DE1076544B - Sprengladung zur Erzeugung ebener Detonationsfronten - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung· bezieht sich auf Brisanzsprengstoffladungen, bei denen die natürliche Detonationsfront verzerrt wird. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Brisanzsprengstoffladung, welche bewirkt, daß eine Detonationsfront, die an einem Punkt erzeugt wird, eine große Zahl von Punkten auf einer beliebigen Fläche gleichzeitig erreicht.

Wenn die homogene Masse eines Brisanzsprengstoffes an einem Punkt gezündet wird, so läuft die resultierende Detonationsfront vom Zündpunkt in allen Richtungen mit gleicher Geschwindigkeit nach außen. Wird z. B. eine kugelförmige Ladung Brisanzsprengstoff in ihrem Mittelpunkt gezündet, so läuft die Detonationsfront gleichmäßig durch die Ladung wie eine sich vergrößernde Kugelschale, wobei die Front gegebenenfalls alle Punkte auf der Ladungsoberfläche gleichzeitig erreicht. Wird die kugelförmige Ladung jedoch nicht in der Mitte, sondern an einem exzentrisch liegenden Punkt, z. B. nahe der Oberfläche, gezündet, so bildet die Detonationsfront in diesem zweiten Falle anfangs eine sich vergrößernde Kugelschale, solange bis der Teil der Begrenzung, der dem Ort der Zündung am nächsten liegt, erreicht ist. Danach läuft die Front durch die verbliebene Ladung als sich vergrößerndes Kugelsegment, wobei der Krümmungsradius dieses Segments an jedem gegebenen Punkt der Ladung durch die Entfernung vom Zündpunkt gegeben ist. Im dritten Fall einer nicht kugelförmigen, homogenen Sprengstoff menge, ζ. Β. einer Pyramide, die zentral oder exzentrisch gezündet wird, läuft die Detonationsfront genau so wie in der exzentrisch gezündeten Kugelladung. Sowohl im zweiten als auch im dritten Fall ist offensichtlich, daß die Detonationsfront auf Grund ihrer natürlichen Krümmung nicht an allen Stellen der Ladungsoberfläche gleichzeitig, sondern zeitlich verschieden ankommt, in Abhängigkeit von der Entfernung zwischen jedem Endpunkt und dem Anfang, d. h. dem Zündpunkt.

Außer zum Sprengen, ist es bei -vielen Anwendungen von Sprengstoffen erwünscht, eine Sprengladung zu verwenden, in der die Detonations front an einer großen Zahl vorbestimmter Punkte auf einer oder mehreren Oberflächen der Ladung gleichzeitig ankommt. Zum Beispiel beschreibt das USA.-Patent 2 604 042 ein Verfahren, bei dem eine Metalloberfläche mittels einer geraden Detonationsfrcnt getrieben wird, das ist eine Detonationsfront, die so verzerrt wird, daß sie gleichzeitig an einer großen Zahl von Oberflächenpunkten ankommt. Die verwendete Sprengladung ist zusammengesetzt und besteht aus mehreren verschiedenen Sprengstoffen, von denen jeder eine andere Detonationsgeschwindigkeit hat. Die Ladung ist so geformt, daß es nicht nur sehr großer Sorgfalt bedarf, um die verschiedenen Detonationsgeschwindigkeiten

Sprengladung zur Erzeugung ebener
Detonationsfronten

Anmelder:

