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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Ersttrefferwahrscheinlichkeit
einer ballistischen Waffe.
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Bei
Waffen, bei denen ein Geschoss aus einem Rohr abgefeuert wird, beschreibt
das Geschoss eine Flugbahn, die von der Geschwindigkeit des Geschosses
sowie der Rohrstellung abhängig
ist. Besonders bei großen
Reichweiten und/oder dem Einsatz tempierbarer Munition ist eine
exakte Berechnung dieser Flugbahn für den Zielvorgang unerlässlich.
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Bislang
ist es üblich,
Querwind, der senkrecht zur Flugrichtung des Geschosses auftritt,
zu berücksichtigen,
indem anhand von approximativen Berechnungen oder Tabellenwerken
in Form von Schusstafeln ein Vorhalt, die seitliche Abweichung von
der Sicht- bzw. Visierlinie, bestimmt wird. Dabei wird die Stärke des
Querwindes manuell eingestellt oder durch Sensoren gemessen und
aus einer Querwindtabelle der Vorhalt bestimmt. Ebenfalls geht der Drall
des Geschosses in die Bestimmung des Vorhaltes ein. Bei bewegten
Waffenplattformen erfolgt bislang eine Stabilisierung von Sichtmitteln
und Waffe. Auch ist es bekannt, Richthilfen zur Unterstützung beim
Verfolgen von Zielen zu verwenden.
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Es
hat sich gezeigt, dass bei solchen Systemen die Ersttrefferwahrscheinlichkeit
oftmals gering ist, da sich systematische Fehler bei der Bestimmung der
idealen Werte für
Aufsatz, Vorhalt und Flugzeit des Geschosses ergeben. Es ist daher
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem sich die Ersttrefferwahrscheinlichkeit einer ballistischen
Waffe erhöhen
lässt.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den unabhängigen Ansprüchen angegeben.
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So
wird bei der Bestimmung von Vorhalt und/oder Aufsatz, der Elevation
des Waffenrohrs gegenüber
der Visierlinie, die Eigenbewegung der Waffe berücksichtigt. Alternativ oder
zusätzlich
werden Umweltbedingungen wie Lufttemperatur oder Luftdruck und Munitionsparameter
wie Pulvertemperatur oder Änderung
der Anfangsgeschwindigkeit berücksichtigt.
Die Pulvertemperatur bezeichnet dabei die Temperatur des Pulvers
vor der Zündung
und die Änderung
der Anfangsgeschwindigkeit die durch Fertigungstoleranzen und/oder
Verschleiß des
Rohres hervorgerufene Abweichung von der Nominalgeschwindigkeit
des Geschosses, die einstellbar oder messbar ist.
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Bei
der Berücksichtigung
der Eigenbewegung der Waffe wird in vorteilhafter Weise die Anfangsgeschwindigkeit
des Geschosses relativ zur Waffe, also bezogen auf das Waffenrohr,
dreidimensional mit der Eigengeschwindigkeit des Waffenträgers überlagert.
Dazu wird bevorzugt der Vektor der Eigengeschwindigkeit der Waffe
in ein auf das Rohr der Waffe bezogenes Koordinatensystem transformiert.
Die Eigenbewegung des Waffenträgers
bei der Berechnung von Vorhalt, Aufsatz und Flugzeit des Geschosses
wird somit vollständig
oder abgestuft bei der Berechnung der Abgangs- und Außenballistik
berücksichtigt.
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Aus
den Bewegungskomponenten quer zur Geschossgeschwindigkeit, bezogen
auf ein waffenorientiertes Koordinatensystem, resultieren die notwendigen Änderungen
der Abgangswinkel. Die Änderung
der Geschossgeschwindigkeit in Richtung der Rohrseelenachse bewirkt Änderungen
von Aufsatz, Vorhalt und Flugzeit des Geschosses in Bezug auf die
Außenballistik.
Daraus folgen Änderungen des
dynamischen Aufsatzes und Vorhaltes bei beweglichen Zielen beziehungsweise
der Programmierzeit bei tempierbarer Munition, was sich besonders im
Modus Luftsprengpunkt positiv auf die Wirkung der Munition auswirkt.
