KR20040088478A - 2중 모드 뇌관 - Google Patents

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KR20040088478A
KR20040088478A KR10-2004-7009184A KR20047009184A KR20040088478A KR 20040088478 A KR20040088478 A KR 20040088478A KR 20047009184 A KR20047009184 A KR 20047009184A KR 20040088478 A KR20040088478 A KR 20040088478A
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soft
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KR10-2004-7009184A
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프랭크 엠. 보네
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제너럴 다이나믹스 올드넌스 앤드 텍티컬 시스템즈 인코포레이티드
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Abstract

탄약(10,40)용 다중 모드 뇌관(20)은, 상기 탄약(10,40)이 목표물에 충돌할 때 감속 비에 의존하여 전기 출력(62)을 생성하는 적어도 하나의 센서(16,22,42), 상기 전기 출력(62)에 의존하여 부드러운 목표물과 단단한 목표물을 구별하기에 효과적인 상기 적어도 하나의 센서(16,22,42)에 전기적으로 결합된 논리 회로(60), 및 개시 폭약(28)에 폭발 신호(66,68)을 송신하여 상기 폭약(10,40)을 폭발시키는 뇌관(20)을 포함한다. 폭발 신호는 목표물 구별에 의존하는 시간에 보내진다. 본 발명의 다중 모드 뇌관(20)은, 공기역학적으로 형성된 금속성 케이스(12), 상기 금속성 케이스(120 내에 포함된 폭약(14), 상기 폭약(14)에 접촉하는 개시 폭약(28)을 포함하는 폭발성 발사체(10,40)와 통합된다. 다중 모드 뇌관(20)은 단단한 목표물과의 충돌 또는 부드러운 목표물과의 충돌시 후속하는 지연을 상기 폭약(14)의 폭발을 유인하기에 효과적인 상기 개시 폭약(28)과 통신한다.

Description

2중 모드 뇌관{Dual mode fuze}
중간 구경 무기(caliber ammunition)를 이용하는 지상 공격 항공기에 대한 현재 최대 효율 범위각은 5°와 15° 사이의 경사각에서 1219 내지 1524 미터(4000 내지 5000피트)이다. 전형적으로 지상 공격 항공기에서 이용되는 탄약은 철갑 투사 소이탄(armor piercing incendiary;API) 발사체이며, 이 효율성은 운동 에너지에 의존한다. API 발사체들은 단단한 (철갑 장갑의) 목표물들에 대하여 효율적이지만, 그 효율성은, 상기 에너지가 목표물 내에서 분산되지 않기 때문에, 더 부드럽고, 비철갑의, 스렛들(threats)에 대해서는 저감된다. 현재 최대 효율 범위는 조종사 및 비행기를 소형 레이터 미사일(arms fire) 및 휴대용 대공 미사일들에 노출시킴으로써 공격 항공기를 위험에 빠뜨린다.
화학 에너지 발사체들은 효율적인 단자 형태의 충전(terminal shaped charge) 또는 폭발적으로 형성된 파편들을 생성한다. 고정 비행 지상 공격 항공기에 대해서 이용되지는 않지만, 상기 발사체들은 철갑 목표물 타파(defeat)에 대해 연장된 범위들, 2734 내지 3658미터(900 내지 12,000피트)에서 효율적일 수 있다. 화학 에너지 발사체들은 스렛(threat)의 표면 상에서 에너지를 분산시키는 뇌관의 거의 즉각적인 반응으로 인하여 부드러운 목표물들에 대해서는 덜 효율적이다.
목표물에 대하여 폭발성 탄약의 효율성에 영향을 끼치는 하나의 요인은 충격에 뒤따르는 폭발 지연이다. 목표물이 상대적으로 부드러울 때, 예를 들면, 발사체가 목표물에 들어간 이후 폭발이 발생하는 경우, 목표물 내에 방화 효과, 파편들 및 폭파를 일으킴으로써 피해를 더 가중시킬 수 있다. 반대로, 단단한 목표물들은, 탄약을 목표물 표면에 충돌시켜 폭발시켜서 플라즈마 제트(plasma jet) 또는 폭발적으로 형성된 파편들에 의해 화학적 타파(chemical defeat)를 생성함으로써 더 효율적으로 파괴될 수 있다. 따라서, 폭발성 발사체들은 발사체의 가장 효율적인 충돌에 따라 폭발을 지연시킬 수 있는 뇌관을 때때로 포함한다.
