DE3100794C2 - Sonarsystem zum Lenken einer selbstgetriebenen Waffe gegen Unterwasserziele mittels Lenksteuersignalen - Google Patents

Abstract

Unterseewaffe mit einem Gefechtskopf, einem Raketenmotor, Ortungs-, Zielanfahrt- und Steuersystemen sowie einem Hydropuls-Unterwasserantrieb, die zu einer Einheit zusammengefaßt sind. Die Waffe wird auf ein zuvor erfaßtes Ziel - beispielsweise ein U-Boot - auf einer ballistischen Bahn durch die Luft mittels eines Raketenmotors abgeschossen. Die Waffe tritt nahe dem U-Boot in das Wasser ein; das U-Boot wird danach mit einem Bordsystem geortet, das mit sowohl aktiver als auch passiver Zielerfassung arbeitet. Die auf diese Weise ermittelte Zielrichtung zum U-Boot wird von der Steuerung zur Zielführung der Waffe bis zum U-Boot unter Wasser benutzt. Ein Hydropulsmotor verwendet den leeren Raketenmotor als Antriebskammer und liefert einen Unterwasservortrieb, um die Waffe unter Wasser zum Ziel vorzutreiben, wo der Gefechtskopf beim Aufschlag auf das U-Boot detoniert. Alternativ kann man die Waffe nahe einem zuvor ermittelten Ziel abwerfen; in diesem Fall braucht der Raketenmotor keinen Treibstoff zu enthalten. Der Hydropulsmotor arbeitet, indem die Kammer wiederholt mit Wasser gefüllt und dieses dann mit hoher Geschwindigkeit durch eine verengte Düse in aufeinanderfolgenden Impulsen ausgestoßen wird. In den Intervallen zwischen den Impulsen überwacht das Suchsystem das U-Boot, ohne daß es durch Eigengeräusche des bordeigenen Antriebs gestört werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sonarsystem zum Lenken einer selbstgetriebenen Waffe gegen Unterwasserziele mittels Lenksteuersignalen, wobei mehrere Wandler zum Orten und Verfolgen des Zieles vorgesehen sind.

Bei einem bekannten derartigen Sonarystem zum Lenken einer selbstgetriebenen Waffe gegen Unterwasserziele (US-PS 37 38 370) sind zwei Wandler vorgesehen, die seitlich am Waffenkörper angeordnet sind und jeweils bei der senkrechten Bewegung der Waffe im Wasser nach ihrem Abwurf in aufeinanderfolgenden horizontalen Ebenen das Ziel zu erfassen suchen. Ist das Ziel geortet, so wird ein Antriebsmotor am Waffenkörper kontinuierlich in Betrieb gesetzt. Die Waffe wird dann automatisch in die horizontale Lage mit ihrer Spitze auf den Quadraten ausgerichtet gebracht, aus dem das vom Ziel reflektierte Signal von den seitlich angeordneten Wandlern aufgefangen wurde. Der an der Spitze der Waffe angeordnete Sensor übernimmt dann die Aufgabe der Verfolgung. Beim Übergang von der vertikalen in die horizontale Lage der Waffe sowie während deren Bewegung in der horizontalen Ebene beeinträchtigen jedoch die Geräusche des ständig laufenden Motors die Steuersignale des Sonarsystems, wodurch dessen Effektivität beeinträchtigt wird.

Ein Hydropulsantrieb, in dem der Vortrieb mit Gasgeneratoren erzeugt wird, ist aus der GB-PS 6 35 820 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sonarsystem zum Lenken einer selbstgetriebenen Waffe gegen Unterwasserziele gemäß der eingangs erwähnten Art so zu gestalten, daß die Effektivität der zielsuchenden Mittel erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Waffe mittels eines Hydropulsantriebes antreibbar ist, der eine Serie aufeinanderfolgender Wasserimpulse erzeugt, zwischen deren Intervallen die Sonarimpulse für das Verfolgungssystem ausgesendet und empfangen werden.

