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Die Erfindung betrifft einen Suchkopf
mit einer Rollachse und einem Nick-Gier-Innenkardansystem, enthaltend einen
inneren Kardanrahmen, der um eine erste Kardanachse schwenkbar an
einer Lagerstruktur gelagert ist, und einen äußeren, ein Suchersystem des
Suchkopfs tragenden, Kardanrahmen, der um eine zweite, zu der ersten
senkrechte Kardanachse auf dem inneren Kardanrahmen schwenkbar gelagert
ist.
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Solche Suchköpfe werden insbesondere in zielverfolgenden
Flugkörpern
angewandt. Ein optisches System als Suchersystem erzeugt ein Bild
einer das Ziel enthaltenden Objektszene auf einem Detektor. Aus
den Signalen des Detektors werden einmal Signale gewonnen, welche
die optische Achse des optischen Systems auf das Ziel ausgerichtet
halten. Außerdem
werden aus den Signalen des Detektors Lenksignale gewonnen, durch
welche der Flugkörper
zu dem Ziel geführt
wird. Üblicherweise
wird dabei eine das optische System tragende Plattform und damit
die Richtung der optischen Achse des optischen Systems durch ein
Trägheitsmeßsystem
von den Bewegungen des Flugkörpers
entkoppelt. Wenn durch einen Regelkreis die optische Achse ständig auf
das Ziel ausgerichtet gehalten wird, entspricht die optische Achse
der Sichtlinie vom Flugkörper
zum Ziel. Aus der Bewegung der optischen Achse relativ zu der stabilisierten
Plattform kann dann die Drehrate der Sichtlinie im inertialen Raum
bestimmt werden. Bei üblicher
Proportionalnavigation wird der Flugkörper so geführt, daß diese Sichtlinie raumfest
bleibt. Die Lenksignale werden dazu proportional zu der Drehrate
der Sichtlinie gemacht.
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Die Plattform muß dabei kardanisch gelagert werden,
so daß die
optische Achse des optischen Systems jede beliebige Position innerhalb
eines bestimmten Raumwinkels einzunehmen vermag.
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Die kardanische Lagerung kann dabei
eine Nick-Gier-Lagerung sein. Dabei ist ein erster Kardanring um
eine erste im wesentlichen quer zur Flugkörper-Längsachse verlaufende Achse,
z.B. die Nickachse, gegenüber
der Flugkörperstruktur
schwenkbar gelagert. An dem ersten Kardanring ist ein zweiter Kardanring
um eine zweite Achse, z.B. die Gierachse, schwenkbar gelagert, die
senkrecht zu der ersten Achse verläuft. Dieser zweite Kardanring
trägt oder
bildet die Plattform, auf welcher das optische System sitzt. Dabei
kann der an der Flugkörperstruktur
gelagerte erste Kardanring der äußere Kardanring sein,
während
der zweite Kardanring den inneren Kardanring bildet. Man spricht
dann von einem "Außenkardansystem". Der an der Flugkörperstruktur gelagerte
erste Kardanring kann aber auch der innere Kardanring sein, wobei
der zweite, die Plattform tragende oder bildende Kardanring der äußere Kardanring
ist. In diesem Fall spricht man von einem "Innenkardansystem". Das Kardansystem sitzt dann innerhalb
der Plattform. Diese letztere Anordnung wird aus räumlichen
Gründen
bevorzugt.
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Bei einem solchen Nick-Gier-Kardansystem sind
die Schwenkwinkel der Plattform und damit die Schielwinkel, welche
die optische Achse mit der Flugkörper-Längsachse
bilden, aus konstruktiven Gründen
beschränkt.
Der Sucher kann ein Ziel nur in nur einem begrenzten Gesichtsfeld
erfassen.
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Größere Schielwinkel lassen sich
erreichen mit einem Roll-Nick-Kardansystem. Hier ist ein erster, wellenartiger
Kardanrahmen um eine mit der Flugkörper-Längsachse zusammenfallende Rollachse
in der Flugkörperstruktur
drehbar gelagert. Dieser erste Kardanrahmen kann gegenüber der
Flugkörperstruktur
um die Rollache in einem Winkelbereich von 360° verdreht werden. An dem erste
Kardanrahmen ist ein zweiter Kardanrahmen um eine senkrecht zur
Rollachse verlaufende Nickachse schwenkbar gelagert. Dieser zweite
Kardanrahmen trägt
das optische System des Suchkopfes. Der zweite Kardanrahmen kann
so gelagert werden, daß die
optische Achse des optischen Systems um einen Winkel von ungefähr 90° gegenüber der
Längsachse
des Flugkörpers
verschwenkt werden kann. Es sind also Schielwinkel bis 90° möglich, und
zwar in jeder Richtung um die Rollachse herum. Ein so aufgebauter
Suchkopf kann somit innerhalb eines Halbraumes auf ein Ziel ausgerichtet
werden.
