DE2821529A1

DE2821529A1 - Elektromagnetischer naeherungszuender

Info

Publication number: DE2821529A1
Application number: DE19782821529
Authority: DE
Inventors: Aake Dipl Ing Nilsson
Original assignee: Bofors AB
Current assignee: Saab Bofors AB
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1978-05-17
Publication date: 1978-12-07
Also published as: SE416585B; IT1104687B; SE7706158L; FR2392356A1; JPS6355034B2; GB1599779A; US4220093A; IT7849550A0; FR2392356B1; JPS549500A; CH628135A5

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Abstands- oder Näherungszünder zum Zünden der Ladung eines Ladungsträgers, z.B. einer Rakete, eines Projektils, eines Geschosses oder ähnlichem, wenn sich diese bzw. dieses in einer gewissen Entfernung von einem metallischen Gegenstand befindet.

Die meisten der bisher bekannten Näherungszünder benützen elektromagnetische Wellen, z.B. Radarnäherungszünder, IR-Näherungszünder und optische Näherungszünder.

Es ist jedoch auch schon bekannt, magnetisch wirkende Näherungszünder zu benutzen, wobei Gebrauch von der Tatsache gemacht wird, daß das magnetische Erdfeld um einen Gegenstand herum deformiert wird, der aus Eisen aufgebaut ist. Der Näherungszünder umfaßt ein Detektorsystem in Form von Spulen, in denen eine elektromotorische Kraft induziert wird, wenn das magnetische Feld durch die Spulen geändert

wird. Wenn ein Ladungsträger mit einem magnetisch wirkenden Näherungszünder an einem Ziel vorbeifliegt, das Eisenteile enthält, gibt die induzierte elektromotorische Kraft Anlaß zu einem Strom im Detektorsystem, der als Zündpuls zum Zünden des Gefechtskopfes des Ladungsträgers benutzt werden kann. Wegen der verhältnismäßig kleinen Änderungen des magnetischen Erdfeldes ist es jedoch in der Praxis nicht möglich gewesen, das genannte Prinzip für Näherungszünder zu verwenden, die in einer genau definierten Entfernung vom Ziel wirken sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektromagnetischen Näherungszünder zu schaffen, durch den die Ladung eines Ladungsträgers nur dann gezündet wird, wenn sich ein metallischer Gegenstand in einer genau definierten Entfernung vom Ladungsträger befindet, insbesondere einer Entfernung, die so klein ist wie 0,5 - 1,5 m. Eine weitere Aufgabe besteht in der Schaffung eines elektromagnetischen Näherungszünders, der unabhängig vom magnetischen Erdfeld und unabhängig davon wirkt, ob das Ziel aus Eisen oder nicht aus Eisen aufgebaut ist.

Der erfindungsgemäße Abstandszünder ist in erster Linie dadurch gekennzeichnet, daß er eine Sendereinheit zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes, eine Empfängereinheit, in der eine elektromotorische Kraft durch die direkte Wirkung des elektromagnetischen Feldes und

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auch eine überlagerte elektromotorische Kraft durch die Wirkung des Feldes induziert wird, das durch den metallischen Gegenstand erzeugt wird, und Signalverarbeitungseinrichtungen aufweist, die zum Trennen der überlagerten elektromotorischen Kraft von der direkt induzierten elektromotorischen Kraft und zum Abgeben eines Signales in Abhängigkeit von der überlagerten elektromotorischen Kraft ausgebildet und angeordnet sind.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen;

.fig. 1 schematisch die prinzipielle Arbeitsweise des Näherungszünders;

Fig. 2 in einem Blockdiagramm die Arbeitsweise des Senders, des Empfängers und der Signal

verarbeitungseinrichtungen des Näherungszünders j und

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung mit einer Kontrollschaltung.

