Funktionssicherheit eines optisch-pyrotechnischen

Zünders

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Anordnung mit einem optisch-pyrotechnischen Zünder, in welchem eine pyrotechnische Mischung durch Einwirkung von Laserstrahlung gezündet werden kann, wenigstens einem Laser, der die Laserstrahlung emittiert , und einer Lichtleitfaser, über die die Laserstrahlung zum optisch-pyrotechnischen Zünder geführt wird . Die Erfindung betri f ft auch ein Verfahren zur Erhöhung der Funktionssicherheit eines derartigen optischpyrotechnischen Zünders .

In der Spreng- und Pyrotechnik kommt der funktionellen Sicherheit von Zündern ( Detonatoren) eine besondere Bedeutung zu . Eine spezielle neuere Zünderart ist dabei der optisch-pyrotechnische Zünder, in welchem eine pyrotechnische Mischung, insbesondere ein Sprengstof f , durch optische Einwirkung von Laserlicht angezündet oder gezündet wird . Wegen der rein optischen Anbindung des pyrotechnischen Zünders über eine Lichtleitfaser an einen Laser, typischerweise in Form einer Laserdiode , hat dieser Zündertyp ein großes Potential für kritische , teils auch elektromagnetisch sensible Anwendungsbereiche , da er über keine elektrische Anbindung an die Zündelektronik verfügt , sondern über eine isolierende Lichtleitfaser verbunden ist . Allerdings reicht für viele Anwendungen die allein über die Kontrolle des Lasers gegebene funktionelle Sicherheit nicht aus , so dass ein zweiter, unabhängiger Sicherungsmechanismus erforderlich ist .

Stand der Technik

In zivilen wie militärischen Anwendungen haben optisch-pyrotechnische Zünder bisher keine breite Nutzung gefunden . Es wird vielmehr in der Regel die bisherige Zündertechnik auf Basis elektrischer Zünder verwendet . Dabei kommen häufig mechanische Elemente zum Einsatz , welche die Zündkette geeignet unterbrechen, um eine ungewollte Zündung zu verhindern . Entsprechende mechanische Elemente können auch bei optischpyrotechnischen Zündern eingesetzt werden, um die Zündkette im optischen Bereich geeignet zu unterbrechen . So zeigt B . Chamayou, „Opto-Pyro Trains for Space Systems - Gains Provided by Opto-Pyro Technology in Terms of Safety on Launchers" , Journal of Space Safety Engineering, Vol . 1 , No . 2 , December 2014 , Seiten 61 bis 74 , ein Beispiel für eine Anordnung mit optisch-pyrotechnischem Zünder, bei der ein derartiges mechanisches Element zum Einsatz kommt . Mechanische Elemente zur Unterbrechung oder Freigabe eines optischen Weges sind j edoch langsam, da mechanische Teile bewegt werden müssen .

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung mit einem optisch-pyrotechnischen Zünder anzugeben, mit denen die funktionale Sicherheit des optisch-pyrotechnischen Zünders erhöht werden kann, und die nur einen geringen Zündverzug verursachen . Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Anordnung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 13 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Aus führungsbeispielen entnehmen .

Die vorgeschlagene Anordnung weist einen optischpyrotechnischen Zünder, in welchem eine pyrotechnische Mischung durch Einwirkung von Laserstrahlung gezündet werden kann, sowie wenigstens einen Laser und (wenigstens ) eine Lichtleitfaser auf , durch die die vom Laser emittierte Laserstrahlung zum optisch-pyrotechnischen Zünder geführt wird . Als Laser werden vorzugsweise ein oder mehrere Laserdioden eingesetzt . Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus , dass im Strahlweg der Laserstrahlung zwischen dem Laser und einem zündwirksamen Auftref fort der Laserstrahlung in dem optisch-pyrotechnischen Zünder ein optisches Filter-Element mit leistungs- oder intensitätsabhängiger Transmission oder Reflexion für die Laserstrahlung angeordnet ist . Das optische Filter- Element weist vorzugsweise eine nichtlineare ( leistungs- oder intensitätsabhängige ) Transmissionsoder Reflexions funktion für die Laserstrahlung auf . Dieses Verhalten kann materialspezi fisch vorgegeben sein, extern beeinflussbar sein oder durch die Laserstrahlung selbst zusätzlich beeinflusst werden . Das Filter-Element und die Strahl führung der Laserstrahlung durch oder über das Filter-Element sind so gewählt , dass das Filter-Element bei einer Laserleistung des Lasers , die in der Anordnung eine Zündung im optisch-pyrotechnischen Zünder auslösen soll , eine höhere Transmission oder Reflexion aufweist oder in eine höhere Transmission oder Reflexion durch ein weiteres angelegtes optisches oder elektrisches Signal schaltbar ist als bei niedrigerer Laserleistung . Das vorliegende Verfahren beruht somit auf der Nutzung mindestens eines optischen Filter-Elements , welches eine leistungs- oder intensitätsabhängige Transmission oder Reflexion aufweist und in die optische Strecke zwischen dem Laser und dem zündwirksamen Auftref fort der Laserstrahlung im Zünder eingeführt wird .

