NO301739B1 - Anordning for tenning av pyroteknisk materiale - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår anordning for å tenne pyrotekniske materialer ved hjelp av en lysstråle fra en faststofflaser.

Lasertenningsanordninger som inneholder neodymglass eller YAG-lasere er kjent, som f.eks. i US-patent nr. 3 618 526 og nr. 3 408 937. US-patentet nr. 3 408 937 nevner ulempen med direkte tenning ved å anvende elektrisk brooverbyggende tråder og beskriver anordning for tenning av en eksplosiv anordning ved å anvende laserenergi tilført ved hjelp av en fiberoptisk leder. Laseren bevirkes til å sende sin polariserte lysstråle (pumpet) av en hovedlyskilde, som er henvist til som et kjemisk generert lys eller annen egnet laserkilde innbefattende en enkel polykromatisk lyskilde. US-patent nr. 3 618 526 beskriver også anordning for å detonere en eksplosiv anordning ved hjelp av laserenergi overført ved hjelp av fiberoptiske bunter forbundet med reagerende detonatorer. Den beskriver bruk av kjente lasere påvirket av xenon tidsrør som utilfredsstillende og bygger på et pyroteknisk belegg på et hus som omhyller laseren med en elektrisk påvirket kinaputt anordnet for å tenne belegget for å påvirke laseren. Det pumpende glimtet kan bli øket ved å anbringe spoler av et aktivt metall som magnesium mellom belegget og laseren.

Behovet for en kilde med høy strømeffekt slik som et batteri eller en stor kondensator for å påvirke en laser har blitt beskrevet i US-patent nr. 3 909 745, som anvender mekanisk energi som en strømkilde, f.eks. en f jaerbelastet hammer anordnet til å slå på et piezoelektrisk krystall som lader en kondensator og frembringer en infrarød puls som påvirker en laseroverføring.

Spesielt ved anvendelse av slike pyrotekniske anordninger ved utskyting av setet i et fly er det behov for en lett, liten tennanordning som kan bli lagret i lang tid og har sin egen strømforsyning.

Ifølge oppfinnelsen er en anordning for tenning av et pyroteknisk materiale innbefattende en faststofflaser, som kan, når påvirket av en utsendt lysstråle, tenne det pyrotekniske materialet, kjennetegnet ved at den også innbefatter en kombinasjon med laseren, en piezoelektrisk anordning som kan frembringe en elektrisk høyspenningspuls som reaksjon på tilførsel av mekanisk energi, og en pyro-blinklampe, som har et gnistgap påvirkbart av den elektriske høyspenningspulsen og som sender ut et lysglimt som reaksjon på påvirkning av gnistgapet, idet laseren kan påvirkes som reaksjon på lysblinket.

Ytterligere trekk ved foreliggende oppfinnelse fremgår av de øvrige uselvstendige kravene.

Den piezoelektriske anordningen i tennanordningen ifølge oppfinnelsen kan frembringe motsatte elektriske ladninger på forskjellige overflater når de utsettes for mekanisk spenning. Krystaller av turmalin, Rochelle-salt, bly-zirkonat-titanat og andre substanser vil frembringe denne effekten. Bly-zirkonat-titanat er foretrukket piezoelektrisk krystallinsk materiale for bruk ved oppfinnelsen. Elektrisk energi dannet når det piezoelektriske krystallet utsettes for spenning er vanligvis lagret i en høyspenningslagerkonden-sator. Slike piezoelektriske anordninger er velkjent i handelen og kan f.eks. være en Ferroperm piezokeramisk type PZ 24 og PZ 26 som er tilgjengelig fra Seacor Inc., Westwood, New Jersey. Fortrinnsvis har den piezoelektriske anordningen en kondensator med en kapasitans på 0,1 til 1,0 pF.

Denne anordningen tilfredsstiller kravet om at den piezoelektriske anordningen må kunne sende en høy nok spenning for å drive pyro-blinklampen, som normalt er i størrelsesorden av 10 000 eller mer, fortrinnsvis 20 000 - 50 000 volt. Den piezoelektriske konstanten er fortrinnsvis 160 * IO-<12>C/N (coulombs/frekvenskonstant) til 275 IO"<12>C/N. Slike piezoelektriske anordninger har en typisk diameter på så liten som 2,54 cm og en lengde så liten som 0,254 cm. Den ovenfor foretrukne enheten har en diameter på omkring 0,445 cm og en lengde på omkring 0,889 cm og er med på å bidra til hensikten med å tilveiebringe en liten, kompakt tennings-, enhet.