In Fig. 1 ist schematisch und beispielshaft eine Rakete 1 gezeigt, deren Vorderteil mit einem erfindungsgemäßen Näherungszünder versehen ist. Das prinzipiell

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charakteristische Merkmal für den Näherungszünder besteht darin, daß er einen Sender in Form einer Generatorspule aufweist, der ein elektromagnetisches Feld erzeugt, das gemäß den bekannten Gesetzmäßigkeiten räumlich verteilt ist. Die Generatorspule oder Senderspule 2 ist in einer Querschnittsfläche des Geschosses auf solche Weise ausgerichtet, daß das erzeugte Feld im wesentlichen nach vorne wirkt, wobei das Feld dann eine Komponente in der longitudinalen Richtung der Rakete oder des Geschosses und eine Komponente aufweist, die im rechten Winkel zur ersten steht, d.h. in der transversalen Richtung der Rakete.

Außerdem weist der Näherungszünder einen Empfänger in Form einer Detektorspule 3 auf, die in einer Entfernung von der Generatorspule 2 im vordersten Teil der Rakete angeordnet ist. Wenn ein elektromagnetisches Feld auf die Detektorspule wirkt, wird in der Spule eine elektromotorische Kraft induziert.

Die Detektorspule kann in einer Ebene ausgerichtet sein, die einen Winkel von 90° mit der Längsachse des Ge-Schosses bildet. Die Detektorspule detektiert dann in

erster Linie Gegenstände in der Längsrichtung des Geschosses. Es ist Jedoch auch möglich, die Detektorspule in \ einer Ebene anzuordnen, die parallel zur Längsachse der Rakete ist; die Detektorspule wird dann in erster Linie Gegenstände in einer vertikalen Richtung feststellen. In Fig. 1 ist die Detektorspule in einer Ebene angeordnet,

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die einen Winkel von -C90⁰ mit der Längsachse der Rakete macht. Eine solche Anordnung kann vorteilhaft sein, um einen Gegenstand schräg nach vorne in Vertikalrichtung festzustellen.

Ein Teil des elektromagnetischen Feldes B , das in der Generatorspule 2 erzeugt ist, fällt über den Körper der Rakete auf die Detektorspule 3 und gibt zu einer direkt induzierten elektromotorischen Kraft in der Spule Anlaß. Wenn ein metallischer Gegenstand 4 in der Nähe der Rakete ist, wird ein Teil 3~ des erzeugten Feldes auf den

Gegenstand auftreffen, und es wird dann ein Wirbelstrom i in der Metalloberfläche entstehen. Der Wirbelstrom i_v wiederum führt zu einem elektromagnetischen Überlagerungsfeld B,, das eine induzierte überlagerte elektromotorische Kraft in der Detektorspule erzeugt. Durch Trennen dieser überlagerten elektromotorischen Kraft von der direkt induzierten elektromotorischen Kraft ist es möglich, die Gegenwart eines metallischen Gegenstandes festzustellen. Die Weise, auf die diese Trennung erreicht werden kann, wird deutlicher unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben werden.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Generator- und Detektorspulen in einer Entfernung voneinander im Hauptteil der Rakete angeordnet. Der Grund hierfür besteht darin, daß die Entfernung zwischen den Spulen einen Einfluß auf die Entfernungsabhängigkeit des Näherungszünders hat. Bei einer

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zu kurzen Entfernung zwischen den Spulen wird der Bereich des Näherungszünders, d.h. die Entfernung, innerhalb derer ein Gegenstand sein sollte, damit der Näherungszünder ein Ausgangssignal abgibt, insgesamt zu klein sein.

Andererseits ist es erstrebenswert, daß die Entfernung zwischen den Spulen insgesamt nicht zu groß ist, da metallische Gegenstände innerhalb der Rakete dann den Teil B₁ des elektromagnetischen Feldes abschwächen werden, der direkt auf die Detektorspule fällt. Aus Gründen, die sich auch deutlicher in Verbindung mit der Beschreibung der Fig. 2 ergeben werden, ist es erwünscht, ein hohes Niveau der direkt induzierten elektromotorischen Kraft zu erhalten. Daher ist es, soweit möglich, zu erstreben, nicht metallische Teile und Komponenten im Raum zwischen den beiden Spulen anzuordnen. Auch die Hülle der Rakete sollte auf geeignete Weise aus nicht_metallischem Material hergestellt sein, z.B. aus Kunststoff. Wie aus der Fig. ersichtlich ist, ist die Generatorspule kreisförmig und so nahe wie möglich an der äußeren Hülle der Rakete angeordnet und nur durch die Kunststoffhülle uiigeben.

