Verfahren und Vorrichtung zur visuellen Simulation explodierender Körper

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.

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.

Im Weiteren ist es möglich, dass die übenden Truppen mit ihren Simulationswaffen Fahrzeuge, z.B. Panzer, bekämpfen. Damit der Schütze, die Fahrzeugmannschaft und alle übrigen Teilnehmer erfahren, dass das Fahrzeug getroffen wurde, wird eine auf dem Fahrzeug montierte Signatur, z.B. in Form eines Rauches, ausgelöst. Ein andersfarbiger Rauch wird oft verwendet, um verschiedene Trefferarten, z.B. einen Minentreffer, anzuzeigen.

Zum Erzeugen einer solchen Signatur oder Markierung sind verschiedene Verfahren bekannt. Eine Möglichkeit ist 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.

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.

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. Toxizität 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.

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.

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.

Demgemäss wird die Signatur durch Verdampfen einer Flüssigkeit erzeugt, wobei der Dampf beim Versprühen einen deutlich sichtbaren Nebel bildet und damit den (simulierten) Explosionsort markiert. Die Flüssigkeit (Fluid) besteht dabei überwiegend aus Wasser. Bevorzugt werden die sonstigen Komponenten so gewählt, dass das Fluid nicht toxisch ist.

Die Vorrichtung für die Verdampfung besteht im Wesentlichen aus einem Wärmespeicher hinreichend hoher Wärmekapazität, dass er nach Aufheizen auf eine vorgegebene Betriebstemperatur die Wärme zur Verfügung stellen kann, die zum Verdampfen einer hinreichend grossen Menge Fluid genügt, um die Signatur eines Explosionsortes zu erzeugen. Dabei darf sich der Wärmespeicher nicht unter eine Temperatur abkühlen, die noch eine Verdampfung erlaubt. Der Wärmespeicher ist in eine thermische Isolation eingehüllt, so dass eine relativ geringe Dauerheizleistung benötigt wird, um ihn auf Betriebstemperatur zu halten.

Als Energieträger für die Beheizung dient bevorzugt Gas, das in verflüssigter Form speicherbar ist, und die Verbrennung zur Wärmeerzeugung erfolgt weiter bevorzugt flammenlos, z.B in einem katalytischen Brenner.

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

• Fig. 1: Schema eines Verdampfers im Schnitt
• Fig. 2: Schema einer möglichen Anordnung
• Fig. 3: Schema eines Dampfstrahlinjektors zum Einfärben des Dampfes

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.

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.

Um auch bei Nacht den Dampf sichtbar zu machen, kann er mit in den Signaturkörper eingebauten Leuchtmitteln (Blitzlampe, 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 möglich, 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.

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.

Für die eingangs aufgezeigte Anwendung, die Darstellung von Signaturen im Feld, ist die gebräuchliche Ausführung mit dem elektrisch beheizten 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).

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 die Beheizung des Wärmespeichers über einen Energieträger erfolgen, der eine sehr hohe Energiedichte hat. In der erfindergemässen Ausführung wird dazu Butan-, Propan-, oder ein Gemisch aus Butan- und Propangas verwendet. Im Weiteren wird das Gas katalytisch, d.h. flammenlos verbrannt. Damit wird verhindert, dass sich ungewollt Stoffe, die sich auf dem Wärmespeicher befinden könnten (Blätter, Gras), entzünden können. Der Wärmespeicher ist gleichzeitig der Verdampfer. Die Masse ist so bemessen, dass er, aufgeheizt auf die Betriebstemperatur von ca. 220 °C, ca. 1 ml/sec des Fluids während max. 5 sec verdampfen kann, wobei er sich auf ca. 200 °C abkühlt.

