DE4116224A1 - Zeitverzoegerndes mechanisches element fuer militaerische geraete - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein zeitverzögerndes mechanisches Element für militärische Geräte nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der europäischen Patentanmeldung 02 78 837 A1 ist ein Zeitzünder nach dem Aufschlagprinzip für eine Mu­ nition bekannt, bei der eine Zündnadel zeitverzögert angetrieben wird. In der Sicherstellung sichert die Zündnadel einen Detonatorträger, indem sie in Sicher­ stellung in eine Bohrung des Detonatorträgers ein­ greift. Die Zündnadel ist ihrerseits mit einem ver­ schiebbaren Kolben verbunden. Der Kolben steht unter Federkraft. Die Sicherung des Kolbens in Sicherstel­ lung erfolgt durch eine Packung Mikrokugeln. Diese Packung Mikrokugeln liegt zwischen einem Flansch des Kolbens und einer dem Flansch entsprechenden gehäuse­ festen Anlagefläche. Für das Abfließen der Mikrokugeln sind gehäuseseitige Öffnungen vorgesehen, die in Si­ cherstellung des Zünders durch eine verschiebbare Blende verschlossen sind.

Das bekannte zeitverzögernde mechanische Element benö­ tigt aufgrund der ringförmigen Anordnung der Mi­ krokugeln ein großes Bauvolumen und besteht aus vielen, separat herzustellenden Einzelteilen. Dadurch ist der Zünder nicht nur kostenintensiv, sondern auf­ grund der Federn und der kolbenförmigen Führungsfläche störungsanfällig.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein zeitverzögerndes me­ chanisches Element kleinster Bauweise vorzuschlagen, das mit wenig Montageschritten auskommt, um Fehler in der Montage zu vermeiden und den Aufwand zu reduzie­ ren.

Die Erfindung löst diese Aufgabe entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.

Der erfindungsgemäße, konstruktive Aufbau benutzt zum einen die Beharrungskräfte zum Entsichern eines nach außen abfließenden Mediums in der Form von Mikrokugeln oder Luft und den Fließwiderstand in den Strö­ mungskanälen zur Erzielung der Zeitverzögerung. Da­ durch werden nur wenige und einfache Teile benötigt.

Der erfindungsgemäße Strömungskörper läßt sich in ein­ facher Weise nach dem LIGA-Verfahren herstellen, in dem nach dem Anspruch 2 die Strömungskanäle aus Titan und der Strömungskörper aus Nickel oder einem anderen zündmittelverträglichen, galvanisch abscheidbaren Me­ tall bestehen. Das Titan bildet die sogenannte verlo­ rene Schicht und wird chemisch herausgelöst. Es ent­ stehen dann die Strömungskanäle.

Das LIGA-Verfahren zur Herstellung von Mikrostrukturen wurde im Kernforschungszentrum Karlsruhe entwickelt.

Anders als in der Feinwerktechnik ist die Fläche, die ein Element auf einem Substrat einnimmt, die kostenbe­ stimmende Größe und nicht die Komplexität des Teils.

Im Vergleich zu den klassischen Herstellungsverfahren für Mikrostrukturen mit höchster Präzision (anisotro­ pen Ätzen von einkristallinem Silizium) stellt das LIGA-Verfahren keine direkte Konkurrenz dar, da diese beiden Herstellungsmethoden in der Prozeßführung vari­ ieren. Jedoch bietet das LIGA-Verfahren erhebliche Vorteile in bezug auf mikromechanische Bauelemente. Das LIGA-Verfahren zeichnet sich gegenüber anderen Mi­ krostrukturierungsverfahren durch ein hohes erreichba­ res Aspektverhältnis (max. Strukturabmessung/min. laterale Abmessungen), freie Designmöglichkeit in der Ebene und einer breiten Palette an Werkstoffen, wie Kunststoffe, Metalle - z. B. Nickel - aus. Es können Mikrostrukturen mit lateralen Abmessungen im Mikrome­ terbereich bei Fertigungstoleranzen im Sub-Mikrometer­ bereich hergestellt werden.

Das LIGA-Verfahren beruht auf einer Kombination der Fertigungsschritte Röntgenlithographie mit Synchro­ tronstrahlung, Galvanoformung und Kunststoffabformung. Im Gegensatz zum anisotropen Ätzen von einkristallinem Silizium kann nach den bei dem LIGA-Verfahren her­ stellbaren Mikrostrukturen die geometrische Form in einer Ebene völlig frei vorgegeben werden.

