EP3857161A1 - Aufschlagzünder - Google Patents

Aufschlagzünder

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EP3857161A1
EP3857161A1 EP19759573.9A EP19759573A EP3857161A1 EP 3857161 A1 EP3857161 A1 EP 3857161A1 EP 19759573 A EP19759573 A EP 19759573A EP 3857161 A1 EP3857161 A1 EP 3857161A1
Authority
EP
European Patent Office
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voltage
switch
impact detonator
operating state
low
Prior art date
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Granted
Application number
EP19759573.9A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP3857161B1 (de
Inventor
Thomas LABENDA
Klaus DEUTSCHKÄMER
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.)
Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Original Assignee
Rheinmetall Waffe Munition GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Rheinmetall Waffe Munition GmbH filed Critical Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Publication of EP3857161A1 publication Critical patent/EP3857161A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3857161B1 publication Critical patent/EP3857161B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C11/00—Electric fuzes
    • F42C11/02—Electric fuzes with piezo-crystal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C15/00—Arming-means in fuzes; Safety means for preventing premature detonation of fuzes or charges
    • F42C15/24—Arming-means in fuzes; Safety means for preventing premature detonation of fuzes or charges wherein the safety or arming action is effected by inertia means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41A—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS COMMON TO BOTH SMALLARMS AND ORDNANCE, e.g. CANNONS; MOUNTINGS FOR SMALLARMS OR ORDNANCE
    • F41A17/00—Safety arrangements, e.g. safeties
    • F41A17/06—Electric or electromechanical safeties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C1/00—Impact fuzes, i.e. fuzes actuated only by ammunition impact
    • F42C1/10—Impact fuzes, i.e. fuzes actuated only by ammunition impact without firing-pin
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C11/00—Electric fuzes
    • F42C11/001—Electric circuits for fuzes characterised by the ammunition class or type
    • F42C11/006—Electric circuits for fuzes characterised by the ammunition class or type for fall bombs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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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
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    • F42C15/00—Arming-means in fuzes; Safety means for preventing premature detonation of fuzes or charges
    • F42C15/40—Arming-means in fuzes; Safety means for preventing premature detonation of fuzes or charges wherein the safety or arming action is effected electrically
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F42—AMMUNITION; BLASTING
    • F42C—AMMUNITION FUZES; ARMING OR SAFETY MEANS THEREFOR
    • F42C1/00—Impact fuzes, i.e. fuzes actuated only by ammunition impact

Definitions

  • the present invention relates to an impact detonator as used in ammunition.
  • the task of the impact detonator is to respond to the active charge, which is provided in the ammunition, when the ammunition is impacted, and to initiate the ignition of the active charge directly or indirectly.
  • Direct means that e.g. B. a detonator is ignited.
  • Indirectly means that a switch is activated to connect the detonator with the ignition energy.
  • Impacts of a certain ammunition on different surfaces have a large dynamic range in terms of amplitude and frequency, which must be detected completely and reliably, but may only trigger in specified limits.
  • dynamic detection means that short, strong impacts must be detected just as reliably as longer, softer impacts, whereby only the impact on certain targets is to trigger the ignition and other obstacles do not trigger the ignition.
  • the sensitivity or response of the impact detonator must be set to different targets.
  • An impact detonator with an active sensor is proposed, which can convert mechanical energy into electrostatic energy, ie into a sensor voltage.
  • a piezo sensor is advantageously proposed, which has mechanical effects on the Converted piezo material into electrical charge, resulting from a dipole formation in the crystal structure.
  • a capacitor and a resistor In parallel to the sensor input of the circuit follows a capacitor and a resistor, which together form a high pass to set the lower limit frequency.
  • the main function of the capacitor is to convert the charge of the piezo sensor into a voltage.
  • the capacity then largely determines the sensitivity.
  • the impact detonator has a filter characteristic consisting of a high pass and at least one low pass in a downstream filter circuit, which will be explained later.
  • the proposed impact detonator further includes an operating state switch which can convert the impact detonator into one of two operating states, namely an activated and a deactivated operating state. This is done by means of an activation voltage, which can be supplied to the operating status switch. Via this activation voltage, the impact detonator is brought into an activated (armed), without activation voltage in the deactivated (safe) operating state.
  • an operating state switch which can convert the impact detonator into one of two operating states, namely an activated and a deactivated operating state. This is done by means of an activation voltage, which can be supplied to the operating status switch. Via this activation voltage, the impact detonator is brought into an activated (armed), without activation voltage in the deactivated (safe) operating state.
  • the operating status switch is preferably designed such that the activated state is reached when the activation voltage is applied and the deactivated state of the impact detonator when the activation voltage is not applied. So that this deactivated state of the impact detonator is maintained, i.e. when an activation voltage is not present, a potential coupling is provided in a special embodiment, which uses the existing ground potential to design the input limitation controlled by the operating state switch in such a way that it can become active and thus keeps the impact detonator safely in the deactivated (safe) operating state.
  • the activation voltage for the operating state switch can advantageously be buffered. In a preferred embodiment, this is possible by means of a capacitor and a resistor (low pass).
  • the capacitor ensures that the applied activation voltage is maintained for a short time when the same disappears.
  • the state of the deactivated input limitation is maintained for a short time, which ensures that the active function of the open circuit is retained.
