CH652494A5 - Geschoss mit thermoelektrischem generator. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Geschoss der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung.

Ein solches Geschoss ist aus der DE-OS 24 34 700 als Flieger-10 abwehrgeschoss bekannt, bei dem nach dem Abschuss aus einem Waffenrohr eine im hinteren Teil des Geschosses angeordnete pyrotechnische Ladung gezündet wird, um als Strahlungsquelle zum Abstrahlen eines Zielverfolgungsstrahles zu dienen. Zwischen dieser pyrotechnischen Ladung als Wärmequelle und der 15 Sprengladungs-Nutzlast des Geschosses als Wärmesenke ist ein aus in Reihenschaltung miteinander verbundenen Thermoelementen bestehender thermoelektrischer Generator angeordnet, der aufgrund des Wärmegefälles zwischen der gezündeten pyrotechnischen Ladung und der noch nicht gezündeten Spreng-20 ladung eine Thermospannung zum B etrieb einer Schaltanordnung für die Auswertung der Peilstrahl-Information zur Zündauslösung abgibt. Nachteiligbei dieser Ausstattung des Geschosses zur Bereitstellung der elektrischen Energie für den Betrieb der Schaltanordnung ist insbesondere, dass im Geschoss eine eigene, nach dem Abschuss eigens zu zündende, Wärmequelle vorgesehen sein muss, die bei vorgegebenen Geschossabmessungen den für die Nutzlast verfügbaren Raum erheblich verringert; wobei zusätzlicher Aufwand für das Sicherstellen einer Zündung dieser Wärmequelle erst nach Verlassen des Waffenrohres erforderlich ist, um das Geschoss eigensicher zu machen. Diese Lösung rechtfertigt sich deshalb nur in solchen Sonderfällen, da ohnehin für den Betrieb des Geschosses eine nach dem Abschuss aber vor der Detonation in Betrieb zu setzende Wärmequelle vorhanden sein muss, die dann zugleich für die Energiegewinnung zum Betrieb der Schaltanordnung herangezogen werden kann, insoweit die Schaltanordnung nicht vorher schon betriebsbereit sein muss.

In Fällen, da solche Sonderbedingungen nicht gegeben sind, ist es bekannt, in dem Geschoss eine Batterie als Energiequelle für die Schaltanordnung vorzusehen. Nachteilig ist jedoch, dass Batterien im Verhältnis zu ihrer elektrischen Leistung ein sehr grosses Gewicht aufweisen, also die Nutzlast des Geschosses bei gegebenen Randbedingungen verringern, und dass darüberhin-_ aus der zur Detonationsauslösung verfügbare Spitzenstrom bei einer Batterie aufgrund ihres hohen Innenwiderstandes vergleichsweise gering ist. Ausserdem sind lange Lagerzeit (entsprechend der Anforderung an die Funktionsfähigkeits-Zeitdauer von gelagerten Geschossen) ohne unzulässige Selbstentladung überstehende Batterien sehr teuer, und zusätzlicher apparativer 50 und finanzieller Aufwand ist schliesslich für die Eigensicherheit zu treiben, also für die Freigabe der Batterie-Energie an die Schaltanordnung erst nach Austritt des Geschosses aus dem Waffenrohr.

Ferner ist es bekannt, Geschosse mit Piezo-Generatoren aus-55 zustatten, die aufgrund des Staudruckes vor dem Geschoss im freien Flug, also nach Verlassen des Waffenrohres, aktiviert werden. Die dadurch verfügbare Energie reicht aber in der Regel selbt bei Zwischenspeicherung der von den Piezoelementen gelieferten Energie in Kondensatoren nicht aus zum kontinuierlichen Speisen einer elektronischen Schaltanordnung, nur für die Auslösung eines elektrischen Spaltzünders zur Detonationseinleitung.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Geschoss gattungsgemässer Art derart auszubilden, dass es die 65 notwendige Energie für den Betrieb einer komplexen elektronischen Schaltanordnung während des Bewegungsablaufes im freien Fluge zwischen Verlassen des Waffenrohres und Auslösung der Detonation und gegebenenfalls auch schon im Waffen-

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rohr bei vergleichsweise geringem herstellungstechnischem Auf- solchem Masse abzuspeichern, dass im Bereiche hinter dem wand aber hoher Funktionssicherheit erbringt. Leitring im Freiflug ein Temperaturgefälle von innen nach

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein aussen wirksam wird.

Geschoss gattungsgemässer Art gemäss dem kennzeichnenden Bei diesen Lösungsvarianten ergibt sich somit aufgrund der

Teil des Anspruchs 1 ausgestattet ist. 5 Generator-Anregungsgegebenheiten einerseits vor und anderer-

Es bedarf also nicht der Ausstattung des Geschosses mit einer seits nach Verlassen des Rohres ohne zusätzliche Hilfsmassnah-eigens vorzusehenden und zu definiertem Zeitpunkte zu zünden- men ein eigensicheres, hinsichtlich des Generators keiner Alteden Wärmequelle; vielmehr werden die Wärmegefälle von der rung unterliegendes Geschoss, das nach Durchmessen einer Geschoss-Umgebung zum Geschoss ausgenutzt, die durch Brem- gewissen Totzone vor der Waffenrohr-Mündung scharf wird, sen des freien Fluges in der umgebenden Luft und gegebenenfalls "» indem der Generator die Zündungs-Schaltanordnung dann auch beim Abschuss des Geschosses auftreten, also die mit der speist.

