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Beschreibung
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Explosivladungsträger Die Erfindung bezieht sich auf einen Aufschlagzünder
gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Hierbei ist ein Explosivladungsträger
beispielsweise ein Geschoß oder eine Rakete.
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Bei den bekannten Aufschlagzündern liefert zumeist entweder ein mechanisches
Zündnadel-System oder aber ein elektromechanisches Piezokristall-System den zur
Auslösung der Zündung notwendigen Impuls; diese ist entweder ein mechanischer Stoß
zur direkten Zündung eines schlagempfindlichen Anzündsatzes oder aber ein elektrischer
Impuls zur direkten oder indirekten Auslösung eines elektrisch zündbaren Anzünders
(Zündpille).
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Der Einsatz dieser üblichen Systeme in den Zündern von Sprenggeschossen
ist mit einzigen Problemen verbunden: - zur ordnungsgemäßen Einleitung der Zündauslösung
muß das Geschoß mit einem Wi.nkel auf das Ziel treffen, der über einem bestimmten
Grenzwert liegt; - durchdringt das Geschoß vor dem Auftreffen auf das Ziel eine
Regenwand,.leites Tarnmaterial oder Gebüsch, so kann der Zünder entweder beschädigt
oder aber auch zur ungewollt frühzeitigen Auslösung veranlaßt werden; - trifft der
Geschoßzünder auf ein Zielmaterial relativ geringer Festigkeit und Stärke - z. B.
eine. dünne Alu-Außenhaut eines Luftzieles - kann der Zündauslöser nur dann ordnungsgemäß
ansprechen, wenn er sehr empfindlich eingestellt ist; dann aber trott der o. g.
Nachteil bezüglich der Störanfälligkeit verstärkt in Erscheinung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Zünder
anzugeben, der bei einem metallenem Ziel auch bei ungünstigem Auftreffwinkel und
auch bei relativ geringer Festigkeit des Ziels sicher anspricht, ohne für Frühzündung
empfindlich zu sein.
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Die Erfindung ist dem Patentanspruch 1 entnehmbar. Die Unteransprüche
beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.
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Die Erfindung beruht auf dem folgenden Prinzip: Projektile aller Art
befinden sich während ihres Freifluges in einem mehr oder weniger stark elektrisch
geladenen Zustand. Wenn
diese Projektile auf metallisch leitende
Ziele treffen, treten elektrische Entladungsimpulse auf; gleichzeitig finden elektrische
Ladungstrennungen im Zusammenhang mit der Materialverformung und -zerstörung im
engsten Zielbereich statt, die wiederum zu impulsartigen elektrischen Feldstärkeänderungen
in Projektilnähe führen. Diese elektrischen Impulse werden bei der Erfindung für
die Auslösung der Zündung benutzt.
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Der Vorteil gegenüber den bekannten Zündern besteht u. a. darin, daß
der erfindungsgeraäße Zünder praktisch verzögerungsfrei auf metallische Ziele anspricht
- und zwar unabhängig von dem Auftreffwinkel des Projektils und unabhängig davon,
ob das Projektil mit dem Kopf auf das Ziel trifft oder nicht. Gegen nichtmetallische
Ziele - z. B. Regen, Gebüsch, Tarnmaterial - ist der Zünder weitgehend unempfindlich.
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Nunmehr wird zunächst auf das der Erfindung zugrunde liegende physikalische
Prinzip eingegangen: Projektile aller Art befinden sich während ihres Freifluges
in einem elektrisch geladenen Zustand. Dieser Effekt wurde im Rahmen von zahlreichen
experimentellen und theoretischen Arbeiten bei Realisierbarkeitsstudien der Erfindung
untersucht.
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Experimentelle Untersuchungen an Original-Geschossen während des Freifluges
hinsichtlich ihres Ladungszustandes wiesen Ladungsmengen auf den Geschossen zwisch<-n
10 As und 10 AS nach.
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Die Vielfalt der gewonnenen Untersuchungsergebnisse deutet auf recht
komplexe Vorgänge hin, die zur lektrischen Aufladung fliegender Projektile führen.
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Es sind im wesentlichen drei räumlich und zeitlich voneinander getrennte
Bereiche 1bzw. Vorgänge zu erkennen, -die zum Aufladungszustand beitragen: 1. Effekte
im Waffenrohr, während das Geschoß - z. T. von Pulvergasen umgeben - die Rohrinnenwand
mit unterschiedlicher Beschaffenheit (Temperatur, Verschmutzungsgrad usw.) eng kontaktiert.
