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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 enthaltender 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 solchen 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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Aus der
US 4 717 822 A ist eine Überwachungseinrichtung für ein Flugzeug bekannt, welche eine rosettenförmige Abtastung durchführt. Innerhalb eines um eine Nutationsachse drehbaren Kardanrahmens ist eine Optik mit zur Nutationsachse verkippter Achse angeordnet. Der Kardanrahmen wiederum ist um eine Präzessions- bzw. Rollachse eines Nasenbereichs des Flugzeugs drehbar gelagert, wobei sich die Nutationsachse und die Rollachse unter einem Winkel schneiden.
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Die
US 4 690 351 A beschäftigt sich mit einem Suchkopf für ein spinstabilisiertes Geschoss mit einem optischen System, dessen optische Achse sich unter einem Winkel mit der Spinachse des Geschosses schneidet. Um eine kreisförmige Abtastung zu erzielen, wird der Spin des Geschosses genutzt. Der Radius dieser kreisförmigen Abtastung wird über die Rotation eines optischen Keils, der sich vor dem optischen System befindet, eingestellt.
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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 um 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-Thomsan-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.
