DE3100506A1 - Geschoss mit thermischem generator - Google Patents
Geschoss mit thermischem generatorInfo
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Description
DIEHL GMBH & CO., 85oo Nürnberg
Geschoß mit thermischem Generator
Die Erfindung betrifft ein Geschoß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung.
Ein solches Geschoß ist aus der DE-OS 24 34 7oo als Flugabwehrgeschoß
bekannt, bei dem nach dem Abschuß aus einem Waffenrohr eine im hinteren Teil des Geschosses angeordnete
pyrotechnische Ladung gezündet wird, um als Strahlungsquelle zum Abstrahlen eines Zielverfolgungsstrahles zu dienen.
Zwischen dieser pyrotechnischen Ladung als Wärmequelle» le und der Sprengladungs-Nutzlast des Geschosses als Wärmesenke
ist ein aus in Reihenschaltung miteinander verbundenen Thermoelementen bestehender thermoelektrischer Generator
angeordnet, der aufgrund des Wärmegefälles zwischen der gezündeten pyrotechnischen Ladung und der noch nicht gezündeten
Sprengladung eine Thermospannung zum Betrieb einer Schaltanordnung für die Auswertung der Peilstrahl-Information
zur Zündauslösung abgibt. Nachteilig bei dieser Ausstattung des Geschosses zur Bereitstellung der elektrischen
Energie für den Betrieb der Schaltanordnung ist insbesondere, daß im Geschoß eine eigene, nach dem Abschuß eigens zu
zündende, Wärmequelle vorgesehen sein muß, die bei vorgegebenen Geschoßabmessungen den für die Nutzlast verfügbaren
Raum erheblich verringert; wobei zusätzlicher Aufwand für das Sicherstellen einer Zündung dieser Wärmequelle erst
nach Verlassen des Waffenrohres erforderlich ist, um das
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-y-C-
Jeschoß eigensicher zu machen. Diese Lösung rechtfertigt
sich deshalb nur in solchen Sonderfällen, da ohnehin für den Betrieb des Geschosses eine nach dem Abschuß aber vor
eier Detonation in Betrieb zu setzende Wärmequelle vorhanden
sein muß, die dann zugleich für die Energiegewinnung cum Betrieb der Schaltanordnung herangezogen werden kann,
insoweit die Schaltanordnung nicht vorher schon betriebsbereit sein muß.
In Fällen, da solche Sonderbedingungen nicht gegeben sind,
ist es bekannt, in dem Geschoß eine Batterie als Energiequelle für die Schaltanordnung vorzusehen. Nachteilig ist
Jedoch, daß Batterien im Verhältnis zu ihrer elektrischen Leistung ein sehr großes Gewicht aufweisen, also die Nutzlast
des Geschosses bei gegebenen Randbedingungen verringern, und daß darüberhinaus der zur Detonationsauslösung
verfügbare Spitzenstrom bei einer Batterie aufgrund ihres hohen Innenwiderstandes vergleichsweise gering ist. Außerdem
sind lange Lagerzeit (entsprechen! der Anforderung an
die Funktionsfähigkeits-Zeitdauer von gelagerten Geschossen) ohne unzulässige Selbstentladung überstehende Batterien
sehr teuer, und zusätzlicher apparativer und finanzieller Aufwand ist schließlich für die Eigensicherheit zu treiben,
also für die Freigabe der Batterie-Energie an die Schaltanordnung erst nach Austritt des Geschosses aus dem
'■faffenrohr.
Ferner ist es bekannt, Geschosse mit Piezo-Generatoren auszustatten,
die aufgrund des Staudruckes vor dem Geschoß im
Jo freien Flug, also nach Verlassen des Wa ffenrohres, aktiviert
v/erden. Die dadurch verfügbare Energie reicht aber in der Regel selbst bei Zwischenspeicherung der von den Piezoelesenten
gelieferten Energie in Kondensatoren nicht aus zum kontinuierlichen Speisen einer elektronischen Schaltanord-"ung,
nur für die Auslösung eines elektrischen Spaltzünders zur Detonationseinleitung.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Geschoß gattungsgemäßer Art derart auszubilden, daß es die
notwendige Energie für den Betrieb einer komplexen elektronischen Schaltanordnung während des Bewegungsablaufes im
freien Fluge zwischen Verlassen des Waffenrohres und Auslösung der Detonation und gegebenenfalls auch schon im Waffenrohr
bei vergleichsweise geringem herstellungstechnischem
Aufwand aber hoher Funktionssicherheit erbringt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein Geschoß gattungsgemäßer Art zusätzlich gemäß
dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ausgestattet ist.
Es bedarf also nicht da* Ausstattung des Geschosses mit einer
eigens vorzusehenden und zu definiertem Zeitpunkte zu zündenden Wärmequelle; vielmehr werden die Wärmegefälle von der
Geschoß-Umgebung zum Geschoß ausgenutzt, die durch Bremsen des freien Fluges in der umgebenden Luft und gegebenenfalls
auch beim Abschuß des Geschosses auftreten, also die mit der Geschoß-Bewegung in Zusammmenhang stehenden negativen
und positiven BeschTeunigungsgegebenheiten.
Die weiterbildende Lösung nach Anspruch 2 beruht auf der Erkenntnis,
daß bei länger fliegenden Geschossen für die Energieversorgung der Schaltanordnung ein thermoelektrischer Generator
am geeignetsten wäre, der so in das Geschoß eingebaut ist, daß die im freien Flug, also zwischen Verlassen
des Waffenrohres und Auslösung der Detonation, über dem Generator sich reibungsbedingt, also verzögerungsbedingt und
damit ohne zusätzliche Wärmequelle, einstellenden Wärmegefälle ausgenutzt werden. Von besonderen zusätzlichen Maßnahmen
zur Gewährleistung der Eigensicherheit kann abgesehen werden, da die Luft-Reibungswärme erst außerhalb des Waffenrohres
für das Geschoß und damit zur Erregung des Generators wirksam wird.