Den piezoelektriske anordningen er på konvensjonell måte trigget av en mekanisk energikilde tilstrekkelig til å påvirke den piezoelektriske innretningen til å sende ut den nødvendige spenningen. En 28,4 g vekt drevet av en fjær av tilnærmet 11 g/cm styrke ville f.eks. være egnet. En lignende bruk av fjærbelastet masse (for å aktivere en kilde med en infrarød puls) er kjent, f.eks. fra ovenfornevnte US-patent nr. 3 909 745. Andre konvensjonelle anordninger kan også bli kombinert i forbindelse med tennanordningen ifølge oppfinnelsen for å tilveiebringe triggingsinngangssignaler med høy mekanisk energi. En ekstern mekanisk eller elektrisk trigger kan f.eks. bli anvendt for å operere en pyroteknisk anordning som genererer gasstrykk for å bevirke at en egnet masse treffer det piezoelektriske krystallet. Innretning for å sende lys som reaksjon på den elektriske høyspenningspulsen innbefatter typisk en eller flere pyro-blinklamper lignende blitzlamper anvendt for fotografering og velkjent fra f.eks. US-patent nr. 4 249 887. De har en ytre glassomhylling fylt med komprimert oksygen og med ytre •kontaktstifter og ledninger som går gjennom omhyll ingen og danner et gnistgap (uten brooverbyggende tråder). Toppen av ledetrådene er belagt med en pyroteknisk primerblanding og lampen har vanligvis en løs masse med forbrennbare metallstrenger av zirkonium eller hafnium. Som følge av en høy spenningspuls, f.eks. i størrelsesorden av 10 000 eller flere volt, springer en gnist over gapet mellom de ledende trådene og tenner primeren som trigger den hurtige forbrenningen av metall-strengene. Det er et kritisk trekk ved oppfinnelsen at blinket frembrakt av denne typen blinklamper med et gnistgap istedenfor en brooverbyggende tråd er tilstrekkelig til å påvirke laseren til effektnivået nødvendig for å tenne det pyrotekniske materialet.

Blinklampene har fortrinnsvis en lys utgang på ikke mindre enn 3800 Lumen-sekunder, med topplys forekommende innenfor mindre enn 10 millisekunder etter tenningen og blir tent med minst 10 000 volt ved foreliggende anvendelse. Tenningsanordningen ifølge oppfinnelsen inneholder fortrinnsvis tre eller flere og fortrinnsvis seks like blinklamper omgivende laseren og forbundet elektrisk i serie. Antall blinklamper er avhengig av den nødvendige lasereffekten og/eller den nødvendige nøyaktigheten såvel som et egnet redundansnivå. Fortrinnsvis brukes flere enn tre blinklamper for å sikre redundans. Den ubetydelige størrelsen på disse kommersielle enhetene bidrar også til å tilveiebringe en liten, kompakt tenningsenhet.

Laseren er fortrinnsvis en faststoffrubin, neodym YAG eller neodym glasslaser, idet sistnevnte er foretrukket da den er brukbar over det bredeste temperaturområdet og er billigst. Disse laserne innbefatter vanligvis en stang dopet med 6 til 9% neodymmolekyler omgitt av klar glassoptisk kappe som sender 1,06 mikrometer forsterket lys. Denne laseren pumpes eller bevirkes til å sende sin polariserte lysstråle når neodymatomer eksiteres (og avtar så) etter at lyset fra blinklampen går gjennom sidene på laseren. En foretrukket laser nyttig ved foreliggende oppfinnelse er en Q-100 optisk kappe neodym glass-stang (tilgjengelig fra Kigre Incorporated, Hilton Head Island, South Carolina), som er 4,42 cm lang og har en 0,6 cm tykk kjerne, med plan-til-plan ender. Endene er parallelle innenfor 2,5 cm bue. Finishen er 10/5 S/D (Scrape/Dig) og Lambda over 10 flat. Refleksjons-koeffisienten er maksimum ved ene enden og 95,5$ ved den andre enden. Den utvendige diameteren har enten en fin slipt eller polert finish. Slike lasere er også tilgjengelige fra Hoya Optics Incorporated i Freemont, California. Laserlysstråler må ha tilstrekkelig effekt for å tenne den ønskede massen med pyroteknisk materiale ved f.eks. drift av en rakettmotortenner eller en tenner (initiator), dvs. separat pyroteknisk materiale anvendt for tenningen.En plankoveks optisk linse er vanligvis anvendt for å fokusere eller kondensere strålen, typisk fra en diameter på 0,63 cm til en diameter på 0,09 cm. Den fokuserte lysstrålen kan "bli tilført direkte til det pyrotekniske materialet for å,tennes eller gjennom en optisk fiberkabel, f.eks. smeltet optisk silisiumfibre. De optiske fiberkablene er nyttige når det er ønskelig å adskille tenningsanordningen og anordningen som inneholder det pyrotekniske materialet og hvor det er ønskelig å tenne mer enn en masse med pyroteknisk materiale med en lasertenningsanordning.

