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Die vorliegende Erfindung gehört zum technischen Gebiet der Waffenzünder und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Sicherung und Entsicherung eines Zünders. Sie findet bei drallstabilisierten Munitionen und insbesondere bei Raketen Anwendung. Sie findet sowohl bei Aufschlagzündern als auch bei elektronischen Zündern Anwendung.
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Ein Waffenzünder ermöglicht das Zünden einer Munition oder eines Triebwerks. Ein Zünder weist eine pyrotechnische Kette auf, die aus pyrotechnischen Zusammensetzungen besteht. Die pyrotechnischen Zusammensetzungen sind so ausgebildet, dass sie eine Kettenreaktion auslösen, wenn eine erste pyrotechnische Zusammensetzung (oder Zündmittel) scharf gemacht wird. Um jeglichen unerwünschten Betrieb zu vermeiden, weist ein Zünder ferner eine Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung auf, die in der angelsächsischen Literatur auch ”Safety and Arming Device” genannt wird. Durch die Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung ist es möglich, den Betrieb des Zünders zu verhindern, solange die Sicherheitsbedingungen nicht erfüllt sind.
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Es ist z. B. eine Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung bekannt, bei der der Betrieb des Zünders durch den Versatz des Zündmittels verhindert wird. Die Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung weist einen Trägheitsriegel und ein Mittel zur Verzögerung der Entsicherung der Zündung auf. Der Trägheitsriegel wird durch eine vorbestimmte Längsbeschleunigungskraft weggerückt. Die Beschleunigungskraft beim Starten der Munition ermöglicht das Wegrücken dieses Riegels. Das Mittel zur Verzögerung der Entsicherung, vom Typ mechanisches Mittel zur Verzögerung der Entsicherung, wird durch das Wegrücken des Trägheitsriegels ausgelöst. Das Ende der Verzögerung bewirkt die Ausrichtung des Zündmittels, wodurch der Betrieb des Zünders gestattet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung der Sicherheit dieses Zündertyps.
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Dazu wird der Zünder mit einem zweiten, von dem ersten Riegel unabhängigen Riegel ausgestattet. Zwei Riegel werden als unabhängig voneinander bezeichnet, wenn sie von unterschiedlichen Umgebungen aktiviert werden.
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Dazu weist die Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung ferner einen Drehriegel auf, der durch ein Rückstelldrehmoment in einer Sicherungsposition gehalten ist, wobei der Riegel so ausgebildet ist, dass er durch ein entgegengesetztes Drehmoment weggerückt wird, welches ab einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit der Vorrichtung erzeugt wird, wobei der Drehriegel so ausgebildet ist, dass er das Entsichern des Zünders verhindert, wenn der Drehriegel nach Ablauf einer vorbestimmten Wegrückzeit ab dem Auslösen des Mittels zur Verzögerung der Entsicherung nicht weggerückt ist, wobei die Wegrückzeit kürzer ist als die Entsicherungsverzögerung.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Mittel zur Verzögerung der Entsicherung folgendes auf:
- – einen drehbaren Rotor, der um eine Achse der Vorrichtung angebracht ist, wobei der Rotor von dem Trägheitsriegel in einer Ausgangsposition gehalten ist,
- – eine Zeiteinrichtung, die so ausgebildet ist, dass sie die Drehung des Rotors ausgehend von seiner Ausgangsposition für eine gegebene Zeit bremst, die das Ende der Verzögerung bestimmt und zur Ausrichtung der Pyrotechnik führt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform:
- – ist der Drehriegel mit einem Stift versehen,
- – ist der Rotor mit einer Abdeckung versehen, wobei die Abdeckung einen Ausschnitt aufweist, der für die Aufnahme des Stifts vorgesehen ist, wenn sich der Rotor in seiner Ausgangsposition befindet und der Drehriegel sich in seiner Sicherungsposition befindet, wobei die Abdeckung einen Anschlag aufweist, der so angeordnet ist, dass der Stift die Drehbewegung des Rotors blockiert, wenn der Drehriegel nach Ablauf der Wegrückzeit nichtweggerückt ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Anschlag so ausgebildet, dass er auf den Stift einwirkt, um den Drehriegel in die Sicherungsposition zurückzudrücken.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Drehriegel über einen tribologischen Aufbau mit einer Drehachse verbunden, um die Reibungsmomente zu verringern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich beim Lesen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, die in nicht einschränkender Weise zur Veranschaulichung angegeben ist und sich auf die beigefügten Figuren bezieht. Darin zeigen:
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1 und 2 ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung,
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3 eine Ansicht der Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung, in der der Trägheitsriegel nicht dargestellt ist,
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4 ein Ausführungsbeispiel einer Abdeckung, mit der der Rotor ausgestattet ist,
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5 ein Schema der Bilanz der Drehmomente, die auf den Drehriegel aufgebracht werden,
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6 ein Beispiel für einen tribologischen Aufbau, mit dem die auf den Drehriegel aufgebrachten Reibungsmomente verringert werden können.
