DE10004582C1 - Elektronischer Geschoßzünder - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung von Geschoßzündern sowie Batterie oder zusätzliche Energieerzeugung im Geschoßflug angegeben. Zum Betrieb des Geschoßzünders in der Flugphase ist ein während einer induktiven Programmierphase aufgeladener Versorgungskondensator (1) angeordnet, der einen sehr geringen Leckstrom aufweist, um eine Zeit im Minutenbereich zwischen der Programmierung und dem Beginn der Flugphase ohne wesentlichen Energieverlust zu überbrücken. Die Aufladung des Versorgungskondensators (1) erfolgt durch die bei der Programmierung ungenutzten und unbelasteten Halbwellen der Programmier-Wechselspannung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Geschoßzünder nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Moderne elektronische Zünder verwenden heutzutage zur Energieversorgung entweder Primärzellen oder vorzugsweise Batterien, die erst durch die großen Beschleunigungen, die bei der Abfeuerung eines Geschosses auftreten, mechanisch-chemisch aktiviert werden. Dies hat den Vorteil, daß derartig ausgerüstete Zünder keine Wartung hinsichtlich des Austausches z. B. einer sonst verwendeten Batterie-Primärzelle benötigen, da diese Batterien während ihrer Lagerung vollständig passiv sind und darum lange Lagerzeiten zulassen.

Im allgemeinen wird bei derartig ausgestatteten Zündern der Ablauf der vorher einprogrammierten Zünderfunktion durch das Aktivieren der Batterie, d. h. durch den Hochlauf der Batteriespannung bei der mechanisch-chemischen Aktivierung durch die Abschußbeschleunigungen gestartet.

Die verwendeten aktivierbaren Batterien müssen deswegen konstruktiv so ausgelegt sein, daß sie im gesamten Temperaturbereich auch bei kleinster Treibladung bei der Abfeuerung zuverlässig aktivieren. Andererseits müssen sie mechanische Belastungen durch Umwelttests (z. B. 1,5 m Fall auf Stahlplatte) und die Beschleunigungen beim Ladevorgang ohne Aktivierung überstehen. Damit werden notgedrungen die konstruktiv bedingten Sicherheitsmargen zwischen Aktivierung und Nichtaktivierung klein. Zudem können noch Einzelfehler in der Batterie, die von mangelhafter Batteriefertigung oder Materialfehlern herrühren, diese Sicherheitsreserve weiter vermindern.

Es kann also nach dem oben Gesagten nicht ausgeschlossen werden, daß derartige Batterien schon vor dem Schuß aktivieren. Dies kann je nach Funktions- und Sicherheitsauslegung des Zünders ggf. zu gefährlichen Zünderzuständen während der Überflugphase führen.

Speziell im Falle des Einsatzes bei der Artillerie, werden auch eigene Truppen überschossen. Deswegen sind die Forderungen hinsichtlich der Sicherheit gegen eine zu frühe Geschoßzerlegung (Überflugsicherheit) hier im allgemeinen sehr hoch. Bekannte Zahlen für die maximale zugelassene Wahrscheinlichkeit einer zu frühen Zerlegung liegen zwischen 10^-5 und 10^-6.

Andererseits sind durch die oben erwähnten, notwendigen kleinen konstruktiven Abstände zwischen Funktion und Nichtfunktion einer beschleunigungsaktivierbaren Batterie (1,5 m Fall: nein, kleinste Ladung: ja) auch Funktionsprobleme bei kleinen Ladungen zu erwarten und werden in der Praxis auch beobachtet.

Zudem hat sich die Herstellung derartiger Spezialbatterien infolge der heutzutage zunehmenden Industriezusammenschlüsse auf immer weniger Firmen konzentriert, so daß die Versorgungslage, nicht zuletzt auch durch Exportrestriktionen einiger Länder für derartige Produkte, immer schwieriger wird. Wenn jedoch Batterien verfügbar sind, dann im allgemeinen zu Preisen, die oft mit dem "Low Cost - Produkt" Zünder inkompatibel sind.