Durch die leistungs- oder intensitätsabhängige Transmissions- oder Reflexions funktion dieses Filter- Elements wird ein zweiter, unabhängiger Mechanismus bereitgestellt , der den zur Zündung nötigen Arbeitsbereich des Lasers bzw . die zur Zündung notwendige Leistung der vom Laser emittierten Laserstrahlung zu hohen Laserleistungen hin einschränkt . Bei diesen hohen Laserleistungen, mit denen eine gewollte Zündung der pyrotechnischen Mischung im Zünder erreicht wird, weist das Filter-Element eine hohe Transmission bzw . Reflexion auf , bei kleineren Laserleistungen eine deutlich geringere . Dadurch wird sichergestellt , dass beispielsweise ein ungewollter Betrieb einer als Laser eingesetzten Laserdiode mit moderater Leistung, wie er beispielsweise bei einem defekten Treiberschalter ( Transistor, IGBT , MosFET ) auftreten kann, nicht zur Zündung der pyrotechnischen Mischung durch längere Erwärmung führt , da die Laserstrahlung dieser geringeren Laserleistung durch das Filter-Element stark geschwächt oder vollständig blockiert bzw . absorbiert wird . Ein solches ungewolltes Verhalten könnte beispielsweise durch elektromagnetische Einstrahlung oder Material fehler in der Ansteuerelektronik des Lasers verursacht werden .

In einer besonderen Ausgestaltung wird die Leistungs- oder Intensitätsabhängigkeit der Transmission oder Reflexion des optischen Filterelements durch ein weiteres optisches oder elektronisches Signal , im Folgenden auch als externes Signal bezeichnet , beeinflusst . Besonders vorteilhaft ist dabei , wenn die Leistungs- oder Intensitätsabhängigkeit ohne angelegtes externes Signal die nötige zur Zündung erforderliche Laserleistung erhöht , so dass eine zusätzliche Sicherheit gegeben ist . Eine gewollte Zündung der pyrotechnischen Mischung im Zünder lässt sich dann bspw . in einem nichtlinearen Filtermaterial durch eine zweite Laserquelle erreichen, welche das Filtermaterial dergestalt beleuchtet , dass seine optische Leistung die Schaltschwelle des Filters herabsetzt , vorzugsweise ohne dabei auf die zündwirksame Fläche zu tref fen . Diese zweite Laserquelle kann eine zur ersten die Zündleistung bereitstellenden Laserquelle vergleichbare oder unterschiedliche Wellenlänge aufweisen . Werden als Filter-Materialien Halbleiter oder leicht elektrisch leitende Kristalle eingesetzt können diese Eigenschaften bspw . auch durch einen zusätzlichen elektrischen Strom in diesem Sinne variiert werden .

Als Ausgestaltung des vorgeschlagenen optischen Filter-Elementes bieten sich unterschiedliche Möglichkeiten . So kann das optische Filter-Element beispielsweise durch einen sättigbaren Absorber gebildet sein, der erst oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle gesättigt wird, also eine hohe Durchlässigkeit aufweist . Die Strahl führung durch diesen Absorber wird dann so gewählt , dass diese Intensitätsschwelle erst bei einer Laserleistung des Lasers überschritten wird, bei der in der Anordnung eine gewollte Zündung der pyrotechnischen Mischung im Zünder erfolgt . In einer weiteren Ausgestaltung wird das optische Filter-Element durch eine Kombination aus einem nichtlinearen Medium, welches leistungs- oder intensitätsabhängige Fokussierungs- oder Defokussierungseigenschaften aufweist , und einer im Strahlweg folgenden Blende realisiert , die die Laserstrahlung lediglich bei Fokussierung mittels des nichtlinearen Mediums ungehindert passieren lässt . Eine weitere Ausgestaltung des vorgeschlagenen optischen Filter- Elementes besteht in einem Dünnschicht-Reflektor, bei dem das Dünnschicht-Medium bei thermischer Einwirkung einen Phasenübergang durchführt , durch den sich die Ref lektivität oder Transmission für die Laserstrahlung ändert . Diese thermische Einwirkung kann dabei intrinsisch, also durch die Laserstrahlung selbst , verursacht werden oder extrinsisch, bspw . durch einen zusätzlichen elektrischen Strom . Letzteres bietet den Vorteil einer kompletten Trennung von Lichtsignal und Filter, so dass sich zwei komplett unabhängige Sicherheitskreise realisieren lassen . Auch eine Kombination der intrinsischen und der extrinsischen Einwirkung zur entsprechenden Änderung der Transmission ist vorteilhaft .

