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Aufgabenstellung:
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Es gibt kommandogelenkte Lenkflugkörper-Systeme auf Hubschraubern. Ein dazu notwendiges typisches Lenkvisier wiegt allein, im Falle des Hubschraubers TIGER, 130 kg und im Falle APACHE Hubschrauber sogar 220 kg. Auf einem Klein-Helicopter ist die Nutzlast insgesamt, für Abschussanlage incl. Lenkvisier und Lenkflugkörper, aber auf etwa 50 kg begrenzt. Es ist also für ein kommandogelenktes Lenkflugkörpersystem auf Klein-Helicoptern eine gravierend neuartige Lösung notwendig.
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Kommandolenkung ist ein bekanntes Verfahren Lenkflugkörper billig, sicher und störresistent unter Schützenkontrolle ins Ziel zu lenken. Nachteile der Kommandolenkung vom Boden aus sind:
- – es können nur vom Abschussort aus sichtbare Ziele bekämpft werden
- – der Schütze muss während der Flugzeit am Abschussort verharren (Gefährdung).
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Diese beiden Nachteile werden beseitigt, wenn man die Flugkörper von einem Klein-Helicopter, wie z. B. in 1 dargestellt, aus verschießt. Der Klein-Helicopter kann leicht eine günstige Sichtverbindung zum Ziel einnehmen und nach dem Abschuss Ausweichbewegungen vollführen und außerdem sitzt der Schütze nicht am Abschussort.
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Bild: s. 1
Klein-Helicopter. Nutzlast max. etwa 50 kg; Bildübertragung zum Boden max. 50 km
Von einem (unbemannten) Klein-Helicopter aus, soll ein kommandogelenkter Flugkörper präzise und sicher ins (richtige) Ziel gelenkt werden. Kommandolenkung bedeutet:
Man braucht ein Lenkvisier, bestehend aus einem TV- und oder Wärmebildgerät und einem Flugkörperorter. Ein Schütze am Boden sucht und identifiziert via TV oder Wärmebildgerät ein Ziel und hält das Fadenkreuz mit etwa 0.1 mrad Genauigkeit (das sind 30 cm auf 3 km) auf dem ausgewählten Zielpunkt. Der Flugkörperorter ortet während des Fluges eine Blitzlampe am Flugkörperheck und bestimmt so exakt die Flugkörperposition während des Fluges. Danach werden korrigierende Lenkkommandos an den Flugkörper gesendet.
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Die Fadenkreuz von TV und Wärmebildgerät und Flugkörperorter müssen < 0.1 mrad zueinander achsparallel sein. Und die Visierlinie muss etwa 12 μrad genau stabilisiert sein um Bildverwischungen und Bewegungen zu verhindern.
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Kurz: Ein Lenkvisier auf einem Helicopter braucht Stabilisierung der Visierlinie (etwa 12 μrad) und Achsparallelität < 0.1 mrad der Sensoren zueinander und Fadenkreuz der Sensoren mit < 0.1 mrad Genauigkeit ca. 40 sec auf dem Ziel haltbar.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Visiere auf Hubschraubern oder allgemein Luftfahrzeugen unterliegen Vibrationen, die zu Vibrationen der Visierlinie führen. Wenn man mit dem Visier nur beobachten möchte, kann man das Visier welch aufhängen, z. B. in Schaumgummi lagern. Dann sind die zu Bildverwischungen führenden Vibrationen weg, aber die Visierlinie (Fadenkreuz) ist nicht mehr exakt auf dem Ziel zu halten. Solche Beobachtungsvisiere werden hier nicht betrachtet.
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Um mit Hilfe des Visieres Lenkflugkörper verschießen zu können, muss die Visierlinie mit < 0.1 mrd Genauigkeit präzise über die Flugzeit (bis zu 40 sec) auf dem Ziel haltbar sein. Außerdem muss die Visierlinie mit etwa 12 μrd (1 σ-Wert) Genauigkeit stabilisiert werden. Zusammen mit der Achsparallelitätsforderung führt dies zu aufwendig zu entwickelnden und komplexen, schweren und teuren Visieren.
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Ein typisches Lenkvisier vom HELICOPTER APACHE zeigt die Skizze.
s. 2
- 1 = Eintrittsfenster des Wärmebildgerätes
- 2 = Pilotennachtsichtgerät
- 3 = Eintrittsfenster eines Laserbeleuchters
- 4 = Eintrittsfenster
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Das Lenk-Visier wiegt ohne die zusätzlich erforderlichen Hilfsgeräte 220 kg. Die Zielidentifikations-Reichweite des Wärmebildgerätes beträgt in der eingeführten Version 3 km und in einer modemisierten Version etwa 4 km.
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Ein entsprechendes Lenkvisier vom Helicopter TIGER (der Bundeswehr) wiegt etwa 130 kg.
