Verfahren und Vorrichtung zur visuellen simulation Explodierender Körper

Abstract

 Die Detonation z.B. einer Granate oder eines anderen Explosivkörpers wird durch Verdampfen einer Flüssigkeit und nachfolgendes Ausstossen durch eine Düse (17) simuliert, wobei sich eine Nebelwolke am Detonationsort bildet. Die Vorrichtung umfasst einen Verdampfer (10), der beispielsweise elektrisch geheizt wird. Die Heizung (14) ist ausgelegt, die Wärme zu produzieren, um eine kontinuierliche Verdampfung einer Flüssigkeit im Verdampfer zu bewirken. Als Flüssigkeit wird eine Mischung von Ethylenglykol in Wasser bevorzugt. Es ist damit möglich, Handhabung und Einsatz zu vereinfachen und das Gefahrenpotential zu reduzieren.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur visuellen Simulation explodierender Körper gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Oberbegriff des ersten Vorrichtungsanspruchs.

[0002] Bei der Simulation von Gefechten in Manövern werden unter anderem auch Bogenschusswaffen (Artillerie, Minenwerfer) simuliert eingesetzt. Zur Simulation werden vorgängig im Zielgebiet rasterförmig Signaturkörper ausgelegt. Signaturkörper sind Träger von Rauchgeneratoren. Die Rauchgeneratoren können gezielt in der Regel per Funk ausgelöst werden. Soll das Wirken von Bogenschusswaffen dargestellt werden, so berechnet ein Rechner den Einschlagort der Geschosse und löst per Funk die entsprechenden Rauchgeneratoren in den Signaturkörpern im Feld aus. Die beübte Truppe erkennt daraus die Gefährdung und kann entsprechend reagieren.

[0003] Zum Erzeugen einer solchen Signatur oder Markierung sind verschiedene Verfahren bekannt. Beispielsweise ist ein Verfahren das Abbrennen pyrotechnischer Masse. Dabei wird eine Masse eingesetzt, die abbrennt und dabei einen möglichst dichten Rauch entwickelt. Die Zündung erfolgt in der Regel über elektrische Zündpillen.

[0004] Ein anderes bekanntes Verfahren ist das Ausstossen von feinem inertem Pulver. In einem Becher wird über einem pyrotechnischen Treibsatz sehr feines inertes Pulver eingefüllt. Wird der Treibsatz gezündet, wird das Pulver explosionsartig ausgestossen und es entsteht eine sichtbare Pulverwolke. Ein weiteres bekanntes Verfahren ist das Zünden eines explosiven Gasgemisches, dem z.B. vernebeltes Oel beigemischt ist. Dazu wird in einem kontrollierten Volumen ein zündfähiges Gasgemisch, z.B. Butan/Luft hergestellt. Zur Raucherzeugung wird dem Gemisch z.B. vernebeltes Oel beigemischt. Mit einem elektrischen Funken kann das Gemisch gezündet werden. Bei der explosionsartigen Verbrennung verbrennt das Oel mit und erzeugt einen sichtbaren Rauch.

[0005] Alle bekannten Verfahren haben unerwünschte Eigenschaften. Pyrotechnische Verfahren sowie das Verbrennen von Oel erzeugen mehr oder weniger toxische Produkte. Pyrotechnische Verfahren können in der Darstelldauer nicht beeinflusst werden. Explosionen erzeugen starken Lärm. Abbrände und Explosionen erzeugen grosse Hitze. Deswegen muss von solchen Signaturkörpern ein Sicherheitsabstand eingehalten werden. Dies ist für die übende Truppe eine kaum durchführbare Auflage, insbesondere wenn nachts geübt wird. Toxicität ist insbesondere in Hinsicht auf die übenden Personen und auch bezüglich des Umweltschutzes nicht akzeptabel. Im weiteren ist die pyrotechnische Darstellung sehr teuer. Das Hantieren mit Explosivstoffen oder Gasen darf nur von speziell ausgebildetem Personal vorgenommen werden. Hinzu kommt, dass auch der Transport und das Lagern solcher Stoffe nur unter erschwerenden Auflagen gemacht werden darf.