Andere bekannte Methoden der Energieerzeugung während des Geschoßfluges sind Generatoren, die entweder über Piezoeffekt oder elektrodynamisch über Geschoßbeschleunigung, Drallaufbau oder Windanströmung elektrische Energie für die in den Zünder eingebaute Elektronik erzeugen. Derartige Lösungen sind jedoch z. B. für einen Artilleriezünder entweder wegen der kleinen Energieausbeute (Piezo) nicht geeignet oder sind noch teurer und unzuverlässiger als eine eingebaute Batterie und zudem entweder Spezialanfertigungen als Produkt einer langen und teuren Entwicklungsphase oder zumindest ähnlich schwierig zu beschaffen wie eine beschleunigungsaktivierbare Batterie.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Geschoßzünder, speziell einen Artillerie-Geschoßzünder anzugeben, der ohne Batterie oder zusätzliche Energieerzeugung im Geschoßflug auskommt.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Geschoßzünders können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. Im folgenden sei anhand der beigefügten Fig. 1 der erfindungsgemäße Geschoßzünder kurz erläutert.

Es wird vorgeschlagen, zum Betrieb des Geschoßzünders in der Flugphase einen während der Programmierphase aufgeladenen Kondensator zu verwenden, der einen sehr geringen Leckstrom aufweist, um eine Zeit im Minutenbereich zwischen der Programmierung und dem Beginn der Flugphase ohne wesentlichen Energieverlust überbrücken zu können.

Es ist bekannt, während der induktiven Programmierphase über die zünderinterne Programmierspule 12 durch die Sendespule 22 eines zünderexternen Programmiergerätes 23 über die magnetische Kopplung der beiden Spulen und ein moduliertes magnetisches Wechselfeld Energie und Programmierinformation zu übertragen. Ferner ist bekannt, die im Programmiervorgang übertragene Energie zur Versorgung des Zünders während des Programmiervorgangs heranzuziehen und, da nach dem Programmiervorgang die Energieübertragung durch das Programmiergerät 23 unterbrochen wird, die während des Programmiervorgangs übertragene Information nichtflüchtig, z. B. in einem EEPROM in der Zünderelektronik abzuspeichern.

Um die Idee der Erfindung verstehen zu können, wird zunächst auf den oben erwähnten Programmiervorgang etwas näher eingegangen.

In der NATO STANAG 4369 mit der zugehörigen AOP22 sind Schaltvorschläge für die Beschaltung der induktiven Programmierschnittstelle vorgeschlagen, die so oder in ähnlicher Form in jedem Zünder, der die Kompatibilitätsforderung erfüllen muß, realisiert sind. Diese Beschaltung ist grob auch in Fig. 1 durch die Elemente 22, 12, 14, 4, 15 und 2 angedeutet. Es fällt bei der näheren Betrachtung nur dieser wenigen Elemente auf, daß die in die Spule 12 durch die Programmierspule 22 induzierte Wechselspannung über die Diode 14 einweggleichgerichtet und durch das Programmierinterface 15, den Spannungsregler 2 mit angeschlossener Last belastet wird. Zusätzlich wird diese Spannung durch eine Zenerdiode 4 in der Höhe begrenzt, um die Bauelemente der Elemente 2 und 15 vor Überspannung zu schützen. Durch die Einweggleichrichtung durch die Diode 14 wird jedoch nur die positive Halbwelle der am Verbindungspunkt der Bauelemente 12, 14, 13 und 18 anstehenden Wechselspannung belastet, so daß die positive Halbwelle an diesem Punkt praktisch nie über die Zenerspannung der Zenerdiode 4 plus der Flußspannung der Diode 14 hinausgeht.

Betrachtet man zunächst die Dioden 13 und 18 der Fig. 1 als nicht vorhanden, können am Ausgang der Spule 12 die negative Halbwellen eine Spannungsamplitude von 50 bis 60 V annehmen. Die Energie, die in diesen Halbwellen steckt, wird bisher nicht genutzt. Setzt man nun in die Schaltung der Fig. 1 die hochsperrenden Dioden 13 und 18 wieder ein, so werden durch die Einweggleichrichtung der negativen Halbwellen des Ausgangs der Spule 12 der Versorgungskondensator 1 für die Zünderelektronik und der Versorgungskondensator 19 für die Zündstufe aufgeladen. Die den Kondensatoren parallelgeschalteten sehr hochohmigen Widerstände 6 und 20 dienen der definierten Entladung der Kondensatoren im Falle eines nicht erfolgten Verschusses des Zünders und belasten den Aufladevorgang praktisch nicht. Dies bedeutet, daß beide Kondensatoren auf eine Gleichspannung bis zu einer Höhe zwischen -50 und -60 V aufgeladen werden.

