EP0992761B1 - Verfahren zum Korrigieren einer vorprogrammierten Auslösung eines Vorganges in einem drallstabilisierten Geschoss, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der Vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum Korrigieren einer vorprogrammierten Auslösung eines Vorganges in einem drallstabilisierten Geschoss, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der Vorrichtung Download PDF

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EP0992761B1
EP0992761B1 EP99117580A EP99117580A EP0992761B1 EP 0992761 B1 EP0992761 B1 EP 0992761B1 EP 99117580 A EP99117580 A EP 99117580A EP 99117580 A EP99117580 A EP 99117580A EP 0992761 B1 EP0992761 B1 EP 0992761B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
projectile
actual
muzzle velocity
magnetic field
rotations
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP99117580A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP0992761A1 (de
Inventor
Pierre H. Freymond
Klaus Muenzel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RWM Schweiz AG
Original Assignee
Oerlikon Contraves Pyrotec AG
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Publication date
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Publication of EP0992761A1 publication Critical patent/EP0992761A1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C11/00—Electric fuzes
    • F42C11/06—Electric fuzes with time delay by electric circuitry
    • F42C11/065—Programmable electronic delay initiators in projectiles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C17/00—Fuze-setting apparatus
    • F42C17/04—Fuze-setting apparatus for electric fuzes

Definitions

  • the invention relates to a method for correcting a preprogrammed trip a process in a spin-stabilized floor according to the preamble of the claim 1, an apparatus for performing this method according to the preamble of the claim 9 and a use of the device according to the preamble of the claim 10th
  • Methods and devices of this type are used in connection with the time preprogrammable Triggering functions in a spin-stabilized ballistic projectile used, the triggering of the function at a specific trigger location and thus in a certain triggering distance from the launch site or at a certain triggering time and thus should take place after a certain flight time.
  • timers the Disassembly after a certain or determinable time interval, for example starts at launch; initiated; in the case of revolution detonators, the decomposition becomes a certain or determinable number of revolutions that the floor after the Carried out, initiated.
  • the detonator can be timed for Disassembly can be communicated, for example, by remote reporting.
  • Such facilities point but various disadvantages; firstly, they require complex implementation a receiver and secondly there is a risk of hostile interference with the telecommunications processes, which can lead to incorrect temping. These disadvantages are so serious That is why it is often preferred to only provide a preprogrammed temp. which are no longer influenced during the flight, so none Telecommunication connection is necessary.
  • Pre-programmable revolution detonators are preprogrammed, preferably when charging, that the ignition after a certain, predetermined number of revolutions of the floor. Such preprogramming can be carried out without corrective measures to relatively inaccurate results because they reflect the deviations of the actual The flight behavior of the projectile does not depend on the theoretically determined flight behavior may take into account.
  • various measures can be taken that are based on having the effective rotational frequency of the projectile and / or the effective muzzle velocity correlated with the effective rotation frequency of the floor and determines this within the floor in the determination of the Includes tempering time.
  • the effective muzzle velocity outside the gun barrel immediately after its mouth by means of a coil arrangement with two spaced apart Measuring coils can be determined.
  • Such measuring coils are proportionate sensitive and therefore form a particularly vulnerable, at least for mobile guns Assembly.
  • the effective muzzle velocity can also be obtained by extrapolation from within of the gun barrel in the area of the muzzle cross-section measured bullet speed be determined.
  • the floor speed is measured here by means of two sensors arranged at a certain mutual distance from one another. The disadvantage of this is that this procedure is relatively complex Facilities on the gun barrel are necessary, and that results as a result extrapolation are not very accurate.
  • the bullet rotations are counted in conventional methods of this type Help of the earth's magnetic field.
  • the detonator has a counter that shows the number of round rotations continuously integrated.
  • the counter adds up continuously, i.e. throughout the entire period Floor flight time, the number of pulses between two rectified zero crossings this tension.
  • the ignition or the story dismantling takes place at one Detonator, which, as mentioned above, is referred to as a revolution detonator once the Number of summed pulses has reached a pre-programmed value.
  • EP-0 661 516-A1 discloses a multifunctional detonator for spin-stabilized projectiles, in which the actual muzzle velocity is calculated on the basis of the actual rotation frequency of the projectile.
  • the earth's magnetic field is used to determine the rotation frequency, with each projectile rotation providing a pulse.
  • the number of storey rotations is counted by summing the impulses caused by the storey rotations.
  • EP-0 661 516-A1 it is proposed, among other things, to carry out the ongoing determination of the flight duration or the flight path during a first flight phase of approximately 1000 meters via the number of storeys rotation; at the beginning of a second flight phase, starting at around 1000 meters, the transition from revolution counting to time counting should then be carried out, since it has been shown that the accuracy of revolution detonators is quite good at flight distances of up to about 1000 meters, but it is more accurate at longer flight distances inferior to timers.
  • the earth's magnetic field is thus during the relatively long first flight phase of 1000 meters or during the time required to fly this distance continuous counting of the floor rotations used. Disturbances in the earth's magnetic field can therefore affect the count for a very long time and thereby the accuracy severely affect the function of the igniter.
  • the measurement is carried out to determine the rotational frequency of the projectile only for a relatively short period of time, known as the calibration phase immediately after the projectile is fired.
  • the new process delivers Relatively accurate results because the bullet speed during this calibration phase only to a very small extent due to the floor rotation frequency determined muzzle velocity deviates. It is also advantageous that the influence of Interference of the earth's magnetic field remains low, since it only occurs during the relatively short Calibration phase affects.
  • Another advantage of the time limitation according to the invention Use of the earth's magnetic field is that that required for signal amplification in the igniter Energy is low.
  • the calibration phase is preferably calculated, specifically ideally so that the total error from the relevant unavoidable errors is possible becomes low.
  • the way in which such a calculation is carried out is described below; the requirements and simplifications made in such a calculation will of course affect their accuracy; higher accuracy needs to be done as usual can be bought with a greater effort.
  • the accuracy of the determination of the muzzle velocity essentially depends on the number of storey rotations during which the measurement or counting of the Pulses of the internal oscillator or frequency generator takes place. Will during measured on a large number of projectile rotations, the measuring method is on itself more precisely because of the influence of uncounted impulses, especially at the beginning and end the measurement, decreases proportionally; to keep the errors of the measurement method too small, is therefore the measurement during a large number of floor rotations advantageous.
  • the first relative error thus decreases with increasing R , as stated above.
  • the second relative error increases with increasing R, as stated above.
  • ⁇ is differentiated according to R and the result of this differentiation, ie d ⁇ / dR , is set to zero; the R that can be calculated from this corresponds to the Ropt sought.
  • R opt 2 ((tg ( ⁇ e)) / ( ⁇ * D)) 2 * (2 * V0 * ⁇ M) / (fz * (2a-k))
  • Ropt By pulling the root out of Ropt 2 you finally get Ropt. It is not possible to determine an Ropt in the manner of an invariant key figure; Ropt can - even with the underlying simplifications - only be calculated taking into account the respective geometric conditions such as caliber D and final twist angle ⁇ e and the respective muzzle velocity V0 .
  • Eight floor rotations correspond to a distance of approximately 10 meters that the floor travels on its trajectory.
  • the earth's magnetic field is exemplary in this Use case according to the above calculation during a flight path of approx. 10 meters; in the previously known method, however, the earth's magnetic field is during a flight path of 1000 meters, i.e. on a 100 times longer route and therefore during one used more than 100 times longer.
  • the inventive Method is far more accurate than the previously known method because during the limited Number of storey rotations the drop in speed is insignificant and since a disturbance of the earth's magnetic field only occurs during the very limited calibration phase affects and thereby results in significantly fewer errors than the previously known Method. This also applies if it is taken into account that the above calculation with numerous Simplifications and inaccuracies.
  • the new method uses the earth's magnetic field to determine the effective muzzle velocity of the projectile via the effective projectile rotation frequency.
  • the conventional method takes place in such a way that each projectile rotation delivers a pulse and that during a defined time interval which is given by an internal projectile oscillator, the number of projectile rotations is counted by summing the pulses caused by the projectile rotations.
  • the actual muzzle velocity is determined according to formula ( 1 ):
  • the muzzle velocity V0s calculated in this way is directly proportional to the measured value, i.e. the measured value of the number of projectile rotations.
  • this measurement method is not very precise.
  • the number of pulses of the frequency generator per floor rotation is measured or counted, by changing the position of the floor, i.e. the floor rotation, in the Course of its rotation by changing a tension in a suitably arranged Coil arrangement on the floor determines what voltage is caused by the earth's magnetic field is induced. It should be mentioned here again that to determine a floor rotation instead of the physical properties of the earth's magnetic field also the physical ones Properties of another magnetic field can be used.
