DE60006322T2

DE60006322T2 - Zweistufiger, optischer Detonator mit Schlagwirkung

Info

Publication number: DE60006322T2
Application number: DE60006322T
Authority: DE
Inventors: Henry Moulard
Original assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 1999-07-06
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2020-07-06
Also published as: FR2796142B1; DE60006322D1; EP1067357B1; EP1067357A1; US6374740B1; FR2796142A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zweistufigen optischen Detonator mit Schlagwirkung.
Zur Realisierung eines optischen Detonators mit Laserquellen von geringer Leistung, wie zum Beispiel die für Raumfahrtanwendungen in Betracht kommenden Laserdioden, wird derzeit ein Detonator mit zwei Stufen verwendet: die erste zur laserinduzierten thermischen Initiierung einer Verbrennung und die zweite für die Schlagwirkung.
An der Grenze zwischen beiden Stufen befindet sich eine Metallmembran, die sich aufgrund der Wirkung des Verbrennungsdruckes der 1. Stufe zu einem Plättchen zerteilt, das wie ein Kolben wirkt, den porösen Sprengstoff der zweiten Stufe verdichtet und eine Verbrennung einleitet, die aufgrund der Verdämmung eine Schlagwirkung auslöst.
Die Nachteile dieses Konzepts stehen in Zusammenhang mit der Verwendung des Vorganges der Schlagwirkung. Folgendes ist erforderlich:

– die Verwendung eines Sprengstoffes mit niedriger Ladedichte (1,1 g/cm³), die sich der Stampfdichte annähert, um eine hohe Porosität und grobe Körnung zu erhalten, dadurch wird die Empfindlichkeit der pyrotechnischen Mischung erhöht, was wenig vorteilhaft für eine gute Reproduzierbarkeit in den kleinen Bauteilen der Ladung ist.
– eine ausreichende Länge der 2. Stufe zur Erreichung des Punktes, an dem der Übergang zur Detonation stattfindet, wodurch sich in der Praxis die verwendete Sprengstoffmenge beträchtlich erhöht.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen.
Im aktuellen Stand der Technik nach der Druckschrift US-A-4848095 ist ein optischer Detonator mit zwei Stufen und Schlagwirkung vorgesehen, dessen erste Stufe eine pyrotechnische Mischung und einen Lichtleiter enthält, dessen eines Ende mit einer Laserstrahlungsquelle verbunden und dessen anderes, an die pyrotechnische Mischung angrenzendes Ende in ein Verbindungsstück eingepaßt ist. Dabei sind für die Übertragung der Laserstrahlung auf die pyrotechnische Mischung Elemente zwischen dem Endpunkt des Lichtleiters und der pyrotechnischen Mischung eingebaut. Die zweite Stufe des Detonators enthält eine pyrotechnische Mischung, die sich an die pyrotechnische Mischung der ersten Stufe anschließt und von dieser durch Elemente zur Übertragung der Stoßwelle, die durch die Zündung der pyrotechnischen Mischung der ersten Stufe erzeugt wird, getrennt ist.
Der optische Detonator ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente, welche die pyrotechnische Mischung der ersten Stufe von der der zweiten Stufe trennen, ein Metallplättchen aufweisen, dessen eine Seite mit der pyrotechnischen Mischung der ersten Stufe in Kontakt steht, dessen andere Seite an einen Hohlraum angrenzt, der diese von der pyrotechnischen Mischung der zweiten Stufe trennt und dessen Außenfläche gegen den Vorsprung eines Verdämmungselements der pyrotechnischen Mischung der zweiten Stufe stößt.
Aufgrund des durch die Zündung der Verbrennung der pyrotechnischen Mischung der ersten Stufe erzeugten Verbrennungsdrucks wird das vorgenannte Metallplättchen mit großer Geschwindigkeit auf die freiliegende Oberfläche der pyrotechnischen Mischung der zweiten Stufe vorgetrieben.
Das Metallplättchen verursacht aufgrund seines Auftreffens in der pyrotechnischen Mischung eine Schlagwirkung.
Diese Schlagwirkung wird durch den Effekt der Fokussierung der Schockwelle begünstigt.
