DE19941301C1

DE19941301C1 - Elektronischer Geschoß-Zeitzünder

Info

Publication number: DE19941301C1
Application number: DE19941301A
Authority: DE
Inventors: Bertram Koelbli
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Junghans Microtec GmbH
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2000-12-07
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: EP1212579A1; EP1212579B1; NO20020946D0; NO20020946L; IL148141A0; IL148141A; DE50002475D1; US6598533B1; NO321418B1; ATE242472T1; WO2001016551A1

Abstract

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Überflugsicherheit eines Geschosses mit einem Zeitzünder mit beschleunigungsaktivierter Batterie dadurch zu erhöhen, daß die Sicherungseinrichtung einen Schalter betätigt, dessen Position während der Flugphase abgefragt wird und bei nicht korrekter Schalterposition die Zünderfunktion deaktiviert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen elektronischen Geschoß-Zeitzünder nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiger Zünder kann z. B. der DE 42 40 263 C1 entnommen werden. Hinsichtlich weiteren Standes der Technik wird auf US 4,454,815, DE 39 26 585 C1, DE 38 21 912 A1 und DE 692 11 638 T2 verwiesen.

Moderne elektronische Zeitzünder verwenden heutzutage zur Energieversorgung vorzugsweise Batterien, die erst durch die großen Beschleunigungen, die bei der Abfeuerung eines Geschosses auftreten, mechanisch-chemisch aktiviert werden. Dies hat den Vorteil, daß derartig ausgerüstete Zünder keine Wartung hinsichtlich des Austausches z. B. einer sonst verwendeten Batterie-Primärzelle benötigen, da diese Batterien während ihrer Lagerung vollständig passiv sind und darum lange Lagerzeiten zulassen. Die damit ausgerüsteten Geschoßzünder sind deswegen in bezug auf den Zünderaufbau, die Laufdauerkosten und die Logistik günstiger als vergleichbare Zünder, die z. B. mit Primärzellen ausgerüstet sind.

Im allgemeinen wird bei derartig ausgestatteten Zeitzündern der Ablauf der vorher einprogrammierten Zünderlaufzeit durch das Aktivieren der Batterie, d. h. durch den Hochlauf der Batteriespannung bei der mechanisch-chemischen Aktivierung durch die Abschußbeschleunigungen gestartet. Diese Art des Laufzeitstarts hat zunächst auch den weiteren Vorteil, daß sich ein gesonderter Sensor zur Detektion der Abfeuerung im Zünder erübrigt, was zu einer weiteren Vereinfachung des Zünderaufbaus führt.

Eingesetzt werden derartige Zeitzünder, die im allgemeinen aus Gründen der Überflugsicherheit keine Aufschlagfunktion besitzen, zur Initiierung der Zerlegung eines Cargo-Geschosses, das Submunition ausstößt. Da, speziell im Falle des Einsatzes bei der Artillerie, mit derartiger Munition auch eigene Truppen überschossen werden sollen, sind die Forderungen hinsichtlich der Sicherheit gegen eine zu frühe Zerlegung (Überflugsicherheit) im allgemeinen sehr hoch. Bekannte Zahlen für die maximale zugelassene Wahrscheinlichkeit einer zu frühen Zerlegung liegen zwischen 10^-5 und 10^-6 _.

Um derartige Werte erreichen zu können, werden in der Zünderelektronik üblicherweise mehrere Maßnahmen getroffen. Diese konstruktiven Maßnahmen reichen vom Einsatz redundanter beschleunigungsfester Oszillatoren, die einem zu schnellen Ablauf der Zünderlaufzeit eines einzelnen fehlerhaft arbeitenden Oszillators vorbeugen sollen bis zum erst sehr späten Laden der Zündkreise mit Zündenergie kurz vor dem Zerlegezeitpunkt.

Der ggf. fehlerhafte (zu frühe) Zeitpunkt der Zerlegung eines Geschosses hängt jedoch nicht nur von potentiellen Einflüssen während des Fluges ab, sondern kann auch durch ein fehlerhaftes Feuerkommando, fehlerhafte Programmierung der Zünderlaufzeit und fehlerhaften Start der Zünderlaufzeit im Zünder herrühren.

