DE3933042A1 - Zielfernrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zielfernrohr, wie es für Handfeuerwaffen insbesondere beim jagdlichen Schießen oder auch auf militärischem Gebiet Anwendung findet.

Zielfernrohre werden üblicherweise auf der Waffe montiert und in Verbindung mit dieser eingeschossen. Dabei werden bestimmte Prämissen zugrunde gelegt. Das Einschießen erfolgt bei einem waagerechten Abgangswinkel und einer festen Schußentfernung, zum Beispiel 50 m oder 100 m mit einer für die Waffe typischen Munition unter den real herrschenden atmosphärischen Bedingungen. Bei der praktischen Anwendung entstehen Abweichungen zu diesen Einschußbedingungen, die sich in einer Veränderung der Ballistik ausdrücken. Der Schütze korrigiert diese Veränderungen, soweit ihm das möglich ist, subjektiv und mit gegebenenfalls hohem Fehler durch entsprechendes Anhalten der Zielmarke am Ziel aus.

Beim realen Schuß wirken eine große Anzahl von Faktoren, die die Ballistik mehr oder weniger stark beeinflussen. Das sind insbesondere:

• - das Verkanten der Waffe
• - der Winkelschuß nach oben oder unten
• - die Anfangsgeschwindigkeit und der Widerstandsbeiwert des Geschosses
• - der Luftdruck, bedingt durch die Differenz zwischen Einschuß- und Gebrachshöhe der Waffe und meteorologische Veränderungen
• - die Lufttemperatur
• - die vorhandenen Unstetigkeiten in der Geschoßform
• - die auftretenden Laufschwingungen
• - die Eigenrotation des Geschosses um seine Längsachse (Magnuseffekt)
• - die Rotation des Geschosses um seinen Masseschwerpunkt (Präzisions- und Nutationsbewegung)
• - die Erdrotation

Durch das Verkanten der Waffe erfolgt eine Zielabweichung sowohl in der Höhe als auch seitlich.

Der Fehler beim Winkelschuß entsteht durch die unterschiedlichen Richtungen der Schwerkraft und der Geschoßbewegung. Die Anfangsgeschwindigkeit und der Widerstandsbeiwert sind bedingt durch die Stärke der Treibladung, die Bauart des Geschosses, die Geschoßform und die Geschoßmasse.

Durch eine höhere Anfangsgeschwindigkeit und höhere Masse wird bei gleichem Kaliber eine größere Rasanz, d. h. eine weniger stark gekrümmte Flugbahn erreicht.

Von Bedeutung ist auch der real herrschende Luftdruck am Ort des Schießens, da bei geringerem Luftdruck dem Geschoß auch ein geringerer Luftwiderstand entgegengebracht wird und umgekehrt. Neben meteorologischen Einflüssen geht hier auch als systematischer Fehler die Höhendifferenz zwischen dem Ort des Einschießens und dem Ort ein, wo die Waffe eingesetzt wird. Die Lufttemperatur und ihre Schwankung beeinflussen erstens die Zähigkeit der Luft selbst und zweitens die Verbrennung der Geschoßtreibladung. Bei niedrigen Temperaturen muß mit einem größeren Visierwinkel geschossen werden und umgekehrt.

Die Unstetigkeiten in der Geschoßform, wie zum Beispiel Rillen, führen zu zusätzlichen Wirbelbildungen am Geschoß und somit zu einem höheren Luftwiderstand.

Die Laufschwingungen, bestehend aus Transversal-, Longitudinal- und Torsionsschwingungen resultieren aus dem Einpreßvorgang des Geschosses in den Lauf und den einwirkenden Gasdruck und bewirken, daß die Mündung des Laufes eine etwa elliptisch geformte Kurve beschreibt. Wegen der Massenträgheit des Laufes beginnt die eigentliche Schwingung jedoch erst kurz bevor das Geschoß die Mündung erreicht. Man spricht vom sogenannten Abgangsfehlerwinkel, der beeinflußt wird durch die Faktoren:

• - Einspannung der Waffe
• - Lauferwärmung
• - Gasdruckschwankungen
• - Geschoßgeschwindigkeitsschwankungen
• - Schwankungen der Geschoßabmessungen von Schuß zu Schuß

Wegen der Eigenrotation des Geschosses um seine Längsachse, bedingt durch einen gezogenen Lauf, erfährt das Geschoß einen Auftrieb. Diese Erscheinung ist als Magnuseffekt bekannt. Die Rotation des Geschosses um seinen Masseschwerpunkt, die sich als Präzisions- und Nutationsbewegung darstellt, bewirkt eine Taumelbewegung. Damit ergeben sich Abweichungen, die über eine größere Schußzahl einen Streukreis ergeben.

