EP1608931B1 - Suchkopf mit nick-gier-innenkardansystem - Google Patents

Suchkopf mit nick-gier-innenkardansystem Download PDF

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EP1608931B1
EP1608931B1 EP04722158.5A EP04722158A EP1608931B1 EP 1608931 B1 EP1608931 B1 EP 1608931B1 EP 04722158 A EP04722158 A EP 04722158A EP 1608931 B1 EP1608931 B1 EP 1608931B1
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EP
European Patent Office
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axis
gimbal
seeker
cardanic
seeker head
Prior art date
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EP04722158.5A
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English (en)
French (fr)
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EP1608931A1 (de
Inventor
Hagen Kempas
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Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Original Assignee
Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Diehl BGT Defence GmbH and Co KG filed Critical Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Publication of EP1608931A1 publication Critical patent/EP1608931A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2253—Passive homing systems, i.e. comprising a receiver and do not requiring an active illumination of the target
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2213—Homing guidance systems maintaining the axis of an orientable seeking head pointed at the target, e.g. target seeking gyro
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2273—Homing guidance systems characterised by the type of waves
    • F41G7/2293—Homing guidance systems characterised by the type of waves using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the invention relates to a seeker head having a roll axis and a pitch-yaw inner gimbal system, comprising an inner gimbal pivotally mounted on a bearing structure about a first gimbal axis, and an outer gimbal frame supporting a seeker system of the seeker head, which is rotatable about a second gimbal. is pivotally mounted to the first vertical gimbal axis on the inner gimbal.
  • An optical system as a viewfinder system generates an image of an object scene containing the target on a detector. From the signals of the detector are once obtained signals which keep the optical axis of the optical system aligned with the target. In addition, steering signals are obtained from the signals of the detector, through which the missile is guided to the destination.
  • a platform carrying the optical system and thus the direction of the optical axis of the optical system is decoupled from the movements of the missile by an inertial measuring system. When the optical axis is kept constantly aligned with the target by a loop, the optical axis corresponds to the line of sight from the missile to the target.
  • the rate of rotation of the line of sight in the inertial space can then be determined.
  • the missile In conventional proportional navigation, the missile is guided so that this line of sight remains fixed in space.
  • the steering signals are made proportional to the rate of rotation of the line of sight.
  • the platform must be stored gimbal, so that the optical axis of the optical system can understand any position within a certain solid angle.
  • the cardanic storage can be a pitch-yaw storage.
  • This second gimbal carries or forms the platform on which the optical system sits.
  • the first gimbal ring mounted on the missile structure may be the outer gimbal, while the second gimbal ring forms the inner gimbal.
  • the mounted on the missile structure first gimbal can also be the inner gimbal, the second, the platform bearing or forming gimbal is the outer gimbal. In this case one speaks of a " réellekardansystem”. The gimbal system then sits inside the platform. This latter arrangement is preferred for space reasons.
  • the pivoting angles of the platform and thus the squint angles, which form the optical axis with the missile longitudinal axis, are limited for design reasons.
  • the viewfinder can capture a target in only a limited field of view.
  • a seeker with Nick-yaw ienskardansystem is described for example in the DE 195 35 886 A1 or the EP 0 766 065 B1 ,
  • a first, wave-like gimbal is rotatably mounted about a coincident with the missile longitudinal axis roll axis in the missile structure.
  • This first gimbal can be rotated relative to the missile structure about the roll axis in an angular range of 360 °.
  • a second gimbal is pivotally mounted about a perpendicular to the roll axis extending pitch axis. This second gimbal carries the optical system of the seeker head.
  • the second gimbal can be stored so that the optical axis of the optical system can be pivoted by an angle of approximately 90 ° relative to the longitudinal axis of the missile.
  • squint angles up to 90 ° are possible, in each direction around the roll axis around.
  • a search head constructed in this way can thus be aligned with a target within a half-space.
  • the invention has for its object to provide a gimbal system for a seeker, in which the tracking of the platform and the viewfinder system is done without singularities, but which allows large squint angles and the detection of targets in a large field of view.
  • this object is achieved in that the first gimbal axis forms an acute angle with the roll axis and the bearing structure is in turn rotatably mounted about the roll axis.
  • the gimbal system sits obliquely to the roll axis.
  • the pivoting range of the outer gimbal with the viewfinder system is thereby asymmetrical to the roll axis. If one considers the center position of the inner frame pivotable about the first gimbal axis, then the following results: If ⁇ denotes the acute angle and 2 ⁇ the pivoting range of the outer frame about the second gimbal axis, then the maximum achievable squint angle between the roll axis and the axis of the viewfinder system 90'- ⁇ + ⁇ . So it can be achieved a larger squint angle.
  • the destination is in azimuth from the through the Swiveling range of the gimbal system emanates certain solid angle, this can be compensated by a rotation of the gimbal system to the roll axis.
  • the solid angle determined by the swivel range of the gimbal system is tracked to the destination.
