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Technisches Gebiet
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Es geht um einen abbildenden Infrarot-Suchkopf für Lenkflugkörper gegen Bodenziele. Solche Suchköpfe werden in Zukunft im allgemeinen mit ungekühlten IR-Detektoren arbeiten und es werden oft Dual-Mode-Suchköpfe bestehend aus einem abbildenden IR-Suchkopf-Kanal und optional zusätzlich einem Laserspotsuchkopf-Kanal sein.
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Abkürzungen:
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- IR
- = Infrarot
- FOV
- = field of view = (momentanes) Sehfeld
- FOR
- = field of regard = per Schwenk der Optik erreichbare Sehfeldgröße
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Stand der Technik
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Den Stand der Technik beschreiben z. B. die Patente
1.
DE 41 35 260 C1 ; Dieses Patent ist zwar schon recht alt (Anmeldung 91), zeigt aber ein Suchkopfdesign welches jetzt gerade in Deutschland in die Serienproduktion geht.
2.
DE 101 53 094 A1 ; Dieses Patent zeigt bereits in der Übersichtsskizze auf dem Deckblatt recht anschaulich wie kompliziert ein Design werden kann, wenn man die Suchkopf-Optik um den Mittelpunkt des Domes in Kardanrahmen schwenken muss.
3.
DE 10 2007 006 710 B3 ; In diesem Patent wird ein Dual-Mode-Suchkopf-Design dargestellt, dessen Vorteile in der vorliegenden Patentanmeldung auch nutzbar sein sollen.
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Bei allen Suchkopfkonzepten ist ein feststehender Dom als vorderer Flugkörperabschluss und eine relativ zum Dom bewegliche Optik-Detektoreinheit vorhanden.
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Die Optik-Detektoreinheit besteht aus der Optik und einem IR-Detektor in der Bildebene der Optik.
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Die Optik-Detektoreinheit ist in Kardanrahmen in Azimut (Gieren) und Elevation (Nicken) schwenkbar aufgehängt.
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Die Optik-Detektoreinheit muss schwenkbar aufgehängt sein, weil man in typischen Flugkörperanwendungen um die +/–20° bis +/–30° Schwenkwinkel (= FOR) braucht, um im Laufe des Fluges das Ziel immer im Sehfeld des Suchkopfes halten zu können und typische Sehfeldgrössen (FOV) von etwa 1° oder etwas mehr, für einen abbildenden IR-Suchkopf hinreichend sind und zudem bei einer vorgegebenen Bildpunktzahl des IR-Detektors die Lock-on-Reichweite eines Suchkopfes mit zunehmender Sehfeldgrösse linear abnimmt. IR-Suchköpfe müssen als Wegwerfobjekte natürlich auch billig sein. Man realisiert also ein relativ kleines Sehfeld von höchstens einigen Grad [= FOV = field of view] (um die Reichweite zu schaffen und um relativ preiswert zu bleiben) und einen grösseren Schwenkbereich (FOR field of regard) von (insgesamt) etwa 40°–60°, um trotz Flugkörperbewegungen das Ziel immer im Sehfeld FOV halten zu können.
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Dieses Prinzip wird auch in der Erfindung beibehalten.
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Wenn die Optik in verschiedenen Richtungen zum Dom hinausschauen soll, dann muss der Dom die Form einer Halbkugel haben, weil sonst die Suchkopf-Optik je nach Blickrichtung durch eine andere Domform schauen würde und die Bilder somit bei einer Auslenkung unscharf würden. Und damit die Suchkopf-Optik unabhängig vom Schwenkwinkel immer durch die gleiche „Linsenform” des Domes schaut, muss zusätzlich der Drehpunkt der Suchkopf-Optik genau im Mittelpunkt des Domes liegen. Die Optik mit Detektor muss also in den Kardanrahmen in Nicken und Gieren genau um den Dom-Mittelpunkt bewegt werden. Somit bleibt nur noch ein begrenzter innerer Bauraum für die Suchkopf-Optik mit Detektor verfügbar.
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Der IR-Detektor wird zukünftig ein ungekühltes Detektor-Array mit einigen tausend Bildpunkten sein, mit dem Vorteil, dass auf den bislang notwendigen Abkühlungaufwand auf –200°C verzichtet werden kann und dass ungekühlte Detektoren heute mehr als 10× billiger als gekühlte Detektoren sind. Dafür brauchen die ungekühlten Detektor-Arrays für gleiche Reichweiten-Leistungen aber mindestens einen 2–3× größeren Optikdurchmesser gegenüber gekühlten Detektor-Arrays; man braucht zukünftig also relativ große Optikdurchmesser.
