DE3315420A1

DE3315420A1 - Stromversorgungseinrichtung fuer flugkoerper

Info

Publication number: DE3315420A1
Application number: DE19833315420
Authority: DE
Inventors: Jörg Dipl.-Ing. 6454 Bruchköbel Mürau
Original assignee: Honeywell GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1983-04-28
Filing date: 1983-04-28
Publication date: 1984-10-31
Also published as: DE3315420C2

Description

Stromversorgungseinrichtung
für Flugkörper Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung für elektrische Schaltungen in einem Flugkörper, beispielsweise einer Rakete oder einem Geschoss. Sofern Flugkörper mit einem Abstandszünder, einem Suchkopf oder anderen elektronische Schaltungen ausweisenden Einrichtungen versehen sind, müssen diese Schaltungsanordnungen während der Flugphase mit Strom versorgt werden. Bei Aufschlagszündern ist es bekannt, den Strom einem Piezokristall zu entnehmen, der beim Aufschlag verformt wird. Weiterhin hat man versucht, die erforderliche Energie mit Hilfe einer Piezokeramikscheibe oder eines Piezostapels zu gewinnen, die bzw. der beim Abschuss durch axiale, radiale oder rotatorische Beschleunigungskräfte verformt wird und an deren bzw.
dessen Elektroden über Gleichrichter und Glättungseinrichtungen die mit Strom zu versorgende elektronische Schaltung angeschlossen ist. Die hierbei verfügbare elektrische Ladung reicht jedoch für einen Betrieb der meisten elektronischen Schaltungen während der gesamten Flugphase insbesondere dann nicht aus, wenn geringe Abschussbe schleunigungen oder lange Flugzeiten vorliegen. Weiterhin kann man die elektronischen Einrichtungen aus einer Batterie (Primärelement) speisen. Batterien haben jedoch im allgemeinen begrenzte Lagerfähigkeit. Lithiumbatterien mit mehrjähriger Lagerzeit sind teuer.Ferner sind Thermalbatterien sowie zu beliebigem Zeitpunkt aktivierbare Batterien, sogenannte Lagerelemente, bekannt, die erst im Zeitpunkt des Abschusses aktiviert werden. Nachteilig ist hierbei, daß man solche Thermobatterien und Lagerelemente nicht ohne Aktivierung auf Funktionsfähigkeit überprüfen kann und eine erfolgte Aktivierung nicht rückgängig gemacht werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es folglich, eine Stromversorgungseinrichtung für in einem Flugkörper untergebrachte elektronische Schaltungen zu finden, welche vor dem Abschuss auf Funktionsfähigkeit überprüfbar ist, während der gesamten Flugphase hinreichend Strom liefert und platzsparend aufgebaut ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Es hat sich gezeigt, daß die während der Flugphase einer Rakete oder eines Geschosses auftretenden mechanischen Schwingungen mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers fortlaufend in elektrische Energie umgewandelt werden können, die zur Speisung solcher elektronischer Schaltungen ausreicht. Untersuchungen haben ferner gezeigt, daß insbesondere die Längsschwingungen eine ausreichende Amplitude aufweisen und hinreichend kontinuierlich auftreten, um eine gleichmäßige Stromversorgung zugewährleisten. Es empfiehlt sich,den Piezogenerator frequenzmäßig an die Schwingungsfrequenz des Flugkörpers anzupassen, um auf diese Weise durch Resonanzüberhöhung die Energieausbeute noch zu verbessern. Die Frequenz der Flugkörperschwingungen hängt von der Art des Flugkörpers (Geschoss oder Rakete) sowie seiner Abschuss- und Fluggeschwindigkeit ab. Demzufolge ist der Piezogenerator hinsichtlich seiner Eigenfrequenz an den jeweiligen Flugkörper anzupassen.
Durch einen Helmholtz-Resonator lassen sich die Resonanzstellen des Generators verbreitern, so daß Frequenzänderungen, die sich aus der Verringerung der Fluggeschwindigkeit während der Flugphase oder im Falle einer Rakete aus dem Brennschluss des Antriebs ergeben, zu keinem übermäßigen Leistungsabfall der Stromversorgungseinrichtung führen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus -den Unteransprüchen. Sie wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch wiedergegebenen Ausführungs- beispielen erläutert. Dabei zeigt: Fig.1 eine erste Ausführungsform, bei der ein Stapel piezokeramischer Platten von einer hieran befestigten seismischen Masse beaufschlagt ist; Fig.2 eine Abwandlung dieser Ausführungsform, bei der die seismische Masse sich unter Vorspannung am Flugkörper abstützt; Fig.3 einen sogenannten Membrangenerator, bei dem als piezoelektrischer Körper eine "Summermembran" herkömmlicher Bauart Verwendung findet.
