DE4330216A1

DE4330216A1 - Pyrotechnische Berge- und Notausrüstung

Info

Publication number: DE4330216A1
Application number: DE19934330216
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Dr Lell
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: LELL, PETER, DR., 85368 MOOSBURG, DE
Priority date: 1993-09-07
Filing date: 1993-09-07
Publication date: 1995-03-09
Anticipated expiration: 2013-09-08
Also published as: DE4408194C2; DE4330216C2; WO1995007415A1; DE4408194A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine pyrotechnische Berge- und Notausrüstung, mit der innerhalb weniger Millisekunden Drücke in der Größenordnung von mehr als 1000 bar erzeugt bzw. Kräfte in der Größenordnung von mehr als 250 000 Newton über Minuten erzeugt werden können.

Herkömmliche Berge- und Notausrüstungen, beispielsweise hydraulische Spreizwerkzeuge aus geschmiedetem Titan oder Stahl und andere hydraulisch betätigte Stempel, wie sie von privaten Rettungsdiensten, Feuerwehren, Pionieren, Untertage- Sprengtechnik-Gesellschaften, Bergbaugesellschaften, technischem Hilfswerk im In- und Ausland etc., beispielsweise zur Abstützung von einsturzgefährdeten Schalungen oder Stollen oder zum Aufreißen von verklemmten Schlössern, vielfältig eingesetzt werden, sind zum einen schwer und unhandlich und zum anderen extrem teuer in Anschaffung und Betriebskosten (Wartung!). Die dabei verwendeten Krafterzeuger bedürfen eines erheblichen Zeitaufwandes bevor sie in Aktion gesetzt werden können, wobei insbesondere bei Auto- und Eisenbahnunfällen der Faktor Zeit zur Rettung von Menschenleben eine große Rolle spielt.

Ein weiterer Nachteil von dauerhaft eingesetzten Notausrüstungen mit hydraulischen Druck- bzw. Krafterzeugern ist der hohe Wartungsbedarf, mit dem regelmäßig sichergestellt werden muß, daß die Ausrüstung einsatzfähig ist.

Für besondere Aufgaben, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, bei U-Booten und in Kernkraftwerken ist es bekannt, Verbindungen, welche durch Kräfte beanspruchte Bolzen aufweisen, in kurzer Zeit fernbetätigt zu lösen, und zu diesem Zweck pyrotechnische Ladungen einzusetzen. So beschreibt die DE-OS 32 08 401 das Abtrennen der Rotorblätter eines Hubschraubers mittels pyrotechnischer Ladungen, um bei Flugunfähigkeit des Hubschraubers die Besatzung durch Rettungssysteme ungefährdet nach oben aus dem Hubschrauber herauskatapultieren zu können. Dabei werden durch Zünden der Ladungen die Rotorblätter bzw. die Rotorbeschläge durchtrennt und auf diese Weise die Rotorblätter gelöst. Um eine Gefährdung der Besatzung als auch des Rettungssystems durch die bei der Detonation auftretende erhebliche Partikelzerstreuung zu vermeiden, sind die Bolzen der Verbindung mit einem brückenartigen Gehäuse versehen, das eine Zylinderbohrung aufweist, deren Achse im wesentlichen in der Resultierenden der zum Lösen der Verbindung durch Herausziehen der Bolzen erforderlichen Kraft liegt; ein sich auf einem der Bauteile abstützender Kolben greift in die Zylinderbohrung des Gehäuses ein und wird durch eine pyrotechnische Ladung beaufschlagt.

Mit dieser speziellen Vorrichtung ist es also möglich, die Verbindung zwischen dem Rotorarm und dem Rotorblatt eines Hubschraubers in einem Zeitraum von weniger als 3 ms zu lösen, durch Zündung der pyrotechnischen Ladung in einem Zylinderraum, wobei das sich dabei ausbildende Druckgas sich auf dem Kolben abstützt und das Gehäuse nach oben drückt, wodurch die Haltebolzen aus ihren Aufnahmebohrungen in Stegen herausgezogen werden, nachdem Scherstifte an den unteren Enden der Bolzen durchtrennt worden sind.

