DE102018001354B3 - Luftstoßwellensimulator - Google Patents

Abstract

Vorgestellt wird ein Luftstoßwellensimulator, mit mindestens einem Doppelmembrankammertreibrohr, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranzwischenraum des . Doppelmembrankammertreibrohrs durch einen Druckstoß beaufschlagbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur synchronen Auslösung mehrfacher Treiber zur Verwendung mit einem Luftstoßwellensimulator.
• Jede Explosion entlädt die im Sprengstoff gespeicherte Energie über eine Druckwelle, die sich im umgebenden Medium mit elementarer Kraft in jede Richtung ausbreitet. Ein besonderes Merkmal dieser Druckwelle ist ihr als Wellenfront vorauseilender Verdichtungsstoß. Daher spricht man auch von einer Druckstoßwelle, bzw. bei atmosphärischer Ausbreitung von einer Luftstoßwelle. Da diese Luftstoßwellen sowohl beim Einsatz von Detonationswaffen als auch in der Folge von Explosionsunfällen entstehen, ist die Untersuchung ihrer Wirkungen für die Erforschung von Schutzmaßnahmen für Mensch und Material von besonderem Interesse.
• Im experimentellen Bereich solcher Untersuchungen finden bei großen Detonationsenergien anstelle der Zündung entsprechend großer Explosivstoffmengen aus Wirtschaftlichkeitsgründen meist gasbetriebene Stoßrohre Verwendung, um die bei der Detonation entstehende Luftstoßwelle zu simulieren. Dem Prinzip nach besteht ein gasbetriebenes Stoßrohr aus einem Treibrohr, einem Laufrohr und einem Verschluss, der ein im Treibrohr komprimiertes Gas von dem Gas im Laufrohr, das unter einem niedrigeren Druck, z.B. Umgebungsdruck, steht, trennt. Die Entladung der im Treibergas gespeicherten Energie geschieht durch ein schlagartiges Öffnen des Verschlusses des Treibrohrs. Dabei wird das Gas aus dem Treibrohr durch den eigenen Überdruck in das Laufrohr getrieben. Im Laufrohr, oder bei einem nach hinten offenen Laufrohr, auch hinter dessen Ende, wird so ein Überdruck-Zeit-Profil erzeugt, das die zu simulierende Druckstoßwelle bestmöglich nachahmen soll.
• Ein wesentliches Kriterium ist dabei die Erzeugung eines ausgeprägten Verdichtungsstoßes im Laufrohr. Das heißt, es muss eine sich fortpflanzende Stoßfront erzeugt werden, in der der Gasdruck im Laufrohr schlagartig vom Anfangsdruck auf den maximalen Druck ansteigt. Um dieses Kriterium zu erfüllen, muss der Verschluss des Treibrohres möglichst schnell geöffnet werden. Wenn der sogenannte Treiber aus mehreren, parallel angeordneten Treibrohren besteht, müssen außerdem alle Verschlüsse möglichst zeitgleich geöffnet werden.
• Luftstoßwellensimulatoren, die so groß sind, dass in ihrem Laufrohr auch Objekte in der Größenordnung von, beispielsweise militärischen Kampffahrzeugen oder auch Infrastrukturelemente aufgestellt und getestet werden können, werden auch „Große Luftstoßwellensimulatoren“ genannt. Diese Simulatoren werden immer mit mehreren Treibrohren ausgestattet, da bei diesen Dimensionen die Herstellung eines einzelnen Treibrohres und dessen Verschlusses in der nötigen Größe technisch nicht praktikabel ist.
• Daher stellt sich das genannte Problem der zeitgleichen Öffnung, worauf sich diese Erfindung bezieht, für diese Simulatoren immer.
• Die bekanntesten Vertreter einer solchen Bauart sind der „Große Luftstoßwellensimulator“ (Large Blast Simulator - LBS) der Wehrtechnischen Dienststelle für Schutz- und Sondertechnik, Oberjettenberg, Deutschland, der ehemalige „Simulateur à Souffle de Grand Gabarit“ (SSGG) des Centre d'Etudes de Gramat, Frankreich und der „Large Blast / Thermal Simulator“ (LB/TS) auf der White Sands Missile Range in New Mexico, USA.