  • a coil device is generally used to determine the earth's magnetic field, in which changes the earth's magnetic field sinusoidally with the natural rotation of the projectile Voltage is induced.
  • a coil can be used to harness the earth's magnetic field also another suitable device, for example magnetic sensors such as Hall elements or field plates.
  • Fig. 1 shows schematically a fire control device 1 and an igniter 2 of a floor, not shown in the following.
  • the igniter 2 receives an input from the fire control device 1 via a gun electronics via a decoder 3 with the standard muzzle velocity or the standard rotation frequency and the standard final twist angle or, if applicable, the actual final twist angle, which has otherwise been determined and entered, as well as with data regarding the movement of the flight target, which is to be hit by the projectile, whereby the temping or the theoretical standard decomposition time. is set.
  • a measuring device 5 is used for the autonomous measurement of the effective rotational frequency of the projectile using the earth's magnetic field 4 immediately after the muzzle.
  • the result of the autonomous measurement is then compared at 6 with the corresponding standard values, from which a correction or update of the standard values to updated values can be determined at 7 ;
  • the correction shows the updated programmed disassembly time.
  • This is compared at 8 with the current time, and as soon as the current time reaches the value of the updated programmed disassembly time, the disassembly is initialized at 9 and an ignition pulse I is given to disassemble the projectile.
  • FIGS. 2 and 3 are to pre-program a detonator in a spin-stabilized projectile fired by a gun before the launch phase in such a way that the projectile is broken down into projectile fragments or sub-projectiles after a certain flight duration takes place at a certain point in time and then updates this programming.
  • the gun has a gun electronics, via which it is connected to a fire control device, not shown.
  • the fire control device calculates the theoretical or
  • Standard disassembly time of the projectile fired from a gun barrel of the gun This calculation assumes that the muzzle velocity is the theoretical muzzle velocity.
  • the final twist angle can theoretically known end twist angle or, preferably, the effective end twist angle, where in the first case, the correction of the final twist angle by the fire control device or Gun electronics is done.
  • a correction or update is then carried out programming the disassembly time taking into account the actual muzzle velocity or floor rotation frequency and possibly the actual measured Enddrallwinkels.
  • the example shown in FIG. 2 is to pre-program a detonator in a spin-stabilized projectile 100 fired by a gun 10 prior to the launch phase in such a way that the projectile 100 is broken down into projectile fragments or sub-projectiles after a specific flight duration or to a specific one Time takes place.
  • the detonator does not know the speed VT of the target.
  • the gun 10 has a gun electronics 11 , via which it is connected to a fire control device, not shown.
  • the fire control device calculates in the usual way the distance a between the gun 10 and the location of the disassembly of the projectile shot from a gun barrel of the gun as a function of the speed of the target.
  • the theoretical flight time TP N until the projectile is disassembled is calculated.
  • This calculation assumes that the muzzle velocity is the theoretical muzzle velocity or standard muzzle velocity V0 N and the final helix angle is the theoretical final helix angle ⁇ e N.
  • the theoretical disassembly time or flight time to disassembly calculated in this way is transmitted to the gun 10 and passed on to a first counter or a shift register 102 of the projectile 100 via a coil driver 12 and a decoder 14 , and there as a theoretical or preprogrammed flight duration or disassembly time memorized.
  • An oscillator 106 is arranged on the projectile 100 or on its igniter, the oscillator frequency of which is considered to be constant is fZ . Furthermore, a coil 108 is arranged on the projectile 100 or on the detonator, in which the earth's magnetic field H induces a voltage which changes sinusoidally when the projectile 100 rotates. This voltage is amplified by means of an amplifier 110 and the rotational frequency fG of the projectile is determined therefrom. Element 112 then determines a calibration value which is equal to the quotient fZ / fG (switch S2 open, switch S1 closed ).
  • the oscillator frequency fZ is divided by the calibration value at 116 , and the result of this division is then divided at 117 by a previously determined reduction factor K1 (switch S2 closed , switch S1 open).
  • K1 reduction factor
  • the result of this second division reaches a second counter 118 and is summed there during the flight time of the projectile.
  • the product of the flight time of the projectile TP and the muzzle velocity is invariant.
  • the above-described device according to FIG. 2 is suitable for carrying out the new method in cases in which targets which are at rest or moving at relatively low speeds have to be combated; these are terrestrial targets or, if necessary, slow flight targets such as combat helicopters.
  • the device described below with reference to FIG. 3 is more complex to implement than the device according to FIG. 2 , but it is also suitable for cases in which rapidly approaching flight destinations have to be combated.
  • K and K1 are factors that are used to take into account certain variable, but each for at least one shot of fixed sizes.
  • the factor K is determined by the fire control system.
  • the factor K1 takes into account the final twist angle ⁇ e .
  • T1 TP N * (V0 N + VT) / (V0 + VT)
  • T1 TP N * (V0 N + VT) / ( ⁇ V + V0 N + VT).
  • T1 TP N * (1 - ⁇ V / (V0 N + VT))
  • the detonator can independently calculate the exact disassembly time T1 ; it is essential that the formula (24) contains only known quantities for K.
  • the autonomous measurement for determining the effective muzzle velocity V0 now takes place second, the switch S1 being closed and the switch S2 being open.
  • the actual muzzle velocity depends on the final twist angle. Since the value of the actual final twist angle deviates from the value of the standard final twist angle or differs from gun barrel to gun barrel, it must also be determined and included in the calculations. This angle is preferably determined beforehand, and a value with the actual final twist angle is already fed into the register 204 .
  • the earth's magnetic field H induces a voltage in the coil 208 , which is amplified by means of the amplifier 220 .
  • an oscillator 206 with a frequency of 5 MHz is used to determine the actual muzzle velocity, and a division by 5 takes place in a divider 226 .
  • (V0 * K1) is calculated, switch S1 being open and switch S2 being closed.
  • the programmable divisor which essentially comprises a second counter 222 and a comparator 230 , is started. The programmable divisor results in a reduction.
  • the second counter 222 counts up to the counter reading of the first counter 221 , whereupon a reset takes place and the second counter 222 is reset to zero.
  • the serial result is summed in a third counter 223 during exactly 200 ms. This time of 200 ms is determined by a precision oscillator 228 with 4KHZ.
  • R1 comes from formula (25).
  • the result is available at the output of the subtraction level.
  • a fifth step the just calculated differential speed is multiplied by the value K / K1 stored in the register 204 in a multiplier 234 , whereby the factor K1 is eliminated.
  • TP TP N + K * (V0 N - V0)
  • the moment of disassembly is determined in a seventh step.
  • the pulses of the 4 kHz oscillator 228 are summed in a fourth counter 224 .
  • the counter reading of the fourth counter 224 is compared with the determined value for the actual disassembly time. As soon as the count of the fourth counter 224 coincides with the actual disassembly time from the addition stage 236 , a pulse I is issued for the disassembly. of the floor.
  • the disassembly is blocked during a safety time, for example during 220 ms, which are supplied by the oscillator 228 or the counter 224 over 240 .

Landscapes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Korrigieren einer vorprogrammierten Auslösung eines Vorganges in einem drallstabilisierten Geschoss nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 9 und eine Verwendung der Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Verfahren und Vorrichtungen dieser Art werden im Zusammenhang mit dem zeitlich vorprogrammierbaren Auslösen von Funktionen in einem drallstabilisierten ballistischen Geschoss verwendet, wobei das Auslösen der Funktion an einem bestimmten Auslöseort und somit in einem bestimmten Auslöseabstand vom Abschussort bzw. zu einem bestimmten Auslösezeitpunkt und somit nach einer bestimmten Flugzeit erfolgen soll. Die Funktion, die derart ausgelöst werden soll, kann eine beliebige Funktion sein; bei ballistischen Geschossen wird auf diese Weise im allgemeinen der Zeitpunkt der Zerlegung in Teilgeschosse bzw. der Zersplitterung bestimmt.
Es ist seit langem bekannt, bei Geschossen verschiedener Art, also nicht nur bei drallstabilisierten Geschossen, zur Bestimmung des Auslösezeitpunktes einen Zeitzünder mit fester oder einstellbarer Auslösezeit zu benutzen, wobei Geschosse mit Zeitzündern mit einstellbarer Zeit als sogenannte tempierbare Geschosse bezeichnet werden.
Prinzipiell können bei drallstabilisierten Geschossen zwei Typen von tempierbaren Zündern verwendet werden, nämlich Zeitzünder und Umdrehungszünder. Bei Zeitzündern wird die Zerlegung nach Ablauf eines bestimmten bzw. bestimmbaren Zeitintervalls, das beispielsweise beim Abschuss beginnt; initiiert; bei Umdrehungszündem wird die Zerlegung nach einer bestimmten bzw. bestimmbaren Anzahl Umdrehungen, die das Geschoss nach dem Abschuss durchführt, initiiert.
