DE3144161C1 - Vorrichtung zum optischen Lenken eines gegen ein Ziel gerichteten Flugkörpers mit Eigendrehung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum optischen Lenken eines gegen ein Ziel gerichteten Flugkörpers mit Eigendrehung, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus der FR-PS 14 15 551 bekannt. Sie hat die Funktion, zu verhindern, daß die Drehachse des Flugkörpers von der Verbindungsrichtung zwischen dem Flugkörper und dem Ziel abweicht.

Die Lenkvorrichtung nach der FR-PS 14 15 551 enthält ein vorne am Flugkörper angebrachtes Eintrittsobjektiv, einen in der Brennebene des Objektivs angebrachten Modulator, der fest mit dem Flugkörper verbunden ist, einen Kondensator und einen für die vom Ziel abgegebene Infrarotstrahlung empfindlichen Detektor, eine Schaltungsanordnung, die aus den Ausgangssignalen des Detektors Ablageinformationen erzeugt, und Steuermittel zum Korrigieren der Flugbahn des Flugkörpers mittels der Ablageinformationen.

Aus der US-PS 40 13 245 ist eine ähnliche Lenkvorrichtung für einen Flugkörper bekannt, die an der Vorderseite des Flugkörpers angebracht wird. Sie enthält einen in der Brennebene eines Eintrittsobjektivs angeordneten Detektor, der auf einer kreisrunden Scheibe eine Anzahl von für die Strahlung des Ziels empfindlichen Streifen enthält, von denen ein erster Teil radial verläuft und ein zweiter Teil die Form von konzentrischen Halbkreisen hat. Die von einem solchen Detektor gelieferten Signale ermöglichen die Bestimmung der Richtung des Ziels zu einer Bezugsachse, nicht jedoch die Bestimmung der Winkelablage des Ziels in bezug auf die Achse des Flugkörpers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkvorrichtung zu schaffen, bei der wie im Falle der bekannten Vorrichtung nach der FR-PS 14 15 551 die Eigendrehung des Flugkörpers vorteilhaft dazu ausgenutzt wird, die Analyse des Betrachtungsfeldes zu gewährleisten, die jedoch gegenüber dieser bekannten Vorrichtung wesentlich vereinfacht ist und insbesondere weder einen Modulator noch einen Kondensator benötigt, nichtsdestoweniger aber die Bestimmung der Winkelablage des Ziels gegenüber der Achse des Flugkörpers sowie der Ableitung dieser Winkelablage ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Kopfs einer Granate, der mit einer Infrarotlenkvorrichtung versehen ist,

Fig. 2 eine erste Ausführungsform des Infrarotdetektors,

Fig. 3 das Schaltbild einer dem Detektor von Fig. 2 zugeordneten Schaltung,

Fig. 4 ein Zeitdiagramm zu dem Schaltbild von Fig. 3,

Fig. 5 eine gegenüber der Ausführung von Fig. 2 abgeänderte Ausführungsform und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel von Infrarotdetektoren.

In Fig. 1 ist der Kopf 1 einer gegen ein Ziel C abgeschossenen Granate dargestellt, die so angetrieben ist, daß sie eine Drehbewegung mit der Winkelgeschwindigkeit ω um ihre Achse X-X′ ausführt.

Am Vorderende der Granate ist ein Objektivsystem angebracht, das für eine vom Ziel abgegebene Infrarotstrahlung durchlässig ist; die optische Achse des Objektivsystems fällt mit der Achse X-X′ zusammen. Das Objektivsystem enthält eine Eingangspupille 2, die die Spitze der Granate bildet, sowie ein Fokussierungsobjektiv 3. In der Brennebene des Objektivs 3 sind Infrarotdetektoren angeordnet, die für die vom Ziel abgegebene Strahlung empfindlich sind. Wenn die Detektoren für eine Infrarotstrahlung, die von Reaktorgasen abgegeben wird, empfindlich sein sollen, können in geeigneter Weise InSb- Detektoren benutzt werden, die mit einer mit flüssigem Stickstoff arbeitenden Kühlvorrichtung versehen sind und im Bereich von 4,1 bis 4,7 µm empfindlich sind.