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Dabei kann, gemäß in weiteren Unteransprüchen angegebenen
vorteilhaften Abwandlungen bzw. Weiterbildungen, alternativ oder kumulativ auf verschiedene typische Reibungs-Erhitzungsbereiche
am Geschoß zur Ausbildung des Generators zurückgegriffen werden. Vergleichsweise einfache und funktionsunkritische
zusätzliche Maßnahmen am Geschoß in Form einer Ausbildung von Wärmesenken oder Wärmespeiehern zur Gewährleistung
eines günstigen Wärmegefälles während der Freiflugzeit können dabei zweckmäßig sein. Solche bevorzugten Bereiche
zur Ausbildung des thermoelektrischen Generators
für(eigensichere)elektrische Speisung elektronischer Schaltanordnungen
im Geschoß während des Geschoß-Freifluges sind insbesondere der Übergang von der Geschoß-Spitze zum angenähert
zylindrischen Teil des Geschosses bzw., bei Geschoß-Ausbildung mit Spike-Spitze, der unmittelbar vor der Geschoß-Schulter
gelegene Spitzenbereich; und andererseits der Bereich hinter einem Granat-Leitring, also in der Nachbarschaft
der Würgerille zur Kartuschen-Befestigung.
Im erstgenannten Falle tritt alsbald nach Verlassen des Waffenrohres
aufgrund der bremsenden Luftreibung während des gesamten Freifluges eine hohe, je nach Geschoß-Geometrie bis
zu 6oo°C oder auch noch höher ansteigende Erwärmung auf. Zur
Gewährleistung des Temperaturgefälles kann im Inneren des Geschosses ein hinsichtlich seiner Wärmekapazität auf die
Flugzeit bemessener Stoff als Wärmesenke vorgesehen sein; während unzulässige Erhitzung der heißen Seiten der Thermoelement-
oder Peltier-Materialpaarungen des Generators durch
eine umgebende thermische Abschirmung verhinderbar ist. Im
Falle der Ausnutzung der Schulter-Erwärmung bei Geschoß-Ausbildung mit Spike-Spitze kann das Temperaturgefälle über der
Längserstreckung des Spike für die Anregung des Generators
ausgenutzt werden, ohne daß es einer zusätzlichen Ausbildung einer Wärmesenke bedürfte. Im Falle der zweitgenannten Alternati\re
wird die Tatsache einer Temperaturgradientenumkehr am Geschoß-Generator bei Verlassen des Waffenrohres ausge-
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-jr./·
nutzt, da der hinter dem Leitring gelegene Teil des Geschosses im Rohr noch mit den heißen Pulverdämpfen der Kartuschen-Treibladung
beaufschlagt ist, nach Verlassen des Waffenrohres aber durch Verwirbelungen hinter dem Leitring gekühlt
wird. Bei dieser Lösungsvariante gemäß der Erfindung ist es also lediglich erforderlich, die Pulverdampf-Energie noch
vor Verlassen des Waffenrohres im rtickwärtigen Bereich des Geschoß-Inneren in solchem Maße abzuspeichern, daß im Bereiche
hinter dem Leitring im Freiflug ein Temperaturgefäl-Ie
von innen nach außen wirksam wird.
Bei diesen Lösungsvarianten ergibt sich somit aufgrund der
Generator-Anregungsgegebenheiten einerseits vor und andererseits nach Verlassen des Rohres ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen
ein eigensicheres, hinsichtlich des Generators keiner Alterung unterliegendes Geschoß, das nach Durchmessen
einer gewissen Totzone vor der Waffenrohr-Mündung scharf wird, indem der Generator die Zündungs-Schaltanordnung dann
speist.
Für besondere Geschosse, die schon nach der inneren zwischen etwa 5o und 1oo m messenden Kampfzone scharf sein
und die Zündenergie zur Verfügung stellen können müssen, ist die Freiflug-Totzone vor der Waffenrohr-Mündung auch bei
sehr hohen Austrittsgeschwindigkeiten jedoch unter Umständen zu groß. Gemäß Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung
ist für Geschosse derartiger Anwendungsgebiete auf die im Zuge der Beschleunigung bei Abschuß im Waffenrohr auftretende
Erwärmung der Geschoß-Rückseite durch die Pulvergase bei und nach Trennen des Geschosses von seiner Kartusche
zur thermo elektrischen Speisung der Schaltanordnung zurückzugreifen. Dabei beginnt der Generator schon im Waffenrohr
zu arbeiten, um auch in kurzer Distanz vor der Rohrmündung die Zündung des Geschosses auslösen zu können. Die thermoelektrtiche
Energiegewinnung selbst kann dann nicht mehr zur eigensicheren Funktion des Geschosses herangezogen werden.
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Vielmehr ist nun auf herkömmliche,beispielsweise auf der Führungsfunktion
des Waffenrohres beruhende mechanische Sicherungsmaßnahmen zurückzugreifen. Diese Sicherungsmaßnahmen
können durch die Funktion der vom Thermogenerator gespeisten Schaltanordnung ergänzt werden, indem ein
Diskriminator eingesetzt wird, der aufgrund der Tatsache des großen Spannungsgradienten wirksam ist,welcher bei
Austritt des Geschosses aus der Rohrmündung auftritt, also in einer Betriebsphase des Geschosses, in der die Geschoß-Rückseite
gerade nicht mehr von Pulverdämpfen erhitzt sondern z.B.von Luftwirbeln gekühlt wird. Der dadurch an den Ausgangsklemmen
des Thermogenerators auftretende Spannungssprung bzw. Polaritätssprung kann als Sensorsignal zur Detektion des
erfolgten Abschusses innerhalb der in das Geschoß eingebauten Schaltanordnung ausgewertet werden, um über die,schon
während der Laufzeit des Geschosses im Rohr vom Thermogenerator gespeiste ,Schaltanordnung unmittelbar vor der Rohr-Mündung
und damit schon im Nahbereich eine Zündung vorzubereiten.
