DE3347941B3

DE3347941B3 - Lenkung eines Geschosses

Info

Publication number: DE3347941B3
Application number: DE3347941A
Authority: DE
Inventors: Albert Bangor Dunn; Richard Sutton Holywood Ransom
Original assignee: Thales Air Defence Ltd
Current assignee: Thales Air Defence Ltd
Priority date: 1983-08-19
Filing date: 1983-08-19
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2003-08-20

Abstract

Zur Lenkung durch ein Umgebungsfluid geeignetes Geschoß mit einem langgestreckten Grundkörper (10) relativ großer Masse und einer Steuereinheit (11) relativ geringer Masse, wobei die Steuereinheit gegenüber dem Grundkörper um die Längsachse des Geschosses frei rotieren kann, dadurch gekennzeichnet, daß
(1) die Steuereinheit ein Querruder (13) hat, das unter einem vorbestimmten, konstanten Anstellwinkel derart befestigt ist, daß während des Fluges des Geschosses die Reaktionskraft zwischen dem Querruder und dem Umgebungsfluid der Steuereinheit die Tendenz zum Rotieren im Umgebungsfluid vermittelt;
(2) der Grundkörper mit einem Steuermittel (12) versehen ist, das in den Grundkörper eine Änderungsrate des Rollwinkels des Grundkörpers relativ zum Umgebungsfluid induziert, die verschieden ist von der Steuereinheit;
(3) die Steuereinheit ein Höhenruder (14) einschließt, das unter einem vorbestimmten und konstanten Anstellwinkel befestigt ist, um jederzeit während des Fluges des Geschosses gegen das auf das Geschoß einwirkende Umgebungsfluid eine verzögerungsfrei wirkende Querkraft auf das Geschoß auszuüben;...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Lenkung von Geschossen. Sie befaßt sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, mit Geschossen in der Form eines kleinen Flugkörpers mit einem langgestreckten Grundkörper mit festen Hauptflächen, die den Grundkörper während des Fluges zur Rotation in einer Richtung veranlassen und mit einer relativ kleinen Spitzensektion, die sich während des Fluges des Geschosses in der entgegengesetzten Richtung dreht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Geschoß vorgeschlagen, das zum gelenkten Flug durch ein Umgebungsfluid geeignet ist und einen langgestreckten Grundkörper relativ großer Masse und einen Steuerteil relativ kleiner Masse hat, bei dem der Steuerteil um die Längsachse des Geschosses gegenüber dem Grundkörper frei drehen kann und das durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:

(1) der Steuerteil hat ein Querruder, das unter einem vorbestimmten, konstanten Anstellwinkel so festgelegt ist, daß während des Fluges des Geschosses die Reaktionskräfte zwischen dem Querruder und dem Umgebungsmedium dem Steuerteil die Tendenz vermitteln, sich innerhalb des Umgebungsfluids zu drehen;
(2) der Grundkörper ist mit einem Steuermittel versehen, das dem Grundkörper eine Änderungsrate des Rollwinkels relativ zum Umgebungsfluid vermittelt, die verschieden ist von der des Steuerteiles;
(3) der Steuerteil schließt ein Höhenruder ein, das unter einem vorbestimmten und konstanten Anstellwinkel festgelegt ist, um jederzeit während des Fluges des Geschosses gegen das auf dieses einwirkende Umgebungsfluid eine sofort wirkende Querkraft auf das Geschoß auszuüben;

wobei das Geschoß weiter aufweist

(1) ein Fühlermittel zur Erzeugung eines Fehlersignales, das indikativ ist für eine Abweichung zwischen einer augenblicklichen Flugbahn des Geschosses und einer gewählten Flugbahn (Abweichung des aktuellen Istwertes der Flugbahn vom jeweiligen Sollwert der Flugbahn);
(2) ein Lenkmittel mit einer Steuerungslogik, die auf das Fehlersignal anspricht um ein Lenksignal für das Geschoß zu erzeugen und mit einer Kupplung, die auf das Lenksignal anspricht, um die freie Drehung zwischen dem Grundkörper und dem Steuerteil des Geschosses zu begrenzen, so daß als Reaktion auf das Fehlersignal das Lenkmittel den Steuerteil gegen den Rollwinkel verstellt, bei dem die Querkraft, die von dem Höhenruder auf das Geschoß aufgebracht wird, derart ist, daß die vorgenannte Abweichung verringert wird.