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In
vorteilhafter Weise werden Vorhalt und/oder Aufsatz und/oder Flugzeit
des Geschosses iterativ aus Eigengeschwindigkeit und Stellung der Waffe
bestimmt. Wird beispielsweise ein Vorhalt bestimmt, so ändert dies
die Ausrichtung der Waffe in Bezug auf ihre Eigengeschwindigkeit
und somit die Lage des auf das Rohr der Waffe bezogenen Koordinatensystems.
Auf dieser Basis wird erneut der Vorhalt bestimmt und dem nächsten Iterationsschritt
zugrundegelegt. Bevorzugt wird die Waffe während der iterativen Bestimmung
nachgeführt,
wodurch sich eine schnelle Positionierung der Waffe ergibt. Alternativ
kann die Iteration durchgeführt
werden, bis diese ausreichend konvergiert ist, um die Waffe dann anhand
des Ergebnisses auszurichten.
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Bei
der Bestimmung von Vorhalt und/oder Aufsatz werden erfindungsgemäß Umweltbedingungen,
wie Lufttemperatur oder Luftdruck, und Munitionsparameter, wie Pulvertemperatur
oder Änderung der
Anfangsgeschwindigkeit, berücksichtigt.
Dazu wird in einem ersten Schritt die tatsächliche Anfangsgeschwindigkeit
des Geschosses bestimmt. Dies geschieht in Abhängigkeit von einem oder mehreren
der Parameter nominelle Anfangsgeschwindigkeit, Änderung der Anfangsgeschwindigkeit
und Pulvertemperatur. Bei der nominellen Anfangsgeschwindigkeit handelt
es sich um die vom Munitionshersteller angegebene Geschossgeschwindigkeit.
Durch Fertigungstoleranzen kommt es zu chargen- bzw. losabhängigen Schwankungen,
die als Änderungen
der Anfangsgeschwindigkeit berücksichtigt
werden können.
Bei der Bestimmung der Anfangsgeschwindigkeit kann weiter die Pulvertemperatur
berücksichtigt werden.
Dabei handelt es sich um die Temperatur des Pulvers vor der Zündung, also
im Wesentlichen um die letzte Lagertemperatur.
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In
einem zweiten Schritt wird die Flugzeit des Geschosses in Abhängigkeit
der Anfangsgeschwindigkeit oder der Anfangsgeschwindigkeit und vorherrschender
Umweltbedingungen bestimmt. Bei den vorherrschenden Umweltbedingungen
kann es sich beispielsweise um die Lufttemperatur, den Luftdruck
oder die Stärke
des Rücken-
bzw. Gegenwindes handeln. Zusätzlich
können
weitere Parameter, wie die Rohrstellung und die Position des Ziels
relativ zur Waffe, z. B. ein Höhenunterschied,
berücksichtigt werden.
Der benötigte
Vorhalt wird dann mit Hilfe der Didion'schen Gleichung aus Querwindgeschwindigkeit
v
q, Flugzeit T, Zielentfernung R und Anfangsgeschwindigkeit
v
0 des Geschosses berechnet. Die Didion'sche Gleichung lautet:
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
wird also der Vorhalt nicht wie bislang aus Querwindtabellen bestimmt,
sondern anhand von Flugzeittabellen, die Umwelteinflüsse und/oder
Munitionsparameter berücksichtigen.
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Die
auf die vorstehend beschriebene Art korrigierten Werte für Aufsatz,
Vorhalt und Flugzeit werden wie bekannt in Feuerleitrechnern zur
Ausrichtung der Waffe in Bezug auf die Sichtlinie eines Beobachtungs-
oder Zielgerätes
genutzt.
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Die
Erfindung soll anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
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1 einen
Feuerleitrechner,
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2 die
relative Lager zweier Koordinatensysteme und
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3 eine
Geometrie zur Bestimmung des Vorhalts.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
ist eine Waffe 6 (s. 2) in einem
Geschützturm
auf der Wanne 5 eines Panzers als System- bzw. Waffenträger montiert.