E. L du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Del. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz

und Dr. rer. nat. G. Hauser, Patentanwälte,

München-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 18. März 1958

David Linn Coursen, Newark, Del. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

zueinander in Beziehung zu setzen, sondern daß für die Ladung auch eine große Menge Sprengstoff erforderlich ist. Diese große Menge Sprengstoff erhöht die Kosten je Einheit und verursacht darüber hinaus infolge der Brisanz solcher großer Sprengstoffmengen häufig die Zerstörung der angrenzenden Metallfläche. Die Verwendung einer eine ebene Detonationsfront erzeugenden Sprengladung ist daher äußerst wertvoll bei der Grundlagenerforschung der Sprengstoffphänomene. Bei einer grundlegenden Untersuchung der Einwirkung der durch einen Brisanzsprengstoff erzeugten, außerordentlich hohen, kurzzeitigen Drücke (Sprengstoffüberdrücke) auf Gegenstände wie Metallplatten ist z. B. die Bestimmung der Auswirkung einer ebenen Detonationsfront von Interesse. Voraussetzung für derartige Untersuchungen ist natürlich, daß eine Sprengladung zur Verfügung steht, die nicht nur eine ebene Detonationsfront erzeugt, sondern auch den Gegenstand, der den Überdrücken ausgesetzt wird, nicht zerstört.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Sprengladung, bei der die an einem Punkt erzeugte Detonationsfront so gelenkt wird, daß sie an einer großen Zahl von Punkten einer Fläche gleichzeitig ankommt. Die erfindungsgemäße Sprengladung ist für die Zündung an einem Zündpunkt eingerichtet und erzeugt eine Detonationsfront, die an vielen Endpunkten auf einer planen Fläche des angeführten Gerätes im

909 757/162

wesentlichen gleichzeitig ankommt. Sie besteht aus einer zusammenhängenden Trägermasse eines zündhütchenempfindlichen Brisanzsprengstoffes, in den zwischen der genannten Fläche und dem genannten Zündpunkt eine große Zahl von im wesentlichen kugelförmigen, inerten Kugeln gleicher Größe eingebettet ist, die in kubisch dichtester Packung angeordnet und so dimensioniert sind,. daß sich die Detonation zwar durch die Zwischenräume der Kugelpackung aber nicht durch die Kugeln selbst fortpflanzen kann, wodurch erreicht wird, daß die kürzesten Detonationswege vom Zündpunkt zu jedem der Endpunkte im wesentlichen gleich lang sind. Unter »kubisch dichtester Packung« versteht man eine Anordnung gleich großer Kugeln, bei der jede Kugel im Inneren zwölf Nachbarkugeln berührt, die auf den Kantenmittelpunkten eines Würfels angeordnet sind.

Bei einer Sprengladung in Form einer Pyramide mit quadratischer Grundfläche, die mit inerten Kugeln gefüllt ist, erzeugt die Zündung an der Pyramidenspitze eine Detonationsfront, die an einer großen Zahl von Punkten auf der quadratischen Grundfläche gleichzeitig ankommt. Außerdem wird dabei die verwendete Sprengstoffmenge auf einem Minimum und dadurch, abgesehen von der Verringerung der Kosten, auch die durch die Detonation verursachte Zerstörung benachbarter Gegenstände möglichst gering gehalten.

Die Arbeitsweise der Sprengladung beruht auf zwei Prinzipien. Erstens gibt es für jeden Brisanzsprengstoff eine bestimmte Mindestdimension (Breite oder Dicke), im allgemeinen als Querschnittsfläche bezeichnet, die zur Aufrechterhaltung einer Detonation erforderlich ist. Es wurde gefunden, daß die Detonation dabei in der Mitte zwischen den Kanten der Minimalfläche verläuft. Zweitens wird bei jedem Brisanzsprengstoff von gegebener Querschnittsfläche die Fortpflanzung der Detonation abgelenkt, wenn ein inertes Hindernis bestimmter Abmessungen der Explosionskette im Wege steht. Daher verläuft die Detonation nur auf solchen Wegen zwischen einem gegebenen Zündpunkt und einem gegebenen Endpunkt, die eine für die Fortpflanzung der Detonation ausreichende Querschnittsfläche aufweisen. In Abwesenheit aller inerten Hindernisse läuft die Detonation direkt, d. h. in gerader Linie, zum Endpunkt. Ordnet man auf dem Weg der Detonation Hindernisse von zur Unterbrechung der Fortpflanzung geeigneten Dimensionen an, so muß die Detonation um jedes in den Weg gestellte Hindernis herumlaufen.