  • the electrostatic energy is dissipated via the resistance of the buffer. Entry limit
  • the input limitation is preferably designed such that the energy from the active sensor is limited or reduced after a first low-pass filter of the electronic circuit. This is achieved by short-circuiting the voltage in a certain range. As a result of this intended short circuit, the sensor voltage can no longer be supplied to a threshold switch.
  • the input signal be short-circuited, preferably by means of a MOSFET component which is connected in parallel with the active sensor or after the first low-pass filter.
  • a MOSFET component which is connected in parallel with the active sensor or after the first low-pass filter.
  • Such an input limitation can then be limited to positive voltages due to the structural nature of the MOSFET component.
  • this MOSFET In the activated operating state, controlled by the operating state switch, this MOSFET is then blocked so that a positive sensor voltage is no longer short-circuited. Accordingly, the full sensor voltage is then applied to the subsequent filter circuits. Negative sensor voltage is always limited by the source-drain diode of the MOSFET. This limitation is independent of the operating status.
  • a capacitor and a resistor are arranged parallel to the sensor input of the impact detonator.
  • the capacitor converts the electrical charge signal from the sensor into a proportional voltage signal.
  • the capacitor voltage varies with the dimensioning of the capacitor capacitance and thus the sensitivity can be adjusted with this.
  • the resistor shorts out static voltages and forms a high pass with the capacitor.
  • the capacitor and the resistance determine the lower limit frequency in the first order.
  • This high-pass characteristic of the circuit is used to adequately dampen low frequencies, such as those that may occur due to physical behavior during the flight of the ammunition, and to compensate for the zero point drift so that they cannot lead to the initiation of the detonator.
  • the pre-filtered sensor voltage is fed to a first-order low-pass filter.
  • the first low-pass filter is not absolutely necessary, but it is used so that dynamic negative sensor voltages are not short-circuited by the input limitation.
  • the output signal of the first low-pass filter then branches into two further low-pass filters
  • the output signal of the 1st low-pass filter is routed to 2 parallel low-pass filters with different transmission behavior.
  • the 2 parallel low-pass filters detect sensor signals for different target types.
  • a threshold switch which blocks the voltage signals of the low-pass filter outputs below a certain threshold. If the voltage signal reaches or exceeds the threshold value, the threshold value switch switches the voltage signals on and passes them on as an ignition voltage for firing the ammunition. The threshold switch prevents ignition by small voltage pulses that are not caused by the impact detonator striking the desired target.
  • the threshold switch can also consist of a circuit with discrete components.
  • a voltage limitation is also provided in a special embodiment, which limits the ignition voltage. This is advantageous if the ignition voltage passed on by the threshold switch is too high or contains excessive voltage peaks.
  • a Zener diode which limits the ignition voltage to the Zener voltage, has proven advantageous.
  • a suppressor diode which has a faster response time than the conventional Zener diode can also be used particularly advantageously here.
  • the resistor R7 compensates for leakage currents. Further features emerge from the attached drawings. It shows:
  • Fig. 1 exemplary circuit diagram of an impact detonator according to the invention.
  • FIG. 1 shows the impact detonator according to the invention, the active sensor, which can for example be a piezo sensor, not being shown.
  • the sensor is connected to GND at the two points of the sensor voltage U s and supplies electrostatic energy E el .
  • This electrostatic energy is supplied in the form of a charge to the capacitor C1 located directly at the input of the sensor voltage U s and converted into a proportional electrical voltage in the capacitor. This voltage, stored charge is used for the further connection of the impact detonator.
  • the invention is divided into two operating states, an activated and a deactivated state.
  • the operating states are switched using an operating state switch Q2.
  • this is designed as an NMOSFET.
  • This NMOSFET is used as an electronic switch and can deactivate the input limit Q1 when the activation voltage Ü A is applied .
  • a potential coupling R8 is introduced, which holds the ground potential when the activation voltage UA is lost. This deactivates the impact detonator, i.e. brought into a safe state.
  • the operating state switch Q2 in FIG. 1 connects the gate of the transistor Q1 to the ground when the operating state switch Q2 is activated.
  • the transistor Q1 can no longer become conductive and thus the sensor voltage will no longer be limited to below approximately 3V.
  • This operating state switch Q2 is controlled by the igniter electronics or the voltage U A.
  • the MOSFET as input limitation Q1 is then no longer blocked by the operating state switch Q2, so that the capacitor C4 is charged when the sensor voltage is positive.
  • the capacitor voltage of the C4 exceeds the threshold gate-source voltage of the input limitation Q1 after a short delay due to the resistor R3, this becomes conductive and then short-circuits the voltage to the subsequent filters.
  • the threshold switch D1 gets no voltage to switch through. This function is supplied by the active sensor.
  • the circuit advantageously does not have to be supplied externally, so that the energy from the active sensor is sufficient to generate the ignition pulse of the ignition voltage U z . If the threshold switch D1 switches through, the energy stored in the low-pass filters C5 + R5 and C6 + R6 is large enough to guarantee a trigger pulse even with an additional trigger delay. A so-called pump effect is not possible.
  • the aforementioned pumping effect occurs when shock waves run through the ammunition body during the impact of the ammunition, which is particularly the case with hard targets. These shock waves generate an oscillating signal from the active sensor and thus an oscillating sensor voltage. With conventional impact detonators, the ignition pulse can be interrupted or delayed.
