EP1277024A1 - Elektronische selbstzerlegereinrichtung - Google Patents

Elektronische selbstzerlegereinrichtung

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EP1277024A1
EP1277024A1 EP01936123A EP01936123A EP1277024A1 EP 1277024 A1 EP1277024 A1 EP 1277024A1 EP 01936123 A EP01936123 A EP 01936123A EP 01936123 A EP01936123 A EP 01936123A EP 1277024 A1 EP1277024 A1 EP 1277024A1
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EP
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self
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capacitors
comparator
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Honeywell GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C11/00—Electric fuzes
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    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C11/00—Electric fuzes
    • F42C11/06—Electric fuzes with time delay by electric circuitry
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C9/00—Time fuzes; Combined time and percussion or pressure-actuated fuzes; Fuzes for timed self-destruction of ammunition
    • F42C9/14—Double fuzes; Multiple fuzes
    • F42C9/16—Double fuzes; Multiple fuzes for self-destruction of ammunition

Definitions

  • the present invention relates to a device for an electronic self-dismantling device in a projectile detonator without using a battery installed in the detonator.
  • a self-dismantling function is also often required, which ignites the explosive even after the primary ignition criteria have not responded after a maximum operating time.
  • This function which is connected in parallel with the other ignition criteria, is intended to limit the danger area of the ammunition in the firing direction and / or to minimize the occurrence of duds. This makes missions in previously fought areas safer due to the lower risk of unexploded ordnance.
  • this function also allows an enclosed enemy to be fired on without jeopardizing their own troops or civilian facilities beyond an acceptable level.
  • the problem of such an energy supply lies in the use of the electronics for realizing the time function as precisely as possible, although the supply voltage changes very strongly since the energy supply capacitors are only charged by firing, but are then continuously discharged by the current to be supplied.
  • the time function is to be implemented with RC elements for reasons of cost and reliability instead of using mechanical oscillators, such as quartz crystals or resonators, which can be damaged during firing.
  • mechanical oscillators such as quartz crystals or resonators
  • a second solution would be to use the output voltage of the piezo element to implement the time function, so that a capacitor C is charged to the voltage U 0 and discharged via a resistor R in order to use a comparator to detect that the voltage drops below a certain level U s that after time
  • t s -RC ln (U s / U 0 ) (1) occurs.
  • the comparator output changes its state after this time. This change is used to ignite a downstream ignition thyristor, which discharges an ignition capacitor, which is likewise charged separately by the piezo element, into an electrical ignition means.
  • a circuit should therefore be provided which, on the one hand, is as simple as possible and therefore as energy-saving, inexpensive and reliable (because of the reduced number of components) and, on the other hand, allows the time function to be implemented with RC elements independently of a fluctuating supply voltage level.
  • the capacitors C0 to C4 are charged via a piezo element P, a series resistor R0, a Zener diode Z (for voltage limitation) and the diodes DO to D3.
  • the charged capacitor C0 then, delayed by the resistor R4 and the second storage capacitor C3, the
  • the comparator K is a commercially available integrated module with extremely low current consumption ( ⁇ 1 ⁇ A), very small input currents ( ⁇ 1 pA) and a common mode range that extends to the operating voltage limits.
  • the delayed provision of the operating voltage is intended to prevent a malfunction during the pipe passage phase and the delayed charged capacitor C3 supplies the energy for triggering the thyristor Th at the time of the ignition.
  • the ignition capacitor C4 is charged via the diode D3 and remains at a sufficient voltage level until the thyristor is ignited.
  • the two capacitors C1 and C2 are charged to the same voltage U 0 by the piezo element via the two high-blocking diodes D1 and D2.
  • the capacitor C1 is connected to the plus input of the comparator K via a voltage divider R1 and R2.
  • the capacitor C2 is connected directly to the minus input of the comparator and is discharged via the resistor R3 after the firing.
  • the comparator K is also coupled via the resistor R5, so it has a hysteresis. After firing, there is a higher positive voltage at the minus input of the comparator K because of the voltage divider Rl and R2 than at the plus input. The output of the comparator is therefore at zero potential at this point in time.
  • R5 R2 R5 / (R2 + R5) unloaded.
  • the potential at C2 falls below the potential of Cl at the positive input of the comparator K, which changes more slowly and is reduced by the factor R2 * / R e . Then the comparator switches its output voltage to positive potential and thus ignites the ignition thyristor Th the current limiting resistor R6 and the voltage divider R7 and R8.
  • the capacitor C5 is used to suppress interference and is irrelevant to the operating principle.
  • the energy stored in the ignition capacitor C4 is switched through to the electrical ignition means EZ and is thus triggered.
  • the thyristor Th can also be ignited by other circuit parts not shown here via the main ignition criteria
  • a modified field of application of the circuit opens up if the charging of the capacitors C0 to C4 instead of a piezo element when firing is carried out by a voltage in a warhead, which is either permanently present or controlled shortly before the emission of submunition, by a warhead electronics.
  • the circuit then serves for the time-controlled triggering of a self-dismantling of the ejected submunition. As long as on-board voltage is present, neither Cl nor C2 discharges and nothing happens at the comparator output discharge itself and initiate the ignition process as described
  • a shock generator can also be used.
  • the piezo element P would then have to be replaced by a shock generator, not shown

