Diese Erfindung betrifft Wirkungsbegrenzung bzw. Dämpfung von Sprengdetonationen und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung dafür.

Die Verwendung von wäßrigem Schaum, der in verschiedenen Barrierestrukturen eingeschlossen ist, ist im Stand der Technik mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt worden. Zwei verwandte relevante Referenzen sind die US-Patente 5,225,622 und 5,394,786. Beide Referenzen beschreiben eine schaumgefüllte Umhüllung zum Begrenzen von Sprengdetonationen. 10 des ersten Patents stellt eine kuppelförmige Umhüllung dar. Man beachte, daß der Durchmesser der Kuppel und damit das Volumen der Umhüllung recht groß ist, d. h. in der Größenordnung von 3,66 m (12 Fuß) und daher ineffizient und unnötig sperrig ist. Darüber hinaus ist das Schaumexpansionsverhältnis recht hoch, d. h. 135–1000 : 1. Dies verursacht Instabilität und einen frühen Zerfall des Schaums. Wenn eine Detonation unter wäßrigem Schaum stattfindet, ergibt sich ein inkrementaler Verlust der Detonationsüberdruckenergie, wenn jede einzelne Blase platzt, und der Nettoeffekt von Millionen Blasen, die zerstört werden, stellt eine signifikante Detonationsverminderung dar. Indem wir von der Voraussetzung ausgingen, daß die Begrenzungsqualität des Schaums eine Funktion der mechanischen Erzeugung und Stärke der Blase ist, haben wir gefunden, daß eine bessere Detonationsbegrenzung erreicht werden kann, indem die Größe der kuppelförmigen Umhüllung und die Menge des Schaummaterials deutlich verringert wird, und indem ein ausgewähltes wäßriges hochstabiles fließfähiges Schaummaterial mit einem geringen Expansionsverhältnis und geringen Entwässerungseigenschaften verwendet wird.

US-A-4392412 beschreibt eine halbsphärische Membran, die durch eine hochragende Wand definiert ist, und ein Positioniermittel, das mit der Membran assoziiert ist, zum Positionieren der Sprengeinrichtung in der Membran in gleichem Abstand von jedem beliebigen Punkt der Wand, wodurch bei Detonation der so positionierten Sprengeinrichtung die Detonation bzw. die Druckwelle begrenzt wird.

US-A-4543872 offenbart einen Detonationsabschwächer, der einen schaumerzeugenden Behälter zum Abgeben von Schaum in einen Zylinder verwendet, und in der Mitte eines flexiblen Plastikbodens ist ein Mundstück vorgesehen, um dadurch eine Sprengeinrichtung einzuführen.

US-A-4589341 beschreibt ebenfalls ein Hochexpansionsschaummaterial.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Begrenzung einer Detonation von einer Sprengeinrichtung:

• a) eine halbsphärische Umhüllung, die durch eine hochragende Wand definiert ist, wobei die Umhüllung aus einem textilen Komposit- bzw. Verbundmaterial hergestellt ist, umfassend eine oder mehrere Schichten eines ballistischen Gewebematerials, das zwischen einer inneren und äußeren Schicht eines leichten reißfesten Nylongewebematerials schichtweise angeordnet ist,
• b) Positioniermittel, die der Umhüllung zum Positionieren der Sprengeinrichtung innerhalb der Umhüllung in im wesentlichen gleichem Abstand von jedem beliebigen Punkt an der Wand zugeordnet sind,
• c) eine Öffnung in der Wand, und
• d) ein wäßriges energieabsorbierendes fließfähiges Schaummaterial mit einem Expansionsverhältnis von 17–49 : 1, das die Umhüllung im wesentlichen ausfüllt und die Sprengeinrichtung abdeckt, wodurch bei Detonation der so positionierten Sprengeinrichtung die Detonation begrenzt wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Begrenzung einer Detonation von einer Sprengeinrichtung:

• a) das Zurverfügungstellen einer halbsphärischen Umhüllung, die durch eine hochragende Wand definiert ist, wobei die Umhüllung aus einem textilen Kompositmaterial hergestellt ist, umfassend eine oder mehrere Schichten eines ballistischen Gewebematerials, das zwischen einer inneren und äußeren Schicht eines wasserdichten Nylongewebematerials schichtweise angeordnet ist,
• b) Positionieren der Sprengeinrichtung innerhalb der Umhüllung, im wesentlichen im gleichen Abstand von jedem beliebigen Punkt an der Wand,
• c) im wesentlichen Füllen der Umhüllung und Bedecken der Einrichtung mit einem wäßrigen energieabsorbierenden fließfähigen Schaummaterial mit einem Expansionsverhältnis von 17–49 : 1, wodurch bei Detonation der so positionierten Sprengeinrichtung die Detonation begrenzt wird.