Dabei werden Staub-Partikel vermischt mit heißen (z. T. ionisierten) Gasschwaden
aufgewirbelt und auf der Geschoß-Oberfläche niedergeschlagen. Diese "Vorgeschichte"
der Geschoß-Oberfläche ist wesentlich für den "stationären" Ladungszustand des Geschosses
während des späteren Freifluges. Das wird bestätigt durch experimentelle Untersuchungen
an Projektilen, deren Oberfläche vor dem Abfeuern durch besondere Maßnahmen bearbeitet
waren - z. B. mit Wasser benetzt, mit unterschiedlichen Lacken präpariert, mit Staub
eingerieben usw.
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2. Vorgänge im Mündungsfeuer, während das Geschoß -umgeben von. Mündungsgasen
- das Waffenrohr verläßt. In diesem Bereich treten starke Ladungsinhomogenitäten
und Zonen unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit auf.
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3. Freiflug-Zone - nachdem das Geschoß den Einflußbereich der Mündungsgase
verlassen hat. Während dieser Zeit wird ein quasistationärer Ladungszustand des
Geschosses erreicht; quasistationär insofern, als die Geschoß-oberfläche unter dem
Einfluß einer Vielzahl von äußeren veränderlichen Wechselwirkungen steht und dabei
bezüglich ihres elektrischen Aufladungs-
zustandes einen Gleichgewichtszustand
einnimmt.
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Derartige Wechselwirkungen werden hervorgerufen u. a. durch Stoßwellen
(Kopf-, Schwanz-Welle), Zustand der umgebenden Atmosphäre (Staub, Feuchtigkeit,
Temperatur), Zustand der Geschoß-Oberfläche (Rauhigkeit, Verunreinigung), From der
Geschoß-Oberfläche (insbesondere spitz oder stumpf zulaufender Geschoßkopf), Leuchtspureinsatz
im Geschoßkörper selbst, u. a. m.
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Es kann zweifelsfrei angenommen werden, daß die Geschoß-Oberfläche
durch die fortwährende Abgabe von Ladungsträgern - z. B. durch Abrieb von Verunreinigungen
- einen "Nachlauf" von freien Ladungsträgern ähnlich einem Kometenschweif erzeugt
und dabei einen durch Erreichen der spezifischen Grenzfeldstärke bestimmten Ladungs-Sättigungswert
einhält.
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Zusammenfassend läßt sich feststellen: Es gibt eine Vielzahl von Effekten,
die zur elektrischen Aufladung von Projektilen führen. Die sehr komplexen Zusammenhänge
zwischen diesen Effekten führen zu einem quasistationären Ladungszustand des Projektils.
Daß sich ein Projektil unter diesen Bedingungen während seines Freifluges in einem
elektrisch nahezu völlig entladenen Zustand befindet, ist schwer vorstellbar- zumal
Ladungsmengen von Q0 3 10-12 As in diesem Zusammenhang bereits als relativ kräftige
Geschoß-Aufladungen angesehen werden können.
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Trifft ein elektrisch geladenes Projektil auf einen Zielkörper, treten
zwei Effekte auf, die getrennt voneinander zu beachten sind.
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1. Unabhängig von der Frage, ob der Zielkörper aus einem elektrisch
leitenden bzw. nichtleitenden Material besteht, treten im Rahmen der beim Auftreffen
beobachteten Materialverformungen bzw. -zerstörungen z. T. recht kräftige elektrische
Wechselfelder im nahen Zielbereich auf.
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2. Handelt es sich m einen Zielkörper aus elektrisch leitendem Material,
finden im Moment des Auftreffens zwischen Projektil und Zielkörper sehr schnelle
Ladungsausgleichsvorgänge mit einer begleitenden hochfrequenten FeldalJstrahlung
statt.
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Allen Auftreff- und Durchdringungsvorgängen ist - unabhängig von dem
Zielmaterial und der Geschoßart - gemeinsam, daß im nahen Zielbereich eine mit Stoßwellenausbreitung
begleitete Wolke von fein verteiltem Zielnaterial relativ schnell entsteht und nur
langsam verschwindet. In enger Wechselwirkung mit dieser instationären Staunwolke
befindet sich das Projektil - unter Umständen während eines relativ langen Zeitbereichs.
