DE3315420C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung für elektrische Schaltungen in einem Flugkörper, beispiels­ weise einer Rakete oder einem Geschoß. Sofern Flugkörper mit einem Abstandszünder, einem Suchkopf oder anderen elektronische Schaltungen ausweisenden Einrichtungen ver­ sehen 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 ver­ sucht, die erforderliche Energie mit Hilfe einer Piezo­ keramikscheibe oder eines Piezostapels zu gewinnen, die bzw. der beim Abschuß durch axiale, radiale oder rota­ torische Beschleunigungskräfte verformt wird und an deren bzw. dessen Elektroden über Gleichrichter und Glättungsein­ richtungen die mit Strom zu versorgende elektronische Schal­ tung angeschlossen ist. Die hierbei verfügbare elektrische Ladung reicht jedoch für einen Betrieb der meisten elek­ tronischen 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 all­ gemeinen begrenzte Lagerfähigkeit. Lithiumbatterien mit mehrjähriger Lagerzeit sind teuer. Ferner sind Thermal­ batterien sowie zu beliebigem Zeitpunkt aktivierbare Bat­ terien, sogenannte Lagerelemente, bekannt, die erst im Zeit­ punkt 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.

Weiterhin ist aus DE-OS 16 13 699 eine Stromversorgungs­ einrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei welcher der an der Geschoßspitze während des Fluges auftretende Staudruck über eine Düse einen Luftstrom erzeugt, welcher in einem Resonanzraum auf eine Kante auftrifft und am Ende des Resonanzraums eine piezoelektrische Scheibe durch die Luftschwingungen im Resonanzraum erregt wird und eine angeschlossene Gleichrichterschaltung speist. Auch solche durch einen Fluidstrom angeregte Piezogeneratoren lassen sich nur bei ihrer Herstellung, nicht jedoch später, kurz vor dem Einsatz zuverlässig prüfen, weil dann eine entsprechende Strömungsquelle zur Simulation des Staudrucks während der Flugphase zumeist nicht zur Verfügung steht. Darüber hinaus erhöht eine solche Stromversorgungseinrichtung wegen der erforderlichen Eintrittsöffnung für den Staudruck den Strömungswiderstand des Flugkörpers und ist in erster Linie für schnell fliegende Geschosse, jedoch weniger für langsamer fliegende Raketen oder sonstige Flugkörper geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend vom zuvorgenannten Stand der Technik 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 gekenn­ zeichnete Erfindung. Es hat sich gezeigt, daß die während der Flugphase einer Rakete oder eines Geschosses auftreten­ den mechanischen Schwingungen mit Hilfe eines piezoelek­ trischen Wandlers fortlaufend in elektrische Energie umge­ wandelt werden können, die zur Speisung solcher elektro­ nischer Schaltungen ausreicht. Untersuchungen haben ferner gezeigt, daß insbesondere die Längsschwingungen eine aus­ reichende Amplitude aufweisen und hinreichend kontinuier­ lich auftreten, um eine gleichmäßige Stromversorgung zu gewährleisten. Es empfiehlt sich, den Piezogenerator frequenz­ mäßig an die Schwingungsfrequenz des Flugkörpers anzupassen, um auf diese Weise durch Resonanzüberhöhung die Energieaus­ beute noch zu verbessern. Die Frequenz der Flugkörper­ schwingungen hängt von der Art des Flugkörpers (Geschoß oder Rakete) sowie seiner Abschuß- und Fluggeschwindig­ keit ab. Demzufolge ist der Piezogenerator hinsichtlich seiner Eigenfrequenz an den jeweiligen Flugkörper anzupassen. Durch einen Helmholtz-Resonator lassen sich die Resonanz­ stellen des Generators verbreitern, so daß Frequenzänderungen, die sich aus der Verringerung der Fluggeschwindigkeit wäh­ rend der Flugphase oder im Falle einer Rakete aus dem Brenn­ schluß des Antriebs ergeben, zu keinem übermäßigen Leistungs­ abfall 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 seis­ mischen Masse beaufschlagt ist;