Der Generator kann zweckmäßigerweise ring- oder scheibenförmig
bzw. hohlzylindrisch oder zylindrisch aufgebaut sein, um ihn separat herstellen und dann im Zuge der Geschoßfertigung
bzw. der Geschoßbeschickung in das Geschoß anfügen oder zwischen Geschoßteile einbauen zu können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung unter
Beschränkung auf das Wesentliche vereinfacht dargestellten
bevorzugten Ausführungsbeispielen zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:
Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, ein für längere Freiflugstrecken bestimmtes Geschoß
mit angesetzter Hülse vor dem Abschuß,bei Anord
nung seines thermoelektrischen Generators in
der Geschoß-Spitze t ^y
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Fig. 2 in Prinzip-Darstellung die Speisung eines Schaltungsteiles
der Geschoß-Schaltanordnung aus einem aus Thermoelementen aufgebauten thermo-
elektrischen Generator, entsprechend Fig. 1,
Fig. 3 in Abwandlung der Gegebenheiten gem. Fig.1 die
Ausbildung des Generators im Bereich des Überganges von der Geschoß-Spitze zum zylindrischen
Teil des Geschosses,
Fig. 4 die Generator-Anordnung nach Fig.3 gemäß den Schnitt-Sichtpfeilen IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 eine Generator-Ausbildung im rückwärtigen Teil des Geschosses hinter seinem Leitring,
Fig. 6 eine abgewandelte Generator-Ausbildung bei einem Geschoß mit Spike-Spitze,-
Fig. 7 in Anlehnung an die Einbau-Gegebenheiten nach Fig. 5 einen Generator bei einem Geschoß, das
schon innerhalb der sog. inneren Kampfzone zündbereit sein muß,
Fig. 8 die Anordnung der ThermoeTementpaare gemäß dem
Schnitt-Sichtpfeil VIII-VIII in Fig. 7 und
J>o Fig. 9 in Abwandlung der Gegebenheiten gem. Fig. 2
eine auch Sicherungsfunktionen übernehmende
Schaltanordnung für einen Thermogenerator gem. Fig. 7/Fig. 8, der die Schaltanordnung schon
während des Geschoß-Abschusses im Waffenrohr speist.
• · .8
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- /IA.
Fig. 1 zeigt in Seitenansicht, teilweise aufgebrochen, ein Geschoß 1 mit Hülse 2 zur Aufnahme einer Kartuschen-Treibladung
3. Im rückwärtigen Bereich seines Zylindermantels 4 ist das Geschoß 1 von einem Leitring 5 umgeben,
der aufgrund Zusammenwirkens mit dem Zug in der Innenmantelfläche eines Waffenrohres (in der Zeichnung
nicht dargestellt) das abgeschossene Geschoß 1 mit dem für die Richtungsstabilität erforderlichen Granatdrall
versieht.
Hinter dem Leitring 5 ist im Zylindermantel 4 des Geschosses 1 wenigstens eine peripher umlaufende Würgerille
6 ausgebildet, die der form- und kraftschlüssigen Befestigung des vorderen Bereiches der Hülse 2 am Geschoß
1 dient, wenn es sich, wie im dargestellten Beispielsfalle, um ein einstückig in das Waffenrohr einzugebendes
Projektil handelt; im anderen Falle ist das Projektil zweiteilig aus Geschoß 1 und Hülse 2 ohne die
dargestellte gegenseitige Befestigung ausgebildet.
Das Innere des Geschosses 1 beherbergt im wesentlichen
einen Nutzlastraum 7, insbesondere zur Aufnahme von
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Zünd- und Sprengmaterial. Im vorderen, konisch sich verjüngenden
Bereich des Geschosses 1 ist eine Schaltanordnung 8 untergebracht, die insbesondere der Bereitstellung
bzw. Umwandlung elektrischer Energie für die Verarbeitung von Signalen von Sensoren zur Bestimmung des Zündzeitpunktes
und der Zündauslösung dient. Für die Gewinnung dieser elektrischen Energie ist ein thermischer Generator 9 im
Bereiche der Geschoß-Spitze 10 angeordnet. Vor dem Generator 9 kann thermisch beständiges, gut wärmeleitendes
Verstärkungsmaterial 11 angeordnet sein, in dem beispielsweise auch Sensoren für die Zündauslösung angeordnet sein
können. Hinter dem Generator 9, bezogen auf die Längsachse 22 und Flugrichtung des Geschosses 1, ist eine Wärmesenke
12 hoher Wärmekapazität angeordnet. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Behälter aus schlecht wärmeleitendem
Material handeln, der mit einer Flüssigkeit, z. B. destilliertem Wasser, gefüllt ist.