[0006] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, das eine Signatur unter Verringerung der Gefährdung von Übungsteilnehmern erzeugt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Signatur unter Vermeidung pyrotechnischer Mittel zu erzeugen.

[0007] Ein Verfahren, das wenigstens die erstgenannte Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens an.

[0008] Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren erläutert werden.

Fig. 1: Blockschema eines Signaturkörpers.

Fig. 2: Schema eines Verdampfers im Schnitt

Fig. 3: Kennliniendiagramm von PTC-Elementen

[0009] Zur Raucherzeugung wird im wesentlichen Flüssigkeit, bevorzugt ein Wasser-Glykolgemisch (Fluid) verdampft. Dieses Verfahren ist bekannt und wird schon seit langem in Theater, Film und Discotheken eingesetzt. Das Fluid und der entstehende Dampf ist nicht toxisch und darf unbedenklich sogar in geschlossenen Räumen eingesetzt werden.

[0010] Die Dampfmenge kann in weiten Bereichen variiert werden, da bei entsprechender Ausführung (stetige Energiezufuhr) das Verdampfen kontrollierbar ist. In diesem Fall ist die Dampfmenge nur noch von der zur Verfügung stehenden Fluidmenge abhängig. Die Dampfhöhe kann variiert werden, indem der Dampfdruck variiert wird. Lärm wird bis auf das Zischen des Dampfes und das Geräusch der Pumpe nicht erzeugt. Der Dampf ist beim Verlassen des Verdampfers sehr heiss (ca. 200 °C). Da er sich an der Luft jedoch sehr schnell abkühlt (wenige Zentimeter nach der Düse), kondensiert und damit sichtbar wird, ist der Sicherheitsabstand zur Düse sehr klein (nur wenige Zentimeter). Durch Anbringen eines geeigneten Schutzes kann ein solcher Signaturkörper ohne Auflage bezüglich Sicherheitsabstand betrieben werden.

[0011] Um auch bei Nacht den Dampf sichtbar zu machen, kann er mit LED, Halogenstrahler) beleuchtet werden. Soll der Signaturkörper auch noch Geräusche (Explosionsknall) von sich geben, kann dies kontrolliert über Lautsprecher erfolgen. Weitere Vorteile dieser Erfindung sind: Das Hantieren mit dem Fluid ist für jedermann, es gibt keine Auflagen bezüglich Transport und Lagerung des Fluid. Nicht zuletzt kostet die Simulation eines Schusses nur ungefähr ein Zehntel bis ein Fünfzigstel der bekannten Ausführungen.

[0012] Die bekannten Verdampfer sind wie folgt aufgebaut: Ein Vorratsbehälter (meist aus Kunststoff) für das Fluid; eine Pumpe, die das Fluid in den Verdampfer pumpt; und der Verdampfer. Da zum Verdampfen der Flüssigkeit, die zur Hauptsache aus reinem Wasser besteht, sehr viel Energie benötigt wird und ein solches Gerät am normal abgesicherten Netz betrieben werden können soll (Schweiz: 230 V/10 A), wird die dazu benötigte Energiemenge vorgängig thermisch in einem massiven Metallkörper, dem Verdampfer, der meist aus einer Aluminiumlegierung besteht, zwischengespeichert. Dazu sind im Verdampfer Heizkörper im Leistungsbereich von typisch 700 bis 1500 W eingebaut. Ein am Verdampfer angebrachter Temperaturfühler regelt die Heizung so, dass bei einer Temperatur von typisch 220 °C das Heizen abgestellt wird. Unterschreitet die Temperatur ca. 180 °C, wird die Heizung wieder eingeschaltet. Das Aufheizen dauert typisch zwischen 3 bis 12 Minuten. In der Regel ist es nicht möglich, mit solchen Geräten ununterbrochen Dampf zu erzeugen, da dafür zu wenig Energie zugeführt wird. Vielmehr ist die Dampferzeugung nur einige 10 sec lang möglich, dann ist die gespeicherte Energie aufgebraucht. Um den Wärmeverlust durch Abstrahlung zu minimieren, wird der bekannte Verdampfer in der Regel mit Isoliermaterialien thermisch isoliert. Der Verdampfer ist innen hohl. Um die Oberfläche zu vergrössern, ist der Hohlraum meist spiralförmig ausgebildet. Auf der einen Seite des Verdampfers ist die Fluidpumpe angeschlossen, auf der anderen die Dampfdüse. Zum Verdampfen wird das Fluid in den heissen Verdampfer gepumpt. Das Fluid entzieht dem Verdampfer Wärme und verdampft. Der Dampf entweicht unter Druck durch die Dampfdüse.

