DE3342958A1

DE3342958A1 - Sensoranordnung in einem suchkopf

Info

Publication number: DE3342958A1
Application number: DE19833342958
Authority: DE
Inventors: Günther Dipl.-Ing. 8523 Baiersdorf Trummer
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1983-11-26
Filing date: 1983-11-26
Publication date: 1985-06-05
Also published as: US4619421A; FR2555821A1; DE3342958C2; FR2555821B1; GB8429672D0; GB2153104B; GB2153104A

Description

Fg/Pa __H

DIEHL GMBH & CO., D-8500 Nürnberg Sensoranordnung in einem Suchkopf

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine solche Sensoranordnung ist aus der EP-OS 79 684 bekannt. Dort ist der Sensor in den inneren Rahmen eines Kardanrahmensystems eingebaut, um ihn relativ zum Suchkopf um zwei orthogonale Achsen verschwenken zu können. Dieser integrale Kompaktaufbau führt jedoch bei relativ großen Radialabmessungen für die Sensoranordnung zu einer aufwendigen Konstruktion,die erheblichen Fertigungsaufwand bedingt und im Störungsfalle schwierig zu warten ist. Denn eine Fertigung im Wege des Zusammenbaus eigenständig prüfbarer Unterkomponenten ist hierbei nicht möglich. Ferner sind bei diesen herkömmlichen Konstruktionen (nach dem sogenannten Prinzip des freien Kreisels) große Massen zu bewegen, da während der Suchphase im Suchkopf der Kreiselrotor des Wendekreisels mitsamt den daran montierten Komponenten des Sensors verschwenkt werden muß, was dementsprechende kinetische Probleme aufwirft. Als nachteilig ist darüberhinaus anzusehen, daß eine derartige Sensoranordnung für bestimmte hochleistungsfähige Munition im Projektil-Suchkopf nicht anwendbar ist, die einen Gefechtskopf mit Hohlladung aufweist, welche einen ungestörten Axialkanal durch den Suchkopf hindurch, zur effektiven Ausbildung des Hohlladungs-Stachels nach dem Zünden des Gefechtskopfes, benötigt.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Sensoranordnung zu schaf-

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fen, die unproblematisch für Projektile mit beliebigen Gefechtsköpfen und dabei insbesondere auch mit solchen einsetzbar ist, die eine Hohlladungs-Einlage aufweisen und deshalb durch den Suchkopf hindurch eines Stachelkanales bedürfen. 5

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Sensoranordnung gemäß den Kennzeichnungsmerkmalen des Anspruches 1 ausgestaltet ist.

^O Dieser Aufbau macht sich also die Tatsache zu Nutze, daß in Richtung der Längsachse des Projektils im Suchkopf genügend Einbauraum zur Verfügung steht, um das Kardanrahmensystem einerseits und andererseits den eigentlichen Sensor axial gegeneinander versetzt anzuordnen und die Bewegungskopplung über$ eine Gelenkverbindung außerhalb des Stachelkanals zu realisieren. Durch diesen axialen Versatz zwischen dem Kardanrahmensystem und dem eigentlichen Sensor ergibt sich ein unkompliziert herstellbarer und wartungsfreundlicher Aufbau - und insbesondere eine überaus mechanisch stabile und somit funktionstüchtige Anordnung, weil die Massen des Kardanrahmensystems unabhängig von den Massen des Sensors im Suchkopf frei verschwenkbar gehaltert werden und dabei den Abschuß-Beschleunigungskräften gegenüber großflächig längs Kugelfläche^ abgestützt werden können. Durch die Verlagerung der Sensorhalterung aus dem Kardanrahmensystem heraus ergeben sich darüber hinaus geringere Radialabmessungen der Sensoranordnung; also Möglichkeiten zur Ausbildung eines schlanken Suchkopfes für Projektile vergleichsweise kleinen Kalibers, ohne auf irgendwelche Zielsuch- und Zielverfolgungsfunktionen aus dem Suchkopf heraus verzichten zu müssen. Der Innenraum des vom Sensor befreiten Kardanrahmensystems steht zur ungestörten Ausbildung des Hohlladungs-Stachelkanales zur Verfugung.