그러한 하나의 뇌관이 Watson 등에 의한 미국특허 제5,872,324호에 개시되어 있다. 3중 모드 뇌관(tri-mode fuze) 어셈블리는, 주 탄두의 개시를 교대로 제공하는 도폭 펠릿(booster pellet)을 위한 구조적인 용기로서 동작하는 케이스를 포함한다. 단단한 목표물 충격 기폭장치(detonator)는, 목표물 충격이 탄두의 물리적인 파괴를 유발하는 경우, 탄두의 기계적인 즉각적 폭발을 제공하는 뇌관 어셈블리의 전단(forward end)에 배치된다. 케이스 내에 배치된 제2 기폭장치는 단단한 목표물들의 침투에 대한 파이로테크닉(pyrotechnic)의 타이머 동작된 지연(timer-operated delay)을 제공한다. 이 타이머는 탄두의 원래모습이 유지될 때 탄두의 초기 충돌과 지속적인 감속에 의해 개시된다. 제3 기폭장치는 순간적인, 뇌관에 대한 빈공간-감지 폭발 능력을 제공한다. 제3 기폭장치의 동작은 지연 기폭장치에 의해 요구된 지속적인 감속의 방해 및 초기 충격에 의해 개시된다. 일단 목표물 침투가 시작되면, 감속율에 있어서의 임의의 변화는 빈공간 센서(void sensor)에 의해 주 탄두의 즉각적인 개시를 유발한다.
미국특허 제5,872,324호는, 침투할 수 없는 목표물을 만났을 때와, 침투할 수 있는 목표물이지만 단단함에 대해 민감한 파이로테크닉 시간 지연일 때, 폭발물을 폭발시키기 위해 공이(firing pin)를 활용한다. 부드러운 목표물들의 경우, 작은 제조 오차에 엄격히 고수할 것을 요구하는 기계적인 장치가 폭발을 감지하는데이용된다. 기계적인 공이의 성공적인 발동작용(actuation)은 축방향 하중(axial loading)에 의존하여 스탭(stab) 기폭장치 내에서 상기 공이를 구동한다. 공이 봉입물이 높은 경사 충격으로 인해 측면 하중을 받는다면, 스탭 기폭장치를 꿰뚫기에 충분한 공이 움직임을 유발하는 중심선을 따르지 않는 하중을 생성하거나 공이가 파괴될 수 있다. 충격 신뢰성에 덧붙여, 이러한 구성요소들을 제조하는데 있어서 난이점, 온도 및 발진 하중들(launch loads)은 실행에 있어서 원치 않는 변화들을 유발 할 수 있다.
Min 등에 의한 미국특허 제5,255,608호에는 무기 침투동안 목표물 경도(target consistency)에 대한 실시간 판단을 제공하는 지능형 단단한 목표물 무기(intelligent hard-target weapon)을 개시하고 있다. 주요 센서로서 이용된 가속도계에 의해 입력 신호들이 제공된다. 특정 길이의 데이터의 온라인 동시성 프로세싱은 특징 추출의 약간의 다른 방식들을 촉진시킨다. 상기 프로세서는 센서 신호들(가속도계 데이터)을 활용하는 뇌관에 대해 만들어지는 견고하고, 실시간 결정을 제공한다. 활용된 상기 특징들은 (1) 상기 신호들의 진폭 프로파일들, (2) 그들의 파생 프로파일들, 및 (3) 그들의 돌발적인 변화들의 측정을 포함한다. 매장된 귀중한 목표물에 대해, 콘크리트, 강철, 진흙, 모래 등과 같은 다양한 층들을 관통하는 고속 침투기(high-speed penetrator)로서 적절한 지점에서 폭발을 제공하는 것이 목적이다. 실시간 결정은 가속도계 데이터를 활용하는 뇌관이 제공한다.
미국특허 제4,799,427호에는 발사체, 특히 유도 미사일에 대한 점화 장치를 개시하며, 여기서, 점화 순간은 발사체의 비행 시간과 충돌 지연의 함수로써 제어될 수 있다. 이것은, 목표물을 구성하는 재료의 형태에 대해, 그리고 발사체가 비행한 총 시간에 대해 보상을 허용함으로써 목표물을 때리는 그 시간에 감소된 발사체의 속도를 보상한다.