  • the rotatably mounted about the roll axis bearing structure is also rotatably mounted about its own longitudinal axis. Due to the associated introduction of a further rotational degree of freedom, rotational movements of the rolling frame can be compensated by rotational movements of the bearing structure about its longitudinal axis with opposite rotational direction. Roll angles of over 360 °, which lead to excessive load on electrical connecting lines and high-pressure couplings for gas supply, no longer occur. The reliability or life of the seeker head is thus increased.
  • the use of costly and high space requirement requiring high-pressure rotary joints and slip rings for electrical taps can be dispensed with.
  • the mass to be rotated can be reduced.
  • lower drive power is required and the overall volume of the rolling frame can be reduced.
  • a fixation of the pitch-yaw gimbal system is provided with respect to its rolling position to the missile structure by means of fixing means.
  • the fixing means may be toothed elements in the form of gears, with a gear in the missile structure and a gear between the pitch-yaw frame system and the new rotational degree of freedom is integrated.
  • the pitch-yaw frame system rolls around the longitudinal axis of the bearing structure when rotated about the roll axis with opposite sense of rotation.
  • the gears are plastic molded parts of low weight. Plastic can therefore be used because only small moments have to be transmitted. It makes sense to have the Gears the same number of teeth to achieve a gear ratio of one.
  • the pitch-yaw gimbal system is capable of the missile longitudinal axis, d. H. the roll axis, with a fixed angle of (90 ° - ⁇ ) to tumble without producing rotary components in the roll axis.
  • the tumble angle is usually in a range of 15-30 °.
  • An image rotation with respect to the missile coordinate system does not take place. Due to the mechanical fixing can be dispensed drive and tapping elements for generating a rotational movement of the bearing structure about its longitudinal axis, such as in the form of an electric motor and electrical connection lines. As a result, a further mass and volume savings can be achieved.
  • the solid angle in which the optical axis of the optical system can be deflected by pivoting movements about the first and the second gimbal axis, contains the roll axis.
  • an inertia measuring unit can be provided by which servomotors about the first and the second gimbal axis can be controlled, wherein an acting around the roll axis servo motor is provided, which then, when the inner gimbal approaches its stop position in the sense a tracking of this inner gimbal away from the stop position is controlled.
  • the axis of the viewfinder system can thus be directed to any point within a large solid angle extending around the roll axis. Stabilization takes place by means of the pitch-yaw gimbal system.
  • This pitch-yaw gimbal system also has no singularity in the area of the roll axis. When the line of sight passes through the roll axis, the pitch yaw gimbal system results only normal positioning movements. It does not require a 180 ° turn as with a roll-nick gimbal system.
  • Fig. 1 is denoted by 10 the tip of the missile structure of a target-tracking missile.
  • the tip 10 is closed by a spherical window (dome) 12.
  • a seeker head which is designated 14.
  • the seeker head 14 includes a table 16 rotatable about a roll axis 18 coincident with the longitudinal axis of the missile rotatable in the apex 10 of the missile structure is stored. On the table sits a sleeve-shaped bearing body 20.
  • the bearing body 20 also called bearing structure, is arranged inclined to the roll axis 18.
  • an inner frame 22 is pivotally mounted about a first, to the longitudinal axis of the bearing body 20 perpendicular Kar umanse 24. Is in Fig. 1 shown to the right of the longitudinal axis of the bearing body 20.
  • the first gimbal axis 24 forms an acute angle ⁇ with the roll axis. Fig. 3 ).
  • an outer frame is pivotally mounted, which is generally designated 26.
  • the outer frame 26 is pivotally mounted about a second gimbal axis 28 which is perpendicular to the first gimbal axis 24. If the first gimbal axis 24 in the right part of Fig. 1 in the paper plane of Fig. 1 runs, then runs based on the second Kar standse 28 perpendicular to the paper plane of the right side of Fig. 1 ,
  • This viewfinder system 30 includes an annular concave mirror 32 mounted with its central aperture on the outer frame 26.
  • the outer frame 26 has a dome part 34.
  • the dome part 34 carries webs 36 which carry a concave mirror 32 facing, slightly convex secondary mirror 38.
  • the dome part 34 forms a socket 40 for a lens optic 42.
  • Parallel incident light from an infinite object scene is reflected by the concave mirror 32 onto the secondary mirror 38 and directed by the latter onto the lens optic 42.
  • the optical system generates an image of the object scene on a detector 44.
  • the detector 44 is conventionally cooled by a Joule-Thomson cooler 46 disposed within the sleeve-shaped bearing body 20.
  • On the back of the secondary mirror 38 is similar to the DE 195 35 886 A1 an inertial sensor unit 48 is arranged.
  • the gimbal axis 24 and 28 and the roll axis 18 intersect at a common point of intersection 50.
  • the structure-fixed detector 44 is arranged in the area of this common point of intersection 50.
  • the dome 12 is around the intersection 50 curved.
  • the outer gimbal 26 is 29enkbar on all sides.
  • the gimbals 22 and 26 are disposed within the viewfinder system 30.
  • the viewfinder system 30 sits on the outer gimbal 26.
  • the table 16 is rotatable by a servomotor 52 about the roll axis.
  • a servomotor 52 On the table 16 sit on a spherical surface 54 magnets 56 with a spherical shell-shaped magnetic yoke 58.
