich in einem elektrischen Stromkreis mit einer Batterie und einem elektronischen Schwellwertschalter befindet. Der elektronische Schalter schließt diesen Kreis, sobald die Spannung an seiner Steuerelektrode einen bauarttypischen Schwellwert erreicht hat Diese Spannung wird von einem Kondensator geliefert, der von einer gleichgerichteten Empfangsantennenspannung aufgeladen wird.

Nachteilig bei diesem Zündsystem ist, daß empfangsseitig eine Batterie zur Verfügung gehalten werden muß und daß aufgrund unterschiedlicher Ausbreitungsbedingungen und Fertigungsstreuungen bei einem viele ίο derartige Zünder enthaltenden Sprengsystem eine gleichzeitige Zündung aller Sprengladungen praktisch nicht möglich ist

Eine Abhilfe dieser Nachteile schafft das aus der DE-AS 23 31 968 bekannte Zündsystem. Bei ihm wird die zur Erwärmung des Heizdrahtes notwendige Energie von einem Ladekondensator bereitgestellt, der von einer gleichgerichteten Empfangsantennenspannung aufgeladen wird. Jedoch ist durch einen im Stromkreis zwischen Ladekondensator und Heizdraht liegenden elektronischen Schalter, der den Stromkreis erst bei Ausfall der Antennenspannung schließt, gewährleistet, daß die Zündung nur zu einem im Belieber, des Sprengmeisters liegenden Zeitpunkt erfolgt Es ist somit eine gleichzeitige Zündung einer Mehrzahl von Sprengkörpern erzielbar. Nachteilig ist auch hier der relativ große Schaltungsaufwand bei den Sprengkörpern.

Ein Zündsystem nach dem Oberbegriff des Patentansprucns 1 beschreibt die am 3.12.1953 bekanntgemachte deutsche Patentanmeldung D 11 675. Danach ist jeder Zünder als elektrischer Resonanzkreis ausgebildet bzw. an einen solchen angeschlossen. Die Zündung erfolgt durch einen auf der Resonanzfrequenz arbeitenden Sender. Einzelheiten über den Aufbau der Zünder und die verwendeten Resonanzfrequenzen sind nicht offenbart.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zündsystem der vorgenannten Art anzugeben, das sprengkörperseitig einen besonders einfachen Aufbau des Zündteils ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen davon sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen die

Fig. 1, 2 und 3 schematisch im Längsschnitt drei verschiedene Ausführungsformen für Zündvorrichtungen mit verschiedenen Antennenformen; die so Fig.4A bis 4C schematisch verschiedene Heizelemente;

F i g. 5 eine schematische Darstellung eines Zündsystems für Tunnelsprengarbeiten und F i g. 6 ein Blockdiagramm eines Senders zur Verwendung in dem vorgenannten Zündsystem.

In den Fig. 1 bis 3 ist mit A eine Zündkapsel dargestellt. Man erkennt einen Detonator 1, ein Gehäuse 2, eine Grundladung 3, eine Explosivladung 4, eine innere Hülse 5, eine Zündladung 6, ein Heizelement 7, eine Verzögerungsladung 8, ein Verschlußstopfen 9, einen freien Innenraum 10, einen Zündkopf 11, eine Antenne 12 und Verbindungsleitungen 13. In Fig.5 erkennt man einen Tunnel 14, eine Arbeitswand 15, Bohrlöcher 16, Sprengladungen 17, Zündpatronen 18, Buhrlochverschlüsse 19, einen Mikrowellensender 20, einen Mikrowellenoszillator 21, eine elektromagnetische Hornantenne 22, eine Stromquelle 23 und einen Schalter 24. Zu diesem Sender 20 gehören gemäß F i g. 6

ein Transformator 26, ein Gleichrichter 27, ein Kondensator 28 und ein Magnetron 29.