Bei einem Miniaturgeschoß, für das die Erfindung insbesondere zur Anwendung vorgesehen ist, kann es zweckmäßig sein, den Steuerteil als relativ kleine Spitzensektion des Geschosses auszubilden, die im wesentlichen enthält ein Paar fester Querruder an entgegengesetzten Enden eines ersten Durchmessers, ein Paar fester Höhenruder an entgegengesetzten Enden eines zweiten Durchmessers, der quer zum ersten Durchmesser verläuft und eine Masse dichten metallischen Materiales als Ladung, die durch das Geschoß zu einem Ziel gefördert werden soll.

Der Grundkörper des Geschosses kann andererseits ein oder mehrere Gyroskope enthalten, um das Geschoß zu stabilisieren und gegebenenfalls seine Führung zu unterstützen. Ein zweckmäßiger Weg, um eine ausgewählte Flugbahn zu definieren ist die Erzeugung eines Strahles, beispielsweise eines Laserstrahles, der von einer Geschoßleitstation ausgesandt wird. Obwohl ein Laserstrahl ein vorzugsweiser Leitstrahl ist, können andere entsprechende elektromagnetische Strahlungen als Leitstrahl verwendet werden. Sensoren an einer nach rückwärts gerichteten Fläche des Geschosses liefern ausreichende Informationen über die Position des Geschosses auf dem Leitstrahl, um das Geschoß zu lenken und auf dem Leitstrahl zu halten.

Geschosse gemäß der Erfindung können als Teilgeschosse bei einem Geschoß gemäß der GB-Anmeldung Nr. 8132088 der gleichen Anmelderin verwendet werden, bei dem die geringe Größe von Teilgeschossen, wie sie mit der vorliegenden Erfindung erzielbar ist, von wesentlicher Bedeutung ist.

