DE3024554C2

DE3024554C2 - Anordnung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie auf Flugkörper bei deren Abschuß

Info

Publication number: DE3024554C2
Application number: DE3024554A
Authority: DE
Inventors: Uwe 8510 Fürth Brede; Gerhard Ing.(grad.) 8500 Nürnberg Kordel
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1980-06-28
Filing date: 1980-06-28
Publication date: 1985-06-05
Also published as: DE3024554A1; US4445434A; BE889378A; IT1171337B; FR2485715A1; GB2079907B; IT8148778A0; GB2079907A; FR2485715B1; IT8148778A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Treibladungsanzünder für eine Anordnung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie und Flugkörper bei deren Abschuß entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß elektrische Zünder durch eine in dem Sekundärkreis eines nach dem Transformatorpnnzip aufgebauten Spuiensystems induzierte Wechselspannung aktiviert werden können. Eine mögliche Anordnung hierfür ist in der DE-ÜS 27 34 169 beschrieben. Dabei ist das mit dem Geschoß verbundene sekundärseitige Spulensystem in einem Gehäuse aus elektrisch gut leitendem Material untergebracht, das als Faraday'scher Käfig eine elektrostatische Abschirmung bewirkt Zur magnetischen Abschirmung gegenüber äußeren elektromagnetischen Störfeldern ist das sekundäre Spulensystem außerdem an seiner dem primären Spulensystem in der Funktionsstellung, d. h. beim Abschuß gegenüberliegenden Seite mit einem Abschirmblech aus magnetisch sättigbarem Eisen versehen. Das primärseitige Spulensystem ist dabei in einem mit der Abschußeinrichtung verbundenen Gehäuse untergebracht, das in der Abschußeinrichtung, einem Waffenrohr, derart angeordnet wird, daß das primärseitige Spulensystem beim Abschuß dem sekundärseitigen Spulensystem des Geschosses in geringem Abstand ohne trennende Zwischenwand gegenübersteht. Dazu ist das Gehäuse des Primärsteuerkreises an der dem Sekundärsystem zugekehrten Seite offen und das Waffenrohr mit einer entsprechenden Durchbrechung in seiner Wandung versehen, so daß das primärseitige Spulensystem unmittelbar mit dem Verbrennungsraum der Abschußeinrchtung verbunden ist. Damit ist aber der Primärsteuerkreis voll den beim Abschuß auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt, so daß die einwandfreie Funktion dieser Anordnung bei wiederholten Abschüssen nicht gewährleistet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anordnung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie auf Flugkörper entsprechend der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art die einwandfreie Funktion auch bei wiederholten Abschüssen sicherzustellen. Bei den Flugkörpern handelt es sich insbesondere um Geschosse, es können aber beispielsweise auch Raketen sein. Die kontaktlos zu übertragende elektrische Energie dient bevorzugt zur Energieversorgung elektrischer Zündmittel, sie kann aber z. B. auch für die Versorgung von Steuerkreisen benutzt werden, um während der Flugphase oder beim Erreichen des Zieles bestimmte Operationen wie Entsicherungs- oder Ausstoßvorgänge auszuführen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 ge'öst.

Die Trennwand 13 ist bevorzugt aus Titan, geeignet sind aber je nach der geforderten Festigkeit z. B. auch Tantal. Nickellegierungen. Messinglegierungen oder unter Umständen auch Aluminium oder Kupfer. Die mechanisch feste Trennwand aus nichtmagnetischem Material bildet einer zuverlässigen Schutz für das primärseitige Spulensystem, indem sie dieses gegenüber den beim Abschuß des Flugkörpers freigesetzten Gasen gasdicht abschließt. Sie ist auch bei den hohen Temperaturen, wie sie bei der Einwirkung der heißen Treibgase eines Geschosses oder einer Rakete auftreten, ohne weiteres mit einer solchen Festigkeit ausbildbar, daß sie ebenso wie die übrigen Teile der Abschußeinrichtung den auftretenden Druckbelastungen, thermischen, korrosiven usw. Beanspruchungen auch bei einer Vielzahl schnell aufeinander folgender Abschüsse einwandfrei standhält. Damit ist es in vorteilhafter Weise möglich. beim Abschuß eines Flugkörpers auf diesen von außen elektrische Energie zu übertragen, ohne daß dazu die Abschußeinrichtung mit mechanischen Durchbrüchen irgendwelcher Art versehen werden müßte, durch wel-