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die zeitgesteuerte Selbstzerlegung eines Geschosses durch eine batterielose, elektronische Selbstzerlegereinrichtung. Zum Betrieb werden in der Flugphase mehrere während des Abschusses durch ein Piezoelement (P) oder einen Stoßgenerator aufgeladene Kondensatoren (C0-C4) verwendet. Mindestens zwei der Kondensatoren sind so mit dem Eingang eines Komparators (K) verschaltet, daß sich sowohl die Einflüsse einer sich ständig verändernden Betriebsspannung als auch die Einflüsse der Abgabe von veränderlichen Spannungshöhen durch das Piezoelement oder den Stoßgenerator nicht auf die Zeitfunktion auswirken.

Description

Elektronische Selbstzerlegeremrichtung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Vorrichtung für eine elektronische Selbstzerlegereinrichtung in einem Geschoßzünder ohne Verwendung einer im Zünder eingebauten Batterie.
Für heutige Geschoß- oder Submunitionszünder wird neben den Hauptzündkriterien wie Aufschlag- oder Zeitfünktion häufig auch eine Selbstzerlegungsfunktion gefordert, die das Sprengmittel auch nach Nichtansprechen der primären Zündkriterien nach Ablauf einer maximalen Funktionszeit zündet. Diese den anderen Zündkriterien parallelgeschaltete Funktion soll den Gefährdungsbereich der Munition in Schußrichtung begrenzen und / oder das Auftreten von Blindgängern minimieren. Dadurch werden Einsätze in vorher erkämpften Gebieten wegen geringerer Gefährdung durch eigene Blindgänger sicherer. Andererseits erlaubt diese Funktion auch den Beschüß eines eingeschlossenen Gegners ohne gegenüberstehende eigene Truppen oder zivile Einrichtungen über ein vertretbares Maß hinaus zu gefährden.
Mechanische, pyrotechnische und elektronische Selbstzerlegereinrichtungen sind in verschiedenen Ausftihrungsforaien bekannt. Der vorliegenden Aufgabenstellung liegt der geforderte Betrieb einer elektronischen Selbstzerlegereinrichtung ohne die Verwendung einer Batterie zugrunde. Dies hat den Vorteil, daß die Selbstzerlegerfunktion derartig ausgerüsteter Zünder mit sehr großer Zuverlässigkeit auch über einen langen Lagerzeitraum des Zünders erhalten bleibt, da die Zuverlässigkeit von Zünderfunktionen im wesentlichen von der Zuverlässigkeit der Energieversorgung abhängt. Die Zuverlässigkeit der Selbstzerlegerfunktion ist jedoch über den taktischen Einsatz nicht nur funktionskritisch sondern sicherheitskritisch. Deswegen sollen möglichst alle die Funktionszuverlässigkeit beeinträchtigenden Bauelemente eliminiert werden. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Vorrichtung mit der Selbstzerlegerfunktion, speziell von Geschoßzündern anzugeben, die ohne Batterie auskommt.
Bekannt ist, zum elektrischen Betrieb der Selbstzerlegereinrichtung die elektrische Energie eines oder mehrerer Piezoelemente zu verwenden. Das Piezoelement gibt beim Abschußvorgang infolge der dort auftretenden hohen Beschleunigungen für eine Zeitdauer von einigen Millisekunden eine hohe Spannung ab, die für den längerdauernden Betrieb einer stromsparenden Elektronik mit veränderter Spannungshöhe in Speicherkondensatoren umgeladen wird.
Das Problem einer derartigen Energieversorgung liegt beim Einsatz der Elektronik zur Realisierung einer möglichst genauen Zeitfünktion, obwohl die Versorgungsspannung sich sehr stark ändert, da die Energieversorgungskondensatoren nur durch den Abschuß geladen, anschließend jedoch durch den zu liefernden Strom ständig entladen werden. Die Zeitfunktion soll dabei statt durch mechanische Schwinger, wie Quarze oder Resonatoren, die beim Abschuß beschädigt werden können, aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen mit RC-Gliedern realisiert werden. Die Schwingfrequenz von RC-Oszillatoren sind jedoch so stark von der Betriebsspannung abhängig, daß ein Einsatz für eine Selbstzerlegung im allgemeinen nicht in Frage kommt.
Nun könnte man die Ausgangsspannung eines Energiespeicherkondensators mit Hilfe eines Schaltreglers stabilisieren, um der Elektronik eine möglichst konstante Spannung anzubieten. Dies hat den Nachteil eines relativ großen Schaltungsaufwands verbunden mit Energieverlusten durch die Spannungsumsetzung.
Eine zweite Lösung wäre, zur Realisierung der Zeitfünktion die Ausgangsspannung des Piezoelements zu verwenden, damit einen Kondensator C auf die Spannung U0 aufzuladen und diesen definiert über einen Widerstand R zu entladen, um mit Hilfe eines Komparators das Unterschreiten einer bestimmten Spannungshöhe Us zu detektieren, das nach der Zeit
ts = -R C ln (Us / U0) (1) auftritt. Der Komparatorausgang wechselt nach dieser Zeit seinen Zustand. Dieser Wechsel wird zum Zünden eines nachgeschalteten Zündthyristors verwendet, der einen ebenfalls durch das Piezoelement getrennt aufgeladenen Zündkondensator in ein elektrisches Zündmittel entlädt.
Bei dieser Lösung liegt der Nachteil in der Abhängigkeit der Selbstzerlegerzeit ts von U0 und Us. Da Piezoelemente Fertigungschwankungen unterliegen und temperaturabhängig sind, kann die Spannung U0 von Schuß zu Schuß schwanken und damit auch die Selbstzerlegerzeiten. Zudem erfordert eine stabile Schaltschwelle Us bei veränderlicher Betriebsspannung wiederum Schaltungsaufwand, der zu einer höheren Komplexität und Stromaufiiahme führt.
