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Feuerleitgerät für Fliegerabwehrgeschütze auf schwankendem Untergrund,
insbesondere auf Schiffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Feuerleitgerät für
Fliegerabwehrgeschütze auf schwankendem Untergrund, insbesondere auf Schiffen. Sie
dient zum Kompensieren bzw. zum Verhindern von schädlichen Einwirkungen der Bewegungen
des Untergrundes, insbesondere der Schiffsbewegungen, als da sind Stampfen, Schlingern,
Rollen und Gieren, auf die Zielgenauigkeit, wobei unter Stampfen die Bewegung des
Schiffes um die waagerechte Querachse, unter Schlingern die Bewegung um die waagerechte
Längsachse, unter Rollen die kombinierte Bewegung aus Schlingern und Stampfen und
unter Gieren die Bewegung um die senkrechte Achse zu verstehen ist.
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Es ist bekannt, bei Radaranlagen, die zur Leitung von Fliegerabwehrgeschützen
auf einem Schiff dienen und aus einem Einweisungsradar und einem hinsichtlich der
Roll- und Stampfbewegungen des Schiffes stabilisierten Feuerleitradar bestehen,
zwischen beiden Radargeräten ein Rechenwerk anzuordnen, das zur Bestimmung des Seitenwinkels
im Koordinatensystem des stabilisierten Feuerleitradars dient, und dieses Rechenwerk
dabei derart auszubilden, daß die selbsttätige Umrechnung in den auf das Koordinatensystem
des stabilisierten Feuerleitradars bezogenen Seitenwinkel unter Berücksichtigung
der momentanen Roll-und Stampfwinkel des Schiffes außer aus dem vom unstabilisierten
Einweisungsradar übertragenen Seitenwinkel nur aus einem als reinen Rechenwert dienenden,
vom Feuerleitradar übertragenen Höhenwinkelwert im Bereich des Höhenwinkelwertes
des bewegten Richtstrahles erfolgt.
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Von dieser und allen anderen hier nicht näher erwähnten bekannten
Ausführungen unterscheidet sich die Erfindung vor allen Dingen dadurch, daß in einem
bekannten zweiachsigen Richtsystem ein Visiergerät insofern unvollständig stabilisiert
angeordnet ist, als nur diejenigen Komponenten der Drehbewegungen des Untergrundes
kompensiert sind, deren Achsen senkrecht zur Ziellinie stehen, wobei eine an sich
übliche Visiersteuerung vorhanden ist, durch die bei der Ingangsetzung des Gerätes
die Daten des als Vektor in der scheinbaren Kursrichtung des Zieles darstellbaren
Produktes Vn.X aus dem scheinbaren Geschwindigkeitsvektor Vnm des Zieles und der
Entfernung X des Zieles in eine Nachführungseinrichtung eingegeben werden, die zum
folgenden weitgehend selbsttätigen Nachführen des Visiers mittels der Funktionsgrundlage,
daß das Produkt VnmX konstant sei, bei nur noch Feinkorrekturen von der Visiersteuerung
aus, dient. Ferner sind zwei Multiplikatoren vorgesehen, die die horizontale und
die Höhenkomponente der sphärischen Winkelgeschwindigkeit des Zieles kontinuierlich
bestimmen, indem sie die entsprechenden Komponenten der Unveränderlichen VnmX durch
das Quadrat der Entfernung X dividieren.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind drei gyroskopische Tachymeter
vorhanden, die den drei Geschwindigkeitskomponenten der Bewegung des schwankenden
Untergrundes, nämlich dem Stampfen Ls" dem Schlingern Q@s und dem Gieren Rp, entsprechende
Signale für die Stabilisierung der Ziellinie liefern, von welchen die Signale R,
und @;"s unter Benutzung des Wertes es des Höhenwinkels zum Ziel und des Wertes
a; der Änderungsgeschwindigkeit des Seitenwinkels a" wobei diese Werte am Ausgang
einer Servomotorvorrichtung direkt bzw. durch einen tachymetrischen Dynamo entnommen
werden, in Multiplikatoren gemäß der Gleichung O' = (asr - RP) sin
E8 -f- o;"s cos e, zur Bildung des Wertes 0' dienen, der die Rotationsgeschwindigkeit
des scheinbaren Kurses zu der Zielvorrichtung um die Ziellinie ausdrückt, wobei
dieser Wert in weiteren Multiplikatoren mit Werten VoX und V" X zu Werten
V, X - 0' und V, X - 0' umgesetzt wird und die Werte Vo
X und Vn X von Integratoren
auf Grund der Gleichungen
VOX = f Vv X - x;, sin e., d t @ K1, V, X = -.iVa
X - x;, sin es d t - K2 mit Integrationskonstanten K1 und KZ gebildet wurden,
und zwar unter Zuhilfenahme der in den zuletzt genannten Multiplikatoren gebildeten
Werte VOX - O'
und V,, X - O' in Doppelschleife gemäß den Gleichungen
(VOX), =VnmX-0'cos0 =V,;X-0' und (Y,X)'_-vnmX-O'sin0=-V"X-0'. Die gyroskopischen
Tachymeter sind in weiterer Ausbildung der Erfindung vorteilhaft auf der teilstabilisierten
Bühne untergebracht und nehmen an den Schwenkwinkelbewegungen derselben teil, wobei
zur Ermittlung der Geschwindigkeiten L; und Am, keine Resolver vorgesehen sind.