ehe die die Beschleunigung des Flugkörpers bewirkenden Gase in unerwünschter Weise abströmen bzw. auf andere Komponenten einwirken könnten.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Anordnungen zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie auf Zündmittel besteht darin, daß diese mit einer primärseitig angelegten Wechselspannung niedriger Frequenz von etwa 50 Hz betrieben werden. Hierbei ist von Bedeutung, daß die Spulensysteme nach Einschalten der Wechselspannung eine Einschwingzeit benötigen und erst im eingeschwungenen Zustand genügend Energie zur Aktivierung der elektrischen Zündmittel übertragen werden kann. Die&s Totzeit zwischen Einschaltzeitpunkt und Erreichen des eingeschwungenen Zustandes hat eine unerwünschte Zündverzögerung zur Folge.

Um eine möglichst unverzügliche kontaktlose Übertragung der elektrischen Energie für elektrische Zündmittel oder andere elektrische Systeme von Flugkörpern bei deren Abschuß zu erreichen, wii J in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 eine Folge von Impulsen höherer Frequenz in das primärseitige Spulensystem eingeleitet Die schnell aufeinanderfolgenden einzelnen stoßartigen Impulse haben eine wenigstens annähernde rechteckige Charakteristik. Damit wird nicht nur in vorteilhafter Weise eine Verkürzung der Einschwingzeit erreicht, sondern auch eine große Änderung des magnetischen Flusses pro Zeiteinheit im sekundärseitigen Spulensystem, wodurch bei gleich hoher in diesem induzierter Spannung dessen Windungszahl verringert werden kann. Eine kleinere Sekundärspule ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn das sekundärseitige Spulensystem Teil eines verbrennbaren Treibladungsanzünders ist.

Bei der in der DE-OS 27 34 169 beschriebenen Vorrichtung zur kontaktlosen Energieübertragung ist — wie einleitend bereits angegeben, dem sekundärseitigen Spulensystem ein Abschirmblech aus magnetisch sättigbarem Eisen zugeordnet, um einen Schutz gegen äußere elektromagnetische Störfelder — wie sie z. B. bei Radareinrichtungen, Rundfunksendern oder atmosphärischen Entladungen auftreten — zu erreichen. Die magnetischen Eigenschaften und damit die Schutzwirkung eines solchen Abschirmbleches sind jedoch von zahlreichen Parametern abhängig, wie beispielsweise Temperatur, Frequenz, mechanischer Belastung, Dicke, Oberflächenbehandlung und Korrosion. Das bedeutet aber, daß die Schutzwirkung des Abschirmbleches aufgrund von Umwelteinflüssen, mechanischen Belastungen und Materialbeschaffenheit Undefinierten Veränderungen unterliegt und daher nicht zufriedenstellt.