Zur Einstellung der Zeitzünder bzw. zum sogenannten Tempieren von tempierbaren Geschossen sind verschiedene Methoden bekannt. Dabei ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen Geschossen, bei denen das Tempieren vor dem Abschuss aufgrund theoretischer Berechnungen definitiv erfolgt und Geschossen, bei denen das Tempieren nach dem Abschuss erfolgt, wobei Abweichungen von theoretisch ermittelten Werten, beispielsweise für den Zerlegungsort, die Zerlegungszeit, die Mündungsgeschwindigkeit oder ggfs. den Enddrallwinkel berücksichtigt werden können. Der Variationsbereich eines dieser Parameter, beispielsweise der Mündungsgeschwindigkeit oder des Enddrallwinkels, liegt normalerweise in einem Bereich von weniger als 5%.
Bei während des Fluges tempierbaren Geschossen kann dem Zünder der Zeitpunkt der Zerlegung beispielsweise durch Fernmeldung mitgeteilt werden. Solche Einrichtungen weisen aber verschiedene Nachteile auf; erstens bedingen sie eine aufwendige Implementierung eines Empfängers und zweitens besteht die Gefahr feindlicher Störung der Fernmeldevorgänge, was zu einer unrichtigen Tempierung führen kann. Diese Nachteile sind so gravierend, dass daher häufig vorgezogen wird, nur eine vorprogrammierte Tempierung vorzusehen, auf welche im Laufe des Fluges keinerlei Einfluss mehr genommen wird, so dass keine Fernmeldeverbindung notwendig ist.
Vorprogrammierbare Umdrehungszünder werden, vorzugsweise beim Laden, so vorprogrammiert, dass die Zündung nach einer bestimmten, vorgegebenen Anzahl Umdrehungen des Geschosses erfolgt. Ohne korrigierende Massnahmen führen aber solche Vorprogrammierungen zu verhältnismässig ungenauen Ergebnissen, da sie die Abweichungen des tatsächlichen Flugeverhaltens des Geschosses vom theoretisch ermittelten Flugverhalten nicht berücksichtigen können.
Es ist jedem Fachmann bekannt, dass eine wesentliche Grösse, welche das Flugverhalten eines Geschosses bestimmt, seine Mündungsgeschwindigkeit ist. Im allgemeinen weicht die effektive Mündungsgeschwindigkeit aus verschiedenen Gründen von der theoretisch berechneten Mündungsgeschwindigkeit ab, was zur Folge hat, dass der effektive Raum/Zeitpunkt der Zerlegung des Geschosses vom erwünschten bzw. theoretisch ermittelten Raum/Zeitpunkt der Zerlegung abweicht.
Um solche Abweichungen zu verhindern oder mindestens zu begrenzen und dennoch keine aufwendige Fernmeldeeinrichtung vorzusehen, können verschiedene Massnahmen getroffen werden, die darauf beruhen, dass man die effektive Umdrehungsfrequenz des Geschosses und/oder die mit der effektiven Umdrehungsfrequenz korrelierte effektive Mündungsgeschwindigkeit des Geschosses feststellt und diese geschossintern in die Bestimmung der Tempierzeit einbezieht.
Zur Ermittlung der effektiven Mündungsgeschwindigkeit von Geschossen sind verschiedene Verfahren bekannt.
Beispielsweise kann die effektive Mündungsgeschwindigkeit ausserhalb des Geschützrohres unmittelbar nach dessen Mündung mittels einer Spulenanordnung mit zwei voneinander beabstandeten Messspulen ermittelt werden. Solche Messspulen aber sind verhältnismässig empfindlich und bilden daher mindestens bei mobilen Geschützen eine besonders gefährdete Baugruppe.
Die effektive Mündungsgeschwindigkeit kann auch durch Extrapolation aus einer innerhalb des Geschützrohres im Bereich von dessen Mündungsquerschnitt gemessenen Geschossgeschwindigkeit ermittelt werden. Die Messung der Geschossgeschwindigkeit erfolgt hierbei mittels zweier in einem bestimmten gegenseitigen Abstand voneinander angeordneter Sensoren. Ungünstig daran ist, dass zur Durchführung dieses Verfahrensverhältnismässig aufwendige Einrichtungen am Geschützrohr notwendig sind, und dass die Ergebnisse als Folge der Extrapolation nicht sehr genau sind.
Um die Nachteile der oben erwähnten Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit zu vermeiden, wird auch versucht, die tatsächliche Mündungsgeschwindigkeit der Geschosse zwar nach deren Abschuss jedoch ohne zusätzliche Einrichtungen am Geschützrohr zu ermitteln.
Da in der Flugphase unmittelbar nach dem Abschuss ein fester Zusammenhang zwischen der Geschossgeschwindigkeit und der Geschossrotationsfrequenz besteht, wird versucht, den Zeitpunkt der Geschosszerlegung statt mit der Geschossgeschwindigkeit mit der entsprechenden Anzahl Geschossrotationen, die das Geschoss bei seinem Flug längs seiner Flugbahn ausführt, zu korrelieren.
Die Zählung der Geschossrotationen erfolgt bei herkömmlichen Verfahren dieser Art mit Hilfe des Erdmagnetfeldes. Der Zünder besitzt einen Zähler, welcher die Anzahl der Geschossrotationen kontinuierlich aufintegriert. Durch den Drall des Geschosses bzw. seine Rotation im wesentlichen um die Geschosslängsachse wird im Zünder, zum Beispiel in einer dafür angeordneten Spule, durch das Erdmagnetfeld eine Spannung induziert, welche über der Zeit sinusförmig verläuft. Der Zähler summiert fortlaufend, also während der gesamten Flugdauer des Geschosses, die Anzahl der Impulse zwischen zwei gleichgerichteten Nulldurchgängen dieser Spannung. Die Zündung bzw. die Geschosszerlegung erfolgt bei einem Zünder, der wie weiter oben erwähnt als Umdrehungszünder bezeichnet wird, sobald die Anzahl der summierten Impulse einen vorprogrammierten Wert erreicht hat.
Dieses Verfahren weist mehrere Nachteile auf. Die Zählung der Umdrehungen des Geschosses findet entweder während dessen gesamter Flugzeit oder nur unmittelbar nach dem Abschuss, jedoch mit einer späteren Kontrolle beispielsweise nach 80% der ungefähren Flugzeit statt. Weil die vom Erdmagnetfeld induzierte Spannung nur nutzbar ist, wenn sie verstärkt wird, und weil für diese Verstärkung Energie benötigt wird, muss wegen der verhältnismässig langen Benutzung des Erdmagnetfeldes eine beträchtliche Menge an Energie für diese Verstärkung vorgesehen werden. Ferner können durch feindliche Störsender Störungen des vom Erdmagnetfeld induzierten Spannungsverlaufes und der daraus abgeleiteten Grössen hervorgerufen werden; der Einfluss dieser Störungen ist umso bedeutender, je länger die Benutzung des Erdmagnetfeldes andauert.
Mit der EP-0 661 516-A1 ist beispielsweise ein multifunktionaler Zünder für drallstabilisierte Geschosse bekanntgeworden, bei welchem die tatsächliche Mündungsgeschwindikeit auf Grund der tatsächlichen Rotationsfrequenz des Geschosses berechnet wird. Zur Ermittlung der Rotationsfrequenz wird das Erdmagnetfeld benutzt, wobei jede Geschossrotation einen Impuls liefert. Während eines definierten Zeitintervalles, das durch einen geschossinternen Oszillator gegeben wird, wird die Anzahl der Geschossrotationen gezählt, indem die durch die Geschossrotationen verursachten Impulse summiert werden. Die tatsächliche Mündungsgeschwindigkeit bestimmt sich hierbei nach der folgenden Formel (1): V0s = (N1s * π * Ds) / (Ts * tg (es))
In dieser Formel wurden die Indexe 's' gesetzt, um klarzustellen, dass es sich bei den darin benutzten Begriffe um solche handelt, die dem Stand der Technik, wie er durch die erwähnte EP-0 661 516-A1 beschrieben ist, entnommen sind, und um Verwechslungen mit den Bezeichnungen in weiteren Formeln, welche die Erfindung betreffen, zu vermeiden. Es bedeuten in Formel (1)
V0s
die aufgrund der Messung berechnete Mündungsgeschwindigkeit
Ts
die Messzeitspanne
N1s
die gemessene Anzahl der Geschossrotationen
es
den Enddrallwinkel
Ds
das Kaliber
Tg
die Tangensfunktion
In der EP-0 661 516-A1 wird unter anderem vorgeschlagen, die laufende Bestimmung der Flugdauer bzw. des Flugweges während einer ersten Flugphase von etwa 1000 Metern über die Geschossrotationszahl vorzunehmen; bei Beginn einer zweiten Flugphase, ab etwa 1000 Metern, soll dann von Umdrehungszählung auf Zeitzählung übergegangen werden, da es sich erwiesen habe, dass die Genauigkeit von Umdrehungszündern zwar bei Flugdistanzen bis etwa 1000 Meter recht gut sei, dass sie aber bei längeren Flugdistanzen der Genauigkeit von Zeitzündern unterlegen sei.