Ein Aufbau des Wendekreisels unabhängig vom Rahmensystem für die Sensorbewegung ermöglicht darüberhinaus einen servicefreundlichen Systemaufbau aus eindeutig gegliederten Unterkomponenten in Form von funktionell eigenständigen Untersyc stemen. Der dadurch ermöglichte kleine Aufbau des Wendekreisels erbringt kleine rotierende Massen und ermöglicht den Schwenk-Antrieb der Komponenten des Rahmensystems mit großen Winkelgeschwindigkeiten über Stellglieder (sogenannte Torquemotore) mit ihrerseits geringen Trägheitsmassen.

Besonders zweckmäßig ist es, die Bewegungskopplung zwischen dem Kardanrahmensystem und dem Sensor über ein Parallelogrammgelenk auszubilden, das lediglich aus zugbeanspruchten Koppelstangen mit stirnseitigen Kugelgelenken besteht. Denn dann ist

-jtj die Längen-Einstellung der Koppelstangen unkritisch, weil keine Überbestimmung mechanischer Freiheitsgrade gegeben ist; und insbesondere erfolgt bei der Abschuß-Beschleunigung eines mit solchem Suchkopf ausgestatteten Projektils keine Druckübertragung vom Sensor auf das Kardanrahmensystem, die andernfalls zu Betriebsstörungen jedenfalls zu Betriebsbeginn gleich nach dem Abschuß führen könnte.

Zusätzliche Weiterbildungen und Alternativen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark vereinfacht aber angenähert maßstabsgerecht dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:

Fig. 1 in Explosionsdarstellung die Sensoranordnung in einem

Suchkopf vor dem Gefechtskopf eines Projektils (bei Darstellung mit um 90° um die Längsachse verdrehten Querachsen) und

Fig. 2 den vor dem Gefechtskopf zusammengebauten Suchkopf im Gi erachs en-Längs s chnitt.

Im wesentlichen axialsymmetrisch bezüglich der Längsachse 1 eines Projektils befindet sich vor seinem Gefechtskopf 2 ein Suchkopf 3 mit einem Sensor 4 hinter einem strömungsgünstig geformten Frontradom 5. Der Gefechtskopf 2 ist mit einer Hohlladung (in der Zeichnung nicht dargestellt) ausgestattet, vor

• 0 der ein zur Hohlladungs-Einlage komplementärer Gegenkonus 6 in einen Stachelkanal 7 übergeht. Dieser erstreckt sich durch den Suchkopf 3 bis wenigstens zum Sensor 4 - je nach dessen Ausgestaltung gegebenenfalls auch durch diesen hindurch -, um nach Zündung des Gefechtskopfes 2 eine ungestörte Ausbildung des Hohlladungs-Stachels und damit optimale Gefechtswirkung in einem Ziel sicherzustellen.

Das Projektil bewegt sich nach einer gewissen Start- und Stabilisierungsphase raumstabil, d.h. mit im Raum im wesentlichen starr ausgerichteter Gierachse 8 und senkrecht dazu, also im Raum horizontal, orientierter Nickachse 9. Während einer Zielsuchphase tastet der Sensor 4 das Zielgebiet schräggeneigt voraus mäanderförmig ab, indem er um einen gewissen Winkel (in der Größenordnung von + einigen 10°) um die Vorausrichtung der Längsachse 1 abwechselnd nach links und nach rechts verschwenkt wird. Damit trotz der Vorwärtsbewegung des Projektils, also des Sensors 4, über dem Zielgebiet sich in diesem dabei eine Abtastbahn rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Projektils ergibt, muß der Querverschwenkung des Sensors 4 eine Nickbewegung (in der Größenordnung von 10 % des Gierwinkels aus einer Ausgangswinkelstellung nach unten) überlagert werden, die am Ende einer jeden Gierbewegung wieder in

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Ausgangsnickwinkelstellung zurückspringt. Mit diesem Aufbau der S ens or anordnung im Suchkopf 3 sind aber auch beliebige andere Moden von Suchphasen ohne irgendwelche konstruktiven Änderungen - allein über die Ansteuerung von Stellgliedern 15, 16 (s»u.) - durchführbar, wie etwa Kreis-, Spiral-, oder Raster-Abtastung des Suchbereiches im Zielgebiet.