Es soll deshalb eine Schaltung bereitgestellt werden, die einerseits möglichst einfach und deswegen möglichst energiesparend, preiswert und dabei (wegen reduzierter Bauteileanzahl) zuverlässig ist und die andererseits die Zeitfunktion mit RC-Gliedern unabhängig von einer schwankenden Versorgungsspannungshöhe zu realisieren gestattet.
Dies gelingt mit der im Patentanspruch 1 beschriebenen Vorrichtung. Eine alternative Ausgestaltung kann dem Patentanspruch 2 entnommen werden. Im folgenden sei anhand der beigefügten Fig. 1 die Erfindung kurz erläutert.
Über ein Piezoelement P, einen Vorwiderstand R0, eine Zenerdiode Z (zur Spannimgsbegrenzung) und die Dioden DO bis D3 werden beim Abschuß die Kondensatoren C0 bis C4 aufgeladen. Der aufgeladene Kondensator C0 stellt danach, über den Widerstand R4 und den zweiten Speicherkondensator C3 verzögert, die
Versorgungsspannung für den Betrieb des Komparators K bereit. Der Komparator K ist ein handelsüblicher integrierter Baustein mit extrem kleiner Stromaufiiahme (< 1 μA), sehr kleinen Eingangsströmen (< 1 pA) und einem bis an die Betriebsspannungsgrenzen reichenden Gleichtaktbereich.
Die verzögerte Bereitstellung der Betriebsspannung soll eine Fehlfunktion während der Rohrdurchgangsphase verhindern und der verzögert aufgeladene Kondensator C3 liefert zum Zeitpunkt der Zündung die Energie zur Ansteuerung des Thyristors Th. Der Zündkondensator C4 wird über die Diode D3 aufgeladen, und bleibt bis zur Zündung des Thyristors auf einer ausreichenden Spannungshöhe.
Zur Realisierung einer von der durch das Piezoelement abgegebenen Spannung unabhängigen Zeitfunktion werden erfindungsgemäß über die beiden hochsperrenden Dioden Dl und D2 die beiden Kondensatoren Cl und C2 durch das Piezoelement auf die gleiche Spannung U0 aufgeladen.
Der Kondensator Cl ist über einen Spannungsteiler Rl und R2 an den Pluseingang des Komparators K angeschlossen. Der Kondensator C2 ist direkt mit dem Minuseingang des Komparators verbunden und wird nach dem Abschuß über den Widerstand R3 entladen.
Zur schnellen und sicheren Umschaltung ist der Komparator K über den Widerstand R5 mitgekoppelt, besitzt also eine Hysterese. Nach dem Abschuß liegt wegen des Spannungsteilers Rl und R2 am Minuseingang des Komparators K eine höhere positive Spannung als am Pluseingang. Der Ausgang des Komparators befindet sich deshalb zu diesem Zeitpunkt auf Nullpotential. Der Kondensator Cl wird dann über den Ersatzwiderstand Re = Rl + R2* mit R2* = R2 || R5 = R2 R5 / (R2 + R5) entladen.
Die Zeitkonstanten τt = Re Cl und τ_ ~ R3 C2 sind so gewählt, daß τ, > %_, d.h. C2 entlädt sich schneller als Cl. Zum Zeitpunkt der eingestellten Selbstzerlegerzeit
ts = τ1 τ2 / (τ2 - τ1) ln (R2* / Re) (2)
unterschreitet das Potential an C2 (am Minuseingang des Komparators K) das sich langsamer ändernde und um den Faktor R2* / Re verminderte Potential von Cl am Pluseingahg des Komparators K. Danach schaltet der Komparator seine Ausgangsspannung auf Pluspotential und zündet damit den Zündthyristor Th über den Strombegrenzungswiderstand R6 und den Spannungsteiler R7 und R8. Der Kondensator C5 dient zur Störunterdrückung und spielt für das Funktionsprinzip keine Rolle.
Die im Zündkondensator C4 gespeicherte Energie wird dadurch auf das elektrische Zündmittel EZ durchgeschaltet und dieses damit zur Auslösung gebracht. Über den skizzierten Eingang T kann der Thyristor Th von anderen hier nicht aufgezeigten Schaltungsteilen auch über die Hauptzundkriterien gezündet werden
Eine weitere Vereinfachung der Schaltung und der Berechnung ergibt sich, wenn man die Kondensatoren Cl und C2 gleich groß wählt Cl = C2 = C Die Selbstzerlegerzeit ts ergibt sich dann zu
t = Re C / (l - Re / R3) ln (R2* / Re) (3)
d h daß sie sich in weiten Bereichen fast linear durch alleinige Änderung des Widerstands R3 einstellen laßt
Durch die Differenzbildung der vorliegenden Komparatorbeschaltung geht weder in die Gleichung (2) noch in die Gleichung (3) eine beim Schuß veränderliche Große ein Das Ziel der Aufgabenstellung ist damit erreicht
Ein verändertes Einsatzgebiet der Schaltung erschließt sich, wenn man die Aufladung der Kondensatoren C0 bis C4 statt durch ein Piezoelement beim Abschuß durch eine Spannung in einem Gefechtskopf erfolgen laßt, die entweder permanent anliegt oder kurz vor dem Ausstoß von Submunition, durch eine Gefechtskopfelektro ik gesteuert, erzeugt wird Die Schaltung dient dann zur zeitgesteuerten Auslosung einer Selbstzerlegung der ausgestoßenen Submunition Solange Bordspannung anliegt, entladt sich weder Cl noch C2 und am Komparatorausgang geschieht nichts Erst wenn die Spannungsversorgung abreißt (Ausstoß der Submunition) wird die Selbstzerlegevorπchtung aktiviert, die Kondensatoren Cl und C2 beginnen sich zu entladen und leiten, wie beschrieben, den Zundvorgang ein
An Stelle des im Zusammenhang mit dem Ausfuhrungsbeispiel verwendeten Piezoelements kann auch ein Stoßgenerator verwendet werden In Fig 1 wäre das Piezoelement P dann durch einen nicht dargestellten Stoßgenerator zu ersetzen