  • the magnets 56 generate a radial magnetic field.
  • flat coils 60 In this radial magnetic field sit flat coils 60, which are connected to the outer gimbal 26.
  • These magnets 56 and flat coils 60 form torque generators 62, which engage directly on the outer gimbal 26.
  • This arrangement corresponds in principle to the torque generator arrangement according to the EP 0 766 065 B1 and the U.S. Patent 5,892,310 , whose disclosure is referred to.
  • the viewfinder system 30 defines an optical axis 64.
  • the inertial sensor unit 48 drives the torquers 62 to stabilize the finder system 30 in space and decouple it from the movement of the missile.
  • the detector 44 of the viewfinder system 30, after appropriate signal processing, provides storage signals representative of the deposition of a target detected by the finder system from the optical axis 64. With these storage signals, the inertial sensors of the inertial sensor unit 48 are acted upon, so that they are precessed in accordance with the storage signals. The stabilized position of the optical axis is tracked so the goal.
  • Fig. 2 Fig. 12 schematically shows the stabilization of the finder system 30 in space, the alignment of the optical axis 68 to the target.
  • the stabilization of the viewfinder system 30 in space is performed by the inertial sensor unit 48.
  • the inertial sensor unit 48 controls the torquers 62 in a conventional manner. If there is a line-of-sight of the optical axis 68 to a target detected by the viewfinder system 30, then the storage signals provided to the viewfinder system 30 are to the inertial sensors of FIG Inertia sensor unit 48 connected and preceded this so that the stabilized optical axis 68 is tracked to the target.
  • angle sensor 70 As in Fig. 2 is further shown by angle sensor 70, the frame angle of the gimbal system determined.
  • the roll actuator 52 is driven by the controller 72 in one or the other direction of rotation.
  • the roll servo motor 52 then rotates the table 16 with the entire gimbal system and the viewfinder system 30 about the roll axis such that the line of sight is again in the adjustment range of the gimbal system.
  • Fig. 3 illustrates the effect of the inclination of the first gimbal axis 24 to the roll axis 18.
  • the first gimbal axis 24 forms with the roll axis 18 at an angle ⁇ .
  • the inner gimbal 22 is in its center position.
  • the plane of the inner gimbal 22 is then perpendicular to the paper plane in Fig. 3
  • the outer gimbal 26 is then adjustable about the plane perpendicular to the paper plane second gimbal axis 28 between two stop positions corresponding to the positions 64 A and 64 B symmetrical to a central position 64 M of the optical axis 64.
  • the angle between the stop position 64 B and the roll axis 18 is ⁇ + 90 ° - ⁇ .
  • the maximum tilt angle of the viewfinder system 30 relative to the roll axis 18 about 70 °.
  • the viewfinder system 30 can thus in the illustrated position of the table 16 an asymmetrical to the roll axis 18 solid angle to z. B. 70 ° in the paper plane on the right side of Fig. 1 to capture. In the azimuth direction of the solid angle is limited by the stop position of the outer gimbal 26. Not recognized due to the asymmetry and areas left in Fig. 1 ,
  • the optical axis 64 of the viewfinder system 30 can thus be aligned to a target within a solid angle of 70 ° around the roll axis 18.
  • Fig. 4 shows a longitudinal section through a seeker head 15.
  • a bearing structure 20 by a wobble angle of (90 ° - ⁇ ) inclined to the roll axis 18.
  • the bearing structure 20 is rotatably supported about its longitudinal axis or wobble axis 21 and the roll axis 18 by the bearings 23 and 25, respectively.
  • Fig. 5 shows a longitudinal section through the seeker 15 according to Fig. 4 , To illustrate the configuration of the wobble axis 21 and the fixation of inner frame 22 and outer frame 26 (both not visible in the figure) by means of the fixing means 27, 29 with respect to their position relative to the roll axis 18 components of the pitch-yaw region are not shown.
  • the fixing means 27 is a toothed wheel coaxial with the longitudinal axis of the missile or roll axis 18 and integrated into the missile structure 10.
  • the fixing means 29, also a gear, is at the wobble angle of (90 ° - ⁇ ), this corresponds in the drawing 20 °, arranged on the pitch-yaw gimbal system of inner frame 22 and outer frame 26 with the rotational degree of freedom of the wobble axis 21.
  • the two gears 27, 29 have different radii and a matched profile displacement.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Suchkopf mit einer Rollachse und einem Nick-Gier-Innenkardansystem, enthaltend einen inneren Kardanrahmen, der um eine erste Kardanachse schwenkbar an einer Lagerstruktur gelagert ist, und einen äußeren, ein Suchersystem des Suchkopfs tragenden, Kardanrahmen, der um eine zweite, zu der ersten senkrechte Kardanachse auf dem inneren Kardanrahmen schwenkbar gelagert ist.