Die Höhe der Mikrostrukturen kann mehrere hundert Mi­ krometer - im Moment sind Höhen von 1 mm gut reali­ sierbar - betragen, die kleinsten lateralen Abmessun­ gen liegen im Mikrometerbereich, bei den Fertigungsto­ leranzen im Sub-Mikrometerbereich.

Das mit dem LIGA-Verfahren erzielbare Aspektverhältnis 1 : 50 bis 1 : 100 liegt damit etwa eine Größenordnung über dem Aspektverhältnis, das beim reaktiven Io­ nenätzen heute in der Fertigung erreicht wird.

Als Materialien kommen alle galvanisch abscheidbaren Metalle in Frage sowie im Prinzip alle im Spritzguß oder Reaktionsguß verarbeitbaren Kunststoffe, wobei die kleinsten noch befüllbaren Strukturabmessungen stark von der Viskosität des verwendeten Kunststoffes abhängen.

Das LIGA-Verfahren nutzt für die Herstellung von drei­ dimensionalen Mikrostrukturen als wesentliche Struktu­ rierungsmethoden die Lithographie mit Synchrotron­ strahlung, die Galvanoformung und die Abformtechnik mit Kunststoffen.

Die Lithographie erfolgt mit der Synchrotronstrahlung, da diese Art der Röntgenstrahlung extrem parallel ist.

Die einzelnen Fertigungsschritte des LIGA-Verfahrens sollen nachstehend kurz erläutert werden.

Im ersten Schritt werden dünne Metallschichten auf ein isoliertes Substrat, z. B. Silizium-Wafer oder Kera­ mik, aufgebracht.

Diese Schichten stellen einerseits eine gute Haftung auf dem Substrat sicher, andererseits dienen sie als Startschicht für den späteren Galvanikschritt. Diese Schichten werden in üblicher Weise mit Hilfe der Foto­ lithographie und Ätzprozessen strukturiert, um eine elektrische Isolation - falls erforderlich - zwischen verschiedenen Bauteilen einer Mikrostruktur zu errei­ chen.

Auf das so vorbereitete Substrat wird eine wenige Mi­ krometer dicke Titanschicht aufgebracht. Diese Schicht, die als Opferschicht dient, wird in analoger Weise strukturiert, wobei die Fotolithographie ju­ stiert zur ersten Schicht durchgeführt wird. Zur Zeit wird eine Opferschicht aus Titan verwendet, da diese eine gute Haftung für den Röntgenresist gewährleistet. Auf dem Substrat mit den strukturierten Schichten wer­ den dann die typischen LIGA-Prozeßschritte durchge­ führt.

Durch Variation des fließenden Mediums, entweder Luft und/oder Mikrokugeln, beispielsweise Verändern der Strömungseigenschaften, Querschnittsform und Quer­ schnittsverlauf der Strömungskanäle ist dieses System für unterschiedliche Zeitverläufe, die beispielsweise für die Vorrohrsicherheit oder die Selbstzerlegung bei Zündern notwendig sind, benutzbar.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nach dem Anspruch 2 ist der Strömungskörper in einfa­ cher Weise herzustellen. Es lassen sich komplizierte Strömungskanäle gemäß Querschnitt oder wechselnder Querschnitte und auch Kanalformen bspw. ein S-förmiger Verlauf der Kanäle in dem Strömungskörper in einem einzigen Fertigungsprozeß verwirklichen.

Eine einfache Beeinflussung der Zeitverzögerung ist gemäß dem Anspruch 3 durch Variation der Länge der Strömungskanäle gegeben.

Das Zeitverhalten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist auch in einfacher Weise gemäß dem Anspruch 4 durch die Form und Richtung der gebogen ausgebildeten Strö­ mungskanäle gegeben.

Ein einfach ausgebildetes Stellglied geht bei der Ver­ wendung von Mikrokugeln als Medium aus dem Anspruch 5 hervor.

Ideal wäre zwar das segmentierte Stellglied direkt durch die Mikrokugeln zu ersetzen, indem diese die Zündnadel über einen dort angeordneten Bund direkt ab­ stützen. Diese Lösung scheidet jedoch aufgrund der ho­ hen Flächenbelastung der Mikrokugeln beim Transport oder beim Abschuß der Munition aus, da eine Verformung und eventuell ein Verbacken der Mikrokugeln zu be­ fürchten ist, wodurch ein ordnungsgemäßes Abfließen der Mikrokugeln durch die Strömungskanäle nicht mehr gewährleistet werden kann. Aus diesem Grund ist also noch das Stellglied in der Form eines segmentierten Ringes als zusätzliches Konstruktionselement noch er­ forderlich.