Das erfindungsgemäße Sonarsystem erweist sich insbesondere dadurch als effektiv, daß es zwischen den Intervallen der Wasserimpulse des Hydropulsantriebs der Waffe arbeitet, d. h. dann, wenn das Eigengeräusch der Waffe beim Gleiten durch das Wasser am geringsten ist.

Das erfindungsgemäße Sonarsystem wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind

F i g. 1 eine schaubildliche Darstellung der Zielortung und Zielfahrtleitung einer mit dem erfindungsgemäßen Sonarsystem ausgerüsteten Waffe zu einem Ziel nach dem Eintreten der Waffe in das Wasser,

F i g. 2 ein Schnitt durch eine Ausführungsform der

Waffe,

Fig.3 eine Diagrammdarstellung zur Erläuterung des anfänglichen Betriebs des Hydropulsantriebs und

Fig.4 ein Diagramm eines Geschwindigkeitsprofils der Waffe beim Vortrieb unter Wasser.

F i g. 1 zeigt schaubildiich eine ins Wasser abgeworfene Waffe 10 zum Einsatz gegen ein U-Boot IZ Der Gefechtskopf der Waffe 10 mit ca. 68 kg Sprengstoff kann auch den Rumpf eines modernen doppelwandigcn

ίο Unterseeboots aufreißen, wenn er beim Auftreffen explodiert

Eine Entfernung zwischen 100 bis 400 m liegt innerhalb der Reichweite der Waffe 10 hinsichtlich der akustischen Zielortung und Zielansteuerung und des Hydropulsantriebs bis zum Abfangen.

Nach dem Eintreten in das Wasser (Fig. 1) verlangsamt sich die Waffe 10 schnell auf die Nenn-Sinkgcschwindigkeit in fast vertikaler Lage. Zum Abbremsen der Waffe lassen sich Strömungsbremsen einsetzen. Die Waffe kann dann in Wassertiefen von 30 m und weniger arbeiten. Die Waffe 10 wird durch Betätigung ihrer Steuerflächen nach Maßgabe der Zielortung in die Zielrichtung gelenkt. Nachdem die beim Wassereintritt entstandene Blase eingefallen ist, erfolgt die Zielortung mit seitlich angeordneten Sonarwandlern, die senden und empfangen. Die seitlich angeordneten Wandler tasten dabei ein Wasservolumen in einem Torus um die Waffe herum ab bis zur Grenze der Reichwerte des Ortungssystems. Da die Waffe 10 anfänglich fast vertikal liegt, erfolgt die Zielortung rundum mit einer Dopplerauflösung bis zu einer Zielgeschwindigkcit von 2,5 kn herab — im Gegensatz zu einem Torpedo, der auf sein Ziel gerichtet sein und es verfolgen muß, um es zu erfassen. Die Such-Richtcharakteristik 18 der seitlich angeordncten Wandler ist in F i g. 1 gezeigt — wie auch die aktive Verfolgungscharakteristik 20 eines separaten, an der Nase angeordneten Sonarwandlers zur aktiven Lenkkorrektur zum Ziel. Die Waffe 10 erreicht im Durchschnitt eine Unterwassergeschwindigkeit von 30 kn bis zu einer Entfernung von etwa 500 m. Die maximale Ziclgeschwindigkeit ist dabei zu 5 bis 7 kn in flachem Wasser von 33 bis 65 m Tiefe angenommen. Sollen U-Boote mit höheren Geschwindigkeiten angegriffen werden, kann man die Waffe vor dem Zielfahrzeug abwerfen.

Nachdem die Waffe 10 in das Wasser eingetreten ist, füllt sich die Motorkammer mit Seewasser. Dann wird ein Heißgasgenerator gezündet, der das Wasser aus einer Düse ausdrückt und Schub erzeugt. Indem die Kammer abwechselnd mit Wasser gefüllt und letzteres dann ausgestoßen wird, wird ein Unterwasservortrieb der Waffe 10 erhalten.