  • Solche Suchköpfe werden insbesondere in zielverfolgenden Flugkörpern angewandt. Ein optisches System als Suchersystem erzeugt ein Bild einer das Ziel enthaltenden Objektszene auf einem Detektor. Aus den Signalen des Detektors werden einmal Signale gewonnen, welche die optische Achse des optischen Systems auf das Ziel ausgerichtet halten. Außerdem werden aus den Signalen des Detektors Lenksignale gewonnen, durch welche der Flugkörper zu dem Ziel geführt wird. Üblicherweise wird dabei eine das optische System tragende Plattform und damit die Richtung der optischen Achse des optischen Systems durch ein Trägheitsmesssystem von den Bewegungen des Flugkörpers entkoppelt. Wenn durch einen Regelkreis die optische Achse ständig auf das Ziel ausgerichtet gehalten wird, entspricht die optische Achse der Sichtlinie vom Flugkörper zum Ziel. Aus der Bewegung der optischen Achse relativ zu der stabilisierten Plattform kann dann die Drehrate der Sichtlinie im inertialen Raum bestimmt werden. Bei üblicher Proportionalnavigation wird der Flugkörper so geführt, dass diese Sichtlinie raumfest bleibt. Die Lenksignale werden dazu proportional zu der Drehrate der Sichtlinie gemacht. Die Plattform muss dabei kardanisch gelagert werden, so dass die optische Achse des optischen Systems jede beliebige Position innerhalb eines bestimmten Raumwinkels einzuvernehmen vermag.
  • Die kardanische Lagerung kann dabei eine Nick-Gier-Lagerung sein. Dabei ist ein erster Kardanring um eine erste im wesentlichen quer zur Flugkörper-Längsachse verlaufende Achse, z. B. die Nickachse, gegenüber der Flugkörperstruktur schwenkbar gelagert. An dem ersten Kardanring ist ein zweiter Kardanring um eine zweite Achse, z. B. die Gierachse, schwenkbar gelagert, die senkrecht zu der ersten Achse verläuft. Dieser zweite Kardanring trägt oder bildet die Plattform, auf welcher das optische System sitzt. Dabei kann der an der Flugkörperstruktur gelagerte erste Kardanring der äußere Kardanring sein, während der zweite Kardanring den inneren Kardanring bildet. Man spricht dann von einem "Außenkardansystem". Der an der Flugkörperstruktur gelagerte erste Kardanring kann aber auch der innere Kardanring sein, wobei der zweite, die Plattform tragende oder bildende Kardanring der äußere Kardanring ist. In diesem Fall spricht man von einem "Innenkardansystem". Das Kardansystem sitzt dann innerhalb der Plattform. Diese letztere Anordnung wird aus räumlichen Gründen bevorzugt.
  • Bei einem solchen Nick-Gier-Kardansystem sind die Schwenkwinkel der Plattform und damit die Schielwinkel, welche die optische Achse mit der Flugkörper-Längsachse bilden, aus konstruktiven Gründen beschränkt. Der Sucher kann ein Ziel nur in nur einem begrenzten Gesichtsfeld erfassen.
  • Ein Suchkopf mit Nick-Gier-Innenkardansystem ist beispielsweise beschrieben in der DE 195 35 886 A1 oder der EP 0 766 065 B1 .
  • Größere Schielwinkel lassen sich erreichen mit einem Roll-Nick-Kardansystem. Hier ist ein erster, wellenartiger Kardanrahmen um eine mit der Flugkörper-Längsachse zusammenfallende Rollachse in der Flugkörperstruktur drehbar gelagert. Dieser erste Kardanrahmen kann gegenüber der Flugkörperstruktur um die Rollachse in einem Winkelbereich von 360° verdreht werden. An dem ersten Kardanrahmen ist ein zweiter Kardanrahmen um eine senkrecht zur Rollachse verlaufende Nickachse schwenkbar gelagert. Dieser zweite Kardanrahmen trägt das optische System des Suchkopfes. Der zweite Kardanrahmen kann so gelagert werden, dass die optische Achse des optischen Systems um einen Winkel von ungefähr 90° gegenüber der Längsachse des Flugkörpers verschwenkt werden kann. Es sind also Schielwinkel bis 90° möglich, und zwar in jeder Richtung um die Rollachse herum. Ein so aufgebauter Suchkopf kann somit innerhalb eines Halbraumes auf ein Ziel ausgerichtet werden.
  • Suchköpfe mit Roll-Nick-Kardansystemen sind bekannt durch die DE 33 17 232 A1 und die DE 198 24 899 C1 .
  • Nachteilig ist bei solchen Roll-Nick-Kardansystemen, dass sie im Bereich der Rollachse eine Singularität zeigen: Wenn die Sichtlinie zum Ziel, der die optische Achse des optischen Systems durch Verdrehung der Kardanrahmen nachgeführt werden soll, mit der Rollachse zusammenfällt oder in deren Nähe verläuft, dann erfordern schon kleine Bewegungen der optischen Achse große Winkelbewegungen des Rollrahmens. Wenn sich z. B. die Sichtlinie zum Ziel durch die Rollachse hindurchbewegt, dann müsste der Rollrahmen, um die optische Achse dieser Sichtlinie nachzuführen, praktisch in unendlich kurzer Zeit eine Drehung um 180° ausführen. Das übersteigt die Möglichkeiten üblicher Stellmotoren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kardansystem für einen Suchkopf zu schaffen, bei welchem die Nachführung der Plattform und des Suchersystems ohne Singularitäten erfolgt, welches aber große Schielwinkel und die Erfassung von Zielen in einem großen Gesichtsfeld gestattet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die erste Kardanachse mit der Rollachse einen spitzen Winkel bildet und die Lagerstruktur ihrerseits um die Rollachse drehbar gelagert ist.