Aus der DE-OS 34 15 680 ist ein druckgasbetätigtes mechanisches Kraftelement bekannt, wobei in einem Gehäuse zwei Zylinderräume vorgesehen sind, von denen jeder einen Kolben enthält. Von dem Kolben aus erstrecken sich Stifte als Kolbenstangen in unterschiedliche Richtungen. In dem Bereich zwischen den Kolben befindet sich ein Kanal, der an eine Druckgaspatrone angeschlossen ist. Beim Auslösen der Druckgaspatrone bewegt das sich entwickelnde Gas die Kolben auseinander, wodurch die Stifte gleichzeitig oder nach einem vorbestimmten Funktionsablauf bewegt werden.

Hierbei werden also zwei oder mehr Kolben gleichzeitig mit Druck beaufschlagt, so daß die Kolben synchron bewegt werden und externe Elemente genau gleichzeitig und mit untereinander gleichen Kräften eingezogen oder ausgefahren werden. Große Drücke bzw. Leistungen sind jedoch mit diesem mechanischen Kraftelement nicht erzielbar, insbesondere nicht in fern dosierbarer Form und nicht über mehrere Minuten wirkend (das war bei diesen Elementen auch nicht gefordert bzw. spezifiziert!). Herkömmliche Vorrichtungen waren nicht zum nachträglichen Bergen von Lebewesen oder Geräten vorgesehen, sondern als Teil einer mit dem Gerät/System integrierten Sicherheitsvorrichtung zum kommandierten Lösen von Teilen zur Minimierung von Gefährdungen, beispielsweise Trennschrauben und Trennbolzen sowie Schneidschnüre und pyrotechnisch aufgeblasene Balge (= Niederdrucksysteme).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine pyrotechnische Berge- und Notausrüstung zu schaffen, die vielseitig einsetzbar ist, die keinerlei Wartung über einen Zeitraum von 10 und mehr Jahren erfordert, dabei trotzdem mit einer Zuverlässigkeit von besser als 10^-4 ab dem kommandierten Zeitpunkt arbeitet, die von einer Person getragen werden kann, die die geforderten hohen Kräfte von bis zu 250 000 N definiert über mehrere Minuten abgeben kann, die mit erheblich weniger Kosten hergestellt werden kann und mit der die erforderliche Kraft bzw. der erforderliche Druck entweder schon direkt an der Stelle erzeugt wird, an der sie bzw. er tatsächlich in einem Not- und Bergefall gebraucht wird, oder gegebenenfalls über ein einfaches Werkzeug gemäß Fig. 4, Pos. 7 und 8 zur Wirkung gebracht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung hoher Drücke in einem hydraulischen Kreis ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abbrand eines granulierten oder geeignet geometrisch durch Pressen oder Gießen geformten pyrotechnischen Stoffes ((2), Fig. 8 und 9) in einer als Zylinder geformten Brennkammer (1) über einen Kolben (3), (20) oder (22) den dabei entstehenden Gasdruck direkt auf das Hydraulikmedium (21) oder (22) überträgt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung hoher Kräfte ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abbrand eines granulierten oder geeignet geometrisch durch Pressen oder Gießen geformten pyrotechnischen Stoffes ((2), Fig. 8 und 9) in einer als Zylinder geformten Brennkammer (1) über einen Kolben (3) den dabei entstehenden Gasdruck in eine nach außen wirksame Kraft überträgt.

Je nach Auslegung des pyrotechnischen Stoffes (Fig. 9) ist von einer Betriebsdauer im Berge- und Notfall von etwa 10 Sekunden bis 5 Minuten auszugehen. Durch geeignete Ausbildung des pyrotechnischen Stoffes in Form von auswechselbaren Kartuschen, kann jedoch eine Vervielfachung der Betriebsdauer und damit der Einsatzmöglichkeiten sichergestellt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind in den Unteransprüchen beschrieben und in der Zeichnung dargestellt; es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine pyrotechnische Kraftstange;

Fig. 2 eine Kraftstange mit Adapter;

Fig. 3 den Adapter mit möglichen Werkzeugen;

Fig. 4 einen Adapter mit einem weiteren Werkzeug;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Vorrichtung;