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Nachteilig ist bei solche Roll-Nick-Kardansystemen,
daß sie
im Bereich der Rollachse eine Singularität zeigen: Wenn die Sichtlinie
zum Ziel, der die optische Achse des optischen Systems durch Verdrehung
der Kardanrahmen nachgeführt
werden soll, mit der Rollachse zusammenfällt oder in deren Nähe verläuft, dann
erfordern schon kleine Bewegungen der optischen Achse große Winkelbewegungen
des Rollrahmens. Wenn sich z.B. die Sichtlinie zum Ziel durch die
Rollachse hindurchbewegt, dann müßte der
Rollrahmen, um die optische Achse dieser Sichtlinie nachzuführen, praktisch
in unendlich kurzer Zeit eine Drehung um 180° ausführen. Das übersteigt die Möglichkeiten üblicher
Stellmotoren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Kardansystem für
einen Suchkopf zu schaffen, bei welchem die Nachführung der
Plattform und des Suchersystems ohne Singularitäten erfolgt, welches aber große Schielwinkel
und die Erfassung von Zielen in einem großen Gesichtsfeld gestattet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch
gelöst,
daß die
erste Kardanachse mit der Rollachse einen spitzen Winkel bildet
und die Lagerstruktur ihrerseits um die Rollachse drehbar gelagert ist.
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Dadurch, daß die erste Kardanachse mit
der Rollachse einen spitzen Winkel bildet, sitzt das Kardansystem
schräg
zu der Rollachse. Der Schwenkbereich des äußeren Kardanrahmens mit dem
Suchersystem ist dadurch unsymmetrisch zu der Rollachse. Betrachtet
man die Mittellage des um die erste Kardanachse schwenkbaren Innenrahmens,
dann ergibt sich folgendes: Bezeichnet man mit α den spitzen Winkel und mit
2β den Schwenkbereich
des Außenrahmens
um die zweite Kardanachse, dann ist der maximal erreichbare Schielwinkel zwischen
der Rollachse und der Achse des Suchersystems 90° – α + β. Es kann also ein größerer Schielwinkel
erreicht werden. Wenn das Ziel im Azimut aus dem durch den Schwenkbereich
des Kardansystems bestimmten Raumwinkel auswandert, kann dies durch
eine Drehung des Kardansystems um die Rollachse ausgeglichen werden.
Der durch den Schwenkbereich des Kardansystems bestimmte Raumwinkel
wird dem Ziel nachgeführt.
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Vorteilhafterweise enthält der Raumwinkel, in
welchem die optische Achse des optischen Systems durch Schwenkbewegungen
um die erste und die zweite Kardanachse auslenkbar ist, die Rollachse.
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Zur Stabilisierung des optischen
Systems im Raum kann eine Trägheitsmeßeinheit
vorgesehen sein, durch welche Stellmotoren um die erste und die zweiten
Kardanachse ansteuerbar sind, wobei ein um die Rollachse wirkender
Stellmotor vorgesehen ist, der dann, wenn sich der innere Kardanrahmen seiner
Anschlagstellung nähert,
im Sinne einer Nachführung
dieses inneren Kardanrahmens weg von der Anschlagstellung ansteuerbar
ist.
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Die Achse des Suchersystems kann
so auf jeden Punkt innerhalb eines großen, sich um die Rollachse
herum erstreckenden Raumwinkels gerichtet werden. Die Stabilisierung
erfolgt dabei mittels des Nick-Gier-Kardansystems. Dieses Nick.Gier-Kardansystem
hat auch im Bereich der Rollachse keine Singularität. Bei einem
Durchgang der Sichtlinie durch die Rollachse führt das Nick-Gier-Kardansystem
nur normale Stellbewegungen aus. Es ist kein 180°-Umschlag erforderlich wie bei
einem Roll-Nick-Kardansystem.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Suchkopf mit schrägliegendem
Nick-Gier-Kardansystem
und einer zusätzlichen
Nachführbewegung um
die Rollachse.
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2 ist
ein Blockdiagramm und veranschaulicht die Nachführung des Suchersystems nach einer
Sichtlinie zu einem Ziel.
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3 ist
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vergrößerung des Bereichs der zulässigen Schielwinkel
des Suchkopfes von 1.
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In 1 ist
mit 10 die Spitze der Flugkörperstruktur eines zielverfolgenden
Flugkörpers
bezeichnet. Die Spitze 10 ist durch ein sphärisches
Fenster (Dom) 12 abgeschlossen. Hinter dem Dom 12 sitzt ein
Suchkopf, der generell mit 14 bezeichnet. ist.