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Schließlich ist noch für das Visier eine bekannte Handsteuerung in
der Form eines Steuerknüppels vorgesehen.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht neben der Verhinderung
schädlicher Einwirkungen von Bewegungen der Unterlage bzw. des Schiffes auf die
Zielgenauigkeit darin, daß die Stabilisierung der Ziellinie und die Wiedereinstellung
des Visiers ohne doppelte Koordinatenumwandlung möglich sind. Das Rechenwerk vollführt
zwei grundlegende Funktionen, indem es a) automatisch die Schlinger- und Stampfbewegungen
und die Horizontalbewegung des Schiffes so ausgleicht, daß sie keinen Einfluß auf
die Lage der Ziellinie im Raum haben, also eine Stabilisierung der Ziellinie erreicht
wird, und b) automatisch die Ziellinie auf das Ziel gerichtet gehalten wird, wenn
dieses eine einheitliche geradlinige Fortbewegung ausführt, wenn das Visier korrekt
vom Richtschützen betätigt worden ist.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des in
der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles.
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F i g. 1, 2 und 3 zeigen Schemen für die geometrische Behandlung der
Aufgabe; F i g. 4 und 5 stellen das allgemeine Schema der Ausbildung des Aggregates
dar.
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Wie aus den weiter vorstehenden Angaben erkennbar, handelt es sich
um eine Vereinigung zweier grundlegender Teile, und zwar der Nachführungsvorrichtung
für das Visiergerät und der Stabilisierungsvorrichtung für die Ziellinie.
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Zur Vereinfachung der Erläuterungen der Erfindung sei angenommen,
daß die Deckebene des Schiffes im Raum feststeht, so daß zunächst auf das Funktionieren
der Stabilisierungsvorrichtung der Ziellinie verzichtet werden kann.
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Mit Bezug auf F i g. 1 sei ferner angenommen, daß das Ziel
H sich in der Ebene A mit geradliniger Bahn und konstanter Geschwindigkeit
Va fortbewege. Mit Vn,n ist jene Komponente von Va bezeichnet, die
zu der Ziellinie unter rechtem Winkel steht und in der Flugebene liegt (diese Geschwindigkeit
wird im folgenden die »scheinbare« genannt), und schließlich ist mit X die Entfernung
zwischen dem Ziel und dem Standort bezeichnet; die Winkelgeschwindigkeit, mit der
die Ziellinie sich auf der Flugebene bewegt, um dem Ziel H zu folgen, ist dann durch
gegeben. Andererseits, da Vnm = Va cos ß und da die Wechselpunktentfernung
Xt = X cos f3 ist, und daher
ist, wird dann
(die Wechselpunktentfernung ist die kleinste Entfernung zwischen dem Beobachtungspunkt
S und dem geradlinig angenommenen Flugweg des Flugzeugs); wenn man nun hypothetisch
die Geschwindigkeit des Flugzeugs und seinen Kurs als konstant annimmt, ist V"Xt
= K konstant, und daher kann das Produkt V"mX der Bewegung während der Verfolgung
als Unveränderliche betrachtet werden.
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Um in der Flugebene die Winkelgeschwindigkeit
der Ziellinie herbeizuführen, ist es nötig, dieser letzteren für jeden Augenblick
genau bestimmte Seitenwinkel- und Höhenwinkelgeschwindigkeiten zu erteilen; es ist
daher nötig, V". auf der zur Ziellinie normalen Ebene (unter Bezugnahme auf F i
g. 1 ist dies die Ebene, die die Kugelfläche mit dem Mittelpunkt S und dem
Radius X in dem Punkt H tangiert), in die zwei Komponenten VZ nach
der Höhenebene (»Meridian«-Ebene c) und VO nach einer zu der ersteren normalen Ebene
(»Parallelkreisebene« d, die zu der Ebene des Decks parallel ist) zu zerlegen.