Claims

Patentansprüche:
1. Vorrichtung für die zeitgesteuerte Selbstzerlegung eines Geschosses durch eine batterielose, elektronische Selbstzerlegereinrichtung, wobei zum Betrieb in der
Flugphase mehrere während des Abschusses durch ein Piezoelement (P) aufgeladene Kondensatoren (C0, Cl, C2, C3, C4) verwendet werden, wobei mindestens zwei der Kondensatoren (Cl, C2) so mit dem Eingang eines Komparators (K) verschaltet sind, daß sich sowohl die Einflüsse einer sich ständig verändernden Betriebsspannung als auch die Einflüsse der Abgabe von veränderlichen Spannungshöhen durch das
Piezoelement (P) nicht auf die Zeitfünktion auswirken.
2. Vorrichtung für die zeitgesteuerte Selbstzerlegung eines Geschosses durch eine batterielose, elektronische Selbstzerlegereinrichtung, wobei zum Betrieb in der Flugphase mehrere während des Abschusses durch einen Stoßgenerator aufgeladene
Kondensatoren (C0, Cl, C2, C3, C4) verwendet werden, wobei mindestens zwei der Kondensatoren (Cl, C2) so mit dem Eingang eines Komparators (K) verschaltet sind, daß sich sowohl die Einflüsse einer sich ständig verändernden Betriebsspannung als auch die Einflüsse der Abgabe von veränderlichen Spannungshöhen durch den Stoßgenerator nicht auf die Zeitfunktion auswirken.
EP01936123A 2000-04-22 2001-03-22 Elektronische selbstzerlegereinrichtung Expired - Lifetime EP1277024B1 (de)

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