Für diese definierte, gesteuerte Durchführung solcher zweiachsigen, einander überlagerten Bewegungen des Sensors 4 relativ zum Suchkopf 3 ist in diesem ein zweiachsiges Kardanrahmensystem 10 eingebaut. Der äußere und deshalb größere Rahmen 11 ist um die Gierachse 8 verschwenkbar im Suchkopf 3 gehaltert, weil er aufgrund seiner größeren Außenabmessungen mit stabiler dimensionierbaren Lagerzapfen 12 in Anpassung an die größeren Bewegungshübe und größeren zu bewegenden Massen (in Form des inneren Rahmens 13) dimensioniert werden kann. Die Gierbewegung des Kardanrahmensystems 10 erfolgt durch Antrieb des äußeren Rahmens 11 mittels eines ortsfest im Sucnkopf 3 gehalterten, mit seinem Rotor 14 drehstarr an einen Gierlagerzapfen 12 angeschlossenen, Gierstellgliedes in der Bauform beispielsweise eines Drehgebers oder eines Torquemotors. Die Steuerung eines solchen Torquemotors erfolgt in als solcher bekannter Weise über einen mit diesem direkt verbundenen, nämlich auf den gleich Antriebs zapfen 12 liegenden Positionssensor (z.B.) Potentiometer) ^-1.

Im Innern des äußeren Rahmens 11 ist der innere Rahmen 13 um seine Nickachse 9 verschwenkbar gelagert, welche wie die Gierachse 8 rechtwinklig zur Suchkopflängsachse 1, und außerdem rechtwinklig zur Gierachse 8, orientiert ist. Ein mit einem Positionssensor 42 ausgestattetes Nickstellglied 16, das starr mit dem äußeren Rahmen 11 verbunden ist, wirkt mit seinem Rotor 17 drehstarr auf einen Nicklagerzapfen 18, der eine Lagerbohrung 19 konzentrisch zur Nickachse 9 im äußeren Rahmen 11 durchgreift. Dieser, oder ein anderer, Nicklagerzapfen 18 trägt ferner ein Anschlußelement 20 für bewegungsstarre Kopp-r lung eines Wendekreisels 21 mit dem inneren Rahmen 13.

Der Wendekreisel 21 dient als Sensor für die Lageänderung und somit für die Momentanstellung des Kardanrahmensystems 10 und damit, wie unten aufgezeigt, des Sensors 4 - relativ zum Gefechtskopf 2 und somit relativ zur Projektillängsachse 1, um Richtungsinformationen über die Momentanstellung des Sensors 4 und somit gegebenenfalls über die Ablage eines vom Sensor 4 aufgefassten Zielobjektes gewinnen und in Steuerungsinformationen für den Zielanflug umsetzen zu können (in der Zeichnung nicht berücksichtigt).

Der Zusammenbau der beiden Rahmen 11, 13 samt ihren Stellgliedern 15, 16 und dem Lagekreisel 21 wird auf einem -Rohr vor dem Gefechtskopf-Gegenkonus 6 gehaltert. Dafür ist am in den Suchkopf 3 hineinragenden freien Rohrende 23 eine kalottenförmige, vom Stachelkanal 7 durchbohrte Kugelmantelfläche 24 ausgebildet, die in den inneren Rahmen 13 hineinragt. In diesem ist als Sitz eine komplementärdimensionierte Hohlkugel-Innenflache 25 ausgebildet, die rückwärtig - zum Gefechtskopf 2 - für den axialen Einschub des Rohrendes 23 der Kugelmantelfläche 24 hohlzylindrisch aufgeweitet ist. Dadurch

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wird das komplette Kardanrahmensystem 10 auf dem kugelförmigen Rohrende 23 in allen Raumrichtungen verschwenkbar getragen; wobei der rückwärtige Eingriff der Kugelmantelfläche 24 in den inneren Rahmen 13 gegen die Hohlkugel-Innenfläche 25 in Richtung entgegen der Bewegungsrichtung des Projektils zu einer großflächigen und damit stabilen Abstützung der beim Projektil-Abschuß auftretenden großen Beschleunigungskräfte führt.