In der beispielhaften Ausführung ist der Verdampfer zweiteilig ausgeführt. In den runden Einsatz ist eine spiralförmige Nut 2 geschnitten, wobei sowohl der Anfang wie das Ende der Nut im ganzen Umfang um ca. Nutenbreite freigeschnitten 6, 11 ist. Der Einsatz 1 ist in das Aussenteil 3 eingepresst, dabei sind die Masse so gewählt, dass die Bereiche zwischen der Nut zwischen Einsatz 1 und Aussenteil 4 dicht sind und dass insbesondere der Einsatz gegen das Aussenteil auf der Düsenseite dicht ist. Dazu wird dort ein geeignetes Dichtmittel, z.B. ein O-Ring 5, eingesetzt. Auf der Düsenseite ist der Freischnitt 6 der Spiralnut durch eine Querbohrung 7 mit der Düsenbohrung 8 verbunden. In die Düsenbohrung ist eine Düse 9 eingeschraubt. Am gegenüberliegenden Ende des Einsatzes 1 ist eine Bohrung 10 (Zuführbohrung) im Aussenteil auf Höhe des Freischnitts 11 der Spiralnut eingebracht. Durch diese Bohrung wird mit einer Pumpe 12 das Fluid aus dem Vorratsbehälter 13 in den Verdampfer gepumpt. Ist der Verdampfer auf Betriebstemperatur, verdampft das Fluid sofort und verlässt dampfförmig den Verdampfer durch die Düse. Um zu verhindern, dass sich der Dampf auch in Richtung der Pumpe bewegen kann, ist in der Zuführbohrung 10 ein handelsübliches Rückschlagventil 14 eingeschraubt. Als Wärmequelle wird ein handelsüblicher und in seiner Funktion an sich bekannter katalytischer Gasbrenner 15 eingesetzt. Das Gas wird aus einem Gastank 16 über ein elektrisches Ventil 17 dem Gasbrenner zugeführt. Gezündet wird das Gas mit einem elektrischen Funken, der mit einem kleinen Hochspannungsgenerator 19 in einer Funkenstrecke 18 erzeugt wird. Damit der Verdampfer möglichst wenig Wärme durch Abstrahlung verliert, ist der ganze Verdampfer, ausser auf der Seite des Brenners, mit einem thermisch isolierenden Stoff 20, z.B. Steinwolle, überzogen. Über die Steinwolle ist zu deren Schutz ein Gehäuse 21 aus z.B. rostfreiem Edelstahl gestülpt (Edelstahl ist ein schlechter Wärmeleiter). Die ganze Einrichtung wird mit einem Mikroprozessor 22 gesteuert. Um im Betrieb einen verzögerungsfreien Einsatz zu gewährleisten, regelt der Mikroprozessor 22 die Temperatur des Verdampfers so, dass sie immer im Bereich von ca. 200 bis 220 °C ist. Dazu misst er mit dem Temperatursensor 24 die Temperatur des Verdampfers und öffnet und schliesst das elektrische Gasventil 17. Bei Bedarf zündet er das Gas mit Hilfe des Hochspannungsgenerators 19 und der Funkenstrecke 18.

Die elektrische Energie dazu wird aus einem Akkumulator 23 entnommen. Wird der Mikroprozessor 22 z.B. über ein angeschlossenes Funkmodul angestossen, eine Dampfwolke zu erzeugen, setzt er die Pumpe 12 in Gang. Das Fluid gelangt aus dem Vorratsbehälter in den heissen Verdampfer, wo es augenblicklich verdampft und durch die Dampfdüse 9 ausgestossen wird.

Zusätzlich zu den für die Funktion wesentlichen Einrichtungen weist das Gerät noch die üblichen Vorkehrungen gegen unerlaubte Betriebszustände auf, wie Überdruckventil, Gasabschaltung bei Überhitzung, Sicherung gegen Eindringen von flüssigem Gas bei zu schräger Aufstellung des Geräts.

Der Einsatz des Gerätes kann wie folgt ablaufen:

Zuerst werden die Akkumulatoren geladen und das Gas und das Fluid aufgefüllt. Danach wird das Gerät am vorbestimmten Ort ins Gelände gelegt und eingeschaltet. Der Mikroprozessor überprüft die verschiedenen Sensoren (Temperatur, Neigung), ob sie im erlaubten Bereich sind. Ist dies der Fall, öffnet er das Gasventil und zündet das Gas. Das erfolgreiche Zünden wird mit dem entsprechenden Sensor überwacht. Mit der an sich bekannten 2-Punkte-Regelung wird die Temperatur des Verdampfers immer zwischen ca. 200 und 220 °C gehalten. Empfängt der Mikroprozessor z.B. über Funk den Befehl, eine Dampfwolke zu erzeugen, setzt er die Pumpe in Gang. In einem übergeordneten Programmteil werden alle Sicherheitselemente stetig gemessen und gegebenenfalls sofort reagiert, in der Regel mit Schliessen des Gasventils und Abstellen der Pumpe.