  • Dadurch, dass die erste Kardanachse mit der Rollachse einen spitzen Winkel bildet, sitzt das Kardansystem schräg zu der Rollachse. Der Schwenkbereich des äußeren Kardanrahmens mit dem Suchersystem ist dadurch unsymmetrisch zu der Rollachse. Betrachtet man die Mittellage des um die erste Kardanachse schwenkbaren Innenrahmens, dann ergibt sich folgendes: Bezeichnet man mit α den spitzen Winkel und mit 2β den Schwenkbereich des Außenrahmens um die zweite Kardanachse, dann ist der maximal erreichbare Schielwinkel zwischen der Rollachse und der Achse des Suchersystems 90'-α+β. Es kann also ein größerer Schielwinkel erreicht werden. Wenn das Ziel im Azimut aus dem durch den Schwenkbereich des Kardansystems bestimmten Raumwinkel auswandert, kann dies durch eine Drehung des Kardansystems um die Rollachse ausgeglichen werden. Der durch den Schwenkbereich des Kardansystems bestimmte Raumwinkel wird dem Ziel nachgeführt.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die um die Rollachse drehbar gelagerte Lagerstruktur zusätzlich um ihre eigene Längsachse drehbar gelagert. Durch die damit verbundene Einführung eines weiteren Drehfreiheitsgrades sind Drehbewegungen des Rollrahmens durch Drehbewegungen der Lagerstruktur um ihre Längsachse mit entgegen gesetztem Drehsinn kompensierbar. Rollwinkel von über 360 °, die zu übermäßiger Belastung von elektrischen Verbindungsleitungen und Hochdruckkupplungen für Gaszuführungen führen, treten nicht mehr auf. Die Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer des Suchkopfs wird somit erhöht. Zudem kann bei dieser Ausgestaltung auch auf den Einsatz von kostenintensiven und hohen Platzbedarf benötigenden Hochdruckdrehkupplungen und Schleifringen für elektrische Abgriffe verzichtet werden. Durch die Entkopplung des Nick-Gier-Kardansystems von Rollbewegungen des Rollrahmens durch die um ihre Längsachse drehbare Lagerstruktur kann die zu drehende Masse reduziert werden. Für Bewegungen um die Rollachse sind somit geringere Antriebsleistungen erforderlich und das Bauvolumen des Rollrahmens kann reduziert werden.
  • Zweckmäßigerweise ist eine Fixierung des Nick-Gier-Kardansystems bezüglich seiner Rolllage zur Flugkörperstruktur mittels Fixierungsmitteln vorgesehen. Bei den Fixierungsmitteln kann es sich um Verzahnungselemente in Form von Zahnrädern handeln, wobei ein Zahnrad in der Flugkörperstruktur und ein Zahnrad zwischen dem Nick-Gier-Rahmensystem und dem neuen Drehfreiheitsgrad integriert ist. Mit anderen Worten rollt das Nick-Gier-Rahmensystem bei einer Drehung um die Rollachse mit gegenläufigem Drehsinn um die Längsachse der Lagerstruktur. Geschickterweise handelt es sich bei den Zahnrädern um Formteile aus Kunststoff mit geringem Gewicht. Kunststoff kann deswegen eingesetzt werden, weil nur geringe Momente zu übertragen sind. Sinnvollerweise besitzen die Zahnräder die gleiche Anzahl von Zähnen, um ein Übersetzungsverhältnis von eins zu erreichen.
  • Durch ein Drehen der Rollachse und gleichzeitiges Entdrehen durch eine Drehbewegung der Lagerstruktur um ihre Längsachse, im folgenden auch Taumelachse genannt, und Fixierung mittels der Fixierungsmittel ist das Nick-Gier-Kardansystem in der Lage, um die Flugkörperlängsachse, d. h. die Rollachse, mit einem festen Winkel von (90° - α) zu taumeln ohne dabei Drehkomponenten in der Rollachse zu erzeugen. Der Taumelwinkel liegt üblicherweise in einem Bereich von 15 -30 °. Eine Bilddrehung gegenüber dem Flugkörperkoordinatensystem findet nicht statt. Durch die mechanische Fixierung kann auf Antriebs- und Abgriffselemente für die Erzeugung einer Drehbewegung der Lagerstruktur um ihre Längsachse, wie beispielsweise in Form von einem Elektromotor und elektrischen Verbindungsleitungen, verzichtet werden. Dadurch wird eine weitere Massen- und Bauvolumenersparnis erreicht.
  • Vorteilhafterweise enthält der Raumwinkel, in welchem die optische Achse des optischen Systems durch Schwenkbewegungen um die erste und die zweite Kardanachse auslenkbar ist, die Rollachse.
