DE19845611A1

DE19845611A1 - Verfahren zur Flugbahnkorrektur von Flugkörpern

Info

Publication number: DE19845611A1
Application number: DE19845611A
Authority: DE
Inventors: Franz Kohler; Wolfgang Kreuzer
Original assignee: Oerlikon Contraves GmbH
Current assignee: Rheinmetall Soldier Electronics GmbH
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-10-05
Publication date: 2000-02-10

Abstract

Bei einem Verfahren zur Flugbahnkorrektur von Flugkörpern mit einem Geschosskörper (1) und einem Zünder (2) werden dem Flugkörper ausfahrbare Korrekturelemente (10.1, 10.2) zugeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Flugbahnkorrektur von Flugkörpern mit einem Geschosskörper und gegebenenfalls einem Zünder, sowie eine Vorrichtung hierfür.

Artilleriegeschosse werden von einer Rohrwaffe (Kanone oder Haubitze) abgefeuert und fliegen ungelenkt entlang einer ballistischen Flugbahn. Zur Erreichung der aerodynamischen Stabilität, d. h. zur Vermeidung von Taumelbewegungen, werden die Geschosse beim Abschuss in eine schnelle Rotation um ihre Längsachse (Drall) versetzt.

Die Geschosse können je nach Art der artilleristischen Anwendungen mit verschiedenen Gefechtsköpfen ausgerüstet sein. Alle Geschosse sind jeweils mit einem Zünder ausgestattet, der von vorne in das Geschoss eingeschraubt wird. Die Aufgabe des Zünders ist es, den Gefechtskopf zur Detonation zu bringen. Die Zünder können durch Aufschlag, Zielannäherung oder nach einer vorgegebenen Flugzeit aktiviert werden. Bei längerer Lagerung der Munition werden die Zünder aus Sicherheitsgründen aus dem Geschoss geschraubt.

Die vorliegende Erfindung betrifft vor allem Artilleriegeschosse des Kalibers 155 mm. Die Flugbahnen derartiger Artilleriegeschosse sind vielfältigen Störeinflüssen ausgesetzt, die nur teilweise in der Feuerkommandoberechnung berücksichtigt werden können. Besonders bei höheren Schussweiten treten zunehmend Restfehler auf, die eine reduzierte Treffgenauigkeit zur Folge haben. Dies zeigt sich sowohl an einer vergrösserten Streuung, d. h. Schuss-zu-Schuss-Ablage, als auch in einer erhöhten Ablage des mittleren Treffpunktes einer Salve vom vorgegebenen Ziel.

Die wirksamste Möglichkeit, sowohl die Streuung als auch die Ablage des mittleren Treffpunktes zu reduzieren und damit die Treffgenauigkeit jedes einzelnen Schusses zu verbessern, bietet die Flugbahnkorrektur.

Die vorliegende Erfindung soll aber nicht nur auf drallstabilisierte Geschosse angewendet werden können, sondern auch auf pfeilstabilisierte Raketen. Hierbei ist eine Drallreduktion nicht erforderlich. Ferner soll sie auch anwendbar auf Flugkörper sein, die nicht unbedingt einen Zünder beinhalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit der eine Flugbahnkorrektur und eine Stabilisierung der Fluglage des Flugkörpers auf einfache Art und Weise erfolgen kann, wobei die Erfindung auch in bereits bestehende Geschosse integriert werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass aus dem Flugkörper, d. h., aus dem Geschosskörper, gegebenenfalls dem Zünder und/oder einer separaten Korrektureinheit Korrekturelemente ausgefahren werden.

Durch diese Korrekturelemente entsteht eine aerodynamische Querkraft in die gewünschte Richtung, so das eine Korrektur der Flugbahn des Flugkörpers erfolgt. Dies gilt sowohl für sogenannte pfeilstabilisierte Raketen bzw. Flugkörper als auch für drallstabilisierte Geschosse.

Bei der Anwendung der vorliegenden Erfindung auf drallstabilisierte Flugkörper, insbesondere Artillerie geschosse ist eine zur Drallreduktion zur aerodynamischen Steuerung erforderlich. Dies ist ebenfalls Bestandteil dieser Erfindung.

Gemäss der vorliegenden Erfindung können die Korrekturelemente aus dem Geschosskörper, dem Zünder und/oder einer separaten Korrektureinheit ausgefahren werden. Die separate Korrektureinheit soll vor allem, aber nicht ausschliesslich, bei Flugkörpern mit Drall Anwendung finden.