Nach dem Anspruch 6 ist der Beginn der Zeitverzögerung abhängig von dem äußeren, mit Fenstern versehenen Si­ cherungsring. Erst wenn die Fenster sich aufgrund des hohen Dralls der Munition mit den Kanälen decken, kann das Medium in Form der Mikrokugeln nach dem Anspruch 7 in die Strömungskanäle fließen.

Stark vereinfacht ist die zu den Ansprüchen 5 bis 7 beschriebene Sicherungsvorrichtung bei einem Zünder für die drallarme oder drallfreie Munition entspre­ chend dem Anspruch 8. Außer einer mit einem Kolben versehenen, beweglichen Zündnadel ist kein weiteres bewegliches Teil vorhanden. Die Luftdämpfung innerhalb der zentralen Ausnehmung des Strömungskörpers und der Strömungskanäle bewirkt die erforderliche Zeitverzöge­ rung.

Wesentlich für die Erfindung ist der geringe Ferti­ gungsaufwand. Sämtliche erfindungsgemäße Merkmale - eine Ausnahme bilden die Mikrokugeln -, sind in einem einzigen Fertigungsprozeß herstellbar. Wesentlich ist auch, daß die vorgenannten Merkmale alle in einer Ebene liegen und dadurch die Funktionssicherheit ge­ währleistet ist; außerdem ist das Bauvolumen sehr klein bei flacher Bauweise.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.

Ein zeitverzögernder Strömungskörper 1 besteht aus ei­ ner Scheibe 2 mit einer zentralen Ausnehmung 3, einer durchgehenden Bohrung 4, gebogenen Strömungskanälen 5 mit Öffnungen 6, einem äußeren Sicherungsring 7 mit Fenstern 8, einem Ring 9 mit vier Segmenten 10 und aus einem inneren Sicherungsring 11.

An den Segmenten 10 sitzt ein nicht gezeichneter Bund einer nicht weiter dargestellten Zündnadel auf, wobei die Zündnadel in der Bohrung 4, die sich auch in dem Bereich der Segmente 10 erstreckt, gelagert ist.

Im gesicherten Zustand des Strömungskörpers 1 sind zwischen den Sicherungsringen 7 und 11 Mikrokugeln, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium mit einem Durchmesser von 10 bis 25 µm mit großer Packungsdichte gelagert, wobei die Fenster 8 gegenüber den Öffnungen 6 des äußeren Sicherungsringes versetzt sind. Ein Aus­ fließen der Mikrokugeln in die Strömungskanäle hinein ist daher nicht möglich.

Geht man davon aus, daß der Strömungskörper 1 in einem klassischen Zünderaufbau verwendet wird, bei dem über die Zeit die Zündnadel im Eingriff in den Rotor gehal­ ten wird, so daß der Rotor nicht in Scharfstellung drehen kann, so wird für den Strömungskörper 1 ein sehr kleines Bauvolumen benötigt. Bei einem Kaliber von etwa 30 mm beträgt die Höhe des Strömungskörpers 1 ca. ein Millimeter und der Durchmesser ca. sechs Mil­ limeter.

Zur Entsicherung des Strömungskörpers 1 ist die Ge­ schoßrotation erforderlich. Nach dem Abschuß eines Ge­ schosses und dem Beginn der Geschoßrotation verharrt der äußere Sicherungsring 7 aufgrund seiner Massen­ trägheit kurzzeitig in seiner Ausgangsposition und verdreht sich relativ zur Scheibe 2 und damit relativ zu den Öffnungen 6. Die in den äußeren Sicherungsrin­ gen 7 eingebrachten Fenster 8 geben somit die Strö­ mungskanäle 5 immer wieder frei und die Zeitfunktion durch Ausströmen der Mikrokugeln 12 beginnt. Der in­ nere Sicherungsring 11 ist in seinen Dimensionen so ausgelegt, daß er in Folge der radialen Kraftwirkung der Segmente 10 auseinanderplatzt und dadurch die ra­ dial nach außen gerichtete Bewegung der Segmente 10 freigibt.

Die Zündnadel kann nun nach einer Volumenvergrößerung der Bohrung 4 ihre Sicherungsposition nach einer defi­ nierten Zeit verlassen.

Die Strömungskanäle 5 weisen eine Länge 15 auf, die ein Mehrfaches einer Strömungskanalhöhe 16 bzw. einer Strömungskanalbreite 20 betragen. Die Rotationsrich­ tung der Munition ist mit 17 bezeichnet.