Geschoss-Bewegungin Zusammenhang stehenden negativen Für besondere Geschosse, die schon nach der inneren zwi- .

und positiven Beschleunigungsgegebenhelten. sehen etwa 50 und 100 m messenden Kampfzone scharf sein und

Die weiterbildende Losung nach Anspruch 2 beruht auf der die Zündenergie zur Verfügung stellen müssen, ist die Freiflug-

Erkenntnis, dass bei länger fliegenden Geschossen fur die Ener- Totzone vor der Waffenrohr-Mündung auch bei sehr hohen gieversorgung der Schaltanordnung em thermoelektrischer Austrittsgeschwindigkeiten jedoch unter Umständen zu gross.

Generator am geeignetsten wäre der so in das Geschoss emge- Gemäss Weiterbildungen der erfindungsgemässen Lösung ist für baut ist, dass die im freien Flug also zwischen Verlassen des Geschosse derartiger Anwendungsgebiete auf die im Zuge der

Waffenrohres und Auslösung der Detonation, über dem Genera- Beschleunigung bei Abschuss im Waffenrohr auftretende Erwär-

tor sich reibungsbedingt, also verzögerungsbedingt und damit 20 mung dgr Geschoss-Rückseite durch die Pulvergase bei und nach ohne zusätzliche Wärmequelle, einstellenden Wärmegefälle aus- Trennen des Geschosses von seiner Kartusche zur thermo-

genutzt werden. Von besonderen zusätzlichen Massnahmen zur elekrtischen Speisung der Schaltanordnung zurückzugreifen.

Gewährleistung derEigensicherheit kann abgesehen werden, da Dabei beginnt der Generator schon im Waffenrohr zu arbeiten,

die Luft-Reibungswärme erst ausserhalb des Waffenrohres für um auch in kurzer Distanz VQr der Rohrmündung die Zündung das Geschoss und damit zur Erregung des Generators wirksam des Geschosses auslösen zu können. Die thermoelektrische

W1Î~" . ,, , Energiegewinnung selbst kann dann nicht mehr zur eigensiche-

Dabei kann, gemäss in weiteren abhangigen Ansprüchen ren Funktion des Geschosses herangezogen werden. Vielmehr ist angegebenen vorteilhaften Abwandlungen bzw. Weiterbildun- nun auf herkömmliche, beispielsweise auf der Führungsfunktion gen, alternativ oder kumulativ auf verschiedene typische Rei- des Waffenrohres beruhende mechanische Sicherungsmassnah-

bungs-Erhitzungsbereiche am Geschoss zur Ausbildung des 3 men zurückzugreifen. Diese Sicherungsmassnahmen können

Generators zurückgegriffen werden. Vergleichsweise einfache durch die Funktion der vom Thermogenerator gespeisten Schalt-

und funktionsunkritische zusätzliche Massnahmen am Geschoss anordnung ergänzt werden, indem ein Diskriminator eingesetzt mForm einer Ausbildung von Wärmesenken oder Wärmespei- wird> der aufgrund der Tatsache des grossen Spannungsgradien-

chern zur Gewährleistung eines günstigen Wärmegefälles wäh- ten wirksam ist> welcher bd Austritt des Geschosses aus der rend der Freiflugzeit können dabei zweckmässig sein Solche Rohrmündung auftritt, also in einer Betriebsphase des Geschos-

bevorzugten Bereiche zur Ausbildung des thermoelektrischen ses, in der die Geschoss-Rückseite gerade nicht mehr von

Generators für (eigensichere)elektnsche Speisung elektrom- Pulverdämpfen erhitzt, sondern z. B. von Luftwirbeln gekühlt scher Schaltanordnungen im Geschoss während des Geschoss- wird Der dadurch an den Ausgangsklemmen des Thermogene-

Freifluges sind insbesondere der Ubergang von der Geschoss- rators auftretende Spannungssprung bzw. Polaritätssprung kann

Spitze zum angenähert zylindrischen Teil des Geschosses bzw., als Sensorsignal zur Detektion des erfolgten Abschusses inner-

bei Geschoss-Ausbildung mit Spike-Spitze, der unmittelbar vor halb derin das Geschoss eingebauten Schaltanordnung ausge-

der Geschoss-Schulter gelegene Spitzenbereich; und anderer- wertet werden> um über die; schon während der Laufzeit des seits der Bereich hinter einem Granat-Leitnng, also m der Geschosses im Rohr vom Thermogenerator gespeiste, Schaltan-

Nachbarschaft der Würgenlle zur Kartuschen-Befestigung. Ordnung unmittelbar vor der Rohr-Mündung und damit schon im

Im erstgenannten Falle tritt alsbald nach Verlassen des Waf- Nahbereich eine Zündung vorzubereiten.

fenrohres aufgrund der bremsenden Luftreibung während des , ....

gesamten Freifluges eine hohe, je nach Geschoss-Geometrie bis r Der °ene[alT zweckmässigerweise ring- oder scheiben-

zu 600° C oder auch noch höher ansteigende Erwärmung auf. Zur f°rmi§ bzwhohlzylmdnsch oder zylindrisch aufgebaut sein, um

Gewährleistung des Temperaturgefälles kann im Inneren des !hn seParat gellen und dann im Zuge der Geschossfertigung

Geschosses ein hinsichtlich seiner Wärmekapazität auf die Flug- so bzw. der Geschossbeschickung in das Geschoss einfügen oder zeit bemessener Stoff als Wärmesenke vorgesehen sein; während zwischen Geschossteile einbauen zu können.