  • the input limitation Q1 is preferably also designed as an NMOSFET. In order to keep this sensor voltage safely below the threshold value, the input limitation Q1 is arranged parallel to the sensor voltage U s or after the 1st low-pass filter (drain Q1 on the capacitor C2). If there is now a positive sensor voltage U s , the capacitor C4 is charged between the gate and source. If the NMOSFET exceeds its threshold gate-source voltage, it becomes conductive between drain and source with a very small resistance. The now conductive input limitation shorts the sensor voltage U s down to the threshold gate voltage. A negative sensor voltage U s is also limited by the drain-source diode.
  • the sensor voltage U s is thus limited to values between -0.7V and 3.5V.
  • the following threshold switch has a higher breakdown voltage (breakover) than the 3.5V, for example 20V.
  • this threshold switch D1 is designed as a trigger diode, which works, for example, with a breakdown voltage of 20V. This means that voltage signals of the sensor voltage U s below 20V are not passed through the trigger diode, Voltage signals above 20V, however, do.
  • the drain-source diode of the NMOSFET remains active, so that the sensor voltage U s is still limited to 0.7 V in the negative case, regardless of the operating state of the impact detonator.
  • the current through the drain-source diode leads to a zero point shift.
  • the high pass connected downstream of the sensor input Us consists of the capacitor C1 and the resistor R1. This is followed by a low pass filter C2 + R2, which is arranged between high pass C1 + R1 and threshold switch D1. This low-pass filter C2 + R2 ensures that high frequencies, which likewise should not lead to the ignition of the impact detonator, are also filtered out of the sensor voltage U s . This first low pass is followed by 2 different further low passes.
  • the low-pass filter branch (C5, R5 with a small time constant) is for the strong signal components (hard targets) and has a sequential zener diode D2 in the reverse direction. This reduces the voltage supplied to the filter C5, R5 by the Zener voltage of the Zener diode D2.
  • the Zener diode D2 also prevents the charge from flowing into the capacitor C5 at a low voltage level, thereby reducing the overall sensitivity, because this part of the charge would be missing in the capacitor C6. Only when the level is sufficiently high does the capacitor C5 charge up to the trigger voltage of the threshold switch D1, which then switches the capacitor voltage on to the output Uz.
  • the second low-pass filter C5 + R5 is then assigned to the output signal, ie the ignition voltage U z , and filters high frequencies out of the ignition voltage U z .
  • the low-pass filter has a Zener diode D2 sequentially to the resistor R5. The Zener diode D2 reduces the input voltage of the low-pass filter by the Zener voltage.
  • the low-pass filter branch (C6, R6) for the weaker signal components has a higher time constant, so that the capacitor C6 can charge up to the trigger voltage of the threshold switch D1 more slowly. This then also switches the capacitor voltage C6 through to the output Uz. There is no voltage-reducing Zener diode in this low-pass filter branch, so even small amplitudes can contribute to the charging of C6.
  • One diode (D5 and D6) at the output of each low-pass filter branch decouples the output voltages and prevents the two filters from influencing each other. Dynamic signals are filtered by the two filters and are not fed to the threshold switch D1.
  • the voltage limiting D7 of the ignition voltage U such limits the ignition voltage U z ideally to a value which is slightly above the threshold voltage of the threshold D1.
  • the first low-pass filter C2 + R2 is not limited in its input voltage, that is to say the sensor voltage U s .
  • a hard target or a high ammunition speed also results in a large delay, so that the active sensor delivers a large amount of energy in the form of a charge in a short time, which is converted into a high voltage pulse in the capacitor C1.
  • a high voltage shortens the time required to charge the first low-pass capacitor C2 and to switch through the threshold switch D1.
  • the ignition pulse is therefore very dynamic. If the target is soft or the ammunition is slower, the trigger pulse, ie the ignition voltage U z . Correct parameterization, i.e. setting the filter, allows the triggering characteristics of the impact detonator to be set within certain limits.
  • a voltage limitation D7 is provided.
  • a Zener diode or a suppressor diode Voltages above the breakdown voltage of this Zener or suppressor diode are short-circuited via the diode, so that the ignition voltage U z is limited to a maximum voltage.
  • a diode D2 is provided in series with the ignition voltage U z , which is intended to protect the electronic circuit of the impact detonator from feedback currents.
  • the input limitation (Q1) can be arranged in a simple manner before or after the resistance of the low-pass filter (R2), the connections 21-22 are opened and the connections 22-23 are connected.
  • the present invention is not limited to the above-mentioned features, rather further embodiments are conceivable.
  • a fuse could be provided that only activates the detonation function of the detonator after a programmed time.
  • the transmission function could be programmed and / or high and low passes of higher order could be used for more precise adjustment of the impact characteristic, that is to say for setting the dynamics .

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Abstract

Aufschlagzünder mit einem aktiven Sensor, welche eine Sensorspannung erzeugt, mit einer Filterschaltung bestehend aus einem Hochpass und mindestens einem ersten Tiefpass, um dynamische Aufschlagscharakteristika einstellen zu können. Weiterhin ist ein Betriebszustandsschalter vorgesehen, welcher den Aufschlagzünder in eine von zwei Betriebszuständen überführen kann, nämlich einen aktivierten und einen deaktivierten Betriebszustand. Hierzu wird mittels einer Sicherheitsspannung der Betriebszustandsschalter in einen von den zwei Betriebszuständen geschaltet. Im aktiven Betriebszustand wird die Sensorspannung direkt dem Schwellwertschalter zugeführt und im deaktivierten Betriebszustand wird über eine Eingangsbegrenzung die Sensorspannung unter dem SchwelIwert des Schwellwertschalters gehalten.