Ein Beispiel einer Vorrichtung und eines Verfahrens gemäß der Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine Perspektivansicht einer halbsphärischen Umhüllung ist;

2 eine Perspektivansicht einer halbsphärischen Umhüllung ist, die teilweise weggeschnitten ist, um den Querschnitt des Kompositmaterials darzustellen, aus dem sie aufgebaut ist; und

3 eine Perspektivansicht einer Vorrichtung gemäß einem Beispiel der Erfindung ist.

Wie in 1 und 2 gesehen, ist die halbsphärische Umhüllung 10 durch eine hochragende Wand und als einen Durchmesser von 1,5–2,7 m (5–9 Fuß) aufweisend definiert. Es ist verständlich, daß andere Umhüllungsgrößen, insbesondere kleinere Größen, innerhalb des Umfangs dieser Erfindung liegen.

Schauminjektionsöffnungen 12 sind nahe der Oberseite der Umhüllung vorgesehen, und eine Türöffnung 14 ist am Boden vorgesehen. Eine optionale Öffnung 16 ist nahe dem Boden zur Schauminjektion vorgesehen, oder um schädliche Gase zu entfernen, die aus einer Niedrigenergieeinrichtung resultieren, wenn kein Schaum verwendet wird. Für solche Fälle könnte eine Filter-/Pumpeneinrichtung verwendet werden. Alle Öffnungen umfassen einen Abdichtlappen (3), und die Öffnung 16 umfaßt einen Reißverschluß oder andere geeignete Schließmittel, um ein Auslaufen von Schaum und Austreten von Schrapnell oder schädlichen Gasen zu verhindern.

Wie in 2 zu sehen, besteht die Umhüllung 10 aus einem textilen Kompositmaterial, umfassend eine zentrale Schicht 20 eines ballistischen Gewebematerials (ein solches Material wird unter der Marke Dyneema verkauft), das zwischen einer inneren und äußeren Schicht 22 eines leichten reißfesten Nylongewebematerials schichtförmig angeordnet ist. Andere nützliche ballistische Materialien umfassen Kevlar^TM oder Äquivalente. Die Materialien werden in Abschnitten zusammengenäht. In manchen Ausführungsformen kann diese Schicht eliminiert werden, oder mehrere Schichten des ballistischen Gewebematerials sind vorgesehen, d. h. abhängig von der anzugehenden Gefährdung. Das Gewicht spielt ebenfalls eine Rolle. Zum Beispiel wiegt eine Umhüllung mit einem Durchmesser von 2,13 m (7 Fuß) mit drei ballistischen Schichten 13,5 kg (30 Pfund), was die praktische Grenze für einen in einen spenigen Bombenschutzanzug gekleideten Mann ist, um sie eine nennenswerte Strecke zu tragen. Eine 1,5 m (5 Fuß)-Umhüllung mit vier ballistischen Schichten würde dieses Kriterium auch erfüllen.

In manchen Fällen wird anstelle der zusätzlichen ballistischen Schichten eine halbsphärische Abdeckklappe (nicht gezeigt) als Überzug zugefügt, um die Struktur zu umhüllen. Die Abdeckung besteht aus dem gleichen Mehrfachtextilmaterial wie die Umhüllung. Zusätzliche Abdeckklappen können zugefügt werden, abhängig von der Art/Energie der Sprengeinrichtung, um ein Eindämmen des sich ergebenden Schrapnells sicherzustellen. Die zusätzlichen ballistischen Schichten sind bevorzugt, weil die Abdeckklappen zu Aufbauzeit und -last beitragen.

3 veranschaulicht eine Ausführungsform der Vorrichtung, die einen flexiblen äußeren Rahmen 32 verwendet, der sich biegt, um Öffnungen wie z.B. Türen, die kleiner sind als sein Durchmesser, zu durchtreten.