Das Erdmagnetfeld wird also während der verhältnismässig langen ersten Flugphase von 1000 Metern bzw. während der zum Durchfliegen dieser Distanz benötigten Zeitspanne zum laufenden Zählen der Geschossrotationen benutzt. Störungen des Erdmagnetfeldes können sich also während einer sehr langen Zeit auf die Zählung auswirken und dadurch die Genauigkeit der Funktion des Zünders stark beeinträchtigen.
Die Aufgabe der Erfindung wird somit darin gesehen,
  • ein verbessertes Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit welchem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden,
  • eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen; und
  • eine Verwendung dieser Vorrichtung vorzuschlagen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäss
  • für das Verfahren durch die Merkmale des Anspruchs 1;
  • für die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 9; und
  • für die Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 10.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Vorrichtung werden durch die jeweiligen abhängigen Patentansprüche definiert.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Verfahren gemäss der folgenden Beschreibung auf Effekten beruht, die sich in Geschossen aufgrund von Auswirkungen eines Magnetfeldes ergeben, wobei als Beispiel stets das Erdmagnetfeld erwähnt wird; entsprechende Effekte können aber auch durch andere, das heisst künstlich erzeugte Magnetfelder hervorgerufen werden.
Im weiteren wird darauf hingewiesen, dass im folgenden von der Auslösung der Zerlegung eines Geschosses die Rede sein wird; die Zerlegung ist aber nur als ein Beispiel für vorprogrammierte und nach dem Verfahren der Erfindung korrigierbare Vorgänge in Geschossen.
Erfindungsgemäss erfolgt die Messung zur Bestimmung der Rotationsfrequenz des Geschosses nur während einer verhältnismässig geringen Zeitspanne, die als Eichphase bezeichnet wird, unmittelbar nach dem Abschuss des Geschosses. Das neue Verfahren liefert verhältnismässig genaue Ergebnisse, weil während dieser Eichphase die Geschossgeschwindigkeit nur in sehr geringem Masse von der aufgrund der Geschossrotationsfrequenz ermittelten Mündungsgeschwindigkeit abweicht. Vorteilhaft ist ferner, dass der Einfluss von Störungen des Erdmagnetfeldes gering bleibt, da er sich nur während der relativ kurzen Eichphase auswirkt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen zeitlichen Begrenzung der Benutzung des Erdmagnetfeldes liegt darin, dass die zur Signalverstärkung im Zünder benötigte Energie gering ist.
Nach der Eichphase geschieht im Geschoss alles weitere zwangsläufig bzw. ohne die Möglichkeit einer weiteren Einflussnahme von aussen. Obwohl also das neue Verfahren kein iteratives Verfahren ist, da man darauf verzichtet, nach der Eichphase noch Einfluss auf das Geschehen im Zünder zu nehmen, beispielsweise zur Berücksichtigung neu auftretender meteorologischer Einflüsse oder Veränderungen der Flugbahnen der Ziele; so ist es dennoch verhältnismässig genau, da das ballistische Verhalten der Geschosse und der Flugzielen im Rahmen der insgesamt kurzen Zeitabschnitte der Flugdauer im allgemeinen hinreichend bekannt oder dann unbedeutend sind.
Es ist leicht einzusehen, dass die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens notwendigen Berechnungen in Einzelheiten auf unterschiedlichen Wegen bzw. mit Hilfe unterschiedlicher Einrichtungen durchgeführt werden können.
Vorzugsweise wird bei erfindungsgemässen Verfahren die Eichphase berechnet, und zwar am besten so, dass der Gesamtfehler aus den relevanten unvermeidbaren Fehlern möglichst gering wird. Im folgenden wird die Durchführung einer solchen Berechnung dargelegt; die Voraussetzungen und Vereinfachungen, welche bei einer solchen Berechnung getroffen werden, beeinflussen natürlich ihre Genauigkeit; eine höhere Genauigkeit muss wie üblich mit einem grösseren Aufwand erkauft werden.
Die Genauigkeit der Ermittlung der Mündungsgeschwindigkeit hängt im wesentlichen von der Anzahl der Geschossrotationen ab, während welcher die Messung bzw. Zählung der Impulse des geschossinternen Oszillators bzw. Frequenzgenerators stattfindet. Wird während einer grossen Anzahl von Geschossrotationen gemessen, so ist das Messverfahren an sich genauer, da der Einfluss nicht gezählter Impulse, insbesondere zu Beginn und zu Ende der Messung, verhältnismässig abnimmt; um die Fehler der Messmethode zu klein zu halten, ist demzufolge die Messung während einer grossen Anzahl von Geschossrotationen vorteilhaft. Mit der Anzahl der Geschossrotationen erhöht sich aber auch die Zeitspanne, in welcher das Geschoss sich vorwärts bewegt, wobei es an Geschwindigkeit und Rotationsfrequenz verliert, was ebenfalls zu einem Fehler führt, der nur mit einem bedeutenden Rechenaufwand korrigierbar wäre; um den mit der Geschwindigkeitsabnahme im Zusammenhang stehenden Fehler klein zu halten, ist daher die Messung während der kleinstmöglichen Anzahl von Geschossrotationen günstig. Da der erstgenannnte Fehler mit zunehmender Anzahl der Geschossrotationen abnimmt, der zweitgenannte Fehler aber mit zunehmender Anzahl der Geschossrotationen zunimmt, gibt es eine optimale Anzahl Geschossrotationen, bei welcher die Summe der genannten Fehler bzw. der Gesamtfehler minimal wird. Mit der folgenden Berechnung wird diese optimale Anzahl Geschossrotationen ermittelt.
Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Benutzung des Erdmagnetfeldes in dem Sinne stattfindet, dass die Anzahl der Impulse eines geschossinternen Impulsgenerators bzw. Oszillators während einer bestimmten Anzahl von Rotationen des Geschosses gemessen bzw. summiert wird. Es wird aber darauf hingewiesen, dass auch andere Möglichkeiten zur Ermittlung der effektiven RoOtationsfrequenz oder der effektiven Mündungsgeschwindigkeit des Geschosses unter Benutzung des Erdmagnetfeldes möglich sind, und dass der durch die Erfindung erzielte Fortschritt nicht auf Verfahren mit dieser Mess- bzw. Berechnungsmethode beschränkt sein soll sondern in der starken Limitierung der Zeitspanne, während welcher das Erdmagnetfeld benutzt wird, zu sehen ist.
Der erste relative Fehler wird wie folgt bestimmt: Ein geschossintemer Oszillator mit fester Oszillatorfrequenz liefert, während das Geschoss eine bestimmte Anzahl von Rotationen ausführt, M Impulse, wobei sich M nach der folgenden Formel (2) berechnet: M = (fz * π * D * R) / (V0 * tg(e))
Es bedeuten mit Bezug auf Formel (2) und weitere Formeln:
M
die Anzahl der gezählten Impulse des geschossintemen Oszillators
R
die Anzahl der Geschossrotationen während welchen die Impulse des Oszil lators gezählt werden
V0
die tatsächliche Mündungsgeschwindigkeit
e
den Endrallwinkel
D
das Kaliber
fZ
die konstante Frequenz des geschossinternen Frequenzgenerators bzw. Oszillators
tg
die Tangensfunktion.
Werden während der Zählung ΔM Impulse nicht gezählt, so beträgt der relative erste Fehler ΔM/M = ((ΔM * V0 * tg (e)) / (fz * π * D)) * 1/R
Der erste relative Fehler nimmt also, wie oben behauptet, mit zunehmendem R ab.
Der zweite relative Fehler bezieht sich auf die Abweichung des Flugweges bzw. der Flugzeit vom theoretischen Wert und berechnet sich nach der folgenden Formel (4) wie folgt: Δs/s = ((π * D * (a - k)) / (2 * tg (e))) * R
Es bedeuten
s
den vom Geschoss theoretisch zurückgelegten Weg
Δs
den Unterschied zwischen dem theoretisch vom Geschoss zurückgelegten Weg und dem tatsächlich vom Geschoss zurückgelegten Weg
(2a-k)
ein Korrekturglied, wobei a der Antonio-Faktor ist.