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Es wird nun auf 1 Bezug genommen, in der eine erfindungsgemäße Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung 1 dargestellt ist, mit der ein Munitionszünder ausgestattet werden soll. Diese Vorrichtung weist einen herkömmlichen Trägheitsriegel 2 auf, dessen Wegrücken das Auslösen einer Entsicherungsverzögerung ermöglicht. Der Trägheitsriegel wird durch eine Längsbeschleunigungskraft weggerückt, die dem Abschießen der Munition entspricht, welche beispielsweise eine drallstabilisierte Rakete sein kann.
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Die Erfindung besteht im Wesentlichen darin, die Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung mit einem von dem Trägheitsriegel unabhängigen Drehriegel 7 auszustatten. Der Drehriegel ist ein Grundbestandteil der Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung. Er wird aktiviert, wenn die Drehgeschwindigkeit der Rakete (”spin” in der angelsächsischen Literatur) ausreichend ist.
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Es wird der Betrieb der Vorrichtung beschrieben. Wenn die Rakete gezündet wird, wird sie unmittelbar und gleichzeitig einer Längsbeschleunigung und einer Drehung ausgesetzt. Die Drehung kann durch Schaufeln bewirkt werden, die in den Düsen der Rakete angeordnet sind.
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Es wird nun auf 2 Bezug genommen. Unter der Wirkung der Beschleunigung bewegt sich der Trägheitsriegel 2 nach hinten, wie durch Pfeil 21 angedeutet. Durch diese Bewegung wird der Riegel weggerückt, wodurch die Entsicherungsverzögerung ausgelöst wird.
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Der Trägheitsriegel kann durch eine Feder 6 in der Sicherungsposition gehalten sein. Die Beschleunigungskraft, die das Wegrücken des Riegels ermöglicht, muss ausreichend sein, um die Federkraft zu überwinden. Somit kann der Riegel nur durch eine vorbestimmte Längsbeschleunigungskraft weggerückt werden, die von dem Steifheitskoeffizienten der Feder abhängig ist.
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Das Mittel zur Verzögerung der Entsicherung weist beispielsweise einen außermittigen Rotor 3 und eine Zeiteinrichtung 11 auf. Der Rotor ist um die Achse 9 der Sicherungs- und Entsicherungsvorrichtung (SAD) angeordnet. Er ist durch den Trägheitsriegel in seiner Ausgangsposition gehalten, wobei sich der Trägheitsriegel in der Sicherungsposition befindet. Dazu kann die fest mit dem Rotor verbundene Nase 10 in eine in der Mitte des Riegels 2 ausgebildete Aufnahme eingreifen. In dieser Position des Rotors ist der Betrieb des Zünders verhindert. In der Praxis kann das Zündmittel in der Aufnahme 4 des Rotors angeordnet sein, wobei ihre Position so gestaltet ist, dass das Zündmittel in Bezug auf die Position der pyrotechnischen Kette versetzt ist, wenn sich der Riegel in seiner Ausgangsposition befindet.
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Wenn der Zünder einer Beschleunigung ausgesetzt wird, wird der Riegel 2 weggerückt und gestattet dem Rotor 3, um seine Achse 9 zu drehen. Die Drehung dieses Rotors wird von der Zeiteinrichtung 11 gesteuert.
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Die Zeiteinrichtung 11 ist so ausgebildet, dass sie den Rotor von seiner Ausgangsposition bis zu einer Endposition am Ende der Entsicherungsverzögerung in Drehung versetzt. In der Endposition ist das Zündmittel auf den Rest der pyrotechnischen Kette ausgerichtet, wodurch der Betrieb des Zünders gestattet wird.
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Wenn der Trägheitsriegel weggerückt ist, was z. B. nach einer Zeit in der Größenordnung von einigen Millisekunden nach dem Starten der Rakete auftritt, beginnt der Rotor mit einer Geschwindigkeit zu drehen, die von der Zeiteinrichtung vorgegeben ist. Diese Geschwindigkeit kann beispielsweise in der Größenordnung von 65°/s liegen.