[0013] Für die eingangs aufgezeigte Anwendung, die Darstellung von Signaturen im Feld, ist die gebräuchliche Ausführung mit dem Wärmespeicher nicht möglich, da im freien Feld keine Netzanschlüsse vorhanden sind. Der Betrieb ist daher nur mit Akkumulatoren oder Batterien möglich (das Verlegen von elektrischen Leitungen ist nicht möglich, da das Terrain mit Fahrzeugen, insbesondere Panzern, befahren wird. Selbst das Vergraben von Leitungen ist, nebst den enorm hohen Kosten, auf einem mit Panzern befahrenen Gelände nicht möglich).

[0014] Ein Akku-betriebener Wärmespeicher kommt nicht in Frage, weil selbst bei sehr guter thermischen Isolation die benötigte Energiemenge allein zum Erhalten der Temperatur für die gewünschte Autonomiedauer von 7 Tagen viel zu gross ist. Vielmehr muss der Verdampfer unmittelbar vor dem Einsatz sehr schnell auf die Betriebstemperatur von ca. 220 °C aufgeheizt werden und die zum Verdampfen notwendige Energie muss dauernd zugeführt werden. Dazu wurde ein erfindungsgemässer Verdampfer entwickelt, der eine geringe Wärmemasse, aber eine grosse Oberfläche besitzt. Die geringe Wärmemasse erlaubt ein sehr schnelles Aufheizen, die grosse Oberfläche ergibt einen grossen Wärmekontakt zum Fluid und damit ein schnelles Verdampfen.

[0015] In einer beispielhafte Ausführung des Verdampfers 10 befindet sich zwischen zwei Kupferblechen 11 von 150x30x0,8 mm³ (Länge x Breite x Dicke) ein feines Drahtgitter 12 ebenfalls aus Kupfer, das den Zwischenraum ausfüllt. Dieser Aufbau wird leicht zusammengepresst und die Bleche werden rundherum verlötet (Lötnaht 13). An einem Ende wird (vorgängig) ein Loch, z.B. 3 mm Durchmesser, gebohrt, auf das ein Anschlussstutzen für den Anschluss der Fluidpumpe gelötet wird. Am anderen Ende wird im anderen Blech wird die Dampfdüse 17, z.B. 0.8 mm, (vorgängig) gebohrt.

[0016] Das Drahtgitter 12 hat verschiedene Funktionen:

• Es sorgt dafür, dass die dünnen Deckbleche 11 nicht zusammengedrückt und damit verschlossen werden können.
• Es sorgt für eine grosse Oberfläche.
• Es sorgt, durch die Kapillarwirkung, für eine gute Verteilung des eingeleiteten Fluids.

[0017] Das Heizelement 14 muss über eine kleine Wärmekapazität, aber eine sehr grosse spezifische Heizleistung verfügen. Bei der beispielhaften Ausführung wird 1 ml/sec des Fluids verdampft. Dazu wird eine Heizleistung von rund 4000W benötigt. Als Heizelemente 14 werden PTC-Elemente verwendet. PTC-Elemente sind bei Normaltemperatur (25°C) sehr niederohmig. Oberhalb einer spezifizierten Umschlagtemperatur steigt der Innenwiderstand sehr schnell um mehrere Dekaden an (s. Fig. 3). Dadurch verringert sich die Stromaufnahme so weit, dass die aufgenommene elektrische Leistung gleich der total abgegebenen thermischen Leistung ist. Das Heizelement ist ohne weiteres zutun selbstregelnd. Wird das Heizelement abgekühlt, z.B. durch das Fluid, sinkt der Innenwiderstand sofort drastisch und die Heizleistung steigt entsprechend an.

