EP1277024B1 - Elektronische selbstzerlegereinrichtung - Google Patents

Description

• 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 Zeitfunktion 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 Beschuß eines eingeschlossenen Gegners ohne gegenüberstehende eigene Truppen oder zivile Einrichtungen über ein vertretbares Maß hinaus zu gefährden.
• Mechanische, pyrotechnische und elektronische Selbstzerlegereinrichiungen sind in verschiedenen Ausführungsformen 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 Geschoßzündem 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 Zeitfunktion, 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.
• Aus der US 4,712,477 ist ein Zeitzünder bekannt, bei dem das Potential eines sich aufgrund einer Zeitkonstante langsam aufladenden Kondensators eines Zeitverzögerungsschaltkreises mit einer Referenzspannung verglichen wird, um das Überschreiten einer bestimmten Spannungshöhe zu detektieren.
• Eine zweite Lösung wäre, zur Realisierung der Zeitfunktion die Ausgangsspannung des Piezoelements zu verwenden, damit einen Kondensator C auf die Spannung Uo aufzuladen und diesen definiert über einen Widerstand R zu entladen, um mit Hilfe eines Komparators das Unterschreiten einer bestimmten Spannungshöhe U_S zu detektieren, das nach der Zeit $${\mathrm{t}}_{\mathrm{S}}\mathrm{=}\mathrm{-}\mathrm{R\; C\; ln}\left({\mathrm{U}}_{\mathrm{S}}\mathrm{/}{\mathrm{U}}_{\mathrm{0}}\right)$$

  

  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 t_S von U₀ und U_S. 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 U_S bei veränderlicher Betriebsspannung wiederum Schaltungsaufwand, der zu einer höheren Komplexität und Stromaufnahme führt.
• Eine ähnliche Lösung ist aus der US 5,269.223 , welche eine Grundlage für den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet, bekannt, die einen Sicherheitsschaltkreis zur zeitverzögerten Zündung eines Detonators beschreibt, bei dem eine Zeitverzögerung unter Einbindung von Kondensatoren erreicht wird, indem die Entladung eines Kondensators mit einer in einem Piezoelement erzeugten Referenzspannung verglichen wird.
• 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. Dadurch wirken sich weder die Einflüsse einer sich ständig verändernden Betriebsspannung noch die Einflüsse der Abgabe von veränderlichen Spannungshöhen durch das Piezoelement auf die Zeitfunktion aus. Die Patentansprüche 2 bis 3 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Im folgenden sei anhand der beigefügten Fig. 1 die Erfindung kurz erläutert.
• Über ein Piezoelement P, einen Vorwiderstand R0, eine Zenerdiode Z (zur Spannungsbegrenzung) und die Dioden D0 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 Stromaufnahme (< 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 D1 und D2 die beiden Kondensatoren C1 und C2 durch das Piezoelement auf die gleiche Spannung U_o aufgeladen.
• Der Kondensator C1 ist über einen Spannungsteiler R1 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 R1 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 C1 wird dann über den Ersatzwiderstand R_e = R1 + R2* mit R2* = R2 ∥ R5 = R2 R5 / (R2 + R5) entladen.
• Die Zeitkonstanten τ₁ = R_e C1 und τ₂ = R3 C2 sind so gewählt, daß τ₁ > τ₂, d.h. C2 entlädt sich schneller als C1. Zum Zeitpunkt der eingestellten Selbstzerlegerzeit $${\mathrm{t}}_{\mathrm{s}}\mathrm{=}{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{1}}{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{2}}\mathrm{/}\left({\mathrm{\tau }}_{\mathrm{2}}\mathrm{-}{\mathrm{\tau }}_{\mathrm{1}}\right)\ln \left(\mathrm{R}\mathrm{2}\mathrm{*}\mathrm{/}{\mathrm{R}}_{\mathrm{e}}\right)$$

  

  unterschreitet das Potential an C2 (am Minuseingang des Komparators K) das sich langsamer ändernde und um den Faktor R2* / R_e verminderte Potential von C1 am Pluseingang 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 Hauptzündkriterien gezündet werden.
• Eine weitere Vereinfachung der Schaltung und der Berechnung ergibt sich, wenn man die Kondensatoren C1 und C2 gleich groß wählt: C1 = C2 = C. Die Selbstzerlegerzeit t_s ergibt sich dann zu $${\mathrm{t}}_{\mathrm{s}}\mathrm{=}{\mathrm{R}}_{\mathrm{e}}C/(1-{\mathrm{R}}_{\mathrm{e}}/\mathrm{R}3)\ln \left(\mathrm{R}2*/{\mathrm{R}}_{\mathrm{e}}\right)$$

  

  d.h. daß sie sich in weiten Bereichen fast linear durch alleinige Änderung des Widerstands R3 einstellen läßt.
• Durch die Differenzbildung der vorliegenden Komparatorbeschaltung geht weder in die Gleichung (2) noch in die Gleichung (3) eine beim Schuß veränderliche Größe 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 läßt, die entweder permanent anliegt oder kurz vor dem Ausstoß von Submunition, durch eine Gefechtskopfelektronik gesteuert, erzeugt wird. Die Schaltung dient dann zur zeitgesteuerten Auslösung einer Selbstzerlegung der ausgestoßenen Submunition. Solange Bordspannung anliegt, entlädt sich weder C1 noch C2 und am Komparatorausgang geschieht nichts. Erst wenn die Spannungsversorgung abreißt (Ausstoß der Submunition) wird die Selbstzerlegevorrichtung aktiviert; die Kondensatoren C1 und C2 beginnen sich zu entladen und leiten, wie beschrieben, den Zündvorgang ein
• An Stelle des im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel verwendeten Piezoelements kann auch ein Stoßgenerator verwendet werden. In Fig. 1 wäre das Piezoelement P dann durch einen nicht dargestellten Stoßgenerator zu ersetzen.

Claims (3)

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) oder einen Stoßgenerator aufgeladene Kondensatoren (C0, C1, C2, C3, C4) verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster und ein zweiter der Kondensatoren (C1, C2) nach Aufladung die gleiche Spannung (U₀) aufweisen und dass der erste Kondensator (C1) über einen Spannungsteiler (R1, R2) so mit dem Plus-Eingang eines Komparators (K) und der zweite Kondensator (C2) direkt so mit dem Minus-Eingang des Komparators (K) verschaltet sind, dass das Potential an dem Minus-Eingang des Komparators (K) nach dem Abschuss größer ist als das Potential an dem Plus-Eingang des Komparators (K) und dass die Zeitkonstante (τ₁) für die Entladung des ersten Kondensators (C1) größer ist als die Zeitkonstante (τ₂) für die Entladung des zweiten Kondensators (C2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (C1) über den Spannungsteiler (R1, R2) und der zweite Kondensator (C2) über einen Widerstand (R3) entladen wird.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Komparator (K) über einen Widerstand (R5) mitgekoppelt ist.

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