Es sei angenommen, daß die Achse X-X′ der Granate mit der Richtung Granate - Ziel einen Winkel α bildet.

Wegen der Eigendrehung beschreibt das Bild des Ziels in der Brennebene des Objektivs einen Kreis um die Achse X-X′ mit dem Radius ρ=f · tan α, wobei f die Brennweite des Objektivs ist.

Da der Winkel α stets klein ist, gilt praktisch ρ=f · α. Die Kenntnis des Radius ρ entspricht somit der Kenntnis der Ablage α. Diese Ablage α oder vorzugsweise ihre zeitliche Ableitung dα/dt wird mit Hilfe von Detektoren und Schaltungen bestimmt, die noch beschrieben werden.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform des Detektors dargestellt. Es ist ein fadenförmiger Detektor vorgesehen, der aus zwei bezüglich einer durch die Achse X-X′ verlaufenden Ebene Y symmetrischen Abschnitten 4 und 5 einer archimedischen Spirale gebildet ist. Der Abschnitt 4 hat die Form einer Spirale mit der Gleichung ρ=kR, und der Abschnitt 5 hat die Form einer Spirale mit der Gleichung ρ=-kR; diese zwei Spiralen mit der Gleichung k|R| haben den gleichen auf der Achse X-X′ liegenden Pol, und sie erstrecken sich bis zu diesem Pol.

Der Kreis C mit dem Radius ρ, den das Bild des Ziels in der Ebene des Detektors beschreibt, schneidet den Abschnitt 4 bei A und den Abschnitt 5 bei B. Bei jeder Drehung der Granate mit der Ordnungszahl n erzeugen die Detektorabschnitte 4 und 5 jeweils einen elektrischen Impuls I_A, I_B an den entsprechenden Zeitpunkten t_A und t_B, die durch ein Zeitintervall τ voneinander getrennt sind; ein Zeitintervall T liegt zwischen der Abgabe von zwei aufeinanderfolgenden Impulsen durch den gleichen Detektorabschnitt 4.

Unter diesen Bedingungen kann der Ablagewinkel α aus τ und T durch die folgende Beziehung abgeleitet werden:

Die Ableitung der Ablage α ist somit:

die Indizes n, n+1 beziehen sich auf die Umdrehung, in deren Verlauf die Impulse erzeugt werden.

Diese Größe wird zum Korrigieren der vorzugsweise den Winkel α bildenden Flugbahn verwendet.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung ermöglicht die Bildung der Ableitung Δα/Δt.

Die von den Detektorabschnitten 4 und 5 abgegebenen Signale I_A bzw. I_B werden nach Durchgang durch Vorverstärker 10, 11 an Eingänge R und S eines Flipflops 12 angelegt. Das Signal am Ausgang Q des Flipflops 12 hat somit während des Zeitintervalls τ_n zwischen den ihr zugeführten Impulsen den Wert "1", wie das Diagramm von Fig. 4 zeigt. Der Ausgang Q ist mit einer UND-Schaltung 13 verbunden, die Taktsignale aus einem Oszillator 14 empfängt und deren Ausgang an einen Zähler 15 angeschlossen ist.

Der Zähler 15 wird vom Impuls I_B auf Null gestellt, der gleichzeitig das Abspeichern des Inhalts τ_n des Zählers 15 in ein Register 16 steuert.

Das Register 16 wird zu diesem Zweck vom Signal am Ausgang des Flipflops 12 gesteuert.

Beim Impuls I_B der nächsten Umdrehung der Ordnungszahl n+1 wird der Inhalt τ_n des Registers 16 in ein zweites Register 17 ebenfalls unter der Steuerung durch das zuvor genannte Signal am Ausgang übertragen. Andrerseits empfängt ein Subtrahierglied 18 den Inhalt τ_n des zweiten Registers 17 und den Inhalt τ_n+1 des ersten Registers 16. Das Subtraktionsglied 18 liefert folglich ein Signal, das der Differenz Δτ=τ_n+1-τ_n entspricht.