Die beiden erstgenannten Fälle sind durch Maßnahmen im Zünder nicht korrigierbar und sollen hier nicht weiter betrachtet werden. Der letztgenannte Fall des fehlerhaften (zu frühen) Starts der Zünderlaufzeit ist Ausgangspunkt für die vorgeschlagene Verbesserung hinsichtlich der Überflugsicherheit.

Die verwendeten aktivierbaren Batterien müssen konstruktiv so ausgelegt sein, daß sie im gesamten Temperaturbereich auch bei kleinster Treibladung bei der Abfeuerung zuverlässig aktivieren. Andererseits müssen sie mechanische Belastungen durch Umwelttests (z. B. 1,5 m Fall auf Stahlplatte) und die Beschleunigungen beim Ladevorgang ohne Aktivierung überstehen. Damit werden notgedrungen die konstruktiv bedingten Sicherheitsmargen zwischen Aktivierung und Nichtaktivierung klein. Zudem können noch Einzelfehler in der Batterie, die von mangelhafter Batteriefertigung oder Materialfehlern herrühren, diese Sicherheitsreserve weiter vermindern.

Es kann also nach dem oben Gesagten nicht ausgeschlossen werden, daß Batterien schon vor dem Schuß aktivieren. Wenn der Zeitzünder vor der Batterieaktivierung nicht programmiert wurde, ist ein derartiger Vorfall i. a. nur ein Problem der Gesamtzuverlässigkeit des Zünders, denn dieser Zünder würde im späteren Einsatzfalle ohne Funktion (blind) bleiben.

Wurde er hingegen vorher programmiert, so beginnt bei der bisher üblichen Elektronikauslegung der Zünder mit der Abarbeitung des Missionsprogramms, d. h. Start der Laufzeit, Laden der Zündkreise und Zündung.

Vor dem Abschuß, im Rohr und in einer definierten Entfernung vor dem Rohr (Vorrohrsicherheit) wird die Zündung des Geschosses i. a. durch eine mechanische (oder elektronische) Sicherungsvorrichtung verhindert. Diese Sicherungsvorrichtung ist so ausgelegt, daß unbeabsichtigte (mechanisch-pyrotechnische) Entsicherungsvorgänge nur mit sehr kleiner Wahrscheinlichkeit (10^-7 und kleiner) auftreten können.

Nach dem regulären Entsicherungsvorgang der Sicherungseinrichtung sind die Zündmittel in Zündposition und kontaktiert. Erfolgt nun eine Zündung, führt dies zu einer Zerlegung des Geschosses. Bei korrektem Start der Laufzeit durch den Abschuß erfolgt die Zerlegung im vorgesehenen Zielgebiet.

Wurde die Laufzeit jedoch unbeabsichtigt früher gestartet, erfolgt, da die gleiche programmierte Zeitspanne abgearbeitet wird, die Zerlegung entsprechend früher, d. h. auf der ballistischen Bahn. Dieser unbeabsichtigte Zerlegepunkt kann so praktisch auf der kompletten Flugtrajektorie bis zum Vorrohrsicherheitsbereich nach hinten rücken. Dies führt insbesondere bei der für Zeitzünder üblichen Verwendung auf Cargomunition zu einer erheblichen Gefährdung eigener überschossener Truppenteile.

Der unbeabsichtigte frühere Start der Laufzeitfunktion kann, speziell bei fehlerhafter Batterie, schon durch die Beschleunigungsvorgänge beim Laden (Ansetzen) des Geschosses auftreten. Man kann davon ausgehen, daß eine Aktivierung der Batterie beim Ladevorgang nicht mit einer Wahrscheinlichkeit von 10^-5 bis 10^-6 ausgeschlossen werden kann.