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Das Auftreten von derartigen Staubwolken wird begleitet von elektrischen
Ladungstrennungen in Geschoßnähe (sog. Staubeektrizität, Reibungselektrizität usw.).
Diese Ladungsinhomogenitäten bewirken in ihrer Umgebung elektrische Wechselfelder,
die mit geeigneten Elektroden angeordnet in der Nähe des Zielbereiches meßtechnisch
registriert werden können.
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Projektile (20 und 3) mm) beim Durchschlagen von Wassertropfen erzeugen
keine wesentlichen Impulse.
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Die während des Auftreff- und Durchdringungsvorganges in Form von
Staub-Partikelaufladungen auftretenden elektrischen Ladungsmengen liegen im allgemeinen
weit über der auf dem Geschoß befindlichen Ladungsmenge. Bei einem 20 mm-Projektil
beim Durchdringen von Alu-Folie z. B. wurde eine Ladungswolke von ca.
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10 8 As bei einer Eigenaufladung des Projektils von nur ca.
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10-10 As gemessen.
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Zusammenfassend wird festgestellt: - Projektile aller-Art erzeugen
beim Auftreffen und Durchdringen von den unterschiedlichsten Zielmaterialien in
der Nähe des Zielbereiches elektrische Wechselfelder; - diese Wechsel felder bewirken
im Moment des Auftreffens einen steil ansteigenden Signalverlauf; - treffen elektrisch
aufgeladene Projektile - das trifft in der Regel für jedes Projektil zu - auf elektrisch
leitende Materialien, überlagert sich den o. g. Signalverläufen im Moment der Kontaktierung
zwischen Zielmaterial und metallischer Geschoßoberfläche {ein HF-Impuls. Dieser
Impuls wird hervorgerufen durch den schnellen Ladungsausgleich zwischen Projektil
und Ziel. Die dabei freigesetzte relativ geringe elektrische Energie hängt ab von
der Größe des Projektils und der darauf befindlichen Ladungsmenge. Der dazugehörige
LeisLungsimpuls (abgestrahlte Energie pro Zeiteinheit) ist wegen der Schnelligkeit
des Ladungsausgleichs zwischen zwei metallischen Materialien vergleichsweise groß.
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Die wesentlichen Schlußfolgerungen werden im folgenden zusammengefaßt:
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es kann von der Voraussetzung ausgegangen werden, daß sich Projektile aller Art
in einem elektrisch geladenen Zustand befinden, und zwar während ihres gesamten
Freifluges; - die Ladungsmenge liegt zwischen 10-13 und 10 8 Asi beim Auftreffen
juf Zielmaterialien aller Art treten mehr oder weniger rasch veränderliche Wechselfelder
in unmittelbarer Nähe des Auftreffortes in Erscheinung; - im Einflußbereich dieser
Wechselfelder befindet sich das Projektil; e; erlangt damit eine Information über
den Auftreffzeitpunkt und ggf. über die Art des Zielmaterials; - beim Auftreffen
.tuf metallische Zielmaterialien tritt im Moment der Koritaktierung zwischen Projektiloberfläche
und Ziel ein charakteristischer HF-Impuls von relativ hoher Leistung auf; dieser
Impuls ist besonders geeignet zum Triggern des Zünderauslösers; - bei elektrisch
nicht oder nur schlecht leitenden Zielmaterialien treten demgegenüber keine HF-Impulse
auf.
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Die sbeben dargestfllten Schlußfolgerungen lassen erkennen: - im Prinzip
lasser sich bei jeden Auftreffvorgang (auch im Falle von elektrisch nichtleitenden
Zielmaterialien) die wesentlichen Informationen für den Zünder über den Auftreffzeitpunkt
gewinnen;
- im Falle von elektrisch leitenden Zielmaterialien jedoch
tritt ein besonders scharfes und leistungsstarkes Signal in Form eines HF-Impulses
auf, der für eine Zündauslösung hervorragend geeignet ist.
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Im folgenden wird ein Zünder nach der Erfindung beispielhaft beschrieben,
der auf metallisch leitende, nicht aber auf elektrisch nicht bzw. schlecht leitende
Zielmaterialien anspricht.