Yates 등에 의한 미국특허 제4,375,192호에는 미리 선택된 거리 또는 탄두에 의해 미리 선택된 수의 구멍들이 꿰뚫어진 이후, 목표물의 침투에 대한 폭발을 개시하도록 설계된 뇌관을 기술하고 있다. 그 밖에, 결핍(default) 또는 구조(salvage), 방법들은 탄두의 분해 또는 도탄(ricochet)를 근거로 한다.
상술한 특허들에서, 신뢰할 수 없거나 고가의 기계적 또는 파이로테크닉 수단들은 폭발을 유인하는데 이용되거나, 발사체들의 폭발 상태를 결정하기 위해 복잡한 알고리즘들이 이용된다. 그러므로, 단단한 목표물에의 충격시 폭발을 결정하거나 부드러운 목표물에의 충격시 지연시간 이후에 폭발을 결정할 수 있는 쉽게 제조되고 신뢰성 있는 뇌관의 필요성이 대두된다. 이 뇌관은 단단한 목표물 타파를 위한 화학적 에너지 발사체의 단자 효과와 부드러운 목표물들을 효율적으로 타파하기 위한 지연된 반응을 결합한 발사체 내에 통합된다.
본 발명은 폭발성 발사체(explosive projetile)의 폭발을 개시하기 위한 뇌관(fuze)에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 상기 뇌관은 목표물의 경도에 응답하여 폭발 지연 시간을 변화시킬 수 있는 목표물-감지 요소(target-sensing element)를 포함한다.
상술한 목적들, 특징들 및 장점들은 아래에 기술되는 상세한 설명과 도면들로부터 더 명확하게 될 것이다.
도 1은 2중 노우즈(nose) 배치된 기능 뇌관(dual function fuze)을 갖는 본 발명의 발사체를 도시하는 부분 단면도.
도 2는 2중 기능 뇌관(dual function fuze)이 배치된 베이스(base)를 갖는 본 발명의 발사체를 도시하는 부분 단면도.
도 3은 부드럽거나 단단한 목표물과의 충돌에 후속하는 감속비를 그래프적으로 설명하는 도면.
도 4는 뇌관 논리 시퀀스(fuze logic sequence)의 애플리케이션을 설명하는 블록도.
도 5는 충격 가속도와 압전 수정(piezoelectric crystal)에 대한 전압 출력 사이의 관계를 그래프적으로 설명하는 도면.
따라서, 본 발명의 목적은, 발사체를 즉시 또는 발사체의 감속 크기에 근거한 시간 지연 이후 폭발시킬 수 있는 신뢰성 있는 뇌관을 제공하는 것이다.
본 발명의 특징은, 상기 뇌관이 단단하거나 부드러운 목표물들 모두에 충돌하는 발사체들에 대해 유용하다는 것이다. 다른 특징은, 발사체 감속을 검출하고, 발사체가 즉시 또는 시간 지연 이후에 폭발할 것인지를 결정하는 뇌관 논리(logic)에 그 크기를 통신하기 위해 가속도계들이 이용된다는 것이다.
본 발명의 장점은, 폭발을 결정하기 위해 가속도계들 및 고체 논리(solid state logic)의 이용이, 다른 뇌관들 보다 더 신뢰성있고 덜 비싼 뇌관을 제공한다는 것이다. 다른 장점은, 발사체의 단자 효과들이 최대화된다는 것이다.
본 발명에 따르면, 탄약이 목표물에 충돌했을 때, 감속비에 따라 전기 출력을 생성하는 적어도 하나의 센서를 갖는 탄약에 대한 다중 모드 뇌관(multi-mode fuze), 상기 전기 출력에 의존하여 부드러운 목표물과 단단한 목표물을 효율적으로 구별하기 위해 상기 적어도 하나의 센서에 전기적으로 결합된 논리 회로, 및 개시 폭약(initiating explosive)에 폭발 신호를 송신하여 탄약을 폭발시키는 뇌관이 제공된다. 상기 폭발 신호는 목표물 구별에 의존하는 시간에 송신된다.
본 발명의 다중 모드 뇌관은 공기역학적으로 형성된 금속성 케이스, 상기 금속성 케이스 내에 포함된 폭약 및 상기 폭약에 접촉하는 개시 폭약을 포함하는 폭발성 발사체 내에 통합될 수 있다. 상기 다중 모드 뇌관은, 단단한 목표물에의 충돌시 또는 부드러운 목표물에의 충돌시 후속하는 지연에서, 상기 폭약의 폭발을 유인하도록 개시 폭약과 통신한다.