Nach einem weiteren im Anspruch 3 angegebenen Vorschlag der Erfindung ist daher für die Störfeldabschirmung der Sekundärspule ein zusätzliches elektrisches Filtersystem nachgeschaltet. Dieses Filtersystem hat ein frequenzabhängiges Dämpfungsverhalten, das derart festgelegt ist, daß eine Impulsfolge im Sekundärspulensystem dann durchgelassen wird, wenn sie durch eine in das Primärspulensystem einge'eitete definierte Impulsfolge mit bestimmungsgemäßer Frequenz induziert worden ist und damit gleichfalls die bestimmungsgemäße Frequenz aufweist, jedoch blockiert wird, wenn sie eine höhere oder tiefere Frequenz als die bestimmungsgemäße aufweist. Unter »bestimmungsgemäßer Frequenz« ist diejenige Frequenz zu verstehen, mit welcher die gewollte Aktivierung des Primärspulensystems erfolgt. Das Filtersystem kann je nach den Erfordernissen des Einzelfalles z. B. als Tiefpaß oder Hochpaß auseeleet sein, der alle Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz blockiert oder durchläßt Bevorzugt ist es jedoch als Bandpaß ausgebildet, der zwischen zwei Grenzfrequenzen durchlässig ist, darunter und darüber jedoch als Sperre wirkt. Mit dieser Koppelung von Sekundärspulensystem und Filterkette ist in sehr einfacher und dennoch zuverlässiger Weise eine wirksame gezielte Abschirmung gegen elektromagnetische Störfelder erreichbar.
Eine besonders vorteilhafte Anordnung des sekundärseitigen Spulensystems ist im Anspruch 4 angegeben, gemäß dem das Gehäuse für die Aufnahme des Spulensystems gleichzeitig die sekundäre Topfkreis-Halbschale für diese bildet und weiterhin zur Aufnahme der übrigen dem Spulensystem nachgeschalteten elektronischen Bausteine sowie dem ggf. vorgesehenen Zündsatz dient. Damit erhält man eine kompakte Einheit kleiner Baugröße, die z. B. auch den hohen Beschleunigungskräften in automalischen Waffen standhält

Sofern das Gehäuse, z. B. für verbrennbare elektrische Treibladungsanzünder, aus einem verbrennbaren Material wie Treibladungspulver oder Kunststoff, ggf. in Mischung mit Sprengstoff, hergestellt ist, werden in dieses nach Anspruch 5 Partikel aus magnetischem und/ oder elektrisch leitendem Material eingelagert, um eine Verstärkung des die Sekundärspule durchsetzenden magnetischen Flusses und/oder eine redundante Abschirmung des gesamten sekundärseitigen Spulensystems gegenüber Störstrahlquellen zu erreichen.

Bei geforderter Verbrennbarkeit des sekundärseitigen Spulensystems erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, nach Anspruch 6 die Sekundärspule aus einem bei seiner Umsetzung Energie liefernden Draht herzustellen. Dafür kann ein im Handel erhältliches und z. B. für Drahtzündmittel verwendetes Pyrometall benutzt werden, das im wesentlichen als bi-metallisches Gemisch auf der Basis Palladium-Aluminium oder Platin-Aiuminium aufgebaut ist und, wenn es auf die für des charakteristische Umwandlungstemperatur aufgeheizt worden ist, sich unter Legierungsbildung exotherm umsetzt und ohne Sauerstoffzufuhr deflagrierend abbrennt.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen schematisch gezeigt und wird anhand dieser nachstehend noch näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 Primär- und Sekundärkreis einer Anordnung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie.

Fig. 2 die schaltungstechnische Ausführung des Sekundärkreises,
Fi g. 3 die technische Realisierung des Sekundärkreises, und

F i g. 4 die prinzipielle Übertragung der elektrischen Energie.

Gemäß F i g. 1 wird der Primärkreis von dem Steuerkreis 1 und dem primärseitigen Spulensystem 2 gebildet.

Der Steuerkreis 1 bzw. dessen nachstehend angegebenen Baugruppen werden mittels der Stromversorgung 3 mit Gleich- oder Wechselspannung betrieben. Die Spannung beträgt bevorzugt zwischen 12 und 240 V. Der Impulsgenerator 4 des Steuerkreises 1 dient zur Erzeugung von aufeinanderfolgenden Rechteckimpulsen mit einstellbarer Frequenz. Die Impulsfolge wird auf den ersten Eingang des UND-Gatters 5 gegeben. Dessen zweiter Eingang ist mit dem Zeitschalter 6 verbunden, dessen Laufzeit einstellbar und an die Höhe der zu übertragenden Energie angepaßt ist. Der Zeitschalter 6 wird mittels des Auslösers 7 in Funktion gesetzt und gibt nur während seiner vorgegebenen Laufzeit t eine Spannung an den zweiten Eingang des UND-Gatters 5 ab.