  • Zur Stabilisierung des optischen Systems im Raum kann eine Trägheitsmesseinheit vorgesehen sein, durch welche Stellmotoren um die erste und die zweite Kardanachse ansteuerbar sind, wobei ein um die Rollachse wirkender Stellmotor vorgesehen ist, der dann, wenn sich der innere Kardanrahmen seiner Anschlagstellung nähert, im Sinne einer Nachführung dieses inneren Kardanrahmens weg von der Anschlagstellung ansteuerbar ist.
  • Die Achse des Suchersystems kann so auf jeden Punkt innerhalb eines großen, sich um die Rollachse herum erstreckenden Raumwinkels gerichtet werden. Die Stabilisierung erfolgt dabei mittels des Nick-Gier-Kardansystems. Dieses Nick-Gier-Kardansystem hat auch im Bereich der Rollachse keine Singularität. Bei einem Durchgang der Sichtlinie durch die Rollachse führt das Nick-Gier-Kardansystem nur normale Stellbewegungen aus. Es ist kein 180°-Umschlag erforderlich wie bei einem Roll-Nick-Kardansystem.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
    • Fig. 1
    zeigt einen Längsschnitt durch einen Suchkopf mit schräg liegendem Nick-Gier-Kardansystem und einer zusätzlichen Nachführbewegung um die Rollachse.
    Fig. 2
    ist ein Blockdiagramm und veranschaulicht die Nachführung des Suchersystems nach einer Sichtlinie zu einem Ziel.
    Fig. 3
    ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vergrößerung des Bereichs der zulässigen Schielwinkel des Suchkopfes von Fig. 1.
    Fig. 4
    zeigt einen Längsschnitt durch einen Suchkopf mit schräg liegendem Nick-Gier-Kardansystem und mit einer um eine Rollachse und ihre eigene Längsachse drehbar gelagerten Lagerstruktur.
    Fig. 5
    zeigt einen Längsschnitt durch einen Suchkopf gemäß Fig. 4 mit Fixierungsmitteln für das Nick-Gier-Kardansystem bezüglich einer Rolllage der Flugkörperstruktur.
  • Gleiche Teile werden dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • In Fig. 1 ist mit 10 die Spitze der Flugkörperstruktur eines zielverfolgenden Flugkörpers bezeichnet. Die Spitze 10 ist durch ein sphärisches Fenster (Dom) 12 abgeschlossen. Hinter dem Dom 12 sitzt ein Suchkopf, der mit 14 bezeichnet ist.
  • Der Suchkopf 14 enthält einen Tisch 16, der um eine mit der Längsachse des Flugkörpers zusammenfallende Rollachse 18 drehbar in der Spitze 10 der Flugkörperstruktur gelagert ist. Auf dem Tisch sitzt ein hülsenförmiger Lagerkörper 20. Der Lagerkörper 20, auch Lagerstruktur genannt, ist geneigt zur Rollachse 18 angeordnet. An dem vorderen oder domseitigen Ende des Lagerköpers 20 ist ein Innenrahmen 22 um eine erste, zur Längsachse der Lagerkörpers 20 senkrechte Kardanachse 24 schwenkbar gelagert. Das ist in Fig. 1 rechts von der Längsachse des Lagerköpers 20 dargestellt. Durch die geneigte Anordnung des Lagerkörpers 20 bildet die erste Kardanachse 24 mit der Rollachse einen spitzen Winkel α (Fig. 3). Links von der Längsachse des Lagerkörpers 20 ist ein Schnitt senkrecht zu dem Schnitt auf der rechten Seite dargestellt. Man erkennt dort, dass auf dem Innenrahmen 22 ein Außenrahmen schwenkbar gelagert ist, der generell mit 26 bezeichnet ist. Der Außenrahmen 26 ist um eine zweite Kardanachse 28 schwenkbar gelagert, die senkrecht zu der ersten Kardanachse 24 verläuft. Wenn die erste Kardanachse 24 im rechten Teil von Fig. 1 in der Papierebene von Fig. 1 verläuft, dann verläuft bezogen hierauf die zweite Kardanachse 28 senkrecht zu der Papierebene der rechten Seite von Fig. 1.
  • Auf dem Außenrahmen 26 sitzt ein Suchersystem 30 in Form eines abbildenden optischen Systems. Dieses Suchersystem 30 enthält einen ringförmigen Hohlspiegel 32, der mit seinem zentralen Durchbruch auf dem Außenrahmen 26 montiert ist. Der Außenrahmen 26 weist einen Kuppelteil 34 auf. Der Kuppelteil 34 trägt Stege 36, welche einen dem Hohlspiegel 32 zugewandten, schwach konvexen Sekundärspiegel 38 tragen. Der Kuppelteil 34 bildet eine Fassung 40 für eine Linsenoptik 42. Parallel einfallendes Licht von einer im Unendlichen liegenden Objektszene wird von dem Hohlspiegel 32 auf den Sekundärspiegel 38 reflektiert und von diesem auf die Linsenoptik 42 gelenkt. Das optische System erzeugt ein Bild der Objektszene auf einem Detektor 44. Der Detektor 44 wird in üblicher Weise von einem Joule-Thomson-Kühler 46 gekühlt der innerhalb des hülsenförmigen Lagerkörpers 20 angeordnet ist. Auf der Rückseite des Sekundärspiegels 38 ist ähnlich wie bei der DE 195 35 886 A1 eine Trägheitssensoreneinheit 48 angeordnet.