• Die Offenlegungsschrift DE 1 811 375 A1 offenbart ein Verfahren zum punktförmigen Zünden von Sprengkörpern, dadurch gekennzeichnet, dass die von einem beliebigen Zündsprengsatz ausgehende Stoßwelle durch einen Körper aus Material mit kleiner Stoßwellengeschwindigkeit oder großer Stoßwellendämpfung oder beidem derart gelenkt wird, dass sie nur auf einer quasi punktförmigen Fläche den anliegenden Sprengstoff zur Detonation bringt.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 25 08 391 A1 ist eine Abschussvorrichtung mit mehreren Rohren zum fast gleichzeitigen Abschießen von zwei oder mehreren Geschossen mittels durch eine Treibladung erzeugtem Treibgas bekannt, wobei die Treibladung in einer für mehrere Rohre gemeinsamen Druckpatrone vorgesehen ist und über eine Druckkammer mit den Rohren in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Rohren und der Druckkammer aus einzelnen, jeweils zu den Rohren führenden Durchlässen besteht, die in Bezug auf die Ladung der Druckpatrone so gebildet und bemessen sind, dass ein von dieser Ladung erzeugter Treibgasstrom die kritische Geschwindigkeit während wenigstens eines Teils des Abschussverlaufes erreicht.
• Weiter ist aus der Offenlegungsschrift DE 24 04 449 A ein Verfahren bekannt, das als Teil der Erfindung einen Stoßwellengenerator für einen Stoßwellensimulator beschreibt. Dabei wird die Stoßwelle durch die Zündung eines vorgespannten, brennbaren Gasgemischs oder Brennstoff-Luftgemischs erzeugt, wodurch die Membran des Stoßwellengenerators, was der Membran des Stoßrohrtreibers entspricht, zum Bersten gebracht wird.
• Die US-amerikanische Patentschrift 3,092,286 A offenbart ein Ventil und insbesondere ein Schnellöffnungsventil mit zerbrechlichen Membranen. Die Erfindung sieht ein Ventil vor, welches zwei zerbrechliche Membranen, eine explosive Ladung und ein Minimum an beweglichen Teilen vorsieht, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
• Eine Stoßrohranordnung zur Simulation von Hochenergiedetonationen ist ebenfalls aus der US-amerikanischen Patentschrift 5,197,323 A bekannt.
• Die chinesische Offenlegungsschrift CN 105351586 A offenbart eine schnell reagierende Durchflussvorrichtung, die in einem Druckrohr konfiguriert ist, das zwischen zwei Abschnitten der Rohrleitung verbunden ist, eine Hochdruck-Enddruckmembran, die zwischen der Hochdruckgaskammer und dem druckfesten Rohr angeordnet ist und bei einem bestimmten Druck zerstört wird, eine Niederdruck-Enddruckmembran, die zwischen dem Druckrohr und der Auslassdüse bei einem bestimmten Druck angeordnet ist, einen Plasmagenerator, der an der Außenwand des Druckrohres angeordnet ist und mit dem Innenrohr des Druckrohres in Verbindung steht, ein Druckminderventil, das an der Außenwand des druckfesten Rohres angeordnet ist und mit dem Innenhohlraum des druckfesten Rohres in Verbindung steht, ein Rückschlagventil, das an der Außenwand des Druckrohres angeordnet ist und mit der Innenkammer des Druckrohres in Verbindung steht.
• Zuletzt ist aus der Patentschrift DE 43 24 009 C1 ein Verfahren zur Ermittlung der synergistischen Schadenswirkung aus Luftstoß- und Hitzeblitzwelle, bekannt, bei dem man eine flächige Probe in eine Einspannvorrichtung einspannt, eine mit einer Membran versehene Vakuumkammer mit einem Unterdruck versieht, die Membran zerstört, so dass der Unterdruck über eine zuvor gasdichte und den Umgebungsdruck aufweisende Zwischenkammer auf die der Zwischenkammer zugewandten Fläche der Probe einwirkt, wodurch die Wirkung einer Luftstoßwelle auf der der Zwischenkammer abgewandten Fläche der Probe erzeugt wird, unabhängig vom Zeitpunkt des Zerstörens der Membran die der Zwischenkammer abgewandte, frei zugängliche Oberfläche der Probe einer Hitzeblitzwelle aussetzt.
• Bei allen bekannten gasbetriebenen Stoßrohren werden als Verschlüsse Membranen verwendet, die zwischen Treibrohr und Laufrohr eingespannt werden. Das Öffnen eines Treibrohrs geschieht durch ein gezieltes Bersten der Membran. Die Membran wird vorteilhaft so dimensioniert und/oder präpariert, dass sie dem Druck des eingefüllten Gases mit gerade noch akzeptabler Sicherheit standhält. Mit einer zusätzlichen, gesteuerten Krafteinwirkung wird die Membran dann zum Bersten gebracht.
