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Rechte der
US-Regierung
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Die
US-Regierung hat gemäß Vertrag #DAAA21-87-C-0160,
zugesprochen durch das Verteidigungsministerium, Rechte an dieser
Erfindung.
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung liegt im Gebiet von Zündsystemen für Treibladungskartuschen
und, insbesondere, betrifft sie einen elektronisch gesteuerten Zwei-Ereignis- oder Mehrfachimpuls-Zünder, welcher die
Temperatur der Treibladungskartusche erfassen kann und die Zündung für eine Treibladungskartusche
anpassen kann.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eine
der wichtigsten Entwurfsvariablen bei der Entwicklung von Munition
ist die Leistungsfähigkeit
einer Treibladungskartusche über
den Bereich der Betriebstemperatur. Diese Leistungsfähigkeit
ist derzeit durch den Betriebsdruck bei hohen Temperaturen beschränkt.
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Versuche,
die Leistungsfähigkeit
einer Treibladungskartusche über
einen Bereich von Temperaturen zu verbessern, stützen sich typischerweise auf mechanische
Vorrichtungen und Treibladungsinnovationen. Der Entwurf der Treibladung,
z.B., war lange darauf gerichtet, eine Treibladung chemisch zu erzeugen,
um Unterschiede in der Leistungsfähigkeit über Temperaturen zu reduzieren.
Eine mechanische Konstruktion, die erforscht wurde, verwendet Steuerrohrkonzepte,
um den anfänglichen
Weg des Projektils als Funktion der Temperatur zu modifizieren, unter
Verwendung der thermischen Ausdehnung von Material oder bimetallischen
Streifen.
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US-Patent
4,930,421, erteilt am 5. Juni 1990 für Macdonald, betitelt „Partitioned,
fluid supported, high efficiency travelling Charge for hyper-velocity guns", offenbart ein Projektil
mit beweglicher Ladung, das einen Mikroprozessor und eine Vielzahl
von sequentiell gezündeten
Ladungen zum Entzünden-Zünden-Ausstoßen, um
jeweilige Ladungssegmente zu entzünden, die Treibladung enthalten.
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Der
Zünder
kann extern reprogrammiert werden.
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Im
Unterschied hierzu, stellt die vorliegende Erfindung ein Zündsystem
bereit, das als Smart Cartridge Ignition System bekannt ist, weiter
unten beschrieben, das die Leistungsfähigkeit einer Treibladungskartusche
so kontrolliert, dass sie im Wesentlichen unveränderlich über umgebende und kalte Temperaturbereiche
ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein elektronisch gesteuerter Mehrfachimpuls-Zünder für eine Treibladungskartusche,
wie in Anspruch 1 definiert, und ein Verfahren zum Zünden einer
Treibladungskartusche, wie in dem unabhängigen Verfahrensanspruch 10
definiert, bereitgestellt, zum Abschießen eines Projektils. Vorteilhafte
Ausführungsformen
werden in den abhängigen
Ansprüchen
2 bis 9 und 11 bis 14 beansprucht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1A zeigt
schematisch ein Blockdiagramm für
ein Beispiel eines elektronisch gesteuerten Mehrfachimpuls-Zündsystems,
das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
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1B stellt
ein Prozessflussdiagramm für ein
Beispiel eines elektronisch gesteuerten Mehrfachimpuls-Zündsystemalgorithmus dar, der
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
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2 und 2A zeigen
eine teilweise abgeschnittene Ansicht eines Beispiels einer Treibladungskartusche,
die ein elektronisch gesteuertes Mehrfachimpuls-Zündsystem
beinhaltet, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
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3 zeigt
schematisch eine Ansicht eines Beispiels eines Treibladungskartuschensystems
in einer anfänglichen
Treibladungskartuschenkonfiguration, das in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung
konstruiert ist.