Die Schlagwirkung erlaubt eine Realisierung eines kürzeren Detonators mit einem geringeren Anteil an pyrotechnischer Mischung, welcher unempfindlicher und leichter reproduzierbar ist und eine Ansprechzeit aufweist, die kürzer ist als bei der zu Beginn dieser Beschreibung genannten Lösung.
Die Verbesserung der vorliegenden Erfindung besteht im Vergleich zum Stand der Technik darin, daß der Durchmesser des Hohlraums größer ist als der der pyrotechnischen Mischung, wobei die an den Hohlraum angrenzende Randseite der pyrotechnischen Mischung mit dessen hinterer Seite zusammenfällt.
Aus diesem Grund kollidiert das Plättchen bei seinem Auftreffen gleichzeitig mit der pyrotechnischen Mischung und der Randseite des Hohlraums. Diese Anordnung ermöglicht die Fokussierung der Stoßwelle auf die pyrotechnische Mischung.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor.
Die in der Anlage enthaltenen beispielhaften Zeichnungen zeigen folgendes:
1 zeigt einen Längsschnitt eines zweistufigen optischen Detonators gemäß der Erfindung;
2 zeigt einen partiellen Längsschnitt einer Ausführungsform der Erfindung.
1 stellt einen optischen Detonator mit zwei Stufen und Schlagwirkung dar, dessen erste Stufe 1 eine pyrotechnische Mischung 2 und einen Lichtleiter 3 aufweist, dessen eines Ende mit einer Laserstrahlungsquelle, wie zum Beispiel einer Laserdiode, verbunden ist.
Das an die pyrotechnische Mischung 2 angrenzende andere Ende des Lichtleiters 3 ist mit einem Verbindungsstück 4 verbunden.
Zur Übertragung der Laserstrahlung auf die pyrotechnische Mischung 2 sind Elemente, die nachstehend noch beschrieben werden, zwischen dem Endpunkt 3a des Lichtleiters 3 und der pyrotechnischen Mischung 2 eingebaut.
Die zweite Stufe 5 des Detonators weist eine pyrotechnische Mischung 6 auf, die in Verlängerung zur pyrotechnischen Mischung 2 der ersten Stufe 1 platziert und von dieser durch Elemente zur Übertragung der durch die Zündung der pyrotechnischen Mischung 2 der ersten Stufe 1 erzeugten Stoßwelle getrennt ist.
Gemäß der Erfindung weisen die Elemente, welche die pyrotechnische Mischung 2 der ersten Stufe 1 von der der zweiten Stufe 5 trennen, ein Metallplättchen 7 auf, dessen eine Seite die pyrotechnische Mischung 2 der ersten Stufe 1 kontaktiert und dessen andere Seite an einen Hohlraum 8 angrenzt, der das Metallplättchen von der pyrotechnischen Mischung 6 der zweiten Stufe 5 trennt.
Das Metallplättchen 7 stößt an seiner Außenfläche an den Endpunkt 9a eines Verdämmungselementes 9 der pyrotechnischen Mischung 6 der zweiten Stufe 5.
Die pyrotechnische Mischung 2 der ersten Stufe 1 ist in einem Verdämmungselement 10 verdämmt, das axial lösbar mit dem Verdämmungselement 9 der pyrotechnischen Mischung 6 der zweiten Stufe 5 verbunden ist.
Im dargestellten Beispiel sind die beiden Verdämmungselemente 9 und 10 miteinander durch eine Verschraubung verbunden.
1 zeigt auch, daß die Außenseite 6a der an den Hohlraum 8 angrenzenden pyrotechnischen Mischung 6 mit der hinteren Seite des Hohlraums 8 zusammenfällt, wobei dessen Durchmesser größer ist als der der pyrotechnischen Mischung 6.
Das Plättchen 7 kann beispielsweise aus Stahl sein und eine Dicke zwischen 100 und 250 μm aufweisen.