• Eine vorbekannte Lösung, um mehrere Membranen gleichzeitig zum Bersten zu bringen, ist das Ansprengen der Membranen mit Explosivstoff, das über einen elektrischen Impuls nahezu zeitgleich eingeleitet wird. Diese Methode entspricht, in unterschiedlichen Variationen, dem Verfahren bei den o.g. Simulatoren LBS, SSGG und LB/TS. Die Synchronizität wird dadurch erreicht, dass die Verzögerung durch die Laufzeit des elektrischen Hochspannungsimpulses, die Umsetzungszeit in der Anzündkapsel und die Detonationsgeschwindigkeit des Explosivstoffs in der Summe minimal ist und daher nur einer sehr geringen Streuung unterliegt.
• Eine anderweitige, vorbekannte Lösung betrifft das synchronisierte Bersten der beiden Membranen eines sogenannten Chemiestoßrohrs und wurde in Glick, H. S., Squire, W., and Hertzberg, A. „A New Shock Tube Technique for the Study of High Temperature Gas Phase Reactions", Fifth Symposium (International) on Combustion, New York: Reinhold Publishing Corp., 1955, p. 393 veröffentlicht. Dabei wird ein Hilfsstoßrohr mit gegabeltem Lauf verwendet. In jedem Lauf wird ein Kolben mit darauf sitzendem Dorn beschleunigt, der in jeweils eine der beiden Membranen des Chemiestoßrohrs gerammt wird. Diese Lösung besteht aus einer Kombination der Erzeugung eines Druckstoßes und dem Durchstechen von Membranen.
• Eine dritte vorbekannte Lösung wird in Oertel, H., „Stoßrohre", Springer-Verlag Wien - New York, 1966, S. 668-669 beschrieben. Dort wird ein „elektromechanisch betätigter Membranstecher“, ohne weitere Beschreibung, skizziert. Laut der Quelle ist dies eine Möglichkeit, den Beginn des Berstens mit einer Zeitunsicherheit unter 0,1 ms einzuleiten.
• Eine ähnliche Vorrichtung wird in Gould, D.G., „The head-on collision of two shock waves and a shock and rarefaction wave in one dimensional flow", Toronto University Institute of Aerodynamics, UTIA Report 17, University of Toronto, 1952 zum synchronen Aufstechen von zwei Cellophan-Membranen für die Anwendung bei Gasphasenuntersuchungen und der Wechselwirkung von Stoßwellen innerhalb eines Stoßrohrs beschrieben.
• Als Alternative zum Bersten von Membranen wird in Denardo, B.P., Charters, A.C. „Rapid-Opening Mechanical Gate Valve", Review of Scientific Instruments 30, 3, 1959, p. 359-360, über ein schnellöffnendes elektromagnetisches Ventil berichtet, das einen Querschnitt von 1,25 Zoll Durchmesser innerhalb von 0,6 ms ab dem Zeitpunkt der Signaleinspeisung am Ventil freigeben könne.
• Aus Stacey, M.R., „Performance Tests of a Fast-Acting Valve for the Driver Tubes of a Large Blast/Thermal Simulator", EG&G Idaho Inc., Idaho, USA, May 1992 (BRL Contractor Report BRL-CR-687) ist bekannt, dass ein Modell eines schnell wirkenden Ventils im Maßstab 1:2 entwickelt und getestet wurde.
• Nachteil dieser bekannten Lösung ist, dass die geforderten Öffnungszeiten nicht erreicht werden.
• Die Übrigen, durch Sprengstoff ausgelösten Luftstoßwellensimulatoren, weisen Nachteile bezüglich des Aufwands, der Simulationsqualität und der Arbeitssicherheit auf:
• Das Präparieren der Membranen mit Sprengstoff ist zeitaufwändig. Es wird speziell ausgebildetes Personal benötigt. Die Zwischenlagerung der mit Sprengstoff präparierten Membranen erfordert spezielle, gesicherte Lagerräume.
• Die Qualität der Simulation wird durch das Einbringen der Sprengstoffumsetzungsprodukte sowie der unter Umständen mit dem Sprengstoff mitgerissenen Membranpartikel in die Luftstoßwelle vermindert.
• Membranpartikel können am Prüfling ungewollte Sekundärschäden verursachen, die das Versuchsergebnis verfälschen können. Rauchschwaden können die Wirkungserfassung mittels Videotechnik beeinträchtigen. Die Handhabung der mit Sprengstoff präparierten Membranen birgt eine zusätzliche Gefahr für die mit diesen Arbeiten betrauten Personen.
• Nach einem durchgeführten Test verzögert sich die Begutachtung des Prüflings um bis zu mehrere Stunden, bis die entstandenen, gesundheitsschädlichen Gase aus dem Testgebiet herausgelüftet wurden.
• Die Methoden mit einem pneumatisch oder elektromechanisch betätigten Membranstecher enthalten mit den Kolben und Dornen stör- und verschleißanfällige Bauteile. Außerdem beeinträchtigt der Dorn durch das Eindringen in den Strömungsquerschnitt die Ausbildung des mit dem Simulator zu erzielenden Luftstoßes..