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Beim Auftreffen von Projektilen auf metallisch leitende Ziele tritt
jeweils eine Energiemange von größenordnungsmäßig A E = 10 14 bis 10 10 Watt/sec.
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auf; der damit verbundene Leistungsimpuls reicht nicht aus, um die
herkömmlichen Geschoßzünder direkt auszulösen; dazu bedarf es einer elektronischen
Verstärkersl:haltung , die ihrerseits durch den §'physikalischen" Auftreffimpuls
lediglich getriggert wird.
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Die Zwischenschaltung eines derartigen elektronischen Verstärkers
ist bisher bei PiezQ-Kristall-Zündern üblich.
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Die hier vorliegenden weiteren Ausführungen werden sich - da die für
einen Geschoßzünder notwendigen elektronischen Verstärkerschaltungen bekannte Technologie
darstellen - darauf beschränken, allein den Zünder zu bschreiben; d. h. hier interessiert
das Bauelement, welches !eim Auftreffen des Projektils auf ein Ziel ggf. (nämlich
sofern das Ziel metallisch leitend ist) einen für den Zündverstärker geeigneten
Triggerimpuls liefern soll.
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Zunächst wird der Aufbau eines derartigen Zündauslösers sowie seine
Anordnung im Geschoßkörper beschrieben.
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Danacn wird sein F!nktionsverhalten dargestellt.
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Die Abbildung zeigt den Aufbau eines realisierten Zünders nach der
Erfindung in einer sehr einfachen Form; lediglich ein elektronisches Bauteil (hier
der Festkörperschaltkreis vom Typ lc 7402) in Verbidung mit einem elektrischen ohmschen
Widerstand (hier 1 kOhm) und einer entsprechenden Spannungsversorgung (hier 4,5
Volt) ist an einer beliebigen Stelle im Geschoßkörper ang.eordnet. Der elektronische
Eingang des IC 7402 wird mit einer relativ einfachen Antenne gekoppelt, die im Raum
außerhalb des Geschosses den im Moment des Auftreffens auftretenden HF-Impuls atffaßt
und an das IC-Element weitergibt.
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Der zeitliche Verlauf des Zündimpulses (3 V) am Ausgang des Zündauslösers
ist c:argestellt. Die Verzugszeit zwischen Auftreffen und Zündimruls beträgt weniger
als 300 ns.
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In dem in der Abbildung dargestellten Fall besteht die Antenne aus
einer Drahttchleife, die elektrisch isoliert den Geschoßkörper umschlingt.
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Es sind andere Auscestaltungen des Zündauslösers und seiner dazugehörigen
Antenne möglich, beispielsweise wird die Zündermitte durch EinfügEn von Kunststoffringen
zwischen Zünder-Spitzenteil und Zürder-Unterteil bzw. Geschoßkörper elektrisch von
dem übrigen Geschoßkörper isoliert. Der Eingang des hier verwendeten IC-Elerrents
wird mit dem Zünder-Mittenteil leitend verbunden.
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Abschließend wird zum Aufbau des Zündauslösers bemerkt: Der Zündauslöser
besteht aus einer Antenneneinheit, welche das Auftreffsignal in das Geschoß übermvttelt,
sowie aus einem elektronischen Bauelement zur Aufbereitung des Signals am Antennenausgang.
Unter den gegebenen tJmständen, d. h. wenn ein kräftiger HF-Impuls bei Kontaktierung
zwischen Geschoßkörper und metallischem Zielmaterial auftritt, sind beide wesentlichen
Elemente des Zündauslösers (Antenne, IC) ausgesprochen unkritisch.
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Insbesondere bei der Antennen-Gesta3tung sind andere Lösungen denkbar,
die problemlos dem spezifischen jeweils gegebenen Geschoßkörper angepaßt werden
können.
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Die Aufbereitung des HF-Impulses dadurch das IC-Element im Falle von
metallischen Zielmaterialien ist unproblematisch. FUr den Fall, daß eine Aufbereitung
und Auswertung von relativ niederfrequenten Signalen im Zusammenhang mit nichtmetallischen
Zielmaterialien angestrebt wird, läßt sich bereits mittels einfacher Widerstandsbeschaltungen
das gewünschte Funktionsverhalten des Zündauslösers erreichen (im Beispielsfall
der Abbildung wird für den ohmschen Widerstand ein anderer Widerstandswert benutzt).
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