Definiert man als C₁ und U₁ die Kapazität und die Spannung des Kondensators 1 und als C₁₉ bzw. U₁₉ als die entsprechenden Größen des Kondensators 19, so steht nach der Programmierung zur Versorgung des Spannungsreglers 17 und der Zünderelektronik 3 die Energie 0,5 C₁ U 2|1 und zur Versorgung der Zündstufe die Energie 0,5 C₁₉ U 2|19 zur Verfügung.

Da die Spannung quadratisch in die Höhe der während des Programmiervorgangs in die Kondensatoren gespeicherten Energie eingeht, die Baugröße und der Preis der Kondensatoren aber nur proportional zum Produkt C U steigt, läßt sich durch Ausnutzung der hohen negativen Halbwellen des Programmiervorgangs im Zünder auf kleinem Raum preiswert Energie speichern.

Die Flugphase wird dann vorzugsweise durch einen (für die Sperrphase während der Programmierung und die Zeit vor dem Schuß) sehr einfach hochohmig auszulegenden Schalter 5 eingeleitet, der den invertierenden Schaltspannungsregler 17 mit dem Kondensator 1 verbindet. Der Schalter 5 wird durch die im allgemeinen speziell entwickelte, gegen Umwelteinflüsse gehärtete Sicherungseinrichtung 9 sehr sicher beim Auftreten der für einen Schuß typischen Umweltkräfte durch ein Betätigungselement 10 betätigt, so daß ein unbeabsichtigtes Schließen des Schalters 5 vor dem eigentlichen Schuß praktisch nur mit den bei den mechanischen Sicherungseinrichtungen üblichen winzigen Wahrscheinlichkeiten von 10^-7 bis 10^-8 vorkommen kann. Ist der Zünder nicht programmiert, so ist er sogar vollkommen energielos, was ihn gegenüber Zündern mit eingebauten Batterien noch sicherer macht.

Ist der Schalter 5 konstruktiv so ausgelegt, daß er nach Auftreten der typischen Geschoßbeschleunigungen schließt und z. B. durch mechanische Verriegelung auch während der gesamten Flugphase geschlossen bleibt, erübrigt sich die, gestrichelt in Fig. 1 eingezeichnete, elektronische Selbsthaltung 11. Kann dies nicht gewährleistet werden, so sorgt die Selbsthaltung 11 dafür, daß beim Auftreten einer Spannung am Punkt Z der Eingang X mit dem Ausgang Y leitend verbunden wird und, solange der Spannungsregler 17 arbeitet, auch verbunden bleibt.

Die Erkennung der beiden Betriebsarten Programmierung/Flug erfolgt über die beiden Eingänge U_P und F der Zünderelektronik. Liegt an U_P Spannung an und an F nicht, so ist der Schalter 5 noch offen und die Elektronik erkennt beim Auftreten von Uv auf Programmierung und verarbeitet dabei die entsprechenden Programmiersequenzen an Port Up. Ist jedoch Schalter 5 geschlossen, so liegt am Eingang F Spannung an (und am Eingang U_P keine Programmiersequenz) und die Elektronik arbeitet ihr einprogrammiertes Flugprogramm ab.

Der Schaltspannungsregler 17 muß zur Vermeidung unnötiger Energieverluste einen hohen Wirkungsgrad sowie einen sehr großen Eingangsspannungsbereich besitzen. Er wird deshalb vorzugsweise speziell für diese oder ähnliche Anwendungen entwickelt und wegen der kleineren und deshalb stromsparenden Strukturen in ein ASIC integriert.

Die Speicherkondensatoren 1 und 19 müssen ebenfalls aus Gründen kleiner Verluste vorzugsweise Folien- oder Keramikkondensatoren mit möglichst kleinem Leckstrom sein, da ihre Aufladung möglichst unverändert auch nach 10 bis 20 Minuten nach der Programmierung in der Flugphase zur Verfügung stehen muß.

Der Versorgungskondensator 19 für die Zündstufe 16 wird, wie schon erwähnt, parallel zum Versorgungskondensator 1 während der Programmierphase aufgeladen. Diese Anordnung ist notwendig, weil der Kondensator 1 während der Versorgung der Zünderelektronik 3 entladen wird und deswegen eine ausreichende Zündspannungshöhe bei einer möglichen Mitversorgung der Zündstufe 16 aus Kondensator 1 nicht garantiert werden könnte.