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Luftstoßwellensimulator mit beliebig vielen Treibrohren vorzustellen, der ohne die Verwendung von Explosivstoff auskommt. Außerdem sollen, außer den ohnehin nur einmal zu verwendenden Membranen, keine kritischen, beweglichen Teile zum Auslösen des Berstens erforderlich sein.
• Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs offenbart. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Das vorteilhafte erfindungsgemäße Lösungsprinzip der synchronen Auslösung mehrerer solcher Doppelmembrankammertreibrohre (DMKT) besteht darin, dass die einzelnen DMKT jeweils mit einer Doppelmembrankammer ausgestattet werden, in der die Druckerhöhung im Zwischenraum nicht durch ein ventilgesteuertes Einströmen des Gases zur Druckerhöhung sondern durch einen Gasdruckstoß aus einem Stoßrohr ausgelöst wird. Zunächst trennt die Membran, oder im Falle eines Doppelmembranstoßrohrs, die beiden Membranen des Stoßrohrs den zu befüllenden Zwischenraum von dem unter dem höheren Druck stehenden Gasvorrat im Treiber des Stoßrohrs. Durch das Bersten der Druck haltenden Membran wird, im Gegensatz zum Öffnen eines Ventils, schlagartig der volle Leitungsquerschnitt freigegeben. Die dadurch ausgelöste Stoßfront eilt mit Überschallgeschwindigkeit durch die Verbindungsleitung zum zu befüllenden Zwischenraum des DMKT. Dabei bewegt sich zunächst ein Überdruckgebiet mit schlagartig steigendem Druck durch das unter dem Zwischendruck des DMKT in der Leitung stehende Gas, wobei der Überdruck am Ende der Leitung, in der Zwischenkammer, durch Reflexion noch einmal erhöht wird. Dieser erhöhte Überdruck wird aufrechterhalten bis die reflektierte Front der aus dem Gasvorrat des Stoßrohrs herauslaufenden Verdünnungswelle am zu befüllenden Zwischenraum des DMKT ankommt.
• Der Luftstoßwellensimulator besteht aus einer Reihe von DMKT, die zur Erzeugung einer ebenen Stoßwellenfront synchron ausgelöst werden müssen. Die Verwendung eines Stoßrohres für mehrere DMKT ermöglicht unter der Voraussetzung gleich langer Verbindungsrohre eine synchrone Auslösung. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist in Unteranspruch 2 beschrieben.
• Ausgehend von dieser Kenntnis ist es für die Auslösung besonders vieler DMKT zweckmäßig, mehrere Stoßrohre zu verwenden, um aus den Stoßrohren, Stoßwellen mit genügender Stärke auf die auszulösenden DMKT verteilen zu können. Um diese mehrere Stoßrohre gleichzeitig zu aktivieren, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, jeweils ein weiteres Stoßrohr zu verwenden, das diese Stoßrohre synchron druckbeaufschlagt und dadurch auslöst. Durch diese Aufteilung ist es möglich, die auslösenden Stoßrohre kleiner zu bauen. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 3 beschrieben.
• Je nach Größe des Luftstoßwellensimulators kann es wiederum notwendig sein die kleineren Stoßrohre wiederum zusammenzuschalten. Dabei können die kleineren Stoßrohre der kaskadenförmigen Anordnung jeweils kleiner sein als die nächst Größeren. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 4 beschrieben.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 5 offenbart. Für die gleichmäßige Druckverteilung von einem kleineren Stoßrohr in ein größeres Stoßrohr ist von Bedeutung, dass die Rohrquerschnitte der Zuleitungen an der Verzweigungsstelle in ihrer Summe nicht mehr als den Abgangsquerschnitt des kleineren Stoßrohres ergeben.
• Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist in Unteranspruch 6 beschrieben. Der Druckstoß in den Membranzwischenraum des DMKT wird aus dem eigenen Gasvorrat gespeist. Das Auslösen dieses Druckstoßes geschieht durch das Bersten einer dritten Membran in einem Kanal, der die Doppelmembrankammer mit dem Gasvorratsraum des jeweiligen DMKT verbindet. Die Membran wird mit einem Membranstecher, der z.B. elektromagnetisch oder ebenfalls pneumatisch betrieben wird, zerstört. In der Folge wirkt eine Stoßwelle, wie bei den vorgenannten Varianten beschrieben, in der Zwischenkammer und löst das DMKT aus. Bei dieser Anordnung wird die Synchronisierung dadurch erleichtert, dass die dritten Membranen schwächer sein können, als die für die Auslegung der DMKT erforderlichen Membranen. Um die dritten Membranen bersten zu lassen, sind geringere Massen und Laufwege der beweglichen Teile des Membranstechers erforderlich, wodurch die Laufzeit dieser beweglichen Teile kürzer ist. Mit der kürzeren Zeit verringern sich die Laufzeitunterschiede, wodurch die Abweichungen in der Synchronizität auf ein ausreichendes Maß reduziert werden können.
• Grundsätzlich ist es wünschenswert, zur Untersuchung der Luftstoßwellenwirkungen eine ideale Luftstoßwelle, d.h. ein einziger schlagartiger Druckanstieg, gefolgt von einem exponentiell abfallenden Druck-Zeit-Verlauf, zu erzeugen. Für manche Untersuchungen ist es jedoch vorteilhaft, einen zweiten Druckanstieg hinter der ersten Stoßfront folgen zu lassen. Beispielsweise zur Erzeugung einer sogenannten nichtidealen Luftstoßwelle, indem durch Überlagerung verschiedener Fronten dieser Welle einzelne Stoßwellenparameter, insbesondere der, der Stoßfront nacheilende dynamische Druck, verstärkt wird. Damit können die Stoßwelleneigenschaften bei einer Explosion mit besonders starker Lufterhitzung besser simuliert werden. Beim Auslösen einer Teilanzahl der DMKT des Luftstoßwellensimulators eilt zunächst eine Stoßfront zum Ende des Luftstoßwellensimulators. Am Ende des für diesen Zweck dort offenen Simulators wird diese Stoßfront als Verdünnungswelle in den Lauf des Simulators zurückgeworfen und bewegt sich entgegen der Richtung der sie ursprünglich erzeugenden Stoßwelle zu den DMKT hin. Wird nun eine weitere Teilanzahl der DMKT zeitlich verzögert ausgelöst, läuft die dadurch erzeugte zweite Stoßfront dieser Verdünnungswelle entgegen und schneidet sie an einem bestimmbaren Ort. Beide dieser Fronten, sowohl die Stoßfront als auch die in entgegengesetzter Richtung laufende Verdünnungswellenfront, beschleunigen das Gas im Simulator in die gleiche Richtung, und zwar nach außen. Infolgedessen addieren sich die Strömungsgeschwindigkeiten an dem bestimmten Ort und erzeugen auf diese Weise eine Stoßwelle mit einem, in Relation zur Stoßamplitude, deutlich größeren dynamischen Druck.
• Zur Untersuchung dieser Effekte sind die DMKT des erfindungsgemäßen Luftstoßwellensimulators in der Druckstoßbeaufschlagung der Doppelmembrankammertreibrohre zeitlich variierbar. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist in Unteranspruch 7 beschrieben. Zum besseren Verständnis wird folgender Funktionsablauf beschrieben:
• Der Luftstoßwellensimulator wird prinzipiell mit DMKTen wie folgt betrieben: Zu Beginn herrscht in allen Räumen der gleiche Druck wie außerhalb der DMKT. Die weiter betrachteten Drücke sind Überdrücke über dem, die DMKT umgebenden Druck. Zunächst wird in den Gasvorratsraum Treibergas mit dem Betriebsdruck p gepresst. Gleichzeitig wird in die Zwischenkammer Treibergas mit einem Teil des Betriebsdrucks, im Weiteren als Zwischendruck bezeichnet, gepresst. Vorteilhafterweise wird dieser Zwischendruck auf den halben Betriebsdruck, p/2, eingestellt. Im gefüllten Zustand trägt dann jede der Membranen einen Nettodruck, der sich aus der Differenz der Drücke in den anliegenden Räumen ergibt. Die Membranen sind so ausgelegt, dass sie den anliegenden Differenzdruck beim Befüllen des Treibers gerade noch mit genügender Sicherheit gegen Bersten halten, aber unter Belastung mit dem vollen Betriebsdruck p mit genügender Sicherheit bersten. Daher wird beim Befüllen der Druck in der Zwischenkammer in einem solchen Verlauf erhöht, dass an jeder der beiden Membranen zu keiner Zeit ein größerer Differenzdruck als derjenige, der sicher gehalten werden kann, ansteht. Dies kann z.B. dadurch geschehen, dass zunächst die Gasvorratsräume auf den Zwischendruck p/2 eingestellt werden, danach die Zwischenkammern bis zu diesem Druck gefüllt werden