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Während dieser Zeit erhöht sich die Drehgeschwindigkeit der Rakete um ihre Hauptachse.
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Es wird nun auf 5 Bezug genommen. Der Drehriegel 7 wird gleichzeitig folgendem ausgesetzt:
- – einer axialen Kraft, die ein Reibungsmoment Cf bewirt,
- – einer Drehbeschleunigung,
- – einer Zentrifugalkraft Fc, die im Schwerpunkt 52 des Riegels wirkt und ein Drehmoment Cc um die Drehachse 51 des Riegels 7 bewirkt.
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Der Drehriegel wird ferner durch ein Rückstelldrehmoment Cr in einer Sicherungsposition gehalten. Das Rückstelldrehmoment kann durch eine vorgespannte Feder 50 erzeugt werden, die auf den Drehriegel einwirkt. Das Vorhandensein eines Rückstelldrehmoments erfordert eine Schwelle, die jegliche unerwünschte Drehung des Riegels während der Bedienungen und des Transports der Rakete vermeidet.
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Die Bedingung, damit der Riegel um seine Achse dreht, kann mit folgender Gleichung bestimmt werden: Ip dθ / dt = Cc + Ci – Cr – Cf wobei:
- Cr:
- von der Rückstellfeder ausgeübtes Drehmoment
- Cf:
- Reibungsmoment
- Cc:
- Zentrifugalmoment
- Ci:
- Drall, der sich aus der Drehgeschwindigkeitsveränderung ergibt
- Ip:
- Trägheitsmoment des Drehriegels
- θ:
- Winkel, den der Riegel zum Zeitpunkt t zurückgelegt hat (null, wenn sich der Riegel zum Zeitpunkt t = 0 in seiner Ausgangsposition befindet)
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Das Zentrifugalmoment Cc ist das Produkt aus der Kraft Fc und dem Hebelarm rc zwischen dem Schwerpunkt und der Drehachse des Riegels: Cc = Fcrc = mω2d1d2cos(θ)
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Der Drall Ci ist das Produkt aus der Massenkraft Fi und dem Hebelarm ri: Ci = Firl = md1 dω / dtd2sin(θ) wobei:
- m:
- Masse des Drehriegels
- ω:
- Drehgeschwindigkeit der Rakete
- d1:
- Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Riegels 52 und der Drehachse der Rakete
- d2:
- Abstand zwischen dem Schwerpunkt des Riegels 52 und der Drehachse 51 des Riegels
- rc:
- gleich d2cos(θ)
- rl:
- gleich d2sin(θ)
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Der Drall Ci ist vernachlässigbar. Damit sich der Riegel dreht, muss folglich das Zentrifugalmoment die Summe aus einem Reibungsmoment und dem von der Feder 50 erzeugten Rückstelldrehmoment Cr überwinden. Diese Bedingung kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: Cc > Cr + Cf
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Es wird nun auf die 3 und 4 Bezug genommen. Der Drehriegel kann mit einem Stift 32 versehen sein, der auf den Rotor und genauer gesagt auf eine Abdeckung 30, mit der der Rotor ausgestattet ist, einwirken soll. Die Abdeckung 30 weist einen Ausschnitt 31 auf, der für die Aufnahme des Stifts vorgesehen ist, wenn sich der Rotor in seiner Ausgangsposition befindet und der Drehriegel sich in seiner Sicherungsposition befindet. Die Position des Rotors und des Stifts zueinander zu diesem Zeitpunkt ist in 4 durch eine Linie mit dem Bezugszeichen t0 dargestellt.
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Die Abdeckung weist ferner einen Anschlag 33 auf, der so angeordnet ist, dass der Stift die Drehbewegung des Rotors blockiert, wenn der Drehriegel nach Ablauf der Wegrückzeit nicht weggerückt ist. Der Moment, der der Wegrückzeit entspricht, ist in 4 durch eine Linie mit dem Bezugszeichen t1 dargestellt. Der Anschlag 33 kann direkt durch eine geeignete Form eines Teils des Ausschnitts 31 erhalten werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Anschlag so ausgebildet, dass er auf den Stift einwirkt, um den Drehriegel in die Sicherungsposition zurückzudrücken.
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Der Betrieb ist der folgende. Um aus dem Ausschnitt 31 auszutreten, muss der Riegel 3 um einen minimalen Winkel schwenken. Dieser Winkel kann beispielsweise 35° betragen. Wenn diese Drehung zum Zeitpunkt t1 nicht ausreicht, drückt der Rotor den Riegel in die Sicherungsposition zurück.