Die F i g. 1 bis 3 zeigen schematisch drei verschiedene Zündkapseln für spontane oder verzögerte Zündung im Verfahren und dem System zum Zünden eines Detonators nach der vorliegenden Erfindung. Die Zündkapsel A enthält einen Detonator 1 mit einem Gehäuse 2, dessen Bodenteil entweder eine Kombination einer Grundladung 3 am Boden des Gehäuses 2 und einer Explosivladung 4 anschließend an die Grundladung 3, wie es F i g. 1 zeigt, oder nur die Explosivladung 4, die von einem Zwischenabschnitt sich bis zum Boden der Kapsel erstreckt, wie F i g. 3 zeigt, enthält In den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 3 ist eine innere Hülse 5 am Ende der Explosivladung gelegen, an die sich eine Zündladung 6 vom Pulvertyp anschließt, die sich gegen das offene Ende des Gehäuses 2 des Detonators 1 erstreckt Diese Hülse 5 bildet eine Grenze zwischen der Explosivladung 4 und der Zündladung 6. In dem Gehäuse 2 ist ein Heizelement 7 angeordnet, das sich in der Zündladung 6 befindet und mit diesem in Berührung steht In der Ausführungsform nach F i g. 2 ist im Gehäuse eine Verzögerungsladung 8 angeordnet, die durch die Hülse 5 von der Grundladung 6 und der Explosivladung 4 getrennt ist Zwischen der Verzögerungsladung 8 und einem Verschlußstopfen 9, der das offene Ende des Gehäuses 2 verschließt, befindet sich ein freier Raum 10, in welchem sich ein Zündkopf 11 befindet, der aus einer Zündladung 6 und eiiiem Heizelement 7 besteht Die Detonatoren nach den F i g. 1 und 3 sind daher sofortzündende, während der Detonator nach F i g. 2 ein verzögernd ansprechender Typ ist Die zuvor bezeichneten Elemente 2 bis 7 bzw. 2 bis 11 bilden den Detonator 1 nach den Fig.! und 3 bzw. nach F i g. 2. Die Anordnung und die verschiedenen Erfordernisse, die die vorbezeichneten Elemente erfüllen müssen, sind allgemein bekannt so daß nähere Erläuterungen überflüssig sind. Es sei nur betont, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten Detonatoren beschränkt ist

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden elektromagnetische Mikrowellen dazu verwendet daß Heizelement 7 des Detonators 1 zu erwärmen. Zu diesem Zweck ist eine für den Empfang von Mikrowellen geeignete Antenne 12 außerhalb des Detonators 1 vorgesehen, die mit dem Detonator durch geeignete Einrichtungen mechanisch verbunden sein kann. Das Heizelement 7 ist elektrisch mit den Anschlüssen der Antenne 12 verbunden. Das einzige Erfordernis für die Antenne 12 ist, daß sie eine solche Gestalt und Größe aufweist, das sie zum Empfang elektromagnetischer Mikrowellen geeignet ist Beispielsweise kann die Antenne 12 eine gefaltete Antenne sein, wie in Fig. 1 dargestellt oder eine Schleifenantenne, wie in Fig.2, oder eine Stab- oder Peitschenantenne wie in Fig.3. Die Stabantenne 12 nach F i g. 3 findet dort Einsatz, wo das Heizelement 7 aus einem dielektrischen Element besteht Das Heizelement 7 ist elektrisch mit den Anschlüssen der Antenne 12 durch eine Verbindungseinrichtung, wie beispielsweise eine Drahtleitung 13 verbunden, die die von der Antenne aufgenommenen Mikrowellen dem Heizelement 7 zuleiten. Bevorzugte Ausführungsbeispiele hierfür sind Koaxialkabel und dazugehörige Kupplungen.

Das Heizelement kann aus solchen Materialien hergestellt sein, die Hitze entwickeln, wenn die in der Antenne 12 induzierten Mikrowellenströme dem Heizelement zugeführt werden. Beispielsweise kann das Heizelement 7 ein elektrisches Leitungselement sein, wie beispielsweise ein Stück Platindraht, das in Zündköpfen bekannter Art verwendet wird, es kann aber auch ein Halbleiter oder ein dielektrisches Element sein, das Wärme nicht bei tiefen Frequenzen, sondern nur bei Mikrowellenfrequenzen entwickelt