_, Das Blockdiagramm der Fig. 2 zeigt die prinzipielle \ Arbeitsweise des Näherungszünders'. In einem Oszillator 5 werden sinusförmige Schwingungen mit einer Frequenz fo erzeugt. Durch eine Treiberstufe 6 wird der notwendige Strom I in der Senderspule 2 erzeugt. Die Senderspule

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erzeugt dann ein elektromagnetisohes Feld mit der Frequenz fo. Dieses Feld ist räumlich gemäß bekannten Gesetzmäßigkeiten verteilt, und ein Teil des Feldes, die Komponente B. der Fig., trifft auf die Empfängerspule (die Detektorspule) auf, und es wird eine induzierte elektromotorische Kraft in der Spule erzeugt. Wenn ein Teil des Feldes, die Komponente B^ in der Fig., auf einen metallischen Gegenstand auftrifft, entsteht ein Wirbelstrom i in der iletalloberf lache. Der Wirbelstrom i wiederum führt zu einem Überlagerungsfeld, das in der Fig. durch die Komponente B^ angedeutet ist, das eine induzierte überlagerte elektromotorische Kraft in der Empfängerstufe erzeugt. Die beiden elektromotorischen Kräfte in der Empfängerspule geben Anlaß zu einem Empfängersignal Im, das in Verstärkern 7 und 8 verstärkt wird.

Der Ausgang der Treiberstufe 6 ist mit Einrichtungen zur Amplitudenkorrektur in Form eines Potentiometers 9 verbunden, das so eingestellt ist, daß das Sendersignal in zum Verstärker 10 dieselbe Amplitude wie das Empfängersignal haben wird. Im Verstärker 8 ist die Phase des empfangenen Signales so eingestellt, daß sie derjenigen des Ausgangssignales vom Potentiometer entgegengesetzt sein wird. Es sollte dann im Idealfall ein Nullsignal am Ausgang des Verstärkers 10 erhalten werden. In der Praxis ist dieses jedoch aufgrund des Si-

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gnalrauschens, das in der Senderspule und den Verstärkern 7 und 8 auftritt, unmöglich. Es tritt auch eine gewisse Verzerrung des erzeugten Sendersignales auf.

Der Zweck des Verstärkers 11 besteht darin, die Bandbreite des durchgelassenen Signales auf einen engen Frequenzbereich Zif zu begrenzen, dessen Mitte die Senderfrequenz fo ist.

Mit Hilfe von Trimmereinrichtungen ist es in der Praxis möglich, die überlagerten Signale von allen metallischen Gegenständen in der Nähe der Einrichtung (z.B. des Metallgehäuses) auszubalancieren. Dies kann als Ausbalancieren für passive Signale bezeichnet werden. Wenn dann ein Gegenstand seinen Ort in bezug auf die Einrichtung ändert, wird sich die gesamte Feldanordnung ändern, und es wird ein aktives Signal entstehen.

Wie bereits erwähnt, soll der Näherungszünder bei einer verhältnismäßig kleinen Entfernung von einem metallischen Gegenstand wirken. Große Gegenstände in einer Entfernung von ungefähr 1,2 m erzeugen ein aktives Signal, das kleiner ist als 1 °/oo des direkten Signals. Das erzeugte Signal hängt unter anderem von der Größe des Gegenstandes, der elektrischen Leitfähigkeit, der magnetischen Permeabilität, der Größe des Gegenstandes, der Geschwindigkeit bei der Vorbeibewegung und der Senderfrequenz ab.

