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Die Erfindung betrifft eine kreiselstabilisierte
Ablenkvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Vorrichtung wird in EP-A1-0130869
beschrieben. Dessen Figur 3 und 4 offenbaren eine
kreiselstabilisierte Zielsucheinrichtung zur Verwendung in Flugkörpern.
Ein bewegbarer Teil eines optischen Ablenksystems, das ein
kugelförmiges Element 42 umfaßt, wird von der Spin-Drehung
durch ein Lager 15 ausgekuppelt und ist um eine erste Achse
YG einer kardanischen Aufhängung und auch um eine zweite
orthogonale Kippachse XS, die an einen stationären Teil des
Gehäuses des Flugkörpers befestigt ist, neigbar. Der
stationäre Teil trägt ein ortsfestes Element 41 des optischen
Ablenksystems, das eine kugelförmige Aussparung aufweist,
in welcher das bewegbare Element aufnehmbar ist. Die
Verwendung eines "Multielement-Optischen Systems" und einer
kardanischen Aufhängung resultiert in einem im allgemeinen
komplizierten und raumerfordernden Aufbau.
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Eine andere, in einer Zielsucheinrichtung für Projektile
verwendete Vorrichtung wird im Patent SE-8502509-6
beschrieben. Der bewegbare Ablenkkörper weist in diesem Fall
eine reflektierende ebene Fläche oder einen Spiegel auf,
die aus- oder eintretende elektrische Energie von/zu einer
Sende- und/oder einer Empfängereinrichtung reflektieren
kann. Um die Strahlungs- oder die durch Reflektion erzeugte
Empfindlichkeitskeule in jede gewünschte Richtung richten
zu können, kann der Körper mit einem zweiachsigen,
magnetischen Momentengenerator zusammenwirken, der Drehmomente auf
den Körper um zwei gegenseitige und relativ zur Spinachse
senkrechte Achsen übertragen kann. Durch das Drehen des
Ablenkkörpers um die Spinachse, dient der Körper gleichzeitig
als kreiselstabilisierte Plattform. Eine derartige
kreiselstabilisierte, als Ablenkvorrichtung für aus- und
eintretende Strahlung verwendete Plattform kann für viele
Anwendungen verwendet werden. Eine Anwendung, nämlich als
kreiselstabilisierte Plattform in Zielsucheinrichtungen für
Projektile, ist im Patent angeführt. Ferner kann es bei auf
Geschützen montierten Luftabwehrvisieren und auch bei
anderen Visiertypen zur Anwendung kommen. Bei diesen
Anwendungen besteht der übereinstimmende Wunsch, daß aus- und/oder
eintretende Strahlung im Raum für kleine Winkelbewegungen
der Hülle, in der die Vorrichtung befestigt ist, ortsfest
gehalten werden sollen.
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In vielen Anwendungen besteht ferner ein Erfordernis der
Einstellmöglichkeit der Strahlungs- oder der
Empfindlichkeitskeule in jede gewünschte Richtung durch gesteuertes
Einwirken auf die Plattform relativ zu ihrem eigenen
Raumbezug.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Probleme mittels einer
Vorrichtung zu lösen, die einen einfacheren mechanischen
Aufbau aufweist und weniger voluminös verglichen mit der
Vorrichtung aus dem Patent SE-8502509-6 ist.
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Erfindungsgemäß wird dies mittels einer vom Typ der im
ersten Absatz beschriebenen Vorrichtung erreicht, die durch
die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1
gekennzeichnet ist.
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Durch das freie Halten des kreiselrotorförinigen
Ablenkkörpers in der kugelförmigen Aussparung dient dieser als
sogenanntes zweiachsiges Gyroskop, in dem der Rotor neben
seiner Spin-Drehung für Winkelbewegungen um zwei gegenseitige
und relativ zur Spin-Achse senkrechte Achsen frei ist. In
einem derartigen zweiachsigen Gyroskop tendiert der Rotor
zum Beibehalten seiner Winkeleinstellung in einem
raumfesten Koordinatensystem, unabhängig von kleinen
Winkelbewegungen der den Rotor tragenden Hülle. Wenn nun der
erfindungsgemäße Rotor als Beugungsprisma in einer
Ablenkvorrichtung für einen Strahlungs-Strahl verwendet wird und
sichergestellt wurde, daß der aus- oder eintretende Strahl,
wenn die Hülle geringe Winkelbewegungen relativ zum
raumfesten Rotor durchführt, exakt die gleiche Winkelbewegung
relativ zur Hülle ausführt, wie die zwischen Hülle und Rotor,
ist es einfach ersichtlich, daß hierbei eine
Strahlungskeule oder eine Empfindlichkeitskeule erhalten wird, die im
Raum für geringe Winkelbewegungen der Hülle stabilisiert
wird. Falls die Vorrichtung in einer Zielsucheinrichtung
für Projektile enthalten ist, wird folglich die Strahlungs-
oder die Empfindlichkeitskeule der Zielsucheinrichtung im
Raum fixiert, ungeachtet der Tatsache, daß das Projektil
stürzt. Dies wurde durch die einfache Maßnahme des Wählens
des Brechungskoeffizienten für das Beugungsprisma, von dem
der Kreiselrotor ein Teil ist, erreicht, derart, daß die
Strahlungskeule ihren Winkel im gleichen Umfang wie die
Spin-Achse für geringe Bewegung der Hülle ändert.