Unabhängig vom Kardanrahmensystem 10 ist im Suchkopf 3 der Sensor 4 um beide Querachsen 8, 9 verschwenkbar gehaltert; nämlich koaxial vor dem Kardanrahmensystem 10 in einem Einbauring 26 mit kugelförmiger äußerer Stützfläche 27, die gegen eine im Suchkopf 3 festliegende hohlkugelförmige Führungsfläche 28 radial - und axial der Bewegungsrichtung des Projektils entgegen - abgestützt ist. Beim Sensor 4 kann es sich um aktives oder um ein passives Ortungssystem auf der Basis elektromagnetischer Energie (im Mikro- oder Millimeterwellenlängen- oder im Infrarot-Spektralbereich) handeln, das - wie oben beschrieben - im Überflug des Zielgebietes einen Suchbereich abtastet.

Bei Auffassen eines Zielobjektes wird die Abtast-Schwenksteuerung des Sensors 4 in als solcher bekannter Weise umgeschaltet auf. Zielverfolgung mit daraus abgeleiteten Steuerungsinformationen zum Einschwenken der Flugrichtung (Längsachse 1) des Projektils aus der bisherigen Suchflugbahn in eine Zielansteuerungs-Flugbahn.

Der Antrieb des Kardanrahmensystems 10 aus den Stellgliedern 15, 16 dient also, während der Betriebsphase des Abtastens des Zielgebietes zur Zielsuche, dem periodischen Verschwenken des Sensors 4 um die Gier- und Nickachsen 8, 9» während danach, in der Zielverfolgungsphase, die jeweilige Momentanstellung des Sensors 4 relativ zum Such- und damit Gefechtskopf 2, 3 über das Kardanrahmensystem 10 vom Wendekreisel 21 und den Positionssensoren 41,42 erfasst wird.

Die Stellungs- und Bewegungskopplung zwischen dem Kardanrahmensystem 10 und dem unabhängig davon, axial dagegen versetzt, gehalterten Sensor 4 erfolgt über eine getriebetechnische Kopplung nach Art eines (nicht-winkelstabilen) Parallelogrammgelenkes 29 außerhalb des Stachelkanals 7. Dafür ist wenigstens eine mittels einer Schraubhülse 30 längeneinstellbare Koppelstange 31 zwischen der(in Flugrichtung) Vorderfront 32 des inneren Rahmens 13 und der Rückfront 33 des Sensor-Einbauringes 26 gelenkig angeordnet, beispielsweise mittels Kugelgelenken 34 eingespannt. Grundsätzlich genügen zwei derartige Koppelstangen 31 für die definierte Übertragung der räumlichen Bewegung des inneren Rahmens 13 auf den Sensor 4, weil der Bewegungs-Mittelpunkt der Rahmeninnenfläche 25 bzw. der Sensorstützfläche 27 auf der Suchkopf-Längsachse 1 die dritte erforderliche geometrische Randbedingung darstellt; zumal die Koppelstangen 31 lediglich der Bewegungs- also Stellungsübertragung zwischen dem Kardanrahmensystem 10 und dem Sensor dienen, wegen der Axialabstützung gegen die Kugelmantelfläche 24 bzw. die S tut zring-Führungs fläche 28 also keine Axialkräfte entgegen der Flugrichtung zu übertragen brauchen.