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In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung gezeigt, die weitere Schaltungen zum Trennen des überlagerten Signales (des aktiven Signales) aufweist. Wie im in Fig. 2 gezeigten Fall werden sinusförmige Schwingungen geeigneter Frequenz in einem Oszillator 12 erzeugt. Eine Treiberstufe 13 erzeugt den Strom, der in der Senderspule 14 benötigt wird, und es wird so ein elektromagnetisches, sinusförmig sich änderndes Feld erzeugt. Ein Teil diese Feldes (B₁) induziert eine elektromotorische Kraft in der Empfängerspule 15. Wenn ein metallischer Gegenstand (elektrisch leitender Gegenstand) in die Nähe der Sender- und Empfängerspule kommt, wird analog zum Fall, der in Fig. 1 gezeigt wurde, eine überlagerte elektromotorische Kraft in der Empfängerspule 15 induziert. Normalerweise ist diese überlagerte elektromotorische Kraft klein in bezug auf die direkt induzierte elektromotorische Kraft. Aus diesem Grunde ist die folgende Methode zur Signalverarbeitung geeignet zur Trennung des überlagerten Signales.

Bei stationären Bedingungen, d.h., wenn nur das Feld B^ detektiert wird, wird das von der Empfängerspule 15 abgegebene Signal nach Verstärkung in der Schaltung 16 und Phasenkorrektur in der Schaltung 17 zur Treibspannung nach geeigneter Amplitudenkorrektur in der Schaltung 18 hinzuaddiert. Sowohl die Amplitudenkorrektur als auch die Phasenkorrektur werden bei der Herstellung vorher so eingestellt,

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daß das Ausgangssignal hinter einem weiteren Verstärker 19 klein sein sollte (im Idealfall Null). In der Fraxis bleibt Jedoch ein gewisses übrigbleibendes Signal (Restsignal) bestehen. Das einzige Erfordernis bezüglich seiner Größe besteht darin, daß es die nachfolgende Signalverarbeitung nicht verhindern sollte, wenn ein aktives Signal überlagert ist. Wenn ein leitender Gegenstand in die Nähe der Spulen kommt, wird ein zusammengesetztes Signal am Eingang eines Bandfilters 20 auftreten, das aus dem Restsignal und dem überlagerten aktiven Signal besteht. Nach Bandfilterung bleiben die Signale; die Größe des Rauschens und die Oberwellen im Restsignal werden Jedoch herausgedämpft sein.

Die Breite des Frequenzbandes des Bandfilters ist so gewählt, daß sie das amplitudenmodulierte Signal durchlassen wird, das entsteht, wenn sich der Gegenstand an den Spulen mit einer gewissen Maximalgeschwindigkeit vorbeibewegt.

!m Detektor 21 für die Einhüllende findet eine Frequenzumwandlung statt, d.h., der Detektor detektiert nur Signalspitzen. Nach Detektierung bleibt nun ein Signal mit einem Frequenzbereich von f = 0 bis f = f_max Hz >· übrig, wobei f_m__v die Bandbreite des Bandfilters ist.

Das statische Restsignal entspricht der Frequenz f = 0, und eine langsame thermische Drift desselben entspricht

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sehr niedrigen Frequenzen.

Diese niedrigen Frequenzen sind unerwünscht und werden im Hochpaßfilter 22 ausgefiltert.

Nach diesem Filtern bleibt ein aktives Signal zusammen mit einer gewissen Menge restlichen Rauschens übrig.

Im Nivenudetektor 23 wird das aktive Signal mit einem vorbestimmten Schwellenniveau verglichen, das so festgelegt ist, daß das Geschoß bei Erreichen dieses Schwellenniveaus oberhalb oder unmittelbar in tier Nähe des fraglichen Zieles sein wird.