Die auf die pyrotechnische Mischung 2 der ersten Stufe 1 übertragene Laserenergie und die Kennwerte dieser Mischung sollen vorzugsweise so geartet sein, dass das Plättchen 7 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 500 m/s aufgrund der Druckwirkung nach Zündung der pyrotechnischen Mischung 2 in den Hohlraum 8 beschleunigt werden kann.
Vorzugsweise weist die pyrotechnische Mischung 2 ebenfalls Oktogen mit einer Ladedichte in einer Grössenordnung von 1,65 g/cm³ und einer Korngröße in einer Grössenordnung von 3 μm auf.
Das Oktogen kann mit ca. 1 % ultrafeinem Ruß gemischt werden, um die Absorption im nahen Infrarot-Bereich zu verbessern.
Die pyrotechnische Mischung 6 der zweiten Stufe 5 weist vorzugsweise granulares Oktogen oder Hexogen und eine Dichte von über 1,4 g/cm³ auf.
1 zeigt außerdem, daß die Elemente zur Übertragung der Laserstrahlung vom Lichtleiter 3 auf die pyrotechnische Mischung 2 der ersten Stufe 1 einen Ring 11 aufweisen, in dessen Aussparung sich eine Glaskugel 12 befindet.
Dieser Ring 11 ist mit dem Ende des Verbindungsstückes 4 des Lichtleiters 3 und mit einem Glasplättchen 13 in Kontakt, das seinerseits mit der pyrotechnischen Mischung 2 der ersten Stufe 1 in Kontakt ist.
Diese Anordnung erlaubt eine Übertragung der Laserstrahlung auf die pyrotechnische Mischung 2 ohne Energieverluste an der Oberfläche.
In der in 2 dargestellten Variante weisen die Elemente zur Übertragung der Laserstrahlung zwischen dem Lichtleiter 3 und der pyrotechnischen Mischung 2 der ersten Stufe 1 einen Glasstab 14 mit einem Indexgradienten auf, der in ein Element 15 aus wenig wärmeleitfähigem Material eingesetzt ist. Der Glasstab 14 ist in der Lage, die aus dem Lichtleiter 3 austretende Laserstrahlung auf die Vorderseite der pyrotechnischen Mischung 2 der ersten Stufe 1 zu fokussieren, mit der der Glasstab 14 in Kontakt ist. Der Glasstab 14 kann aus zwei Teilen bestehen.
Die oben beschriebene Vorrichtung funktioniert folgendermaßen.
Im Falle des in 1 dargestellten Detonators überträgt die durch den Lichtleiter beförderte Laserstrahlung ihre Energie auf die pyrotechnische Mischung 2 und bewirkt deren Verbrennung.
Der Verbrennungsdruck dieser Mischung 2 beschleunigt das Plättchen 7 mit einer Geschwindigkeit von über 500 m/s in den Hohlraum 8 gegen die freiliegende Oberfläche 6a der pyrotechnischen Mischung 6 der zweiten Stufe.
Die beim Aufprall dieses Plättchens 7 auf die Oberfläche 6a der pyrotechnischen Mischung erzeugte Stoßwelle leitet die Detonation der Mischung ein.
Die vorstehend erläuterte Gesamtanordnung erlaubt die Realisierung eines kürzeren Detonators mit einem geringeren Anteil an pyrotechnischer Mischung, der unempfindlicher und leichter reproduzierbar ist und eine Ansprechzeit aufweist, die kürzer ist als bei der zu Beginn dieser Beschreibung genannten Lösung.