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Der Suchkopf 14 enthält einen
Tisch 16, der um eine mit der Längsachse des Flugkörpers zusammenfallende
Rollachse 18 drehbar in der Spitze 10 der Flugkörperstruktur
gelagert ist. Auf dem Tisch sitzt ein hülsenförmiger Lagerkörper 20.
Der Lagerkörper 20 ist
geneigt zur Rollachse 18 angeordnet. An dem vorderen oder
domseitigen Ende des Lagerkörpers 20 ist
ein Innenrahmen 22 um eine erste, zur Längsachse des Lagerkörpers 20 senkrechte
Kardanachse 24 schwenkbar gelagert. Das ist in 1 rechts von der Längsachse
des Lagerkörpers 20 dargestellt.
Durch die geneigte Anordnung des Lagerkörpers 20 bildet die
erste Kardanachse 24 mit der Rollachse einen spitzen Winkel α (2). Links von der Längsachse
des Lagerkörpers 20 ist
ein Schnitt senkrecht zu dem Schnitt auf der rechten Seite dargestellt.
Man erkennt dort, daß auf
dem Innenrahmen 22 ein Außenrahmen schwenkbar gelagert
ist, der generell mit 26 bezeichnet ist. Der Außenrahmen 26 ist
um eine zweite Kardanachse 28 schwenkbar gelagert, die
senkrecht zu der ersten Kardanachse 24 verläuft. Wenn
die erste Kardanachse 24 im rechten Teil von 1 in der Papierebene von 1 verläuft, dann verläuft bezogen
hierauf die zweite Kardanachse 28 senkrecht zu der Papierebene
der rechten Seite von 1.
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Auf dem Außenrahmen
26 sitzt
ein Suchersystem
30 in Form eines abbildenden optischen
Systems. Dieses Suchersystem
30 enthält einen ringförmigen Hohlspiegel
32,
der mit seinem zentralen Durchbruch auf dem Außenrahmen
26 montiert
ist. Der Außenrahmen
26 weist
einen Kuppelteil
34 auf. Der Kuppelteil
34 trägt Stege
36,
welche einen dem Hohlspiegel
32 zugewandten, schwach konvexen Sekundärspiegel
38 tragen.
Der Kuppelteil
34 bildet eine Fassung
40 für eine Linsenoptik
42.
Parallel einfallendes Licht von einer im Unendlichen liegenden Objektszene
wird von dem Hohlspiegel
32 auf den Sekundärspiegel
38 reflektiert
und von diesem auf die Linsenoptik
42 gelenkt. Das optische
System erzeugt ein Bild der Objektszene auf einem Detektor
44.
Der Detektor
44 wird in üblicher Weise von einem Joule-Thomson-Kühler
46 gekühlt, der
innerhalb des hülsenförmigen Lagerkörpers
20 angeordnet
ist. Auf der Rückseite
des Sekundärspiegels
38 ist ähnlich wie
bei der
DE 199 38
886 A1 eine Trägheitssensoreinheit
48 angeordnet.
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Die Kardanachsen 24 und 28 und
die Rollachse 18 schneiden sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt 50.
Im Bereich dieses gemeinsamen Schnittpunktes 50 ist der
strukturfeste Detektor 44 angeordnet. Der Dom 12 ist
um den Schnittpunkt 50 gekrümmt. Um diesen Schnittpunkt 50 ist
der äußere Kardanrahmen 26 nach
allen Seiten verschwenkbar gelagert. Bei dieser Anordnung sind die
Kardanrahmen 22 und 26 innerhalb des Suchersystems 30 angeordnet.
Das Suchersystem 30 sitzt auf dem äußeren Kardanrahmen 26.
Man spricht daher von einem "Innenkardansystem".
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Der Tisch
16 ist durch einen
Stellmotor
52 um die Rollachse verdrehbar. An dem Tisch
16 sitzen auf
einer sphärischen
Fläche
54 Magnete
56 mit
einem kugelschalenförmigen
magnetischen Rückschluß
58.
Die Magnete
56 erzeugen ein radiales Magnetfeld. In diesem
radialen Magnetfeld sitzen Flachspulen
60, die mit dem äußeren Kardanrahmen
26 verbunden
sind. Diese Magnete
56 und Flachspulen
60 bilden
Drehmomenterzeuger
62, welche unmittelbar an dem äußeren Kardanrahmen
26 angreifen.
Diese Anordnung entspricht im Prinzip der Drehmomenterzeuger-Anordnung
nach der
EP 0 766 065 B1 und
der US-Patentschrift 5,892,310, auf deren Offenbarung Bezug genommen
wird.