Nach Abschuß des Geschosses 1, wenn dieses sich also von der Hülse 2 getrennt und das Waffenrohr verlassen hat,
entsteht aufgrund des Luftwiderstandes im freien Fluge des Geschosses 1 vor der Geschoß-Spitze 1o ein Wärmestau,
der über das Verstärkungrsmaterial 11 auf die heiße Seite
13 (vgl. Fig. 2) des Generators 9 übertragen wird, dessen kalte Seite 14 gegen die Wärmesenke 12 anliegt. Der Generator
9 selbst besteht im wesentlichen aus einer verpressten Masse hitzebeständigen, durch schlechte Wärmeleitung
das Temperaturgefälle über dem Generator 9 möglichst gut aufrechterhaltenden Materials 15 (z.B. handelsüblicher aushärtbarer
Gießkeramik), in das Elementpaare 16, für die Umsetzung des Temperaturgefälles (zwischen der heißen und
der kalten Seite 13/14) nach dem Peltier- oder Seebek-Effekt in eine elektrische Spannung, eingebettet sind. Die
Generator-Elementpaare 16 sind - zumindest teilweise, wie in Fig. 2 dargestellt - in Serie geschaltet, um zwischen
zwei AusgangnanschlMssen 17
...•1ο
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die Thermospannung abgreifen zu können. Diese Thennospannung
kann ^ie Komponenten der elektrischen Schaltanordnung
8 unter Zwischenschaltung eines schon bei kleinen Anregespannungen anschwingenden Spannungsvervielfachers
betreiben, oder aber direkt auf SchaltungsteiIe 18 gegeben
werden. Um bei diesen Schaltungsteilen, beispielsweise beschalteten Operationsverstärkern, mit kleinen Betriebsspannungen
auskommen zu können, ist es zweckmäßig, die Serienschaltung der Elementpaare 16 mit einem Mi ttenabgriff
19 auszustatten, der mit dem Referenzpotential — Anschluß 2o-der Schaltungsteile 18 verbunden
wird, die eine bipolare Spannungsversorgung bedingen.
Die von der Spitze 1o bzw. vom Verstärkungsmaterial 11 durch den Generator 9 hindurchtretende Wärmemenge wird
von der Wärmesenke 12 aufgenommen, so daß sich während der Betriebsdauer dieses thermischen Generators 9 dessen
kalte Seite 14 nicht merklich erwärmt,also das Temperaturgefälle
für die Erzeugung der Thermospannung im wesentlichen aufrecht erhalten bleibt. Besonders zweckmässig
ist es, im verpreßten Material 15 des Generators 9 die Elementpaare 16 als Peltier-Elemente auszubilden, da
diese einen besonders hohen WärmeUbergangswiderstand aufweisen und dadurch die Aufheizung der als thermisches
Gegengewicht dienenden Wärmesenke 12 verzögern, was den raumsparenden Einbau einer räumlich Meinen Wärmesenke
ermöglicht. Außerdem stellen Peltier-Elemente selbst bereits räumlich kleine Elementpaare 16 dar, die schon bei
mäßiger Temperaturdifferenz in der Größenordnung von etwa 15o° Celsius eine Leerlaufspannung in der Größenordnung
von 0,5 V erzielbar machen. Eine kritische Ubererhitzung der Peltier-Elemente als den Elementpaaren 16 ist
konstruktiv leicht ausschließbar, indem einerseits das Verstärkungsmaterial 11 in der Geschoß-Spitze 1o entspre-
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chend gewählt wird und darüberhinaus die Erstreckung der Elementpaare 16 im Generator 9 nicht bis in die Nähe des
Wandungsbereiches des Geschosses 1 geführt wird, bzw. indem dort der Generator 9 von einem thermischen Abschirmring
21 umgeben wird. Im verpreßten Material 15 können die
Elementpaare 16 spiral- oder kreisförmig angeordnet sein. Wenn zur Erhöhung der verfügbaren Ausgangsleistung des
Generators 9 einzelne Serienschaltungen gruppenweise parallel geschaltet werden sollen, ist es, im Interesse
funktionssicherer elektrischer Verbindungen untereinander, zweckmäßiger, auch die Elementpaare 16 entsprechend
zu gruppieren. Werden die Schaltungsteile 18 gemäß der Darstellung in Fig. 2 nicht direkt aus dem Generator 9,
sondern über einen Spannungsvervielfacher 47 gespeist,dann kommt man mit relativ wenigen Elementpaaren 16 aus,wenn der
Vervielfacher 47 mit Halbleiter-Bauelementen auf Slliziurabasis
realisiert ist, weil der bei überschreiten einer definiert-niedrigen
Generatorausgangsspannung (typisch 0,6 V) nahezu schlagartig zu schwingen beginnt, also die Versorgungsspannung
für die Schaltungsteile 18 liefert.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 der thermische Generator
9'hinsichtlich seines Temperaturgradienten nicht mehr parallel,
sondern quer zur Flugrichtung und damit Längsachse 22 des Geschosses 1 orientiert. Die Elementpaare 16 sind
also nun (vgl. Fig. 4) radial, also sternförmig, in das verpreßte Material 15 eingelagert, das als Generator-Ring
23 die Wärmesenke 12 konzentrisch umgibt, bei der es sich wieder um einen Behälter, bevorzugt aus elektrisch isolierendem
Material, mit einer Füllung hoher Wärmekapazität, z.B. mit Flussigkeitsfüllung, handeln kann. Die kalten
Verbindungspunkte 14 der Elementpaare 16 stehen mit der Wärmesenke 12 thermisch in Verbindung; deren heiße Verbindungspunkte
13 liegen, elektrisch gegeneinander
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isoliert, unmittelbar unter der Geschoßwandung 24, oder sie ragen zur besseren thermischen Verbindung mit der umgebenden
Lufthülle in Ausnehmungen 25 in der Geschoßwandung 24 hinein, wie in Fig. 5 beispielhaft dargestellt.