Zum besseren Verständis der Erfindung und um deren Umsetzung in die Praxis besser erklären zu können, wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen.
In der Zeichnung zeigen:
1 in perspektivischer Darstellung ein Geschoß gemäß der Erfindung,
2 eine Seitenansicht des vorderen Teiles des Geschosses gemäß 1, wobei Teile weggelassen sind, um Teile der Rutschkupplung deutlicher zeigen zu können und
3 ein Blockdiagramm des Steuermittels, das die Rutschkupplung steuert.
1 zeigt ein Geschoß mit einem Grundkörper 10 und einer Spitzensektion 11. Im hinteren Endbereich des Grundkörpers 10 sind vier Hauptstabilisierungsflächen 12 angeordnet und so ausgerichtet, daß der Grundkörper 10 während normaler Flugbedingungen die Tendenz hat, sich um seine Längsachse im Uhrzeigersinn zu drehen (auf die Geschoßspitze gesehen), wie es durch den Pfeil F dargestellt ist.
Die Spitzensektion 11 des Geschosses ist gegenüber dem Grundkörper 10 frei um die Längsachse des Geschosses drehbar. Ihr ist ein Paar fester Querruder 13 an den Enden eines Durchmessers der Spitzensektion 11 in fester Anordnung zugeorndet, die der Spitzensektion die Tendenz geben, bei normalem Flug des Geschosses sich in Richtung des Pfeiles f entgegen der Drehrichtung F des Grundkörpers 10 zu drehen. Ein Paar fester Höhenruder 14 sind der Spitzensektion 11 in fester Anrodnung zugeordnet und zwar unter einem kleinen Anstellwinkel und an den Enden eines Durchmessers, der quer zu dem Durchmesser liegt, an dessen Enden sich die Querruder 13 befinden. Die Höhenruder bringen auf das Geschoß eine Querkraft auf, d.h. eine quer zur Flugrichtung wirkende Kraft. Wird jedoch die freie Drehung unterbrochen, so wird die resultierende Kraft das Geschoß in einer Richtung quer zu seiner Länge beschleunigen.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, daß das Geschoß nach dem Prinzip des Entenfluges gesteuert wird.
2 zeigt mehr in die Einzelheiten gehend die Verbindung zwischen Spitzensektion 11 und Grundkörper 10. Ein Axialzapfen 15 der Spitzensektion 11 erstreckt sich nach rückwärts in den Grundkörper 10 hinein und wird in ihm gestützt mittels eines vorderen Kugellagers 16 und eines hinteren Kugellagers 17. Eine übliche elektromagnetische Kupplung, die in ihrer Gesamtheit mit 18 gekennzeichnet ist, ermöglicht in an sich bekannter Weise die freien Drehbewegungen der Spitzensektion 11 relativ zum Grundkörper 10. Die Kupplung 18 schließt eine Ringwicklung 19 ein, durch die im gegebenen Fall ein elektrischer Strom geschickt wird, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, das mittels eines Stellgliedes 20 auf die Spitzensektion 13 einwirkt, um der Drehung der Spitzensektion relativ zur Wicklung 19 entgegenzuwirken. Die Zuführung des elektrischen Stromes zu der Wicklung 19 erfolgt mittels eines Steuermittels, das in 2 nicht dargestellt ist und das den Strom zeitabhängig so verändert, daß die freie Drehung der Spitzensektion dann unterbrochen wird, wenn eine Steuerungskorrektur des Geschosses notwendig ist. Diese Unterbrechung führt zu einer Disparität zwischen dem Zeitraum, in dem die Höhenruder sich in einer Winkelstellung der Spitzensektion befinden und der Zeit, während der sie andere Winkelstellungen einnehmen, d.h. sie neigt die Höhenruder gegen eine ausgewählte Winkelstellung, um dabei das Geschoß in Querrichtung so zu beschleunigen, wie es mit Rücksicht auf eine Flugbahnkorrektur notwendig ist. Im Grenzfall wird der durch die Wicklung fließende Strom so bemessen sein, daß die Winkelstellung der Spitzensektion relativ zur Umgebung des Geschosses erhalten bleibt und zwar so lange, daß die notwendige Steuerverbindung erhalten wird.
