DE102008024574A1

DE102008024574A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Mündungsgeschwindigkeit eines Projektils oder dergleichen

Info

Publication number: DE102008024574A1
Application number: DE102008024574A
Authority: DE
Inventors: Henry Roger Frick
Original assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2010-06-17
Also published as: US20090289619A1; KR20110040764A; IL209485A0; CA2725023A1; CN102084208A; EP2283300A1; JP2011523050A; ES2400630T3; US8305071B2; UA103023C2; EP2283300B1; CN102084208B; TWI399514B; WO2009141055A1; TW200949189A; DK2283300T3; KR101621987B1; JP5336582B2; PL2283300T3; AU2009250095A1

Abstract

Vorgeschlagen werden eine Vorrichtung zur Messung der Mündungsgeschwindigkeit (V) eines Projektils (6) oder dergleichen sowie ein mit dieser Vorrichtung umsetzbares Verfahren. Die Vorrichtung umfasst ein glattes Waffen- bzw. Abschussrohr als Hohlleiter (1), einen Signalerzeuger (4), welcher über eine Signalzuführung mit wenigstens einem Sende-Koppler (2) zur Anregung des Waffen- bzw. Abschussrohres (1) elektrisch verbunden ist, und eine Empfangsleitung zur Weiterleitung der an wenigstens einem Empfangs-Koppler (3) gemessenen Signale an eine Auswerteeinrichtung (5). Der Abstand zwischen dem Sende-Koppler (2) und dem/den Empfangs-Koppler/n ist variabel und kann je nach Modenselektion des Hohlleiters (1) individuell gewählt werden. Je nach der bevorzugten Messmethode ist der Empfangs-Koppler (3) zum Sende-Koppler (2) zu platzieren. Wird die Geschwindigkeit nach dem Durchgang des Projektils (6) gemessen, befindet sich der Empfangs-Koppler (3) zwischen Projektilboden und Sende-Koppler (2), während der Empfangs-Koppler (3) zwischen Projektilspitze und Sende-Koppler (2) zu liegen kommt, wenn die Messung der Geschwindigkeit (V) vor dem Durchflug des Projektils (6) erfolgt. Bei Kombination beider Messmethoden sind entsprechend wenigstens zwei Empfangs-Koppler (3) einzubinden und der Sende-Koppler (2) dann zwischen den beiden Empfangs-Kopplern (3) zu platzieren. Gemessen wird das elektromagnetische Feld des leeren Waffen- bzw. Abschussrohres (1) ohne Projektil (6), vor dem ...