Der Panzer bewegt sich mit einem Geschwindigkeitsvektor ν W. Bei einem auf die Wanne 5 bezogenen
karthesischen Koordinatensystem zeigt die X-Achse in Vorwärtsrichtung des Panzers, die Y-Achse
nach rechts und die Z-Achse nach unten. Der Geschützturm und
damit das Rohr 6 der Waffe ist in der XY-Ebene um den Winkel Ψ zur X-Achse
gedreht. Außerdem
weist das Rohr 6 eine Elevation um den Winkel ⊝ aus der
XY-Ebene auf.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der in 1 dargestellte Feuerleitrechner 4 verwendet.
Dieser erhält
als Eingangsparameter unter anderem die X-, Y- und Z-Komponente des
Geschwindigkeitsvektors ν W. Diese Komponenten werden einer Transformation
unterzogen, bevor sie der Rechneneinheit 3 zugeführt werden.
Die Transformation überführt die
Komponenten in ein ebenfalls karthesisches Koordinatensystem, das
auf das Rohr der Waffe bezogen ist. Die Achse X'' entspricht
dabei der Rohrseelenachse.
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Zur
Transformation wird in dem mit Ψ bezeichneten
Element zunächst
eine Rotation um den Winkel Ψ um
die Z-Achse vorgenommen. Es entsteht ein Zwischen-Koordinatensystem
mit den Achsen X', Y' und Z. Der Winkel Ψ kann durch
den Feuerleitrechner 4 verändert werden und ist diesem
daher bekannt.
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In
dem mit -⊝ bezeichneten
Element erfolgt eine zweite Rotation, diesmal um den Winkel ⊝, den Elevationswinkel
des Rohres gegenüber
der Visierlinie, um die Y'-Achse. Das Ergebnis
ist ein auf das Rohr der Waffe bezogenes Koordinatensystem mit den
Achsen X'', Y' und Z'. Dies hat den Vorteil,
dass zu der X''-Komponente des Geschwindigkeitsvektors ν W die
Anfangsgeschwindigkeit v0 des Geschosses bezogen
auf die Waffe einfach hinzuaddiert werden kann, um daraus die absolute
Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses zu bestimmen. Selbstverständlich kann
die Transformation des Koordinatensystems auch in einem Schritt
erfolgen.
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Aus
dieser absoluten Anfangsgeschwindigkeit, den anderen Komponenten
des Geschwindigkeitsvektors ν W, dem Drall des Geschosses und weiteren,
an dieser Stelle nicht näher
gekennzeichneten Parametern berechnet die Recheneinheit 3 den
Vorhalt und/oder den Aufsatz bezogen auf die nicht dargestellte
Visierlinie. Diese Werte werden dem Regelsystem 2 für Waffe
und Zielgerät
zugeführt.
Dieses richtet die Waffe entsprechend aus. Mit den neuen Werten
für Ψ und ⊝ wird ein
neuer Iterationsschritt, beginnend mit der Transformation des Koordinatensystems,
eingeleitet. Durch die veränderte
Stellung des Waffenrohres ergibt sich ein neues waffenorientiertes
Koordinatensystem. Die in der Recheneinheit 3 bestimmte
Flugzeit des Geschosses wird an das Tempiersystem 1 weitergeleitet,
um tempierbare Munition mit einem exakten Zündzeitpunkt zu programmieren.
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Anstatt
die neuen Winkel Ψ und ⊝ bei jedem Iterationsschritt
an das Regelsystem 2 weiterzugeben, können diese innerhalb des Feuerleitrechners 4 verbleiben,
bis die Iteration ausreichend konvergiert. Erst zu diesem Zeitpunkt
kann die Waffe durch das Regelsystem 2 ausgerichtet werden.
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Selbstverständlich ist
das erfindungsgemäße Verfahren
nicht auf den Einsatz in Panzern beschränkt. Vielmehr ist es auf alle
Arten von Waffen für Land-,
Luft- und Wasserfahrzeuge übertragbar.