Damit wird die vom Impulsgenerator 4 abgegebene Impulsfolge als zeitlich limitiertes Impulspaket am Ausgang des UND-Gatters 5 erhalten und dem nachgeschalteten Leistungsverstärker 8 zugeführt, der seinerseits an das Primärspulensystem 2 gekoppelt ist, das in einer nicht gezeigten, in bekannter Weise entsprechend den Frequenzverhältnissen ausgelegten Topfkreis-Halbschale oder ähnlichem eingebettet ist. Das Primärspulensystem 2 ist innerhalb der Abschußeinrichtung 9, hier einem Waffenrohr, angeordnet.

Der Sekundärkreis ist als Initialzündkreis 10 ausgeführt, der Teil eines nur symbolisch angedeuteten Treibladungsanzünders U ist. Der Treibladungsanzünder 11 ist aus zeichentechnischen Gründen abweichend von der Wirklichkeit als praktisch den ganzen lichten Querschnitt des Waffenrohres 9 ausfüllend dargestellt. Der Initialzündkreis 10 weist das sekundärseitige Spulensystem 12 auf. dessen Windungen aus pyrophorem Draht bestehen und somit exotherm umsetzbar sind.

Zwischen den beiden Spulensystemen 2, 12 ist die hochfeste Trennwand 13 aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise Titan, angeordnet. Die Trennwand 13 schließt den Verschlußteil 14 des Waffenrohres 9 und damit auch das primärseitige Spulensystem 2 gegenüber dem Patronenlager und Verbrennungsraum 15 des Waffenrohres 9 und damit gegenüber einem hier anzuordnenden Geschoß, das den Flugkörper darstellt, hermetisch ab. Ein mechanischer Durchbruch der Wandung des Verbrennungsraumes ist für die Übertragung der Zündenergie nicht erforderlich.

Nach Betätigen des Auslösers 7 steht an dem Sekundärspulensystem 12 ein Impulspaket zur Verfügung, das entsprechend dem Induklionsprinzip dem Signal am Primärspulensystem 2 äquivalent ist. Dem Sekundärspulensystem 12 ist die Filtereinrichtung 16 nachgeschaltet, die z. B. als Bandfilter ausgebildet ist, der nur im Frequenzbereich des bestimmungsgemäßen Zündimpulses am Primärspulensystem durchlässig ist und damit die Abblockung von Störstrahlquellen bewirkt. Damit ist sichergestellt, daß nur das vom bestimmungsgemäßen Zündsignal induzierte Impulspaket die Filtereinrichtung 16 passieren kann, um über ein Gleichrichterelement 17, ζ. B. eine Diode, den nachgeschalteten Zündenergiespeicher 18, einen Kondensator, aufzuladen. Der Zündenergiespeicher 18 ist über den elektronischen Schwellwertschalter 19 mit dem elektrischen Anzündelement 20 verbunden. Der Schwellwertschalter 19 bewirkt, daß die Ladung vom Kondensator 18 erst nach Überschreiten einer definierten Zündspannungsschwelle auf das Anzündelement 20 übertragen wird. Dazu ist der Schalter z. B. als zwischen Kondensator und Ar.· zündelement geschalteter Thyristor oder Feldeffekttransistor 2 t ausgeführt, dessen Steuereingang über eine Zenerdiode 22 am Kondensator liegt. Die Zenerspannung bestimmt damit die Zündspannungsschwelle. Wird sie am Kondensator 18 überschritten, wird die Zenerdiode 22 leitend, der Thyristor oder Feldeffekttransistor 21 aufgesteuert, d. h. extrem niederohmig und damit die gespeicherte Energie des Kondensators 18 auf das Anzündelement 20 übertragen und dessen Auslösung bewirkt