25mm 내지 76mm의 중간 구경 무기는 공격용 차량, 수륙양용 공격용 차량, 고정 비행 항공기, 배들 및 탱크들을 포함하는 수 많은 기존 및 미래의 총 시스템들에서 이용된다. 상기 목표물들은 개인 수송기들, 트럭들 및 항공기, 지상 지원 통신국들 및 레이더 설비들을 포함하여 경량 철갑 차량들 같은 부드러운 목표물들일 수 있다. 이러한 목표물들은 일반적으로 항공기 형태에서는 0.039인치(1mm) 알루미늄으로 되어되고 차량들 및 지상 지원 장비들에 대해서는 0.039 내지 0.250인치(1.0 내지 6.4mm)의 강철로 되어 있다. 그 밖의 목표물들은 중량 철갑 차량들, 탱크 및 벙커들과 같은 단단한 목표물들이다. 이러한 목표물들은 일반적으로 300 내지 360 BHN(Brinell Hardnes Number;브리넬 경도수)의 범위의 두께를 갖는 0.5 내지 1.5 인치(12.7 내지 38.0mm)의 감겨진 동종의 철갑(rolled homogeneous armor;RHA) 판으로 되어 있다.
BHN은 방정식으로부터 계산된, 강구(ball indenter)에 의해 만들어진 우묵한 자국(permanent impression)의 표면 영역과 적용된 하중과 관련된 수이다.
[수학식 1]
BHN = 2P / πD((D - (D2-d2)1/2))
여기서, P는 kgf 단위의 적용된 하중이고, D는 mm 단위의 강구의 직경이며, d는 mm 단위의 상기 자국의 평균 직경이다.
도 1은 노우즈-배치된 2중 기능 뇌관(nose-located dual function fuze)를 갖는 본 발명의 발사체(10)의 부분 단면도를 도시한다. 상기 발사체(10)는 전형적으로 강철로 형성된 금속성 케이스(12)를 가지며, 이는 케이스(12) 안의 폭약(14)이 폭발할 때 파편들을 형성한다. 상기 파편들은 후술하는 바와 같이, 성형폭탄 제트(shaped charge jet) 또는 폭발적으로 형성된 파편들과 함꼐 스렛(threat) 내에서 터미널 효과들(terminal dffects)을 강화시킨다. 하나의 적절한 폭약(14)으로는 플라스틱 본딩 폭약(PBX)가 있다.
기계적인 스위치 또는 압전 수정이 될 수 있는 부드러운 목표물 감지 요소(16)가 발사체(10)의 노우즈 부분 내에 수용된다. 발사체(10)가 항공기 또는 지상 지원 장치와 같은 상대적으로 부드럽고, 비철갑(unarmored)인 목표물에 충돌할 때, 노우즈(18)의 변형은 단단한 목표물 상태보다 비교적 작다. 일 실시예에서, 부드러운 목표물 노우즈 변형은 부드러운 목표물 감지 요소(16)에서 기계적인 스위치에 가깝다. 이 스위치는 발사체가 목표물 내부에 잘 들어갈 때까지 발사체(10) 반응을 지연하도록 타이머를 작동시킨다. 적절한 지연은 150 내지 300 ㎲이다.
대안으로는, 부들운 목표물 감지 요소(16)는 발사체 노우즈(18) 내에 반송된 충격 쇼크 파(impact shock wave)에 비례하는 출력을 갖는 압전 수정을 포함한다. 압전 수정으로부터 형성된 신호파는 뇌관(20) 안에 포함된 논리 회로에 의해 분석되어 목표물 안에서 반응하도록 시간 지연을 개시한다.
또한, 부드러운 목표물 감지 요소(16) 내의 압전 수정은 아래 설명하는 바와 같이 더 단단한 목표물을 검촐하는데 이용될 수 있다. 이 접근 방식은 발사체 설계를 간단하게 하고 발사체 노우즈(18) 내에 위치된 하나의 감지 압전 수정을 이용함으로써 신뢰성을 향상시킨다.
단단한 목표물 감지 요소(22)는 부드러운 목표물 감지 요소(16)의 후방에 배치된다. 중간 구경 무기에 효과적으로 노출될 수 있는 전형적으로 철갑 또는 단단한 스렛들은, 300 내지 360 BHN의 범위에 경고를 갖는 감겨진 동종 철갑 판의 12.7 내지 38.1mm(0.5인치 내지 1.5인치)로 보호된다. 더 단단한 목표물 저항은 단단한 목표물 감지 요소를 작동시키는 발사체 노우즈(18) 변형을 증가시켰다. 단단한 목표물 감지 요소(22)는, 노우즈(18) 변형이 단단한 목표물 감지 요소에 도달할 때, 뇌관(20)의 논리 회로에 신호를 전송하는 제2 압전 수정 또는 기계적인 스위치일 수 있다. 대안으로는, 상술한 바와 같이, 단일 압전 수정이 이용되어, 부드러운 목표물 충격에서 발생된 다른 파형을 생성하고 뇌관 논리는 상기 2개를 구별한다.