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Typische Lenkflugkörper für den nichtinfanteristischen Einsatz gegen Bodenziele haben etwa 160 mm +/–10% Durchmesser und leichtere Lenkflugkörper, die auch für Infanteristen brauchbar sind, mit nur um die 2–4 km Reichweite, um die 110 mm +/–10% Durchmesser. Wenn man die oben aufgeführten Patentschriften oder auch andere Suchkopf-Designs ansieht, wird sofort einsichtig, dass der Optikdurchmesser max. etwa dem halben Flugkörperdurchmesser entsprechen kann; bei nach Pat. [1] z. B. mit etwa +/–20° Schwenkwinkel, bevor der Dom anfängt die Optik zu vignettieren (= Abschattung).
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Ein Dom mit vollem Flugkörperdurchmesser und bislang zwangsweise halbkugelförmig ist aerodynamisch sehr ungünstig.
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Offenbarung der Erfindung
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Es gibt eine IR-Suchkopf-Optik, in 1 ff. als Optik 2 bezeichnet, und in der Bildebene der Optik 2 ein IR-Detektor-Array, als Detektor 3 bezeichnet. Optik 2 und Detektor 3 sind starr miteinander zur Optik-Detektoreinheit 12 verbunden (Die Struktur ist aus Gründen der Übersicht in 1 nicht gezeichnet).
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Die Optik 2 bildet ohne zusätzlichen Dom die Fronthülle des Lenkflugkörpers.
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Ohne Dom spart man Aufwand, Gewicht und nicht unerhebliche Kosten (einige tausend EUR) ein. Zusätzlich wird die Optik 2 einfacher, weil die sonst notwendigerweise halbkugelförmige Domform (bei z. B. 160 mm Durchmesser mindestens 5 mm dick) nicht in der Optik 2 korrigiert zu werden braucht. Auch für die leistungsfähigsten abbildenden IR-Suchköpfe reicht für Optik 2 eine Einzellinse (mit einer (1) sphärischen und einer (1) asphärischen Oberfläche) aus.
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Die Lenkflugkörper-Hülle 4 kann nunmehr freier nach aerodynamischen Erfordernissen gestaltet werden.
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In 2 wird dargestellt wie der Schwenk der Optik-Detektoreinheit 12 vorgenommen werden kann.
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Die Optik-Detektoreinheit 12 kann in Gieren und Nicken geschwenkt werden.
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Die Optik 2 hat eine nach außen kugelförmige Fassung mit dem Radius der Optik 2 und ist in einer um die Optik umlaufenden Rinne 4 gelagert. Die Krümmung der Rinne 4 ist genauso groß wie der Durchmesser der Optik 2. Es gibt also einen äußeren Kugelschalen-Ausschnitt, hier Rinne 4 genannt, und einen inneren Kugelschalen-Ausschnitt, hier die äußere Optikkfassung der Optik 2, die konzentrisch ineinander bewegt werden können. Somit kann die Optik-Detektoreinheit 12 in Azimut (Gieren) und Elevation (Nicken) um den Mittelpunkt der Optik 2 geschwenkt werden.
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Die Dichtung zwischen Rinne 4 und Optik 2 ist die einer Aussen-Kugelschale = Rinne in einer Innenkugelschale (= Fassung der Optik 2). Durch geeignete Wahl des Materials der Rinne kann die Dichtigkeit gewährleistet werden. Falls gewünscht, kann aber noch zusätzlich eine flexible Dichtung 5 zwischen Optik und Rinne installiert werden.
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Die Optik-Detektoreinheit 12 kann also in alle Richtungen geschwenkt werden. Die Grösse des zulässigen Richtbereiches hängt von der Breite der Rinne ab und vom verfügbaren Schwenkraum in der Flugkörperhülle. Die üblichen Schwenkwinkel von 20°–30° stellen kein Problem dar. In 2 gezeichnet sind 10° Schwenkwinkel; für z. B. 30° Schwenkwinkel siehe 3a
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Normalerweise braucht man nur in Nick- und Gier-Richtung zu schwenken, die Lagerung erlaubt aber ohne Weiteres auch in der Rollachse die Optik-Detektoreinheit 12 um beliebig große Winkel zu drehen.