Description

BESCHREIBUNG
Aufschlagzünder
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufschlagzünder, wie er in Munitionen verwendet wird. Aufgabe des Aufschlagzünders ist dabei die Wirkladung, welche in der Munition vorgesehen ist, bei Aufschlag der Munition auf ein Ziel sicher anzusprechen und die Zündung der Wirkladung direkt oder indirekt zu initiieren. Direkt bedeutet, dass z. B. ein Detonator gezündet wird. Indirekt bedeutet, es wird ein Schalter angesteuert um den Detonator mit der Zündenergie zu verbinden.
Aufschläge einer bestimmten Munition auf verschiedene Untergründe weisen einen großen Dynamikbereich bzgl. Amplitude und Frequenz auf, der vollständig und sicher detektiert werden muss, dabei aber nur in spezifizierten Grenzen zur Auslösung führen darf. Dynamisches Detektieren heißt in diesem Falle, dass kurze, starke Aufschläge genauso ebenso sicher detektiert werden müssen, wie längere, weichere Aufschläge, wobei lediglich der Aufschlag auf bestimmte Ziele die Zündung auslösen soll und andere Hindernisse keine Zündung auslösen. Folglich müssen die Empfindlichkeit bzw. das Ansprechverhalten des Aufschlagzünders auf unterschiedliche Ziele eingestellt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, einen Aufschlagzünder bereitzustellen, der lediglich bei Aufschlag auf sein Ziel zündet und nicht bereits beim Verschießen oder durch während der Flugzeit auf die Munition einwirkende Kräfte. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des vorliegenden Hauptanspruchs gelöst.
In den folgenden Absätzen werden die Funktionseinheiten nacheinander erläutert:
Sensor
Es wird ein Aufschlagzünder mit einem aktiven Sensor vorgeschlagen, welcher mechanische Energie in elektrostatische Energie umwandeln kann, also in eine Sensorspannung. Hierzu wird vorteilhaft ein Piezosensor vorgeschlagen, welcher mechanische Einwirkungen auf das Piezomaterial in elektrische Ladung umwandelt, resultierend aus einer Dipolbildung in der Kristallstruktur. Parallel zum Sensoreingang der Schaltung folgt ein Kondensator und ein Widerstand, die zusammen einen Hochpass bilden um die untere Grenzfrequenz einzustellen.
Die hauptsächliche Funktion des Kondensators ist aber, die Ladung des Piezosensors in eine Spannung zu wandeln. Die Kapazität bestimmt dann weitestgehend die Empfindlichkeit.
Weiterhin besitzt der Aufschlagzünder eine Filtercharakteristik, bestehend aus einem Hoch- pass und mindestens einem Tiefpass in einer nachgelagerten Filterschaltung, die später erklärt wird.
Betriebszustandsschalter
Der vorgeschlagene Aufschlagzünder beinhaltet weiterhin einen Betriebszustandsschalter, welcher den Aufschlagzünder in einen von zwei Betriebszuständen, nämlich einen aktivierten und einen deaktivierten Betriebszustand überführen kann. Dies geschieht mittels einer Aktivierungsspannung, welche dem Betriebszustandsschalter zugeführt werden kann. Über diese Aktivierungsspannung wird der Aufschlagzünder in einen aktivierten (scharf), ohne Aktivierungsspannung in den deaktivierten (sicher) Betriebszustand überführt.
Vorzugsweise ist der Betriebszustandsschalter so gestaltet, dass bei angelegter Aktivierungsspannung der aktivierte Zustand erreicht wird und bei nicht angelegter Aktivierungsspannung der deaktivierte Zustand des Aufschlagzünders. Damit dieser deaktivierte Zustand des Aufschlagzünders sicher aufrecht erhalten bleibt, also bei Nichtanliegen einer Aktivierungsspannung, ist in einer besonderen Ausführungsform eine Potentialkopplung vorgesehen, welche das vorhandene Massepotential dazu nutzt, die durch den Betriebszustandsschalter gesteuerte Eingangsbegrenzung derart zu gestalten, dass sie aktiv werden kann und somit den Aufschlagzünder sicher im deaktivierten (sicheren) Betriebszustand hält.
Vorteilhafterweise kann die Aktivierungsspannung für den Betriebszustandsschalters gepuffert werden. Dies ist möglich in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen Kondensator und einen Widerstand (Tiefpass). Der Kondensator sorgt dafür, dass die anliegende Aktivierungsspannung bei Wegfall der gleichen für eine kurze Zeit aufrechterhalten bleibt. Somit wird auch der Zustand der deaktivierten Eingangsbegrenzung kurzzeitig aufrechterhalten, was dafür sorgt, dass die aktive Funktion der Aufschlagschaltung erhalten bleibt. Das Abbauen der elektrostatischen Energie erfolgt über den Widerstand des Puffers. Eingangsbegrenzung
Die Eingangsbegrenzung ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Energie vom aktiven Sensor nach einem 1. Tiefpassfilter der elektronischen Schaltung begrenzt bzw. abgebaut wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Spannung in einem gewissen Bereich kurzgeschlossen wird. Durch diesen beabsichtigten Kurzschluss kann die Sensorspannung somit nicht mehr einem Schwellwertschalter zugeführt werden.