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Manchmal kann es Schwierigkeiten bereiten, das Verhältnis
1:1 zwischen der Winkeländerung der Spinachse des
Kreiselrotors und einer Winkeländerung der Strahlungs- oder
Empfindlichkeitskeule für aus- und eintretende Strahlung zu
erzielen. Das Verhältnis 1:1 kann dadurch sichergestellt
werden, daß die Ablenkvorrichtung mit einem Linsensystem
mit Beugung kombiniert wird.
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Vorzugsweise ist die Strahlungs- oder Empfindlichkeitskeule
immer parallel zur Spin-Achse.
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Eine ähnliche Vorrichtung, die als einstellbares, optisches
Prisma gestaltet ist und als Scanner in einer
Zielsucheinrichtung für Projektile verwendet wird, ist aus US-4436260
vorbekannt. Jedoch wird in diesem Fall dem Ablenkkörper
keine Spindrehung verliehen und die Vorrichtung weist nur
für seinen Ablenkzweck einen Strahlungs-Strahl auf. Diese
Vorrichtung kann nicht zum Stabilisieren einer
Strahlungskeule im Raum verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße, mit Übertragung von Strahlung
funktionierende Ablenkvorrichtung hat viele Vorteile verglichen
mit einer ähnlichen mit Reflexion funktionierenden
Vorrichtung. Zum einen kann der Strahlungsweg symmetrisch
gestaltet sein, was bei der reflektierenden Ausführungsform
schwierig oder unmöglich zu erreichen ist. Bei gewissen
Anwendungen ist eine derartige Symmetrie ein Erfordernis. Da
die Ablenkvorrichtung und die Übertragungseinrichtung/der
Empfänger nacheinander auf einer Linie angeordnet werden
können, weist der mechanische Aufbau maximale Vereinfachung
und minimales Volumen auf.
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Die raumstabilisierende Wirkung beruht darauf, daß keine
Prezessionsmomente auf den Rotor übertragen werden. Dies
kann durch kontinuierliches Antreiben des Rotors mittels
eines Spinantriebes erreicht werden, der kein derartiges
Moment erzeugt. In einer einfacheren Ausführungsform, die
geringe Anforderungen an die Qualität des Spinantriebs
stellt, kann der Antrieb des Rotors auskuppelbar sein.
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Außerdem muß die beschriebene Raumstabilisierung der
Strahlungs- oder Empfindlichkeitskeule in vielen Anwendungen
auch gesteuert werden, um jede gewünschte Richtung, die aus
der eigenen Raumreferenz ermittelt wurde, anzunehmen. Zu
diesem Zweck ist ferner eine bevorzugte, erfindungsgemäße
Ausführungsform mit Momentgeneratoren vorgesehen, die
Drehmomente auf den Ablenkkörper um zwei gegenseitige und
relativ
zur Spinachse senkrechte Achsen übertragen kann. Die
Erfindung wird anhand eines Beispiels mit Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
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Figur 1 eine Längsschnittansicht eines Projektils mit
erfindungsgemäßer kreiselstabilisierter Ablenkvorrichtung;
und
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Figur 2 eine Schnittansicht durch die Ablenkvorrichtung
entlang der Linie A-A aus Figur 1.
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In Figur 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 eine
Projektilhülle, während 11 eine erfindungsgemäße,
kreiselstabilisierte Ablenkvorrichtung betrifft, die fest in der Hülle
montiert ist und eine konvergierende Linse 12 umfaßt, die
auch in der Hülle montiert ist und 13 stellt eine Sende-
/Empfangseinrichtung dar. Die Mittelachse C des Projektils
bildet gleichzeitig die Mittelachse für die
Ablenkvorrichtung und die Linse. Die Ablenkvorrichtung kann als
kreiselstabilisierte Plattform in einer Zielsucheinrichtung
enthalten sein, die z.B. mit elektromagnetischer Energie im
Millimeter-Wellenlängenbereich betrieben wird.