unzulässige Erhitzung der heissen Seiten der Thermoelement- Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehen-

oder Peltier-Materialpaarungen des Generators durch eine um- der Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf gebende thermische Abschirmung verhinderbar ist. Im Falle der das Wesentliche vereinfacht dargestellten bevorzugten Ausfüh-

Ausnutzung der Schulter-Erwärmung bei Geschoss-Ausbildung 55 rungsbeispielen zur erfindungsgemässen Lösung. Es zeigt:

mit Spike-Spitze kann das Temperaturgefälle über der Längser- Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, ein für längere

Streckung des Spike für die Anregung des Generators ausgenutzt Freiflugstrecken bestimmtes Geschoss mit angesetzter Hülse vor werden, ohne dass es einer zusätzlichen Ausbildung einer Wär- dem Abschuss, bei Anordnung seines thermoelektrischen Gene-

mesenke bedürfte. Im Falle der zweitgenannten Alternative wird rators in der Geschoss-Spitze die Tatsache einer Temperaturgradientenumkehr am Geschoss- 60 Fig. 2 in Prinzip-Darstellung die Speisung eines Schaltungstei-

Generator bei Verlassen des Waffenrohres ausgenutzt, da der les der Geschoss-Schaltanordnung aus einem aus Thermoele-

hinter dem Leitring gelegene Teil des Geschosses im Rohr noch menten aufgebauten thermoelektrischen Generator, entspre-

mit den heissen Pulverdämpfen der Kartuschen-Treibladung chend Fig. 1,

beaufschlagt ist, nach Verlassen des Waffenrohres aber durch Fig. 3 in Abwandlung der Gegebenheiten gem. Fig. 1 die

Verwirbelungen hinter dem Leitring gekühlt wird. Bei dieser 65 Ausbildung des Generators im Bereich des Überganges von der

Lösungsvariante gemäss der Erfindung ist es also lediglich erfor- Geschoss-Spitze zum zylindrischen Teil des Geschosses,

derlich, die Pulverdampf-Energie noch vor Verlassen des Waf- Fig. 4 die Generator-Anordnung nach Fig. 3 gemäss den fenrohres im rückwärtigen Bereich des Geschoss-Inneren in Schnitt-Sichtpfeilen IV-IV in Fig. 3,

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Fig. 5 eine Generator-Ausbildung im rückwärtigen Teil des Geschosses hinter seinem Leitring,

Fig. 6 eine abgewandelte Generator-Ausbildung bei einem Geschoss mit Spike-Spitze,

Fig. 7 in Anlehnung an die Einbau-Gegebenheiten nach Fig. 5 einen Generator bei einem Geschoss, das schon innerhalb der sog. inneren Kampfzone zündbereit sein muss,

Fig. 8 die Anordnung der Thermoelementpaare gemäss dem Schnitt-Sichtpfeil Vili-VIII in Fig. 7 und

Fig. 9 in Abwandlung der Gegebenheiten gem. Fig. 2 eine auch Sicherungsfunktionen übernehmende Schaltanordnung für einen Thermogenerator gem. Fig. 7/Fig. 8, der die Schaltanordnung schon während des Geschoss-Abschusses im Waffenrohr speist.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht, teilweise aufgebrochen, ein Geschoss 1 mit Hülse 2 zur Aufnahme einer Kartuschen-Treibla-dung 3. Im rückwärtigen Bereich seines Zylindermantels 4 ist das Geschoss 1 von einem Leitring 5 umgeben, der aufgrund Zusammenwirkens mit dem Zug in der Innenmantelfläche eines Waffenrohres (in der Zeichnung nicht dargestellt) das abgeschossene Geschoss 1 mit dem für die Richtungsstabilität erforderlichen Granatdrall versieht.

Hinter dem Leitring 5 ist im Zylindermantel 4 des Geschosses 1 wenigstens eine peripher umlaufende Würgerille 6 ausgebildet, die der form- und kraftschlüssigen Befestigung des vorderen Bereiches der Hülse 2 am Geschoss 1 dient, wenn es sich, wie im dargestellten Beispielsfalle, um ein einstückig in das Waffenrohr einzugebendes Projektil handelt; im anderen Falle ist das Projektil zweiteilig aus Geschoss 1 und Hülse 2 ohne die dargestellte gegenseitige Befestigung ausgebildet.

Das Innere des Geschosses 1 beherbergt im wesentlichen einen Nutzlastraum 7, insbesondere zur Aufnahme von Zünd- und Sprengmaterial. Im vorderen, konisch sich verjüngenden Bereich des Geschosses 1 ist eine Schaltanordnung 8 untergebracht, die insbesondere der Bereitstellung bzw. Lfm Wandlung elektrischer Energie für die Verarbeitung von Signalen von Sensoren zur Bestimmung des Zündzeitpunktes und der Zündauslösung dient. Für die Gewinnung dieser elektrischen Energie ist ein thermischer Generator 9 im Bereiche der Geschoss-Spitze 10 angeordnet. Vor dem Generator 9 kann thermisch beständiges, gut wärmeleitendes Verstärkungsmaterial 11 angeordnet sein, in dem beispielsweise auch Sensoren für die Zündauslösung angeordnet sein können. Hinter dem Generator 9, bezogen auf die Längsachse 22 und Flugrichtung des Geschosses 1, ist eine Wärmesenke 12 hoher Wärmekapazität angeordnet. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Behälter aus schlecht wärmeleitendem Material handeln, der mit einer Flüssigkeit, z.B. destilliertem Wasser, gefüllt ist.