Damit ein zufälliger Störpuls oder ähnliches nicht die Zündungsschaltung betätigt, sollte eine Betriebsverzögerungsschaltung 24 ( a* 1 ms) auf geeignete Weise mit der Schaltung verbunden sein, deren Ausgang mit der logischen Schaltung oder Zündungsschaltung 25 verbunden ist. Auf diese V/eise wird es gemäß dem Signaldiagramm notwendig sein, daß das Betätigungssignal vom Niveaudetektor wenigstens zweimal auftritt, bevor die Logik der Zündschaltung reagieren kann.

Damit gewünschte Uberlagerungssignale das System nicht zu früh zünden oder damit alternativ die Zündung an der Seite

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eines herausragenden Geschützrohres vermieden wird, sollte die Funktion zum Feststellen der Annäherung auf geeignete Weise durch eine Sekundäre Funktion vervollständigt werden, z.B. eine reflektiertes Licht detektierende Funktion, die z.B. eine Laserdiode 26 zum Abgeben von Licht und einen Detektor 27 zum Empfangen des reflektierten Lichtes aufweist. Wie aus der Fig. ersichtlich ist, wird ein Ausgangssignal vom magnetischen Niveaudetektor 23 benötigt, das die Sperreinheit 28 für den optischen Teil entsperrt. Das Sperren kann entweder mit Pumppulsen 29 für eine ausgewählte Laserdiode 26 oder über eine Beeinflussung des Verstärkers 30 für die detektierte Lichtreflektion bewirkt werden.

Hierbei muß eine dritte Bedingung erfüllt werden, bevor der Zündkreis schließlich gezündet werden kann, d.h. daß der optische Empfänger einen oder möglicherweise zwei reflektierte Lichtpulse vom Laserdiodensender detektieren soll. Der Zweck des Niveaudetektors 31, der mit dem Empfänger verbunden ist, besteht darin, zu verhindern, daß irgendwelche Störpulse mit niedrigem Niveau hindurchgelangen können.

Die Zündschaltung 25 ist auf an sich bekannte Weise mit einem elektrischen Zünder 32 zum Zünden der Ladung verbunden. Darüberhinaus ist die Zündschaltung mit einem Auftreffkontakt 33 verbunden, der geschlossen wird, wenn

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die Rakete direkt auf ein Ziel auftrifft.

Es ist erforderlich, daß bei der Aktivierung der Elektronik des Näherungszünders eine unbeabsichtigte Zündung der Zündschaltung während der Zeit nicht stattfinden kann, während der die Elektronik ihren Betriebszustand erreicht. Für diesen Zweck ist eine Einrichtung in Form einer Sperrschaltung 34 sowohl für den Niveaudetektor als auch für die Zündschaltung vorgesehen. Die Sperreinrichtung hat auch eine andere Funktion, nämlich

mittels abgegebener Steuersignale eine schnelle Korrek- \
■\ tür des RestSignalniveaus in die Wege zu leiten. Der Zweck dieser Korrektur ist es, zeitweilig (ungefähr 20 see) das Restsignal auf ein geeignet tiefes Niveau umzustellen, um irgendwelche Ausbalancierungsfehler zu beseitigen, die auftreten könnten und z.B. durch Alterungserscheinungen als Konsequenz einer Lagerung über lange Zeit verursacht sein könnten.

Die Steuersignale leiten die Korrektur in zwei Stufen ein, deren erste in einer Korrektur eines Phasenfehlers besteht.

Bei dieser Korrektur des Phasenfehlers wird ein möglicher Zeitunterschied zwischen dem phasenkorrigierten Detektorsignal und der amplitudenkorrigierten Generatorspannung auf geeignete Weise mit Hilfe der Phasenfehlerkorrek-

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tureinrichtungen 35 festgestellt. Eine entstehende Zeitdifferenz kann in Abhängigkeit davon, welches der Signsile erst durch hull geht, positiv oder negativ sein. Der detektierte Zeitunterschied (Pulsbreite) wird z.3. zur Einstellung des Wertes des Widerstandes in der Phasenkorrektur schaltung 17 benutzt.