Description

In der DE 697 09 291 T2 ( EP 0 840 087 B1 ) werden Mittel zur Steuerung der Anfangsgeschwindigkeit eines Geschosses offenbart. Dabei ist ein Sensormittel vorgesehen, das einen auf die Mündungsgeschwindigkeit bezogenen Parameter messen kann. Dies erfolgt mit Hilfe der zumindest im bzw. am Waffenlauf angebrachten Sensoren, die einen höheren Druck im Waffenlauf aufnehmen können, welcher sich durch das Erhitzen der Treibgase am Waffenrohr einstellt. Als Sensoren werden Dehnungsmessstreifen vorgeschlagen, die so angepasst sind, dass sie Kontakt mit dem Waffenlauf haben. Dabei wird die Ausdehnung des Waffenlaufs gemessen. Aus der zeitlichen Differenz zwischen der Registrierung der Projektilpassage durch die beiden einzelnen Sensoren werden die Bewegung und damit die Geschwindigkeit des Projektils ermittelt.
Die DE 10 2005 024 179 A1 verzichtet ganz auf eine direkte Messung der aktuellen Mündungsgeschwindigkeit, da die reale Mündungsgeschwindigkeit durch Information der aktuellen Fluggeschwindigkeit des Geschosses bestimmt wird, d. h., aus dieser zurückgerechnet wird. Anhand dieser aktuellen Geschossgeschwindigkeit wird dann die Zündzeit des Geschosses mit Hilfe einer Norm-Mündungsgeschwindigkeit voreingestellte Zündzeit korrigiert und als aktuelle Zünderstellzeit verwendet. Zur Übertragung dieser Information an das Geschoss dient ein Mikrowellensender, vorzugsweise im GHz-Bereich, der die aktuelle, beispielsweise von einem Feuerleitrechner bestimmte Tempierung an die Munition bzw. ein Geschoss sendet.
Eine weitere Methode besteht darin, das Rohr als runden Hohlleiter zu betreiben und die Dopplergeschwindigkeit des Projektils im Rohr zu messen, wie in der EP 0 023 365 A2 nachlesbar. Die Frequenz des Signals liegt dabei über der Grenzfrequenz für den betreffenden Hohlleiter-Mode. Die sich dabei aufbauende elektromagnetische Welle breitet sich im Rohr aus und wird vom Projektil reflektiert. Zudem ergibt sind eine, von der momentanen Geschwindigkeit abhängige Dopplerfrequenzverschiebung.
Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2006 058 375.2 schlägt vor, das Waffenrohr bzw. das Abschussrohr und/oder Teile der Mündungsbremse als Hohlleiter zu nutzen (als Hohlleiter gilt ein Rohr mit einer charakteristischen Querschnittsform, das eine sehr gut elektrisch leitende Wand besitzt. Technisch weit verbreitet sind vor allem Rechteck- und Rund-Hohlleiter), welches jedoch unter der Grenzfrequenz des betreffenden Hohlleiter-Mode betrieben wird.
Selbige Idee verfolgend stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein weiteres Messverfahren aufzuzeigen, das eine ausgezeichnete und genaue Ermittlung der Mündungsgeschwindigkeit eines Projektils oder dergleichen ermöglicht.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentsanspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Hohlleiter als ein glattes Rohr beliebigen Querschnitts auszuführen, anders als in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung (s. o.), in der als Hohlleiter ein mit einem Profil versehener Hohlleiter verwendet wird. Des Weiteren wird mit Hilfe wenigstens eines Sendekopplers und eines Empfängerkopplers das elektromagnetische Feld ohne Anwesenheit des Projektils erfasst, d. h., bevor das Projektil den Hohlleiter durchtritt. Die letzten Abtastwerte vor dem Durchtritt jedes Projektils werden zur Kalibrierung der Messung benutzt. Somit werden alle Temperatur bedingten oder anderen Einflüsse in der Kalibrierung erfasst. Beim Durchtreten des Projektils wird die zeitliche Änderung des elektromagnetischen Feldes erfasst und mit der Kalibrierung normiert. Die Messung der Mündungsgeschwindigkeit erfolgt dadurch unabhängig von Temperaturänderungen oder anderen Einflüssen.
Die Mündungsgeschwindigkeit selbst wird vorzugsweise vor und/oder nach dem Projektil gemessen bzw. bestimmt. Bei der Messung vor dem Projektil wird die Tatsache berücksichtigt, dass die Spitze des Projektils beim Durchtritt des Hohlleiters das elektromagnetische Feld beeinflusst. Bei der Messung nach dem Projektil wird die zylindrische Form des Bodens ausgenutzt, wodurch die Messung unabhängig von der Form der Spitze des Projektils erfolgt. Hierbei beeinflusst der Boden das elektromagnetische Feld. Diese jeweilige Änderung wird durch einen Empfangskoppler erfasst und einer Auswerteeinrichtung zugeführt.
Der Vorteil der Messmethode nach dem Projektildurchlauf liegt darin, dass die meisten Arten von Projektilen zylindrische flache Böden besitzen, wohingegen die Messmethode vor dem Projektildurchlauf die Geometrie der Spitze (Kegel, Kugelkappe etc.) berücksichtigen muss. Eine Kompensation ist dadurch möglich, dass der Munitionstyp in der Regel bekannt ist. So werden Projektil bestimmende Werte verwendet, die dann erlauben, den Einfluss der Spitze auf die Messung zu kompensieren.