가속을 결정하기 위한 하나의 적절한 압전 소자는 Kinetic Ceramic, Inc에 의해 제조된 바와 같은 압전 요소이며, 이는 발사체 노우즈(18) 내에 반송된 충력 쇼크 파에 비례하는 출력을 갖는다. 압전 소자로부터의 신호 파형은 뇌관 논리에 의해 분석되어 발사체의 즉시 폭발하거나 지연 시간을 개시한다.
단단한 목표물을 타파하기 위한 효과적인 방법은 성형폭탄 플라즈마 제트 또는 폭발적으로 형성된 파편들이 될 수 있는 침투 제트(penetrating jet)이다. 성형폭탄 라이너(24;shaped charge liner)는 구리, 탄탈륨 또는 텅스턴과 같은 적절한 라이너 재료로부터 형성된다. 폭발할 때, 폭약은 쇼크파(shock wave)를 생성하고 이는 발사체(10)로부터 전방으로 라이너 재료로부터 형성된 플라즈마 제트를 분출하는 라이너를 붕괴시킨다. 플라즈마 제트가 최대 운동량(제트 길이와 제트 속도의 조합)을 갖는 목표물과 성형폭탄 라이너 사이의 셋-오프 거리(set-off distance)가 있다. 단단한 목표물 감지 요소(22)와 성형폭단 라이너(24) 사이의 거리 "d"는, 상기 라이너가 가능한 목표물로부터 셋-오프 거리에 가까이서 붕괴되도록 설정된다.성형 폭탄 라이너들에 대한 더 상세한 설명은 Funston 등에 의한 미국특허 제6,393,991호를 보면 알 수 있다.
단단한 목표물 감지 요소(22)가 신호를 생성하면, 성형 폭탄 라이너가 대략적으로 셋-오프 거리에서 붕괴되는 것을 보증하기 위해, 뇌관논리는 부드러운 목표물 감지 요소(18) 신호로부터 남아 있는 임의의 지연을 무시한다.
발사체(10)의 추가적인 요소들은 목표물을 놓친 발사체들의 폭발 및 시기상조의 폭발을 방지하기 위해 안전(safe) 및 방비 소자(26;arm device)를 포함한다. 발사체의 방비를 위해, 전기적인 타이머에 의해 부가된 라인 로터(line rotor)를 벗어난 기계적인 활동의 조합에 의해 발사구로부터 발사된 이후 안전거리가 달성될 수 있다. 라이너 가속도의 미리결정된 레벨들은 통상적으로 세트백(setback)으로 언급되고, 통상적으로 스핀 부하(spen load)로 언급되는 방사상 힘들(radial forces)은 제2 뇌관 활성화 요소 또는 도폭약(booster)와 함께 기폭장치에 포함된 주요 뇌관 로터(primary fuze rotor)를 정열하도록, 2중 환경 안전 및 방비 기능들 을 만족시켜야 한다. 기계적인 안전과 방비 기능들이 충족된 이후, 방비 거리(arming distance)는 발사시 시작됐던 전기적인 시간 지연에 의해 더 연장될 수 있다. 총구로부터의 대략 0.5초 비행시간 이후, 뇌관 기능에 대한 전기 회로는 폭발 신호를 대기하도록 닫혀진다. 약간의 에러 여유를 더하여 목표물에 도달하기 위해 발사체에 대해 요구된 시간 내에 신호가 수신되지 않는다면, 발사체는 무장해제된다.
RDX(1,3,5-trinitro-1,3,5-triazacyclohexane)과 같은 개시 폭약(28)은 뇌관(20)으로부터 수신된 리드들(30)을 통해 수신된 전기 신호에 의해 폭발된다. 개시 폭약(28)의 폭발로부터의 충격파는 폭약(14)을 폭발시킨다.