Tenningsanordningene ifølge oppfinnelsen har fortrinnsvis mekaniske eller elektriske sikkerhetsanordninger, fortrinnsvis begge deler. En konvensjonell mekanisk lukker for å forhindre laserstrålen fra å berøre det pyrotekniske materialet ved et uhell vil forhindre uønsket tenning.

I det påfølgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser en tenningsanordning med et piezoelektrisk

krystall.

Fig. la viser en fjærbelastet vekt når den slår mot det

piezoelektriske krystallet.

Fig. 2 viser et skjematisk diagram av en annen utførelses-form av et lasertenningssystem.

På fig. 1 er vist en tennanordning med piezoelektrisk krystall 1, en faststofflaser 2, fire blitz-lamper som omgir laseren og er elektrisk forbundet med den piezoelektriske anordningen, og som hver er koplet i serie 3. Videre er det anordnet en optisk linse 4 for å fokusere laserstrålen, en lukker 5 i lukket posisjon og en tenner 6 (f.eks. en kapsel som inneholder pyroteknisk materiale anvendt for å tenne en massiv rakettmotor) og en fjærbelastet vektenhet 7. Fig. la viser den fjærbelastede vekten når den treffer det piezoelektriske krystallet 1 ved et kontaktpunkt 22 og frembringer en høyspenningspuls som bevirker at lampene 3 blinker med lukkeren 5 i sin åpne posisjon som tillater laserstrålen å passere gjennom linsen 4 og et glassvindu 6a og slå det pyrotekniske materialet i tenneren 6. Fig. 2 viser et skjematisk diagram av en annen utførelsesform av et lasertenningssystem ifølge oppfinnelsen eller for bruk ved et kanon-utsendt rakett-assistert prosjektil. Bruk av et kanondrivmiddel tent ved konvensjonell tennstift er det rakettassisterte prosjektilet avfyrt fra en kanon. Tilbake-slagskraften eller kanonbevegelsen 21 dannet når kanonen avfyres bevirker at en seismisk masse eller vekt 8 i rakettmotoren blir satt i bevegelse og treffer og spen-ningspåvirket et piezoelektrisk krystall 9. En elektrisk sikkerhetsbryter 10 er lukket av samme kraften. Den elektriske energien dannet når det piezoelektriske krystallet utsettes for spenning lagres i høyspenningslagerkondensatoren 12. Når prosjektilet går ut av kanonen vil den negative akselerasjonskraften som utøves bevirke at tidsforsinkel-sesbryteren 13 lukkes. Når bryteren lukkes blir den lagrede elektriske energien i kondensatoren tilført blinklampene 14 (hvor kun en er vist) med et gnistgap 15 som bevirker at de tennes. Det resulterende lyset pumper laseren 16 som sender ut en lysstråle som går gjennom linsen 17 og vinduet 18 for å treffe det pyrotekniske materialet 19 til rakettmotortenneren 20 som bevirker at det pyrotekniske materialet tenner rakettmotoren. Kondensatoren anvendt for denne utførelses-formen har en kapasitans på 0,1 til 1,0 pF og er mindre enn den anvendt ved avfyring av gassfylte lasere.

Med. henvisning til fig. 1 kan den f jærbelastede vektenheten 7 utgjøre en del av tennanordningen eller kan bli drevet ved en separat anordning. Lukkeren er vist i den lukkede posisjonen hvor den forhindrer laserstrålen fra å nå og tenne det pyrotekniske materialet.

Med henvisning til fig. la tjener glassvinduet 6a som en trykkforsegl ing mellom lukkeren 5 og tenneren 6. Varmgass-utgangen 9 til det pyrotekniske tennmaterialet er vist. Ved denne utførelsesformen tenner denne varme gassen det pyrotekniske materialet til en rakettmotor.

Ved en annen utførelsesform har en roterende akse et hull mellom laseren og det pyrotekniske materialet eller den optiske fiberen for sending av laserstrålen til det pyrotekniske materialet. Et sikkerhetsforhold finnes når hullet og laserstrålen er ute av innretning siden akselen vil forhindre laserstrålen fra å nå og tenne det pyrotekniske materialet. For å armere anordningen dreies akselen slik at laserstrålen kan gå gjennom hullet.