Nach Abschuss des Geschosses 1, wenn dieses sich also von der Hülse 2 getrennt und das Waffenrohr verlassen hat, entsteht aufgrund des Luftwiderstandes im freien Fluge des Geschosses 1 vor der Geschoss-Spitze 10 ein Wärmestau, der über das Verstärkungsmaterial 11 auf die heisse Seite 13 (vgl. Fig. 2) des Generators 9 übertragen wird, dessen kalte Seite 14 gegen die Wärmesenke 12 anliegt. Der Generator 9 selbst besteht im wesentlichen aus einer verpressten Masse hitzebeständigen, durch schlechte Wärmeleitung das Temperaturgefälle über dem Generator 9 möglichst gut aufrechterhaltenden Materials 15 (z. B. handelsüblicher aushärtbarer Giesskeramik), in das Elementpaare 16, für die Umsetzung des Temperaturgefälles (zwischen der heissen und der kalten Seite 13/14) nach dem Peltier- oder Seebek-Effekt in eine elektrische Spannung, eingebettet sind. Die Generator-Elementpaare 16 sind - zumindest teilweise, wie in Fig. 2 dargestellt - in Serie geschaltet, um zwischen zwei Ausgangsanschlüssen 17 die Thermospannung abgreifen zu können. Diese Thermospannungkann die Komponenten der elektrischen Schaltanordnung 8 unter Zwischenschaltung eines schon bei kleinen Anregespannungen anschwingenden Spannungsverviel-fachers 47 betreiben, oder aber direkt auf Schaltungsteile 18

gegeben werden. Um bei diesen Schaltungsteilen, beispielsweise beschalteten Operationsverstärkern, mit kleinen Betriebsspannungen auskommen zu können, ist es zweckmässig, die Serienschaltung der Elementpaare 16 mit einem Mittenabgriff 19 auszustatten, der mit dem Referenzpotential-Anschluss 20 der Schaltungsteile 18 verbunden wird, die eine bipolare Spannungsversorgung bedingen.

Die von der Spitze 10 bzw. vom Verstärkungsmaterial 11 durch den Generator 9 hindurchtretende Wärmemenge wird von der Wärmesenke 12 aufgenommen, so dass sich während der Betriebsdauer dieses thermischen Generators 9 dessen kalte Seite 14 nicht merklich erwärmt, also das Temperaturgefälle für die Erzeugung der Thermospannung im wesentlichen aufrecht erhalten bleibt. Besonders zweckmässig ist es, im verpressten Material 15 des Generators 9 die Elementpaare 16 als Peltier-Elemente auszubilden, da diese einen besonders hohen Wärmeübergangswiderstand aufweisen und dadurch die Aufheizung der als thermisches Gegengewicht dienenden Wärmesenke 12 verzögern, was den raumsparenden Einbau einer räumlich kleinen Wärmesenke 12 ermöglicht. Ausserdem stellen Peltier-Elemente selbst bereits räumlich kleine Elementpaare 16 dar, die schon bei mässiger Temperaturdifferenz in der Grössenordnung von etwa 150° Celsius eine Leerlaufspannung in der Grössenordnung von 0,5 V erzielbar machen. Eine kritische Übererhitzung der Peltier-Elemente als den Elementpaaren 16 ist konstruktiv leicht ausschliessbar, indem einerseits das Verstärkungsmaterial 11 in der Geschoss-Spitze 10 entsprechend gewählt wird und darüberhinaus die Erstreckung der Elementpaare 16 im Generator 9 nicht bis in die Nähe des Wandungsbereiches des Geschosses 1 geführt wird, bzw. indem dort der Generator 9 von einem thermischen Abschirmring 21 umgeben wird. Im verpressten Material 15 können die Elementpaare 16 spiral- oder kreisförmig angeordnet sein. Wenn zur Erhöhung der verfügbaren Ausgangsleistung des Generators 9 einzelne Serienschaltungen gruppenweise parallel geschaltet werden sollen, ist es, im Interesse funktonssicherer elektrischer Verbindungen untereinander, zweckmässiger, auch die Elementpaare 16 entsprechend zu gruppieren. Werden die Schaltungsteile 18 gemäss der Darstellung in Fig. 2 nicht direkt aus dem Generator 9, sondern über einen Spannungsvervielfacher 47 gespeist, dann kommt man mit relativ wenigen Elementpaaren 16 aus, wenn der Vervielfacher 47 mit Halbleiter-Bauelementen auf Siliziumbasis realisiert ist, weil der bei Überschreiten einer definiert-niedrigen Generatorausgangsspannung (typisch 0,6 V) nahezu schlagartig zu schwingen beginnt, also die Versorgungsspannung für die Schaltungsteile 18 liefert.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist im Ausführangsbeispiel nach Fig. 3 der thermische Generator 9' hinsichtlich seines Temperaturgradienten nicht mehr parallel, sondern quer zur Flugrichtung und damit Längsachse 22 des Geschosses 1 orientiert. Die Elementpaare 16 sind also nun (vgl. Fig. 4) radial, also sternförmig, in das verpresste Material 15 eingelagert, das als Generator-Ring 23 die Wärmesenke 12 konzentrisch umgibt, bei der es sich wieder um einen Behälter, bevorzugt aus elektrisch isolierendem Material, mit einer Füllung hoher Wärmekapazität, z.B. mit Flüssigkeitsfüllung, handeln kann. Die kalten Verbindungspunkte 14 der Elementpaare 16 stehen mit der Wärmesenke 12 thermisch in Verbindung; deren heisse Verbindungspunkte 13 liegen, elektrisch gegeneinander isoliert, unmittelbar unter der Geschosswandung 24, oder sie ragen zur besseren thermischen Verbindung mit der umgebenden Lufthülle in Ausnehmungen 25 in der Geschosswandung 24 hinein, wie in Fig. 5 beispielhaft dargestellt.