Der zweite relative Fehler nimmt also, wie oben behauptet, mit zunehmendem R zu.
Der relative Gesamtfehler, der mit ε bezeichnet wird, beträgt somit gemäss Formel (5): ε=ΔM/M+Δs/s=((ΔM * V0 * tg(e))/(fz * π * D))*1/R + ((π * D * (2a - k))/(2 * tg (e)))*R
Um dasjenige optimale Ropt zu finden, bei welchem ε minimal ist, wird ε nach R differenziert und das Ergebnis dieser Differentiation, also dε/dR, Null gesetzt; das daraus berechenbare R entspricht dem gesuchten Ropt. dε/dR = -1/R2 * ((ΔM * V0 * tg(e)) / (fz*π*D)) + ((π*D * (2a - k)) / (2 tg (e))) = 0 Ropt2 = ((tg (e))/(π * D))2 * (2 * V0 * ΔM) / (fz * (2a -k))
Durch Ziehen der Wurzel aus Ropt2 erhält man schliesslich Ropt. Es ist nicht möglich, ein Ropt in der Art einer invarianten Kennzahl zu bestimmen; Ropt kann - selbst mit den zugrunde gelegten Vereinfachungen - jeweils nur unter Berücksichtigung der jeweiligen geometrischen Verhältnisse wie Kaliber D und Enddrallwinkel e sowie und der jeweiligen Mündungsgeschwindigkeit V0 berechnet werden.
Die obige Berechnung von Ropt erfolgte unter verschiedenen Vereinfachungen. Insbesondere wurden in der Gleichung für ε die Faktoren, mit denen 1/R bzw. R multipliziert sind, als konstant betrachtet, was in Wirklichkeit nur unmittelbar nach dem Abschuss zutrifft. Die folgende beispielsweise Berechnung von Ropt für einen üblichen Fall wird aber zeigen, dass Ropt so gering ist, dass die erwähnten Vereinfachungen im Rahmen der Genauigkeit des gesamten Verfahrens tolerabel sind. Mit
ΔM =   2 Impulse
fz =   1 MHz
V0 =   1050 m/sec
(2a-k) =   71.2 * 1/1 000 000
D =   35 mm
e =   6.5 °
erhält man für die optimale Anzahl der Geschossrotationen, während welchen die Impulse des Oszillators gezählt werden sollten, den Wert Ropt = 8 Geschossrotationen
Acht Geschossrotationen entsprechen hierbei einer Distanz von ca. 10 Metern, die das Geschoss auf seiner Flugbahn zurücklegt. Das Erdmagnetfeld wird also in diesem beispielhaften Fall nach der obigen Berechnung während eines Flugweges von ca. 10 Metern benutz; beim vorbekannten Verfahren wird das Erdmagnetfeld dagegen während eines Flugweges von 1000 Metern, also auf einer 100 mal längeren Strecke und demzufolge während einer mehr als 100 mal längeren Zeitspanne benutzt. Es ist offensichtlich, dass das erfindungsgemässe Verfahren weit genauer ist als das vorbekannte Verfahren, da während der begrenzten Anzahl der Geschossrotationen der Geschwindikgkeitsabfall unbedeutend ist und da eine Störung des Erdmagnetfeldes sich nur während der sehr begrenzten Eichphase auswirkt und dadurch bedeutend geringere Fehler zur Folge hat als beim vorbekannten Verfahren. Dies gilt auch dann, wenn berücksichtigt wird, dass die obige Rechnung mit zahlreichen Vereinfachungen und Ungenauigkeiten behaftet ist.
Wie bereits mehrfach erwähnt, wird beim neuen Verfahren, wie bei herkömmlichen Verfahren das Erdmagnetfeld benutzt, um auf dem Weg über die effektive Geschossrotationsfrequenz die effektive Mündungsgeschwindigkeit des Geschosses zu ermitteln. Das herkömmliche Verfahren spielt sich so ab, dass jede Geschossrotation einen Impuls liefert, und dass während eines definierten Zeitintervalles das durch einen geschossinternen Oszillator gegeben wird, die Anzahl der Geschossrotationen gezählt wird, indem die durch die Geschossrotationen verursachten Impulse summiert werden. Die tatsächliche Mündungsgeschwindigkeit bestimmt sich hierbei nach Formel (1): Zwar ist die auf diese Weise berechnete Mündungsgeschwindigkeit V0s direkt proportional zum Messwert, also zur gemessenen Wert der Anzahl der Geschossdrehungen. Dennoch ist das dieses Messverfahren infolge der geringen Auflösung nicht sehr genau. Dagegen wird nach der Erfindung vorzugsweise so vorgegangen, dass die Impulse eines geschossinternen Frequenzgenerators bzw. Oszillators während einer bestimmten Anzahl Geschossrotationen gemessen bzw. gezählt werden und die Berechnung der tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit dann nach der folgenden Formel (8) erfolgt: V0 = (fz * π * D) / (tg (e) * R)
Wegen der besseren Auflösung erzielt man mit dieser bevorzugten Variante des neuen Verfahrens genauere Ergebnisse als mit dem vorbekannten Verfahren, obwohl die zu berechnende Mündungsgeschwindigkeit dem Messwert, also der gemessenen bzw. summierten Anzahl der Impulse des geschossinternen Oszillators, nur indirekt proportional ist.
Gemessen bzw. gezählt werden die Anzahl Impulse des Frequenzgenerators pro Geschossrotation, indem die Veränderung der Lage des Geschosses, also die Geschossrotation, im Laufe seiner Rotation durch die Veränderung einer Spannung in einer geeignet angeordneten Spulenanordnung im Geschoss festgestellt wird, welche Spannung durch das Erdmagnetfeld induziert wird. Es sei hier nochmals erwähnt, dass zur Ermittlung einer Geschossrotation anstelle der physikalischen Eigenschaften des Erdmagnetfeldes auch die physikalischen Eigenschaften eines anderen Magnetfeldes benutzt werden können.
Wie schon erwähnt, gilt für die Abweichung der tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit von der theoretischen Mündungsgeschwindigkeit etwa die Relation ΔV0/V0 <5%. Vereinfachend wird für die weiteren Berechnungen angenommen, der an sich geschwindigkeitsabhängige Widerstandsbeiwert für das Geschoss sei konstant, was aufgrund der erwähnten Relation zulässig ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigen
Fig. 1
das erfindungsgemässe Verfahren in schematischer Darstellung;
Fig. 2
ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in schematischer Darstellung;
Fig. 3
ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, in schematischer Darstellung; und
Es sei vorausgeschickt, dass alle in der vorliegenden Beschreibung erwähnten Zahlenangaben lediglich als Beispiele zu betrachten sind, die im Rahmen der Erfindung entsprechend den jeweiligen Bedingungen in gewissen Grenzen veränderbar sind.
Zur Ermittlung des Erdmagnetfeldes wird im allgemeinen eine Spuleneinrichtung benutzt, in welcher das Erdmagnetfeld eine mit der Eigenrotation des Geschosses sinusförmig ändernde Spannung induziert wird. Anstelle einer Spule kann aber zur Nutzbarmachung des Erdmagnetfeldes auch eine andere geeignete Einrichtung, beispielsweise magnetische Sensoren wie Hall-Elemente oder Feldplatten, eingesetzt werden.
Die folgenden Bezeichnungen und mathematischen Relationen werden zur Erläuterung der Erfindung verwendet:
TPN:
programmierte Zeit der Zerlegungs bzw. Norm-Zerlegungszeit; diese wird unter Berücksichtigung der theoretischen Mündungsgeschwindigkeit bzw.
Umdrehungsfrequenz und aufgrund des theoretischen Enddrallwinkels ermittelt.