Fig.2 zeigt einen Schnitt einer speziellen Ausführungsform der Waffe und verdeutlicht insbesondere, daß die Waffe 10 in vier Hauptabschnitte unterteilt ist:

einen bugseitigen Wandler- und Sendeempfänger-Abschnitt 30, einen Gefechtskopf 32, einen Hydropulsantrieb 34 und ein Lenksystem 36.

Der bugseitige Abschnitt 30 enthält ein Mosaik von akustischen Wandlern 40 in der Nase sowie den zugchörigen Sendeempfänger, die ein aktives Hochleistungs-Monopulsleitsystem enthält. Der Sender, der Empfänger und ein Kontaktzünder für den Gefechlskopf sind im Block 42 hinter den Wandlern angeordnet.

Der Gefechtskopf 32 enthält vorzugsweise 68 kg Sprengstoff, die die Gefechtskopfkammer im wesentlichen ausfüllen, sowie einen geschützten und gesicherten Zünder 44. der hinter dem Gefechtskopf 32 dargestellt ist. Ein nicht gezeigtes Rohr führt die Verkabelung von

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.-inem Prozessor 82 zur Nase zum Anschluß an den Sender und den Empfänger.

Der Hydropulsantrieb 34 erfüllt zwei Aufgaben. Sein Hauptbestandteil ist eine von einem Gehäuse 48 eingeschlossene Kammer 46. Für den Raketenantrieb enthält die Kammer 46 einen oder mehrere segmentierte Brenneinheiten 50 sowie eine Vielzahl von Gasaustrittsdüsen 52. Der Raketenantrieb treibt dabei die Waffe 10 vom Abschuß auf einem Schiff bis zum Eintreffen in das Wasser in Zielnähe an. Wenn die Waffe 10 in das Wasser eintritt, sind die Brenneinheiten 50 vollständig aufgebraucht. Dann werden die Gasstrahldüsen 52 mit einer drehbaren Lochplatte 54 verschlossen, deren Löcher deckungsgleich mit den Öffnungen der Gasstrahldüsen 52 liegen. Die Lochplatte 54 wird so lange gedreht, bis die Löcher mehr auf die Gasdüsen ausgerichtet sind, und zwar mittels eines Elektromotors 58 über ein Getriebe 56. Die Gasdüsen werden also verschossen, so daß als einzige Öffnung zum heckseitigen Ende der Kammer 46 eine Wasserstrahldüse 60 verbleibt

Zum Antrieb unter Wasser kann nun zunächst Wasser in die Kammer 46 einströmen. Dann wird ein Gasgenerator gezündet, dessen Gase das Wasser durch die Düse 60 herausdrücken, wobei ein Schubimpuls entsieht. Das Seewasser strömt in die Kammer 46 durch die Einlaßkanäle 62 und Ventile 64 ein. Die Ventile werden von Elektromagneten 66 über zugeordnete Gestänge 68 betätigt. Eine Vielzahl von Gasgeneratoren 70 steht mit der Kammer 46 über Rohrleitungen 72 in Strömungsverbindung. Die Gasgeneratoren sind um die Längsach- se der Waffe 10 herum verteilt angeordnet und werden nacheinander gezündet, so daß eine Serie von Wasserimpulsen entsteht, die die Waffe durch das Wasser vortreiben.

Weiterhin befinden sich im Bereich zwischen der Kammer 46 und dem Gefechtskopf 32 mehrere seitlich angeordnete akustische Wandler 80, mit denen das Ziel-U-Boot anfänglich geortet wird, sowie eine Primärbatterie und der Signalprozessor 81 im Zentralblock 82.

Der Heckabschnitt 36 enthält eine Lenkeinheit für die Waffe mit Lenkflächen 90, Stelleleme.nten 92, einer Stcuerelckironik und den zugehörigen Systemen, die in den Blocks 94 angeordnet sind.