In einer besonderen Ausführungsform wird dazu vorgeschlagen, das Kurzschließen des Ein- gangssignals bevorzugt durch ein MOSFET- Bauteil, welches parallel zum aktiven Sensor o- der nach dem 1. Tiefpassfilter geschaltet ist, zu realisieren. Eine so geartete Eingangsbegren- zung kann positive Spannungen dann durch die bauliche Eigenart des MOSFET- Bauteils auf seine begrenzt werden. Im aktivierten Betriebszustand, gesteuert durch den Betriebszustands- schalter, wird dieser MOSFET dann gesperrt, sodass kein Kurzschließen einer positiven Sensorspannung mehr ermöglicht wird. Demnach liegt dann die volle Sensorspannung den nachfolgenden Filterschaltungen an. Negative Sensorspannung wird durch die Source-Drain Diode des MOSFETs immer begrenzt. Diese Begrenzung ist unabhängig vom Betriebszustand.
Filterschaltungen
Parallel zum Sensoreingang des Aufschlagzünders sind ein Kondensator und ein Widerstand angeordnet. Der Kondensator wandelt das elektrische Ladungssignal des Sensors in ein pro- portionales Spannungssignal um. Mit der Dimensionierung der Kondensatorkapazität variiert die Kondensatorspannung und somit kann mit dieser die Empfindlichkeit eingestellt werden. Der Widerstand schließt statische Spannungen kurz und bildet mit dem Kondensator einen Hochpass. Der Kondensator und der Widerstand bestimmen dadurch die untere Grenzfrequenz in erster Ordnung.
Diese Hochpasseigenschaft der Schaltung wird dazu genutzt, niedrige Frequenzen, wie sie beispielsweise durch physikalisches Verhalten während des Fluges der Munition auftreten können, ausreichend zu dämpfen und den Nullpunktdrift zu kompensieren, damit diese nicht zur Initiierung des Zünders führen können.
Die vorgefilterte Sensorspannung wird auf einen Tiefpassfilter erster Ordnung geführt.
Der erste Tiefpassfilter ist nicht zwingend erforderlich, er dient aber dazu, dass dynamische negative Sensorspannungen nicht durch die Eingangsbegrenzung kurzgeschlossen werden. Das Ausgangssignal des ersten Tiefpassfilters verzweigt sich dann in zwei weitere Tiefpassfilter
Um auf unterschiedliche Sensorsignale d.h. dynamisch mit niederer Empfindlichkeit und quasi dynamisch mit hoher Empfindlichkeit richtig reagieren zu können (d.h. eine Triggerspannung für die Zündung auszugeben), wird das Ausgangssignal des 1. Tiefpassfilters auf 2 parallele Tiefpassfilter mit unterschiedlichem Übertragungsverhalten geführt.
Die 2 parallelen Tiefpassfilter detektiert Sensorsignale für unterschiedliche Zieltypen.
Schwellwertschalter
Weiterhin ist ein Schwellwertschalter vorgesehen, welcher die Spannungssignale der Tief- passfilterausgänge, unter einem gewissen Schwellwert blockiert. Erreicht oder überschreitet das Spannungssignal den Schwellwert, schaltet der Schwellwertschalter die Spannungssig- nale durch und leitet sie als Zündspannung zum Zünden der Munition weiter. Der Schwellwertschalter verhindert ein Zünden durch kleinere Spannungsimpulse, die nicht durch das Auftreffen des Aufschlagzünders auf das gewünschte Ziel hervorgerufen werden.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, den Schwellwertschalter als Triggerdiode auszuführen, da diese wenig fehleranfällig und relativ kostengünstig ist. Alternativ kann der Schwellwertschalter auch aus einer Schaltung mit diskreten Komponenten bestehen.
Spannungsbegrenzung nach dem Schwellwertschalter
Um die vorgenannte gleichmäßige Zündung zu gewährleisten, ist ebenfalls in einer besonde- ren Ausführungsform eine Spannungsbegrenzung vorgesehen, welche die Zündspannung begrenzt. Dies ist vorteilhaft, wenn die durch den Schwellwertschalter weitergeleitete Zündspannung zu hoch ist, bzw. zu hohe Spannungsspitzen enthält. Als vorteilhaft hat sich hierzu eine Zenerdiode bewährt, welche die Zündspannung auf die Zenerspannung begrenzt. Besonders vorteilhaft kann hier auch eine Suppressordiode eingesetzt werden, welche eine schnellere Reaktionszeit besitzt als die herkömmliche Zenerdiode.
Der Widerstand R7 kompensiert Leckströme. Weitere Merkmale ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 beispielhaftes Schaltbild eines erfindungsgemäßen Aufschlagzünders.
Figur 1 zeigt den erfindungsgemäßen Aufschlagzünder, wobei der aktive Sensor, welcher bei- spielsweise ein Piezosensor sein kann, nicht gezeigt ist. Der Sensor wird an den beiden Punkten der Sensorspannung Us gegen GND angeschlossen und liefert elektrostatische Energie Eel. Diese elektrostatische Energie wird in Form von Ladung auf den direkt am Eingang der Sensorspannung Us liegenden Kondensators C1 zugeführt und im Kondensator zu einer pro- portionalen elektrischen Spannung gewandelt. Diese Spannung, gespeicherte Ladung wird für die weitere Beschaltung des Aufschlagzünders verwendet.