VON:
theoretische Mündungsgeschwindigkeit bzw. Norm-Mündungsgeschwindigkeit
eN:
theoretischer Enddrallwinkel bzw. Norm-Enddrallwinkel des Geschosses an der Mündung
TP:
tatsächliche bzw. aktualisierte Zeit der Zerlegung
V0:
tatsächliche bzw. aktualisierte Mündungsgeschwindigkeit
e:
tatsächlicher Enddrallwinkel
D:
Kaliber
fZ:
konstante Oszillator-Frequenz
tg:
Tangens-Funktion
fGN:
theoretische Rotationsfrequenz bzw. Norm-Rotationsfrequenz des Geschosses an der Mündung; es gilt: fGN = (V0N * tg(eN)) / (π * D)
fG:
tatsächliche Rotationsfrequenz des Geschosses an der Mündung; es gilt: fG = (V0 * tg(e)) / (π * D)
TGN:
theoretische Zeitperiode bzw. Norm-Zeitperiode für eine Geschossrotation an der Mündung; es gilt: TGN = 1 / fGN = π * D / (V0N * tg(eN))
TG:
tatsächliche Zeitperiode für eine Geschossrotation an der Mündung; es gilt: TG = 1 / fG = π * D / (V0 * tg(e))
M1N:
theoretische Anzahl bzw. Norm-Anzahl Impulse des Oszillators während ei ner Geschossrotation an der Mündung; es gilt M1N = fZ / fGN = fZ * TGN
R1:
tatsächliche Anzahl Impulse des Oszillators während einer Geschossrotation an der Mündung; es gilt R1 = fZ / fG = fZ * TG
x0:
Rotationslänge, das heisst Strecke der Flugbahn, die das Geschoss auf der Flugbahn unmittelbar nach der Mündung während einer Geschossrotation zurücklegt; x0 ist invariant mit der Mündungsgeschwindigkeit V0; es gilt: x0 = (π * D) / (tg (e)) = 1 / K1
Fig. 1 zeigt schematisch ein Feuerleitgerät 1 sowie einen Zünder 2 eines im weiteren nicht dargestellten Geschosses. Der Zünder 2 erhält über einen Decoder 3 vom Feuerleitgerät 1 über eine Geschützelektronik einen Input mit der Norm-Mündungsgeschwindigkeit bzw. der Norm-Umdrehungsfrequenz und dem Norm-Enddrallwinkel oder ggfs. dem tatsächlichen Enddrallwinkel, der anderweitig festgestellt und eingegeben worden ist, sowie mit Daten betreffend die Bewegung des Flugzieles, welches durch das Geschoss getroffen werden soll, wodurch die Tempierung bzw. die theoretische Norm-Zerlegungszeit. festgelegt ist. Eine Messeinrichtung 5 dient zur autonomen Messung der effektiven Umdrehungsfrequenz des Geschosses unter Benutzung des Erdmagnetfeldes 4 unmittelbar nach der Mündung. Das Ergebnis der autonomen Messung wird anschliessend bei 6 mit den entsprechenden Norm-Werten verglichen, woraus sich bei 7 eine Korrektur bzw. Aktualisierung der Normwerte zu aktualisierten Werten ermitteln lässt; insbesondere geht aus der Korrektur die aktualisierte programmierte Zerlegungszeit hervor. Diese wird bei 8 mit der laufenden Zeit vergleichen, und sobald die laufende Zeit den Wert der aktualisierten programmierten Zerlegungszeit erreicht, erfolgt bei 9 die Initialisierung der Zerlegung und die Abgabe eines Zündimpulses I zur Zerlegung des Geschosses.
Bei den dargestellten Beispielen gemäss Fig. 2 und Fig. 3 handelt es sich darum, in einem von einem Geschütz abgeschossenen drallstabilisierten Geschoss einen Zünder vor der Abschussphase so vorzuprogrammieren, dass die Zerlegung des Geschosses in Geschosssplitter oder in Teilgeschosse nach einer bestimmten Flugdauer bzw. zu einem bestimmten Zeitpunkt stattfindet, und diese Programmierung anschliessend zu Aktualisieren. Das Geschütz besitzt eine Geschützelektronik, über welche es mit einem nicht dargestellten Feuerleitgerät verbunden ist. Das Feuerleitgerät berechnet in üblicher Weise die theoretische bzw.
Norm-Zerlegungszeit des aus einem Geschützrohr des Geschützes abgeschossenen Geschosses. Bei dieser Berechnung wird davon ausgegangen, dass die Mündungsgeschwindigkeit die theoretische Mündungsgeschwindigkeit ist. Der Enddrallwinkel kann der theoretisch bekannte Enddrallwinkel oder, vorzugsweise, der effektive Enddrallwinkel sein, wobei im ersten Fall die Korrektur des Enddrallwinkels bereits durch das Feuerleitgerät oder die Geschützelektronik erfolgt ist. Erfindungsgemäss erfolgt dann eine Korrektur bzw. Aktualisierung der Programmierung der Zerlegungszeit unter Berücksichtigung der tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit bzw. Geschossrotationsfrequenz und ggfs. des tatsächlichen, gemessenen Enddrallwinkels.
Beim dargestellten Beispiel gemäss Fig. 2 handelt es sich darum, in einem von einem Geschütz 10 abgeschossenen drallstabilisierten Geschoss 100 einen Zünder vor der Abschussphase so vorzuprogrammieren, dass die Zerlegung des Geschosses 100 in Geschosssplitter oder in Teilgeschosse nach einer bestimmten Flugdauer bzw. zu einem bestimmten Zeitpunkt stattfindet. Der Zünder kennt hierbei die Geschwindigkeit VT des Zieles nicht. Das Geschütz 10 besitzt eine Geschützelektronik 11, über welche es mit einem nicht dargestellten Feuerleitgerät verbunden ist. Das Feuerleitgerät berechnet in üblicher Weise die Distanz a zwischen dem Geschütz 10 und dem Ort der Zerlegung des aus einem Geschützrohr des Geschützes abgeschossenen Geschosses in Funktion der Geschwindigkeit des Zieles. Aus dieser Distanz a wird die theoretische Flugdauer TPN bis zur Zerlegung des Geschosses berechnet. Bei dieser Berechnung wird davon ausgegangen, dass die Mündungsgeschwindigkeit die theoretische Mündungs-geschwindigkeit bzw. Norm-Mündungsgeschwindigkeit V0N und der Enddrallwinkel der theoretische Enddrallwinkel eN ist. Die so errechnete theoretische Zerlegungszeit bzw. Flugdauer bis zur Zerlegung wird an das Geschütz 10 übermittelt und über einen Spulentreiber 12 und einen Decoder 14 an einen ersten Zähler bzw. ein Schieberegister 102 des Geschoss 100 weitergegeben und dort als theoretische bzw. vorprogrammierte Flugdauer bzw. Zerlegungszeit memorisiert. Am Geschoss 100 bzw. an seinem Zünder ist ein Oszillator 106 angeordnet, dessen als konstant betrachtete Oszillatorfrequenz fZ ist. Ferner ist am Geschoss 100 bzw. am Zünder eine Spule 108 angeordnet, in welcher das Erdmagnetfeld H eine Spannung induziert, die sich bei der Drehung des Geschosses 100 sinusförmig verändert. Diese Spannung wird mittels eines Verstärkers 110 verstärkt und daraus die Umdrehungsfrequenz fG des Geschosses ermittelt. Sodann wird vom Element 112 ein Eichwert bestimmt, welcher gleich dem Quotienten fZ/fG (Schalter S2 offen, Schalter S1 zu) ist. In einem weiteren Schritt wird bei 116 die Oszillatorfrequenz fZ durch den Eichwert geteilt, und anschliessend wird das Ergebnis dieser Division bei 117 durch einen vorgängig ermittelten Untersetzungsfaktor K1 dividiert (Schalter S2 zu, Schalter S1 offen). Das Ergebnis dieser zweiten Division gelangt in einen zweiten Zähler 118 und wird dort während der Flugzeit des Geschosses summiert. Nach T1 Sekunden steht im Zähler 118 der folgende Wert an: T1 * fG/K1 = T1 * fG * π * D / (tg(e)) = V0*T1 = TPN * V0N woraus sich die gesuchte Flugzeit ergibt: T1 = TPN * V0N / V0, woraus folgt: V0N * TPN = V0 * T1
Mit Hilfe der jedem Fachmann bekannten Gleichung von Antonio kann gezeigt werden, dass diese Korrektur richtig ist.
Für die Distanz s1 gilt im Ueberschallbereich s1 =V0N * TPN/(1 + a * V0N * TPN) Ersetzt man V0N * TPN durch V0 * T1, so folgt: s2 = V0 * T1 / (1 + a * V0 * T1) = V0N * TPN / (1 + a * V0N * TPN = s1
Da das Produkt aus V0 und T1 invariant ist, korrigiert die Schaltung der Fig. 2 richtig. Die Zerlegungsdistanz s1 ändert sich nicht.
Es lässt sich mathematisch leicht nachweisen, dass für die Berechnungen im Fall des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 die Oszillatorfrequenz mindestens theoretisch keine Rolle spielt, das sie sich in den entsprechenden Gleichungen wegkürzt. Während der ganzen Flugdauer bleibt der Schalter S1 offen. Dies bedeutet, dass der Zünder nicht störbar ist.
Während der ganzen Flugdauer TP des Geschosses werden im Zähler 118 (fG*TP)/k1 Pulse summiert und mit der programmierten Zeit TPN in Speicher 102 verglichen. Sind beide Werte gleich, so wird am Ausgang des Komparators 104 ein Zerlegungssignal X erzeugt.