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Die Ablenkvorrichtung besteht aus einem Teil 14, das fest
in der Hülle 10 montiert ist und weist eine kugelförmige
Aussparung 15 auf, in die ein bewegbarer Ablenkkörper 16
mit kugelförmiger Außenkontur 17 oder eine Kugel einführbar
ist. Das feste Teil 14 ist im gezeigten Beispiel aus drei
Teilen zusammengesetzt: ein äußerer, kreisförmiger,
zylindrischer Ring 18 aus weichem, magnetischem Material, ein
Zwischenteil 19 aus nichtmagnetischem Material und ein
Mittelteil 20 aus einem Material, das einen geeigneten
Brechungskoeffizienten für die übertragene Strahlung aufweist.
Die Teile 19 und 20 sind die mit der Aussparung 15
versehenen Elemente und bilden zusammen ein Gehäuse oder einen
Sitz für die bewegbare Kugel 16. Die Kugel 16 ist in dem
dargestellten Beispiel aus zwei Teilen zusammengesetzt: ein
äußerer, ringförmiger Teil 21 mit einer zentralen
Aussparung 22 und ein kalottenförmiger Teil 23. Im Betrieb läuft
die ein- und austretende Strahlung durch die Aussparung 22
in der Kugel 16 durch die Teile 23 und 20, welche in
Kombination ein Beugungsprisma oder einen "optischen Keil" für
die Strahlung bilden, und ferner durch die Linse 12. Der
zentrale Strahl für eine derartige Strahlungskeule ist in
der Zeichnung dargestellt und mit L bezeichnet. Aufgrund
der kugelförmigen Form der Kugel 16 kann sich diese durch
eine Dreh- oder Rotationsbewegung in allen drei
Rotationsfreiheitsgraden in ihrer Aussparung 15 bewegen. Die Kugel
16 wird anschließend derart geformt, daß ihr Schwerpunkt
mit dem Rotationszentrum der genannten Bewegungen
zusammenfällt. Hierdurch werden keine Momente bei Beschleunigung
und Abbremsen der Hülle, in der die Vorrichtung montiert
ist, auf die Kugel übertragen.
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Um Momente auf die Kugel 16 zum Drehen derselben um zwei
Achsen 01 und 02 übertragen zu können, wird ein
magnetischer Momentgenerator, der in SE-8502506-6 beschriebenen
und gezeigten Art, vorgesehen. Um die Kugel l6 in eine
Richtung um die Achse 01 zu drehen, sind zwei Magnetpole 24
und 25 mit elektrischen Spulen 26, 27 vorgesehen. Um die
Kugel in die entgegengesetzte Richtung um diesselbe Achse
01 zu drehen, sind zwei Magnetpole 28, 29 mit elektrischen
Wicklungen 30, 31 vorgesehen. Um die Kugel 16 um die Achse
02 zu drehen, sind ähnliche Magnetpolpaare wie in Figur 2
durch die Magnetpole 32, 33 und zugehörige Spulen gezeigt,
vorgesehen. Die festen Magnetpole wirken mit weichen
Magnetteilen 34 der bewegbaren Kugel 16 zusammen, wobei der
Teil 34 in einen Äquatorialring 35 aus weichem
Magnetmaterial auf der Oberfläche der Kugel mündet und die restliche
Kugel aus nichtmagnetischem Material hergestellt ist. Der
äußere, kreisförmige, zylindrische, ortsfeste Ring 18 aus
weichem Magnetmaterial verbindet die nach außen gerichteten
Enden aller Magnetpole miteinander und schließt alle
magnetischen Feldwege.
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Um die momentane Winkelstellung der Kugel erfassen zu
können, umfaßt der feste Teil der Ablenkvorrichtung einen
Winkeldetektor 36, der z.B. mit einer optischen Markierung auf
der Oberfläche der bewegbaren Kugel 16 zusammenwirkt.
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Zwischen der kugelförmigen Aussparung 15 im ortsfesten Teil
14 und der äußeren kugelförmigen Oberfläche 17 der Kugel 16
ist ein Luftspalt 37 vorhanden, der als Lager für die Kugel
wirkt. Der Luftspalt wird durch kontinuierliches Zuführen
von komprimierter Luft durch Düsen beibehalten, die in den
Spalt münden. In Figur 2 werden vier derartige Düsen mit
Versorungskanälen gezeigt und mit 38, 39, 40 bezeichnet.
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Ferner wird die Kugel 16 angetrieben, so daß eine schnelle
Spindrehung um die Spinachse 03 erreicht wird. Die
Spindrehung kann mittels eines elektrischen Spinmotors oder durch
Luftantrieb erzeugt werden. Im gezeigten Beispiel wird die
Kugel 16 um die Spinachse 03 durch schräge Luftströme
gedreht, die durch Düsen 42, 43 mit Versorgungskanälen
erzeugt werden und auf die flache Außenseite der Kugel
wirken. Hierdurch wird kein Prezessionsmoment auf die Kugel
übertragen.