Bei der Verwendung derartiger Zünder auf den bisher üblichen Geschützen, die, besonders im Erprobungsbetrieb, nur kleine Schußfolgen erzielen, sind die beschriebenen Sicherheitsprobleme durch Bahnzerleger möglicherweise durch die relativ langen Zeiten zwischen Ansetzen des Geschosses (Möglichkeit der fehlerhaften Batterieaktivierung) und Abfeuerung durch die hemmende Wirkung der Sicherungsvorrichtung gemindert worden. Ist nämlich die Zeit zwischen dem Ansetzen des Geschosses und der Abfeuerung des Geschosses länger als die programmierte Flugzeit, so zündet das elektrische Zündmittel schon im Rohr und eine weitere Durchzündung wird dann durch die Sicherstellung der Sicherungsvorrichtung verhindert.

Heute neu eingeführte Geschütze werden jedoch automatisch geladen und abgefeuert. Hier sind die Zeitvorgänge kürzer, d. h. die Zeiten zwischen automatischem Ansetzen des Geschosses und der Abfeuerung sind kleiner oder vergleichbar mit den eingestellten Zünderlaufzeiten. Auf derartigen Geschützen ist deswegen für elektronische Zeitzünder (mit aktivierbarer Batterie) mit bisherigem Stand der Technik, die Wahrscheinlichkeit von Bahnzerlegern erhöht.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektronischen Geschoß-Zeitzünder anzugeben, der die Wahrscheinlichkeit von Bahnzerlegern stark reduziert.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß dem im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Geschoß-Zeitzünder. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Geschoß- Zeitzünders kann den abhängigen Ansprüchen entnommen werden. Im folgenden sei anhand der beigefügten Fig. 1 der erfindungsgemäße Geschoß-Zeitzünder kurz erläutert.

An eine beschleunigungsaktivierte Batterie 1 ist über eine Entkopplungsdiode 13 ein Spannungsregler 2 angeschlossen, der die Zünderelektronik und speziell dort einen Mikroprozessor 3 mit der Betriebsspannung Uv versorgt. In dem Mikroprozessor wird das über eine induktiv arbeitende Schnittstelle 12, 15 in das EEPROM 16 einprogrammierte Flugprogramm per Software abgearbeitet und zum geeigneten Zeitpunkt die Zündung über die restliche Zünderelektronik 4 eingeleitet.

Während der induktiven Programmierung ist die Batterie 1 noch nicht aktiviert. Deshalb wird die für den Programmiervorgang notwendige Betriebsspannung Uv über die Diode 14 und den Spannungsregler 2 aus der Energie der induktiven Programmierung abgeleitet. Die Erkennung der beiden Betriebsarten Programmierung/Flug erfolgt über den Widerstand 11 mit dem Spannungspegel am Mikroprozessorport Ub. Liegt dort keine Spannung an, so ist die Batterie noch nicht aktiviert (die Programmierspannung wird von der Entkopplungsdiode 13 vom Port Ub ferngehalten) und der Mikroprozessor erkennt beim Auftreten von Uv auf Programmierung und verarbeitet dabei die entsprechenden Programmiersequenzen an Port Up. Ist jedoch die Batterie aktiviert, so liegt am Port Ub High-Pegel an und der Mikroprozessor 3 arbeitet sein einprogrammiertes Flugprogramm ab.

Zusätzlich zur Versorgung über eine aktivierte Batterie und die Diode 13 in der Flugphase oder über die Programmierspule 12 und die Diode 14 in der Programmierphase wird die Eingangsspannung des Spannungsreglers 2 über einen Schalter 5 und die RC-Kombination 6, 7 und 8 an das Eingangsport Us des Mikroprozessors 3 geleitet. Der Schalter 5 wird über eine geeignete mechanische Betätigungseinrichtung 10 durch die mechanische Sicherungseinrichtung 9 betätigt. Im betrachteten Fall ist er offen, wenn die Sicherungseinrichtung in Sicherstellung steht, und in Scharfstellung ist er geschlossen.