Die Erfindung gliedert sich in zwei Betriebszustände, einem aktivierten und in einen deaktivierten Zustand.
Das Umschalten der Betriebszustände geschieht über einen Betriebszustandsschalter Q2. Dieser ist im vorliegenden Falle als NMOSFET ausgeführt. Dieser NMOSFET wird als elekt ronischer Schalter benutzt und kann bei Anliegen der Aktivierungsspannung ÜAdie Eingangsbegrenzung Q1 deaktivieren.
Parallel zur Aktivierungsspannung UA ist eine Potentialkopplung R8 eingebracht, welche bei Wegfall der Aktivierungsspannung UA auf Massepotential hält. Dadurch wird der Aufschlagzünder deaktiviert, d.h. in einen sicheren Zustand gebracht.
Der Betriebszustandsschalter Q2 in Figur 1 verbindet bei aktiviertem Betriebszustandsschalter Q2 das Gate des T ransistors Q1 mit der Masse. Der Transistor Q1 kann nicht mehr leitend werden und somit wird die Sensorspannung nicht mehr auf unter ca. 3V begrenzen. Angesteuert wird dieser Betriebszustandsschalter Q2 durch die Zünderelektronik bzw. der Spannung UA.
Im deaktivierten Betriebszustand, gesteuert, wird der MOSFET als Eingangsbegrenzung Q1 dann durch den Betriebszustandsschalter Q2 nicht mehr gesperrt, sodass bei einer positiven Sensorspannung der Kondensator C4 geladen wird.
Übersteigt nach kurzer Verzögerung durch den Widerstand R3 die Kondensatorspannung des C4 die Threshold Gate-Source Spannung der Eingangsbegrenzung Q1 wird diese leitend und schließt dann die Spannung zu den nachfolgenden Filtern kurz. Der Schwellwertschalter D1 bekommt keine Spannung zum Durchschalten. Diese Funktion wird von dem aktiven Sensor versorgt.
Vorteilhafterweise muss die Schaltung nicht fremdversorgt werden, sodass die Energie vom aktiven Sensor ausreichend ist, den Zündimpuls der Zündspannung Uz zu erzeugen. Schaltet der Schwellwertschalter D1 durch, so ist die in den Tiefpässen C5+R5 und C6+R6 gespeicherte Energie groß genug um einen Auslöseimpuls auch bei einer zusätzlichen Auslösever- zögerung zu garantieren. Ein sogenannter Pumpeffekt ist dadurch nicht möglich.
Der vorgenannte Pumpeffekt entsteht, wenn während des Aufschlags der Munition Stoßwellen durch den Munitionskörper laufen, was insbesondere bei harten Zielen der Fall ist. Diese Stoßwellen erzeugen ein oszillierendes Signal des aktiven Sensors und somit eine oszillierende Sensorspannung. Bei herkömmlichen Aufschlagzündern kann dadurch der Zündimpuls aussetzen oder sich verzögern.
Die Eingangsbegrenzung Q1 ist bevorzugt ebenfalls als NMOSFET ausgeführt. Um diese Sensorspannung nun sicher unter dem Schwellwert zu halten ist die Eingangsbegrenzung Q1 parallel zur Sensorspannung Us oder nach dem 1. Tiefpassfilter angeordnet (Drain Q1 am Kondensator C2). Liegt nun eine positive Sensorspannung Us vor, wird der Kondensator C4 zwischen Gate und Source geladen. Überschreitet der NMOSFET seine Threshold Gate-Source- Spannung, wird er zwischen Drain und Source leitend mit einem sehr kleinen Widerstand. Die nun leitende Eingangsbegrenzung schließt die Sensorspannung Us bis auf die Threshold Gate Spannung kurz. Eine negative Sensorspannung Us wird durch die Drain-Source-Diode ebenfalls begrenzt. Angenommen die Diodenspannung besitzt 0,7V und die Threshold Gate Spannung der Eingangsbegrenzung hat einen Wert von 3,5V wird somit die Sensorspannung Us auf Werte zwischen -0,7V bis 3,5V begrenzt. Aus diesem Grund hat der nachfolgende Schwellwertschalter eine höheren Durchbruchspannung (eng. Breakover) als die 3,5V, beispielsweise 20V.
Liegt eine Aktivierungsspannung UA an, wird die Eingangsbegrenzung Q1 durch den Betriebszustandsschalter Q2 in den deaktivierten Zustand überführt, sodass keine Spannungsbegrenzung der Sensorspannung Us mehr geschieht. In diesem Falle wird die volle Sensorspannung Us bzw. die dazu Proportionale am Kondensator C1 anliegende Spannung durch die nachgeschaltete Tiefpassfiltergruppe zum Schwellwertschalter D1 geleitet. Dieser Schwel Iwertschal- ter D1 ist in der vorliegenden Figur als Triggerdiode ausgeführt, welche beispielsweise mit einer Break-Down Spannung von 20V arbeitet. Das bedeutet, dass Spannungssignale der Sensorspannung Us unterhalb 20V nicht durch die Triggerdiode hindurchgeleitet werden, Spannungssignale oberhalb von 20V jedoch schon. Die Drain-Source-Diode des NMOSFET bleibt weiterhin aktiv, sodass die Sensorspannung Us im negativen Falle immer noch auf 0,7V begrenzt wird, egal in welchem Betriebszustand sich der Aufschlagzünder befindet. Der Strom durch die Drain-Source-Diode führt zu einer Nullpunktverschiebung.