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3 zeigt wieviel aerodynamischer ein erfindungsgemäßer Suchkopf ist.
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Die schwenkbare Optik 2 nimmt nur etwa den halben Durchmesser und somit etwa ein Viertel der Stirn-Fläche des Lenkflugkörpers ein. Kippungen der Frontlinse beeinflussen die Aerodynamik nur wenig. Es könnten aber auch kleine aerodynamische Elemente beim Optik-Schwenk entgegen bewegt werden.
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Durch den Wegfall des Domes werden bei z. B. 160 mm∅, 5 mm Dicke und dem typischem Material ZnS 800 Gramm eingespart. Bei üblicherweise angestrebten Suchkopfgewichten von etwa 2 kg ist das ein sehr erheblicher Beitrag. Transmissionsverluste im Dom treten auch nicht mehr auf. Insofern entfällt auch der Aufwand der Vergütung der Domoberflächen, die sonst, insbesondere bei multispektralen Dual-Mode-Suchköpfen, aufwändig ist.
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Die IR-Optik 2 wird wesentlich einfacher, weil die Abbildungsfehler des halbkugelförmigen Domes nicht mehr korrigiert werden müssen.
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3a zeigt auch die typischen Größenverhältnisse von Suchkopf 1 zu den Flugkörper-Abmessungen.
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Die gestrichelte Linie soll zeigen, dass +/–30° Schwenkwinkel der Optik 2 mit Detektor 3 möglich sind. In den meisten Suchkopfspezifikationen werden nur 20°–25° Schwenkwinkel gefordert.
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Erfindungsgemäss wird die Optik-Detektoreinheit 12 um den Mittelpunkt der Optik 2 geschwenkt. Die Rinne 4 und die Fassung der Optik 2 bilden die Lagerung. Es gibt keine Kardanrahmen mehr. Die Kardanrahmen sind, neben den Detektoren, bislang die teuersten Komponenten eines konventionellen Suchkopfes.
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In 4 wird beispielhaft gezeigt, wie ein Schwenkantriebsmechanismus für die Optik-Detektoreinheit realisiert werden kann.
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Der Zapfen 8 ist im Schlitz 6 verschiebbar angebracht. Die Verschiebung kann z. B. elektromagnetisch erfolgen. Die Scheibe 7 kann um ihren Mittelpunkt rechts oder links herum gedreht werden, z. B. mittels eines Motors 9. Der Zapfen 8 nimmt die Optik-Detektoreinheit 12 mit.
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Somit kann der Detektor 3 alle Positionen im gewählten Schwenkbereich anfahren. Der Antrieb kann auch die Stabilisierung der Sichtlinie realisieren.
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Die Rinne 4 dient als festes Lager.
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Der Zapfen 8 kann alternativ natürlich auch auf einem X-Y-Schlitten bewegt werden.
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Der Zapfen 8 kann, wenn nötig, teleskopartig zusammengeschoben werden. Ansonsten kann das Loch tief genug sein und ähnlich wie bei den bekannten INBUS-Schlüsseln auch Schrägstellungen verkraften (Kugelkopf am Zapfen).
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Die erfindungsgemäße Anordnung nach 4 ist besonders vorteilhaft für kleine, leichtere Lenkflugkörper, die auch für die Infanterie geeignet sind und wo man auf kleinstmöglichen Suchkopfdurchmesser angewiesen ist. Man kann in obigem erfindungsgemäßem Design mit nur 35 mm Frontdurchmesser des Flugkörpers (Optik 2), 4 km Lock-on Reichweite erzielen, was der höchsten Flug-Reichweite dieser Flugkörperklasse gegen Bodenziele entspricht.
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Für größere, leistungsfähigere Lenkflugkörper ist eine modifizierte Lagerung der Optik-Detektoreinheit vorteilhafter.
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Die Lagerung der Optik-Detektoreinheit 12 kann, wenn der Flugkörper-Frontquerschnitt etwas größer als der Optik-Durchmesser werden darf, etwas modifiziert ausgeführt werden. Ansonsten bleibt alles wie in 4.
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In 5 ist die alternative Lagerung, welche für größere Lenkflugkörper vorteilhafter ist, dargestellt.
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Die Aerodynamik bleibt dann völlig unabhängig vom Schwenkwinkel.