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Das Suchersystem 30 definiert
eine optische Achse 64. Durch die Trägheitssensoreinheit 48 werden
die Drehmomenterzeuger 62 so angesteuert, daß sie das
Suchersystem 30 im Raum stabilisieren und von der Bewegung
des Flugkörpers
entkoppeln. Der Detektor 44 des Suchersystems 30 liefert
nach geeigneter Signalverarbeitung Ablagesignale, welche die Ablage
eines von dem Suchersystem erfaßten
Zieles von der optischen Achse 64 wiedergeben. Mit diesen
Ablagesignalen sind die Trägheitssensoren
der Trägheitssensoreinheit 48 beaufschlagt,
so daß diese
nach Maßgabe
der Ablagesignale präzediert
werden. Die stabilisierte Lage der optischen Achse wird so dem Ziel
nachgeführt.
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2 zeigt
schematisch die Stabilisierung des Suchersystems 30 im
Raum und die Ausrichtung der optischen Achse 68 auf das
Ziel.
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Die Stabilisierung des Suchersystems 30 im Raum
erfolgt durch die Trägheitssensoreinheit 48. Die
Trägheitssensoreinheit 48 steuert
in üblicher Weise
die Drehmomenterzeuger 62 an. Wenn eine Ablage der Sichtlinie
zu einem von dem Suchersystem 30 erfaßten Ziele von der optischen
Achse 68 vorliegt, dann sind die von dem Suchersystem 30 gelieferten
Ablagesignale auf die Trägheitssensoren der
Trägheitssensoreinheit 48 aufgeschaltet
und präzedieren
diese so, daß die
stabilisierte optische Achse 68 dem Ziel nachgeführt wird.
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Wie in 2 weiter
dargestellt ist, werden durch Winkelgeber 70 die Rahmenwinkel
des Kardansystems bestimmt. Wenn diese Rahmenwinkel sich der Anschlagstellung
des Innenrahmens nähern,
dann wird der Roll-Stellmotor 52 durch eine Steuereinrichtung 72 in
der einen oder der anderen Drehrichtung angesteuert. Der Roll-Stellmotor 52 verdreht
dann den Tisch 16 mit dem gesamten Kardansystem und dem
Suchersystem 30 um die Rollachse derart, daß die Sichtlinie
wieder im Stellbereich des Kardansystems liegt.
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3 veranschaulicht
die Wirkung der Schrägstellung
der ersten Kardanachse 24 zu der Rollachse 18.
Die erste Kardanachse 24 bildet mit der Rollachse 18 einen
Winkel α.
In 3 ist angenommen,
daß sich
der innere Kardanrahmen 28 sich in seiner Mittelstellung
befindet. Die Ebene des inneren Kardanrahmens 22 liegt
dann senkrecht zur Papierebene in 3.
Der äußere Kardanrahmen 28 ist dann
um die zu der Papierebene senkrechte zweite Kardanachse 26 zwischen
zwei Anschlagstellungen verstellbar, die den Positionen 64A und 64B symmetrisch
zu einer Mittelposition 64M der optischen Achse 64 entsprechen.
Der Winkel zwischen der Anschlagposition 64B und der Rollachse 18 ist β + 90° – α. Bei einem
spitzen Winkel von 60° zwischen
der ersten Kardanachse 24 und der Rollachse 18 ist
bei der dargestellten Ausführung
der maximale Kippwinkel des Suchersystems 30 relativ zu
der Rollachse 18 etwa 70°.
Das Suchersystem 30 kann somit in der dargestellten Position
des Tisches 16 einen zu der Rollachse 18 unsymmetrischen
Raumwinkel bis z.B. 70° in
der Papierebene auf der rechten Seite von 1 erfassen. In der Azimutrichtung ist
der Raumwinkel begrenzt durch die Anschlagstellungen des äußeren Kardanrahmens.
Nicht erfaßt
werden wegen der Unsymmetrie auch Bereiche links in 1.
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Wenn der Innenrahmen 22 sich
einer Anschlagposition nähert,
dann wird, wie beschrieben, eine Drehung um die Rollachse 18 eingeleitet
und der so durch die Anschlagpositionen begrenzte Raumwinkel der
Sichtlinie zum Ziel nachgeführt,
derart daß die
Sichtlinie sich immer in dem Bereich des Raumwinkels befindet, in
welchem die optische Achse 64 des Suchersystems 30 durch
das Kardansystem auf das Ziel ausgerichtet werden kann.
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Die optische Achse 64 des
Suchersystems 30 kann somit innerhalb eines Raumwinkels
von 70° um
die Rollachse 18 herum auf ein Ziel ausgerichtet werden.