Fig. 6 einen Schnitt durch eine Brennkammer mit ihrem Kolben;

Fig. 7 das Prinzip der Druckverstärkung;

Fig. 8 verschiedene Treibstoffgeometrien in der Brennkammer und

Fig. 9 das Einbringen von granuliertem Treibstoffin die Brennkammer.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung hoher Drücke in einem hydraulischen Kreis, (das pyrotechnische Hydraulikaggregat, Fig. 5) ist in der Lage, beispielsweise das herkömmliche Hydraulikaggregat mit Elektro- oder Benzinmotor zu ersetzen, wobei Drücke bis 1500 bar erzeugt und an derjenigen Stelle verwendet werden, an der sie tatsächlich benötigt werden. Damit ist die Vorrichtung extrem leicht, kann von nur einer Person auf unwegsamen Gelände transportiert werden, weist sehr kleine Abmessungen auf und ist überdies über einen Zeitraum von bis zu 15 Jahren wartungsfrei. Neben der extrem guten Verfügbarkeit kann eine extrem hohe Einsatzzuverlässigkeit auch nach vielen Jahren trotz der nicht erforderlichen Wartung von bis zu 10^-4 und mehr erreicht werden. Dazu kommen niedrigere Anschaffungs- und wesentlich niedrigere Betriebskosten.

Je nach Auslegung des pyrotechnischen Stoffes gemäß Fig. 8 ist von einer Betriebsdauer im Berge- und Notfall von etwa 10 bis 15 Minuten auszugehen. Durch geeignete Ausbildung des pyrotechnischen Stoffes in Form von auswechselbaren Kartuschen, kann jedoch eine Vervielfachung der Betriebsdauer und damit der Einsatzmöglichkeiten sichergestellt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich vorzüglich zum Einsatz im Fahrzeug des Einsatzleiters zum Ersatz der herkömmlichen schweren, unhandlichen und extrem wartungsbedürftigen Hydraulikaggregaten unter Beibehaltung der bereits vorhandenen, durch sie betätigbaren Hydraulikwerkzeuge.

Auch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung hoher Kräfte, eine sogenannte pyrotechnische Kraftstange, kann ein herkömmliches Aggregat, beispielsweise den herkömmlichen Spreizer mit gesamter dort notwendiger Hydraulikkette ersetzen, mit ihm können im Millisekunden- bis Minutenbereich Kräfte von mehr als 250 000 N erzeugt werden, und zwar an der Stelle, an der sie tatsächlich benötigt werden. Die Vorrichtung ist extrem leicht, kann von nur einer Person auf unwegsamem Gelände transportiert werden, weist extrem kleine Abmessungen auf; die Kraft wird direkt dort erzeugt, wo sie gebraucht wird, wobei eine Energieübertragung über Schläuche und eine Umformung durch mechanische Hebel entfällt, so daß auch die bisher notwendigen Massen durch die zu übertragenden Biegespannungen und Drücke entfallen. Es werden lediglich Werkzeuge an Kolben und Zylinder angeflanscht, um die Kräfte optimal in Wirkung bringen zu können; Umformungen von Druck auf Kraft mittels Hebel sind damit nicht mehr erforderlich. Die Vorrichtung ist wartungsfrei, extrem gut verfügbar, weist eine hohe Einsatzzuverlässigkeit auch nach vielen Jahren Lagerung auf, von bis zu 10^-4 und besser, wobei ein unvorhersehbares Ausfallen, wie es z. B. durch das Verschließen von Hydraulikleitungen nach längerer Lagerung und längerem Transport auftreten kann, prinzipiell nicht zu besorgen ist. Die Vorrichtung weist niedrige Anschaffungs- und niedrige Betriebskosten auf; die Energiequelle, d. h. die pyrotechnische Ladung sitzt dort, wo sie gebraucht wird, nämlich direkt am Werkzeug, so daß auch Energieverluste durch Energietransmissionen über Hydraulikleitungen nicht mehr auftreten. Die Verwendung des extrem giftigen und ätzenden Hydrauliköls entfällt, wodurch die Umweltfreundlichkeit steigt.