Das in 1, 2 dargestellte Geschoß wird entlang einem planen, polarisierten und gepulsten Laserstrahl geführt, der von einer Lenkstation für das Geschoß ausgesandt wird. Die Länge jedes Laserimpulses ist üblicherweise 100 ns. An der Rückseite des Geschosses sind Zapfenphotodioden angeordnet, die querpolarisierende Filter aufweisen. Diese Photodioden reagieren auf den Laserstrahl und erzeugen elektrische Signale, die zur Steuerung des Geschosses verwendet werden, wie es schematisch in 3 dargestellt ist.
Gemäß 3 erzeugen eine erste Photodiode 30 und eine zweite Photodiode 31, von denen jede einen sensitiven Bereich von 5 1/2 mm Durchmesser hat, elektrische Signale, wenn der Laserstrahl auf sie gerichtet ist. Diese Signale stellen Eingangssignale für die übrigen Komponenten der Geschoßsteuerung dar. Die Transmittanz der Polarisatoren beträgt 3% bei Queranordnung und 45% bei Parallelanordnung zum Laserstrahl. Der Ausgangsstrom jeder Photodiode ist proportional cos² (worin θ der Winkel zwischen der Ebene der Polarisation des Laserstrahles und der des Polarisators auf der Photodiode ist). Die Ansprechempfindlichkeit (responsivity) jeder Photodiodenzelle ist 0,5 A/W, der Maximalausgang ist 3 × 10^–4 A und der Minimumausgang ist 5 × 10^–18 A. Bei θ = 45° für jeden der beiden Polarisatoren ist die Transmittanz gleich und liegt bei 25%.
Der Laserstrahl wird derart moduliert, daß sich die Eingangssignale mit der Stellung der Dioden 30 und 31 im Laserstrahl verändern. Insbesondere enthalten die Signale der Photodioden Informationen, die ausreichen, um eine radiale Abweichung R der Längsachse des Geschosses von der gewollten Führungsachse im Zentrum des Laserstrahles zu bewirken und einen Fehlerwinkel θ_E, der repräsen tativ ist für die Richtung, in der die Achse des Geschosses relativ zur gewollten Führungsachse liegt.
Eine analoge Anordnung ist in der US-PS 3,957,377 gezeigt.
Gemäß 3 sind die Photodioden mit quer zueinander angeordneten Polarisationsfiltern versehen, so daß gemäß der Zeichnung mit einem polarisierten Laserstrahl ein Vergleich der von den Photodioden ausgehenden Signale einen Rollwinkel θ_B des Geschoßgrundkörpers 10 relativ zur Polarisationsebene des Laserstrahle erzeugt.
Die Dioden 30 und 31 erzeugen Eingangssignale für Verstärker 32 bzw. 33, die eine Photodiodenvorspannung und einen Vorverstärkerstromkreis erzeugen, deren Komplexität im Bereich von 2 bis 4 Betriebs-Amp liegt. Die analogen Ausgangssignale der Verstärker 32 und 33 ergeben Eingangssignale sowohl für eine Additionsschaltung 34 als auch einen Rollwinkelschaltung 35, wobei diese beiden Kreise sich als eine Funktion des Geschoßsollwinkels und der Impulsfolgenextraktion darstellen und üblicherweise eine Komplexität von Betriebs-Amp haben.
Die Additionsschaltung 34 liefert als digitales Ausgangssignal eine Serie von Pulszügen 36, die repräsentativ für einen gepulsten Führungslaserstrahl ist, der von den Dioden 30 und 31 aufgenommen wird. Der Laserstrahl ist so moduliert, daß die Dauer des Impulses 36, den die Schaltung 34 als Ausgangssignal erzeugt, repräsentativ ist für den genannten Radialfehler R. Die Frequenz der Wiederholung der Impulse 36 ist repräsentativ für den Fehlerwinkel θ_E.
Die Impulse 36 werden zu einer Impulsdekodierschaltung 37 geführt. Das Ausgangssignal der Rollwickelschaltung 35 liefert Informationen über den Rollwinkel θ_B des Geschoßgrundkörpers relativ zum Raum. Es wird jedoch nicht ein einziger Rollwinkel schlechthin identifiziert, sondern es wird einer von zwei um 180° gegeneinander beabstandeten Rollwinkeln definiert. Das Ausgangssignal der Rollwinkelschaltung 35 wird einem logischen Kreis 38 über den Grundkörperwinkel zugeführt. Die Rollwinkelschaltung 35 bewirkt außerdem ein Signal einer automatischen Spaltsteuerung (AGC = automatic gain control), das den Verstärkern 32 und 33 zugeführt wird, worin es sicherstellt, daß diese linear arbeiten. Solange die Verstärkung linear erfolgt, ist der Grundkörpersollwinkel θ_B durch Vergleich der Stärke der Ausgangssignale der Verstärker 32 und 33 bestimmbar.