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Ebenfalls bezogen auf die Ebene d erhält man für die Seitenwinkelgeschwindigkeit:
und für die Höhenwinkelgeschwindigkeit erhält man:
Unter Bezugnahme auf F i g. 2 ergibt sich, wenn man den von dem Vektor V, mit dem
Vektor Vom
gebildeten Winkel mit O bezeichnet: V, = vnm sin O , V,
= Vnm cos O , woraus durch Multiplizieren mit der Entfernung X VOX= VnmXsin0,
vvX= VnmXcos0 folgt. Unter Berücksichtigung des schon erwähnten Umstandes, daß Vnm
- X als Unveränderliche der Bewegung anzusehen ist, sind die augenblicksweisen
Änderungen der vorher genannten Werte (VOX)'= VnmX-0'cos0= V"X-O', (3)
(
V" X )' = v',', X - O' si n 0 = - VO X - 01, (4)
die dann die
Rotationsgeschwindigkeit des Aggregats um die Ziellinie darstellen.
Wenn
der zwischen der Flugebene A und der Deckebene d gebildete Winkel konstant bleibt,
gilt: ' - x" sjn -S , (5)
was daher schließlich [indem
man in Gleichung (3) oder (4) substituiert] (v0 X)' - V47
X ' asr sln es,
(Vz, X)' = -V, X - asr
sln es ergibt, und daher ist: V, X = J* V X - a" sin es
d t -f- K1 , (6)
V, K = -,f V, X - x" sin es d t + K,.
(7) Die Nachführung beruht eben auf diesen beiden Beziehungen, und im folgenden
wird dargelegt und schematisch in F i g. 4 dargestellt, wie diese Beziehungen, mit
anderen schon oben angeführten Beziehungen, für die funktionelle Ausbildung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen. Es wird jetzt erläutert, wie im Verein mit
dem Problem der Nachführung das andere Problem gelöst wird, nämlich das der Stabilisierung
der Ziellinie allein.
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Auch hier wird der Einfachheit der Darstellung wegen die beschränkende
Annahme gemacht, daß, während das Schiff der Wellenbewegung ausgesetzt ist, das
Ziel sich fest im Raum hält. Durch die Wirkung dieser Bewegungen wird das Schiff
jeden Augenblick einer Drehbewegung unterworfen, deren Winkelgeschwindigkeit ihrer
Größe und der Richtung nach durch Messung der Winkelgeschwindigkeit um die drei
zueinander orthogonalen Achsen, die zu dem Schiff und der Richtung festliegen, der
Kielachse, der Nadirachse und der Achse normal zum Deck, bestimmt wird.
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Wenn man mit R,, e'#J, Ls die Geschwindigkeiten des Gierens, des Schlingerns
und des Stampfens bezeichnet, ist es nötig, um die Ziellinie ohne Berücksichtigung
der Drehbewegung um ihre Achse fest im Raum zu halten, dem Seitenwinkel und dem
Höhenwinkel Geschwindigkeiten zu geben, die durch die Beziehungen as = -
(Rp + oms tg e8) (8) as = -Ls (9)
gegeben sind.
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Die Überlagerung der Nachführung des Richtsystems, wie oben angedeutet,
und der der Stabilisierung der Ziellinie kann für gültig angesehen werden, wenn
man nur berücksichtigt, daß durch die Wirkung der Seitenwinkelgeschwindigkeit der
Wert von 0' O' = (asr - Rp) sin es + @#. cos a8 (10) wird.
Was die Ausführung der Vorrichtung betrifft, die die Nachführung und die Stabilisierung
bewirkt, ist diese im wesentlichen schematisch in den F i g. 4 und 5 dargestellt;
und da die einzelnen Funktionselemente, die dann das Ganze dieser Vorrichtung bilden,
jedes für sich als bekannt angegeben sind und normal verwendet werden, werden sie
daher in der folgenden Beschreibung und in den Zeichnungen nur bezüglich ihrer Funktion
angedeutet werden. Wenn mit dem Antrieb der Händsteuervorrichtung 1 und durch
Benutzung der Richtvorrichtung 2 (F i g. 4 und 5) der Richtkanonier die Richtvorrichtung
in Gang setzt, werden die Ausgangsspannungen dieser Steuerung benutzt, um die Integrationskonstanten
K1 und K, mittels zu dieser proportionaler Größen A (VoX) und A (VX) einzustellen:
die Entfernung X wird geliefert durch außerhalb der Anlage befindliche Meßapparate
(Radar oder einen anderen geeigneten Apparat). Bei in Gang gesetzter Einrichtung
greift der Kanonier mit dem Handsteuergerät, wie schon gesagt, nur zu dem Zweck
der »Korrektur« ein.