Der dem Sensoreingang Us nachgeschaltete Hochpass besteht aus dem Kondensator C1 und dem Widerstand R1. Anschließend folgt ein Tiefpassfilter C2+R2, welcher zwischen Hochpass C1+R1 und Schwellwertschalter D1 angeordnet ist. Dieser Tiefpassfilter C2+R2 sorgt dafür, dass hohe Frequenzen, welche ebenfalls nicht zur Zündung des Aufschlagzünders führen sol- len, ebenfalls aus der Sensorspannung Us herausgefiltert werden. Diesem ersten Tiefpass nachgeschaltet sind 2 unterschiedliche weitere Tiefpässe.
Der Tiefpassfilterzweig (C5, R5 mit kleiner Zeitkonstante) ist für die starken Signalanteile (harte Ziele) und hat eine sequenzielle Zenerdiode D2 in Sperrrichtung. Diese reduziert die dem Filter C5, R5 zugeführte Spannung um die Zenerspannung der Zenerdiode D2. Die Zenerdiode D2 verhindert außerdem, dass bei kleinem Spannungspegel Ladung in den Kondensator C5 fließt und sich dadurch die Gesamtempfindlichkeit reduziert, weil im Kondensator C6 dieser Teil der Ladung fehlen würde. Erst bei ausreichend hohem Pegel lädt sich der Kondensator C5 bis zur Triggerspannung des Schwellwertschalters D1 auf, welcher dann die Kondensatorspannung auf den Ausgang Uz durchschaltet.
Der zweite Tiefpass C5+R5 ist dann dem Ausgangssignal also der Zündspannung Uz zugeordnet und filtert hohe Frequenzen aus der Zündspannung Uz heraus. Zusätzlich besitzt der Tiefpassfilter sequenziell zum Widerstand R5 eine Zenerdiode D2. Die Zenerdiode D2 reduziert die Eingangsspannung des Tiefpassfilters um die Zenerspannung.
Der Tiefpassfilterzweig (C6, R6) für die schwächeren Signalanteile hat eine höhere Zeitkonstante, so dass sich der Kondensator C6 langsamer bis auf die Triggerspannung des Schwellwertschalters D1 aufladen kann. Dieser schaltet dann ebenfalls die Kondensatorspannung C6 auf den Ausgang Uz durch. In diesem Tiefpassfilterzweig gibt es keine Spannungsreduzierende Zenerdiode, somit können auch kleine Amplituden zur Aufladung von C6 beitragen.
Jeweils eine Diode (D5 und D6) am Ausgang jedes Tiefpassfilterzweigs entkoppelt die Ausgangsspannungen und verhindert die gegenseitige Beeinflussung der beiden Filter. Dynami- sche Signale werden durch die beiden Filter gefiltert und dem Schwellwertschalter D1 nicht zugeführt. Die Spannungsbegrenzung D7 der Zündspannung Uz begrenzt die Zündspannung Uz idealer- weise auf einen Wert, der leicht über der Schwellwertspannung des Schwellwertschalters D1 liegt.
Das Besondere an dieser Ausführungsform ist es, dass der erste Tiefpassfilter C2+R2 in seiner Eingangsspannung, also der Sensorspannung Us nicht begrenzt wird. Ein hartes Ziel oder eine hohe Munitionsgeschwindigkeit hat auch eine starke Verzögerung zur Folge, sodass der aktive Sensor in kurzer Zeit viel Energie in Form von Ladung liefert, die in dem Kondensator C1 in einen hohen Spannungsimpuls gewandelt wird. Eine hohe Spannung verkürzt die Zeit, die benötigt wird, um den ersten Tiefpasskondensator C2 zu laden und um den Schwellwertschal- ter D1 durchzuschalten. Damit ist der Zündimpuls sehr dynamisch. Ist das Ziel weich oder die Munition langsamer, verzögert sich auch geringfügig der Auslöseimpuls, also die Zündspan- nung Uz. Durch richtige Parametrierung, also Einstellung der Filter kann man die Auslösecha- rakteristik des Aufschlagzünders somit innerhalb bestimmter Grenzen einstellen.
Um die beim Durchschalten des Schwellwertschalters D1 gelieferte Zündspannung Uz auf einen gewissen Wert zu begrenzen, ist eine Spannungsbegrenzung D7 vorgesehen. Im vorliegenden Fall durch eine Zenerdiode bzw. eine Suppressordiode. Spannungen oberhalb der Durchbruchspannung dieser Zener- bzw. Suppressordiode werden über die Diode kurzge- schlossen, sodass die Zündspannung Uz auf eine maximale Spannung begrenzt wird.
Weiterhin ist eine Diode D2 in Reihe zur Zündspannung Uz vorgesehen, welche die elektroni- sche Schaltung des Aufschlagzünders vor rückgekoppelten Strömen schützen soll.