Das Geschoss bzw. der Geschosskörper rotiert unverändert mit der ursprünglichen Rollfrequenz um seine Längsachse und gewährleistet die aerodynamische Stabilität längs der Flugbahn. Nur die Korrektureinheit mit dem Sensor- und Aktuatorsystem ist gegenüber dem Geschosskörper drehbar gelagert. Durch eine aerodynamische Vorrichtung zur Drallbremsung wird nur das Sensor- und Aktuatorsystem bzw. die Korrektureinheit auf eine Rollfrequenz von wenigen Umdrehungen pro Sekunde abgebremst. In diesem Rollfrequenzbereich ist eine ausreichend genaue Richtwirksamkeit der Aktuatoren für die Flugbahnkorrektur erreichbar.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist vorgesehen, den bestehenden Zünder durch einen anderen zu ersetzen, der die erfindungsgemässe Korrektureinheit beinhaltet. Bei neu zu entwickelnden Geschossen ist das hier beschriebene Verfahren auch als integrierte Lösung realisierbar.

Für die Flugbahnkorrektur ist zum einen ein Sensorsystem erforderlich, das eine zu erwartende Ablage vom Ziel bzw. eine Ablage der aktuellen Flugbahn zu einer vorgegebenen Referenzflugbahn erkennt, und ein Aktuatorsystem, das die erkannte Ablage durch entsprechende Lenkmassnahmen kompensiert.

In der Korrektureinheit befindet sich im wesentlichen ein GPS-Empfänger (Global-Positioning-System-Empfänger), ein Rollagensensor, ein aerodynamisches Aktuator-System und die dazu gehörende Elektronik und Energieversorgung. Mit Hilfe des GPS-Empfängers werden die Positionsdaten der aktuellen Flugbahn ermittelt. Diese werden mit gespeicherten Daten der Referenzflugbahn verglichen und hieraus Stellgrössen für die Korrektur-Aktuatoren ermittelt. Die für den jeweiligen Schuss gültige Referenzflugbahn wird vor dem Abfeuern z. B. auf induktivem Weg im Geschosszünder abgespeichert.

Die Antenne für den GPS-Empfänger ist bevorzugt in der Spitze des Zünders bzw. der Korrektureinheit angebracht, um auf diese Weise einen von der jeweiligen Rollage unabhängigen Empfang der Satellitensignale zu ermöglichen.

Als Aktuatorsystem für die Flugbahnkorrektur ist bei der vorliegenden Erfindung ein aerodynamisches Korrektursystem vorgesehen. Durch aerodynamische Stellglieder werden Querkräfte erzeugt, die zur Flugbahnkorrektur herangezogen werden.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind als aerodynamisches Korrektursystem zwei gegenüberliegende Flügel (Canards) angeordnet, die periodisch mit der Rollfrequenz der Korrektureinheit ein- und ausgefahren werden, so dass eine aerodynamische Querkraft in die gewünschte Richtung entsteht. Die Richtung der Querkraft und damit der Korrektur ist durch den Phasenwinkel zwischen Rollage und der periodischen Ein- und Ausfahrbewegung der Canards bestimmt. Die periodische Ein- und Ausfahrbewegung der Canards erfolgt bevorzugt durch elektrischen Antrieb über eine Kurvenscheibe.

Für die gerichtete Korrektur ist die genaue Kenntnis über die jeweilige Rollage der Korrektureinheit erforderlich. Hierfür ist ein Rollagensensor vorgesehen, wie er beispielsweise als Magnetfeldsensor in der DE 195 20 115.9 beschrieben ist.

Bei Rollfrequenzen von bis zu 300 Hz, die bei drallstabilisierten Geschossen üblich sind, ist mit einem aerodynamischen Korrektursystem kein gerichtetes Korrigieren möglich. Aus diesem Grund ist erfindungsgemäss die Korrektureinheit von dem Geschosskörper getrennt und diesem gegenüber um die Längsachse des Geschosses drehbar gelagert. Nur für diesen Teil wird während des Fluges durch die feststehenden Canards die Rollfrequenz auf einen relativ konstanten Wert von 5 bis 30 Hz abgebremst. In diesem Frequenzbereich lässt sich mit dem aerodynamischen Korrektursystem eine gerichtete Korrektur realisieren.