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4 zeigt
schematisch ein Beispiel eines Treibladungskartuschensystems in
einer verschobenen Treibladungskartuschenkonfiguration, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
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5 zeigt
schematisch eine Ansicht eines Beispiels eines Treibladungskartuschensystems
in einer Treibladungskartuschenkonfiguration nach Zündung der
Hauptladung, das in Übereinstimmung mit
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
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6 zeigt
graphisch einen Vergleich eines Beispiels der Leistung eines Treibladungskartuschensystems,
das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, gegenüber einer herkömmlich gezündeten Treibladungskartusche.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Nunmehr
Bezug nehmend auf 1A, wird ein Blockdiagramm für ein Beispiel
eines elektronisch gesteuerten Mehrfachimpuls-Zündsystems gezeigt, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das System umfasst
einen Temperatursensor 16, einen Drucksensor 105,
einen Bewegungssensor 80, ein Elektronikmodul 9,
einen ersten Zünder 61 und
einen zweiten Zünder 70.
Abhängig
von dem gezündeten
Treibladungskartuschensystem wird ein Zündimpuls entweder durch einen elektronischen
Zündimpuls 5 im
Fall einer elektronisch gezündeten
Treibladungskartusche oder ein perkussiver Zündimpuls 6 im Fall
einer perkussionsgezündeten
Treibladungskartusche verursacht. Das Elektronikmodul 9 umfasst
einen Temperaturprofilspeicher 11 und einen Algorithmus 10.
Das Elektronikmodul 9 beinhaltet Elektronik, die geeignet
ist zur Verarbeitung von Daten und zur Ausführung des Algorithmus 10.
Es wird hierin angenommen, dass das neue Verfahren konstruiert ist
und so durch die Erfinder konstruiert wurde, unter Verwendung von
Standardelektronik. Weitere nützliche
Ausführungsformen
können
konstruiert werden unter Verwendung digitaler Schaltkreise und/oder
programmierbarer Computer, applikationsspezifisch integrierter Schaltungen
oder Mikroprozessorgeräten,
Komponenten oder Äquivalenten,
unter Verwendung wohlbekannter Entwurfsprinzipien.
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Der
Temperaturprofilspeicher 11 speichert eine Temperatur und
ein Ereignisverzögerungsleistungsprofil
für eine
gegebene Treibladungskartusche. Das Temperaturprofil kann empirisch
aus Temperatur- und Leistungsdaten für eine Treibladungskartusche
abgeleitet werden, unter Verwendung von Standardtechniken. Das Elektronikmodul
steuert den ersten Zünder 61 und
den zweiten Zünder 70 durch Verarbeiten
von Temperaturdaten von dem Temperatursensor 16, Drucksensor 105 und
Bewegungssensor 80 mit der Temperaturprofilinformation,
wie weiter unten im Detail unter Bezugnahme auf die Figuren diskutiert.
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Bezug
nehmend nun auf 1B, wird ein Prozessflussdiagramm
für ein
elektronisch gesteuertes Multiimpuls-Zündsystem gezeigt, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Das Prozessflussdiagramm
zeigt ein Beispiel eines Algorithmus 10. Der Algorithmus 10 wird
initiiert durch Empfang eines Zündimpulses
bei Ereignis 12. Der Zündimpuls
wird an ein zweites Ereignis übermittelt,
das Zünder-Zündereignis 14,
wo der erste Zünder
gezündet
wird. Das Zünder-Zündereignis 14 stellt ein
Signal an einem Entscheidungsereignis 18 bereit, um eine
geeignete Verzögerung
zu bestimmen. Das Entscheidungsereignis 18 empfängt aktuelle
Temperaturdaten von dem Temperatursensor 16 innerhalb des
Treibladungskartuschensystems. Das Entscheidungsereignis 18 bestimmt
eine geeignete Verzögerung
durch Vergleichen der aktuellen Temperaturdaten mit der gespeicherten
Treibladungskartuschen-Temperaturprofilinformation, und es sendet eine
Countdown-Dauer an die Ereigniszeitsteuerung 20. Die Ereigniszeitsteuerung 20 zählt die
Menge an Zeit herunter, die bei Ereignis 18 bestimmt wurde,
bevor der zweite Zünder
gezündet
wird.