Die Erdrotation bewirkt eine seitliche Treffpunktverlagerung infolge der Corioliskraft. Dieser Fehler tritt in voller Größe bei einer Schußrichtung entlang des Meridians auf. Die letztgenannten Einflüsse durch Unstetigkeit in der Geschoßform, Laufschwingungen, Magnuseffekt, Präzisions- und Nutationsbewegung und durch die Erdrotation können bei den relevanten Schußweiten bis 300 m, wie sie im jagdlichen Schießen üblich sind, weitestgehend vernachlässigt werden. Durch den Schützen sind zu beachten: die Einflüsse durch Verkanten, Winkelschuß, Munition, Luftdruck und Lufttemperatur, Weiterhin sind zu beachten, die seitliche Abdrift des Geschosses durch auftretenden Wind. Zur Unterstützung und Erleichterung des Zielvorganges werden dem Schützen entsprechende gerätetechnische Hilfsmittel geboten.

Der derzeitige technische Stand sieht so aus, daß Zielfernrohre über eine Höhen- und Seitenstellung verfügen. Diese Stellgruppen können so konzipiert sein, daß die Höhenstellkurve der Ballistik eines bestimmten Munitionstyps folgt und mit der Seitenstellung eine Kompensation des Windeinflusses möglich ist.

In der DAS 23 57 544 "Visiereinrichtung für Schußwaffen" wird eine Einrichtung beschrieben, die mit verschiedenen austauschbaren Einstellskalen die Anpassung auf verschiedene Munitionsarten ermöglicht. Eine Einrichtung zur Kompensation des Winkelschusses und des Luftdruckes ist in der DAS 19 46 972 "Visiereinrichtung, insbesondere Zielfernrohr" dargestellt. Die Abweichungen im Winkel und Druck werden automatisch erfaßt und einer elektrischen Vergleichsschaltung zugeführt und ausgewertet. Die Korrektur erfolgt durch den Benutzer oder motorisch durch eine Verstellung der Visierlinie. In der DOS 22 59 913 "Zielfernrohr" wird eine Lösung dargestellt, die das Vermeiden von Treffpunktverlagerungen durch Verkanten der Waffe, durch Winkelschuß nach oben oder unten und durch Änderung des Luftgewichtes zum Inhalt hat. Erfindungsgemäß wird dieses Anliegen dadurch realisiert, daß entweder das Umkehrsystem, das Fadenkreuz, eine Ausgleichslinse oder eine planparallele Ausgleichsglasplatte über ein Kardangelenk im Strahlengang angeordnet ist. Auf dieses optische Bauteil kann durch geeignete Stellgruppen, die unter der Wirkung der Schwerkraft stehen und mit einer barometrischen Dose gekoppelt sind, eingewirkt werden.

Allen Lösungen ist gemeinsam, daß nur ausgewählte Einflußfaktoren berücksichtigt werden können und das ein Umstellen auf veränderte Ausgangsdaten, wie zum Beispiel andere Munitionskennwerte mit mechanisch/konstruktiven Veränderungen verbunden ist. Die gewählten mechanischen Lösungen sind der Schußbelastung in der Größenordnung von mehreren einhundert g (Erdbeschleunigungen) unterworfen und müssen auf diese ausgelegt werden. Die aufgeführten Geräte weisen von den konventionellen Zielfernrohren stark abweichende Konstruktionsmerkmale auf und sind nicht auf jeder beliebigen Waffe einsetzbar. Hierzu ist jeweils eine Anpassung der Stellcharakteristik notwendig. Die gewählen Prinzipien der motorischen Einleitung der Stellbewegung ist für ein transportables Gerät energetisch ungünstig.

Ziel der Erfindung ist es, die aufgeführten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, die Gebrauchseigenschaften der Zielfernrohre wesentlich zu verbessern und für den Hersteller ohne nennenswerten materiellen Aufwand eine Anpassung des Zielfernrohres an verschiedene Waffen zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für den Schützen einfache und optimale Berücksichtigung der auf die Ballistik des Geschosses wirkenden Einflußfaktoren zu gewährleisten und damit eine hohe Treffsicherheit zu erzielen.