Daher kann man, wie leicht einzusehen ist, eine Detonation zwingen, einen vorbestimmten und gewünschten Weg in einer Sprengstoffmenge, die eine große Zahl von Hindernissen enthält, zu nehmen. Haben die Hindernisse einen geeigneten Durchmesser, um die Ablenkung der Detonation zu steuern und sind sie derart angeordnet, daß die kürzesten Wege vom Start- (Zünd-) Punkt zu jedem der Endpunkte auf einer beliebigen Fläche von gleicher Länge sind, so erreicht die Detonationsfront alle Endpunkte der gewünschten Fläche gleichzeitig.

Die Erfindung wird durch die Zeichnung erläutert. Die Figur zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Sprengladung. B stellt einige der festen, inerten Kugeln dar, die in einer Pyramide mit quadratischer Basis in kubisch dichtester Packung angeordnet sind. Der Brisanzsprengstoff E bildet eine zusammenhängende Trägermasse um den starren, von den Kugeln gebildeten Aufbau und in den von ihnen gebildeten Zwischenräumen. Der Durchmesser der Kugeln B wird so gewählt, daß diese die Detonation ablenken und Wege mit einer zur Fortpflanzung der Detonation erforderlichen Querschnittsfläche abgrenzen.

Im Betrieb wird die Sprengstoffmasse am Punkt P₀ durch die üblichen Zünder, z. B. ein elektrisches Sprengzündhütchen, gezündet. Die so erzeugte Detonation läuft durch die Sprengmasse die gewundenen Wege entlang, die durch die Kugeln gegeben sind, und erreicht die verschiedenen Endpunkte an der Basis der Sprengmasse. Da alle möglichen kürzesten Detonationswege zwischen dem Zündpunkt und den Endpunkten auf der Basis gleich lang sind, kommt die Detonationsfront, die mit gleichmäßiger Geschwindigkeit läuft, an jedem Endpunkt auf der Basis gleichzeitig an.

Die genaue Zusammensetzung des benutzen Sprengstoffs ist nicht kritisch, solange das Sprengmaterial mit großer Geschwindigkeit detoniert und zu einer notwendig zusammenhängenden Trägermasse, die die Kugeln einhüllt, geformt werden kann. Zu diesen Sprengstoffen gehören unter anderem PETN (Pentaerythrittetranitrat), RDX (Cyclotrimethylentrinitramin), HMX (Cyclotetramethylentetranitramin), Pentolit (eine PETN-TNT-Mischung), Cyclotol (eine RDX-TNT-Mischung) und Tetrytol (eine Tetryl-TNT-Mischung). Von diesen Sprengstoffen werden die binären Mischungen auf Grund der Leichtigkeit, mit der sie zu der zusammenhängenden Trägermasse geformt werden können, (z.B. durch Gießen), bevorzugt. So kann z. B. eine erfindungsgemäße Sprengladung aus Pentolit od. ä. hergestellt werden, indem man die Kugeln in kubisch dichtester Packung in eine geeignete Gießform schichtet, erwärmt, geschmolzenes Pentolit darübergießt und dann abkühlt. Für das Aufschichten kann man ein beliebiges mechanisches Füll- und Stapelgerät verwenden.