Für das
Verfahren ist lediglich Kenntnis des Geschwindigkeitsvektors ν W des
Waffenträgers
sowie der Winkel Ψ und ⊝ zwischen
Waffe und Waffenträger
notwendig.
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Anhand
von 3 wird nun die Berücksichtigung von Umweltbedingungen
und Munitionsparametern auf die Bestimmung des Vorhalts erläutert. Dabei
bezeichnet 10 die Waffe, 11 das Ziel und 9 die direkte
Visierlinie zwischen Waffe 10 und Ziel 11. Aufgrund
des Querwindes 7 würde
ein in Richtung der Visierlinie 9 abgefeuerter Schuss das
Ziel 11 verfehlen. Es muss daher in die Richtung 8 gezielt
werden, die um den Vorhaltewinkel η von der Visierlinie 9 abweicht.
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Dazu
wird zunächst
die Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses in Abhängigkeit eines oder mehrerer
der Parameter nomineller Anfangsgeschwindigkeit, Änderung
der Anfangsgeschwindigkeit und Pulvertemperatur bestimmt. Dies erfolgt
mittels einschlägiger
Tabellen oder einer approximativen oder exakten Berechnung. Aus
dieser Anfangsgeschwindigkeit v0 wird in
einem zweiten Schritt die Flugzeit des Geschosses bestimmt. In die
Bestimmung der Flugzeit können
weiterhin die vorherrschenden Umweltbedingungen, z. B. Lufttemperatur, Luftdruck
oder Rücken-
bzw. Gegenwind, einbezogen werden. Auch geometrische Bedingungen,
wie der Abstand zum Ziel oder ein Höhenunterschied zwischen Waffe
und Ziel, werden berücksichtigt.
Aus der oben angegebenen Didion'schen
Gleichung wird nun unter Berücksichtigung
der Querwindgeschwindigkeit vq, der Flugzeit
T, der Zielentfernung R und der Anfangsgeschwindigkeit v0 des Geschosses ein Vorhalt η' berechnet. Der einzustellende
Vorhalt η entspricht
nun dem Arkustangens von η'. Für kleine η' gilt im Bogenmaß die Näherung η ≈ η'. Zusätzlich wird
die Drallabweichung des Geschosses berücksichtigt.
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In
einem Zahlenbeispiel sei vq = 10 m/s und R
= 2000 m. Die nominelle Anfangsgeschwindigkeit des Geschosses betrage
1000 m/s bei einer Flugzeit von 2,5 s. Die tatsächliche Anfangsgeschwindigkeit ergibt
sich in Abhängigkeit
der oben angebenen Parameter aus entsprechenden Tabellen zu v0 = 1050 m/s, die tatsächliche Flugzeit zu T = 2,25
s. Eingesetzt in die Didion'sche
Gleichung führt
dies zu η' = 0,00173 oder η = 0,0989
Grad. In Strich ausgedrückt, wobei
6400 Strich einem Vollkreis mit 360 Grad entsprechen, ergibt sich
ein Vorhalt von 1,758 Strich. Werden statt des erfindungsgemäßen Verfahrens Querwindtabellen
verwendet, so ergibt sich aus den nominellen Werten für Anfangsgeschwindigkeit
und Flugzeit ein Vorhalt von 0,1432 Grad oder 2,546 Strich. In 2000
Metern Entfernung von der Waffe führt dieser Unterschied im Vorhalt
zu einer Abweichung von 1,57 Metern. Ein entsprechend kleines Ziel
würde somit
bei der Vorhaltbestimmung anhand von Querwindtabellen verfehlt.
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Welche
Umweltbedingungen und Munitionsparameter zur Bestimmung von Vorhalt
und/oder Aufsatz verwendet werden, hängt einzig von dem im konkreten
Fall zur Verfügung
stehenden Schusstafeln bzw. Approximationsgleichungen für die Anfangsgeschwindigkeit
und Flugzeit des Geschosses ab.
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Die
Kompensation der Eigenbewegung der Waffe und die Berücksichtigung
von Umweltbedingungen und Munitionsparametern bei der Bestimmung
von Vorhalt und/oder Aufsatz können
sowohl separat als auch in Kombination eingesetzt werden.