Mit der gleichen Vorrichtung können Flüssigkeiten 21 und 23 direkt auf 1500 bar und mehr mittels der Kolben 20 und 22 oder eine Membran 34 hochgespannt werden und direkt beispielsweise zum Räumen und Trennen verwendet werden, vgl. Fig. 6 und 7.

Eine Betriebsdauer von etwa 10 bis 15 Minuten kann auch hier durch Kartuschierung der pyrotechnischen Ladung ausgeglichen werden.

Auch diese Vorrichtung eignet sich im Fahrzeug des Einsatzleiters zur ersten Schnellhilfe als Ersatz der Spreizwerkzeuge aus Stahl oder geschmiedetem Titan, mit der sich daran anschließenden Hydraulikkette, als Ersatz des hydraulisch betätigten Öffnen von Schlössern (Beispiel: Öffnen von verklemmten Wagentüren) und zur Verwendung im Untertagebergbau zur Abstützung von einsturzgefährdeten Stollen, wobei die Vorrichtung beispielsweise bis zur Benutzung in Felsnischen aufbewahrt werden kann, ohne daß irgendeine Art von Wartung über Jahre hinweg erforderlich ist.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung hoher Drücke bzw. hoher Kräfte finden ihren Einsatz in den verschiedenen zivilen und militärischen Feuerwehr-, Katastrophen- und Hilfsdiensten, in Zusammenhang mit den bereits bekannten Werkzeugen, mit denen im Berge- und Notfall Menschenleben gerettet und Geräte geborgen werden können.

In Fig. 1 ist der Kolben 3 einer pyrotechnischen Kraftstange dargestellt, und zwar in teilweise ausgefahrenem Zustand, wobei der Kolben 3 durch den in der Brennkammer 1 angeordneten pyrotechnischen Stoff 2 plötzlich bewegt werden kann. In Fig. 2 ist ein geeigneter Adapter 5 dargestellt, der mit dem Kolben 3 der pyrotechnischen Kraftstange verbunden werden kann und in Fig. 3 ein weiterer Adapter für die Aufnahme von typischen Werkzeugen, wie z. B. ein Auflageteller 6a, einen Eindringkörper 6b, eine Schneide 6c oder ein Kugelgelenk 6d. Der in Fig. 4 dargestellte Adapter 7 ist mit einem einstellbaren Werkzeug 8 zum Aufreißen von Schlössern versehen, wobei das Werkzeug 8 mit einem Vorsprung 10 und einer zweiteilig ausgeführten Schneidfläche 9 versehen ist.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Schaubild eines pyrotechnischen Hydraulikaggregats ist wieder mit 1 die Brennkammer bezeichnet, mit 2 der pyrotechnische Stoff, mit 11 die Verbindung zu einer Turbine 12, die über eine Abtriebswelle 14 mit einer Pumpe, einer Turbopumpe oder einem Kompressor 15 verbunden ist, an die zum einen ein Generator 18 angeschlossen ist und über eine Leitung 17 und eine Leitung 16 mit einem geeigneten Hydaulikverbraucher in Verbindung steht. Mit 19 ist dabei ein Übergang ins lokale Netz bezeichnet. Fig. 6a zeigt ein Schnittbild durch eine Brennkammer samt darin angeordnetem Kolben zur direkten Druckübertragung bei einer Zündung des pyrotechnischen Stoffes über den Kolben 20 (oder eine Membran 34, gemäß Fig. 6b) auf ein Fluid 21; Fig. 7 läßt das Prinzip der Druckübertragung von der Brennkammer auf den Kolben 22 erkennen, bei gleichzeitiger Druckverstärkung mittels des in der Leitung 23 angeordneten Fluids, wobei der Frei- oder geführte Strahl bei 25 abgegeben wird.