und zuletzt der Druck in den Gasvorratsräumen auf den vollen Betriebsdruck p erhöht wird. Nach dem bekannten Prinzip der Wirkungsweise eines Doppelmembrankammerstoßrohrs wird in diesem Fall durch eine Druckerhöhung im Zwischenraum die zweite Membran zuerst zum Bersten gebracht. In Folge des dadurch im Zwischenraum nahezu auf den umgebenden Druck abfallenden Drucks steigt die Last auf der zunächst noch intakten abschließenden Membran schlagartig an und bringt diese ebenfalls zum Bersten. Die zum Auslösen des Berstens der zweiten Membran nötige Druckänderung im Zwischenraum wird durch Zuleitung von Gas durch den Kanal aus dem unter einem höheren Druck stehenden Gasvorratsraum im Stoßrohr erreicht. Gemäß der Erfindung kommt eine, für den Verwendungszweck als Luftstoßwellensimulator mit mehreren Treibern, ausreichend schnelle Druckänderung in allen Zwischenkammern der Treiber dadurch zustande, dass sich diese Druckänderung durch Hinleiten einer ausreichend bemessenen Hilfsluftstoßwelle entsprechend schnell einstellt. Dieser auslösende Luftstoß kann über ein größeres, oder mehrere kleinere Stoßrohre mit angeschlossenem Kanal in die jeweiligen Zwischenkammern geleitet werden. Bei der Verwendung von mehreren Stoßrohren, z.B. für Gruppen von Zwischenräumen, können die kleineren Stoßrohre, die dann wie die Stoßrohre eines DMKTs aufgebaut sind, auf die gleiche Weise synchron ausgelöst werden. Die Erfindung nutzt dann das Kaskadierungsprinzip, um mit schwachen, leicht synchron auszulösenden Stoßwellen die Membranen von großen Stoßrohren synchron bersten zu lassen.
• Es zeigen die 1 bis 5 einen erfindungsgemäßen Versuchsaufbau eines Luftstoßwellensimulators, eine Anordnung zweier DMKT, die von einem Stoßrohr aktivierbar sind, eine kaskadenförmige Anordnung von Stoßrohren und kleineren Stoßrohren, eine DMKT mit mechanischer Auslöseeinrichtung und ein Diagramm zur Erläuterung des zeitlichen Druckverlaufs bei der Aktivierung eines DMKT.
• Es beschreibt 1 den Aufbau eines gasbetriebenen Luftstoßwellensimulators mit mehrfachen Treibrohren als seitliche Schnittansicht. Die rohrförmige, äußere Begrenzung 1 des Simulators besteht aus einer ausreichend massiven Struktur, die die Druckwelle seitlich einfasst und die Laufstrecke der Druckwelle bestimmt. In die mit Membranen 3 verschlossenen Treibrohre 2 wird ein Gas gepresst, welches sich durch das schlagartige Zerstören der Membranen als Druckstoßwelle in den Lauf 4 des Simulators ausbreitet. Das mit der Druckwelle zu belastende Objekt kann sich entweder im Laufrohrbereich, z.B. ein Fahrzeug 5, oder im Nahbereich dessen Verlängerung, wie z.B. ein Turm 6, befinden. Diese Ausgestaltung eines Luftstoßwellensimulators mit mehreren einzelnen Treibrohren ist die praktische Lösung zur Anpassung eines sogenannten einfachen Stoßrohrs, dessen Treibrohr mit einer einzigen Membran den kompletten Querschnitt eines entsprechend kleineren Simulators ausfüllt, an die Erfordernis eines Querschnitts im Laufrohrbereich, in der Größenordnung von etwa 50 m² bis 150 m², wie er zum Belasten größerer Strukturen, wie z.B. Kraftfahrzeuge oder Infrastrukturelemente, notwendig ist.
• 2 zeigt zwei Doppelmembrankammertreibrohre 10, die mit dem Stoßrohr 11 über einen sich verzweigenden Kanal 12 verbunden sind. Dabei ist das Stoßrohr 11 in Verbindung mit dem Kanal 12 zum gemeinsamen Einleiten der Druckerhöhung in den Zwischenkammern 13 der Doppelmembrankammertreibrohre 10 ausgeführt. Das Doppelmembrankammertreibrohr 10 besteht aus dem über die Zuleitung 14 mit dem Treibergas zu befüllenden Gasvorratsraum 15, einer diesen Raum abschließende Membran 16, einer unmittelbar anschließenden Zwischenkammer 13, die mit einer zweiten Membran 17 mit Hilfe des Flansches 18 verschlossen wird. Die Zwischenkammer 13 des Doppelmembrankammertreibrohrs enthält eine Öffnung 19, an die der Kanal 12 angeschlossen wird. An einer Stelle des Kanals 12, vorteilhafterweise vor der Verzweigung zu den einzelnen Doppelmembrankammertreibrohren, ist eine Füllleitung 20 angebracht. Das Stoßrohr 11 mit der Zuleitung 14 ist vorteilhafterweise ebenfalls als Doppelmembrankammertreibrohr mit dem Gasvorratsraum 15, den Membranen 16 und 17 sowie der Zwischenkammer 13 und dem abschließenden Flansch 18 aufgebaut. Die Zwischenkammer 13 des Stoßrohrs enthält jedoch an Stelle des Kanals 12 einen Leitungsanschluss, der mit einem Füll- und Entleerungshahn 21 abgesperrt werden kann.