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Während der
Countdown-Periode entscheidet ein zweites Entscheidungsereignis 26,
ob es sicher ist, den zweiten Zünder
zu zünden
oder nicht. Die Sicherheitsentscheidung wird getroffen unter Verwendung
eines ersten Sicherheitssignals 22 von entweder dem Drucksensor 105 und/oder
einem zweiten Bewegungssicherheitssignal 24 von dem Bewegungssensor 80.
Wenn der Drucksensor 105 aktiviert ist, ist das erste Sicherheitssignal 22 positiv, das
Zünden
erlaubend. Ähnlich,
wenn Bewegung durch den Bewegungssensor 80 detektiert wird,
ist ein zweites Sicherheitssignal 24 positiv, zum Erlauben
des Zündens.
In einer Ausführungsform,
wenn entweder der in Ereignis 22 aktivierte Drucksensor oder
der in Ereignis 24 aktivierte Bewegungssensor negativ ist, überträgt die Zündsicherheitsentscheidung 26 ein
Abbruch-Signal, um das Zünden
in Ereignis 28 abzubrechen. Wenn sowohl der in Ereignis 22 aktivierte
Drucksensor und der in Ereignis 24 aktivierte Bewegungssensor
positiv sind, überträgt die Zündsicherheitsentscheidung 26 ein
Zündsignal,
um den zweiten Zünder
bei Ereignis 30 zu zünden.
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Bezug
nehmend nun auf 2 und 2A, wird
eine teilweise abgeschnittene Ansicht eines Beispiels einer Treibladungskartusche
gezeigt, die ein elektronisch gesteuertes Mehrfachimpuls-Zündsystem
beinhaltet, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Es wird verstanden
werden, dass die hier gezeigte Konfiguration lediglich beispielhaft
ist und dass die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Ein Projektil 50 umfasst
eine Treibladungskartusche 58, in welcher ein Zündsystem 60 platziert
ist.
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Bezug
nehmend nun insbesondere auf 2A, wird
eine expandierte, detailliertere schematische Ansicht der Treibladungskartusche 58 und
des Zündsystems 60 gezeigt.
Das Zündsystem 60 beinhaltet
einen ersten Zünder 61,
ein Elektronikmodul 9, den zweiten Zylinder 70 und
eine Hauptladungszündung 67.
Der erste Zylinder 61 beinhaltet ein Zündröhrenverschiebungssystem 64,
einen Zündkontakt 62 und
eine erste Zündladung 90.
Das Zündröhrenverschiebungssystem 64 umfasst
eine äußere Röhre 402,
die zumindest teilweise beweglich um eine innere Röhre 404 angeordnet
ist. Mit dem Elektronikmodul 9 verbunden ist ein Sicherheitssensor 80 und
ein Drucksensor 105. Die Hauptladungszündung 67 umfasst ferner
einen zweiten Zünder 70 und
einen Kandelaberzünder 102.
Der Sicherheitssensor 80 ist an das Elektronikmodul 9 über den
Draht 97 gekoppelt. Der Drucksensor 105 ist an
das Elektronikmodul 9 gekoppelt. Ähnlich ist der zweite Zylinder 70 an
das Elektronikmodul über
den Leiter 92 gekoppelt.
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Das
Elektronikmodul 9 kann vorteilhafterweise analoge und/oder
digitale Elektronik oder beides zur Implementierung des Algorithmus 10 enthalten. Alternativ
kann das Elektronikmodul einen CPU-Prozessor beinhalten, der programmiert
ist, die Schritte des Algorithmus 10 auszuführen. Ein
Speicher oder eine Wertetabelle können benutzt werden, um das Temperaturprofil
einer ausgewählten
Treibladungskartusche zu speichern. Die Fachleute werden, mit dem
Vorteil dieser Offenbarung, verstehen, dass verschiedene äquivalente
Ausführungsformen
der Erfindung hierin betrachtet werden. Zum Beispiel kann im Fall
einer elektrisch gezündeten
Treibladungskartusche, wie etwa der 120 mm M256 Panzerkanone, das
Elektronikmodul vollständig
durch den Zündimpuls
mit Energie versorgt werden. Im Unterschied hierzu kann für eine perkussionsgezündete Treibladungskartusche
die Energie für
die Elektronik in der Treibladungskartusche enthalten sein, aber durch
einen mechanischen Schalter isoliert sein, der umgelegt werden kann,
wenn der Schlagbolzen den Zünder
trifft.