Der ringförmige Generator 9'gem. Fig. 3/ Fig. 4 kann
sternförmige Anordnungen von Elementpaaren 16 in mehreren zueinander parallelen Ebenen quer zur Geschoß-Längsachse
22 aufweisen. Dieser ringförmige Generator 9' ist im Übergangsbereich 26 zwischen der Geschoß-Spitze 1o
und dem Geschoß-Zylindermantel 4 in das Geschoß 1 eingebaut, also in einem Bereich, in dem bei freiem Flug nach
Abschuß des Geschosses 1 aus einem Waffenrohr aufgrund der Strömungsgegebenheiten sich ein Wärmestau einstellt
und damit die größte Erwärmung in Bezug auf die angenähert konstante Temperatur der Wärmesenke 12 auftritt. Diese
Temperatur im Übergangsbereich 26 erreicht etwa 6oo° C. Die thermischen Eigenschaften des verpreßten Materials
des Generators 9' sowie der Wärmesenke 12 sind darauf abzustellen,
daß die Flugzeit eines solchen Geschosses 1 etwa 6 bis 8 Sekunden beträgt, innerhalb derer das Temperaturgefälle
von der heißen Seite 13 zur kalten Seite 14 des Generators 9 nicht wesentlich abgebaut werden darf,
um auch am Ende der Flugzeit und möglichst ohne das Erfordernis, elektrische Energie zwischenspeichern zu müssen,
noch die erforderliche Betriebsspannung für die Schaltanordnung 8 unmittelbar als Klemmenspannung des thermischen
Generators 9' oder aber über den zwischengeschalteten Spannungsvervielfacher
47 verfügbar zu haben.
Im in Fig. 3/ Fig. 4 dargestellten Ausführungsfalle wird
der Generator 91 von einem Detonator 27 durchragt, der einerseits an die Zündschaltungsteile der Schaltanordnung
8 angeschlossen ist und andererseits in den Nutzlastraum 7 hineinragt, um zu gegebener Zeit die dort be-
...13
findliche Ladung zu zünden. In der Spitze 1o ist beim
Ausführunf^beispiel nach Fig. 3 vor der Schaltanordnung
8 noch eine Aufschlag-Auslöseeinrichtung 28 vorgesehen, die über Teile der Schaltanordnung 8 mit dem Detonator
27 funktionell in Verbindung steht; statt dessen oder zusätzlich können in diesem vorderen Bereich auch Sensoren
für die Funktion des Geschosses 1 angeordnet werden, die nicht im Bereiche der Schaltanordnung 8 untergebracht
sind.
Der Generator-Aufbau gem. Fig. 4 mit Anordnung gem. Fig. 3 (oder gem. der unten noch zu erläuternden Fig. 5) eignet
sich insbesondere für herkömmliche Thermoelement-Materialpaarungen, die zwar eine geringere thermoelektrisehe
Empfindlichkeit, als Peltier-Elemente, aufweisen, dafür aber bei höherer Temperatur betreibbar sind; es errübrigen
sich also Schutzmaßnahmen gegen thermische Zerstörung des Generators 9,vielmehr kann die maximal auftretende
Reibungswärme in der Umgebung des Geschosses 1 für die thermoelektrische Energieerzeugung unmittelbar und
mittels billiger Materialien genutzt werden.
Auf eine gleichartige Realisierung des Generators 91 als
Ring 23, wie in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, bezieht sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Dort ist
der Generator 9" im Bereiche des rückwärtigen Endes des Geschosses 1, also beispielsweise im Bereiche der WUrgerille
6 und jedenfalls hinter dem Granat-Leitring 5,angeordnet. Der Generator-Ring 23l tvngibt nun Jedoch keine
Wärmesenke 12, sondern einen Wärmespeicher 29, beispielsweise einen Block aus schamotte-ähnlichem Material. Bei
dieser Lösungsvariante wird für die thermische Spannungserzeugung nicht die Reibungswärme der Umgebungsluft an
der Geschoßwandung 24 ausgenutzt, sondern die im Zuge des
... 14
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Abschusses des Geschosses 1 aus dem Waffenrohr von der Kartuschen-Treibladung
3 (vgl. Fig. 1) in den Wärmespeicher 29 übertragene Wärmeenergie der Treibgase, die ihre Wäremeenergie
im Waffenrohr hinter dem Leitring 5 des von der Hülse 2
(vgl.Fig.1) abhebenden Geschosses 1 freigeben.
Im Gegensatz zu den Verhältnissen gem. Fig.4 liegen beim Generator-Ring
23' nach Fig. 5 nun die kalten Seiten 14· der Elementpaare
16 außen, also an der Peripherie des Zylindermantels 4 hinter dem Leitring 5; während deren heiße Seiten (in
Fig.5 nicht dargestellt) mit dem Wärmespeicher 29 thermisch in Verbindung stehen. So lange das Geschoß 1 noch im Waffenrohr
vorbewegt wird, beaufschlagen die heii3en Treibgase die äui3ere Peripherie des Generator-Ringes 23' unmittelbar, dagegen
die inneren Verbindungspunkte der Elementpaare nur über den zwischengeschalteten Wärmespeicher 29. Während dieser Abschußzeitspanne
sind die außenliegenden Verbindungspunkte 14 der Elementpaare also einer gleichgroßen oder sogar größeren
Erwärmung ausgesetzt, als die innenliegenden; das heißt, es steht an den Ausgangsanschlüssen 17 des thermischen Generators
9'1 Avährend des Abschusses noch keine Thermo spannung an,
oder aber eine Thermospannung mit in Bezug auf die späteren Betriebsgegebenheiten umgekehrter Polarität. Jedenfalls dann,
wenn es sich bei den Schaltungsteilen 13 bzw.ggf.beim vorgeschalteten
Spannungsvervielfacher 47 um Bauelemente mit gepoltem
Betriebsverhalten handelt (in Fig.2 durch gestrichelt
dargestellte,vorgeschaltete Betriebsspannungs-Richtleiter 3o zum Ausdruck gebracht),dann erfolgt eine Aktivierung noch
nicht in der kritischen Zeitspanne, in der das Geschoß 1 sich durch das Waffenrohr vorbewegt. Nach Verlassen des Waffenrohres
dagegen, also bei freiem Flug des Geschosses 1, treten hinter dem Leitring 5 Luftverwirbelungen auf,die zu einr
...15
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Kühlung des dort gelegenen Bereiches des Zylindermantels
A und damit auch der kalten Seite 14 des Generators 9"
führen. Dagegen gibt der im Rohr aufgeheizte Wärmespeicher 29 seine Wärme nun an die innenlfegenden heißen Verbindungssteilen
der Elementpaare ab, und es stellt sich- (im Gegensatz zu den Verhältnissen nach Fig. 3) nun
ein Tempera tür ge fälle von innen nach außen ein*, das heißt,
an den Ausgangsanschlüssen des Generators 9" steht eine Thermo spannung mit der Polarität entsprechend derDurchlaßpolung
der Richtleiter 3o (vgl. Fig. 2) an. Da an der Rückseite 31 des Geschosses 1 im freien Flug praktisch'
Vakuum herrscht, tritt hier während der kurzen Betriebszeit des Generators 9" (nämlich während der freien Flugzeit
des Geschosses 1 bis zur Detonation) praktisch kein Wärmeverlust aus idem Wärmespeicher 29 auf.