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Bild: s. 3
Unabhängig vom Gewicht sind solche Visiere am Klein-Helicopter auch unbrauchbar, weil sie räumlich nicht unter den Klein-Helicopter passen und dort bei Landungen gefährdet sind, und bei seitlicher Anbringung am Klein-Helicopter keine horizontale Rundumsicht möglich ist.
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Man braucht also:
Ein Lenkvisier welches seitlich am Klein-Helicopter anbringbar ist, etwa 3 km Identifikationsreichweite bietet, horizontale Rundumsicht erlaubt, deutlich unter 15 kg wiegt (damit Nutzlast für die Flugkörper übrig bleibt) und die üblichen Forderungen Achsparallelität, Stabilisierung und Zielhaltung im Fadenkreuz erfüllt.
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Die Achsparallelitätsforderung < 0.1 mrad bedeutet, dass ein z. B. 10 cm langes Bau-Teil 1/100 mm „schief” zu einem anderen Bauteil stehen darf, da es aber viele Teile gibt, sind für die einzelne Toleranz eher nur 5/1000 mm zulässig und das im militärischen Temperaturbereich von –40°C bis zu +70°C. So etwas kostet enormen Entwicklungs- und Herstellungs-Aufwand und viel Gewicht. Deshalb wird hier auf eine vorhandene einfache Lösung dieser Aufgabenstellung nach Patent
EP 2 176 618 zurückgegriffen. Mit dieser Technik dürfen alle Komponenten ungenau eingebaut werden und zueinander driften, trotzdem sind alle Sensorachsen (TV, etc.) exakt achsparallel zueinander ausgerichtet. Man darf die Sensoren also auch bewegen und z. B. drehen, ohne Achsfehler zu erzeugen.
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Ein solches Visier ist in Patent
EP 2 176 618 B1 „Visier” näher beschrieben.
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Bild s. 4
Dieses existente Lenkvisier wiegt etwa 10 kg.
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Es ist aber unstabilisiert und nur fest, unbeweglich am Klein-Helicopter seitlich anbringbar und erlaubt keinen azimutalen Rundumblick.
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Bezeichnungen und Abkürzungen
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- TV
- = Fernsehkamera
- WBG
- = T. I. = Wärmebildgerät (Thermal (mager)
- Sensoren
- = Oberbegriff für TV, T. I. und Flugkörperorter
- Lenkvisier
- = Sensoren (TV, WBG, Flugkörperorter) mit exakt parallelen optischen Achsen, stabilisiert und präzise auf ein Ziel richtbar, im Azimut 360°, vertikal um die +/–20°.
- Detektor
- = übliches TV/T. I. Detektorarray (mit z. B. 480 × 640 Bildpunkten); das Detektorarray des Flugkörperorters ist im Prinzip wie ein TV-Detektorarray
- Fadenkreuzprojektor
- = projiziert ein Fadenkreuz in alle Sensoren.
- Fenster
- = Ausblickfenster
- Visierlinie
- = Richtung der optische Achse (Fadenkreuz).
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Erfindung:
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Lenkvisier für 360° horizontalen Rundumblick, mindestens etwa +/–20° vertikalem Schwenkbereich, seitliche feste Anbringung am Klein-Helicopter, 0.1 mrad Richtgenauigkeit, < 0.1 mrad Achsparallelität der Sensoren zueinander und Stabilisierung für alle Sensorenachsen.
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Die Lösung dieser Aufgabe ist in 5 und detaillierter in 6 dargestellt.
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Ein Lenkvisier nach 4 wird, um 90° mit dem Ausblick 8 nach unten gedreht, fest seitlich am Mini-Helicopter angeschraubt. Vor dem Ausblick 8 wird ein horizontal mittels Motor 1 drehbarer und mittels Motor 2 elevierbarer Spiegel S1 in einer Ausblickeinheit befestigt. So wird gewährleistet, dass die Visierlinie azimutal um 360° und in der Elevation um mindestens etwa +/–20° ausgerichtet werden kann.
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In 7 ist dargestellt, dass der Motor 2 den Spiegel S1 um den Drehpunkt M dreht, der auf der Oberfläche von Spiegel S1 liegt.
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Die Stabilisierung des Spiegels S1 geschieht auf bekanntem Wege. Ein Kreisel sensiert Bewegungen des Visieres und gibt Korrektursignale an einen handelsüblichen Piezostabilisierungsblock, der den Ausblickspiegel so bewegt, dass die Visierlinie raumfest ruhig bleibt.
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Wenn der Spiegel S1 um +/–10° eleviert wird, wird die Visierlinie um +/–20° eleviert. Das ist der übliche Höhen-Richtbereich von Hubschraubervisieren. Ein Offset von 5°–10° nach unten ist auch möglich. Da die Optiken relativ kleine Durchmesser haben und alle koaxial sind ist auch ein größerer vertikaler Richtbereich realisierbar, ohne dass der Spiegel S1 zu groß wird.