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Es ist in der Figur nicht näher angegeben, wie X' aus X erhalten wird.
Die Stampfgeschwindigkeit Ls, die Schlingerbewegung pms, und die Geschwindigkeit
Rp des Gierens werden durch drei gyroskopische Tachymeter 3, 4 und
5 für Schlingern, Stampfen und Gieren nach Modul und Richtung über eine Resolvervorrichtung
Re, die entsprechend orientiert ist, gegeben. Die obigen Tachymeter können
bei einer einfacheren Ausbildung des Aggregats auf der gleichen schwankenden Bühne
vereinigt sein, aber bei der bevorzugten Anordnung nach der Erfindung sind sie an
geeignetem Platz fest am Schiff untergebracht, und zwar, um Vibrationen zu vermeiden,
die das Funktionieren der obigen Instrumente beeinträchtigen könnten. Die Werte
von a', und a,, welche am Ausgang der Vorrichtung erhalten werden, und die Geschwindigkeiten
e;",, und Rp dienen über die Multiplikatoren 6, 7 zur Bildung des Wertes
O' [nach dem Ausdruck (10)], der den Multiplikatoren 8 und 9 geliefert wird; in
diesen Multiplikatoren laufen auch die Werte von V, X
und VJ zusammen,
um die Werte V "X - 0' und V, X - 0' zu erhalten [die von den
Ausdrücken (3) bzw. (4) geliefert werden]; diese letzteren Werte werden in den Integratoren
10 und 11 integriert, und die Ergebnisse werden in die Multiplikatoren
8 und 9
eingeführt. Wie aus dem Schema hervorgeht, ist das Visiergerät
in der Ingangsetzungsphase oder bei Korrekturen gedämpft, indem in geeignetem Maße
die Ausgangsspannungen aus dem Handsteuergerät abgesehen von der Bestimmung der
Integrationskonstanten K1 und K, auch für einen direkten Eingriff bei den Integratoren
10 und 11 in die Werte VoX und V "X benutzt werden. Angesichts
der Beziehungen, um von den Werten von VoX und VX auf die von a" und a. überzugehen,
werden über die Multiplikatoren 12, 13 und 14 die Beziehungen entwickelt:
die den Beziehungen (1) und (2) entnommen wurden. Um schließlich die Endausgangswerte
für den Seitenwinkel a$ und den Höhenwinkel s, zu erhalten, werden die Werte der
Ausdrücke (8) und (9) integriert, was mit Hilfe der Integrationsvorrichtungen erzielt
wird, die mit dem Servomotor 17 über die Summiervorrichtungen 15 und
16 vereinigt sind, in die die Geschwindigkeit Rp des Gierens, der Seitenwinkelgeschwindigkeit
a" und - für die Korrektur des Schlingerns - O;"s - tg e8 (erhalten aus dem Multiplikator
22) bzw. - für die Korrektur des Stampfens -Ls, abgesehen von dem Wert e;J, eingeführt
werden. Was sich hieraus ergibt, nämlich die Werte a3 und a8, sind die Seitenwinkel-
und Höhenwinkelwerte, die
notwendig sind, um die Ziellinie auch
bei schwankender Bühne auf das Ziel gerichtet zu halten; ebenfalls werden in die
Summiervorrichtung 15 und 16, zur Kontrolle und zum Vergleich, die Geschwindigkeitswerte
x. und -s eingeführt, die durch entsprechende tachymetrische Vorrichtungen (mittels
tachometrischer Dynamos oder anderer geeigneter Apparate), die mit den aus dem Servomotor
austretenden Achsen verbunden sind, die sich mit x, und es bewegen, während der
Bewegung erhalten werden.
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Die Überlagerung der Nachführung des Visiergeräts und der Stabilisierung
erfolgt durch Einführung von O', das in der erwähnten Weise ermittelt wurde; auf
diese Weise erfolgt die Nachführkorrektur auch bei jeder irgendwie gearteten Bewegung
des Decks.