Wie oben angeführt, müssen die Kugeln einen Durchmesser haben, der dazu geeignet ist, die Fortpflanzung der Detonation durch sie hindurch zu verhindern. Der Durchmesser der Kugeln ist abhängig von dem speziell verwendeten Brisanzsprengstoff, der die Trägermasse bildet und von dem speziellen Material, aus dem die Kugeln bestehen. Außerdem muß man bedenken, daß der Durchmesser der Kugeln die Querschnittsfläche der Wege bestimmt, entlang derer die Detonationswelle läuft. Da diese Wege eine zur Übertragung der Detonation ausreichende Fläche haben müssen, legt dieses Erfordernis dem Mindestdurchmesser der Kugeln eine bestimmte Grenze auf, da die Querschnittsfläche in direktem Verhältnis zum Durchmesser der Kugeln steht. Um die erforderliche Mindestquerschnittsfläche zu erhalten, müssen die Kugeln bei Verwendung eines sehr empfindlichen Sprengstoffes einen Mindestdurchmesser von 2 mm und bei einem weniger empfindlichen Sprengstoff von mehr als 2 mm haben.

Die obere Grenze für den Durchmesser wird durch die gegenseitig abhängigen Variablen, nämlich die spezielle Sprengstoffzusammensetzung, das spezielle Kugelmaterial, die Größe der Basis und die Zahl der gewünschten Endpunkte bestimmt.

Die Größe der Kugeln regelt auch die Zahl der Endpunkte auf der gewünschten Fläche, und zwar wird die Zahl der Endpunkte pr.o Flächeneinheit um so geringer, je größer die Kugeln sind. Wenn daher nur wenige Endpunkte auf einer großen Oberfläche erforderlich sind, sind die verwendeten Kugeln relativ groß. Um die Anzahl der Endpunkte auf derselben Fläche zu erhöhen, wird die Größe der Kugeln verringert. Durch Verwendung sehr kleiner Kugeln kann

dagegen eine große Zahl von Endpunkten auf kleiner Fläche geschaffen werden. Weist die Sprengladung eine quadratische Pyramidenform, wie oben beschrieben, auf, so ist die Zahl der Kugelschichten gleich der Zahl der einzelnen Kugeln entlang einer Seite der Basis, da die Basis quadratisch ist und die Kugeln alle gleich groß sind. Enthält z. B. eine Seite der Basis sieben Kugeln, so sind sieben Kugelschichten notwendig, wobei die oberste Schicht aus einer Kugel, die nächste aus vier, die folgende aus neun usw., die letzte Schicht aus neunundvierzig bzw. zweiundsiebzig Kugeln besteht. Dieselbe geometrische Progression gilt, wenn die Anzahl der Schichten ansteigt. So wird z. B. in einer zehnschichtigen Pyramide die Basis hundert Kugeln enthalten. Daher läßt sich die Flächengröße der Pyramidenbasis erhöhen, indem man die Kugelgröße erhöht und im Zusammenhang damit die Anzahl der Endpunkte auf der Basis verringert, oder durch Erhöhung der Zahl der Kugelschichten, wodurch sich die Anzahl der Kugeln in der gegebenen Größe der Basisschicht erhöht. Bei der zweiten Methode erhöht sich natürlich die Anzahl der Endpunkte, Da die Aufstellung in kubisch dichtester Packung ein Ineinandergreifen der Kugeln zwischen den Schichten zur Folge hat, wird die Höhe einer Einheit immer geringer sein als eine Seite der Basis.

Es gibt eine große Auswahl von Stoffen, aus denen das spezielle Material, das für die Kugeln Verwendung findet, ausgewählt werden kann, und zwar unter den Gesichtspunkten der Wirtschaftlichkeit, Verfügbarkeit, leichten Handhabung u. ä. Zu den geeigneten Stoffen gehören Metalle wie Blei, Gummi, Kunststoff, Glas und Holz.

Die eine Detonationsfront in Form einer ebenen Fläche erzeugenden, erfindungsgemäß vollständig beschriebenen Sprengladungen ergeben die ebene Detonationsfront mit einer Mindestmenge an Sprengstoff. Solche Sprengladungen sind für viele Anwendungszwecke geeignet. Zwei spezifische Anwendungsarten werden nachstehend beschrieben.