Zum raschen Einleiten der Wärme der Treibgase in den Wärmespeicher
29 bei gleichzeitiger Gewährleistung eines in Bezug auf die Geometrie der Elementpaare wünschenswerten
Wärmeprofiles im Wärmespeicher 29 kann es zweckmäßig sein, wie in Fig. 5 beispielhaft berücksichtigt,
Wärmeleitkörper 32 in Form von Stangen und/oder Blechen, gegebenenfalls mit gestaffelter Tiefenausdehnung, in den
Wärmespeicher 29 einzusetzen, deren freie oder sogar aus der Geschoß-Rückseite 31 vorragenden Enden unmittelbar
von der Treibgas-Hitze beaufschlagt werden und eine gezieltere und raschere Wärmeleitung in den Bereich des Generator-Ringes
23* ermöglichen, als durch das Material des Wärmespeichers 29 selbst hindurch.
Insbesondere in den Fällen einer Ausbildung des Generators 9, 91 bzw. 911 als Ring 23 bzw. 23' ist es zweckmäßig,
diesen als eigenständiges Bauteil zu fertigen, das im Zuge der Komplettierung des Geschosses 1 in dessen
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Innenraum eingesetzt wird oder, im Falle eines mehrteilig aufgebauten Geschosses 1, durch Verschrauben oder
sonstige kraft- und/oder formschlüssige Bindung zwischen die Geschoßteile eingefügt wird.
5
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Sin abgewandelter Generatoraufbau ist in Fig. 6 für den
Fall einer Geschoßausbildung mit einer ausgeprägten Schulter 35 hinter einer Spike-Spitze 34 symbolisch vereinfacht
dargestellt. Hier bedarf es weder besonderer Maßnahmen
^0 zur Ausbildung einer Wärmesenke, noch der Bereitstellung
eines Wärmespeichers; denn aufgrund örtlich sehr konzentrierter, überhaus hoher Erhitzung der Schulter 33 selbst
und des unmittelbar angrenzenden Endes der Spike-Spitze 34 tritt im freien. Fluge des Geschosses 1 in Längsrichtung
der Spike-Spitze 34 ein unmittelbar für die Anregung des Generators 9tlf ausreichendes Temperaturgefälle auf. Zur
Spannungserzeugung ist hier ein Generator-Wickel 35 vorgesehen, nämlich eine Banderole aus handelsüblichen Thermoelementen
in Folienform, deren heiße Seiten 13 zur Schulter 33 hin orientiert sind. Dabei ist diese Elementfolie
36, wie in der Zeichnung berücksichtigt, zweckmäßigerweise in eine Nut 37 in der Außenwandung der Spike-Spitze
34 eingelegt, um das strömungstechnische Verhalten des Geschosses 1 möglichst nicht zu beeinflussen. Diese
Wickel-Ausbildung mittels einer Thermoelementen-Anordnung in Folienform ermöglicht die Unterbringung von Elementpaarungen
in sehr großer Anzahl auf kleinstem Raum, also die Gewinnung einer hohen Generator-Leerlaufspannung.
Insbesondere die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis Fig. 4 und Fig. 6, aber auch das Ausführungsbeispiel nach Fig.
5, eignen sich für Geschosse mit vergleichsweise großer, bis zu einigen 1oo Metern betragender taktischer Reichweite
und dementsprechend mit einer Freiflugzeit nach Verlassen des Waffenrohres in der Größenordnung von
...17
130051/0408
1,5 Sekunden und mehr. Der beschriebene Generator-Aufbau und -Einbau ist,zumal nach Fig. 1 bis Fig. 4 und Fig. 6,
für Langzeitversorgung optimal geeignet, also wenn es auf eine möglichst begrenzte Totzone zwischen Verlassen
des Waffenrohres und Zündbereitschaft nicht ankommt. Andererseits gibt es schnellfliegende, für die sog. innere
Kampfzone bestimmte Geschosse, die beispielsweise nach nur 0,1 Sekunden Freiflugzeit bzw. innerhalb einer Reichweite
von 5o ... 1oo m die Zündenergie für eine Detonation
bereithalten müssen.