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Die
Verzögerung
zwischen den Zündungen des
ersten und zweiten Zünders
ist eine Funktion der Temperatur. Längere Verzögerungen erlauben eine größere Vorwärtsbewegung
des Projektils, wodurch das freie Volumen erhöht wird. Die Verzögerung ist typischerweise
länger
bei höheren
Temperaturen als bei niedrigeren Temperaturen, so dass mehr freies Volumen
verfügbar
ist, um den Druck niedrig zu halten. Es folgt, dass die Verzögerung kürzer bei
niedrigeren Temperaturen ist, so dass es weniger Volumen gibt, was
die Leistung erhöht.
Temperaturprofile für unterschiedliche
Treibladungskartuschentypen werden variieren, und die Ereigniszeitsteuerung
wird entsprechend variieren. Nützliche
Zeitsteuerung für
das zweite Ereignis kann vorteilhafterweise empirisch aus Daten
abgeleitet werden, wie etwa denjenigen, die weiter unten unter Bezugnahme
auf 6 gezeigt werden. Zum Beispiel wurde von einer
5 Millisekunden-Verzögerung
zwischen der Zündung
des ersten und des zweiten Ereignisses gezeigt, dass diese die Leistung
der gemessenen Standardgranate verbessert, die in den in 6 gezeigten
Temperaturbereichen getestet wurde. Der Fachmann wird im Hinblick
auf die vorliegende Offenbarung verstehen, dass weitere Treibladungskartuschentypen
unterschiedliche und breit variierende Zeitsteuerungsverzögerungen
benötigen
werden.
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Das
Zünderröhrenverschiebungssystem 64 der
beispielhaften Ausführungsform
beinhaltet zwei ineinander greifende Röhren 402, 404,
die eine geringe Treibladung 90 enthalten. Der Verschiebungsmechanismus
hängt von
der Geometrie des Projektils und der Treibladungskartusche ab, in
welcher ein Zwei-Ereignis-Zündsystem
integriert ist. Der erste Zünder 61 zündet die
geringe Treibladung 90, wodurch das Projektil nach vorne
bewegt wird. Jedes andere System, welches das Projektil nach vorne
bewegt, ohne die Hauptladung zu zünden, kann benutzt werden.
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Da
ein Zwei-Ereignis-Zündsystem,
das für eine
bestimmte Treibladungskartusche konstruiert ist, die gleiche Treibladung über alle
Temperaturen benutzen wird, kann der Sicherheitssensor 80 vorteilhafterweise
in das System integriert werden, um sicherzustellen, dass der erste
Zünder
korrekt funktioniert, bevor der zweite Zünder gezündet wird. In einer Ausführungsform öffnet ein
Ringbewegungssensor, der mit den Verschiebungsröhren gekoppelt ist, eine Schaltung
in dem Elektronikmodul, nachdem sich das Projektil nach vorne bewegt,
und trennt die ineinander greifenden Röhren. Der geöffnete Schaltkreis dient
als ein Signal, den zweiten Zünder
danach scharf zu schalten. Eine zweite Ausführungsform besteht in einem
einfachen Stecker, der kurzgeschlossen wird, wenn er an das Ende
des Projektils angeschlossen wird, und aus dem Projektil durch das
Verschiebungsereignis herausgezogen wird, wodurch der Schaltkreis
geöffnet
wird.
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Nunmehr
Bezug nehmend auf 4, wird eine schematische Ansicht
eines Beispiels eines Treibladungskartuschensystems gezeigt, das
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung in einer anfänglichen Treibladungskartuschenkonfiguration
konstruiert ist. Ein Projektil 50 mit einer Treibladungskartusche,
die ein elektronisches Mehrfachimpuls-Zündsystem 60 besitzt,
wird innerhalb eines Kanonenrohrs 40 vor der Zündung des
ersten Zünders
platziert.