F" i g. 3 zeigt als Diagrammkurve die anfängliche Arbcilsweisc des Hydropulsantriebs der Waffe nach dem Eintritt in das Wasser. Die Fig.3 zeigt dabei die Bahn der Waffe vom Eintrittspunkt in das Wasser bei einem typischen Eintrittswinkel von 53° und einer Geschwindigkeit von 180 m/s.

Innerhalb einer halben Sekunde nach dem Eintrkt in das Wasser ist die Geschwindigkeit auf 23,2 m/s abgesunken, innerhalb einer Sekunde nach dem Eintritt auf 12,2 m/s. Dann fällt die Blase um die Waffe 10 zusammen, so daß die akustischen Wandler vom Wasser umspült werden. Während der nächsten zwei Sekunden wird die Richtung des Ziel-U-Boots von den seitlich angebrachten Wandlern 80 ermittelt und die Hydropulskammer mit Wasser gefüllt, danach dann der erste Generator 70 gezündet, um den ersten Wasserimpuls zu erzeugen. Dieser beschleunigt die Waffe und erlaubt ihr, in die Richtung des Ziels zu drehen. Falls erwünscht, kann die Waffe auch vor dem ersten Wasserimpuls in die Zielrichtung gedreht werden. Nach dem ersten Wasserimpuls treibt die Waffe frei ohne Antrieb und erhält Leitinformationen, während ihre Antriebskammer sich erneut mit Seewasser füllt. Danach wird ein zweiter Gasgenerator gezündet, der einen zweiten Wasserimpuls erzeugt, der die Waffe erneut beschleunigt und zum Ziel hin vortreibt. Diese Schrittfolge wird wiederholt, bis das Ziel-U-Boot zerstört ist oder die Gasgeneratoren erschöpft sind, wobei die Waffe abwechselnd ohne Antrieb frei weiterläuft, dabei Leitinformationen erhält und weiter zum Ziel hin vorangetrieben wird.

F i g. 4 zeigt als Diagramm das Geschwindigkeitsprofil der Waffe. Aus dieser Kurve ist zu ersehen, daß die Geschwindigkeit zwischen etwa 11 und 22 m/s zwischen den aufeinanderfolgenden Wasserimpulsen schwankt, wobei der Durchschnittswert etwa 15 m/s bzw. 30 kn beträgt Diese Werte reichen für die meisten Unterwasserziele aus — insbesondere in flacheren Gewässern, für die die Waffe konstruiert ist. Wo das U-Boot schnell fährt, kann die Waffe vor ihm in das Wasser geworfen werden, so daß sie den erforderlichen Vorlauf für den Abschuß erhält.

Die Funktion des Sonarsystems besteht darin, das Ziel zu orten und Lenkbefehle zu erzeugen. Das Sonarsystem muß dabei die Schwierigkeiten mit dem Eigengeräusch, des Widerhalls am Boden und an der Oberfläche und der Zielerfassung überwinden. Die Leistungsfähigkeit von Unterwasserwaffen, wie akustisch zielgelenkten Torpedos, wird im allgemeinen durch ihre Eigengeräusche eingeschränkt. Wenn sie langsam fahren, kann zwar das Sonar das Ziel orten und die Geschwindigkeit und andere erforderliche Parameter mit hohem Störabstand und daher guter Genauigkeit messen. Ein sich schnell bewegendes Ziel hat dann aber eine gute Gelegenheit zu entkommen. Je höher die Waffengeschwindigkeit, desto höher das Eigengeräusch, bis bei etwa 35 kn die Führungsleistung durch die Geräusche beschränkt wird und die Leistungsfähigkeit des Systems insgesamt abnimmt. Die Geräusche werden dabei sowohl vom Antrieb der Waffe als auch von der Strömung erzeugt.