In der gezeigten Ausführungsform umfaßt der Rahmen 32 drei halbkreisförmige reifenartige Pfostenelemente, die über Kreuz angeordnet sind und in gleichen Abständen voneinander angebracht sind, um den Rahmen zu bilden. Diese Anordnung erleichtert das Positionieren der Vorrichtung ohne Modifikation durch eine Roboterarm oder dergleichen. Die Pfosten bestehen aus Fiberglas, um Schrapnellbildung zu vermeiden, können aber auch aus anderem flexiblen leichten Material bestehen oder können integrale Luftröhren sein.

Die Umhüllung besteht aus einem textilen Kompositmaterial ähnlich dem der Ausführungsform in 1, wobei der Unterschied ist, daß die inneren und äußeren Schichten aus einem wasserfesten textilen Nylonmaterial bestehen.

Die äußere Schicht der Umhüllung 10 umfaßt eine Mehrzahl Aufhängerabschnitte 34 zum Befestigen am Rahmen 32. Breitere Aufhänger 36 sind für zusätzliche Stabilität an dieser Stelle dem Oberteil benachbart vorgesehen. Obwohl die Aushänger in der gezeigten Aus führungsform als Schlaufen ausgebildet sind, ist es verständlich, daß andere bekannte Befestigungsmittel verwendet werden können. In dieser Ausführungsform umfaßt die Umhüllung 10 sechs identische dreieckige Streifen bzw. Felder 13 und einen integralen hexagonalen Boden 40, der einem Kreis angenähert ist. In alternierenden Streifen sind Schauminjektionsöffnungen 12 vorgesehen. Abdichtlappen 15 aus dem gleichen Kompositmaterial wie die Streifen sind auch vorgesehen. Die Lappen sind z. B. durch Velcro^®-Befestiger gesichert befestigt. Der Boden 40 umfaßt Positioniermittel in der Form einer zentralen Öffnung 42 zum Positionieren einer Sprengeinrichtung, im wesentlichen im gleichen Abstand von jedem beliebigen Punkt an der Umhüllungswand. Der integrale Boden stellt sicher, daß es keine Schwachpunkte oder -ecken gibt, von denen im Stand der Technik bekannt ist, daß sie versagt haben.

Weiterhin ist in dieser Ausführungsform die Türöffnung 14 in einem der Streifen vorgesehen und umfaßt ein großes Reißverschlußabdichtmittel, um eine Bedienung durch behandschuhte Hände zu erleichtern.

Auf das Füllen mit Schaum hin bläht sich die Umhüllung auf, um eine halbsphärische Form zu bilden, wobei die Sprengeinrichtung im wesentlichen in gleichem Abstand von jedem beliebigen Punkt an der Umhüllungswand positioniert ist. Die Umhüllungswand ist nahe dem Boden abgerundet, was einen ebnenden Effekt auf die Umhüllungsform hat. Diese Positionierung und gerundete Umhüllungswand sorgen für eine optimale Verteilung der Detonationskraft in alle Richtungen auf die Umhüllungswand hin, was für die erfolgreiche Integration von verschiedenen Detonationsszenarien sorgt, wie unten beschrieben.

Tatsächlich hat sich gezeigt, daß die Kombination dieser beiden Merkmale in der Lage ist, verglichen mit der Ausführungsform der 1 etwa der doppelten Sprengkraft standzuhalten. Siehe Tests Nr. 3 und 4.

Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt das Plazieren der Umhüllung 10 über eine improviserte Sprengeinrichtung (IED) bei 30, und die Umhüllung wird mit einem geeigneten wäßrigen energieabsorbierenden fließfähigen Schaummaterial (z. B. Silvex^® gefüllt. Siehe US-Patent Nr. 4,770,794 vom 13. September 1988, dessen Offenbarung hierin durch Referenz einbezogen ist. Nützliche Schäume enthalten 1–5 Gew-% aktiver schaumbildender Bestandteile. Wir haben gefunden, daß ein besonders nützliches Schaummaterial dieser Art 1–3 Gew-% aktiver schaumbildender Bestandteile enthält, wobei der Saldo Wasser ist, und ein Expansionsverhältnis von 17–49 : 1 aufweist. Solche Schäume zeigen gute Stabilität und Entwässerungseigenschaften und können in relativ geringen Mengen verwendet werden, wie in den folgenden Beispielen angegeben. Der Schaum wird durch Füllöffnung 12 unter Verwendung eines schaumerzeugenden Standardlöschfahrzeugs oder eines tragbaren Pumpen- und Schaumerzeugungssystems bei einer Flußrate von 151–302 l (40–80 US-Gallonen)/ Minute eingeführt, bevorzugt 151–226 l (40–60 US-Gallonen)/Minute. Die Flußrate ist als Flußrate von Wasser in einen Schaumerzeuger ausgedrückt. Der Schaumfluß in die Umhüllung ist wegen des größeren Schaumvolumens tatsächlich etwa 2–3 mal schneller. Wenn die IED gesprengt wird, durchtreten keine der resultierenden IED-Fragmente die Umhüllung. Offenbar sind die Kraftlinien von der Explosion radial von der IED nach außen gerichtet, und die Kraft oder Energie von der Detonation wird von dem umgebenden Schaum absorbiert. Die glatte konkave Form der Umhüllung, die als Form für den Schaum dient, und/oder die entsprechenden konvexe Form des Schaums spielt auch eine Rolle, weil andere getestete Konfigurationen wie z. B. Würfel, Rechtecke und Zylinder an den Ecken versagen.

Andere nebensächliche Merkmale umfassen das folgende.

Das Vorsehen eines integralen Zeltbodens (3) mit einer zentralen IED-Aufnahmeöffnung würde verhindern, daß der Schaum um den Boden herum ausfließt. Bevorzugt ist das Gewebe, das die zentrale Öffnung umgibt, dadurch flexibler gestaltet, daß es einen elastifizierten Halter bzw. eine Aufnahme enthält, der/die überdimensionierte Bahnen 44 bildet. Dies minimiert den Detonationsschaden am Boden. In einer weitere Ausführungsform (nicht gezeigt) würde der Boden aus einem Netzmaterial bestehen.

Ein innerer Rahmen (nicht gezeigt) oder ein externes Exoskelett (3) könnte enthalten sein, um den Aufbau zu erleichtern und die strukturelle Integrität der Kuppel nach der Explosion zu erhalten. Es ist verständlich, daß die Kuppel aufgebaut werden kann, indem sie mit dem Schaum gefüllt wird.

Für die getestete Sprengeinrichtung wird nicht nur die Detonation begrenzt, sondern auch das Schrapnell von der Detonation innerhalb der Struktur zurückgehalten.

Dieses Sprengeinrichtungs-Zurückhaltungssystem ist eine halbsphärisch geformte 2,13 m (7 Fuß)-Umhüllung, die mit Schaum (etwa 0,028 m³ (570 Kubikfuß)) gefüllt ist. Die Umhüllung ist mit einem Dreilagentextilkomposit hergestellt. Die äußeren und inneren Schichten sind ein leichtes reißfestes Nylon, und die innere Schicht ist ein ballistisches Produkt mit dem Namen DYNEEMA^®. Abhängig von der Gefahr sind zusätzliche ballistische Schichten und/oder Abdeckklappen vorgesehen, wie oben beschrieben. Der Schaum wird erzeugt, indem eine luftansaugende Schaumdüse (zylindrisch, Länge = 25 cm, Durchmesser = 15 cm) mit einem Expansionsverhältnis von etwa 25 : 1 mit einem Betriebsdruck von etwa 70 psi und einer Flußrate von 215–227 l (57–60 US-Gallonen) Schaumlösung/Minute verwendet wird. Das Schaumkonzentrat umfaßt etwa 1,7 Gew-% Silvex^® in Wasser. Die Düse ist der Gegenstand unserer gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung Nr. 08/758,075, angemeldet am 27. November 1996.

Die sprengdetonations- und sprengfragmentmildernden Qualitäten des Sprengeinrichtungs-Zurückhaltungssystems zu bestimmten.

Testnummern 1 und 2 wurden mit der Ausführungsform der 1 und 2 durchgeführt, und Testnummern 3 und 4 mit der Ausführungsform der 3. In Test Nr. 3 umfaßte das Komposit weiterhin fünf ballistische Schichten. In Test Nr. 4 wurden zwei zusätzliche Abdeckklappen aufgenommen.

Eine Rohrbombe, aufgebaut aus einem Stahlrohr mit einem Durchmesser von 30 cm × 6 cm (12 Zoll × 2 1/2 Zoll) mit an beiden Enden angeschraubten Endkappen, enthaltend etwa 0,68 kg (1,5 Pfund) Dynamit, gezündet durch einen elektrischen Standarddetonationsaufsatz. Das Mehrschichtkomposit plus zwei zusätzlicher Abdeckklappen wird in diesem Test verwendet.