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Bezug
nehmend nun auf 4, wird ein Beispiel eines Treibladungskartuschensystems
gezeigt, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung in einer verschobenen Treibladungskartuschenkonfiguration
konstruiert ist. 4 zeigt Ereignisse nach Zünden der
ersten Zündladung 90.
Es kann gesehen werden, dass das Projektil 50 sich nach
vorne bewegt im Verhältnis
zu seiner anfänglichen
Position. Im Betrieb, indem eine äußere Röhre 402 sich nach
vorne bewegt, trennt sie sich von der inneren Röhre 404. Der Sicherheitssensor 80,
der auch mechanisch mit dem Zündröhrenverschiebungssystem 64 gekoppelt
ist, arbeitet dann, um ein Bewegungssensoraktivierungssignal an
das Elektronikmodul 9 zu senden, um anzuzeigen, ob es sicher ist,
den zweiten Zünder 70 zu
zünden
oder nicht, wie oben unter Bezugnahme auf das Prozessflussdiagramm
von 1 erklärt.
Zur gleichen Zeit aktiviert der Druck vom Zünden der ersten Zündladung 90 ein Signal
in einem optionalen Drucksensor 105, das anzeigt, dass
es sicher ist, den zweiten Zünder 70 zum Zünden des
Hauptladungszündsystems 67 zu
triggern.
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Bezug
nehmend nun auf 5, wird eine schematische Ansicht
eines Beispiels eines Treibladungskartuschensystems in einer Treibladungskartuschenkonfiguration
nach Zündung
der Hauptladung gezeigt, welches in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist. Wie in 5 gezeigt,
wird die Treibladungskartusche abgeschossen durch Zünden des
Hauptladungszündsystems,
wie allgemein durch Flammenanzeigen angezeigt, die als Schattierung 500 gezeigt
sind. In Übereinstimmung
mit diesem Beispiel der Erfindung wird das Hauptladungszündsystem
nicht gezündet,
bis nach einer Countdown-Periode nach Zünden des ersten Zünders.
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Bezug
nehmend nun auf 6, wird ein graphischer Vergleich
eines Beispiels der Leistung eines Treibladungskartuschensystems
gezeigt, das in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, gegenüber einer
konventionell gezündeten
Treibladungskartusche. Der Graph in 6 beinhaltet
eine erste vertikale Achse 610, zweite vertikale Achse 612 und
eine horizontale Achse 614. Auch gezeigt sind eine erste
gezeichnete Kurve 602 und eine gezeichnete Kurve 604.
Die erste vertikale Achse 610 gibt Mündungsgeschwindigkeit in Metern pro
Sekunde für
eine erste Treibladungskartusche an, nämlich das Modell TERM-KE. Die
zweite vertikale Achse 612 zeigt die Mündungsgeschwindigkeit in Metern
pro Sekunde für
eine zweite Treibladungskartusche an, nämlich das Modell M829A2.
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Die
TERM-KE-Treibladungskartusche, aufgezeichnet in Kurve 602,
beinhaltet das elektronische Mehrfachimpuls-Zündsystem der Erfindung, und
die M829A2-Treibladungskartusche,
aufgezeichnet in Kurve 604, ist ein herkömmliches
Zündsystem, typischerweise
für 120mm-Hochleistungs-Panzermunition.
Die horizontale Achse 614 gibt Testtemperaturen in Grad
Fahrenheit an. Man beachte, dass Testdaten für Temperaturen zwischen –25 Grad
F und +120 Grad F zeigen, dass die TERM-KE-Treibladungskartusche
im Wesentlichen die gleiche Mündungsgeschwindigkeit
beibehalten hat, während
die herkömmliche
M829A2-Treibladungskartusche
einen Abfall von über
10 % in der Mündungsgeschwindigkeit
mit einer Verminderung der Temperatur gezeigt hat.