Diese Aufgabe wird bei einem Zielfernrohr, bestehend aus Objektiv, Umkehrsystem, Okular mit einer Objektiv- und einer Okularbildebene erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer der Bildebenen des Zielfernrohres eine LCD-Matrix angeordnet ist, daß diese Matrix über eine Ansteuereinheit mit einem Rechner verbunden ist, daß mindestens ein Aufnehmerelement zur Erfassung von Einflußfaktoren auf die Ballistik des Geschosses vorgesehen ist, und mindestens ein A/D-Wandler folgt, der mit Rechner in Verbindung steht, daß eine Tastatur zur Eingabe von durch den Schützen wählbaren Angaben und ein Speicher, der die Arbeitsprogramme und feststehenden Angaben enthält, die durch den Hersteller und den Büchsenmacher eingegeben werden, vorgesehen sind und mit dem Rechner verbunden sind.

Dabei ist es vorteilhaft, daß Aufnehmerelemente zur Erfassung des Abgangswinkels, des Verkantungswinkels, des Luftdruckes, der Umgebungstemperatur und anderer Einflußgrößen vorgesehen sind.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn an Stelle einer manuellen Eingabe der Schußweite eine Entfernungsmeßeinrichtung vorhanden ist, die mit dem Rechner gekoppelt ist. Der Rechner als Verarbeitungseinheit und weitere Komponenten der Elektronik können zum Beispiel auch in Form von einen oder mehreren ASIC- Schaltkreisen realisiert werden. Mit der Erfindung wird erreicht, daß Schußfehler, bedingt durch Verkanten, Winkelschuß, unterschiedliche Munition, Luftdruck- und Lufttemperaturveränderungen durch objektive Berechnungsmethoden kompensiert werden. Das Zielfernrohr ist dabei auf unterschiedliche Waffen ohne mechanische Änderungen rationell anpaßbar. Die Gebrauchswerterhöhung tritt weiterhin dadurch ein, daß unterschiedliche Absehen, angepaßt auf die jeweiligen Jagdbedingungen, wählbar sind.

Erfindungsgemäß wird dieser Anspruch dadurch gelöst, daß in der Objektiv- oder Okularbildebene eine LCD-Matrix hoher Auflösung angeordnet ist, die im Durchlicht arbeitet. Die auf dieser LCD-Matrix vorhandenen Pixel werden durch einen Rechner angesteuert. Durch den Rechner wird zunächst eine Bildbegrenzung (Blende) und das Absehen (Strichbild) aufgebaut. Die Auswahl des Visiers erfolgt über eine Tastatureingabe. Über die Tastatur wurden gleichfalls anwendungsspezifische Angaben wie Kaliber, Anfangsgeschwindigkeit, Schußweiten, Geschoßmasse usw. eingegeben. Durch im Gerät vorhandene Aufnehmer beispielsweise für den Abgangswinkel, den Verkantungswinkel und den Luftdruck werden diese Größen erfaßt und entsprechenden A/D-Wandlern zugeführt. Über diese gelangen die Signale zu einem Rechnerbaustein, der entsprechend fest vorgegebenem Programm eine ständige Auswertung der automatisch erfaßten Meßwerte vornimmt und entsprechende Verschiebebeträge für das Fadenkreuz der Strichplatte ermittelt. Diese Verschiebung wird als Bit-Manipulation im Bild-Speicher ausgeführt. Über einen geeigneten Grafikkontroller werden diese Werte auf die LCD-Matrix ausgelesen.

Ein Zielfernrohr gemäß Patentanspruch ist in der Abb. 1 dargestellt.

Das optische System besteht aus dem Objektiv 1, dem Bildumkehrsystem 2, der LCD-Matrix 3 und dem Okular 4. Das Umkehrsystem 2 ist mit seinem objektseitigen Brennpunkt in der Objektivbildebene 5 angeordnet. Im bildseitigen Brennpunkt des Umkehrsystems 2 befindet sich die Okularbildebene und die LCD- Matrix 3. Die optischen Komponenten sind in dem Gehäuse 6 integriert. Das Umkehrsystem ist in einem Schwenkrohr 7 gehaltert, daß um den Schnittpunkt der Okularbildebene mit der optischen Achse schwenkbar ist, so wie vom zentrierten Absehen bekannt. Das Gerät weist weiterhin eine Tastatur 8 und eine Tastaturanzeige 9 auf. Im Gerät integriert sind die elektronischen Komponenten, bestehend aus Rechner 10, Speicher 11, Aufnehmerelemente 12, Ansteuerung der LCD-Anzeigen 13 und Ansteuereinheit für LCD- Matrix 14.