Durch diese Anordnung ergibt sich bei der Programmierung des Zünders schon der erste Vorteil des Verfahrens. Bei der Programmierung wird durch den Mikroprozessor 3 auch der Port Us abgefragt. Ist der Schalter offen, d. h. ist die Sicherungseinrichtung in Sicherstellung, liegt an Us keine Spannung und die Programmierung kann wie vorgesehen durchgeführt werden. Ist jedoch während des Programmiervorganges der Schalter 5 geschlossen, d. h. befindet sich die Sicherungseinrichtung in Scharfstellung, so wird die Eingangsspannung des Spannungsreglers über den Widerstand 8 an das Port Us des Mikroprozessors gegeben. Dort liegt in diesem Falle High-Pegel an und die Programmierung wird unterdrückt. Da die Programmierung im allgemeinen bidirektional erfolgt, kann in diesem Falle dieser gefährliche Zustand der Sicherungseinrichtung auch an das Programmiergerät und somit an den Bediener zurückgemeldet werden und somit Hinweise für eine weitere Handhabung des Zünders geben.

Dadurch läßt sich auch die Forderung 4.6.6 des Zünder-Sicherheitsstandards MIL-STD 1316 D elegant erfüllen, der eine externe Kontrollmöglichkeit des Sicherheitszustandes der Sicherungseinrichtung vor Einbau des Zünders in die Munition vorschreibt. Diese Kontrolle kann dadurch über eine schon vorhandene Schnittstelle, die Programmierschnittstelle, vorgenommen werden und erfordert so keine zusätzlichen aufwendigen Maßnahmen wie Sichtfenster oder Durchbrüche am Zündergehäuse.

Der zweite Vorteil (Hauptvorteil) des Verfahrens verbessert die Überflugsicherheit des Zünders bzw. des Geschosses. Beim Schuß wird während der Rohrdurchgangsphase die Batterie 1 aktiviert. Dadurch wird die Zünderelektronik mit Energie versorgt und der Mikroprozessor 3 beginnt nach Stabilisierung der Betriebsspannung Uv mit der Abarbeitung des einprogrammierten Flugprogramms. Auch hier wird der Programmablauf vom Spannungszustand des Ports Us abhängig gemacht.

Dieser Spannungszustand hängt vom mechanischen Schließen des Schalters 5 durch die Sicherungseinrichtung ab. Die Sicherungseinrichtung schließt beim Schuß den Schalter 5 über die Einrichtung 10. Andererseits verhindert sie zuverlässig ein Schließen bei kurzzeitig einwirkenden Umweltkräften, die von Umweltbelastungen herrühren. Wenn jedoch die Umweltkräfte eines regulären Schusses vorliegen, schließt der Schalter 5, zumindest kurzzeitig. Selbst wenn der Schalter 5 danach durch Beschleunigungen beim Austritt des Geschosses aus der Rohrmündung wieder öffnet, wird durch den Kondensator 6 der Schalterzustand, der im Rohr herrschte, zwischengespeichert (denn der Kondensator 6 wird während der Rohrdurchgangsphase durch die im Rohr aktivierende Batterie aufgeladen) bis der Mikroprozessor 3 nach Stabilisierung seiner Betriebsspannung Uv zuschaltet (dies ist ca. 20-100 m nach Verlassen der Rohrmündung der Fall). Der Widerstand 8 sorgt für die Anpassung des höheren Spannungsniveaus der aktivierbaren Batterie 1 an das Spannungsniveau des Mikroprozessors. Über den Widerstand 7 wird der Gleichstrompfad für das CMOS-Eingangsport des Mikroprozessors 3 für den Fall geschlossen, daß bei der Abfrage des Ports der Schalter 5 geöffnet ist (es muß stets ein kleiner Eingangsgleichstrom fließen können).

Repräsentiert nun die Spannung Us bei der Portabfrage durch die Software während der Flugphase den Zustand High (ist also z. B. bei einer Betriebsspannung von Uv = 5 V die Spannung Us über 2,6 V), so wird das Flugprogramm regulär abgearbeitet, das mit einer Zündung der Explosivstoffe endet.

Ist bei der Abfrage der Zustand Us = Low, so wird durch die Software auf unbeabsichtigte Aktivierung der Batterie geschlossen und die weitere Abarbeitung des Flugprogramms verhindert. Der Zünder und damit das Geschoß bleibt in diesem Falle blind. Dadurch ist die Überflugsicherheit der Munition gewährleistet.