Das Messen des Zeitintervalls T_n wird in analoger Weise mit Hilfe eines Zählers 19 bewirkt, der das Signal vom Ausgang Q des Flipflops empfängt und dessen Inhalt am Zeitpunkt des Impulses I_A in ein Register 20 übertragen wird, wobei er gleichzeitig auf Null zurückgestellt wird.

Das Ausgangssignal des Registers 20 wird in einer Schaltung 21 quadriert, und das den Wert T²_n repräsentierende Signal wird an eine Teilerschaltung 22 angelegt, die das vom Subtraktionsglied 18 abgegebene Signal empfängt.

Die Teilerschaltung 22 gibt somit ein Signal ab, das den Ausdruck (τ_n+1-τ_n)/T²_n, d. h. die Ableitung Δα/Δt, repräsentiert.

Dieses Signal wird in einem Komparator 23 mit einem Schwellenwert S verglichen, und der Komparator gibt einen Lenkimpuls G ab, wenn das Ableitungssignal größer als der Schwellenwert ist; dieses Lenksignal wird an symbolisch durch den Block 24 angegebene Steuermittel der Granate zur Erzielung einer Flugbahnkorrektur angelegt.

Der Zeitpunkt, an dem der Lenkimpuls G an die Steuermittel angelegt wird, entspricht dem Zeitpunkt, an dem das Bild des Ziels die Ebene Y durchläuft, also die Symmetrieebene der Detektorabschnitte 4 und 5. Dieser Zeitpunkt t_G wird durch Berechnen des Mittelwerts t_G=(t_A+t_B)/2 erhalten, wobei dieser Wert für jede Umdrehung zu bestimmen ist.

Zum Berechnen des Zeitpunkts t_G ist eine entsprechende, nicht dargestellte Schaltung vorgesehen. Eine solche Schaltung liegt im Bereich des fachmännischen Könnens, und es ist nicht notwendig, sie hier genauer zu beschreiben.

In Fig. 5 ist eine abgeänderte Ausführungsform dargestellt, die eine bessere Genauigkeit für kleine Ablagen ergibt und die zwei Detektoren 34 und 35 enthält. Jeder dieser Detektoren besteht aus zwei Abschnitten 34a, 34b und 35a, 35b archimedischer Spiralen mit einem gemeinsamen, auf der Drehachse des Flugkörpers liegenden Pol; lediglich die Abschnitte 35a und 35b des Detektors erstrecken sich bis zu diesem Pol. Die äußeren Abschnitte 34a, 34b stimmen mit den Detektorabschnitten 4, 5 von Fig. 2 überein, und sie sind für eine Zielerfassungsphase vorgesehen. Die zentralen Abschnitte 35a, 35b, die der Zielverfolgung dienen, entsprechen den Gleichungen ρ=k′R und ρ=-k′R, wobei der Koeffizient k′ kleiner als der zuvor genannte Koeffizient k für die Detektorabschnitte 34a, 34b (oder 4, 5) ist, so daß für eine gegebene Ablage, d. h. für einen gegebenen Radius, der druch A und B definierte Bogen 2R viel größer ist. In der dargestellten Ausfüphrungsform wurde k′ so gewählt, daß gilt: k′=k/4. In diesem Fall genügt es, in die Schaltung von Fig. 3 ein zusätzliches, herkömmliches Multiplikationsglied und einen Umschalter einzufügen, damit beim Übergang vom Detektor 34 auf den Detektor 35 das Verhältnis (τ_n+1-τ_n)/T²_n am Ausgang der Teilerschaltung 22 mit k′π/f und nicht mit kπ/f multipliziert wird.