Zweckmäßiger ist es jedoch, wie dargestellt, drei Koppelstangen 31 symmetrisch zur Längsachse 1 anzulenken, um auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen eine verkantungsfreie Bewegungsübertragung zwischen dem Kardanrahmensystem 10 und dem Sensor 4 sicherzustellen.

Wie aus der Längsschnittskizze durch die Gierachsen 8 gemäß Fig. 2 ersichtlich, genügt es, je Koppelstange 31 nur eines seiner Kugelgelenke 34 auf sowohl Druck wie auch Zug beanspruchbar einzusetzen; indem es z.B. von einer überwurfmutter 35 hintergriffen wird. Das gegenüberliegende Kugelgelenk 34

der jeweiligen Koppelstange 31 braucht dann lediglich, der Vorderfront 32 entgegen, in seine Aufnahmebohrung 36 eingeführt und mit der Schraubhülse 30 zur Struktur des Parallelogrammgelenkes 29 verbunden zu werden - weil über die jeweilige Koppelstange 31 (im Beispielsfalle der Darstellung gemäß Fig. 2: zur Rückbewegung entgegen der Flugbewegung des Projektils) keine Druckkraft zu übertragen werden braucht; denn die Rückbewegung wird durch die Zugbewegung einer auf der anderen. Seite der Längsachse 1 gelegenen Koppelstange 31 hervorgerufen.

Wie ebenfalls aus der Längsschnitt-Darstellung der Fig. 2 ersichtlich, steht unter dem Radom 5 vor dem Sensor-Einbauring 26 genügend Einbauraum zur achssymmetrischen Ausbildung des Sensors 4 zur Verfügung. Als Sensor-Antennen für die Zielsuche mittels Radar- oder Radiometrie-Systemen sind alle gängigen Typen (wie z.B. Parabol-, Cassegrain- oder Planarantennen) hier einsetzbar; für den Einsatz von Infrarot-Systemen können hier entsprechende Spiegelkombinationen untergebracht werden.

Im Falle beispielsweise metallischer Bedampfung einer dünnen Kunststoffschale 38 stört es die munitionstechnische Wirkung der Hohlladung des Gefechtskopfes 2 nicht, wenn z.B. ein Parabolspiegel 37 sich über die vordere Öffnung des Stachelkanals erstreckt. Zwischen Antenne und dem Eingriff der Koppelstangen-Kugelgelenke 34 in den Einbauring 26 steht Einbauraum für die Empfangs- bzw. Sendeeinheit 39 zur Verfügung; während weitere elektronische Schaltungen 40 zur Signalverarbeitung und Steuergrößen-Ableitung im ringförmigen Raum um den Gegenkonus 6 herum untergebracht werden können.

Als Wendekreisel 21 kann der magnetohydrodynamische Sensor "GG 2500" der Fa. Honeywell Einsatz finden. Als Gier- und

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Nickstellglieder 15, 16 sind die Gleichstrom-Stellmotore der Fa. Magnetic Technology (Canoga Park, Californien) unmittelbar einsetzbar.

- If.

Be zugs zeichenliste

1 Längsachse (durch 2-3)

2 Gefechtskopf (hinter 3)

3 Suchkopf (mit 10 und 4)

4 Sensor (in 5)

5 Radom (als Spitze von 3)

6 Gegenkonus (in 2)

7 Stachelkanal (von 2/6 durch 3)

8 Gierachse (von 10/4)

9 Nickachse (von 10/4)

10 Kardanrahmensystem (aus 11 und 13)

11 äußerer Rahmen (verschwenkbar um 8)

12 Lagerzapfen (von 11 längs 8)

13 innerer Rahmen (in 11, verschwenkbar um 9)

14 Rotor (von 15 auf 12)

15 Gierstellglied (für 11)

16 Nickstellglied (für 13)

17 Rotor (von 16 für 18)

18 Lagerzapfen (von 13 längs 9)

19 Lagerbohrung (in 11 für 18)

20 Anschlußelement (an 18 für 21)

21 Wendekreisel (zur Bewegungs- bzw. Lagebestimmung von 10/4)

22 Rohr (vor 6 für 7 und 24)

23 Rohrende (von 22 in 3/10)

24 Kugelmantelfläche (an 23 in 13)

25 Hohlkugel-Innenfläche (von 13 um 24)

26 Einbauring (vor 10 für 4)

27 Stützfläche (für 26 in 3)

28 Führungsfläche (an 3 für 27)

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29 Parallelogrammgelenk (zwischen IO und k/26)