Die F i g. 4A bis 4C zeigen Beispiele der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlußdrähten 13 und dem Heizelement 7. Wenn beispielsweise das Heizelement 7 aus einem verfestigten Körper einer Mischung einer Zündladung und einer elektrisch leitfähigen chemischen Substanz, wie beispielsweise Kohlenstoff besteht dann können leicht elektrische Kontakte zwischen den Enden der Anschlußdrähte 13 und das Heizelement 7, wie in Fig.4A gezeigt ausreichend sein, um die elektrische Zündung durchzuführen. Wenn das Heizelement 7 aus einem elektrischen Leitungselement wie beispielsweise einem Stück Platindraht besteht dann können die beiden entgegengesetzten Enden des Leitungsstücks elektrisch mit den Enden der Leitungsdrähte 13 verbunden werden, wie in Fig.4B gezeigt, wie es bei üblichen Detonatoren gleichartigen Aufbaus der Fall ist Wenn das Heizelement 7 aus einem dielektrischen Element besteht das Hitze bei Durchfluß eines elektrischen Stromes mit Mikrowellenfrequenz entwikkelt, dann werden die beiden Enden eines solchen dielektrischen Elements mit den Enden der Anschlußdrähte 13 verbunden, wie es F i g. 4C zeigt

Obgleich die F i g. 1 bis 3 Kapselanordnungen A zeigen, in denen der Detonator 1 und die Antenne 12 so miteinander verbunden sind, daß sie eine integrale Einheit bilden, sind doch auch andere Lösungen möglich, vorausgesetzt nur, daß die Zündladung 6 genügend unempfindlich gegen Reibung ist Insbesondere können die Antenne 12, die Verbindungsleitungen 13 und das Heizelement 7 separate Elemente sein, die erst vor Ort zusammengesetzt und mit dem Detonator 1 verbunden werden. Es kann auch eine Kombination, bestehend aus der Antenne 12 und den Anschlußdrähten 13 als vorgefertigte Einheit hergestellt sein, die mit dem im Detonator 1 angeordneten Heizelement 7 elektrisch verbunden werden. Es kann auch die Anordnung so getroffen sein, daß nur die Antenne 12 ein getrenntes Bauelement ist, das erst vor Ort mit den bereits mit dem Detonator 1 verbundenen Anschlußdrähten 13 elektrisch verbunden wird.

Das Zündverfahren nach der Erfindung soll nun nachfolgend beschrieben werden.

F i g. 5 zeigt schematisch ein Sprengsystem an einer Arbeitswand eines Tunnels, das nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung arbeitet Sprenglöcher 16 sind in die Arbeitswand 15 eines Tunnels 14 gebohrt und eine vorbestimmte Länge von Sprengstoff 17 ist in jedes der Sprenglöcher 16 eingefüllt Es wird dann um eine Zündkartusche 18 mit der Zündkapsel A darin nahe dem vorderen Ende der Sprengbohrung 16 in diese eingesetzt während die Antenne 12 außerhalb der Sprengbohrung 16 angeordnet wird. Das offene Ende jeder Sprengbohrung 16 wird mit Hilfe einer Verschlußfüllung 19 aus Sand oder Ton verschlossen.

Ein geeigneter Mikrowellensender 20 wird vor der Arbeitswand 15 gebracht, wobei jedoch zwischen dieser und dem Sender ein genügend großer Abstand bleibt, um zu verhindern, daß der Sender durch die Sprengung beschädigt wird. Seine Antenne 22 wird auf die Arbeitswand 15 gerichtet. Der Mikrowellensender 20 besteht beispielsweise aus einem Mikrowellenoszillator 21, wie beispielsweise einem magnetronoszillator, einer

' elektromagnetischen Hornantenne 22, die gerichtete Mikrowellen abstrahlen kann, einer Stromversorgungsquelle 23 und einem Einschalter 24, der den Strom zu dem Sender 20 einschaltet

F i g. 6 zeigt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Mikrowellensenders 20. Die eine Ebene eines Einschalters 24 ist die Verbindung einer Wechselstromquelle 25 mit der Primärwindung 26/4 eines Transformators 26 in der Einheit 23. Ein Gleichrichter 27 ist mit der Sekundärwicklung 26B des Transformators 26 elek- ι ο trisch verbunden und ein Kondensator 28 ist an den Gleichrichter 27 so angeschlossen, daß er von dem gleichgerichteten Strom aufgeladen wird. Ein Anschluß des Kondensators 28 ist di^rekt mit der Anode eines Magnetrons 29 des Mikrowellenoszillators 21 verbunden, während der andere Anschluß des Kondensators 28 mit der Kathode des Magnetrons 29 über die andere Ebene des Schalters 24 verbunden ist. Wenn der Schalter 24 geschlossen wird, dann gelangt Spannung an die Primärwindung 26/4 des Transformators 26, wird von diesem nach oben transformiert und die so erhöhte Spannung wird von dem Gleichrichter gleichgerichtet und lädt den Kondensator 28. Eine Tertiärwindung 26C des Transformators 26 ist mit der Kathode des Magnetrons 29 verbunden und dient deren Heizung. Wenn der Kondensator 28 auf eine vorbestimmte Spannung aufgeladen ist, dann beginnt das Magnetron 29 zu schwingen und erzeugt elektromagnetische Mikrowellen, die durch die Hornantenne 22 abgestrahlt werden.