Der ringförmige Generator 9' gem. Fig. 3/Fig. 4 kann sternförmige Anordnungen von Elementpaaren 16 in mehreren zueinander parallelen Ebenen quer zur Geschoss-Längsachse 22 aufweisen. Dieser ringförmige Generator9' ist im Übergangsbereich 26 zwischen der Geschoss-Spitze 10 und dem Geschoss-Zylinder-

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mantel 4 in das Geschoss 1 eingebaut, also in einem Bereich, in dem bei freiem Flug nach Abschuss des Geschosses 1 aus einem Waffenrohr aufgrund der Strömungsgegebenheiten sich ein Wärmestau einstellt und damit die grösste Erwärmung in Bezug auf die angenähert konstante Temperatur der Wärmesenke 12 auftritt. Diese Temperatur im Übergangsbereich 26 erreicht etwa 600°C. Die thermischen Eigenschaften des verpressten Materials 15 des Generators 9 ' sowie der Wärmesenke 12 sind darauf abzustellen, dass die Flugzeit eines solchen Geschosses 1 etwa 6 bis 8 Sekunden beträgt, innerhalb derer das Temperaturgefälle von der heissen Seite 13 zur kalten Seite 14 des Generators 9 nicht wesentlich abgebaut werden darf, um auch am Ende der Flugzeit und möglichst ohne das Erfordernis, elektrische Energie Zwischenspeichern zu müssen, noch die erforderliche Betriebsspannung für die Schaltanordnung 8 unmittelbar als Klemmenspannung des thermischen Generators 9' oder aber über den zwischengeschalteten Spannungsvervielfacher 47 verfügbar zu haben.

Im in Fig. 3/Fig. 4 dargestellten Ausführungsfalle wird der Generator 9' von einem Detonator 27 durchragt, der einerseits an die Zündschaltungsteile der Schaltanordnung 8 angeschlossen ist und andererseits in den Nutzlastraum 7 hineinragt, um zu gegebener Zeit die dort befindliche Ladung zu zünden. In der Spitze 10 ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 vor der Schaltanordnung 8 noch eine Aufschlag-Auslöseeinrichtung 28 vorgesehen, die über Teile der Schaltanordnung 8 mit Detonator 27 funktionell in Verbindung steht; statt dessen oder zusätzlich können in diesem vorderen Bereich auch Sensoren für die Funktion des Geschosses 1 angeordnet werden, die nicht im Bereiche der Schaltanordnung 8 untergebracht sind.

Der Generator-Aufbau gem. Fig. 4 mit Anordnung gem. Fig. 3 (oder gem. der unten noch zu erläuternden Fig. 5) eignet sich insbesondere für herkömmliche Thermoelement-Materialpaarungen, die zwar eine geringere thermoelektrische Empfindlichkeit, als Peltier-Elemente, aufweisen, dafür aber bei höherer Temperatur betreibbar sind; es erübrigen sich also Schutzmassnahmen gegen thermische Zerstörung des Generators 9, vielmehr kann die maximal auftretende Reibungswärme in der Umgebung des Geschosses 1 für die thermoelektrische Energieerzeugung unmittelbar und mittels billiger Materialien genutzt werden.

Auf eine gleichartige Realisierung des Generators 9' als Ring 23, wie in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, bezieht sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Dort ist der Generator 9" im Bereiche des rückwärtigen Endes des Geschosses 1, also beispielsweise im Bereiche der Würgerille 6 und jedenfalls hinter dem Granat-Leitring 5, angeordnet. Der Generator-Ring 23' umgibt nun jedoch keine Wärmesenke 12, sondern einen Wärmespeicher 29, beispielsweise einen Block aus schamotte-ähnli-chem Material. Bei dieser Lösungsvariante wird für die thermische Spannungserzeugung nicht die Reibungswärme der Umgebungsluft an der Geschosswandung 24 ausgenutzt, sondern die im Zuge des Abschusses des Geschosses 1 aus dem Waffenrohr von der Kartuschen-Treibladung 3 (vgl. Fig. 1) in den Wärmespeicher 29 übertragene Wärmeenergie der Treibgase, die ihre Wärmeenergie im Waffenrohr hinter dem Leitring 5 des von der Hülse 2 (vgl. Fig. 1) abhebenden Geschosses 1 freigeben.

