DE10001519A1

DE10001519A1 - Einrichtung zur Lenkung eines rollenden Flugkörpers

Info

Publication number: DE10001519A1
Application number: DE10001519.0A
Authority: DE
Inventors: Walter Hetzer; Rüdiger Lenz
Original assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 2000-01-15
Filing date: 2000-01-15
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung ist eine Einrichtung zur Lenkung eines rollenden Flugkörpers mittels eines flugkörperfest angeordneten, optomechanisch rollentkoppelt abbildenden Mosaikdetektors bzw. Sensorarrays. Dadurch wird am rollenden Detektor ein quasi rollstabilisiertes Bild erzeugt, wodurch in den ebenfalls flugkörperfesten Bild- und Bordrechnern eine sehr effiziente, vorteilhafte Lenkkommandoerzeugung und Flugzustandsregelung ermöglicht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Lenkung eines rollenden Flugkörpers.
Zur Erhöhung der Störsicherheit werden bei Flugkörper(FK)-Zielsuchköpfen zunehmend unmittelbar abbildende Infrarot(IR)-Sensorarrays (mit z. B. 128×128 Pixel) verwendet, wie z. B. in der DE 36 43 276 A1 offenbart. Diese Infrarot(IR)-Arrays müssen jedoch unter Zuführung eines gasförmigen Mediums (Stickstoff oder Argon) durch Anwendung des Joule-Thomsen-Effektes auf Tieftemperatur gekühlt werden.
Innerhalb der zur Bilderzeugung erforderlichen Integrationszeit (typisch 1 ms) führen Rollbewegungen des Sensors zu winkelgeschwindigkeitsabhängigen Pixel-Verwischungen. Um diese Verwischungen hinreichend klein zu halten, wird – insbesondere bei rollenden Flugkörpern – eine rollentkoppelte Sensoranordnung (z. B. durch aktive Rollstabilisierung) unverzichtbar erforderlich.
Dies zieht gravierende technische Erschwernisse nach sich: Die Zuführung des Kühlgases und die Auslesung der (wegen des niedrigen Signalpegels und der erheblichen Leiterzahl) störempfindlichen Detektorsignale hat über beliebig große Verdrehwinkel von/zu den flugkörperfest zugeordneten Baugruppen (Hochdruckgasbehälter/Bildrechner) zu erfolgen. Realisierungstechnisch sind geeignete Problem-Lösungen (z. B. Drehkupplung/Schleifringe) teuer sowie hinsichtlich Einbauvolumen und Funktionszuverlässigkeit unter militärischen Anforderungen unbefriedigend.
Darüber hinaus ist aus der DE 42 18 600 C2 eine Einrichtung zur Bestimmung von Bewegungsgrößen eines Flugkörpers bekannt. Ein bilderfassender Sensor ist flugkörperfest angeordnet. Aus dem optischen Fluß der vom Sensor erfaßten Bilder sind durch ein neuronales Netzwerk Daten erfaßbar, die die Bewegungsgrößen des Flugkörpers wiedergeben.
Es ist jedoch aus dem Stand der Technik keine Einrichtung bekannt, mit der zuverlässig und auf einfache Weise ein rollender Flugkörper gelenkt werden kann.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, mit der ein rollender Flugkörper zuverlässig und auf einfache Weise gelenkt werden kann und die vorstehend erwähnten Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Einrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In der erfindungsgemäßen Einrichtung wird der Detektor nicht entrollt flugkörperfest angeordnet. Dadurch wird am rollenden Detektor ein quasi rollstabilisiertes Bild erzeugt, wodurch in den ebenfalls flugkörperfesten Bild- und Bordrechnern eine sehr effiziente, vorteilhafte Lenkkommandoerzeugung und Flugzustandsregelung ermöglicht wird.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.
Es zeigen:
1 ein Konstruktionsschmea des erfindungsgemäßen Suchkopfes und
2 ein Blockbild der erfindungsgemäßen Einrichtung.
Im folgenden wird der Gegenstand der Erfindung anhand eines Konstruktionsschemas eines erfindungsgemäßen Suchkopfes (1) und eines Blockschaltbilds (2) beschrieben.
An einem nicht rollenden Geräteträger 10, der in bekannter Weise mittels Torquer bzw. Rollentkopplung 15 und Wendekreisel 14 aktiv rollstabilisiert ist, wird in Flugrichtung des Suchkopfes ein optisches Drehkeilsystem 1 angeordnet, mit dem unter kompaktester Bauweise die Blickrichtung der Suchkopfoptik innerhalb eines festgelegten Kegels beliebig eingestellt werden kann.
Das dargestellte, aus zwei korrigierten Ablenkprismen mit kleinen brechenden Winkeln bestehende Drehkeilsystem 1 ist aus Optiktaschenbuch für Konstrukteure, Hanser Verlag 1983 bekannt.