Für solche abgewandelten Einsatzfälle ist es zweckmäßig, die Verwendung eines Generators ähnlich desjenigen nach
Fig. 5 derart abzuwandeln, daß - unter Beibehaltung der herkömmlichen beispielsweise mechanischen Sicherungsmaßnahmen
während des Vortriebs des Geschosses durch das Waffenrohr - schon die Wärmebeaufschlagung des Thermo-Generators
im Waffenrohr durch die heißen Treibgase der Kartusche zur Energieversorgung der im Geschoß enthaltenen
Schaltanordnung herangezogen wird, also nicht erst ein bestimmtes während Freifluges nach Verlassen der Rohröffnung
über dem Geschoß auftretendes Wärmegefälle zur Aktivierung der Schaltungs-Speisung aus dem Generator abgewartet
wird.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist, in Anlehnung an die Darstellung nach Fig. 5 unter Berücksichtigung von
Fig. 1, in Fig. 7 dargestellt. Der thermische Generator 91'1' ist, parallel zur Geschoß-Längsachse 22 orientiert,
im rückwärtigen Bereich des Geschosses 1 etwa zwischen dessen Leitring 5 und seiner der Kartuschen-Treibladung
(siehe Fig. 1) zugewandten Rückseite 31 angeordnet. Gegen
unmittelbare zerstörende Einwirkung der heißen Treibladungs-Pulverdämpfe
während des Abschießens des Geschosses 1 im Waffenrohr (in der Zeichnung nicht dargestellt)
...18
130061/0408
ist hinter der heißen Seite 13 der Thermoelement-Paare
eine thermische Schutzschicht 38 aus hitzebeständigem und zugleich elektrisch isolierendem Material vorgesehen. Die
kalten Seiten 14 der Thermoelement-Paare 16 sind zum Nutzlastraum 7 des Geschosses 1 hin orientiert und liegen gegen
eine Wärmesenke 12 an, als die die metallische Masse einer bei solchem Geschoß 1 ohnehin vorgesehenen mechanischen
Sicherungseinrichtung (z.B. eine Uhrwerksplatine
oder eine aus der Zünd-Wirkungskette herausschwenkbare Trennplatte zwischen Detonator und Übertragungsladung;
in der Zeichnung nicht näher dargestellt) herangezogen sein kann.
Für eine gute Raumausnutzung im Interesse hohen thermoelektrischen
Wirkungsgrades des Generators 9il!t sind die
Thermoelement-Paare 16, wie in Fig. 8 in der Rückansicht dargestellt, zweckmäßigerweise spiralförmig zu einem Zylinder
gruppiert, wobei in den Zwischenräumen handelsübliche temperaturbeständige Gießkeramik als formhaltendes
verpreßtes Material 15 (z.B. IiAGER-Aluminiumoxyd-Keramik)
eingegossen ist, die dann unter Halterung der Thermoelement-Paare 16 aushärtet. Anstelle des Aufbaues dieses
spiralförmigen Generators 9'f'' aus einzelnen Elementpaaren
16 kann aber auch hier wieder eine Elementfolie Anwendung finden, die unter Zwischenlage verpreßten Materials
15 (wie in Fig. 8 skizziert) oder als dichter Wickel in das rückwärtige Ende des Geschosses 1 eingebracht
ist.
Wie schon in Zusammenhang mit Fig. 2 dargelegt, tritt an der Geschoß-Rückseite 31 eine sprunghafte Verringerung
der Temperaturbeaufschlagung auf, wenn die heißen Verbrennungsgase der Treibladung 3 das Geschoß 1 unter axialer
Abtrennung von der Treibladungs-Hülse 2 aus dem Waffenrohr herausgeschoben haben. Fig. 9 ist ein Beispiel
130051/0403
dafür,wie der entsprechende Verlauf der Generator-Ausgangsspannung
als Sensor-Information für die Tatsache des erfolgten
Abschusses aus dem Rohr und damit - neben der rohrgebundenen
mechanischen - als zusätzliche Entsicb.erungseinrichtung heranziehbar ist. Zum Betrieb, oder wenigstens für Betriebsbersitschaft,
schon bevor das Geschoß 1 aus dem Waffenrohr austritt, ist die Schaltanordnung 3f, gem.Fig.9 direkt oder
über einen vorgeschalteten Spannungsvervielfacher 47 gem.Fig.2
·- - ·■- " mit der Thermospannung
als Betriebsspannung beaufschlagt, die der Generator 91'·'
aufgrund Aktivierung durch die heißen Treibpulvergase liefert. Unmittelbar nach Austritt des Geschosses 1 aus dem Waffenrohr
sinkt die Wärmebeaufschlagung der Geschoß-Rückseite 31 (vgl.Fig.7) und damit die vom Generator 9lflt gelieferte
Ausgangsspannung stark ab, was über einen lolaritätsdiskriminator
39 - beispielsweise in Form einer Reihenschaltung aus einem Differenzierglied 4o und einer für den entsprechenden
Differentiationsspannungsimpuls durchlässig geschalteten Diode 41 - zu einem Steuersignal an einem Scharf-Eingang 42 der
bereits betriebsbereiten Schaltanordnung 8f übermittelt wird.
Dem Scharf-Eingang 42 ist der Setzeingang 43 einer Kippschaltung
44 nachgeschaltet, die infolge Betriebsbereitschaft der Schaltanordnung S' vorbereitet wurde und beim Setzen vom
Scharf-Eingang 41 her eine Freigabeinformation an eine
(nicht näher dargestellte, z.B. elektronische oder elektromechanische) Zündeinrichtung übermittelt.
Falls aufgrund der· thermischen Gegebenheiten im Bereiche
des rückwärtigen Endes des Geschosses 1 nach Austritt aus dem Waffenrohr eine Umkehrung der Warm-Kalt-Beaufschlagung
der Thermoelement-Paare 16 und damit eine Umpolung dor Ausgangsspannung des Generators 9Illf auftritt, ist es
zweckmäßig, die Speisung der Schaltanordnung 8' aus dem Generator 9ttlr über eine Gleichrichterbrücke 45 vorzunehmen,
damit die Speisepolarität aufrecht-erhalten bleibt.