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Durch die Drehung der Kugel 16 um die Spinachse 03 bildet
die Kugel einen Kreiselrotor, der resultierend aus seiner
Rotierbarkeit um die Achse 01 und 02 in ähnlicher Weise wie
in einem zweiachsigen Kardanhalter gehalten wird. Der
zentrale kalottenförmige Teil 23 des Kreiselrotors bildet
gleichzeitig in Verbindung mit dem zentralen Teil 20 des
ortsfesten Sitzes 14 ein variables Beugungsprisma für die
übertragene Strahlung, dadurch daß eine ebene Oberfläche
44, die als Ein-/Austrittsfläche für die Strahlung dient,
einen variablen Winkel mit einer ebenen Oberfläche 45 auf
dem ortsfesten Teil bildet, wobei die letztgenannte
Oberfläche auch als Aus-/Eintrittfläche für die Strahlung
dient. Innerhalb der Hülle 10 wird die Sende-
/Empfangseinrichtung 13 für die übertragene Strahlung auf
auf einer geraden Linie mit der Ablenkvorrichtung
angeordnet. Durch Festsetzen der bewegbaren Prismaoberfläche 44
auf dem Rotor 16 in verschiedenen Winkeln relativ zur
Prismaoberfläche 45 auf dem ortsfesten Teil 14 kann die
Richtung für die aus- und/oder eintretende Strahlung, in
der Zeichnung durch den zentralen Strahl L der
Strahlungskeule dargestellt, willkürlich eingestellt werden.
Ausschlaggebend für den Variierungsumfang der Richtung der
Strahlungs- oder Empfindlichkeitskeule bezüglich einer
Variation der Winkelfestsetzung des Rotors 16 um die Achsen
01 und 02 ist dann der Brechungskoeffizient der
Materialien, aus denen die Teile 23 und 20, die im Prisma
enthalten sind, hergestellt werden, in Verbindung mit der
Brechung, die durch die Linse 12 erzeugt wird. Erfindungsgemäß
wird der Brechungskoeffizient für die Teile 23 und 20, die
geeigneterweise aus dem gleichen Material hergestellt sind,
derart gewählt, daß die austretende Strahlungs oder
Empfindlichkeitskeule, die durch L' dargestellt ist, immer
parallel mit der Spinachse 03 des Rotors ist. In der
Zeichnung bilden die Keulenmittellinie L'und die Spinachse 03
beide einen Winkel α mit der Projektilsymmetrie - oder der
Mittellinie C. Da der Kreiselrotor 16 in Abwesenheit der
Präzisionsmomente, die auf diesen übertragen wurden, dazu
neigt, eine vorgegebene Stellung im Raum beizubehalten,
bedeutet dies, daß die Strahlungskeule für geringe
Winkelbewegungen der Hülle 10 raumstabilisiert ist. Von diesem
eigenen Raumbezug kann die Keule anschließend in jeder
gewünschten Weise durch Übertragen von Momenten auf den
Kreiselrotor mittels des zweiachsigen, elektromagnetischen
Momentgenerators gesteuert werden.
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Falls der Brechungskoeffizient des Materials, aus dem die
im Brechungsprisma enthaltenen Teile 23 und 20 hergestellt
sind, derart gewählt werden kann, daß das Prisma alleine
das gewünschte Verhältnis 1:1 zwischen der Winkeländerung
der Strahlungs- oder Empfindlichkeitskeule und der
Winkeländerung der Spinachse des Rotors erreicht, wird die Linse
12 überflüssig und kann weggelassen werden. Wenn eine Linse
notwendig ist, kann diese Linse, anstatt als getrennte
Linse hergestellt zu sein, in die Ablenkvorrichtung
integriert werden, wobei die Prismaoberfläche 44 oder die
Oberfläche 45 oder beide eine konkave oder konvexe Form
erhalten.
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Beispiele für geeignete Materialien für verschiedene
Strahlungsarten sind wie folgt:
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- Radarstrahlung: Kunststoff und Keramik,
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- IR-Strahlung: kristalline Materialien wie Silizium,
Germanium, Zinkselenid und dergleichen; auch bestimmte Glase
und Kunststoffe,
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- sichtbares Licht: Glas und Kunststoff,
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- Ultraschall-Strahlung: Kunststoff und Metalle.
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Falls die Vorrichtung nur dem Zweck hat, eine
Strahlungskeule im Raum zu stabilisieren, wird der Momentgenerator
überflüssig und kann weggelassen werden. Der Spinmotor, der
auch von elektrischer Art sein kann, kann so aufgebaut
sein, daß er den Kreiselrotor bis zu einer Zielstellung
antreibt und kann ferner auskuppelbar sein, so daß der Rotor
nach dem Auskuppeln frei rotiert.