• 3 beschreibt eine Anzahl Doppelmembrankammertreibrohre 10 in vereinfachter Darstellung. Die Doppelmembrankammertreibrohre 10 sind über Kanäle 12 mit Stoßrohren 11 verbunden. Die Länge der Kanäle 12 ist jeweils identisch. Weiter sind die Stoßrohre 11 wiederum mit kleineren Stoßrohren 22 verbunden, wobei die Länge der kleineren Kanäle 23 ebenfalls identisch ist, der Durchmesser jedoch reduziert.
• 4 beschreibt ein erfindungsgemäßes Doppelmembrankammertreibrohr 10 mit mechanischer Auslösungseinrichtung. Das Doppelmembrankammertreibrohr 10 besteht aus dem über die Füllleitung 14 mit dem Treibergas zu befüllenden Gasvorratsraum 15, einer diesen Raum abschließende Membran 16, einer unmittelbar anschließenden Zwischenkammer 13, die mit einer zweiten Membran 17 mit Hilfe des Flansches 18 verschlossen wird. Die Zwischenkammer 13 enthält eine Öffnung 19, an die der Kanal 12 angeschlossen wird. An einer Stelle des Kanals 12 ist eine dritte Membran 24 verbaut, die durch einen Membranstecher 25 zerstörbar ist. Die dritte Membran 24 ist aufgrund des Einbaus in den Kanal 12 im Durchmesser kleiner und daher schwächer ausgelegt als die beiden Membranen 16 und 17, um dem Differenzdruck p/2 standzuhalten.
• Zuletzt beschreibt 5 ein x-t-Diagramm der Wellenfronten. Im unteren Teil, im Querschnitt vereinfacht dargestellt, ist die. Anordnung zum Erzeugen eines Druckstoßes, bestehend aus dem Stoßrohr 11 mit dem Gasvorratsraum 15 und den Membranen 16 und 17, dem sich in mehrere Arme verzweigenden Kanal 12 und den Zwischenkammern 13. Die Durchmesser der einzelnen Arme des Kanals 12 sind so bemessen, dass ihre Querschnitte nach der Verzweigung in der Summe den Querschnitt des Kanals vor der Verzweigung nicht übersteigen, so dass die aufgeteilten Stoßwellen nicht verdünnt werden. In 5 oben ist das zugehörige x-t-Diagramm der wesentlichen Wellenfronten, die zu dem beabsichtigten Druckstoß in den Zwischenkammern führen sollen, aufgetragen.
• Mit dem Ablassen des Drucks in der Zwischenkammer 13 des Stoßrohrs berstet zuerst die Membran 16 und unmittelbar darauf die Membran 17, wodurch der Druckausgleichungsvorgang zwischen dem Gasvorratsraum 15 und dem Kanal 12 und der damit verbundenen Zwischenkammer 13 beginnt. Im Gasvorratsraum 15 läuft von der Stelle x=0, t=0 eine zentrierte Expansionswelle in Richtung des Endes des Gasvorratsraums und expandiert das darin befindliche Treibergas zwischen dessen Front F und dessen Ende E über Zustände 4 in einen Zustand 3. Im Kanal 12 laufen im Laufgas mehrere gleichartige Verdichtungsstöße S in Richtung der Kanalenden. Am Ende jeden Kanals, in den Zwischenkammern 13 der Doppelmembrankammertreibrohre 10, wird der Verdichtungsstoß reflektiert. Hinter dem reflektierten Stoß SR ruht das Laufgas mit dem Zustand 2R. Die Expansionswelle wird am Ende des Gasvorratsraums reflektiert. Die Front FR der reflektierten Expansionswelle kreuzt das Ende E der Expansionswelle und nähert sich der Mediengrenze G. Bei angepasster Länge xT des Gasvorratsraums 15 und Länge xL des Kanals 12 wird vor dem Eintreffen dieser Front an der Mediengrenze der reflektierte Stoß SR im allgemeinen, d.h. bei nicht angepasster Mediengrenze, an der Mediengrenze G gebrochen. Dies erfolgt am Schnittpunkt (xSG, tSG). Dabei entsteht eine neue Wellenfront W, die in Richtung Kanalende läuft. Somit ergibt sich in jeder Zwischenkammer 13 über das Zeitintervall tWL - tSL ein definierter, konstanter Zustand 2R des Gases. Handelt es sich bei W um eine Expansionswelle, berechnet sich dessen Dauer zu: $$\mathrm{\Delta 2}\text{Rt}=\text{tsG}-\text{tSL}+\left(\text{xL}-\text{xSG}\right)/\text{a2R},$$