Fig. 2 eine Abwandlung dieser Ausführungs­ form, 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 Fig. 1 ist an einer Querplatte 1 des rohrförmigen Flugkörpermantels 2 die Bodenplatte 3 der Stromver­ sorgungseinrichtung befestigt, die von einem Gehäuse 4 umgeben ist. Auf die Bodenplatte 3 ist ein Stapel 5 be­ stehend aus mehreren piezokeramischen Scheiben aufge­ klebt. An der der Querwand 1 abgewandten letzten Piezo­ scheibe ist ein Massekörper 6 befestigt, der im Gehäuse 4 frei verschiebbar geführt ist. Um Zerstörungen des Platten­ stapels 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 Masse­ körpers 6 begrenzt. An die Elektroden des Plattenstapels 5 ist eine Gleichrichter- und Stromversorgungsschaltung 8 an­ geschlossen, welche beispielsweise einen Brückengleich­ richter mit nachgeschaltetem Glättungskondensator ent­ hält, der zugleich als Kurzzeit-Energiespeicher dienen kann. Diese Stromversorgungsschaltung speist dann die im Flugkörper mit elektrischer Energie zu versorgenden elek­ tronischen Schaltungen. Aufgrund der besonders in Flug­ richtung entsprechend dem Pfeil 9 ausgeprägten Längs­ schwingungen des Flugkörpers schwingt die Masse 6 ständig in Pfeilrichtung hin und her und erzeugt somit im Platten­ stapel 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 Flug­ phase übereinstimmt. Hierdurch erhält man eine Resonanzüber­ höhung und folglich eine verbesserte Energieausbeute.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist nur der Piezo­ generator selbst mit Bodenplatte 1 und Gehäuse 14, nicht aber der Flugkörper dargestellt. Der gegebenenfalls wiederum aus mehreren Platten zusammengesetzte piezoelektrische Körper 15 stützt sich an der Bodenplatte 11 ab und ist seit­ lich von einem isolierenden Paßring 21 umgeben. Auf der der Bodenplatte 11 abgewandten Seite sind mehrere Stahl­ scheiben 16 in einer Isolierstoffhülse 22 verschiebbar ge­ führt und stützen sich über eine Isolierscheibe 23, eine Stahlscheibe 24 sowie zwei Tellerfedern 25 an einer ge­ häusefesten Deckplatte 27 ab, welche durch den Boden eines in das freie Ende des zylindrischen Gehäuses 14 einge­ schraubten 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 sie werden mittels der Tellerfedern 25 derart verspannt, daß die Stahlscheiben 16 nicht vom Keramikkörper 15 abheben können. Zugleich sor­ gen die Tellerfedern 25 für eine Hubbegrenzung. Anstelle von Tellerfedern können auch andere Federn, beispielsweise eine Schraubendruckfeder eingesetzt werden. An den piezo­ elektrischen Körper 15 ist wiederum eine hier nicht dar­ gestellte Gleichrichterschaltung angeschlossen.

Als besonders vorteilhaft zeigt sich die Ausführungsform gemäß Fig. 3, in welcher als Generator eine piezoelektrische Membran 35 Verwendung findet, wie sie als Summermembran bekannt ist. Solche Summermembranen werden in großen Stück­ zahlen hergestellt und sind folglich preiswert zu er­ halten. 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 Steifig­ keit 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 Masse­ körpers 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 ange­ brachte 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 Ener­ gie 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 Resonanz­ kurve 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 Gehäuse­ teil 44 erstreckenden Joch getragen wird. Die Anschluß­ stifte 49 befinden sich zweckmäßig im Gehäuseteil 44.

Die Verwendung einer oder mehrerer Stapel piezokera­ mischer Scheiben ermöglicht je nach der gewünschten Strom­ ausbeute und Spannung ein den Erfordernissen angepaßtes wahlweises elektrisches in Reihe oder Parallelschalten einzelner Piezoscheiben oder Gruppen von Piezoscheiben.

Claims (10)

1. Stromversorgungseinrichtung für elektronische Schaltungen in einem Flugkörper mit einem von Vibrationen während des Fluges beaufschlagten piezoelektrischen Körper sowie einer an diesen angeschlossenen Gleichrichter- und Stromversorgungsschaltung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der piezoelektrische Körper (5, 15, 35) einseitig mit dem Flugkörper, insbesondere einer Bodenplatte (1, 11, 31), starr verbunden ist und sich andererseits an einem gegenüber dem Flugkörper beweglich gelagerten Massekörper (6, 16, 36) abstützt.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Massekörper (36) gegenüber dem Flugkörper (1) frei verschiebbar gelagert und am piezoelektrischen Körper (5, 35) befestigt ist.

3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß sich der Massekörper (16) über wenigstens eine Feder (29), vorzugsweise Tellerfeder, am Flugkörper (14, 27) ab­ stützt und auf der gegenüberliegenden Seite am piezo­ elektrischen Körper (15) anliegt.

4. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Körper (5, 15) aus einem oder mehreren Stapeln piezokeramischer Scheiben besteht.

5. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (35) aus einer elektrisch leitenden Scheibe (41) und einer aufge­ klebten Scheibe (42) aus Piezokeramik besteht.

7. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet daß der Massekörper (36) an der elek­ trisch leitenden Scheibe (41), z. B. einer Kupferberyllium­ scheibe befestigt ist.

8. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hub des Massekörpers durch wenigstens einen Anschlag (7, 45, 46) begrenzt ist.

9. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (35) einen Teil der Wand (50) einer als Helmholtz-Resonator (51) ausgebildeten Kammer bildet.