Der Hydropulsantrieb erteilt der Waffe über einen erheblichen Teil ihrer Fahrzeit eine Fahrt von weniger als 35 kn. Innerhalb dieser Zeitintervalle kann das akustische System eingeschaltet werden und in einer im wesentlichen eigengeräuschfreien Umgebung zur erforderlichen Fehlermessung arbeiten. Diese Technik der Zielbeobachtung nur in den Intervallen mit geringem Eigengeräusch löst das Eigengeräuschproblem.

Um geeignete Füllzeiten und sinnvolle Kammerdrükke zu erreichen, ist die Motorsteuerung der grundsätzlichen Konstruktion auf eine Dauer von 3,5 s pro Impuls ausgelegt. Wird die »Gleitzeit« mit geringer Fahrt für die akustische Zielmessung verwendet, ist die Fehleraktualisierungszeit für jeden Motorimpuls auf etwa 0,3 bis 1 Suchvorgänge pro Sekunde beschränkt. Während diese verhältnismäßig niedrige Datenflußrate für das Führungssystem eine Verzögerung bei der Zielansteuerung verursachen kann, insbesondere wenn die Waffe sich dem Ziel von der Seite nähert, wird mit dieser Verzögerung die Abschußwahrscheinlichkeit erhöht, da der Aufschlag mit höherer Wahrscheinlichkeit in den verletzlicheren Bereichen hinter der Mitte des U-Boots erfolgt. Ein weiterer Faktor hinsichtlich der veränderlichen Waffengeschwindigkeit ist der nichtlineare Zusammenhang zwischen den Lenkkräften und der Wendewinkelgeschwindigkeit. Diese dynamische Variable wird mit einem im Führungssubsystem enthaltenen Mikroprozessorausgewertet.

Das Orten und das Verfolgen eines U-Boots in flachem Wasser erfordert einen Signal/Widerhall-Abstand, der die Genauigkeitsforderungen für die Ortung, Fehlalarme und Leitgenauigkeit erfüllen zu gestattet. Die wesentlichen Einflußgrößen für die Hallpegel sind

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die Wandlerrichtcharakteristik, die Bedingungen der Wasseroberfläche, der Strahleinfallswinkel an der Oberfläche, die Bedingungen am Boden sowie die Aktivierungshäufigkeit.

Ein Impuls akustischer Energie beschallt das Wasservolumen und dessen Grenzflächen. Während eine Welle sich ausbreitet, wird sie von den Grenzflächen und dem Ziel reflektiert. Die Auftreffwinkel, die Oberflächenwinkel und der Abstand zu den beschallten Bereichen sind zeitabhängig. Breitere Richtcharakteristiken beschallen größere Bereiche, ergeben jedoch auch einen höheren Widerhallanteil. Schließlich dominiert der Entfernungseffekt, so daß der Widerhall verschwindet. Der Widerhall in einem bestimmten Zeitpunkt ist gegeben durch das Integral über die Oberflächenbereiche. Die Auswertung dieses Integrals für typische geometrische Anordnungen ergibt Hallstreubeiwerte im Bereich von —15 bis - 10 dB bei 100 kHz und einer Strahlbreite von 40°. Bei Zielen über -5 dB reicht der Echo/Widerhall-Abstand für eine präzise Zielortung und -Verfolgung mit Einzelimpulsen aus. Im allgemeinen arbeitet die Waffe in einem Zielerfassungsbereich von etwa 500 m.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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Claims (1)

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   Patentanspruch:

   Sonarsystem zum Lenken einer selbstgetriebenen Waffe gegen Unterwasserziele mittels Lenksteuersignalen, wobei mehrere Wandler zum Orten und Verfolgen des Zieles vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Waffe (10) mittels eines Hydropulsantriebes (34) antreibbar ist, der eine Serie aufeinanderfolgender Wasserimpulse erzeugt, zwischen deren Intervallen die Sonarimpulse für das Verfolgungssystem (40) ausgesendet und empfangen werden.