Die schaltungstechr.ische Ausführung des Initialzündkreises 10 zur berührungs- oder kontaktlosen elektrischen Zündung von Primärsprengstoffen unter Einbeziehung elektronischer Schaltkreise ist in F i g. 2 gzeigt, wobei die gleichen Teile wie in F i g. 1 mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. Das Anzündelement 20 ist dabei gestrichelt mit der übrigen Schaltung verbunden, die — wie bei Fig.3 erläutert — einen in sich abgeschlossenen Kompaktblock bildet.

F i g. 3 zeigt eine Möglichkeit der technischen Realisierung des Sekundärkreises in etwa zweifacher Vergrößerung im Längsschnitt. Das Gehäuse 23 besteht aus einem verbrennbaren Gemisch von Treibladungspulver und partikelförmigem magnetischem und elektrisch leitendem Material, beispielsweise Eisenpulver. Als Treibladungspulver können z. B. Nitrocellulose, zwei-, drei- oder mehrbasige Pulver oder auch sogenannte Composite-Treibstoffe verwendet werden. Das Treibladungspulver kann auch zum Teil oder ganz durch Explosivstoffe, ggf. in Mischung mit Bindemittel, ersetzt sein. Als Explosivstoffe sind sowohl Primär- als auch Sekundär-

!5 Sprengstoffe geeignet, z. B. Oktogen, insbesondere .v Oktogen, Hexanitrostilben, Triaminoguanidinnitrat, Hexanitrodiphenyläther oder Dipikrylsulfon. Als Bindemittel kommen insbesondere Polyesterharze oder auch Polyurethane oder rndere einwandfrei verbrennbare Kunststoffe in Frage.

Das Gehäuse 23 weist den Zwischenboden 24 auf. an dem der zapfenförmige axiale Kern 25 einstückig angeformt ist, so daC eine ringförmige Ausnehmung 26 entsteht, in welcher das auf dem verbrennbaren Spulenträ· ger 27 aus z. B. Kunststoff aufgebrachte sekundärseitige Spulensystem 12 aus pyrophorem, sich exotherm umsetzenden Draht angeordnet ist. Das Gehäuse 23 bildet so gleichzeitig eine Topfkreis-Halbschale für das Spulensystem 12, wobei der Gehalt an partikelförmigen magne-

tischem Material die magnetische Übertragung sicherstellt. Die Menge dieses Materials ist im Einzelfall entsprechend den geforderten magnetischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Windungszahl der Sekundärspule 12, der bestimmungsgemäßen Frequenz. Gehäusefestigkeit, Verbrennbarkeit usw. in bekannter Weise zu optimieren.

In der Ausnehmung 28 auf der anderen Seite des geschlossenen Zwischenbodens 24 ist die Elektronik des Sekundär-Initialzündkreises als in der Ansicht gezeigter Kompaktblock 29 mit verbrennbarer Vergußmasse angeordnet. Ais Vergußmasse kommen z. B. Epoxidharze oder ungesättigte Polyesterharze in Frage. Das Spulensystem 12 ist über die beiden Leiter 30 an die Elektronik angeschlossen. Das Anzündelement 20 ist bevorzugt ein

Metallschichtelement gemäß der DE-PS 20 20 016 und im Berührungskontakt mit der Elektronik 29 gehalten. Auf das Metallschichtelement 20 aufgebracht ist der Anzündstoff 31 auf Basis eines Inititalsprengstoffs, untergebracht in dem ringförmigen Träger 32 aus ver-

brennbarer Vergußmasse. Das Gehäuse 23 stellt dabei durch die eingelegten Partikel aus magnetischem und/ oder elektrisch leitfähigem Material zusätzlich eine redundante Abschirmung der gesamten verbrennbaren Sekundär-lnitialzündkreises gegenüber Störstrahlquellendar.