Das optische Filter-Element kann prinzipiell an beliebiger Stelle im Strahlweg der Laserstrahlung zwischen dem Laser und dem zündwirksamen Auftref fort der Laserstrahlung im pyrotechnischen Zünder angeordnet werden . So kann das Filter-Element bereits innerhalb des Lasergehäuses , zwischen dem Lasergehäuse und der Lichtleitfaser, zwischen der Lichtleitfaser und dem optisch-pyrotechnischen Zünder oder auch innerhalb des optisch-pyrotechnischen Zünders eingesetzt werden . Auch ein Einschlei fen des optischen Filter-Elementes in die Lichtleitfaser, gegebenenfalls mit einer zusätzlichen optischen Anordnung zur Fokussierung der Laserstrahlung in das Filter-Element , ist möglich . Besonders vorteilhaft wird das Filter-Element innerhalb des Lasergehäuses oder zwischen Laser bzw . Lasergehäuse und Lichtleitfaser eingesetzt , da dadurch die Wärmelast im Störfall vom Zünder bzw . dessen pyrotechnischer Mischung ferngehalten wird . Dies gilt auch für eine Anordnung zwischen zwei Abschnitten der Lichtleitfaser .

Mit der vorgeschlagenen Anordnung und dem zugehörigen Verfahren wird ein zusätzlicher Mechanismus zur Erhöhung der Sicherheit eines optischpyrotechnischen Zünders bereitgestellt , der in einigen Ausgestaltungen rein passive Komponenten nutzt . Dadurch ist diese zusätzliche Sicherheits funktion nicht von einer aktiven Ansteuerung abhängig . Je nach Filter- Medium sind Reaktions zeiten unter 10 ,s möglich, so dass der Zündverzug durch diese zusätzliche Sicherheits funktion nicht wesentlich vergrößert wird . Die Anordnung und das Verfahren lassen sich für alle optisch-pyrotechnischen Zünder im zivilen und militärischen Einsatz einsetzen . Besonders vorteilhaft lässt sich die Erfindung nutzen, wenn mindestens zwei Laser zum Einsatz kommen, welche dazu dienen, gemeinsam die zur Zündung nötige Energie an den opto-pyrotechnischen Zünder zu liefern, indem sich deren Strahlung bspw . auf dem zündwirksamen Auftref fort überlagern oder beide Laser bspw . in die gleiche Transport-Faser zum Zünder eingekoppelt werden .

Hier kann durch eine unabhängige Ansteuerung der mindestens zwei Laser eine hohe funktionale Sicherheit realisiert werden, es tritt aber das Problem auf , dass der Betrieb einer der Laser als Konsequenz eines Fehlers ausreichen kann, um durch längere Einwirkung den Zünder zu zünden, obwohl die anderen Laser nicht aktiviert wurden . Durch Nutzung der Erfindung kann nun diese Lücke geschlossen werden . Dazu wird die Strahlung der mindestens zwei Laser im Filterelement geeignet geführt , bspw . durch Überlagerung beider Strahlen in einem aktiven Volumen des Filter-Elements , so dass die hohe Transmission oder Reflexion nur bei gleichzeitig hoher Leistung beider Laser erreicht wird . Dies kann über die gleiche Faser oder über getrennte Fasern j e Laser geschehen . Bei einer Führung über die gleiche Faser ist die nötige Überlappung im Filter-Element automatisch gegeben . Dabei können bspw . auch Fasern mit mehreren licht führenden Kernen im gleichen Fasermantel verwendet werden, in die die verschiedenen Laser eingekoppelt werden .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Die vorgeschlagene Anordnung und das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 einen Prinzipaufbau der Zündkette einer Anordnung mit optisch-pyrotechnischem Zünder;

Fig. 2 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung (Teilansicht) ;

Fig. 3 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung (Teilansicht) ; und

Fig. 4 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Anordnung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Ein optisch-pyrotechnisches Zündsystem besteht aus einem elektronisch angesteuerten Laser 1, im vorliegenden Beispiel als Laserdiode, einer Lichtleitfaser 2 und dem optisch-pyrotechnischen Zünder 3, wie dies in der Figur 1 schematisch dargestellt ist. Der optisch-pyrotechnische Zünder 3 zündet eine pyrotechnische Mischung, die nach der Zündung eine entsprechende pyrotechnische Wirkung hervorruft. Hierbei kann es sich prinzipiell um eine optische (Licht, Nebel, Rauch) , eine akustische (Schall) , eine thermische oder auch eine mechanische (Druck, Bewegung) Wirkung oder Kombinationen davon handeln. Bei der vorgeschlagenen Anordnung und dem zugehörigen Verfahren wird die Sicherheit bei der Nutzung eines derartigen optisch-pyrotechnischen Zündsystems mit einem zusätzlichen Sicherheitsmechanismus erhöht . Hierzu wird ein optisches Filter- Element in die optische Strecke zwischen dem Laser 1 und dem zündwirksamen Auf tref fpunkt der Laserstrahlung im optisch-pyrotechnischen Zünder 3 eingeführt , welches eine leistungs- oder intensitätsabhängige Transmission oder Reflexion aufweist .