  • Die Kardanachse 24 und 28 und die Rollachse 18 schneiden sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt 50. Im Bereich dieses gemeinsamen Schnittpunktes 50 ist der strukturfeste Detektor 44 angeordnet. Der Dom 12 ist um den Schnittpunkt 50 gekrümmt. Um diesen Schnittpunkt 50 ist der äußere Kardanrahmen 26 nach allen Seiten verschenkbar gelagert. Bei dieser Anordnung sind die Kardanrahmen 22 und 26 innerhalb des Suchersystems 30 angeordnet. Das Suchersystem 30 sitzt auf dem äußeren Kardanrahmen 26. Man spricht daher von einem "Innenkardansystem".
  • Der Tisch 16 ist durch einen Stellmotor 52 um die Rollachse verdrehbar. An dem Tisch 16 sitzen auf einer sphärischen Fläche 54 Magnete 56 mit einem kugelschalenförmigen magnetischen Rückschluss 58. Die Magnete 56 erzeugen ein radiales Magnetfeld. In diesem radialen Magnetfeld sitzen Flachspulen 60, die mit dem äußeren Kardanrahmen 26 verbunden sind. Diese Magnete 56 und Flachspulen 60 bilden Drehmomenterzeuger 62, welche unmittelbar an dem äußeren Kardanrahmen 26 angreifen. Diese Anordnung entspricht im Prinzip der Drehmomenterzeuger-Anordnung nach der EP 0 766 065 B1 und der US-Patentschrift 5,892,310 , auf deren Offenbarung Bezug genommen wird.
  • Das Suchersystem 30 definiert eine optische Achse 64. Durch die Trägheitssensoreneinheit 48 werden die Drehmomenterzeuger 62 so angesteuert, dass sie das Suchersystem 30 im Raum stabilisieren und von der Bewegung des Flugkörpers entkoppeln. Der Detektor 44 des Suchersystems 30 liefert nach geeigneter Signalverarbeitung Ablagesignale, welche die Ablage eines von dem Suchersystem erfassten Zieles von der optischen Achse 64 wiedergeben. Mit diesen Ablagesignalen sind die Trägheitssensoren der Trägheitssensoreneinheit 48 beaufschlagt, so dass diese nach Maßgabe der Ablagesignale präzediert werden. Die stabilisierte Lage der optischen Achse wird so dem Ziel nachgeführt.
  • Fig. 2 zeigt schematisch die Stabilisierung des Suchersystems 30 im Raum die Ausrichtung der optischen Achse 68 auf das Ziel.
  • Die Stabilisierung des Suchersystems 30 im Raum erfolgt durch die Trägheitssensoreneinheit 48. Die Trägheitssensoreinheit 48 steuert in üblicher Weise die Drehmomenterzeuger 62 an. Wenn eine Ablage der Sichtlinie zu einem von dem Suchersystem 30 erfassten Ziele von der optischen Achse 68 vorliegt, dann sind die dem Suchersystem 30 gelieferten Ablagesignale auf die Trägheitssensoren der Trägheitssensoreinheit 48 aufgeschaltet und präzedieren diese so, dass die stabilisierte optische Achse 68 dem Ziel nachgeführt wird.
  • Wie in Fig. 2 weiter dargestellt ist, werden durch Winkelgeber 70 die Rahmenwinkel des Kardansystems bestimmt. Wenn diese Rahmenwinkel sich der Anschlagstellung des Innenrahmens nähern, dann wird der Roll-Stellmotor 52 durch die Steuereinrichtung 72 in der einen oder der anderen Drehrichtung angesteuert. Der Roll-Stellmotor 52 verdreht dann den Tisch 16 mit dem gesamten Kardansystem und dem Suchersystem 30 um die Rollachse derart, dass die Sichtlinie wieder im Stellbereich des Kardansystems liegt.
  • Fig. 3 veranschaulicht die Wirkung der Schrägstellung der ersten Kardanachse 24 zu der Rollachse 18. Die erste Kardanachse 24 bildet mit der Rollachse 18 einen Winkel α. In Fig. 3 ist angenommen, dass sich der innere Kardanrahmen 22 sich in seiner Mittelstellung befindet. Die Ebene des inneren Kardanrahmens 22 liegt dann senkrecht zur Papierebene in Fig. 3. Der äußere Kardanrahmen 26 ist dann um die zu der Papierebene senkrechte zweite Kardanachse 28 zwischen zwei Anschlagstellungen verstellbar, die den Positionen 64 A und 64 B symmetrisch zu einer Mittelposition 64 M der optischen Achse 64 entsprechen. Der Winkel zwischen der Anschlagposition 64 B und der Rollachse 18 ist β+90°-α. Bei einem spitzen Winkel von 60° zwischen der ersten Kardanachse 24 und der Rollachse 18 ist bei der dargestellten Ausführung der maximale Kippwinkel des Suchersystems 30 relativ zu der Rollachse 18 etwa 70°. Das Suchersystem 30 kann somit in der dargestellten Position des Tisches 16 einen zu der Rollachse 18 unsymmetrischen Raumwinkel bis z. B. 70° in der Papierebene auf der rechten Seite von Fig. 1 erfassen. In der Azimutrichtung ist der Raumwinkel begrenzt durch die Anschlagstellung des äußeren Kardanrahmens 26. Nicht erfasst werden wegen der Unsymmetrie auch Bereiche links in Fig. 1.