[0018] Die Umschlagtemperatur ist vom verwendeten Material und deren Verarbeitung abhängig, sie kann in weiten Bereichen gewählt werden. In der beispielhaften Ausführung werden Elemente mit einer Umschlagtemperatur von 210 °C eingesetzt, damit wird eine Endtemperatur von ca. 225 °C erreicht. In der beispielhaften Ausführung werden mehrere (18) handelsübliche PTC-Elemente auf beiden Blechen des Verdampfers angeordnet. Um einen guten Wärmekontakt zu gewährleisten, werden die PTC-Elemente 14 mit Druckplatten 15 auf die Bleche 11 aufgepresst (alternativ können sie auch aufgeklebt werden). Um eine Wärmeabstrahlung möglichst zu verhindern, sind die Druckplatten 15 aus thermisch isolierendem Material, z.B. Steatit, hergestellt. Um eine bessere Druckverteilung zu erreichen, sind auf den Steatitplatten noch Druckplatten 16 aus rostfreiem Stahl angeordnet. Die Anordnung wird durch Schrauben 35 zusammengehalten und für guten Wärmeübergang zusammengedrückt. Das Ganze ist zum Schluss in thermisch isolierende Kunstwolle (nicht dargestellt) eingepackt.

[0019] Zur Energieversorgung kommen hochbelastbare Akkumulatoren zum Einsatz. Bei der beispielhaften Ausführung werden 8 Blei-Gel Akkus 21 (12 V, 2 Ah) eingesetzt. Die Akkus sind in Serie geschaltet, es entsteht eine Spannung von 96 V bei 2 Ah = 192 Wh. Die Heizleistung beträgt 4000 W was einer Stromentnahme von 42 A entspricht. Die Energie wird über Relais 23 (alternativ wären Halbleiter) ein- und ausgeschaltet. Um die Belastung der Relais 23 auf unkritischen Werten zu halten, wurde bei der beispielhaften Ausführung die Stromversorgung auf 3 Stromkreise 25 verteilt, die jeweils durch ein Relais 23 gesteuert werden. Bei der beispielhaften Ausführung wurde der Verdampfer 10 mit einem Edelstahlrohr 27 mit der Pumpe 29 verbunden. Ein Edelstahlrohr wird verwendet, um eine unerwünschte Wärmeabfuhr (Edelstahl ist ein schlechter Wärmeleiter) zu minimieren. Die Pumpe 29 ist ein handelsübliches Modell. Sie muss über ein Rückschlagventil 31 verfügen, damit das Fluid durch den entstehenden Dampfdruck nicht in den Vorratsbehälter 30 für das Fluid zurückgedrängt werden kann. Die beispielhaften Ausführung ist in der Lage, in weniger als 10 sec. die Betriebstemperatur zu erreichen und dann während bis zu 2 min. ununterbrochen Dampf zu erzeugen. Eine Steuerelektronik 33 steuert unter anderem die Heizung 14 und die Pumpe 33.

[0020] Aus der vorgenannten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Bereich der Erfindung wie in den Ansprüchen definiert zu verlassen.

[0021] Denkbar ist u. a., statt einer elektrischen Heizung eine Heizung durch Verbrennen eines Brennstoffs, wie z. B. eines Gases, vorzusehen. Verfahren, um eine solche Verbrennung ferngesteuert kontrolliern zu können, sind an sich bekannt. Vorteilhaft ist insbesondere eine katalytische Verbrennung. Der Verdampfer müsste dann mit einer entsprechenden Brennkammer ausgestattet werden oder thermisch mit einem Brenner gekoppelt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur visuellen Simulation explodierender Körper, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flüssigkeit, insbesondere eine überwiegend aus Wasser bestehende Flüssigkeit, verdampft wird, um eine Dampfwolke zu bilden, die den simulierten Explosionsort markiert.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung durch Erhitzen der Flüssigkeit in einem Verdampfer (10) erfolgt, wobei die zur Verdampfung benötigte Wärme kontinuierlich von einer Heizeinrichtung elektrisch oder durch Verbrennen eines Brennstoffs erzeugt wird.

3. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser und optional weitere Komponenten enthält, die gesundheitlich und/oder umwelttechnisch höchstens ein geringes und bevorzugt kein Risiko darstellen.

4. Verfahren gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Komponente, bevorzugt die einzige weitere Komponente, der Flüssigkeit Ethylenglykol ist.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Verdampfer (10) für eine Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (10) mit einer Heizung (14) thermisch gekoppelt ist und die Heizung (14) eine hinreichend grosse Heizleistung aufweist, dass eine durch den Verdampfer (10) hindurch geleitete Flüssigkeit im Wesentlichen durch die von der Heizung erzeugte Wärme kontinuierlich verdampfbar ist.

6. Vorrichtung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (10) eine Hülle aufweist, die im Wesentlichen aus Plattenmaterial guter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere aus Kupferblech, besteht.

7. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Verdampfer (10)s eine Einrichtung (12) grosser Oberfläche, bevorzugt aus demselben Material wie die Hülle des Verdampfer (10)s, angeordnet ist, um eine grosse thermische Kontaktfläche gegenüber durchströmender Flüssigkeit zu erzielen.

8. Vorrichtung gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (12) grosser Oberfläche im Wesentlichen eine der folgenden Formen einzeln oder in Kombination aufweist:

• eine oder mehrere im Verdampfer (10) angeordnete Netze oder Gitter;

• eine Schikanenstraktur, die in die Hülle des Verdampfer (10)s eingearbeitet ist;

• eine Schikanenstruktur in einem Element, das im Inneren des Verdampfer (10)s derart angeordnet ist, dass eine durch den Verdampfer (10) geleitete Flüssigkeit zwangsweise durch das Schikanenelement hindurchtreten muss.

9. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung (14) im Wesentlichen aus einer Anordnung von PTC-Elementen besteht.

10. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (10) im Wesentlichen aus aufgerolltem Plattenmaterial, insbesondere Metallblech und insbesondere bevorzugt Kupferblech besteht.

11. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (33)vorhanden ist, die aus der Ferne, insbesondere durch Funk, unter einer Vielzahl gleicher Vorrichtungen auswählbar und aktivierbar ist, um die Vorrichtung zur Simulation einer Explosion ansteuern zu können.

12. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschlussmittel am Ausgang des Verdampfers (10) angeordnet ist, das aus der Ferne geöffnet und wieder geschlossen werden kann.

13. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass akustische und/oder optische Signalquellen vorhanden sind, um die Erkennbarkeit der Simulation zu verbessern.

14. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Verdampfungswärme für den Verdampfer eine elektrische Heizeinrichtung und/oder eine Heizeinrichtung, die Wärme durch Verbrennen eines Brennstoffs, insbesondere durch katalytische Verbrennung, erzeugt, vorhanden ist.

15. Vorrichtung gemäss Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anordnung (21) von Batterien oder Akkumulatoren vorhanden ist, um den Energiebedarf zu decken, wobei die Anordung bevorzugt eine Kapazität aufweist, um mindestens 1 Minute, weiter bevorzugt mindestens 2 Minuten eine kontinuierliche Verdampfung von Flüssigkeit im Verdampfer (10) zu ermöglichen.

16. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (10) mindestens 0,5 Milliliter pro Sekunde der zu verdampfenden Flüssigkeit verdampfen kann.

17. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (10) innerhalb höchstens 30 Sek., bevorzugt höchstens 20 Sek. und insbesondere bevorzugt höchstens 15 Sek. aus dem kalten Zustand die Betriebstemperatur erreicht.

18. Verwendung der Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Simulation explodierender Geschosse, insbesondere bei Manövern und anderen Gefechtsübungen mit explodierenden Waffenkörpern.

Zeichnung