In der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die mechanischen Drehkeillagerungen (4-Punktlagerungen) 19 inklusive des zur Verstellung notwendigen Keil-Servosystems (Keilservos 11#1, 11#2) am nicht rollenden Geräteträger 10 angebracht. Dadurch werden die beiden Keil-Servos 11#1 und 11#2, die nicht näher beschriebene, bekannte elektromechanische Positionssteller sind, hinsichtlich des Leistungsbedarfs erheblich entlastet, was eine kleine, leichte und anforderungskonform optimierte kostengünstigere Bauweise ermöglicht.
Weiterhin ist in der erfindungsgemäßen Einrichtung im entrollten Strahlengang zwischen Drehkeilsystem 1 und flugkörperfest rollendem Detektor 3 ein relativ zum Strahlengang rotationsgelagertes optomechanisches Derotationssystem angebracht, das stets synchron um die Hälfte des zwischen Flugkörper FK und Geräteträger 10 auftretenden Rollwinkels in gleicher Richtung bewegt wird. Im dargestellten Fall wird – wegen der eleganten Bauweise – zur Derotation ein bekannter Prismensatz nach Schmidt/Pechan 2 eingesetzt.
Der Antrieb der Derotationsoptik 2 erfolgt mittels eines Halbiergetriebes 12, das z. B. mit den bewegungsgeometrischen Eigenschaften von Umlaufrädern perfekt spielfrei und kompakt realisierbar ist, wobei Φ_P = ½Φ_FK ist. Im dargestellten Fall bewegt sich die Achse 20 der Umlaufräder 21, welche an Hohlrad 22 mit Radius R und Sonnenrad 23 mit Radius r abrollen, an einem Hebel 24 die Derotationsoptik 2 exakt in der definierten Weise. Dabei gilt die Bedingung:
Eine präzise Rollrelativlagerung 25 des optischen Derotationssystems 2 kann beliebig im Geräteträger 10, am einem Detektoradapter 26 oder auch (zur koaxialen Fluchtungsverbesserung) in beiden Körpern erfolgen.
Im weiteren wird nun ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitung unter Bezugnahme auf 2 erläutert.
Die oberste Zeile zeigt eine direkte Signalwirkungslinie vom Ziel bis zum Ruderstellwinkel σ für einen Flugkörper. Eine Zielinformation gelangt durch eine Keiloptik 1, die der Änderung der Blickrichtung dient, auf eine Pechan-Optik 2, welche das Zielbild als raumfestes Bild auf ein mit der Flugkörperstruktur mitrollendes Detektorarray bzw. Detektorfeld 3 abbildet. Aus den Signalen dieses Detektorarrays 3 werden von einem Bildauswerterechner 4 Ablagewinkel ε_y und ε_z des Ziels relativ zum Bildmittelpunkt gebildet und einem Lenkrechner 5 und einer Bildnachführung 16 zugeführt. Der Lenkrechner 5 bildet daraus Lenkkommandos ayc, azc für einen Flugzustandsregler 6. Dieser arbeitet somit im nichtrollenden Koordinatensystem und berechnet Stellkommandos η_c und φ_c, welche dann in einer Kommandotransformation 7 auf körperfeste Ruderwinkel σ umgerechnet und einem Ruderstellsystem zugeführt werden. Die Funktionen Bildrechner, Lenkrechner, Flugzustandsregelung, Kommandotransformation sowie Bildnachführung können in einem Bordrechner 9 zusammengefaßt werden.
Die Keiloptik 1 und die Pechan-Optik 2 sind auf einer nichtrollenden (rollstabilisierten) Trägerplattform 10 untergebracht, die mit Hilfe eines ebenfalls auf diesem Träger angebrachten Wendekreisels für die Rollbewegung 14 und einem auf der rollenden Flugkörper(FK)-Struktur angebrachten Servosystem 15 vom Flugkörper rollentkoppelt und rollstabilisiert wird. Die Pechan-Optik 2 wird dabei mit Hilfe eines Halbiergetriebes 12, das sich einerseits auf die rollende Flugkörperstruktur und andererseits auf die stabilisierte Plattform abstützt, erzwungenermaßen so angetrieben, daß sich genau die halbe Rolldrehzahl zwischen Trägerplattform und Flugkörper(FK)-Struktur ergibt. Die Keiloptik 1 wird mit Hilfe eines ebenfalls auf der Trägerplattform angebrachten Servosystems 11 mit Stellgrößen Ablenkwinkel δ_K und Rollverdrehung φ_k angesteuert. Die Kommandos werden in der Suchkopfnachführung 16 gebildet. Optional kann auf der Trägerplattform für die Flugzustandsregelung ein weiterer Wendekreisel 17 für eine Nick- und Gierbewegung des Flugkörpers im nichtrollenden Koordinatensystem angebracht werden.
Die Roll-Lage des Flugkörpers wird mit einem auf der Flugkörper(FK)-Struktur befindlichen Roll-Encoder 18 ermittelt und für die Kommandotransformation 7 verwendet.
Aufgrund der vorstehend beschriebenen Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich die folgenden Vorteile:

1. Vermeidung aufwendiger und störempfindlicher Signalübertragung der Detektorsignal vom rollisolierten System auf die Flugkörper(FK)-Struktur mit Hilfe von z. B. Schleifringen, Drehkupplungen durch Abbildung des Ziels als raumfestes Bild direkt auf das mit der rollenden Flugkörper(FK)-Struktur verbundene Detektorarray und damit
2. Vereinfachung der Kühlmittelzufuhr für das Detektorarray durch Wegfall der Drehbewegung,
3. Verringerung des Leistungsbedarfs für das Keiloptik-Servosystem, da dieses nur die im Verhältnis zur Flugkörper-Rollbewegung langsamen Bildnachführbewegungen ausführen muß, und
4. Darstellung der für die Lenkung und Regelung erforderlichen Signale direkt im nichtrollenden Koordinatensystem.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3643276 A1 [0002]
DE 4218600 C2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Optiktaschenbuch für Konstrukteure, Hanser Verlag 1983 [0016]

Claims

Einrichtung zur Lenkung eines rollenden Flugkörpers mit: – einer flugkörperfest, an einem nicht rollenden Geräteträger (10) angeordneten, optomechanisch rollentkoppelt abbildenden Detektoreinrichtung (3), – einem in Flugrichtung des Flugkörpers angeordneten optische Drehkeilsystem (1) zur Änderung der Blickrichtung, – einem relativ zum Strahlengang zwischen Drehkeilsystem (1) und Detektoreinrichtung (3) rotationsgelagertes optomechanisches Derotationssystem (2), das synchron um jeweils die Hälfte des zwischen Flugkörper und Geräteträger (19) auftretenden Rollwinkels in gleicher Richtung bewegbar ist und ein Zielbild auf eine mit der Flugkörperstruktur mittrollende Detektoreinrichtung (3) abbildet, – einem Bildauswerterechner (4) zur Bildung von Ablagewinkel ε_y und ε_z des Ziels relativ zum Bildmittelpunkt, – einem Lenkrechner (5) zur Bildung von Lenkkommandos ayc, azc für einen Flugzustandsregler (6), der daraus Stellkommandos hc und fc berechnet und dieser einer Kommandotransformationseinrichtung (7) zuführt, wobei die Kommandotransformationseinrichtung (7) daraus körperfeste Ruderwinkel sc berechnet und einem Ruderstellsystem zuführt, und – einer Bildnachführung (16).
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei der Bildauswerterechner (4), der Lenkrechner (5), der Flugzustandsregeler (6), die Kommandotransformationseinrichtung (7) und die Bildnachführung in einem Bordrechner (9) zusammengefaßt sind.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Derotationssystem (2) einen Prismensatz nach Schmidt/Pechan aufweist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei als Antrieb des Derotationssystems (2) ein Halbiergetriebe (12) ausgebildet ist.
Einrichtung nach Anspruch 4, wobei das Halbiergetriebe sich einerseits auf der rollenden Flugkörperstruktur und andererseits auf dem Geräteträger (10) abstützt und das Derotationssystem (2) derart antreibt, daß sich genau die halbe Rolldrehzahl zwischen Geräteträger (10) und Flugkörperstruktur ergibt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei eine präzise Rollrelativlagerung (25) für das optische Derotationssystem (2) im Geräteträger (10), an einem Detektoradapter (26) oder in beiden Körpern ausgebildet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der nicht rollende Geräteträger (10) mittels Rollentkopplung (15) und Wendekreisel (14) aktiv rollstabilisiert ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Drehkeilsystem (1) und das Derotationssystem (2) auf dem Geräteträger (10) angeordnet sind.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit mechanischen, am nicht rollenden Geräteträger (10) angeordneten Drehkeillagerungen (19) einschließlich eines zur Verstellung notwendigen Keil-Servosystems (11) mit Keilservos (11#1, 11#2), das das Drehkeilsystem (1) ansteuert.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem weiteren, auf dem Geräteträger (10) angebrachten Wendekreisel (17) für die Flugzustandsregelung ansprechend auf Nick- und Gierberwegungen des Flugkörpers.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem Roll-Encoder (18), der sich auf der Flugkörperstruktur befindet und die Roll-Lage des Flugkörpers ermittelt und an die Kommandotransformationseinrichtung (7) ausgibt.