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Die Größen x, und e8 werden benutzt, um hinsichtlich des Seitenwinkels
und des Höhenwinkels die beiden Servomotoren der Bühne, die in der Zeichnung nicht
sichtbar ist und auf der das Fernrohr 2 und die Radarantenne 20 untergebracht sind,
zu kontrollieren; der Winkelwert e8 wird über die Welle 18 dem Richtfernrohr 2 und
der Radarantenne 20 übermittelt, um relative Bewegungen in der Höhenebene zu erhalten.
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Die Substitution der von dem Radaraggregat kommenden Fehlersignale
für jene des Handsteuergeräts erf olgt durch eine eigene Umschaltvorrichtung 21.
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Zur weiteren Erläuterung der Darstellung nach F i g. 4 wird noch darauf
verwiesen, daß die Korrektionswerte der Konstanten K, und K2, betreffend die beiden
Komponenten V, und V, der Unveränderlichen der Bewegung Vnm, von dem Steuerknüppel
1 oder von dem Einweisungsradar 20 durch die Schleifkontakte 21 abgeleitet
werden. Diese Werte werden in die Multiplikatoren 12 und 14 eingeführt. Zu dem Multiplikator
12 gelangt sowohl der Wert X2, der in bekannter Weise (daher nicht dargestellt)
erhalten wird, als auch das Produkt VoX, das, wie nachher beschrieben, erhalten
wird, weshalb aus dem Multiplikator 12 der Wert
austritt, was aus Gleichung (11) abgeleitet werden kann. Dieser Wert wird mit
in dem Multiplikator 13 multipliziert, weshalb aus dem Multiplikator 13 der
Wert xsr austritt. Der Multiplikator 14
ermittelt [s. die Gleichung (12)]
den Wert
wobei ihm die Angaben V,X und X2 geliefert werden; aus diesem Multiplikator
14 tritt daher der Wert eaus. Die Werte xf, und esr werden in die Summiervorrichtungen
15 bzw. 16 eingeführt, die dazu dienen, um die Ausdrücke (8) und (9) zu integrieren
und x5 und 8s zu erhalten. Zu diesem Zweck werden der Summiervorrichtung 15 auch
die Werte RD und gis", tg es und #x, geliefert bzw. die Werte Ls und e; der Summiervorrichtung
16, wobei diese Werte in der unten angegebenen Weise erhalten werden. Die gyroskopischen
Tachymeter 3, 4, die mit dem Resolver Re verbunden sind, in den auch
der Endwert x,, eingeführt wird, liefern die Werte L;, (der an die Summiervorrichtung
16 geliefert wird) und gm,. Das gyroskopische Tachymeter 5 liefert R, welcher Wert
an die Summiervorrichtung 15 gegeben wird. Die Werte e;", werden den Multiplikatoren
6 und 22 geliefert, denen auch der Endwert e$ zugeführt wird, weshalb man im Multiplikator
22 das Produkt o;", tg e8 erhält, das an die Summiervorrichtung 15 zu liefern
ist. Der Wert RD wird dem Multiplikator 7 geliefert, der auch die Endwerte x; und
e; erhält, weshalb die Multiplikatoren 6 und 7 den Wert O', der durch die Gleichung(]
0) gegeben wird, liefern können, der so wie unten angegeben benutzt wird, um die
Werte VX und VX zu erhalten, die (wie schon gesagt) an die Multiplikatoren
12 und 14
geliefert werden. Die Werte x; und e, werden zum Vergleich
den Integratoren 15 und 16 geliefert über tachymetrische Dynamos (wie in F i g.
5 gezeigt) oder von anderen tachymetrischen Vorrichtungen, die die Werte von x,
und von es ableiten, die aus dem Nachführservomechanismus austreten. Die Werte VX
werden von einem Integrator 10 erhalten, der auf Grund der Beziehung (3) den Wert
(VoX)' = VX - ƒ'
ermittelt, wobei die Werte der Konstante K,
berücksichtigt werden. Das Produkt V"X - O' wird an den Integrator
10 von dem Multiplikator 8 geliefert, der O' (das, wie oben gesagt,
von den Multiplikatoren 7 und 6 erhalten wird) erhält und V,X als Endwert des Integrators
11. Dieser Integrator 11 integriert, um V"X auf Grund der Gleichung
(4) zu erhalten, den Wert VJ-O', der ihm von einem Multiplikator 9 geliefert wird,
der seinerseits mit O' und VX ge-
speist wird. Den letzteren Wert erhält er
von dem Integrator 10. Der Integrator 11 erhält auch die Konstante
K2. Die Werte VX und V.X, die von den Integratoren 10 und 11 erhalten
werden, werden den Multiplikatoren 12 bzw. 14 geliefert, wie oben
ausgeführt.