도 2는 베이스-배치된 2중 기능 뇌관을 갖는 본 발명의 제2 실시예에 따른 발사체(40)의 단면도를 도시한다. 이 발사체의 수많은 요소들은 앞선 발사체(10)의요소들과 유사하고 그러한 유사한 요소들은 비슷한 참조 번호들에 의해 식별된다. 바람직하게는 뇌관내에 포함되며, 뇌관(20)은 가속도계(42)와 통신한다. 가속도계는 발사체 감속비를 검출하고 감속비에 비례하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 가속도계(42)는 기계적 또는 압전 소자일 수 있지만, 마이크로메카니컬 시스템(MEMS)이 바람직하다.
MEMS는 기계적인 요소들, 센서들, 액츄에이터들 및 미세 제조 기술을 이용한 통상의 실리콘 기판상의 전자공학의 통합이다. 전자소자들은 집적회로(IC) 제조 시퀀스들(예를 들면, CMOS, Bipolar, BICMOS 프로세스들)을 이용하여 제조되며, 마이크로메카니컬 구성요소들은, 실리콘 웨이퍼의 일부를 선택적으로 에칭하거나 기계적 및 전기기계적 소자들을 형성하기 위해 새로운 구조층들을 추가하는 적합한 "마이크로머쉬닝" 프로세스들을 이용하여 제조된다. MEMS 가속도계들은 전형적으로 더 작고, 더 기능적이고, 더 경량이며, 더 신뢰성이 있으며, 종래의 매크로스케일의 가속도계 요소들의 단가보다 훨씬 저렴하게 팔린다.
MEMS 가속도계가 베이스-하중의 뇌관(base-loaded fuze)와 결합되어 개시되었지만, MEMS 가속도계는 또한 노우즈-하중의 뇌관 시스템(nose-load fuze system)으로 활용될 수도 있다.
도 3은 일반적으로 부드러운 목표물(참조 라인 52), 단단한 목표물(참조 라인 54) 또는 놓쳤을 때(참조 라인 50)의 충돌 이후의 감속비를 도시한다. 통상적인 비행에서 발사체의 속도는 중력 또는 드래그 포스(drag force)(속도 제곱의 함수)와 같은 가변성으로 인해 상대적으로 부드러운 가속을 겪는다. 일단 비행이 최초 임계 시간(threshold time)(기준 지점 58)을 초과하게 되면, 발사체는 폭발(무장)할 준비가 된다. 갑작스런 속도 감소없이 비행이 제2 임계 시간(기준 지점 58)을 초과하게 되면, 놓친 것으로 판단하여 발사체는 무장해제된다.
발사체가 부드러운 목표물에 충돌할 때, 시간 간격 △t에 걸쳐 가속도 변화율 △a의 계산은 △a에 대한 첫번째 값을 산출한다. 발사체가 단단한 목표물에 충돌할 때, △a의 값은 상당히 커진다. 뇌관 논리 알고리즘의 간단한 실시예는 아래와 같이 표현될 수 있다.
만약 ｜△a｜≥x 이면 y = 0 이고,
만약 ｜△a｜＜ x이면 y = 150㎲ 이다.
여기서, 발사체의 가속도는 동일하다.
x는 단단한 목표물과 부드러운 목표물을 구별하기 위한 미리 결정된 임계 크기와 같다. x는 목표물이 충돌되었음을 알리기 위한 어떤 최소 값을 초과해야 한다. 그리고, y는 시간 지연과 동일하다.
초당 3000 피트(초당 914.4미터)의 최대 충돌 속도를 고려하면, 1㎲의 샘플링율(sampling rate)은 발사체의 감지 요소들의 파괴 이전에 정확한 논리 함수를 보증하기에 적당하다.
뇌관 논리는 도 4를 참조하면 잘 이해된다. 뇌관 논리는 Cincinnate, OH의 KDI Precision Products, Inc에 의해 제조된 바와 같은 사전 프로그램된 마이크로프로세서(pre-programmed microprocessor)를 활용할 수 있다. 상기 마이크로프로세서는 Miltec SA에 의해 제조된 바와 같은 세트백 발전기(set back generator)에 의해 제공된 전기 에너지에 의해 구동되는 고체 장치(solid state device)이다. 캐패시터에 저장된 전기 에너지는 즉시 반응 결정 또는 지연에 대한 뇌관에서의 임계 레벨들(threshold levels)을 설정한다. 저장 캐패시터를 갖는 마이크로프로세서는 가속도와 스핀 하중들의 효과를 견디기 위해 폴리머로 몰딩된다.