Figur 2 zeigt hierzu in schematisierter Darstellung ein erstes Aus führungsbeispiel , in dem lediglich ein Teil der Zündkette zu erkennen ist . In diesem Beispiel ist das optische Filter-Element 6 innerhalb des optisch-pyrotechnischen Zünders 3 angeordnet . Die aus der Lichtleitfaser 2 austretende Laserstrahlung 4 wird dabei über eine Optik 5 in das Filter-Element 6 fokussiert . Durch die Wahl des Fokaldurchmessers im Filter-Element 6 wird die nichtlineare Transmissions funktion des Filters eingestellt , d . h . beispielsweise die Schwelle , ab welcher Laserleistung der Laserdiode die Transmission signi fikant zunimmt . Die durch das Filter-Element 6 transmittierte Laserstrahlung 4 ' wird durch eine weitere Optik 7 auf die zur optischen Zündung empfindliche Fläche 8 geleitet , insbesondere fokussiert . Der Auf tref fpunkt der Laserstrahlung auf diese Fläche wird in der vorliegenden Patentanmeldung als zündwirksamer Auftref fort bezeichnet . Durch geeignete Wahl von Fokusdurchmesser im Filter-Element 6 und der ursprünglichen Transmission des Mediums des Filter-Elementes 6 bei geringer Leistung oder Intensität , beispielsweise eingestellt durch die Dotierung oder Länge eines sättigbaren Absorbers als Filter-Element 6 , wird die gewünschte Sicherheit erreicht . Fokusdurchmesser und Transmission bei geringer Laserleistung werden so eingestellt , dass zum einen bei einer Laserleistung der Laserdiode , bei der keine Zündung erfolgen soll , die obige Schwelle im Filter-Element nicht erreicht wird und die auf die Fläche 8 tref fende Leistung durch die geringe Transmission des Filter-Elementes 6 zuverlässig, also auch bei längerer Bestrahlung, unter der gewünschten Zündschwelle bleibt oder unter diese Zündschwelle reduziert wird . Zum anderen wird der Fokusdurchmesser so gewählt , dass die obige Schwelle im Filter-Element mit einer Laserleistung überschritten wird, bei der die Zündung erfolgen soll . Bei Verwendung eines reflektierenden anstelle eines transmittierenden Filter-Elementes wird der Laserstrahl an diesem Element reflektiert , wobei die Laserstrahlung 4 ' der Fig . 2 dann der reflektierten Strahlung entspricht .

In einem weiteren Aus führungsbeispiel wird das Filter-Element 6 in einer eigenständigen Komponente 9 in die Lichtleitfaser 2 eingeschlei ft , wie dies in Figur 3 schematisch angedeutet ist . Figur 3 zeigt wiederum lediglich einen Teil der Zündkette . Diese Anordnung innerhalb der Lichtleitfaser 2 entkoppelt eine eventuelle Aufhei zung des Filter-Elementes 6 im Störfall vom optisch-pyrotechnischen Zünder 3 , was die funktionale Sicherheit der Zündkette weiter erhöht . Auch hier erfolgt wiederum eine Fokussierung der Laserstrahlung in das optische Filter-Element 6 sowie eine anschließende Kollimierung oder Fokussierung für die weitere Führung in der Lichtleitfaser 2 .

In einem weiteren Aus führungsbeispiel , wie es schematisch in Figur 4 dargestellt ist , ist die Filterkomponente mit dem optischen Filter-Element 6 im Gehäuse des Lasers 1 zwischen dem in diesem Gehäuse befindlichen laseraktiven Material 10 , bspw . eines Halbleiterlasers , und der Lichtleitfaser 2 angeordnet . Dies minimiert die Anzahl der Faserkopplungen und erhöht so die Robustheit des Systems . Auch hier erfolgt über zwei Optiken 5 , 7 wiederum eine Fokussierung der Laserstrahlung in das Filter-Element 6 und eine anschließende Kollimierung oder auch Fokussierung für die weitere Führung der Laserstrahlung .

Bezugs zeichenliste

1 Laser 2 Lichtleitfaser

3 optisch-pyrotechnischer Zünder

4 Laserstrahlung

4 ' Laserstrahlung nach Durchgang durch Filter-Element

5 Optik 6 Filter-Element

7 Optik

8 für optische Zündung empfindliche Fläche

9 Komponente mit Filter-Element

10 Laseraktives Material