In Figur 1 ist an einer Querplatte 1 des rohrförmigen Flugkörpermantels 2 die Bodenplatte 3 der Stromversorgungseinrichtung befestigt, die von einem Gehäuse 4 umgeben ist. Auf die Bodenplatte 3 ist ein Stapel 5 bestehend aus mehreren piezokeramischen Scheiben aufgeklebt. An der der Querwand 1 abgewandten letzten Piezoscheibe ist ein Massekörper 6 befestigt, der im Gehäuse 4 frei verschiebbar geführt ist. Um Zerstörungen des Plattenstapels 5 oder seiner mechanischen Verbindung mit dem Massekörper 6 bei starken Beschleunigungen ,insbesondere beim Abschuss oder beim Brennschluss des Raketentriebwerks zu verhindern, steht dem Massekörper 6 in Achsrichtung ein Anschlag 7 gegenüber, der den Schwingungshub des Massekörpers 6 begrenzt. An die Elektroden des Plattenstapels 5 ist eine Gleichrichter- und Stromversorgungsschaltung 8 angeschlossen, welche beispielsweise einen Brückengleichrichter mit nachgeschaltetem Glättungskondensator enthält, der zugleich als Kurzzeit-Energiespeicher dienen kann. Diese Stromversorgungsschaltung speist dann die im Flugkörper mit elektrischer Energie zu versorgenden elektronischen Schaltungen. Aufgrund der besonders in Flugrichtung entsprechend dem Pfeil 9 ausgeprägten Längsschwingungen des Flugkörpers schwingt die Masse 6 ständig in Pfeilrichtung hin und her und erzeugt somit im Plattenstapel 5 eine Wechselspannung. Die einzelnen Platten können dabei in bekannter Weise in Reihe oder parallel geschaltet sein. Die Masse 6 und der Plattenstapel sind mechanisch konstruktiv derart gewählt, daß ihre Eigenfrequenz mit der Schwingungsfrequenz des Flugkörpers während der Flugphase übereinstimmt. Hierdurch erhält man eine Resonanzüberhöhung und folglich eine verbesserte Energieausbeute.
In der Ausführungsform gemäß Figur 2 ist nur der Piezogenerator selbst mit Bodenplatte 1 und Gehäuse 14,nicht aber der Flugkörper dargestellt. Der gegebenenfalls wiederum aus mehreren Platten zusamenngesetzte piezoelektrische Körper 15 stützt sich an der Bodenplatte 11 ab und ist seitlich von einem isolierenden Passring 21 umgeben. Auf der der Bodenplatte 11 abgewandten Seite sind mehrere Stahlscheiben 16 in einer Isolierstoffhülse 22 verschiebbar geführt und stützen sich über eine Isolierscheibe 23, eine Stahlscheibe 24 sowie zwei Tellerfedern 25 an einer gehäusefesten Deckplatte 27 ab, welche durch den Boden eines in das freie Ende des zylindrischen Gehäuses 14 eingeschraubten Topfes 28 gebildet ist.
Bei dieser Ausführungsform brauchen die als seismische Masse dienenden Stahlscheiben 16 nicht untereinander und mit dem Keramikstapel 15 verklebt zu sein, sondern tsie werden mittels der Tellerfedern 25 derart verspannt, daß die Stahlscheiben 16 nicht vom Keramikkörper 15 abheben können. Zugleich sorgen die Tellerfedern 25 für eine Hubbegrenzung. Anstelle von Tellerfedern können auch andere Federn, beispielsweise eine Schraubendruckfeder eingesetzt werden. An den piezoelektrischen Körper 15 ist wiederum eine hier nicht dargestilte Gleichrichterschaltung angeschlossen.
Alsbesonders vorteilhaft zeigt sich die Ausführungsform gemäß Figur 3, in welcher als Generator eine piezoelektrische Membran 35 Verwendung findet, wie sie als Summermembran bekannt ist. Solche Summermembranen werden in großen Stückzahlen hergestellt und sind folglich preiswert zu erhalten. Sie bestehen zumeist aus einer elektrisch leitenden Scheibe aus Kupferberyllium, auf die eine piezokeramische Scheibe aufgeklebt ist.Die Piezomembran 35 bestehend aus Kupferberylliumscheibe 41 und Keramikscheibe 42 ist mit ihrem Umfang zwischen zwei rohrförmigen Gehäuseteilen 34 und 44 eingespannt. An der Kupferberylliumscheibe 41 ist über ein Zwischenstück 43 der Massekörper 36 befestigt.
Durch Verwendung eines oder mehrerer Zwischenstücke 43 zur Befestigung des Massekörpers 36 kann die Zunahme der Steifigkeit der Membran 35 infolge des Verklebens mit der Masse auf einen zulässigen Wert begrenzt werden. In Richtung auf die Bodenplatte 31 wird die Schwingungsamplitude des Massekörpers 36 durch einen Anschlag 45 begrenzt, während auf der gegenüberliegenden Seite ein Anschlag 46 der Piezomembran 35 gegenübersteht. Die Elektroden der Piezomembran sind über Leitungen 47 an in einer Deckplatte 48 isoliert angebrachte Anschlußstifte 49 geführt. Die Deckplatte 48 trägt zugleich den Anschlag 46.Die Anschläge 45 und 46 verhindern eine zu starke Durchbiegung der Membran 35 und schützen diese somit vor Zerstörung bei besonders starken Beschleunigungskräften.
Um die Abhängigkeit der erzeugten elektrischen Energie von der Schwingungsfrequenz des Flugkörpers zu verringern, kann in Weiterbildung der Erfindung die Membran 35 Teil der Wand einer Kammer bilden, die als Helmholtz-Resonator ausgebildet ist und die Resonanzkurve verbreitert. Zu diesem Zweck kann, wie gestrichelt eingezeichnet, unter Wegfall der Deckplatte 48 das Gehäuse 34, 44 in eine mit einem Loch versehene Wand 50 eines Helmholtz-Resonators 51 eingesetzt sein, wobei der Anschlag 46 dann von einem sich quer durch den Gehäuseteil 44 erstreckenden Joch getragen wird. Die Anschlussstifte 49 befinden sich zweckmäßig im Gehäuseteil 44.
Die Verwendung einer oder mehrerer Stapel piezokeramischer Scheiben ermöglicht je nach der gewünschten Stromausbeute und Spannung ein den Erfordernissen angepaßtes wahlweises elektrisches in Reihe oder Parallelschalten einzelner Piezoscheiben oder Gruppen von Piezoscheiben.