Im Gegensatz zu den Verhältnissen gem. Fig. 4 liegen beim Generator-Ring 23' nach Fig. 5 nun die kalten Seiten 14 der Elementpaare 16 aussen, also an der Peripherie des Zylindermantels 4 hinter dem Leitring 5 ; während deren heisse Seiten (in Fig. 5 nicht dargestellt) mit dem Wärmespeicher 29 thermisch in Verbindung stehen. So lange das Geschoss 1 noch im Waffenrohr vorbewegt wird, beaufschlagen die heissen Treibgase die äussere Peripherie des Generator-Ringes 23' unmittelbar, dagegen die inneren Verbindungspunkte der Elementpaare nur über den zwischengeschalteten Wärmespeicher 29. Während dieser Abschusszeitspanne sind die aussenliegenden Verbindungs25

punkte 14 der Elementpaare also einer gleichgrossen oder sogar grösseren Erwärmung ausgesetzt als die innenliegenden; das heisst, es steht an den Ausgangsanschlüssen 17 des thermischen Generators 9" während des Abschusses noch keine Thermospan-5 nungan, oder aber eine Thermospannung mitin Bezug auf die späteren Betriebsgegebenheiten umgekehrter Polarität. Jedenfalls dann, wenn es sich bei den Schaltungsteilen 18 bzw. ggf.

beim vorgeschalteten Spannungsvervielfacher 47 um Bauelemente mit gepoltem Betriebsverhalten handelt (in Fig. 2 durch 10 gestrichelt dargestellte, vorgeschaltete Betriebsspannungs-Richtleiter 30 zum Ausdruck gebracht), dann erfolgt eine Aktivierung noch nicht in der kritischen Zeitspanne, in der das Geschoss 1 sich durch das Waffenrohr vorbewegt. Nach Verlassen des Waffenrohres dagegen, also bei freiem Flug des Geschos-15 ses 1, treten hinter dem Leitring 5 Luftverwirbelungen auf, die zu einer Kühlung des dort gelegenen Bereiches des Zylindermantels 4 und damit auch der kalten Seite 14 des Generators 9" führen. Dagegen gibt der im Rohr aufgeheizte Wärmespeicher 29 seine Wärme nun an die innenliegenden heissen Verbindungsstellen 20 der Elementpaare ab, und es stellt sich (im Gegensatz zu den Verhältnissen nach Fig. 3) nun einTemperaturgefälle von innen nach aussen ein; das heisst, an den Ausgangsanschlüssen des Generators 9" steht eine Thermospannung mit der Polarität entsprechend der Durchlasspolung der Richtleiter 30 (vgl. Fig. 2) an. Da an der Rückseite 31 des Geschosses 1 im freien Flug praktisch Vakuum herrscht, tritt hier während der kurzen Betriebszeit des Generators 9" (nämlich während der freien Flugzeit des Geschosses 1 bis zur zur Detonation) praktisch kein ^ Wärmeverlust aus dem Wärmespeicher 29 auf.

Zum raschen Einleiten der Wärme der Treibgase in den Wärmespeicher 29 bei gleichzeitiger Gewährleistung eines in Bezug auf die Geometrie der Elementpaare wünschenswerten Wärmeprofiles im Wärmespeicher 29 kann es zweckmässig sein, 35 wie in Fig. 5 beispielhaft berücksichtigt, Wärmeleitkörper 32 in Form von Stangen und/oder Blechen, gegebenenfalls mit gestaffelter Tiefenausdehnung, in den Wärmespeicher 29 einzusetzen, deren freie oder sogar aus der Geschoss-Rückseite 31 vorragenden Enden unmittelbar von der Treibgas-Hitze beaufschlagt 40 werden und eine gezieltere und raschere Wärmeleitung in den Bereich des Generator-Ringes 23' ermöglichen, als durch das Material des Wärmespeichers 29 selbst hindurch.

Insbesondere in den Fällen einer Ausbildung des Generators 9,9' bzw. 9" als Ring 23 bzw. 23' ist es zweckmässig, diesen als 45 eigenständiges Bauteil zu fertigen, das im Zuge der Komplettierung des Geschosses 1 in dessen Innenraum eingesetzt wird oder, im Falle eines mehrteilig aufgebauten Geschosses 1, durch Ver-schrauben oder sonstige kraft- und/oder formschlüssige Bindung zwischen die Geschossteile eingefügt wird.

50 Ein abgewandelter Generatoraufbau ist in Fig. 6 für den Fall einer Geschossausbildung mit einer ausgeprägten Schulter 33 hinter einer Spitze 34 in Form eines rohrförmigen Zündabstands-halters symbolisch vereinfacht dargestellt. Hier bedarf es weder besonderer Massnahmen zur Ausbildung einer Wärmesenke, 55 noch der Bereitstellung eines Wärmespeichers; denn aufgrund örtlich sehr konzentrierter, überaus hoher Erhitzung der Schulter 33 selbst und des unmittelbar angrenzenden Endes der Spitze 34 tritt im freien Fluge des Geschosses 1 in Längsrichtung der Spitze 34 ein unmittelbar für die Anregung des Generators 9 " ' 60 ausreichendes Temperaturgefälle auf. Zur Spannungserzeugung ist hier ein Generator-Wickel 35 vorgesehen, nämlich eine Banderole aus handelsüblichen Thermoelementen in Folienform, deren heisse Seiten 13 zur Schulter 33 hin orientiert sind. Dabei sind diese Thermoelement-Folien 36, wie in der Zeich-65 nung berücksichtigt, zweckmässigerweise in eine Nut 37 in der Aussenwandung der Spitze 34 eingelegt, um das strömungstechnische Verhalten des Geschosses 1 möglichst nicht zu beeinflussen. Diese Wickel-Ausbildung ermöglicht die Unterbringung

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von Elementpaaren in sehr grosser Anzahl auf kleinstem Raum, Anstelle des Aufbaues dieses spiralförmigen Generators 9" " aus also die Gewinnung einer hohen Generator-Leerlaufspannung. einzelnen Elementpaaren 16 kann aber auch hier wieder eine

Insbesondere die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis Fig. 4 Elementfolie 36 Anwendung finden, die unter Zwischenlage und Fig. 6, aber auch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, eignen verpressten Materials 15 (wie in Fig. 8 skizziert) oder als dichter sich für Geschosse mit vergleichsweise grosser, bis zu einigen 100 5 Wickel in das rückwärtige Ende des Geschosses 1 eingebracht ist.