Beispiel 1

Anwendung zur Metallhärtung
Bestimmte Metalle (z. B. Manganstahl) können gehärtet werden, indem man sie einer Druckwelle aussetzt. In der Regel nimmt die Härte des erhaltenen Metalls mit dem Spitzendruck der Druckwelle zu. Eine bevorzugte Methode zur Sprenghärtung besteht darin, daß man die Metalloberfläche mit Sprengstoff bedeckt und diesen zur Detonation bringt. Der auf das Metall übertragene Spitzendruck ist eine Funktion des Einfallswinkels der Druckwelle auf das Metall. Dieser Druck (und damit die erzeugte Härte) sind höher, wenn die Detonationsfront frontal mit der Sprengstoff-Metall-Zwischenfläche zusammenfällt, als wenn die Detonationsfront parallel zu der Sprengstoff-Metall-Zwischenfläche wandert. Im allgemeinen muß die verwendete Sprengladung aus einer dünnen, auf die Metalloberfläche gelegten Schicht bestehen, da eine dicke Ladung brechen und den Metallkörper deformieren würde. Wenn alle Oberflächenpunkte der dünnen Sprengstoffladung gleichzeitig gezündet werden, erzielt man eine maximale Härte, da dann das gewünschte frontale Aufeinandertreffen erfolgt. Die erfindungsgemäßen Sprengladungen ergeben eine solche gleichzeitige Zündung, ohne daß ein massiver Sprengstoffblock verwendet zu werden braucht, welcher das Metall beschädigen würde.

Beispiel 2 Anwendung zur Metallverformung

Die Metallverformung durch Sprengstoff, d. h. die Verwendung einer Sprengladung zum Eintreiben eines Metallrohlings in eine Form, gewinnt immer mehr an Bedeutung. Wenn die Form kein starkes Tiefziehen des Metalls erfordert und wenn das Metall ausreichend gute Verformungseigenschaf ten besitzt, können Punktladungen oder andere Sprengladungen, welche gekrümmte oder schräge Detonationsfronten ergeben, verwendet werden. Wenn tief gezogene Formlinge hergestellt werden sollen oder wenn ein während des Formvorgangs leicht brechendes Metall verwendet wird, wird die zum Treiben des Metalls benutzte Form der Detonationsfront wichtig, und es können keine Punktladungen mehr zur Anwendung kommen. Unter diesen Umständen ist vielmehr in der Regel eine ebene Detonationsfront am besten, da eine solche das Metall nicht verbiegt und dadurch seine Verformbarkeit nicht beeinflußt.

Der zur Verformung des Metalls ohne Beschädigung der Form erforderliche Verteilungsgrad des Sprengstoffes ist in der Regel kritisch, und eine eine große Sprengstoffmasse enthaltende Sprengladung ist nicht verwendbar. Die erfindungsgemäßen Sprengladungen, welche eine dünne Sprengstofflage gleichzeitig auf ihrer ganzen Oberfläche zünden, ohne dabei eine merkliche Vermehrung der Sprengstoffmasse zu bedingen, können daher in vorteilhafter Weise zur Erzeugung einer gleichmäßigen, ebenen Detonationsfront für die vorstehend beschriebene Metallverformung Anwendung finden.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Sprengladung zur Erzeugung von ebenen Detonationsfronten mit der Detonationsfläche gegenüberliegender Zündung, dadurch gekennzeichnet, daß die von ebenen Flächen begrenzte Sprengladung aus Hochbrisanzsprengstoff (E) besteht, in den in kubisch dichtester Packung Kugeln (B) aus· inertem Material eingebettet sind, wobei der Durchmesser der Kugeln so gewählt ist, daß die Detonation sich zwischen den Kugeln, nicht aber durch die Kugeln fortpflanzen kann.

2. Sprengladung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprengstoff (E) die Form einer quadratischen Pyramide hat, die durch die Kugeln (B) im wesentlichen ausgefüllt ist.

3. Sprengladung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sprengstoff Pentolit, Cyclotol oder Tetrytol ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 909 757/162 2.