Claims

Patentansprüche: 1. Stromversorgungseinrichtung für elektronische Schaltungen in einem Flugkörper, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß ein auf Vibrationen des Flugkörpers (2) während des Fluges ansprechender piezoelektrischer Körper (5,15,35) einseitig mit dem Flugkörper, insbesondere einer Bodenplatte (1,11,31) starr verbunden und andererseits von einem gegenüber dem Flugkörper beweglichen Massekörper (6,16,36) beauf schlagt ist und daß an den piezoelektrischen Körper eine während der Flugphase wirksame Gleichrichter- und Stromversorgungsschaltung (8) angeschlossen ist.
2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Massekörper (36) gegenüber dem Flugkörper (1) frei verschiebbar gelagert und am piezoelektrischen Körper (5,35) befestigt ist.
3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich der Massekörper (16) über wenigstens eine Feder (29), vorzugsweise Tellerfeder, am Flugkörper (14,27) abstützt und auf der gegenüberliegenden Seite am piezoelektrischen Körper (15) anliegt.
4. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der piezoelektrische Körper (5,15) aus einem oder mehreren Stapeln piezokeramischer Scheiben besteht.
5. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der piezoelektrische Körper (35) als Membran ausgebildet und diese an ihrem Umfang durch Einspannen mit dem Flugkörper (34,44) verbunden ist.
6. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Membran (35) aus einer elektrisch leitenden Scheibe (41) und einer aufgeklebten Scheibe (42) aus Piezokeramik besteht.
7. Stramversorgungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Massekörper (36) an der elektrisch leitenden Scheibe (41), z.B. einer Kupferberylliumscheibe befestigt ist.
8. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 5 bis 7 d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Hub des Massekörpers durch wenigstens einen Anschlag (7,45,46) begrenzt ist.
9. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Hub von Membran (35) und Massekörper (36) auf der einen Seite durch einen der Membran (35) gegenüberstehenden Anschlag (46) und auf der gegenüberliegenden Seite durch einen dem Massekörper (36) gegenüberstehenden Anschlag (45) begrenzt ist.
10.Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Membran (35) einen Teil der Wand (50) einer als Helmholtz-Resonator (51) ausgebildeten Kammer bildet.