Damit die Eingangsbegrenzung (Q1 ) in einfacher Art und Weise vor oder nach dem Wider- stand des Tiefpassfilters (R2) angeordnet werden kann, ist ein Auftrennen der Verbindungen 21-22 vorgesehen sowie ein Verbinden der Verbindungen 22-23.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die o. g. Merkmale beschränkt, vielmehr sind weitere Ausführungsformen denkbar. So könnte eine Sicherung vorgesehen sein, die nach einer programmierten Zeit die Aufschlagfunktion des Zünders erst aktiviert.-Ebenso könnten zur genau- eren Einstellung der Aufschlagscharakteristik, also zur Einstellung der Dynamik die Übertragungsfunktion programmierbar und/oder auch Tief- und Hochpässe höherer Ordnung eingesetzt werden. BEZUGSZEICHENLISTE:
Us Sensorspannung
Uv Sicherheitsspannung
Uz Zündspannung
C1 +R1 Hochpass
C2+R2 Tiefpassfilter
C5+R5 erster Tiefpass
C6+R6 zweiter Tiefpass
R8 Potentialkopplung
C3+C4+R3 Tiefpass für Q1
C3+R4 Hochpass für Q1
D1 Schwellwertschalter
D2 Zenerdiode
D3+D4 Entkopplungsdioden
D5 Spannungsbegrenzung
Q1 Eingangsbegrenzung
Q2 Betriebszustandsschalter
R7 Leckstromkompensation von D1

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Aufschlagzünder mit einem aktiven Sensor, welcher mechanische Energie in elektrostatische Energie umwandeln kann, welche zur Erzeugung einer Sensorspannung (Us) verwendet werden kann,
mit einem Schwellwertschalter (D1), welcher Spannungssignale unter einem Schwellwert blockiert
und Spannungssignale über dem Schwellwert als Zündspannung (Uz) weiterleitet, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Filterschaltung, bestehend aus einem Hochpass (C1+R1) und mindestens einem ersten Tiefpass (C6+R6) vorgesehen ist,
dass die Filterschaltung niedrige und hohe Frequenzen in der Sensorspannung (Us) herausfiltert,
dass ein Betriebszustandsschalter (Q2) vorgesehen ist, welcher den Aufschlagzünder in einen von zwei Betriebszuständen , nämliche einen aktivierten und einen deaktivier- ten Betriebszustand, mittels einer Sicherheitsspannung (Uv) überführen kann, wobei im aktivierten Betriebszustand die Sensorspannung (Us) dem Schwellwertschal- ter (D1 ) zugeführt wird
und im deaktivierten Betriebszustand die Sensorspannung (Us) über eine Eingangsbe- grenzung (Q1) unter dem Schwellwert des Schwellwertschalters (D1) begrenzt wird.
2. Aufschlagzünder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsbegrenzung (Q1 ) vor oder nach dem Widerstand des Tiefpassfilters (R2) angeordnet ist.
3. Aufschlagzünder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Tiefpässe (C5+R5, C6+R6) vorgesehen sind, dessen Ausgänge jeweils über eine Diode (D5, D6) zusammengeführt sein können.
4. Aufschlagzünder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Tiefpässe (C5+R5, C6+R6) bei paralleler Anordnung, je Tiefpassfilter eine zum Tiefpassfilterwiderstand sequenzielle Spannungsbarriere, bevorzugt als Zenerdiode (in Sperrrichtung) angeordnet ist.
5. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter programmierbar sind, sowie zu- bzw. abgeschaltet oder eingestellt werden können.
6. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensatoren (C3, C4) vorgesehen sind, welche die Einschaltverzögerung durch den Widerstand R3 der Eingangsbegrenzung Q1 reduziert.
7. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand R7 vorgesehen ist, um Leckströme des Schwellwertschalters (D1 ) zu kompensieren.
8. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Puffer (z. B. Kondensator parallel zu R8) für den Betriebszustandsschalter (Q2) vorgesehen ist, der den elektrischen Zustand des Betriebszustandsschalters (Q2) auch bei Änderung für eine kurze Zeit beibehält.
9. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Potentialkopplung (R8) vorgesehen ist, welche die Aktivierungsspannung (UA) für den Betriebszustandsschalter (Q2) auf ein Massepotential festlegt, wenn keine Aktivie- rungsspannung (UA) aktiv dem Aufschlagzünder zugeführt wird.
10. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertschalter (D1 ) durch eine elektronische Schaltung ausgeführt ist oder als Schwellwertschalter (D1 ) eine Triggerdiode (DIAC) verwendet wird.
1 1. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Eingangsbegrenzung (Q1 ) und/oder als Betriebszustandsschalter (Q2) Transisto- ren verwendet werden, wobei bei den Transistoren parallel zu den Kollektor- und Emittereingängen, Dioden in Sperrrichtung vorgesehen werden können.
12. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Spannungsbegrenzung (D2) eine Zenerdiode, insbesondere eine Suppressordiode verwendet wird.
13. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebszustandsschalter (Q2) als elektronischer Schalter oder Relaiskontakt ausgeführt ist.
14. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Aufschlagzünders (Uz) direkt oder indirekt die Wirkmasse, zumeist den Detonator initiiert.
15. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass weiter Filter in die Schaltung integriert werden können, zur Erzeugung einer komplexen Übertragungsfunktion.
16. Aufschlagzünder nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsbegrenzung (Q1) als MOSFET ausgeführt ist und diese die positive Sen- sorspannung (Us) auf die maximale Drain-Source-Spannung und die negative Sensorspannung (Us) auf -0.7 V begrenzt.
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