Der Signalerzeuger (z. B. Oszillator) liefert ein Signal mit konstanter Mittenfrequenz, welche unterhalb der kleinsten Grenzfrequenz des Hohlleiters betrieben wird. Gegeben durch die Geometrie und Art des Sendekopplers (Spule, Dipol etc.) werden mehrere Hohlleiter-Moden (TE_mn mit m = 0, 1, 2... und n = 1, 2, 3...) angeregt. Der Signalerzeuger erzeugt entweder einen Träger im Dauerstrich-Betrieb (CW-Betrieb) oder ein moduliertes Signal.
Der Abstand zwischen einem Sendekoppler, der seinerseits die Signale des Oszillators erhält, und dem Empfangskoppler ist variabel und kann je nach Modenselektion des Hohlleiters individuell gewählt werden, ist aber abhängig vom Kaliber, der Innenabmessung des Hohlleiters sowie der Frequenz.
Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt.
1 eine Messanordnung zur Messung der Mündungsgeschwindigkeit eines Projektils vor dem Projektil,
2 eine Messanordnung zur Messung der Mündungsgeschwindigkeit des Projektils nach dem Projektil.
Mit 1 ist ein glatter Hohlleiter (Rohr) gekennzeichnet, in welchem (wenigstens) ein Sendekoppler 2 sowie (zumindest) ein Empfangskoppler 3 eingebunden sind. Ein Oszillator 4 ist mit dem Sendekoppler 2 und eine Auswerteeinrichtung 5 mit dem Empfangskoppler 3 verbunden. Mit den vorgenannten Elementen kann die Mündungsgeschwindigkeit eines Projektils 6 bestimmt werden. Mit 7 ist die Mündung des Waffen- bzw. Abschussrohres 1 gekennzeichnet.
Der Oszillator 4 regt über den Sende-Koppler 2 einen Hohlleiter-Mode an (transversal elektrischen = TE und transversal magnetischen = TM. – Der gewünschte Hohlleiter-Mode wird durch mechanische und elektromagnetische Modenselektion angeregt. –) Gemessen wird in einem ersten Schritt das elektromagnetische Feld ohne Projektil 6. Durch das System 'Rohr' 1 (Hohlleiter 1) ergibt sich eine Signalstärke, die der Empfangs-Koppler 3, beispielsweise ein Pick-up-Sensor, aufnimmt und welches zur Auswerteeinheit 5 geleitet wird. Danach erfolgt die Messung vor dem Projektil 6 (1) bzw. nach dem Projektil 6 (2).
Der Abstand zwischen dem Sendekoppler 2 und dem Empfangskoppler 3 ist variabel und kann je nach Modenselektion des Hohlleiters 1 individuell gewählt werden, ist aber abhängig vom Kaliber, der Innenabmessung des Hohlleiters 1 sowie der Frequenz.
Werden Hohlleiter-Moden durch den Sendekoppler 2 angeregt, so kann das empfangene Signal (z. B. induzierte Spannung) am Empfangskoppler 3 folgende Form aufweisen
wobei a der Innenradius des Hohlleiters 1 ist und A_n sowie p_n von n abhängige sind. Dabei gilt p₁ < p₂ < p₃ < ....
z_K wird seinerseits so gewählt, dass das Empfangssignal beispielsweise nur durch den Term n = 1 (Single Mode Betrieb) dominiert wird.
Dies ist möglich, da die Terme für n = 2, 3, 4 bei z_k viel kleiner werden, als der Term n = 1. Dies ist in soweit wichtig, weil insbesondere der Term mit n = 1 eine zuverlässige Geschwindigkeitsmessung des durchfliegenden Projektils gewährleistet.
Primär ist der Term
von a abhängig. a wird bestimmt durch das Kaliber. Da die Frequenz des Sendesignals kleiner als die Grenzfrequenz ist, entsteht ein exponentieller Verlauf für das Empfangssignal.
Wird nach dem Durchgang des Projektils 6 gemessen, ist der Empfangskoppler 3 zwischen Projektilboden und Sendekoppler 2 zu platzieren. Erfolgt die Messung der Geschwindigkeit V₀ vor dem Durchflug Projektil 6, sollte der Empfangskoppler 3 zwischen Projektilspitze und Sendekoppler 2 zu liegen kommen. Werden beide Messmethoden kombiniert, sind entsprechend zwei Empfangskoppler 3 einzubinden. Der Sendekoppler 2 wäre dann zwischen den beiden Empfangskopplern 3 einzubinden.
Die Signalverarbeitung sollte wie folgt umgesetzt werden:
Durch den Vorbeiflug des Projektils 6 am Empfangskoppler 3 ergibt sich bekanntlich ein charakteristisches Signal. Der zeitliche Verlauf des empfangenen Signals gibt Auskunft über V₀.
Um nun das V₀ aus dem empfangenen Signal zu erhalten, wird das Signal dauernd in der Auswerteeinrichtung 5 zeitlich abgetastet und die Abtastwerte werden gespeichert. Dies geschieht auch, wenn kein Projektil 6 vorhanden ist. Durchfliegt nun ein Projektil 6 den Hohlleiter 1, bemerkt die Auswerteeinheit 5 die Anwesenheit anhand des charakteristischen Verlaufs des Empfangssignals. Diese Werte werden zur V₀ Bestimmung ausgewertet.
Da der Auswertealgorithmus den Innenradius a des Hohlleiters 1 verwendet, können Temperatur bedingte Änderungen des Innenradius a eine Messungenauigkeit bewirken. Um beispielsweise diese Einflüsse zu kompensieren, wird vor jedem Projektildurchlauf der leere Hohlleiter vermessen. Dieser aktuelle Wert wird zur Skalierung der relevanten Abtastwerte verwendet und gespeichert sowie bei der Messauswertung von der Auswerteeinheit abgerufen (Kalibrierung).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69709291 T2 [0001]
- EP 0840087 B1 [0001]
- DE 102005024179 A1 [0002]
- EP 0023365 A2 [0003]
- DE 102006058375 [0004]