Die drehbare Lagerung der Korrektureinheit soll eine möglichst geringe Reibung aufweisen. Hierzu ist eine Luftlagerung vorgesehen, bei der Luft aus dem Staudruck an der Zünderspitze entnommen wird und durch eine dünne Rohrleitung zwischen die Gleitlagerfläche gedrückt wird. Die grossen Gleitlagerflächen erlauben ausserdem die Aufnahme der Beschleunigungskräfte beim Abschuss.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch ein drallstabilisiertes Artilleriegeschoss gemäss der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt des Querschnitts gemäss Fig. 1 im Bereich eines Zünders;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Antriebs für die Bewegung von Korrekturelementen für das Artilleriegeschoss.

Ein erfindungsgemässes Artilleriegeschoss weist gemäss Fig. 1 einen Geschosskörper 1 auf, auf den ein Zünder 2 aufgesetzt ist. Diesem Zünder 2 ist eine Korrektureinheit 5 zugeordnet, die gegenüber dem restlichen Teil 4 des Zünders 2 drehbar ist. Zwischen diesem Teil 4 und der Korrektureinheit 5 wird eine Gleitlagerfläche 3 ausgebildet. Durch einen Luftkanal 8 wird aus einem Staudruckbereich Luft zwischen die Gleitlagerflächen 3 gedrückt, wodurch eine Luftlagerung mit äusserst geringer Reibung entsteht.

In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Korrektureinheit 5 an dem Teil 4 durch eine Einschnürung 9 axial fixiert ist.

In der Korrektureinheit 5 sind zwei Korrekturelemente 10.1 und 10.2 vorgesehen, die aus Korrekturflügeln (Canards) bestehen. Diese Canards sitzen in entsprechenden Ausnehmungen 17.1 und 17.2 in der Korrektureinheit 5 und sind dort entsprechend dem Doppelpfeil verschiebbar angeordnet.

Die Bewegung der Canards in Richtung der Doppelpfeile wird durch einen Antrieb bewirkt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine elliptische Kurvenscheibe 11 aufweist, die über eine Kupplung 13 vorzugsweise durch einen Elektromotor 12 angetrieben wird. Die elliptische Kurvenscheibe 11 ist in Fig. 3 näher gezeigt.

Durch die Kurvenscheibe 11 werden die Canards 10.1 und 10.2 nach aussen gedrückt, die Rückstellung erfolgt beispielsweise durch Federkraft.

An der Spitze der Korrektureinheit 5 befindet sich eine Antenne 6 für einen nicht näher gezeigten GPS-Empfänger. Im übrigen Raum der drehbar gelagerten Korrektureinheit 5 befindet sich noch ein Rollagensensor 7, ein GPS- Empfänger, Elektronik und Energieversorgung. Letztere sind der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.

Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende:
Bevorzugt in der Elektronik der Korrektureinheit befinden sich Werte für eine gespeicherte Referenzflugbahn. Die Positionswerte der aktuellen Flugbahn werden mit Hilfe der GPS-Navigation ermittelt, wobei die Antenne 6 die entsprechenden Signale empfängt und sie an den GPS-Empfänger weitergibt. Aus den Ablagen werden die erforderlichen Korrektursignale berechnet.

Für eine ordnungsgemässe Korrektur der Flugbahn ist die genaue Kenntnis über die jeweilige Rollage der Korrektureinheit erforderlich. Hierfür ist der Rollagensensor 7 vorgesehen.

Durch zwei feststehende Canards 15.1 und 15.2 wird die Rollfrequenz der Korrektureinheit 5 auf 5 bis 30 Hz reduziert. Die Korrektur erfolgt nun durch die periodisch ausfahrenden Canards 10.1 und 10.2, die beide einen Anstellwinkel in gleicher Richtung besitzen. Auf diese Weise tritt im ausgefahrenen Zustand eine aerodynamische Querkraft senkrecht zur Schnittebene von Fig. 1 und 2 auf. Die Canards werden synchron aus- und eingefahren, damit als Ergebnis eine resultierende Querkraft in die gewünschte Korrekturrichtung entsteht.

Das periodische Aus- und Einfahren der Canards erfolgt über die elliptische Kurvenscheibe 11, die über die Kupplung 13 durch den Elektromotor 12 angetrieben wird. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt unter anderem darin, dass die auf die Canards wirkenden aerodynamischen Kräfte von der mechanischen Führung aufgefangen werden und daher keine grossen elektrischen Drehmomente erforderlich sind.