Zur Installation ist der Schalter 24 zunächst offen und es werden die Sprengladungen 17 und Zündkartuschen 18 zunächst in Position gebracht und es wird die Sprengstelle abgesichert. Dann wird die elektromagnetische Hornantenne 22 so eingestellt, daß sie das elektromagnetische Mikrowellenfeld auf die Arbeitswand 15 richtet Es wird dann erst der Schalter 24 geschlossen, und zwar entweder direkt vor Ort oder indirekt durch eine fernsteuerbare Betätigungseinrichtung. Als Folge hiervon werden von der Hornantenne 22 elektromagnetische Mikrowellen ausgesandt und von den Antennen 12 der Kapseln A empfangen, wo sie elektrische Ströme induzieren. Diese Ströme gelangen über die Verbindungsleitungen 13 zu den Heizelementen 7, die soweit erwärmt werden, daß die Zündladungen 6 bzw. Die Zündköpfe 11 zur Zündung gebracht werden, wodurch die Explosivladungen 4 und gegebenenfalls die Grundladungen 3 gezündet und zur Detonation gebracht werden. Im Anschluß daran detonieren die Sprengladungen 17.

Um die Sicherheit während des Sprengens zu garantieren, können die nichtbenutzten Kapseln A an Stellen aufbewahrt werden, die von der Sprengstelle entfernt liegen und sie können zusätzlich durch metallische Schirme oder mittels metallischer Kästen abgeschirmt werden. Um die Sicherheit weiter zu erhöhen, können mikrowellenabsorbierende metallische Schirme oder andere Abschirmeinrichtungen zwischen dem Mikrowellensender und den Stationen angeordnet werden, wo die Kapseln vorbereitet bzw. gelagert werden. Eine andere Sicherheitsmaßnahme besteht darin, die Antennen von nichtverwendeten Kapseln mit metallischen Bedeckungen zu versehen, die auf die verwendete Mikrowellenfrequenz nicht abgestimmt werden können. Wenn die Detonatoren und Antennen separate Teile sind, dann sollte man sie zweckmäßigerweise auch separat aufbewahren und erst unmittelbar vor Gebrauch zusammensetzen.

Die Erfindung soll nun noch an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden.

5 Kapseln A von der Ausführungsart nach F i g. 1 wurden in fünf Bohrungen eingesetzt, die in eine vergleichsweise kleine Tunnelwand von den Abmessungen 1,5x2 Meter eingebracht waren. Die Antennen 12 wurden im rechten Winkel zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle des Mikrowellensenders angebracht. Ein Mikrowellensender 20 mit einer Ausgangsleistung von 2 Kilowatt und einer Frequenz von 2500 Megahertz wurde im Abstand von 10 Metern vor der Arbeitswand aufgestellt. Eine Hornantenne 22 wurde gegen die Antennen 12 der Kapseln A gerichtet Es wurde eine Mikrowelle für 2 Millisekundenlang ausgesandt und alle fünf Kapseln konnten voll zur Explosion gebracht werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektrisches Zündsystem für Sprengkörper mit drahtloser Übertragung von die Zündung auslösenden Hochfrequenzsignalen, bestehend aus einem sprengkörperseitigen Resonanzkreis und einem Hochfrequenzsender,dadurch gekennzeichnet, daß der sprengkörperseitige Resonanzkreis aus einer Mikrowellenantenne (12) besteht, in deren Strompfad das in einer Zündladung des Sprengkörpers angeordnete elektrische Heizelement (7) liegt, und daß der Sender (20) ein Mikrowellensender ist

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (7) über ein Koaxialkabel (13) mit der Antenne verbunden ist

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (12) eine Schleifenantenne und das Heizelement (7) ein Leitungsdraht ist

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (12) eine gefaltete Antenne und das Heizelement (7) ein Halbleiter ist

5. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (12) eine Peitschenantenne und das Heizelement (7) ein dielektrisches Bauelement ist.