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Eine Drehung der Visierlinie im Azimut ist um n × 360° möglich, es ist aber zu beachten, dass die Bilder dabei verrollen. Eine elektronische Bild-Entrollung ist durchaus denkbar; aber dabei kann nur der Bildinhalt nicht jedoch auch das Bildformat (z. B. 3:4) aufgerichtet werden. Die Entrollung von Bildinhalt und Format kann durch Rotation der Detektor-Arrays erfolgen. Das ist ein gewisser Aufwand, aber das ist der Preis überhaupt ein Lenkvisier mit < 15 kg Ziel-Gewicht und das sogar nur durch Modifikation existenter Komponenten, realisieren zu können. Statt nur der Detektoren können natürlich in beiden Fallen auch die kompletten Sensoren gedreht werden. Die Präzision der Drehachsen ist wg. der Anwendung des Patentes
EP 2 176 618 unkritisch, deshalb wird diese Vorgehensweise überhaupt möglich.
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In 9 wird die Ausführung der Rotation der Detektoren oder der kompletten Sensoren dargestellt. Azimutale Rotationen der Ausblickeinheit werden 1:1 in Rotationen der Detektoren oder kompletten Sensoren mittels Zahnriemenbändern übertragen.
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In 8 wird die Anbringung des kompletten erfindungsgemäßen Lenkvisiers seitlich am Mini-Helicopter dargestellt.
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Vorteile der Erfindung:
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Das Visier ist wesentlich leichter als bekannte Visiere, weil nicht das ganze Visier, in Kardanrahmen hängend, azimutal und vertikal geschwenkt werden muss (und weil das patentierte Achsharmonisationsverfahren Toleranzen und Drift aller Komponenten zueinander erlaubt => Leichtbau). Und deshalb auch die Drehung der Sensoren erlaubt ist, ohne die notwendige präzise Achsparallelität zueinander einzubüßen.
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Durch die Erfindung werden völlig neue Einsatzverfahren für kommandogelenkte Lenkflugkörper möglich. Der Schütze ist nicht mehr gefährdet und Ziele können vom Klein-Helicopter aus viel effektiver gefunden werden als vom Boden aus und man braucht keine (bemannten) Gross-Hubschrauber mehr.
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Im folgenden wird anhand von Zeichnungen und Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert.
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Es zeigt
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1 Einen Klein-Hubschrauber der zu benutzenden Art. Nutzlast etwa 50 kg; Bildübertragung zum Boden max. 50 km; etwa 1 m hoch; unbemannt
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2 Ein typisches Lenkvisier vom Helicopter APACHE
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Eintrittsfenster des Wärmebildgerätes
- 2
- Pilotennachtsichtgerät
- 3
- Eintrittsfenster eines Laserbeleuchters
- 4
- Eintrittsfenster
- PNVS
- Pilotennachtsicht
- TADS
- Schützenvisier
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3 Ein entsprechendes Lenkvisier vom Helicopter TIGER (der Bundeswehr) Gewicht etwa 130 kg
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Bezugszeichenliste
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- 5
- Nick-Drehachse (für das ganze horizontale, zylindrische Visier)
- 6
- Gier-Drehachse
- 7
- Optik-Ausblickfenster
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4 entnommen aus
EP 2 176 618 2; existentes Lenkvisier, unstabilisiert.
Gewicht 10kg
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Bezugszeichenliste
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- 8
- Ausblick
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5 Lenkvisier Prinzipbild
Basis ist das existente Lenkvisier aus 4, jedoch um 90°, mit dem Ausblick 8 nach unten, gedreht.
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Bezugszeichenliste
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- 9
- Nick-Rotation
- 10
- Visierlinie (= Blickrichtung)
- 11
- Gier-Rotation (= horizontale Rotation)
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6 Lenkvisier, detailliertere Darstellung
TV = Fernsehkamera; T. I. = Wärmebildgerät (Thermal Imager) Fadenkreuzproj. = Fadenkreuzprojektor; hor. Drehlager = horizontales Drehlager. 21 = Ausblickeinheit, horizontal mittels 12 = Motor 1 drehbar Spiegel S1 mittels 13 = Motor 2, vertikal um ca. +/–10° schwenkbar
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Bezugszeichenliste
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- 14
- Fenster
- 15
- horizontales Drehlager für Ausblickeinheit 21
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7 Ausblickeinheit Detailansicht Spiegel S1
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Bezugszeichenliste
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- 16
- Halterung für: 13 = Motor 2
- 17
- Kreisel
- 18
- Signal an Piezoblock
- 19
- Kommerziell üblicher Piezo-Stabilisierungs-Block
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8 Anbringung des Lenkvisiers am Mini-Helicopter
Das Lenkvisier 20 mit der horizontal drehbaren Ausblickeinheit 21 ist fix an der Seite des Klein-Hubschraubers befestigt.
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9 Detailansicht Synchrone 1:1 Rotation von Ausblickkopf und Sensoren (Detektoren)
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Bezugszeichenliste
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- 24
- Stirnräder
- 25 und 26
- je ein Zahnriemenband
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2176618 [0014, 0024, 0034]
- EP 2176618 B1 [0015]