  • Wenn der Innenrahmen 22 sich einer Anschlagposition nähert, dann wird, wie beschrieben, eine Drehung um die Rollachse 18 eingeleitet und der so durch die Anschlagpositionen begrenzte Raumwinkel der Sichtlinie zum Ziel nachgeführt, derart dass die Sichtlinie sich immer in dem Bereich des Raumwinkels befindet, in welchem die optische Achse 64 des Suchersystems 30 durch das Kardansystem auf das Ziel ausgerichtet werden kann.
  • Die optische Achse 64 des Suchersystems 30 kann somit innerhalb eines Raumwinkels von 70° um die Rollachse 18 herum auf ein Ziel ausgerichtet werden.
  • Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Suchkopf 15. Wie in Fig. 1 ist eine Lagerstruktur 20 um einen Taumelwinkel von (90° - α) zur Rollachse 18 geneigt angeordnet. Die Lagerstruktur 20 ist um ihre Längsachse bzw. Taumelachse 21 und die Rollachse 18 durch die Lager 23 bzw. 25 drehbar gelagert.
  • Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch den Suchkopf 15 gemäß Fig. 4. Zur Verdeutlichung der Konfiguration der Taumelachse 21 und der Fixierung von Innenrahmen 22 und Außenrahmen 26 (beide in der Figur nicht sichtbar) mittels der Fixierungsmittel 27, 29 bezüglich ihrer Lage gegenüber der Rollachse 18 sind Komponenten des Nick-Gier-Bereichs nicht dargestellt. Bei dem Fixierungsmittel 27 handelt es sich um ein koaxial zur Flugkörperlängsachse bzw. Rollachse 18 in die Flugkörperstruktur 10 integriertes Zahnrad. Das Fixierungsmittel 29, ebenfalls ein Zahnrad, ist unter dem Taumelwinkel von (90°- α), dieser entspricht in der Zeichnung 20 °, an dem Nick-Gier-Kardansystem aus Innenrahmen 22 und Außenrahmen 26 mit dem Drehfreiheitsgrad der Taumelachse 21 angeordnet. Die beiden Zahnräder 27, 29 besitzen unterschiedliche Radien und eine darauf abgestimmte Profilverschiebung.

Claims (6)

  1. Suchkopf (14, 15), enthaltend ein Suchersystem (30), eine Rollachse (18), einen inneren Kardanrahmen (22), der um eine erste Kardanachse (24) schwenkbar an einer Lagerstruktur (20) gelagert ist, und einen äußeren, das Suchersystem (30) tragenden, Kardanrahmen (26), der um eine zweite, zu der ersten senkrechte Kardanachse (28) auf dem inneren Kardanrahmen (22) schwenkbar gelagert ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    (a) die erste Kardanachse (24) mit einer Rollachse (18) einen spitzen Winkel (α), also einen Winkel kleiner als 90°, bildet und
    (b) die Lagerstruktur (20) ihrerseits um die Rollachse (18) drehbar gelagert ist.
  2. Suchkopf (14, 15) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Lagerstruktur (20) um ihre Längsachse (21) drehbar gelagert ist.
  3. Suchkopf (14, 15) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    Fixierungsmittel zur Fixierung der Kardanrahmen (22, 26) bezüglich ihrer Lage gegenüber der Rollachse (18) vorgesehen sind.
  4. Suchkopf (14, 15) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    als Fixierungsmittel (27, 29) ein erstes Zahnrad derart angeordnet ist, dass es in ein koaxial zur Rollachse (18) angeordnetes zweites Zahnrad eingreift.
  5. Suchkopf (14, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Raumwinkel, in welchem die optische Achse (64) des Suchersystems (30) durch Schwenkbewegungen um die erste und die zweite Kardanachse (24, 28) auslenkbar ist, die Rollachse (18) enthält.
  6. Suchkopf (14, 15) nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    (a) zur Stabilisierung des Suchersystems (30) im Raum eine Träg heitsmesseinheit (48) vorgesehen ist, durch welche Stellmotoren (62) um die erste und die zweiten Kardanachse (24, 28) an steuerbar sind und
    (b) ein um die Rollachse (18) wirkender Stellmotor (52) vorgesehen, der dann, wenn sich der innere Kardanrahmen (22) seiner Anschlagstellung nähert, im Sinne einer Nachführung dieses inneren Kardanrahmens (22) weg von der Anschlagstellung ansteuerbar ist.
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