가속도계(42)는 뇌관 논리(60)에 전기적으로 연결된다. 가속도계942)는 비례 신호(62)를 뇌관 논리(60)에 송신할 수 있다. 뇌관 논리(60)는 비례 신호(62)를 수신하고, 그것을 크기(64;magnitude)와 비교하고, (1) 신호(62)가 크기(64)를 충족하거나 초과하는 경우 개시 폭약(28)을 즉시 폭발시키도록 신호(66)을 송신하거나, 또는 (2) 신호(4)가 크기(64) 아래로 떨어지면 시간 지연(70) 이후 신호(68)를 송신한다.
중간 구경 발사체는 75도(NATO)까지 충돌 경사각으로 부드러운 목표물을 타파할 것이다. 이러한 경사에서, 가속도의 축 성분은 폭박을 유인하기에 적당해야 한다. 그러나, 단단한 목표물 또는 더 큰 경사각에 대해서는, 3축(triaxial) 감지 요소는 상기 축 성분이 매우 작을 경우 기능을 보증하기 위해 유용할 것이다.
목표물 형태를 결정하고 뇌관 논리에 그 정보를 제공하기 위해 단일 압전 수정을 사용하는 것은 다음 예에서 설명된다.
실례
0.37 mV/g의 비율 감도를 갖는 Hayward, CA의 Kinetic Ceramics, Inc.로부터의 압전 수정은 시뮬레이션 발사체에 통합된다. 가변 g-포스의 시뮬레이션 충돌 가속도에서 높이가 변화하는 것으로부터 발사체의 노우즈 상에 무게들이 떨어진다. 1,000g 부터 10,000g 까지의 충돌 가속도 힘(force)은 부드러운 목표물에 시뮬레이션 충돌하였다고 간주되고, 20,000g 을 초과하는 충돌 가속도는 단단한 목표물에 시뮬레이션 충돌하였다고 간주된다. 이러한 시뮬레이션 충돌 이후의 압전 수정에 의해 생성된 전압이 기록된다. 도 5로부터 알수 있는 바와 같이, 목표물의 형태는 출력된 전압으로부터 쉽게 결정된다. 약 3볼트 또는 그 이하의 출력은 부드러운 목표물에 대응하고 약 4.4 볼트 또는 그 이상의 출력은 단단한 목표물에 대응한다. 측정된 전압의 약±1.7% 내의 표준 편차가 있다.
여기에 개시된 목적들, 특징들 및 장점들을 전적으로 만족하는 뇌관이 본 발명에 따라 제공되었음이 명백하다. 본 발명의 특정 실시예들에 따라 기술되었지만, 많은 대안들, 변경들 및 변화들이, 본 발명에서 동일하게 적용될 수 있음이 명백하고, 이러한 대안들, 변경들 및 변화들은 후술되는 청구범위의 범위 내에 동일하게 포함된다.

Claims (21)

  1. 탄약(10,40)용 다중 모드 뇌관(20)에 있어서,
    상기 탄약(10,40)이 목표물에 충돌할 때 감속비에 의존하여 전기 출력(62)을 생성하는 적어도 하나의 센서(16,22,42),
    상기 전기 출력(62)에 의존하여 부드러운 목표물과 단단한 목표물을 구별하기에 효과적인 상기 적어도 하나의 센서(16,22,42)에 전기적으로 결합된 논리 회로(60), 및
    개시 폭약(28)에 폭발 신호(66,68)을 송신하여 상기 폭약(10,40)을 폭발시키는 뇌관(20)을 포함하며,
    상기 폭발 신호(66,68)가 목표물 구별에 의존하는 시간에 보내지는 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서(16,22)는 단일 압전 크리스탈(single piezoelectric crystal)이며, 상기 전기 출력(62)은 상기 감속비에 의존하는 전압인 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 논리 회로(60)는 상기 전압이 3볼트 보다 낮으면 부드러운 목표물이 충돌되었다고 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서(42)는 가속도계이며, 상기 전기 출력(62)은 상기 감속비에 의존하는 전압인 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가속도계(42)는 MEMS 장치인 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 센서(16,22)는 2개의 센서들이며, 부드러운 목표물 센서(16)는 단단한 목표물 센서(22) 보다 상기 목표물에 더 가까이 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부드러운 목표물 센서(16) 및 상기 단단한 목표물 센서(22)은 압전 수정들과 기계적인 스위치들로 구성된 그룹으로부터 독립적으로 선택되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 부드러운 목표물 센서(16)는 목표물이 충돌될 때 제1 전기 신호를 상기 논리 회로(60)에 보내도록 동작하며, 상기 단단한 목표물 센서(22)는 단단한 목표물이 충돌되는 경우에 한해서 제2 전기 신호를 상기 논리회로(60)에 보내도록 동작하는 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 논리회로(60)는 상기 제2 전기 신호가 상기 제1 전기 신호를 무시하도록 프로그램되는 것을 특징으로 하는 다중 모드 뇌관.