Metern betragender taktischer Reichweite und dementspre- , . . „ ,

chend mit einer Freiflugzeit nach Verlassen des Waffenrohres in „ Wl® sch°n ™ Zusammenhang mit Fig. 2 dargelegt, tritt ander der Grössenordnung von 1,5 Sekunden und mehr. Der beschrie- Geschoss-Rückseite 31 eine sprunghafte-Verringerung derTem-

bene Generator-Aufbau und -Einbau ist, zumal nach Fig. 1 bis peraturbeaufschlagung auf wenn die heissen Verbrennungsgase

Fig. 4 und Fig. 6, für Langzeitversorgung optimal geeignet, also io der Treib adung 3 das Geschoss lunter axialer Abtrennunpon wennesaufeinemöglichstbegrenzteTotzonezwischen Verlas- der TreAladungs-Hulse 2 aus dem Waffenrohr herausgeschoben sen des Waffenrohres und Zündbereitschaft nicht ankommt. ^abf1V 19'st em Beisfiel dafur'wie der entsprechende

Andererseits gibt es schnellfliegende, für die sog. innere Kampf- Verlauf der Generator-Ausgangsspannung als Sensor-Informa-

zone bestimmte Geschosse, die beispielsweise nach nur tion fur die Tatsache des erfolgten Abschusses aus dem Rohr und

0,1 Sekunden Freiflugzeit bzw. innerhalb einer Reichweite von 15 damit-nebenderrohrgebundenenmechanischen-alszusatzli-

50... 100 m die Zündenergie für eine Detonation bereithalten cheEntsicherungseinrichtungheranziehbanst.ZumBetneb,

müssen oder wemgstens für Betriebsbereitschaft, schon bevor das

Für solche abgewandelten Einsatzfälle ist es zweckmässig, die Geschoss laus dem Waffenrohr austritt, ist die Schaltanordnung Verwendung eines Generators ähnlich demjenigen nach Fig. 5 8 ' Sem' d™ktA "der über einen vorgeschalteten Span-derart abzuwandeln, dass - unter Beibehaltung der herkömmli- 20 nungsvervielfacher 47 gemäss Figur 2 mit der Thermospannung chen beispielsweise mechanischen Sicherungsmassnahmen wäh- als Betriebsspannung beaufschlagt, die der Generator 9" auf-renddesVortriebsdesGeschossesdurchdasWaffenrohr-schon grund Aktivierung durch die heissen Treibpulvergase liefert, die Wärmebeaufschlagung des Thermo-Generators im Waffen- Unmittelbar nach Austritt des Geschosses 1 aus dem Waffenrohr rohr durch die heissen Treibgase der Kartusche zur Energiever- sinkt die Wärmebeaufschlagung der Geschoss-Rückseite 31 (vgl. sorgung der im Geschoss enthaltenen Schaltanordnung herange- 25 Fig. 7) und damit die vom Generator 9' gelieferte Ausgangszogen wird, also nicht erst ein bestimmtes während Freifluges Spannung stark ab, was über einen Polaritätsdiskriminator 39 nachVerlassenderRohröffnungüberdem Geschoss auftreten- beispielsweise in Form einer Reihenschaltung aus einem Diffe-des Wärmegefälle zur Aktivierung der Schaltungs-Speisung aus renzierglied 40 und einer für den entsprechenden Differentia-dem Generator abgewartet wird. tionsspannungsimpuls durchlässig geschalteten Diode 41-zu

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist, in Anlehnung an die 30 e'nem Steuersignal an einem Scharf-Eingang 42 der bereits

Darstellung nach Fig. 5 unter Berücksichtigung von Fig. 1, in betriebsbereiten Schaltanordnung 8' übermittelt wird. Dem

Fig. 7 dargestellt. Der thermische Generator 9" " ist, parallel zur Scharf-Eingang 42 ist der Setzeingang 43 einer Kippschaltung 44

Geschoss-Längsachse 22 orientiert, im rückwärtigen Bereich des nachgeschaltet, die infolge Betriebsbereitschaft der Schaltanord-

Geschosses 1 etwa zwischen dessen Leitring 5 und seiner der nung 8 vorbereitet wurde und beim Setzen vom Scharf-Eingang

Kartuschen-Treibladung 3 (siehe Fig. 1) zugewandten Rückseite 35 41 ^er eine Freigabeinformation an eine (nicht näher darge-

31 angeordnet. Gegen unmittelbare zerstörende Einwirkung der stellte'z- B- elektronische oder elektromechamsche) Zündein-

heissen Treibladungs-Pulverdämpfe während des Abschiessens nchtung übermittelt.