Die Verringerung der Gesamtmasse der pyrotechnischen Mischung ist vor allem beim erfindungsgemäßen Einsatz des Detonators bei der Steuerung der Trennung zweier Stufen eines Raumfahrzeugs von Bedeutung, da dadurch die Stärke der auf das Raumfahrzeug übertragenen pyrotechnischen Stoßwellen verringert wird.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das soeben beschriebene Beispiel begrenzt, und es können zahlreiche Änderungen eingebracht werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Zweistufiger optischer Detonator mit Schlagwirkung, dessen erste Stufe (1) eine pyrotechnische Mischung (2) und einen Lichtleiter (3) aufweist, dessen eines Ende mit einer Laserstrahlungsquelle verbunden ist und dessen anderes, an die pyrotechnische Mischung (2) angrenzendes Ende in einem Verbindungsstück (4) aufgenommen ist, wobei für die Übertragung der Laserstrahlung auf die pyrotechnische Mischung (2) Elemente zwischen dem Endpunkt des Lichtleiters (3) und der pyrotechnischen Mischung (2) eingesetzt sind, wobei die zweite Stufe (5) des Detonators eine pyrotechnische Mischung (6) aufweist, die mit der pyrotechnischen Mischung (2) der ersten Stufe (1) in einer Linie liegt und von dieser durch Elemente zur Übertragung der durch die Zündung der pyrotechnischen Mischung (2) der ersten Stufe (1) erzeugten Stoßwelle getrennt ist, wobei diese Elemente ein Metallplättchen (7) aufweisen, welches mit seiner Außenfläche gegen den Fortsatz (9a) eines Verdämmungselementes (9) der pyrotechnischen Mischung (6) der zweiten Stufe (5) anstößt, wobei eine Seite des Metallplättchens (7) die pyrotechnische Mischung (2) der ersten Stufe (1) berührt und dessen andere Seite an einen Hohlraum (8) angrenzt, welcher das Metallplättchen von der pyrotechnischen Zusammenstellung (6) der zweiten Stufe (5) trennt, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Hohlraums (8) größer ist als der der pyrotechnischen Mischung (6), wobei die an den Hohlraum (8) angrenzende Außenseite (6a) der pyrotechnischen Mischung (6) mit der hinteren Seite des besagten Hohlraums (8) zusammenfällt.
Optischer Detonator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pyrotechnische Mischung (2) der ersten Stufe (1) in einem Verdämmungselement (10) verdämmt ist, das axial lösbar mit dem Verdämmungselement (9) der pyrotechnischen Mischung (6) der zweiten Stufe (5) verbunden ist.
Optischer Detonator gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Verdämmungselemente (9 und 10) durch eine Schraubverbindung miteinander verbunden sind.
Optischer Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (7) aus Stahl ist und eine Dicke zwischen 100 und 250 μm aufweist.
Optischer Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die pyrotechnische Mischung (2) der ersten Stufe (1) übertragene Laserenergie und die Kennwerte dieser Mischung so beschaffen sind, daß das Plättchen (7) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 500 m/s nach der Zündung der vorstehend genannten pyrotechnischen Mischung (2) in den Hohlraum (8) vorgetrieben wird.
Optischer Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die pyrotechnische Mischung (2) der ersten Stufe (1) Oktogen mit einer Ladedichte in der Grössenordnung von 1,65 g/cm³ und einer Korngröße in der Grössenordnung von 3 μm aufweist.
Optischer Detonator gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Oktogen mit ca. 1 % ultrafeinem Ruß gemischt ist.
Optischer Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die pyrotechnische Mischung (6) der zweiten Stufe (5) granulares Oktogen oder Hexogen mit einer Dichte von über 1,4 g/cm³ aufweist.
Optischer Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Übertragung der Laserstrahlung zwischen dem Lichtleiter (3) und der pyrotechnischen Mischung (2) der ersten Stufe (1) einen Ring (11) aufweisen, in dessen Aussparung sich eine Glaskugel (12) befindet, wobei dieser Ring (11) mit dem Endpunkt des Verbindungsstückes (4) des Lichtleiters (3) und mit einem seinerseits in Kontakt mit der pyrotechnischen Mischung (2) der ersten Stufe (1) stehenden Glasplättchen (13) in Kontakt steht.
Optischer Detonator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente zur Übertragung der Laserstrahlung zwischen dem Lichtleiter (3) und der pyrotechnischen Mischung (2} der ersten Stufe (1) einen Glasstab (14) mit Indexgradient aufweisen, der in ein Element (15) aus wenig wärmeleitfähigem Material eingesetzt ist, wobei dieser Glasstab (14) in der Lage ist, die aus dem Lichtleiter (3) austretende Laserstrahlung auf die mit dem Glasstab (14) in Kontakt stehende Vorderseite der pyrotechnischen Mischung (2) der ersten Stufe (1) zu fokussieren.