Der Elektromotor oder eine vergleichbare Antriebseinheit läuft mit bevorzugt konstanter Drehgeschwindigkeit, die von der Rollrate der Korrektureiheit 5 abhängt. Bei gewünschter Korrektur wird die Kurvenscheibe 11 phasenrichtig über die Kupplung 13 zugeschaltet.

Vor und nach der Korrektur bleiben die Canards 10.1 und 10.2 eingefahren. Für die Geschwindigkeitsregelung des Elektromotors oder einer sonstigen Antriebseinheit und für das phasenrichtige Zuschalten der Kurvenscheibe 11 ist in erster Linie der Rollagensensor 7 erforderlich.

Bei dieser aerodynamischen Korrektur besteht das Korrektursignal aus dem Zeitpunkt, an dem die Korrektur beginnt, der Dauer der Korrektur und der Rollage, in welche die aerodynamische Querkraft wirken soll. Hierbei ist der Zeitpunkt des Beginns und die Dauer der Korrektur ein Mass für die Wirkung. Je früher die Korrektur beginnt und je länger sie andauert, desto grösser ist die Wirksamkeit. Während der Korrektur selbst bleibt das Geschosss weiterhin drallstabilisiert.

Bezugszeichenliste

1

Geschosskörper

2

Zünder

3

Gleitlagerfläche

4

Teil

5

Korrektureinheit

6

Antenne

7

Rollagensensor

8

Luftkanal

9

Einschnürung

10

Korrekturelement

11

Kurvenscheibe

12

Motor

13

Kupplung

14

15

feststehende Candards

16

17

Ausnehmung

Claims

1. Verfahren zur Flugbahnkorrektur von Flugkörpern mit einem Geschosskörper (1) und gegebenenfalls einem Zünder (2), dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Flugkörper, d. h., aus dem Geschosskörper (1), gegebenenfalls dem Zünder (2) und/oder einer separaten Korrektureinheit (5) Korrekturelemente (10.1, 10.2) ausgefahren werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in zeitlichen Abständen Korrekturelemente (10.1, 10.2) aus dem Flugkörper ausgefahren werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (5) während des Fluges dreht und deren Rollgeschwindigkeit mit aerodynamischen Mitteln angepasst wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Positionsdaten der aktuellen Flugbahn ermittelt, mit gespeicherten Daten einer Referenzflugbahn verglichen und hieraus Stellgrössen für die Korrektur elemente (10.1, 10.2) ermittelt werden.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rollfrequenz der Korrektureinheit (5) auf 5 bis 30 Hz abgebremst wird.

6. Vorrichtung zur Flugbahnkorrektur von Flugkörpern mit einem Geschosskörper (1) und gegebenenfalls einem Zünder (2), dadurch gekennzeichnet, dass dem Flugkörper, d. h., dem Geschosskörper (1), gegebenenfalls Zünder (2) und/oder einer separaten Korrektureinheit (5) ausfahrbare Korrekturelemente (10.1, 10.2) zugeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Geschosskörper (1) die Korrektureinheit (5) drehbar gelagert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Geschosskörper (1) und Korrektureinheit (5) ein Luftlager ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleitlagerfläche (3) zwischen Geschosskörper (1) und Korrektureinheit (5) über einen Luftkanal (8) mit einer Luftquelle (Staudruck) in Verbindung steht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, dass die in zeitlichen Abständen ausfahrende Korrekturelemente (10.1, 10.2) Teil eines aerodynamischen Aktuator-Systems sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturelemente (10.1, 10.2) als kleine Flügel (Canards) ausgebildet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass den Flügeln eine angetriebene Kurvenscheibe (11) zugeordnet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Antrieb (12) und den ausfahrenden Korrekturelementen (10.1, 10.2) eine Kupplung (13) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrektureinheit (5) auch ein GPS-Empfänger, ein Rollagensensor (7) und eine Antenne (6) zugeordnet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (6) an der Spitze der Korrektureinheit (5) bzw. des Zünders (2) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 7-15, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (5) Teil des Zünders (2) ist, der von vorne auf den Geschosskörper (1) aufgesetzt und diesem gegenüber drehbar gelagert ist.