In Fig. 8 sind verschiedene Möglichkeiten der Geometrie des eingebrachten Treibstoffes 26, 28, 29 in einer Brennkammer 1 mit Treibstoffisolation 27 dargestellt. Der Treibstofformkörper 26, 28, 29 kann entweder gepreßt, gegossen oder in einem anderen herkömmlichen Verfahren hergestellt werden. Die Einbringung des granulierten Treibstoffs 30 bzw. der Treibstofftabletten 32, 33 kann gemäß Fig. 9 in die Brennkammer in beliebiger Art und Weise durchgeführt werden; auch hier sind die Treibstofftabletten bzw. der granulierte Treibstoff entweder gepreßt, gegossen oder mit einem anderen herkömmlichen Verfahren hergestellt. So können die Treibstofftabletten auf einem Träger 31 angeordnet sein oder aber Tablettenstangen 33 bilden.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung hoher Drücke von bis zu 1500 bar in einem hydraulischen Kreis, dadurch gekennzeichnet, daß der beim Abbrand eines granulierten oder geeignet geometrisch durch Pressen oder Gießen geformten pyrotechnischen Stoffes in einer Brennkammer entstehende Gasdruck einen Druckübertrager beaufschlagt, der unmittelbar mit dem Werkzeug oder dem Fluid, i.a. einem Hydraulikmedium in Verbindung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckübertrager ein Kolben (20, 22) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckübertrager eine Membran (34) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckübertrager eine mit einer Pumpe (15) verbundene Turbine (12) ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrotechnische Stoff mit einem elektrisch betätigbaren Anzünder gezündet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrotechnische Stoff mit einem elektrisch und pyrotechnisch wirkenden Anzünder versehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrotechnische Stoff mit einem rein pyrotechnischen Anzünder versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrotechnische Anzünder ein Schlagteil und eine schlagempfindliche Zündkapsel aufweist und daß die Zündkapsel mit einer herkömmlichen Übertragungsleitung mit dem eigentlichen pyrotechnischen Stoff verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkapsel mittels einer pyrotechnischen Zündübertragungsleitung mit dem eigentlichen pyrotechnischen Stoff verbunden ist.

10. Vorrichtung zur Erzeugung hoher Kräfte, dadurch gekennzeichnet, daß der beim Abbrand eines granulierten oder geeignet geometrisch durch Pressen oder Gießen geformten pyrotechnischen Stoffes in einer Brennkammer entstehende Gasdruck einen Kolben (3) beaufschlagt, der diese Kraft direkt nach außen überträgt, beispielsweise über die Gewinde- bzw. Bajonettanschlüsse (4).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben und/oder die ihn umschließende Brennkammer eine aufhebbare Anordnung aufweist, die ein Zurückgleiten des Kolbens verhindert.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer mit einem integrierten Mehrkammersystem zum Zweck der steuerbaren Krafterzeugung verbunden ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer mit einem nicht integrierten Mehrkammersystem verbunden ist zum Zweck der steuerbaren Krafterzeugung.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einzelnen Modulen besteht, und zwar aus einer Kraftzelle/Kraftstange (Fig. 1) mit einem mechanisch an beiden Stirnflächen der Kraftstange verbindbaren Adapter (5) zur geometrischen Verlängerung oder einem Adapter (6) zur Aufnahme von i.a. schon vorhandenen Werkzeugen, vgl. Fig. 8.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem pyrotechnischen Anzünder für den pyrotechnischen Stoff versehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der pyrotechnische Anzünder ein Schlagteil und eine schlagempfindliche Zündkapsel aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkapsel mittels einer pyrotechnischen Übertragungsleitung mit dem eigentlichen pyrotechnischen Stoff verbunden ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkapsel zur Flammstrahlübertragung mittels einer pyrotechnischen Zündübertragungsleitung mit dem eigentlichen pyrotechnischen Stoff verbunden ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einzelnen Modulen besteht, und zwar aus einer Kraftzelle/Kraftstange (Fig. 1) mit einem mechanisch verbundenen Adapter (7) und verschiebbarem/einstellbarem Werkzeug (8) mit ausführbarem Schneidenteil (35), geriffelter/gerippter Haltefläche (9) und Kraftübertragungsfläche (10); die Teile (35) und (9) können je nach Ausführung des Werkzeugs (8) entfallen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bzw. 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (21 bzw. 23) durch den Düsenteil (19 bzw. 24) beschleunigt wird und dem Endverbraucher zugeleitet oder direkt zum Räumen oder Trennen verwendet wird.