  10. 폭발성 발사체(10,40)에 있어서,
    공기역학적으로 형성된 금속성 케이스(12),
    상기 금속성 케이스(120) 내에 포함된 폭약(14),
    상기 폭약(14)에 접촉하는 개시 폭약(28),
    단단한 목표물과의 충돌 또는 부드러운 목표물과의 충돌시 후속하는 지연을 상기 폭약(14)의 폭발을 유인하기에 효과적인 상기 개시 폭약(28)과 통신하는 다중 모드 뇌관(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 다중 모드 뇌관(20)은 상기 폭약(14)의 전방에 배치되는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 다중 모드 뇌관(20)은 상기 폭약(14)의 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 다중 모드 뇌관(20)은 목표물이 충돌될 때 제1 전기 신호를 논리회로(60)에 보내도록 동작되는 부드러운 목표물 센서(16),
    단단한 목표물이 충돌될 때에 한해 제2 전기 신호를 상기 논리회로(60)에 보내는 단단한 목표물 센서(22)로서, 상기 부드러운 목표물 센서(16)는 상기 단단한 목표물 센서(22)보다 상기 목표물에 더 가까이 배치되는 상기 단단한 목표물 센서(22),
    상기 전기 출력에 의존하여 부드러운 목표물과 단단한 목표물을 구별하기에 효과적인 적어도 하나의 센서(16,22,42)에 전기적으로 결합된(62) 상기 논리회로(60), 및
    폭발 신호를 상기 개시 폭약(28)에 송신하여 상기 폭약(14)을 폭발시키는 뇌관(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 부드러운 목표물 센서(16) 및 상기 단단한 목표물 센서(22)는 압전 수정들 및 기계적 스위치들로 구성되는 그룹으로부터 독립적으로 선택되는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체(10, 40).
  15. 제14항에 있어서,
    상기 논리 회로(60)는 상기 제2 전기 신호가 상기 제1 전기 신호를 무시하도록 프로그램되는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체(10, 40).
  16. 제10항에 있어서,
    부드러운 목표물이 충돌될 때 제1 출력을 가지며 단단한 목표물이 충돌될 때 제2 출력을 갖는 압전 수정,
    상기 전기 출력에 의존하여 부드러운 목표물과 단단한 목표물을 구별하기에 효과적인 상기 압전 수정에 전기적으로 결합된 논리 회로(60), 및
    폭발 신호를 상기 개시 폭약(28)에 송신하여 상기 폭약(14)을 폭발시키는 뇌관(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체(10, 40).
  17. 제10항에 있어서,
    부드러운 목표물이 충돌될 때 제1출력을 가지며 단단한 목표물이 충돌될 때 제2 출력을 가지는 MEMS 가속도계(42),
    상기 전기 출력(62)에 의존하여 부드러운 목표물과 단단한 목표물을 구별하기에 효과적인 상기 MEMS 가속도계(42)에 전기적으로 결합된 논리 회로(60), 및
    폭발 신호를 상기 개시 폭약(28)에 송신하여 상기 폭약(14)을 폭발시키는 뇌관(20)을 포함하는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체(10, 40).
  18. 제10항에 있어서,
    성형폭탄 라이너(24,15;shaped charge liner)는 상기 폭발성 발사체(10,40)의 노우즈(18)와 상기 폭약(14) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체(10, 40).
  19. 제18항에 있어서,
    상기 노우즈(18)와 상기 성형폭탄 라이너(24) 사이의 거리 d는 상기 성형폭탄 라이너(24)의 셋-오프 거리(set-off distance)와 대략 동일한 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체(10, 40).
  20. 제13항에 있어서,
    성형폭탄 라이너(24,15)는 상기 단단한 목표물 센서(22)와 상기 폭약(14) 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체(10).
  21. 제20항에 있어서,
    상기 단단한 목표물 센서(22)와 상기 성형폭탄 라이너(24) 사이의 거리 d는 상기 성형폭탄 라이너(24)의 셋-오프 거리와 대략 동일한 것을 특징으로 하는 폭발성 발사체(10).
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