In Fig. 6 ist eine Ausführungsform dargestellt, in der zwei Detektoren 44, 45 vorgesehen sind, die symmetrisch bezüglich der Drehachse des Flugkörpers liegen und jeweils einen Abschnitt 44a, 45a einer archimedischen Spirale aufweisen, deren Pol auf der Drehachse liegt, und der von diesem Pol aus durch eine Gerade 44b, 45b verlängert ist, die in der oben definierten Symmetrieebene Y der Spiralenabschnitte 44a, 45a vorzugsweise seitlich des ersten 180°-bogens des entsprechenden Spiralenabschnitts verläuft. Einer der zwei Detektoren ergibt sich jeweils aus dem anderen durch eine 180°-Drehung um die Drehachse. Bei jeder Umdrehung erzeugen die Detektoren jeweils zwei Impulse, die jeweils für die Spiralenabschnitte 45a, 44a und die Gerade 45b, 44b gelten. Auf diese Weise wird die Informationsfolge verdoppelt, was zu einer Verbesserung der Genauigkeit führt. Zur Auswertung der von den Detektoren von Fig. 6 gelieferten Informationen eignet sich nach wie vor die Schaltung von Fig. 6, abgesehen von der einfügung von zwei zusätzlichen Vorverstärkern; die insgesamt vier Vorverstärker werden dabei paarweise parallel an die zwei Eingänge des Flipflops 12 angeschlossen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum optischen Lenken eines gegen ein Ziel (C) gerichteten Flugkörpers (1) mit Eigendrehung, mit einem vorne am Flugkörper (1) angebrachten Eintrittsobjektiv (3), dessen optische Achse (X-X′) mit der Drehachse des Flugkörpers (1) zusammenfällt, wenigstens einem für die Strahlung des Ziels (C) empfindlichen Detektor, der in der Brennebene des Eintrittsobjektivs (3) angeordnet ist, einer Schaltungsanordnung (10-23) zur Erzeugung von Ablageinformationen aus Ausgangssignalen des Detektors und Steuermitteln (24) zum Korrigieren der Flugbahn des Flugkörpers mittels dieser Ablageinformationen, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor ein Infrarotdetektor ist, der zwei fadenförmige Kurvenabschnitte (4, 5; 34a, 34b; 44a, 44b) aufweist, die den Gleichungen ρ=f(R) und ρ=f′(R) gehorchen, wobei f(R) und f′(R) monotone Funktionen sind, und die mit Kreisen um die Drehachse (X-X′) des Flugkörpers zwei Schnittpunkte (A, B) bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kurvenabschnitte (4; 34a; 44a) ein Abschnitt einer archimedischen Spirale ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Kurvenabschnitt (5; 34b) ein Abschnitt einer archimedischen Spirale ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Abschnitte der archimedischen Spiralen bis zu ihrem gemeinsamen Pol verlaufen, der auf der Drehachse (X-X′) des Flugkörpers (1) liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Kurvenabschnitte von einer Geraden gebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der archimedischen Spirale und die Gerade bis zum Pol des Abschnitts der archimedischen Spirale verlaufen, der auf der Drehachse (X-X′) des Flugkörpers (1) liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Detektoren vorgesehen sind, die bezüglich der Drechachse des Flugkörpers symmetrisch sind und jeweils einen Abschnitt (44a, 45a) einer archimedischen Spirale aufweisen, deren Pol auf der Drehachse des Flugkörpers liegt, wobei der Abschnitt von diesem Pol aus durch eine Gerade (44b, 45b) verlängert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede Gerade den entsprechenden Abschnitt der Spirale auf der Seite des ersten Bogens von 180° dieser Spirale verlängert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein peripherer Detektor vorgesehen ist, der zwei Abschnitte archimedischer Spiralen mit den Gleichungen ρ=k|(R)| aufweist, und daß ein zentraler Detektor vorgesehen ist, der zwei Abschnitte archimedischer Spiralen aufweist, die sich bis zu ihrem auf der Drehachse des Flugkörpers liegenden gemeinsamen Pol erstrecken und die Gleichungen ρ=k′|(R)| mit k′<k haben.