  

  (mit a2R = Schallgeschwindigkeit im Zustand 2R).
• Handelt es sich bei W um einen Verdichtungsstoß, ist dessen Dauer entsprechend der höheren Frontgeschwindigkeit (xL - xSG) / (tWL - tSG) zwar kürzer, der Zustand 2R wird dann aber durch einen Zustand mit einem sogar höheren Druck gefolgt. Die Annahme einer Expansionswelle W stellt somit den für den Zweck ungünstigeren Fall dar.
• Wenn der Zwischendruck in den Zwischenkammern 13 halb so groß eingestellt ist, wie der Druck p im Gasvorratsraum 15, berechnet sich der Druck im Zustand 2R, bei der Verwendung von Luft als Gas, rechnerisch immer zu 96,7% des Drucks p, unabhängig von der Druckhöhe p. Dies genügt, um die jeweils zweite Membran 17 der DMKTe 10 zum Bersten zu bringen.
• Aus diesen Überlegungen ergibt sich auch, dass bei einer Kaskadenbildung die mögliche Verkleinerung der abgestuften Stoßrohre 11 über die anteilige Verringerung deren Durchmesser, jedoch nicht deren Längen erfolgt.
• Bezugszeichenliste

1

äußere Begrenzung

2

Treibrohre

3

Membranen

4

Lauf

5

Fahrzeug

6

Turm

10

Doppelmembrankammertreibrohr

11

Stoßrohr

12

Kanal

13

Zwischenkammer

14

Füllleitung Gasvorratsraum

15

Gasvorratsraum

16

abschließende Membran

17

zweite Membran

18

Flansch

19

Öffnung

20

Füllleitung Zwischenkammer

21

Füll und Entleerungshahn

22

kleinere Stoßrohre

23

kleinere Kanäle

24

dritte Membran

25

Membranstecher

Claims (7)

1. Luftstoßwellensimulator mit mindestens einem Doppelmembrankammertreibrohr, dadurch gekennzeichnet, - dass der Membranzwischenraum des Doppelmembrankammertreibrohrs durch einen Druckstoß beaufschlagbar ist und - der Druckstoß durch das Bersten der Membran eines separaten Stoßrohrs erzeugt wird.
2. Luftstoßwellensimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstoß mindestens zwei Doppelmembrankammertreibrohre synchron öffnet.
3. Luftstoßwellensimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstoß in mindestens zwei separaten Stoßrohren durch ein drittes, kleineres Stoßrohr auslösbar ist.
4. Luftstoßwellensimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte und weitere Stoßrohre in jeder Stufe kleiner gebaut sind.
5. Luftstoßwellensimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrquerschnitte der Zuleitungen zu den größeren Stoßrohren in ihrer Summe nicht mehr als den Abgangsquerschnitt des kleineren Stoßrohres betragen.
6. Luftstoßwellensimulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckstoß zur Druckerhöhung im Zwischenraum des Doppelmembrankammertreibrohrs durch die mechanische Zerstörung einer dritten Membran erzeugbar ist, die in einem Kanal, der die Doppelmembrankammer mit dem Gasvorratsraum des jeweiligen Treibrohrs verbindet, montiert ist.
7. Luftstoßwellensimulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstoßbeaufschlagung der Doppelmembrankammertreibrohre zeitlich variierbar ist.

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