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Mit anderen Worten muss der Stift 32 des Drehriegels aus dem Ausschnitt 31 herausgeführt werden, bevor er von dem Anschlag 33 zurückgedrückt wird, d. h. vor dem Zeitpunkt t1. Der Zeitpunkt t1 entspricht einer vorbestimmten Drehung des Rotors von beispielsweise 25°. Die entsprechende Wegrückzeit, d. h. t1 – t0, kann 0,4 s betragen.
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Der Drehriegel beginnt ab einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit der Rakete zu schwenken. Die Anmelderin hat Versuche durchgeführt, mit denen es möglich war, eine maximale Drehgeschwindigkeit von 14 Hz zu bestimmen, unterhalb derer der Drehriegel weggerückt werden muss (indem er schwenkt), um einen guten Betrieb der Zündung zu gewährleisten.
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Außerdem darf der Drehriegel nicht zu früh weggerückt werden, um eine Sicherheit (eine sogenannte Vorrohrsicherheit) zu gewährleisten, solange die Rakete keinen ausreichenden Abstand hat. Folglich darf der zweite Riegel nicht vor einer Mindestdrehgeschwindigkeit weggerückt werden. Mit den Versuchen konnte eine Mindestdrehgeschwindigkeit von 9 Hz bestimmt werden.
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Der Riegel kann somit so ausgebildet sein, dass er ab einer vorbestimmten Drehgeschwindigkeit weggerückt wird, wobei diese Drehgeschwindigkeit zwischen 9 Hz und 14 Hz beträgt. Unter 9 Hz wird der Riegel nicht verschwenkt. Über 14 Hz wird der Riegel verschwenkt.
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Selbstverständlich stehen diese Werte für ein gegebenes Anwendungsbeispiel. Abhängig von den Anwendungen der Erfindung können andere Werte bestimmt werden.
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Der Betrieb ist der folgende. Nach 0,2 s wird der Drehriegel abrupt verschwenkt und tritt aus dem Ausschnitt 31 aus. Er bleibt in dieser Position, solange die Drehgeschwindigkeit höher ist als 14 Hz, d. h. mindestens zwischen 0,2 s und 0,4 s lang.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Abdeckung 30 eine Einkerbung 34 auf, die den Stift 32 des Drehriegels aufnehmen soll. Wenn die Drehgeschwindigkeit der Rakete abnimmt, wird der Stift 32 in der Einkerbung 34 aufgenommen. Der Riegel befindet sich dann erneut in der Sicherungsposition. In dieser Position gewährleistet jedoch der Riegel eine Blockierung der Position des Rotors in der entsicherten Position (Zündmittel ausgerichtet). Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Systems, wobei die Rückbewegung des Rotors nach hinten verhindert wird.
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Es wird nun auf 6 Bezug genommen, in der ein Beispiel für einen tribologischer Aufbau dargestellt ist. Je geringer die Reibmomente, desto größer kann der Wert des Rückstelldrehmoments sein, wodurch die Zuverlässigkeit des Drehriegels verbessert wird. Mit dem dargestellten tribologischen Aufbau können durch eine Verringerung der Oberflächen und Reibkräfte die Reibmomente verringert werden.
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Der Riegel 7 liegt an einer Kugel 64 an, die sich in der Verlängerung einer Achse 51 befindet, um die der Riegel verschwenkt wird. Ein erster Kontaktpunkt 61 ist zwischen der Kugel 64 und dem Riegel 7 gewährleistet. Ein zweiter Kontaktpunkt 62, der zum ersten Kontaktpunkt 61 diametral entgegengesetzt ist, ist zwischen der Kugel 64 und einem Ende der Achse 51 gewährleistet. Die Kugel ermöglicht somit die Gewährleistung von punktuellen Kontakten, wodurch die Reibflächen verringert werden.
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Außerdem werden eine Kontaktfläche oder Kontaktpunkte 66, 63 zwischen der Achse und dem Riegel gewährleistet, um eine Selbstausrichtung zu gewährleisten.
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Der Riegel kann ferner einen Haltestift 65 aufweisen, dessen Funktion darin besteht, den an der Achse angebrachten Riegel zu halten. Wenn die Rakete abgeschossen wird, führt die Beschleunigungskraft dazu, dass der Riegel an der Kugel 64 anliegt.