Ein nachgeschalteter Speicherkondensator 46 kann vorteil-
.. .2o
130051/0408
haft sein, um während der Polaritätsumkehr der Generator-Aus
gangs spannung, also während Durchquerens des Generator-Totbereiches unmittelbar vor der Vfeffenrohr-Öffnung, die
Betriebsspannung für die Schaltanordnung 8' ununterbrochen zur Verfügung zu halten.
Sind mehrere Generatoren 9 an verschiedenen Bereichen des Geschosses 1 ausgebildet, dann kann die Schaltanordnung S'
von diesen parallel gespeist werden, so daß sie schon während des Abschusses des Geschosses 1 und nach einem sehr
kurzen Mündungs-Totbereich danach auch während längerer Flugseiten in Botrieb ist.
...21
130ÜB1/tU08
Bezugszeichen-Übersicht
1. Geschoß
2. Hülse
3. Kartuschen-Treibladung
4. Zylindermantel
5. Leitring
6. Würgerille
7. Nutzlastraum
8. Schaltanordnung
9. Thermischer Generator
10. Geschoß-Spitze
11. Verstärkungsmaterial
12. Wärmesenke
13. heiße Seite (von 9)
14. kalte Seite (von 9)
15. verpreßtes Material
16. Elementpaar
17. Ausgangsanschlüsse
18. Schaltungsteil
19. Mittenabgriff
20. Referenzpotential-Anschluß
21. Abschirmring
22. Längsachse
23. Generator-Ring
24. Geschoßwandung
25. Ausnehmungen (in 24)
26. Übergangsbereich
27. Detonator
28. Aufschlag-Auslöseeinrichtung
29. Wärmespeicher
30. Betriebsspannungs-Richtleiter
31. Rückseite
32. Wärme-Leitkörper
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33. Schulter
34. Spike-Spitze
35. Generator-Wickel
36. Elementfolie
37. Nut
38. Schutzschicht
39. Polaritätsdiskriminator
40. Differenzierglied
41. Diode
42. Scharf-Eingang
43. Setzeingang
44. Kippschaltung
45. Gleichrichterbrücke
46. Speicherkondensator
47. Spannungsvervielfacher
130061/040!
Claims (17)
- -r-PatentansprücheGeschoß mit thermoelektrischem Generator zum Betrieb einer Schaltanordnung im Geschoß, dadurch gekennzeichnet , daß der Generator (9) über Bereichen ausgebildet ist, über denen betriebs-beschleunigungsbedingt Temperaturgefälle auftreten.
- 2. Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9, 9% 9lt!) über Bereichen ausgebildet ist, über denen im wesentlichen bedingt durch Freiflug-Reibungsverzögerung Temperatürgefälle auftreten.
- 3. Geschoß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9) in der Geschoß-Spitze (Lo) eingebaut ist.
- 4. Geschoß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch zusammengeschaltete Generator-Elementpaare (16) sternförmig in wenigstens einer Ebene angeordnet sind, die sich etwa quer zur Geschoß-Längsachse(22) erstreckt.
- 5. Geschoß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementpaare (16) im Bereich des Überganges von der Geschoß-Spitze (1o) zum Geschoß-Zylindermantel (4) eine Hohlzylinderwandung aus thermisch isolierendem Material (15) durchsetzen, das eine Wärmesenke (12) umgibt.1 30051 /0408 "m22
- 6. Geschoß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementpaare (16) im Bereiche hinter einem Geschoß-Leitring (5) angeordnet sind und einen Wärmespeicher (29) umgeben, der mit Freiflächen dem Anschlußbereich für eine Antriebsliülse (2) zugewandt ist.
- 7. Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9fl) zwischen einem thermisch isolierenden Geschoß-Anschlußteil und einem Wärmespeicher(29) eingebettet ist, dessen vom Generator (911) abgewandter Bereich einer Antriebs-Hülse (2) zugewandt ist.
- 8. Geschoß nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (29) mit Wärmeleitkörpern (32) ausgerüstet ist.
- 9. Geschoß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch zusammengeschaltete Generator-Elementpaarungen (16) sternförmig in wenigstens einer Zylindermantelfläche angeordnet sind, die konzentrisch zur Geschoß-Längsachse (22) an einer Spike-Spitze (34) vor einer Geschoß-Schulter (33) gelegen ist.
- 1o. Geschoß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, der Generator als Wickel (35) aus Thermo-Elementpaarungen in Folienform (Elementfolie 36) ausgebildet ist.
- 11. Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (91111) mit seinen Warm-Kalt-Thermoelementpaaren (13 - 14; 16) parallel zur Geschoß-Längsachse (22) orientiert und mit zur Geschoß-Rückseite (31) gelegener heißer Seite (13) im Geschoß (1) angeordnet ist.130051/0408
- 12. Geschoß nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (91111) ein zu einem Zylinder spiralförmig angeordneter Wickel (35) aus Elementpaaren (16) ist.
- 13. Geschoß nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß den kalten Seiten (14) der Elementpaare (16) im Geschoß (1) eine Wärmesenke (12) zugeordnet ist.
- 14. Geschoß nach Anspruch 13> dadurch gekennzeichnet, daß als die /,/ärmesenke (12) eine metallische Zünder-Sicherheit seinrichtung des Geschosses (1) ausgebildet ist.
- 15. Geschoß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9) als vorgefertigtes Bauteil im Geschoßinneren oder zwischen Geschoßteilen angeordnet ist.
- 16. Geschoß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Generator (91''') ein Polaritätsdiskriminator (39) nachgeschaltet ist, der an einen Scharf-Eingang (42) der Schaltanordnung (S') geführt ist.
- 17. Geschoß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Generator (9) ein Spannungsvervielfacher (47) nachgeschaltet ist.... 24130051/0408
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