Für die Flugdauer TP folgt daher: TP * fG / K1 = TP*(V0 * tg(e)) / (π * D * k1) = TP/V0 = TPN * V0N oder nach der Geschossflugzeit TP aufgelöst: TP = TPN*V0N/V0
Das Produkt aus der Flugzeit des Geschosses TP und der Mündungsgeschwindigkeit ist invariant.
Die oben beschriebene Vorrichtung gemäss Fig. 2 eignet sich zur Durchführung des neuen Verfahrens in Fällen, in denen Ziele, die ruhen oder sich mit verhältnismässig geringen Geschwindigkeiten bewegen, zu bekämpfen sind; hierbei handelt es sich um terrestrische Ziele oder ggfs. langsame Flugziele wie Kampfhelikopter. Die im folgenden mit Bezug auf Fig. 3 beschriebene Vorrichtung ist bezüglich ihrer Implementation aufwendiger als die Vorrichtung gemäss Fig. 2, sie eignet sich aber auch für Fälle, in denen rasch anfliegende Flugziele zu bekämpfen sind.
Ausbildung und Wirkungsweise der Vorrichtung gemäss Fig. 3 sind die folgenden: Der Zünder kennt die Geschwindigkeit des Zieles VT. Als erstes erfolgt die Programmierung des Zünders, wobei zwei Schalter, nämlich S1 und S2, geöffnet sind. Diese Programmierung wird durchgeführt, indem vom nicht dargestellten Feuerleitgerät über die nicht dargestellte Geschützelektronik und den nicht dargestellten Spulentreiber durch den Decoder 14 auf den Zünder 200 seriell drei Impulspakete übertragen und in drei Registern 202, 204, 206 abgelegt werden, nämlich:
  • Erstes Impulspaket: K1 = (tg (e)) / (π * D) (siehe K1 aus Formel 15); dabei handelt es sich im Prinzip um die Normfrequenz der Geschossrotation.
  • Zweites Impulspaket: K / K1 = K * π * D / tg(eN) = K * π * D / tg(e); dabei handelt es um vorbestimmte Grössen.
  • Drittes Impulspaket:   TPN = die mit den Norm-Daten berechnete Zerlegungszeit bzw. Norm-Zerlegungszeit
    • K und K1 sind Faktoren, welche zur Berücksichtigung gewisser variabler, jedoch jeweils für mindestens einen Abschuss fester Grössen benutzt werden. Der Faktor K wird von der Feuerleitanlage bestimmt. Der Faktor K1 berücksichtigt den Enddrallwinkel e.
    Zum Verständnis des Faktors K wird die folgende Annahme getroffen: Zur Zeit TPN = 0 beträgt der Abstand zwischen dem Geschoss und dem Ziel s. Es wird angenommen, das Geschoss besitze die konstante Geschwindigkeit V0N, und das Ziel besitze die Geschwindigkeit VT. Ziel und Geschoss treffen sich nach der Zeit TPN. TPN * (VON + VT) = s
    Die effektive Geschossgeschwindigkeit ist aber V0. Somit gilt für T1 die Beziehung: s = T1 * (V0 + VT)
    Setzt man s aus den Beziehungen (18) und (19) einander gleich, so folgt für T1: T1 = TPN * (V0N + VT) / (V0 + VT)
    Setzt man für V0 = ΔV + VON, so folgt aus Gleichung (20) T1 = TPN * (V0N + VT) / (ΔV + V0N + VT).
    Bei obiger Gleichung werden nun der Zähler und der Nenner durch (VON + VT) dividiert. Vernachlässigt man alle höheren Glieder, so folgt für T1: T1 = TPN * (1 - ΔV / (V0N + VT))
    Diese Korrekturformel kann noch in einer anderen Form geschrieben werden: T1 =TPN * (1 - ΔV / (V0N + VT)) - T - ΔV * (TPN / (VON +VT)) = TPN - ΔV * K
    Aus Gleichung (23) folgt für K K = TPN / (V0N + VT).
    Mit Hilfe des Faktors K kann der Zünder die exakte Zerlegungszeit T1 selbständig berechnen; wesentlich ist, dass in der Formel (24) für K nur bekannte Grössen enthalten sind.
    Die mathematischen Grundlagen zur Bestimmung des Faktors K findet man in den Europäischen Patentanmeldungen Nr. 96 118 039.5, Nr.96 118 044.5 und Nr. 96-118 045.2, welche dasselbe Prioritätsdatum tragen wie das vorliegende Dokument.
    Mit T1 = TPN - ΔV * K erfolgt die Auslegung des Zünders gemäss Fig. 3, wobei der letztere die folgenden Funktionen auszuführen hat:
  • a) Bestimmung von V0 unmittelbar nach dem Abschuss
  • b) Bestimmung von ΔV aus V0 und VON
  • c) Berechnung von (-ΔV * K); K muss dem Zünder mitgeteilt werden.
  • d) Addition des Produktes (- ΔV * K) zur programmierten Zeit TPN.
    • Hier sei angefügt, dass auch der Zünder gemäss Fig. 2 mit einem Faktor K rechnet, der aber die Geschwindigkeit des Zieles VT nicht berücksichtigt, so dass VT = 0, und der sich nach der folgenden Formel berechnet: K = TPN / V0N.
    Zur Erläuterung: TP = TPN + ΔV * K = TPN + TPN * ΔV/V0N = TPN * (1 + ΔV/V0N) = TPN/(1-ΔV/V0N) = TPN * V0N / (V0N--ΔV) = TPN * V0N / V0
    Nach den obigen Erläuterungen zum Faktor K wird nun die Wirkungsweise der Anordnung gemäss Fig. 3 weiter beschrieben. Nach der als erstes erfolgten Programmierung erfolgt nun als zweites die autonome Messung zur Bestimmung der effektiven Mündungsgeschwindigkeit V0, wobei der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2 offen ist. Die tatsächliche Mündungsgeschwindigkeit hängt vom Enddrallwinkel ab. Da der Wert des tatsächlichen Enddrallwinkels vom Wert des Norm-Enddrallwinkels abweicht bzw. von Geschützrohr zu Geschützrohr verschieden ist, muss er ebenfalls bestimmt und in die Berechnungen einbezogen werden. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung dieses Winkels vorgängig, und in das Register 204 wird bereits ein Wert mit dem tatsächliche Enddrallwinkel eingespiesen. Das Erdmagnetfeld H induziert in der Spule 208 eine Spannung, welche mittels des Verstärkers 220 verstärkt wird. In einem ersten Zähler 221 erhält man daraufhin den Wert R1: R1 = π * D * fz / (tg(e) * V0 * 5)
    Im vorliegenden Fall wird zur Bestimmung der tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit ein Oszillator 206 mit einer Frequenz von 5 MHZ verwendet, und in einem Teiler 226 erfolgt eine Teilung durch 5.
    Als drittes erfolgt die Berechnung von (V0*K1), wobei der Schalter S1 offen und der Schalter S2 geschlossen ist. Der programmierbare Divisor, welcher im wesentlichen einen zweiten Zähler 222 und einen Komparator 230 umfasst, wird gestartet. Der programmierbare Divisor hat eine Untersetzung zur Folge. Der zweite Zähler 222 zählt jeweils bis zum Zählerstand des ersten Zählers 221, worauf ein Reset erfolgt und der zweite Zähler 222 wieder auf Null gesetzt wird. Das serielle Resultat wird in einem dritten Zähler 223 während exakt 200 ms summiert. Diese Zeit von 200 ms wird von einem Präzisionsoszillator 228 mit 4KHZ bestimmt. Der Zählerstand des dritten Zählers 223 nach 200 ms entspricht der im folgenden benutzten tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit, multipliziert mit dem Faktor K1. Er beträgt (fZ/R1)*0.2=V0*K1
    R1 stammt aus Formel (25).
    Als viertes erfolgt die Ermittlung der Differenz zwischen der im Register 202 gespeicherten Norm-Mündungsgeschwindigkeit und der durch die autonome Messung ermittelten tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit des dritten Zählers 223 mit Hilfe einer Subtraktionsstufe 232, wobei die Schalter S1 und S2 offen sind. Gebildet wird eigentlich die um K1 multiplizierte Differenz der Geschwindigkeiten: Geschwindigkeitsdifferenz = K1 * (V0N - V0)
    Das Resultat steht am Ausgang der Subtraktionsstufe zur Verfügung.