Andre mekaniske sikkerhetsanordninger, slik som innretninger for å rotere eller bevege laseren (eller strukturen som innbefatter laseren og blinklampene) inn og ut av innretting med det pyrotekniske materialet eller optiske fibre, innretning for å bevege eller rotere den optiske fiberen inn og ut av innretting, og mekaniske innretninger for å forhindre anordningen fra å bli trigget (f.eks. låsing av frigjøringsarmen eller avfyringsstiften på plass, som anvender en roterende fjærbelastet masse med sikkerhets- og armposisjoner, etc.) kan bli anvendt for å forhindre uønsket tenning.

En konvensjonell kortslutningsbryter kan også bli anvendt som sikkerhetsanordning. En tråd som forbinder to stifter til blinklamper danner f.eks. en kortslutning og forhindrer gnister over gnistgapet i blinklampen.

Tenningsanordningen ifølge oppfinnelsen er lett og for-holdsvis liten og kan bli lagret over en ubegrenset tidsperi-ode og gir laserenergi av et høyt nivå. Den kan være så liten som 2,5 cm i diameter og 5 cm lang og så lett som 56,8 g. Den kan bli anvendt for å tenne de fleste pyrotekniske eller våpentekniske systemer som kan bli tent ved å anvende konvensjonelle lasertenningsanordninger og andre typer anordninger hvor bruk av slike anordninger var upraktiske eller umulige på grunn av at de krevde en strømkilde med høy strøm, f.eks. anordninger hvor tidligere elektro-eksplosive kinaputter ville være foretrukne innretninger for tenning. Det er velegnet for tenning av relativt ufølsomme pyrotekniske materialer slik som faststoffrakettmotorer , eksplosive anordninger anvendt ved kommersiell sprenging eller militære våpensystemer, etc. Andre fordeler med oppfinnelsen er at redundans lett kan bygges inn i systemet både for å sikre sikkerheten når tenning ikke er ønsket og for å sikre egnet og tidsmessig riktig tenning.

Claims (8)

1. Anordning for tenning av pyroteknisk materiale (19) innbefattende en faststoff laser (16) som kan, når påvirket, sende en lysstråle som er tilstrekkelig for å tenne pyroteknisk materiale (19),karakterisert vedat den også innbefatter i kombinasjon med laseren (16), en piezoelektrisk anordning (9) som kan frembringe en elektrisk høyspenningspuls som reaksjon på tilførsel av mekanisk energi, og en pyr obl inkl ampe (14) som har et gnistgap (15) påvirkbart av den elektriske høyspenningspulsen og som sender ut et lysblink som reaksjon på påvirkningen av gnistgapet (15), idet laseren er påvirkbar som reaksjon på lysblinket.

2. Anordning ifølge krav 1,karakterisertved at blinklampen (14) har en ytre glassomhylling fylt med komprimert oksygen og en løs masse av forbrennbare metallstrenger, med ytre kontaktstifter og ledningstråder som går gjennom omhyll ingen og danner et gnistgap, idet spissen av ledningstrådene er belagt med en pyroteknisk primær-blanding.

3. Anordning ifølge krav 2,karakterisertved at blinklampen (14) blinker som reaksjon på en høy-spenningspuls i størrelsesorden av 10 000 volt eller mer, og at den har en lysutgang av ikke mindre enn 3800 Lumen-sekunder med spisslys forekommende i mindre enn 10 millisekunder etter tenningen.

4. Anordning ifølge krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat den piezoelektriske anordningen (9), som innbefatter krystallbly-zirkonat-titanat, kan sende ut minst 10 000 volt og opptar en kondensator (12) med en kapasitans på 0,1 til 1,0 jjF.

5. Anordning ifølge krav 4,karakterisertved at den piezoelektriske anordningen (9) kan sende ut 20 000 til 50 000 volt og har en piezoelektriskkonstant på 160 • IO-<12>C/N (coulombs/frekvenskonstant) til 275 • IO-<12>C/N.

6. Anordning ifølge krav 4 eller 5,karakterisertved at den piezoelektriske anordningen (9) har en diameter på omkring 0,445 cm og en lengde på omkring 0,889 cm.

7. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat laseren (16) er en rubin, neodymglass eller neodym YAG laser.

8. Anordning ifølge krav 7,karakterisertved at laseren (16) er en Q-100 optisk kappe neodymglass-stang, 4,42 cm lang og med en 0,6 cm stor kjerne.