Als dritte vorteilhafte Eigenschaft des Verfahrens kann dieses Ereignis der unbeabsichtigten Aktivierung der Batterie nichtflüchtig im EEPROM 16 abgespeichert werden. Bei einer erneuten Programmierung des Zünders kann durch Abfrage dieser Information dann festgestellt werden, ob die Batterie im Verlauf von Lagerungs-, Transport- oder Handhabungsphasen schon (unbeabsichtigt) aktiviert hatte und deswegen für die geplante Mission nicht mehr zur Verfügung steht. Man erhält so ein zusätzliches Mittel für eine weitergehende Qualitätskontrolle der "One Shot"-Komponente aktivierbare Batterie.

Claims

1. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder mit einer elektronischen Steuereinheit (3), die mit einem ersten Eingang (U_p) an eine Programmierschnittstelle (12, 15) für die Eingabe eines Zeitprogrammes angeschlossen ist, mit einem Spannungsregler (2), der die elektronische Steuereinheit (3) aus der Programmierinformation oder über eine beschleunigungsaktivierte Batterie (1) an einem zweiten Eingang (U_v) mit Spannung versorgt, und mit einer mechanischen Sicherungseinrichtung (9, 10), die bei ihrer Aktivierung eine Zündstrecke freigibt, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die mechanische Sicherungseinrichtung (9, 10) betätigter Schalter (5) angeordnet ist, der den Eingang des Spannungsreglers (2) mit einem dritten Eingang (U_s) der elektronischen Steuereinheit (3) verbindet, wobei die Abarbeitung des Zeitprogrammes nur bei betätigtem Schalter (5) ermöglicht wird.

2. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 1 mit induktiver Programmierung mittels einer Induktionsspule (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule (12) und die beschleunigungsaktivierte Batterie (1) jeweils über Entkopplungsdioden (14, 13) an den Eingang des Spannungsreglers (2) angeschlossen sind.

3. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Eingang des Spannungsreglers (2) über den Schalter (5) und ein RC-Speicherglied (6, 7, 8) an den dritten Eingang (U_s) der elektronischen Steuereinheit (3) angeschlossen ist.

4. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die beschleunigungsaktivierte Batterie (1) über einen Widerstand (11) an einen vierten Eingang (U_b) der elektronischen Steuereinheit (3) angeschlossen ist, wobei ein hohes Potential an diesem vierten Eingang für die Abarbeitung des Zeitprogrammes erforderlich ist.

5. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinheit (3) eine Programmierung der Zündzeit nur dann gestattet, wenn Programmierimpulse an dem ersten Eingang (U_b) vorliegen und der zweite Eingang (U_v) den hohen Pegel aufweist.

6. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuereinheit (3) die Abarbeitung des Zeitprogrammes nur ermöglicht, wenn der dritte Eingang (U_s) und der vierte Eingang (U_b) hohes Potential aufweisen.

7. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der dritte Eingang (U_s) bei der Abarbeitung des Flugprogramms abgefragt wird und die Zündfunktion sperrt, wenn der Schalter nicht die korrekte Schalterposition aufweist.

8. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der dritte Eingang auch während der Programmierung des Zünders abgefragt wird und die Programmierfunktion deaktiviert, wenn der Schalter nicht die korrekte Schalterposition aufweist.

9. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die nicht korrekte Schalterposition über einen Rückmeldekanal der Programmierfunktion einem Bediener angezeigt wird.

10. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die nicht korrekte Schalterposition während der Abarbeitung des Flugprogramms abgespeichert wird und aufgrund dieser Information eine nachfolgende Programmierung deaktiviert wird.

11. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die nichtflüchtig abgespeicherte Information über eine frühere Batterieaktivierung über einen Rückmeldekanal der Programmierfunktion dem Bediener angezeigt wird.

12. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekenn zeichnet durch einen Mikroprozessor (3) als elektronische Steuereinheit.

13. Elektronischer Geschoß-Zeitzünder nach Anspruch 12, dadurch gekenn zeichnet, daß ein nicht-flüchtiger Speicher (EEPROM 16) an den Mikroprozessor (3) angeschlossen ist, in welchem die programmierte Zünderzeit abgelegt ist.