    In einem fünften Schritt erfolgt in einem Multiplikator 234 die Multiplikation der soeben errechneten Differenzgeschwindigkeit mit dem im Register 204 gespeicherten Wert K/K1, wodurch der Faktor K1 eliminiert wird. Das Resultat, das im Ausgangsregister des Multiplikators 234 ansteht, ist K1 * (V0N -V0) * K/K1 = K * (V0N - V0) = ΔT ΔT ist die Abweichung der aktualisierten programmierten Zerlegungszeit von der Norm-Zerlegungszeit. (Siehe für K Gleichung (24).
    In einem sechsten Schritt wird in einer weiteren Additionsstufe 236 zur Zeit TPN , welche im Register 206 gespeichert ist, noch das Ergebnis ΔT der obigen Multiplikation addiert. Für die effektive Zerlegungszeit TP folgt daraus: TP = TPN + K * (V0N - V0)
    Schliesslich wird in einem siebten Schritt der Moment der Zerlegung bestimmt. Während TP Sekunden werden in einem vierten Zähler 224 die Impulse des 4 kHz-Oszillators 228 summiert. In einem weiteren Komparator 238 wird der Zählerstand des vierten Zählers 224 mit dem ermittelten Wert für die tatsächliche Zerlegungszeit verglichen. Sobald der Zählerstand des vierten Zählers 224 mit der tatsächlichen Zerlegungszeit aus der Additionsstufe 236 übereinstimmt, ergeht ein Impuls I für die Zerlegung. des Geschosses. Um zu verhindern, dass eine unerwünschte frühzeitige Zerlegung stattfindet, wird die Zerlegung während einer Sicherheitszeit, beispielsweise während 220 ms, die durch den Oszillator 228 bzw. den Zähler 224 über 240 geliefert werden, blockiert.
    Um zu verhindern, dass die Auslösung infolge falscher Messergebisse zu einem weit von der angestrebten Zeit der Auslösung stattfindet, wird während der Eichphase mehr als eine Messung zur Ermittlung der tatsächlichen Rotationsfrequenz fG des Geschosses durchgeführt wird. Das Ergebnis jeder Messung wird einem Plausibilitätstest unterzogen wird oder wird nur weiterverwertet, wenn es durch eine weitere Messung bestätigt ist.

    Claims (10)

    1. Verfahren zum Bestimmen einer Korrektur einer vorprogrammierten Auslösung eines Vorganges in einem drallstabilisierten Geschoss, insbesondere seiner Zerlegung, durch Berücksichtigung der Abweichung der tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit (V0) des Geschosses von der theoretischen Mündungsgeschwindigkeit (V0N) des Geschosses,
      wobei die tatsächliche Mündungsgeschwindigkeit (V0N ) mit Hilfe der Auswirkung eines Magnetfeldes auf das Geschoss mittelbar über die tatsächliche Rotationsfrequenz (fG) des Geschosses bestimmt wird, und
      wobei zur Bestimmung der tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit die tatsächliche Rotationsfrequenz (fG) des Geschosses während einer zeitlich limitierten Eichphase unmittelbar nach dem Abschuss des Geschosse benutzt wird,
      dadurch gekennzeichnet, dass bei Abschluss der Eichphase die Feststellung der Auswirkung des Magnetfeldes auf das Geschoss abgebrochen wird.
    2. Verfahren nach Patentanspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld (H) das Erdmagnetfeld ist.
    3. Verfahren nach Patentanspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Eichphase unter Minimierung eines auftretenden Gesamtfehlers (ε) berechnet wird, welcher mindestens einen relevanten Fehler umfasst.
    4. Verfahren nach Patentanspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung der Dauer der Eichphase
      ein erster, vom Verfahren zur Ermittlung der tatsächlichen Rotationsfrequenz abhängiger relativer Fehler (ΔM / M) in Funktion der Anzahl Geschossrotationen (R) ermittelt wird,
      ein zweiter, von der zurückgelegten Distanz des Geschosses abhängiger, relativer Fehler (Δs / s ) in Funktion der Anzahl Geschossrotationen (R) ermittelt wird,
      die genannten relativen Fehler (ΔM / M, Δs / s) zu einem relativen Gesamtfehler (ε) addiert werden,
      der relative Gesamtfehler (ε) nach der Anzahl der Geschossrotationen (R) differenziert, das Ergebnis der Differenzierung Null gesetzt und daraus die Anzahl (R) der Geschossrotationen berechnet wird, welche dem optimalen Wert der Geschossrotationen (Ropt) bei einem minimalen relativen Gesamtfehler (ε) entspricht, und
      die Eichphase abgebrochen wird, sobald die Anzahl der Geschossrotationen mindestens annähernd im Bereich des genannten optimalen Wertes (Ropt) liegt.
    5. Verfahren nach mindestens einem der obigen Patentansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass die theoretische Zeit der Auslösung (TPN) gespeichert wird,
      dass die tatsächliche Zeit der Auslösung (TP) mit einer die Abweichung der tatsächlichen Mündungsgeschwindigkeit (V0) von der theoretischen Mündungsgeschwindigkeit (V0N) berücksichtigenden Korrektur berechnet und gespeichert wird, und
      dass die Auslösung stattfindet, sobald der Wert eines laufenden Zählers den Wert der Zeit der tatsächlichen Auslösung (TP) erreicht.
    6. Verfahren nach mindestens einem der obigen Patentansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass während der Eichphase eine sich in Abhängigkeit von der ändernden Lage des Geschosses verändernde Auswirkung des Magnetfeldes (H) auf das Geschoss mittels einer am Geschoss in geeigneter Weise angeordneten Einrichtung, beispielsweise mittels einer Spuleneinrichtung (108, 208), mittels Hall-Elementen oder Feldplatten ermittelt wird, und
      dass aus der sich verändernden Auswirkung des Magnetfeldes (H) die Zahl der während einer bestimmten Anzahl Rotationen (R) des Geschosses erfolgten Impulse (M) eines Oszillators mit fester Oszillatorfrequenz (FZ) gezählt werden, und
      dass aus der Anzahl der Geschossrotationen (R), der Anzahl der gezählten Impulse (M) und der Frequenz (FZ) des Oszillators die tatsächliche Umdrehungsfrequenz (fG) des Geschosses berechnet wird.
    7. Verfahren nach mindestens einem der obigen Patentansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass während der Eichphase mehr als eine Messung zur Feststellung der tatsächlichen Rotationsfrequenz (fG) des Geschosses durchgeführt wird,
      dass das Ergebnis jeder Messung einem Plausibilitätstest unterzogen wird und/oder
      dass Ergebnis einer Messung nur weiterverwertet wird, wenn es durch eine weitere Messung bestätigt ist.
    8. Verfahren nach mindestens einem der obigen Patentansprüche,
      dadurch gekennzeichnet,
      dass die Abweichung des tatsächlichen Enddrallwinkels (e) vom theoretischen Enddrallwinkel (e N)) berücksichtigt wird.
    9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 8,
      dadurch gekennzeichnet, dass sie
      Mittel zum Speichern der aufgrund der theoretischen Rotationsfrequenz (fGN) des Geschosses programmierten Zeit der Auslösung (TPN),
      Mittel zur Bestimmung der tatsächlichen Rotationsfrequenz (fG) des Geschosses, und
      Mittel zum Aktualisieren der theoretischen Zeit der Auslösezeit (TPN ) auf die tatsächliche Zeit der Auslösung (TP) hin aufgrund der tatsächlichen Rotationsfrequenz (fG) bzw. Mündungsgeschwindigkeit (V0) des Geschosses besitzt, wobei
      die Mittel zur Bestimmung der effektiven Rotationsfrequenz (fG) bzw. zur Ermittlung der effektiven Mündungsgeschwindigkeit (V0) des Geschosses,
      eine Spuleneinrichtung (108, 208), in welcher durch das Magnetfeld (H) eine Spannung induzierbar ist, und
      einen Oszillator (106, 206) mit einer konstanten Oszillatorfrequenz (fZ) besitzten, und wobei
      die Ausgänge der Spuleneinrichtung und des Oszillators ausschießlich während einer Eichphase miteinander verbunden sind, um einen Eichwert zu bilden.
    10. Verwendung der Vorrichtung nach dem Patentanspruch 9 zur Erhöhung der Wirksamkeit eines Waffensystems zur Bekämpfung von Zielen mitttels tempierbaren Geschossen,
      dadurch gekennzeichnet, dass die Ziele terrestrische Ziele oder Luftziele, insbesondere schnell anfliegende, Luftziele sind.
    EP99117580A 1998-10-08 1999-09-06 Verfahren zum Korrigieren einer vorprogrammierten Auslösung eines Vorganges in einem drallstabilisierten Geschoss, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und Verwendung der Vorrichtung Expired - Lifetime EP0992761B1 (de)

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