Wird die Einrichtung auf einem Fahrzeug montiert, muss mit geeigneten Massnahmen dafür gesorgt werden, dass kein Flüssiggas in den Brenner gelangen kann.

Um die Forderung nach farbigem Dampf zu erfüllen, kann an Stelle der einfachen Dampfdüse eine Dampfstrahldüse 30 (Fig. 3) verwendet werden. Die Funktion und Ausführung von Dampfstrahldüsen ist allgemein bekannt. In dieser speziellen Ausführung ist der durch den Dampfstrahl angesaugte Stoff, der sich in einem Vorratsbehälter 27 befindet, flüssige Lebensmittelfarbe. Die stark färbende Lebensmittelfarbe färbt damit den Dampf ein. Da Lebensmittelfarbe nicht toxisch ist, bleibt der nun farbige Dampf nicht toxisch.

Der Vorratsbehälter 27 ist über eine Leitung 32 mit dem Ansaugteil 33 der Düse 30 verbunden. Wird in die Leitung 32 der Farbe ein z.B. elektrisches Ventil 26 eingebaut, kann das Einfärben beliebig gesteuert werden, um damit verschiedenfarbigen Dampf zu erzeugen. Werden die drei Grundfarben und beliebig regelbare Ventile 26 verwendet, kann eine beliebige Farbe erzeugt werden.

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.

Denkbar ist u.a., an Stelle des katalytischen Gasbrenners eine offene Gasflamme (Bunsenbrenner) zu benutzen, oder an Stelle des Gasbrenners den Verdampfer oder eine Kombination gas-elektrisch zu benutzen.

Weitere denkbare Abwandlungen sind:

• Verwendung eines anderen Brennstoffs oder allgemein Energieträgers, insbesondere eines anderen Gases oder auch eines flüssigen oder festen Brennstoffs.
• Insbesondere auf Fahrzeugen kann das Aufheizen durch den Energieträger hoher Energiedichte erfolgen, das Halten im Bereitschaftszustand, also der Ausgleich der Wärmeverluste, durch eine elektrische Heizung, die an das elektrische Netz, insbesondere des Fahrzeugs, angeschlossen ist. In der Regel ist eine Verbindung zum elektrischen System auch aus dem Grund vorgesehen, dass das Fahrzeug nach einem Treffer zwangsweise stillgelegt wird.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Militärfahrzeugen oft eine beträchtliche Anzahl Energieverbraucher an das Stromnetz angeschlossen ist, die auch bei stehendem Motor Energie benötigen und damit die Fahrzeugbatterie belasten. Daher ist auch hier eine Lösung vorteilhaft, die über einen eigenen Energievorrat verfügt, auf die wenigstens dann zurückgegriffen wird, wenn grosse Energiemengen benötigt werden. Bei der vorliegenden Siumulationseinrichtung sind dies insbesondere die Aufheizzeit und das Wiederaufheizen nach einer Aktivierung, während denen auf den eigenen Energievorrat zurückgegriffen und die Batterie geschont wird.

• Für Bedingungen mit eingeschränkter Sicht, insbesondere bei Nacht, kann eine zusätzliche Einrichtung vorhanden sein, um die Sichtbarkeit zu erhöhen, z.B. eine Einrichtung zur Beleuchtung oder zur Erzeugung eines Lichtblitzes.
• Die unterbrechungsfreie Bereitschaftszeit kann anders gewählt sein, insbesondere durch Anpassung des Energievorrats und/oder die Art des Energieträgers. Sie kann länger, aber auch kürzer, z.B. 3 Tage sein. Eine vernünftige untere Grenze kann bei einem Tag angenommen werden.