Als Medium eignet sich auch Luft. Hierbei ist ein nicht gezeichneter Kolben vorgesehen, der in der Aus­ nehmung 3 der Strömungskörpers gleitet. Der Kolben ist beispielsweise integraler Bestandteil einer ebenfalls nicht gezeichneten Zündnadel oder eines Steuerstiftes die bzw. der in der Bohrung 4 der Scheibe 2 axial ge­ führt ist. Es versteht sich von selbst, daß die Zünd­ nadel oder der Steuerstift über eine bekannte Siche­ rung solange festgelegt ist, bis die Zeitfunktion benötigt wird. Wesentlicher Vorteil ist die Einsparung an beweglichen Elementen, denn die Stellglieder 10, 11 und der Sicherungsring 9 entfallen.

Anstelle des Sicherungsringes 7 ist zum Starten der Zeitverzögerung bezüglich der Entsicherung des Strö­ mungskörpers ein umfangseitiger, fensterloser Siche­ rungsring 14 vorgesehen. Dieser verschließt die Strö­ mungskanäle 5 im gesicherten Zustand. Aufgrund des Mu­ nitionsdralles und/oder der Abschußbeschleunigung ent­ fernt sich der Sicherungsring 14 von den Strö­ mungskanälen, so daß das Medium 12 bzw. 13 ausfließen kann.

Die Zusammenfassung ist Bestandteil der Beschreibung.

Claims (10)

1. Zeitverzögerndes mechanisches Element für militä­ rische Geräte, wie Zünder für Munition, wie Ge­ schosse, Bomblets, Gefechtsköpfe,
zur Gewährleistung einer Zeitfunktion, wie Vor­ rohrsicherheit oder Selbstzerlegung,
wobei das zeitverzögernde Element aus einem ver­ drängbaren Medium besteht, das aus einem Vorrats­ raum durch Einwirken einer Kraft durch Öffnungen des Vorratsraumes abfließt und dadurch ein Stellglied entriegelt, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Strömungskörper (1) nach dem LIGA-Verfah­ ren hergestellt ist,
die Öffnungen (6) der Strömungskanäle als kali­ brierte Strömungskanäle (5) einer Scheibe (2) des Strömungskörpers (1) ausgebildet sind, wobei je­ der Strömungskanal (5) eine zeitverzögernde Strö­ mung des Mediums (12, 14) gewährleistet.

2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper (1) aus Nickel oder aus einem anderen zündmittelverträglichen galvanisch abscheidbaren Metall besteht, wobei die Strö­ mungskanäle (5) durch das chemisch abbaubare Ti­ tan gebildet sind.

3. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (15) der Strömungskanäle (5) ein Mehrfaches der Strömungskanalhöhe (16) bzw. der Strömungskanalbreite (20) beträgt.

4. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (5) in oder entgegen der Rotationsrichtung (17) der Munition gebogen sind.

5. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied aus einem Ring (9) mit Segmen­ ten (10) und aus einem durch Zugkräfte zerstörba­ ren inneren Sicherungsring (11) besteht, wobei der innere Sicherungsring (11) den Ring (9) ein­ hüllt.

6. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6) durch einen gegenüber die­ sen Öffnungen (6) verdrehbaren äußeren Siche­ rungsring (7) mit Fenstern (8) verschlossen sind, der äußere Sicherungsring (7) aufgrund der Rota­ tion der Munition verdrehbar ist.

7. Element nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium aus Mikrokugeln (12) besteht.

8. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Medium Luft (13) dient, wobei als Stell­ glied ein in der Ausnehmung (3) gleitender Kolben vorgesehen ist.

9. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Scheibe (2) ein fensterloser Sicherungsring (14) vorgesehen ist, der sich auf­ grund der Zentrifugalbeschleunigung radial ablöst oder aufgrund der axialen Geschoßbeschleunigung von den Strömungskanälen abgezogen wird.

10. Verfahren zur Herstellung des Elementes nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte

• 1) Aufbringen von Nickel entsprechend dem voll­ flächigen Querschnitt des Strömungskörpers (1),
• 2) Aufbringen von Titanschichten als sogenannte Opferschichten entsprechend der Form der Strömungskanäle (5) und auch entsprechend der Querschnitte der Strömungskanäle (5),
• 3) Aufbringen von Nickel zwischen Titanschichten und ausschließendes vollflächiges Aufgalvani­ sieren von Nickel und
• 4) chemisches Herauslösen der Titanschichten.