des Geschosses 1 im Waffenrohr (in der Zeichnung nicht darge- Falls aufgrund der thermischen Gegebenheiten im Bereiche stellt) ist hinter der heissen Seite 13 der Thermoelement-Paare 16 ^ des rückwärtigen Endes des Geschosses 1 nach Austritt aus dem eine thermische Schutzschicht 38 aus hitzebeständigem und Waffenrohr eine Umkehrung der Warm-Kalt-Beaufschlagung zugleich elektrisch isolierendem Material vorgesehen. Die kalten der Thermoelement-Paare 16 und damit eine Umpolung der Seiten 14 der Thermoelement-Paare 16 sind zum Nutzlastraum 7 Ausgangsspannung des Generators 9" " auftritt, ist es zweckmäs-des Geschosses 1 hin orientiert und liegen gegen eine Wärme- sig5 die Speisung der Schaltanordnung 8' aus dem Generator 9" ' ' senke 12 an, als die die metallische Masse einer bei solchem ^ über eine Gleichrichterbrücke 45 vorzunehmen, damit die Spei-Geschoss 1 ohnehin vorgesehenen mechanischen Sicherungsein- sepolarität aufrechterhalten bleibt. Ein nachgeschalteter Speirichtung (z.B. eine Uhrwerksplatine oder eine aus der Zünd- cherkondensator 46 kann vorteilhaft sein, um während der Wirkungskette herausschwenkbare Trennplatte zwischen Deto- Polaritätsumkehr der Generator-Ausgangsspannung, also wäh-nator und Übertragungsladung; in der Zeichnung nicht näher rend Durchquerens des Generator-Totbereiches unmittelbar vor dargestellt) herangezogen sein kann. der Waffenrohr-Öffnung, die Betriebsspannung für die Schaltan-

Für eine gute Raumausnutzung im Interesse hohen thermoe- ordnung 8' ununterbrochen zur Verfügung zu halten, lektrischen Wirkungsgrades des Generators 9 "" sind die Ther-

moelement-Paare 16, wie in Fig. 8 in der Rückansicht dargestellt, Sind mehrere Generatoren 9 an verschiedenen Bereichen des zweckmässigerweise spiralförmig zu einem Zylinder gruppiert, Geschosses 1 ausgebildet, dann kann die Schaltanordnung 8' von wobei in den Zwichenräumen handelsübliche temperaturbestän- diesen parallel gespeist werden, so dass sie schon während des dige Giesskeramik als formhaltendes verpresstes Material 15 55 Abschusses des Geschosses 1 und nach einem sehr kurzen

(z.B. KAGER-Aluminiumoxyd-Keramik) eingegossen ist, die Mündungs-Totbereich danach auch während längerer Flugzeit in dann unter Halterung der Thermoelement-Paare 16 aushärtet. Betrieb ist.

M

2 Blatt Zeichnungen

Claims (17)

652 494 PATENTANSPRÜCHE

1. Geschoss mit thermoelektrischem Generator zum Betrieb einer Schaltanordnung im Geschoss, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (9) über Bereichen ausgebildet ist, über denen betriebs-beschleunigungsbedingt Temperaturgefälle auftreten.

2. Geschoss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (9,9', 9" ') über Bereichen ausgebildet ist, über denen im wesentlichen bedingt durch Freiflug-Reibungsverzöge-rung Temperaturgefälle auftreten.

3. Geschoss nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (9) in der Geschoss-Spitze (10) eingebaut ist.

4. Geschoss nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch zusammengeschaltete Generator-Elementpaare (16) sternförmig in wenigstens einer Ebene angeordnet sind, die sich etwa quer zur Geschoss-Längsachse (22) erstreckt.

5. Geschoss nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementpaare (16) im Bereich des Überganges von der Geschoss-Spitze (10) zum Geschoss-Zylindermantel (4) eine Hohlzylinderwandung aus thermisch isolierendem Material (15) durchsetzen, das eine Wärmesenke (12) umgibt.

6. Geschoss nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementpaare (16) im Bereiche hinter einem Geschoss-Leitring (5) angeordnet sind und einen Wärmespeicher (29) umgeben, der mit Freiflächen dem Anschlussbereich für eine Antriebshülse (2) zugewandt ist.

7. Geschoss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (9") zwischen einem thermisch isolierenden Geschoss-Anschlussteil und einem Wärmespeicher (29) eingebettet ist, dessen vom Generator (9") abgewandter Bereich einer Antriebshülse (2) zugewandt ist.

8. Geschoss nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (29) mit Wärmeleitkörpern (32) ausgerüstet ist.

9. Geschoss nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektrisch zusammengeschaltete Generator-Elementpaare (16) sternförmig in wenigstens einer Zylindermantelfläche angeordnet sind, die konzentrisch zur Geschoss-Längsachse (22) an einer Spitze (34) vor einer Geschoss-Schulter (33) gelegen ist.

10. Geschoss nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator als Wickel (35) aus Thermoelement-Folien (36) ausgebildet ist.

11. Geschoss nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (9" ") mit seinen Warm-Kalt-Thermoelement-paaren (13 -14; 16) parallel zur Geschoss-Längsachse (22) orientiert und mitzur Geschoss-Rückseite (31) gelegener heisser Seite (13) im Geschoss (1) angeordnet ist.

12. Geschoss nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (9" ") ein zu einem Zylinder spiralförmig angeordneter Wickel (35) aus Elementpaaren (16) ist.

13. Geschoss nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass den kalten Seiten (14) der Elementpaare (16) im Geschoss (1) eine Wärmesenke (12) zugeordnet ist.

14. Geschoss nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als die Wärmesenke (12) eine metallische Zünder-Sicherheitsein-richtung des Geschosses (1) ausgebildet ist.

15. Geschoss nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (9) als vorgefertigtes Bauteil im Geschossinneren oder zwischen Geschossteilen angeordnet ist.

16. Geschoss nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (9" ") ein Polari-tätsdiskriminator (39) nachgeschaltet ist, der an einen Scharf-Eingang (42) der Schaltordnung (8') geführt ist.

17. Geschoss nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Generator (9) ein Spannungsvervielfacher (47) nachgeschaltet ist.