Die Schaltungen 37 und 38 sind Komponenten eines digital logischen Strahlführungsschaltkreises (dessen Komplexität typischerweise 4 Betriebs-Amp. beträgt), der den Fehlerwinkel θ_E prüft und bestimmt, welcher Winkel θ_G der Spitzensektion 11 des Geschosses im Raum nötig ist, um den Fehler zu berichtigen. Der gewollte Raumwinkel der Spitzensektion 11 wird dadurch erhalten, daß ein gewollter Winkel θ_DNB der Spitzensektion relativ zum Grundkörper des Geschosses 11 gesichert wird, wobei Rücksicht genommen wird auf den Raumsollwinkel θ_B des Geschoßgrundkörpers.
Auf diese Weise enthält der Führungsschaltkreis einen Strahlverlaufführungsschaltkreis 39, der von der Pulsdekodierschaltung 37 ein Eingangssignal erhält. das indikativ ist für den Geschoßgrundkörperfehlerwinkel θ_E und den Radialfehler R. Aus diesen Eingangssignalen bestimmt sie den benötigten Geschoßspitzeneinheitraumwinkel θ_G und liefert diesen als Eingangssignal an eine Additionsschaltung.
Die logische Schaltung 38 für den Grundkörperwinkel prüft den jeweils aktuellen Radialfehler R und die Veränderungsrate R o, wenn sich R infolge eines Leitbefehles verändert und aus dieser Information wird das Signal aus der Rollwinkelschaltung 35 nötigenfalls umgekehrt, um als Eingangssignal für die Additionsschaltung 40 einen eindeutigen Raumsollwinkel θ_B des Geschoßgrundkörpers zu liefern. Die letztgenannte Schaltung liefert als analoges Ausgangssignal des Führungsschaltkreises ein Signal, das repräsentativ ist für einen verlangten Relativwinkel θ_DNB zwischen dem Grundkörper des Geschosses und dessen Spitzensektion.
Dieses Ausgangssignal wird zu einem analogen Spitzenrollschleifenschaltkreis, der eine Konturierschaltung 41 enthält (deren Komplexität typischerweise 3 Betriebs-Amp. beträgt), die den verlangten Winkel mit einem Signal vergleicht, das von einem Spannungsteiler 43 abgeleitet ist und das repräsentativ ist für den aktuellen Winkel θ_NB zwischen der Spitzensektion und dem Grundkörper des Geschosses. Fällt die Längsachse des Geschosses mit der gewollten Führungsachse zusammen, so liefert die Führungskonturierschaltung 39 kein Ausgangssignal, so daß die Additionsschaltung 40 an den Spitzensektionssollschleifenkonturierer 41 nur ein zyklisches Signal liefert, das indikativ für θ_B ist, d.h. die stetige Rotation des Geschoßgrundkörpers 10 im Raum anzeigt. In diesem Fall erzeugt die Schaltung 41 kein Ausgangssignal.
Andererseits wird stets dann, wenn eine radiale Abweichung R zwischen der Achse des Geschoßgrundkörpers 10 und der gewollten Führungsachse vorliegt, die Additionsschaltung 40 ein Signal erzeugen, das die Schaltung 41 veranlaßt, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das durch einen Driveverstärker 43 verstärkt wird, um die Kupplung 18 zwischen dem Geschoßgrundkörper 10 und der Spitzensektion zu betätigen, um einen gewollten Winkel θ_DNB zwischen der Spitzensektion und dem Grundkörper zu erzeugen.
Die Kupplung muß nicht eine elektromagnetische Vorrichtung sein, wie es im dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist. Sie kann beispielsweise eine piezoelektrische Vorrichtung sein, die auf die Durchführung eines elektrischen Stromes reagiert und entlang einer Achse expandiert und dabei eine der freien Drehung der Spitzensektion gegenüber dem Grundkörper des Geschosses entgegenwirkende Reibkraft erzeugt. Ferner kann das Kupplungsglied den Johnson-Raebeck-Effekt ausnutzen, wobei ein Material, wie Achat, einer Veränderung seines Reibungskoeffizienten unterliegt, wenn es einer elektrischen Spannung ausgesetzt wird. Eine geeignete Vorrichtung, die als Kupplung 18 unter Ausnutzung dieser Wirkung verwendet werden kann, wird von M. L. Aviation Limited hergestellt, deren Anschrift ist White Waltham Aerodrome, Maidenhead, Berkshire.
Informationen über den Rollwinkel des Geschoßgrundkörpers im Raum können von einem Rollgyroskop erhalten werden, das dem Geschoß zugeordnet wird, statt das ein Laserstrahlleitsignal verwendet wird.