Bei der Araplitudenfehlerkorrektur wird das Niveau des Restsignales am Ausgang des Verstärkers 19 mit Hilfe der Einrichtungen 36 mit einem auf geeignete Weise gewählten Spannungsniveau verglichen, das das höchste zulässige Niveau des Restsignales darstellt, das durch die Signalverarbeitungsschaltungen hindurchgehen kann.

Wenn das Niveau des Restsignales das Vergleichsniveau überschreitet, wird ein Korrektursignal an die Amplitudenkorrekturschaltung 18 angelegt. Auch in diesen Falle wird das Korrektursignal z.B. für die Einstellung des Wertes des Widerstandes in der Amplitudenkorrekturschaltung benutzt.

Die beschriebenen Phasen- und Amplitudenfehlerkorrektüren werden unmittelbar nach dem Zeitpunkt ausgeführt, nachdem der Einschaltvorgang der Elektronik beendet ist. Das eingestellte Niveau des Restsignales wird danach aufrechterhalten und ist konstant. Die Abweichungen, denen das Niveau des Restsignales danach noch unterworfen sein kann, sind in erster Linie durch Temperaturdrift der Elektronik verursacht.

Als Elemente zum Einstellen des Widerstandes in den Amplituden- und Phasenkorrekturschaltungen können Feldeffekttransistoren verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche :

1.J Elektromagnetischer Näherungjäzünder zum Zünden der Ladung eines Ladungsträgers, z.B. einer Rakete, eines Projektiles, eines Geschosses oder ähnlichem, in einer gewissen Entfernung von einem metallischen Gegenstand, dadurch gekennzeichnet , daß der Näherungszünder einen Sender (2, 14) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Feldes, einen Empfänger (3,15), in dem eine elektromotorische Kraft durch die direkte Wirkung des elektromagnetischen Feldes und auch eine überlagerte elektromotorische Kraft durch die Wirkung des Feldes induziert wird, das durch den metallischen Gegenstand (4) erzeugt ist, und Einrichtungen zur Signalverarbeitung aufweist, die zum Trennen der überlagerten elektromotorischen Kraft von der direkt induzierten elektromotorischen Kraft und zum Abgeben eines Signals in Abhängigkeit von der überlagerten elektromotorischen Kraft ausgebildet und angeordnet wird.

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2. Näherungszünder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Empfänger (3, 15) vor den Sender (2, 14) und in einer Entfernung von demselben, vorzugsweise im Vorderteil des Ladungsträgers angeordnet ist.

3. Näherungszünder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Sender (2, 14) aus einer Spule besteht, die auf solche Weise in einem Querschnitt des Ladungsträgers ausgerichtet ist, daß das von ihr erzeugte elektromagnetische Feld in erster Linie nach vorne in der Bewegungsrichtung des Ladungsträgers wirkt.

4. Näherungszünder nach Anspruch 3_f dadurch gekennzeichnet, daß auch der Empfänger (3, 15) aus einer Spule oder mehreren Spulen besteht.

5. Näherungszünder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Signalverarbeitungseinrichtungen Einrichtungen (9,18) zur Amplitudenkorrektur zum Einregeln der Amplitude des Sendersignales auf den selben Wert wie die Amplitude des Empfängersignales zum Feststellen eines Differenzsignales aufweisen.

6. Näherungszünder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Phase des Empfängersi-

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gnales so einstellbar ist, daß das Signal dem in der Amplitude korrigierten Sendersignal entgegengesetzt ist.

7. Ijäherungszünder nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch Kontrolleinrichtungen (34, ^5, 36) für Korrekturen von Phasen- und Amplitudenfehlern.

8. Näherungszünder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch Sekundäreinrichtungen zum Feststellen der Annäherung, insbesondere durch Feststellen von Lichtreflektion, die eine Laserdiode (26) zum Aussenden von Licht und einen Detektor (27) zum Empfangen des reflektierten Lichtes aufweisen.

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