Nachdem die Rohrbombe ausgelöst worden war, wurde gefunden, daß keine Rohrfragmente die Umhüllung durchtreten hatten. Dies war sehr bedeutsam, weil es bestätigte, daß diese Technik wirksam darin war, eine sehr energiereiche Sprengeinrichtung einzudämmen/unter Kontrolle zu halten, wobei die Fragmente von dieser Art von Sprengeinrichtung bei Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 1524–2134 m (5000–7000 Fuß)/sek und bis zu 183–274 m (200 bis 300 Yard) weit weggeschleudert werden können.

Stahlgerätekasten etwa 45,7 cm × 25,4 cm × 20,3 cm (etwa 18 Zoll × 10 Zoll × 8 Zoll), enthaltend 1 kg (2,2 Pfund) C-4-Sprengstoff, ausgelöst durch eine 0,09 kg (0,2 Pfund) Zündladung. Das Fünfschichtkomposit wird in diesem Test verwendet.

Nachdem die Einrichtung ausgelöst worden war, zeigte eine Untersuchung der Umhüllung, daß die gesamte Fragmentation von dieser Einrichtung im System zurückgehalten gehalten worden war. Dies ist recht bedeutsam, da es bestätigt, daß dieses System sehr wirksam darin ist, die sehr energiereichen Wirkungen großer und zerstörerischer Sprengeinrichtungen zu neutralisieren.

Eine Rohrbombe, aufgebaut aus einem Stahlrohr mit einem Durchmesser von 30 cm × 6 cm (12 Zoll × 2 1/2 Zoll) mit an beiden Enden angeschraubten Endkappen, enthaltend etwa 0,68 kg (1,5 Pfund) Dynamit, gezündet durch einen elektrischen Standarddetonationsaufsatz. Das Mehrschichtkomposit plus zwei zusätzlicher Abdeckklappen wird in diesem Test verwendet.

Nachdem die Rohrbombe ausgelöst worden war, wurde gefunden, daß keine Rohrfragmente die Umhüllung durchtreten hatten. Dies war sehr bedeutsam, weil es bestätigte, daß diese Technik wirksam darin war, eine sehr energiereiche Sprengeinrichtung einzudämmen, wobei die Fragmente von dieser Art von Sprengeinrichtung bei Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 1524–2134 m (5000–7000 Fuß)/sek und bis zu 183–274 m (200 bis 300 Yard) weit weggeschleudert werden können.

Stahlgerätekasten etwa 45,7 cm × 25,4 cm × 20,3 cm (etwa 18 Zoll × 10 Zoll × 8 Zoll), enthaltend 1 kg (2,2 Pfund) C-4-Sprengstoff, ausgelöst durch eine 0,09 kg (0,2 Pfund) Zündladung. Ein Fünfschichtkomposit wird in diesem Test verwendet.

Nachdem die Einrichtung ausgelöst wurde, zeigte eine Untersuchung der Umhüllung, daß die gesamte Fragmentation von dieser Einrichtung im System zurückgehalten worden war. Dies ist recht bedeutsam, da es bestätigt, daß dieses System sehr wirksam darin ist, die sehr energiereichen Wirkungen großer und zerstörerischer Sprengeinrichtungen zu neutralisieren.

Diese beiden Einrichtungen repräsentieren Beispiele von sehr energiereichen Sprengeinrichtungen. Diese Einrichtungen können zum Ausschleudern von Hochgeschwindigkeitsfragmenten führen, was erhebliche Verletzungen und Schaden an Eigentum verursachen kann. Dieses System könnte sowohl von Polizei als auch von militärischen Kampfmitteleinheiten verwendet werden. Es ist ein tragbares System, daß in einer sehr kurzen Zeit positioniert werden kann.

Obwohl Silvex verwendet wurde, um die Bedienung unserer Erfindung darzustellen, ist es Fachleuten verständlich, daß auch viele andere Schaummaterialien verwendet werden können, einschließlich solcher, die biologische/chemische Dekontaminierungsagenzien enthalten, vorausgesetzt, daß sie so formuliert sind, daß sie das erforderliche Expansionsverhältnis und andere verwandte, oben erörterte Eigenschaften aufweisen.