30 Schraubhülse (für 31)

31 Koppelstange (als 29 zwischen 10/13 und 4/26)

32 Vorderfront (von 13 für 34)

33 Rückfront (von 26 für 34)

34 Kugelgelenke (an den Stirnenden von 31)

35 Überwurfmutter (zur Festlegung von 34)

36 Aufnahmebohrung (für 34)

37 Parabolspiegel (von 4)

38 Kunststoffschale (für 37)

39 Empfangs- bzw. S_endeeinheit (für 4 in 26)

40 Elektrische Schaltungen (für 4 und 15, 16, 21 in 3 zwi

schen 10 und 6)

41 Gier-Positionssensor (für 8)

42 Nick-Positionssensor (für 9)

Claims

Fg/Pa Patentansprüche

1. Sensoranorcinung in einem Suchkopf (3), der mit einem zweiachsigen Kardanrahmensystem (10) für Bewegungen eines Sensors (4) relativ zum Suchkopf (3) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet,

daß das Kardanrahmensystem (10) und axial versetzt davor der Sensor (4) jeweils längs einer von einem Stachelkanal (7) durchdrungenen Kugelflächenpaarung (Kugelmantelfläche 24, Hohlkugelinnenfläche 25; Stützfläche 27, Führungsfläche 28) gehaltert und über ein Parallelogrammgelenk (29) miteinander verbunden sind.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der äußere Rahmen (11) des Kardanrahmensystems (10) um die Achse (8) der größeren Schwenkbewegung des Sensors (4) verschwenkbar im Suchkopf (3) gelagert ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Parallelogrammgelenk (29) zwischen dem inneren Rahmen (13) des Kardanrahmensystems und einem Einbauring (26) für den Sensor (4) ausgebildet ist.

4. Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß an den Außenseiten des Kardanrahmensystems (10) Stellglieder (15, 16) sowie Positionssensoren (41, 42) für die Rahmen-Achsen (8, 9) und ein Wendekreisel (21) angeordnet sind.
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5. S ens or anordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Wendekreisel (21) mit dem inneren Rahmen (13) starr verbunden ist.

6. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß in den Suchkopf (3) ein Stachelkanal-Rohr (22) hineinragt, im Bereich dessen vorderen Rohrendes (23) die Mantelfläche des Rohres (22) als Kugelmantelfläche (24) ausgebildet ist, die axial in den inneren Rahmen (I3)des Kardanrahmensystems (10) hineingreift und dort, axial in Vorausrichtung des Suchkopfes (3) sowie radial, gegen eine Hohlkugelinnenfläche (25) abgestützt ist.

7. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß der Sensor (4) in einem Einbauring (26) gehaltert ist, dessen Mantelfläche als kugelförmige Führungsfläche (28) ausgebildet ist, die axial der Vorausrichtung des Suchkopfes (3) entgegen sowie radial gegen eine am Suchkopf (3) ausgebildete Stützfläche (27) abgestützt ist.

8. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das Parallelogrammgelenk (29) zwischen dem Kardanrahmensystem (IQ) und dem Sensor (4) aus wenigstens zwei Koppelstangen (31) außerhalb des Stachelkanals (7) besteht, die an ihren Stirnenden mit Kugelgelenken (34) ausgestattet sind.

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9. Sensoranordntang nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß nur eines der Kugelgelenke (34) einer jeden Koppelstange (31) außer auf Zug auch auf Druck beanspruchbar eingesetzt ist.

10. Sensoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß das Parallelogrammgelenk (29) in ihrer Länge einstellbare Koppelstangen (31) aufweist.