Kurz vor der Zündung der Zündstufe 16 durch das Zündtriggersignal am Ausgang T der Zünderelektronik 3, wird über das Signal S der Zünderelektronik 3 und einen geeigneten elektronischen Schalter 24 der Kondensator 19 mit der Zündstufe 16 verbunden und diese erst zu diesem späten Zeitpunkt mit Energie versorgt. Dadurch wird trotz frühzeitiger Aufladung des Kondensators 19 in der Programmierphase eine hohe Überflugsicherheit des Zünders erreicht.

Die Anordnung nach Fig. 1 besitzt einen weiteren Vorteil. Bei der Programmierung wird durch die Zünderelektronik 3 neben dem Programmiereingang U_P auch der Eingang F abgefragt. Ist der Schalter offen, d. h. ist die Sicherungseinrichtung in Sicherstellung, liegt an F keine Spannung und die Programmierung kann wie vorgesehen durchgeführt werden. Ist jedoch während des Programmiervorganges der Schalter 5 geschlossen, d. h. befindet sich die Sicherungseinrichtung in Scharfstellung, so wird die Spannung des sich während der Programmierung aufladenden Kondensators 1, gewandelt durch den Spannungsregler 17, an den Eingang F der Zünderelektronik gegeben. Bei gleichzeitiger Erkennung dieser Spannung in Verbindung mit einer Programmiersequenz an U_P wird die Programmierfunktion unterdrückt. Da die Programmierung im allgemeinen bidirektional erfolgt, kann in diesem Falle dieser gefährliche Zustand der Sicherungseinrichtung auch an das Programmiergerät und somit an den Bediener zurückgemeldet werden und damit Hinweise für eine weitere Handhabung des Zünders geben.

Dadurch läßt sich auch die Forderung 4.6.6 des Zünder-Sicherheitsstandards MIL-STD 1316 D elegant erfüllen, der eine externe Kontrollmöglichkeit des Sicherheitszustandes der Sicherungseinrichtung vor Einbau des Zünders in die Munition vorschreibt. Diese Kontrolle kann dadurch über eine schon vorhandene Schnittstelle, die Programmierschnittstelle, vorgenommen werden und erfordert so keine zusätzlichen aufwendigen Maßnahmen wie Sichtfenster oder Durchbrüche am Zündergehäuse.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung von Geschoßzündern ohne Batterie oder zusätzliche Energieerzeugung im Geschoßflug, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Betrieb des Geschoßzünders in der Flugphase ein während einer induktiven Programmierphase aufgeladener Versorgungskondensator (1) angeordnet ist, der einen sehr geringen Leckstrom aufweist, um eine Zeit im Minutenbereich zwischen der Programmierung und dem Beginn der Flugphase ohne wesentlichen Energieverlust zu überbrücken, wobei zur Aufladung des Versorgungskondensators (1) die bei der Programmierung ungenutzten und unbelasteten Halbwellen der Programmier-Wechselspannung benutzt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen durch eine mechanische Sicherungseinrichtung (9) betätigten Schalter (5), der die Ladung des Versorgungskondensators (1) einem Spannungsregler (17) mit großem Eingangsspannungsbereich und hohem Wirkungsgrad zuführt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (17) seine Eingangsspannung invertiert.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der durch die Sicherungseinrichtung (9) betätigte Schalter (5) durch eine Selbsthalte­ schaltung (11) überbrückt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Versorgungskondensator (1) ein Zündkondensator (19) zur Ansteuerung einer Zündstufe (16) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung des Zündkondensators (19) über einen, durch die Zünderelektronik (3) betätigten, elektronischen Schalter (24) auf die Zündstufe (16) gegeben wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Spannungsreglers (17) für die Flugphase durch die Zünderelektronik (3)auch während der Programmierung des Zünders an einem Anschluß (F) abgefragt wird und die Programmierfunktion deaktiviert, wenn der Schalter (5) am Eingang dieses Spannungsreglers (17) nicht die korrekte Schalterposition aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht korrekte Schalterposition über einen Rückmeldekanal der Programmierfunktion dem Bediener angezeigt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Programmier-Wechselspannung über eine in einer ersten Richtung gepolte Diode (14) auf ein Programmier-Interface (15) und einen Programmier-Spannungsregler (2) geschaltet ist und daß der Versorgungskondensator (1) und der Zündkondensator (19) über hierzu entgegengesetzt gepolte Dioden (13, 18) aus der Programmier-Wechselspannung aufgeladen werden.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Versorgungskondensator (1) und dem Zündkondensator (19) hochohmige Widerstände (6, 20) parallelgeschaltet sind.