Claims

Zur Lenkung durch ein Umgebungsfluid geeignetes Geschoß mit einem langgestreckten Grundkörper (10) relativ großer Masse und einer Steuereinheit (11) relativ geringer Masse, wobei die Steuereinheit gegenüber dem Grundkörper um die Längsachse des Geschosses frei rotieren kann, dadurch gekennzeichnet, daß (1) die Steuereinheit ein Querruder (13) hat, das unter einem vorbestimmten, konstanten Anstellwinkel derart befestigt ist, daß während des Fluges des Geschosses die Reaktionskraft zwischen dem Querruder und dem Umgebungsfluid der Steuereinheit die Tendenz zum Rotieren im Umgebungsfluid vermittelt; (2) der Grundkörper mit einem Steuermittel (12) versehen ist, das in den Grundkörper eine Änderungsrate des Rollwinkels des Grundkörpers relativ zum Umgebungsfluid induziert, die verschieden ist von der Steuereinheit; (3) die Steuereinheit ein Höhenruder (14) einschließt, das unter einem vorbestimmten und konstanten Anstellwinkel befestigt ist, um jederzeit während des Fluges des Geschosses gegen das auf das Geschoß einwirkende Umgebungsfluid eine verzögerungsfrei wirkende Querkraft auf das Geschoß auszuüben; und daß das Geschoß einschließt (1) Fühlermittel (30, 31, 34) zur Erzeugung eines Fehlersignales, das indikativ ist für eine Abweichung der augenblicklichen Flugbahn des Geschosses von einer ausgewählten Flugbahn und (2) Lenkmittel (37–43), die enthalten eine Steuerlogik, die auf das Fehlersignal anspricht, um ein Lenksignal für das Geschoß zu erzeugen, und eine Kupplung (18), die auf das Lenksignal anspricht, um die freie Rotation zwischen dem Grundkörper und der Steuereinheit des Geschosses so zu begrenzen, daß als Antwort auf das Fehlersignal die Lenkmittel die Steuereinheit gegen den Rollwinkel voreinstellt, bei dem die auf das Geschoß von dem Höhenruder aufgebrachte Querkraft die Flugbahnabweichung verringert.
Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerteil als Spitzensektion des Geschosses ausgebildet ist.
Geschoß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Querruder als ein Paar an den beiden Enden eines ersten Durchmessers fest angeordnete Querruderflächen ausgebildet ist.
Geschoß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Höhenruder als ein Paar an den beiden Enden eines zweiten, den ersten Durchmesser kreuzenden Durchmessers angeordnete Höhenruderflächen ausgebildet ist.
Geschoss nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Fühlermittel (30, 31) zur Aufnahme von Informationen von einem Sendestrahl, der eine Flugbahn des Geschosses definiert.
Geschoss nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung des Sendestrahles elektromagnetisch und kohärent ist.
Geschoss nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlermittel sensitiv für eine Laserstrahlung ist.
Geschoss nach einem der Ansprüche 5, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Fühlermittel zwei einander kreuzende planpolarisierende Elemente aufweist, von denen jedes ein Fotodiodenelement abdeckt.
Geschoss nach einem beliebigen der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, das der Strahl derart moduliert ist, daß die von dem Fühlermittel aufgenommenen Informationen ausreichen, um die radiale und Winkelabweichung des Geschosses von der Bezugsachse des Strahles festzustellen.
Geschoss nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (18) eine elektromagnetische Kupplung ist.
Geschoss nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung (18) eine piezoelektrische Vorrichtung aufweist, die durch Veränderung in einer ihrer Richtungen infolge des Lenksignales einen der freien Rotation des Steuerteiles entgegenwirkenden Reibungswiderstand erzeugt.
Geschoss nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung den Johnson-Raebeck-Effekt nützt, indem sie eine Vorrichtung aus einem Material aufweist, das seinen Reibungskoeffizienten ändert, wenn es einer elektrischen Beanspruchung unterworfen wird.
Geschoss nach einem beliebigen der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in Verbindung mit einem Mittel zur Erzeugung eines Strahles verwendet wird, der eine Flugbahn für das Geschoß definiert.
Die Anwendung einer Mehrzahl von Geschossen nach einem beliebigen der vorausgehenden Ansprüche in Verbindung mit einem Geschoßträger, dem die Geschosse als Teilgeschosse zugeordnet sind.