Claims

Vorrichtung zur Messung der Mündungsgeschwindigkeit (V₀) eines Projektils (6) oder dergleichen, umfassend – ein glattes Waffen- bzw. Abschussrohr als Hohlleiter (1), – einen Signalerzeuger (4), welcher – über eine Signalzuführung mit wenigstens einem Sende-Koppler (2) zur Anregung des Waffen- bzw. Abschussrohr (1) elektrisch verbunden ist, und – eine Empfangsleitung zur Weiterleitung der an wenigstens einem Empfangs-Koppler (3) gemessenen Signale an eine Auswerteeinrichtung (5), wobei – der Abstand zwischen dem Sende-Koppler (2) und dem/den Empfangs-Koppler (3) variabel ist und je nach Modenselektion des Hohlleiters (1) individuell gewählt werden kann, und – der Empfangs-Koppler (3) zwischen Projektilboden und Sendekoppler (2) platziert wird, wenn nach dem Durchgang des Projektils (6) gemessen wird, – der Empfangs-Koppler (3) zwischen Projektilspitze und Sendekoppler (2) zu liegen kommt, wenn die Messung der Geschwindigkeit (V₀) vor dem Durchflug des Projektils (6) erfolgt und – bei Kombination beider Messmethoden entsprechend wenigstens zwei Empfangskoppler (3) einzubinden sind, während der Sendekoppler (2) dann zwischen den beiden Empfangskopplern (3) platziert ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalerzeuger (4) einen Träger im Dauerstrich-Betrieb (CW-Betrieb) erzeugt.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalerzeuger (4) ein moduliertes Signal erzeugt.
Verfahren zur Messung der Mündungsgeschwindigkeit (V₀) eines Projektils (6) oder dergleichen, mit den Schritten: – Messung des elektromagnetischen Feldes des leeren Waffen- bzw. Abschussrohres (1) ohne Projektil (6), – die Messung des elektromagnetischen Feldes vor dem Projektil (6) bzw. nach dem Projektil (6) oder in Kombination, – Bestimmung der Mündungsgeschwindigkeit (V₀) aus den gemessenen Signalen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale dauernd zeitlich abgetastet und die Abtastwerte gespeichert werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Temperatur bedingte Änderungen oder andere Einflüsse in einer Kalibrierung erfasst und berücksichtigt werden, wozu vor jedem Projektildurchlauf das leere Waffenrohr (1) vermessen wird.