Zwei Winkelaufnehmer sind so im Gerät angeordnet, daß durch einen die Kippung um die Querachse (Anstellwinkel) und durch den anderen Aufnehmer die Kippung um die Längsachse des Zielfernrohres (Verkantungswinkel) erfaßt wird. Der Druckaufnehmer besteht aus einer barometrischen Meßdose mit Dehnungsmeßstreifen zur Erfassung des äußeren Luftdrucks. Eine Erweiterung um einen Temperaturmeßfühler oder ein Verzicht auf den Druckaufnehmer ist je nach angestrebter Genauigkeit, gewünschtem Komfort oder zu berücksichtigenden Einsatzbedingungen denkbar. An die Meßaufnehmer 12 ist über einen Multiplexer ein Analog/ Digital-Wandler zur Umsetzung der aufgenommenen analogen elektrischen Signale in digital verarbeitbare elektrische Signale angeschlossen. Der A/D-Wandler weist eine dem Meßgegenstand und seinem Einfluß im Rechenalgorithmus angepaßte Genauigkeit, typischerweise eine 8-bit-Auflösung, auf. Die Signale des A/D-Wandlers gelangen an einen Port des Einchipmikrorechners.

Der Einchipmikrorechner arbeitet mit mindestens 8-bit-Datenbreite und hoher Taktfrequenz. Die Tastatur 8, die als Folienflachtastatur ausgebildet sein kann, die Anzeigesteuerung 13 für die LCD-Segmentanzeige 9 und der Grafik-Controler 14 für die LDC-Matrix 3 belegen weitere Ports des Einchipmikrorechners. In Verbindung mit dem Rechnerschaltkreis 10 steht gleichfalls die Speicherbaugruppe 11, die aus einem ROM zur Aufnahme des Arbeitsprogrammes, einem EEPROM, der gerätespezifische Angaben enthält, sowie dynamischen RAM-Schaltkreisen, die als Bild- und Datenspeicher dienen, besteht. Der Speicher kann ergänzt werden durch einen statischen RAM, der zur Erhaltung von Anwenderdaten über den ausgeschalteten Zustand hinweg eingesetzt werden kann.

Die LCD-Matrix 3 kann ein Punktraster von 512 × 512 Punkten auf einer Fläche von 20 × 20 mm² aufweisen. Von dieser Fläche wird ein kreisförmiges Feld von 16 mm Durchmesser für das in der Okularbildfeld entstehende Zwischenbild benötigt. Die größere Dimensionierung der LCD-Matrix 3 ist begründet in der Realisierung des notwendigen Verstellbereiches für ein zur Visiermarke zentrischen Bildfeldes. Zur Erzielung einer möglichst hohen Transmission wird bei der Flüssigkristallmatrix 3 ein Effekt ausgenutzt, der es prinzipiell ermöglicht, ohne Polarisationsfilter auszukommen. In Verbindung mit dem ferroelektrischen Effekt sind die erforderlichen hohen Multiplexraten realisierbar.

Das elektronische und rechentechnische Konzept ist so ausgelegt, daß die Komponenten in Zielfernrohren unterschiedlicher Vergrößerung, Eintrittspupillendurchmesser oder auch Anwendung eingesetzt werden können. Da diese Geräte üblicherweise auf Handfeuerwaffen montiert werden, muß die Stromversorgung durch eine integrierte Energiequelle erfolgen. Neben der Anforderung auf eine hohe Speicherkapazität muß noch ein hoher Temperatureinsatzbereich gewährleistet sein. Deshalb ist der Einsatz von Lithium-Batterien sinnvoll. Zur Senkung des Energiebedarfes ist das gesamte Schaltungskonzept in CMOS-Technologie ausgeführt.