Dieser Sekundär-Initialzündkreis wird bevorzugt als verbrennbarer elektrischer Treibladungsanzünder verwendet, der ein magnetisch leitendes Gehäuse, eine Miniaturelektronik und ein Metallschichtelement aufweist und bis auf kleinste pulverisierte Siliziumkristalle. Aluminiumoxidteilchen o. dgl. der Elektronik vollständig verbrennbar bzw. verdampfbar ist

In F i g. 4 sind die magnetischen Feldlinien 33 angedeutet, die von dem primärseitigen Spulensystem 2 mit Topfkreis-Halbschale 34 ausgehen, die Trennwand 13 durchsetzen und in dem sekundärseitigen Spulensystem 12 mit zugehöriger Topfkreis-Halbschale 35 eine entsprechende Spannung induzieren. Die Topfkreis-Halb-

schalen sind dabei, obwohl geschnitten dargestellt, aus zeichentechnischen Gründen nicht schraffiert. Die Übertragung der Zündenergie erfolgt ohne mechanische Durchbrüche des Verbrennungsraumes 15. Die Herstellung der Trennwand 13 aus nichtmagnetischem Material verhindert einen Kurzschluß der magnetischen Feldlinien zwischen den beiden Spulensystemen 2, 12. Im übrigen gelten die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. I.

ίο

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

15

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25

30

40

50

$5

60

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Claims

Patentansprüche:

1. Elektrischer Treibladungsanzünder für Anordnungen zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Energie auf Flugkörper bei deren Abschuß, mit einem mit der Abschußeinrichtung, verbundenen primärseitigen Spulensystem und einem mit dem Flugkörper verbundenen sekundärseitigen Spulensystem, wobei die Spulensysteme nach dem Transformatorprinzip zusammenwirken und dem sekundärseitigen Spulensystem ein elektrisches Anzündelement nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichne ί, daß das sekundärseitige Spulensystem (12) Teil eines verbrennbaren elektrischen Treibladungsanzünders (Ii) ist, wobei zwischen dem Spulensystem (12) und dem Anzündelemen.t (20) noch zusätzliche, die bestimmungsgemäße Zündung sicherstellende elektrische Komponenten (29) vorgesehen sind.

Z Anordnung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß das sekundärseitige Spulensystem (12) in einem Gehäuse (23) angeordnet ist, daß zwei sich gegenüberliegende durch einen Zwischenboden (24) zumindest im wesentlichen voneinander getrennte Ausnehmungen (26,28) aufweist, von denen die eine mittels eines von dem Zwischenboden (24) ausgehenden zapfenförmigen Kernes (25) ringförmig ausgebildet ist und zur Aufnahme des Spulensystems (12) nach Art einer Topfkreis-Halbschale (35) dient, während die andere Ausnehmung (28) zur Aufnahme von dem Spulensystem (12) nachgeschalteten elektrischen Komponenten (29) und Anzündelement (20) dient.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das sekundärseitige Spulensystem (12) in einem verbrennbaren Gehäuse (23) aus nichtmetallischem Material angeordnet ist, in das magnetische und/oder elektrisch leitende Partikel eingebettet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende Draht des sekundärseitigen Spulensystems (12) aus einem sich bei erhöhter Temperatur exotherm umsetzenden metallischen Material besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem sekundärseitigen Spulensystem (12) eine elektrische Filtereinrichtung (16) nachgeschaltet ist, deren Durchlaßbereich auf die bestimmungsgemäß in das primärseitige Spulensystem (2) eingeleitete Impulsfolge abgestimmt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem primärseitigen Spulensystem (2) ein Impulsgenerator (4) zum Erzeugen von Impulsfolgen höherer Frequenz, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 kHz, insbesondere 15 bis 3OkHz, und mit möglichst steilen Flanken vorgeschaltet ist.