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Der Schwenkantriebsmechanismus zum Schwenken der Optik-Detektoreinheit 12 in Nicken und Gieren kann z. B. wie in 4 gezeichnet, ausgeführt werden.
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Die Optik 2a ist eingefasst in einem Kugelschalenausschnitt 9. Der Kugelschalenausschnitt 9 ist frei beweglich auf dem Innenkugelausschnitt 10.
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Die Kugelanschnitt-Segmentgröße bestimmt, wie groß der maximale Schwenkwinkel werden darf. In 5 darf man z. B. max. 45° schwenken, ehe die Lagerung der Optik-Detektoreinheit nicht mehr gewährleistet ist.
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Die Optik 2a ist optisch mit der Optik 2 identisch, lediglich die Fassung ist, wie beschrieben, modifiziert.
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In 1 ist noch ein optionaler Umlenkspiegel 14 gezeichnet. Da die Optik 2 nur eine Linse braucht, ist ein Umlenkelement an beliebiger Stelle zwischen Optik 2 und Detektor 3 zusätzlich einfügbar. Damit gewinnt man Freiheiten in der Anordnung der Komponenten und die Möglichkeit, durch Schwenken des Spiegels 14, das FOR begrenzt zu erweitern und/oder die Sichtlinie zu stabilisieren. Der Spiegel 14 kann z. B. ein bekannter, kommerziell erhältlicher Galvanometerspiegel sein. Das FOR kann durch den Umlenkspiegel 14 nur um einige Grad erweitert werden, weil bei größeren Winkeln sehr schnell eine Strahlvignettierung (Abschattung) an der Optik 2 stattfindet.
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Das FOV und damit recht begrenzt auch das FOR kann auch durch eine größere Zahl von Detektorelementen erweitert werden, aber realistischerweise nicht von typisch 1° FOV auf die erforderlichen 40°–60° FOR.
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In 6 ist der zusätzlich optional implementierbare Laserspot-Suchkopf gezeichnet. Ein Laserspot-Suchkopf 15, üblicherweise bestehend aus einer Optik und einem 4-Quadrantendetektor, ist wie in Pat. [3] beschrieben, optional implementierbar. Es ist also auch eine sehr vorteilhafte Realisierung eines Dual-Mode-Suchkopfes möglich.
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Vorteile der Erfindung sind:
- 1. Die Frontfläche des Lenkflugkörpers kann bis zu etwa 4× kleiner sein (1/2 Durchmesser). Der erfindungsgemäße Suchkopf ist also viel aerodynamischer, die Flugreichweite des Lenkflugkörpers wird größer.
- 2. Weil es keine Kardanrahmen gibt, bleibt relativ viel freier Platz im Innenraum des Suchkopfes. Dadurch kann der Suchkopf insgesamt kleiner gebaut werden. Es gibt erstmalig die Möglichkeit einen Suchkopf mit nur 35 mm Front-Durchmesser und trotzdem über 4 km Lock-on Reichweite mit bis zu +/–20° FOR realisieren zu können.
- 3. Ohne Kardanrahmen spart man Bauraum, Gewicht und Kosten. Die Aufhängung der Optik-Detektoreinheit in Innen- und Aussen-Kugelschalen-Segmenten ist robuster gegen äussere Störmomente als die Aufhängung in Kardanrahmen.
- 4. Bei der erfindungsgemäßen Aufhängung in Kugelschalen-Segmenten kann der Suchkopf ohne Vergößerung des Aussendurchmessers auch entrollt werden. Der Flugkörper darf im Fluge rollen, was manche Lenkflugkörper tun. (Man braucht keinen dritten Kardanrahmen zur Entrollung des Suchkopfes).
- 5. Es fallen keine Kosten, Gewicht und Transmissionsverluste und Vergütungsprobleme für einen Dom an.
- 6. Die SK-Optik wird sehr einfach, weil keine Korrekturen für optische Dom-Fehler notwendig sind. Es reicht eine Einzellinse. Dadurch kann der optische Strahlengang, wenn gewünscht, auch an beliebiger Stelle umgelenkt werden. Das gibt Designfreiheiten. Eine Dual-Mode-SK-Optik, wie in Pat. [3] beschrieben, kann problemlos eingebracht werden.
- 7. Die Stabilisierung der Sichtlinie kann wahlweise auch mittels eines Umlenkspiegels nach Punkt 6 realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4135260 C1 [0002]
- DE 10153094 A1 [0002]
- DE 102007006710 B3 [0002]