Im Programmspeicher ist unter anderem ein Rechenalgorythmus installiert, der ausgehend von den zu berücksichtigenden Einflußgrößen die reale Ballistik ermittelt. Das ballistische Problem der Bewegung eines Flugkörpers in der Atmosphäre unter Berücksichtigung von

• - Schwerkraft
• - Luftwiderstand
• - Wind

läßt sich mathematisch durch zwei lineare Differentialgleichungen zweiter Ordnung, wovon eine inhomogen ist, darstellen:

Diese zwei Differentialgleichungen zweiter Ordnung können in vier Differentialgleichungen erster Ordnung überführt werden. Zur Lösung dieses Systems von Differentialgleichungen erster Ordnung kommt das von C. Runge und W. Kutta entwickelte Verfahren mit den von Nyström stammenden Abänderungen zur Anwendung. Zunächst wird aus der Montagehöhe m und dem Anstellwinkel a der theoretische Schnittpunkt der Seelenachse 15 und der Visierlinie 16 errechnet (Abb. 2). Der Winkel ϑ verkörpert den aktuellen Abgangswinkel des Geschosses. Für die vorgegebene Schußweite s wird anschließend die Abweichung y′ der Visierlinie 16 vom realen Treffpunkt unter Berücksichtigung des Verkantungswinkels ermittelt. Diese Differenz wird über die Objektivbrennweite f′ und den Abbildungsmaßstab β des Umkehrsystems in den notwendigen Verschiebebetrag y′′ am Ort der LCD-Matrix 3 in der Okularbildebene

und den Richtungsvektor rückgerechnet.

Unter Berücksichtigung des bekannten Teilungsabstandes der LCD-Matrix 3 wird die notwendige Verschiebung in Pixeleinheiten in x- und y-Richtung errechnet und als Bit- Manipulation im Bild-Speicher-RAM ausgeführt.

In den Festwerte-EPROM sind Angaben enthalten, die notwendig sind für die Anpassung der Elektronik auf die Gerätespezifikation, wie zum Beispiel:

• - die Objektivbrennweite f′
• - der Abbildungsmaßstab des Umkehrsystems β
• - der Durchmesser der Sehfeldblende d
• - der Pixelabstand auf der LCD-Matrix

Diese Angaben werden durch den Hersteller eingeschrieben. Der Büchsenmacher hat die Möglichkeit, weitere, waffen- und montagespezifischen Angaben einzubringen, wie:

• - Montagehöhe m des Zielfernrohres
• - Anstellwinkel α der Visierlinie 16 gegenüber Seelenachse 15
• - Kaliber
• - durch den Nutzer gewünschte Visiervorwahl und bevorzugter Munitionstyp

Bei Beibehaltung dieser Angaben sind durch den Schützen keine gesonderten Eingaben erforderlich. Bei Vorhandensein eines statischen RAM-Speichers kann die aktuelle Einstellung gesondert abgespeichert und bei einer späteren Benutzung im Komplex wieder aufgerufen werden. Mit Hilfe der zentrierten Absehengestaltung 7, ist bei der Montage des Zielfernrohres die Grundorientierung der Visierlinie 16 zur Seelenachse 15 der Waffe und damit die Herstellung eines definierten Abstellwinkels α zu gewährleisten.

Claims (4)

1. Zielfernrohr bestehend aus Objektiv, Umkehrsystem, Okular mit einer Objektiv- und einer Okularbildebene, dadurch gekennzeichnet, daß in einer der Bildebenen (3, 5) des Zielfernrohres eine LCD-Matrix (3) angeordnet ist, daß diese Matrix über eine Ansteuereinheit (14) mit einem Rechner (10) verbunden ist, daß mindestens ein Aufnehmerelement (12) zur Erfassung von Einflußfaktoren auf die Ballistik des Geschosses vorgesehen ist, und mindestens ein A/D-Wandler folgt, der mit dem Rechner (10) in Verbindung steht,
daß eine Tastatur (8) zur Eingabe von durch den Schützen wählbaren Angaben und ein Speicher (11), der die Arbeitsprogramme und feststehenden Angaben enthält, die durch den Hersteller und den Büchsenmacher eingegeben werden, vorgesehen und mit dem Rechner (10) verbunden sind.

2. Zielfernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aufnehmerelemente (12) zur Erfassung des Abgangswinkels, des Verkantungswinkels, des Luftdrucks, der Umgebungstemperatur und anderer Einflußgrößen vorgesehen sind.

3. Zielfernrohr nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entfernungsmeßeinrichtung vorhanden ist, die mit dem Rechner gekoppelt ist.

4. Zielfernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner als Verarbeitungseinheit in Form von einem oder mehreren ASIC-Schaltkreisen realisiert ist.