DE3100506A1

DE3100506A1 - Geschoss mit thermischem generator

Info

Publication number: DE3100506A1
Application number: DE19813100506
Authority: DE
Inventors: Erich 8500 Nürnberg Gerum; Harald 8501 Schwaig Wich
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1980-02-01
Filing date: 1981-01-10
Publication date: 1981-12-17
Also published as: GB2070739A; FR2475211A1; CH652494A5; FR2475211B1

Description

DIEHL GMBH & CO., 85oo Nürnberg

Geschoß mit thermischem Generator

Die Erfindung betrifft ein Geschoß der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Gattung.

Ein solches Geschoß ist aus der DE-OS 24 34 7oo als Flugabwehrgeschoß bekannt, bei dem nach dem Abschuß aus einem Waffenrohr eine im hinteren Teil des Geschosses angeordnete pyrotechnische Ladung gezündet wird, um als Strahlungsquelle zum Abstrahlen eines Zielverfolgungsstrahles zu dienen. Zwischen dieser pyrotechnischen Ladung als Wärmequelle» le und der Sprengladungs-Nutzlast des Geschosses als Wärmesenke ist ein aus in Reihenschaltung miteinander verbundenen Thermoelementen bestehender thermoelektrischer Generator angeordnet, der aufgrund des Wärmegefälles zwischen der gezündeten pyrotechnischen Ladung und der noch nicht gezündeten Sprengladung eine Thermospannung zum Betrieb einer Schaltanordnung für die Auswertung der Peilstrahl-Information zur Zündauslösung abgibt. Nachteilig bei dieser Ausstattung des Geschosses zur Bereitstellung der elektrischen Energie für den Betrieb der Schaltanordnung ist insbesondere, daß im Geschoß eine eigene, nach dem Abschuß eigens zu zündende, Wärmequelle vorgesehen sein muß, die bei vorgegebenen Geschoßabmessungen den für die Nutzlast verfügbaren Raum erheblich verringert; wobei zusätzlicher Aufwand für das Sicherstellen einer Zündung dieser Wärmequelle erst nach Verlassen des Waffenrohres erforderlich ist, um das

130051/0408 '"²

-y-C-

Jeschoß eigensicher zu machen. Diese Lösung rechtfertigt sich deshalb nur in solchen Sonderfällen, da ohnehin für den Betrieb des Geschosses eine nach dem Abschuß aber vor eier Detonation in Betrieb zu setzende Wärmequelle vorhanden sein muß, die dann zugleich für die Energiegewinnung cum Betrieb der Schaltanordnung herangezogen werden kann, insoweit die Schaltanordnung nicht vorher schon betriebsbereit sein muß.

In Fällen, da solche Sonderbedingungen nicht gegeben sind, ist es bekannt, in dem Geschoß eine Batterie als Energiequelle für die Schaltanordnung vorzusehen. Nachteilig ist Jedoch, daß Batterien im Verhältnis zu ihrer elektrischen Leistung ein sehr großes Gewicht aufweisen, also die Nutzlast des Geschosses bei gegebenen Randbedingungen verringern, und daß darüberhinaus der zur Detonationsauslösung verfügbare Spitzenstrom bei einer Batterie aufgrund ihres hohen Innenwiderstandes vergleichsweise gering ist. Außerdem sind lange Lagerzeit (entsprechen! der Anforderung an die Funktionsfähigkeits-Zeitdauer von gelagerten Geschossen) ohne unzulässige Selbstentladung überstehende Batterien sehr teuer, und zusätzlicher apparativer und finanzieller Aufwand ist schließlich für die Eigensicherheit zu treiben, also für die Freigabe der Batterie-Energie an die Schaltanordnung erst nach Austritt des Geschosses aus dem '■faffenrohr.

Ferner ist es bekannt, Geschosse mit Piezo-Generatoren auszustatten, die aufgrund des Staudruckes vor dem Geschoß im

Jo freien Flug, also nach Verlassen des Wa ffenrohres, aktiviert v/erden. Die dadurch verfügbare Energie reicht aber in der Regel selbst bei Zwischenspeicherung der von den Piezoelesenten gelieferten Energie in Kondensatoren nicht aus zum kontinuierlichen Speisen einer elektronischen Schaltanord-"ung, nur für die Auslösung eines elektrischen Spaltzünders zur Detonationseinleitung.

130051/0408 '"³

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Geschoß gattungsgemäßer Art derart auszubilden, daß es die notwendige Energie für den Betrieb einer komplexen elektronischen Schaltanordnung während des Bewegungsablaufes im freien Fluge zwischen Verlassen des Waffenrohres und Auslösung der Detonation und gegebenenfalls auch schon im Waffenrohr bei vergleichsweise geringem herstellungstechnischem Aufwand aber hoher Funktionssicherheit erbringt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein Geschoß gattungsgemäßer Art zusätzlich gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ausgestattet ist.

Es bedarf also nicht da* Ausstattung des Geschosses mit einer eigens vorzusehenden und zu definiertem Zeitpunkte zu zündenden Wärmequelle; vielmehr werden die Wärmegefälle von der Geschoß-Umgebung zum Geschoß ausgenutzt, die durch Bremsen des freien Fluges in der umgebenden Luft und gegebenenfalls auch beim Abschuß des Geschosses auftreten, also die mit der Geschoß-Bewegung in Zusammmenhang stehenden negativen und positiven BeschTeunigungsgegebenheiten.

Die weiterbildende Lösung nach Anspruch 2 beruht auf der Erkenntnis, daß bei länger fliegenden Geschossen für die Energieversorgung der Schaltanordnung ein thermoelektrischer Generator am geeignetsten wäre, der so in das Geschoß eingebaut ist, daß die im freien Flug, also zwischen Verlassen des Waffenrohres und Auslösung der Detonation, über dem Generator sich reibungsbedingt, also verzögerungsbedingt und damit ohne zusätzliche Wärmequelle, einstellenden Wärmegefälle ausgenutzt werden. Von besonderen zusätzlichen Maßnahmen zur Gewährleistung der Eigensicherheit kann abgesehen werden, da die Luft-Reibungswärme erst außerhalb des Waffenrohres für das Geschoß und damit zur Erregung des Generators wirksam wird.

130051/0408 "^Λ

Dabei kann, gemäß in weiteren Unteransprüchen angegebenen vorteilhaften Abwandlungen bzw. Weiterbildungen, alternativ oder kumulativ auf verschiedene typische Reibungs-Erhitzungsbereiche am Geschoß zur Ausbildung des Generators zurückgegriffen werden. Vergleichsweise einfache und funktionsunkritische zusätzliche Maßnahmen am Geschoß in Form einer Ausbildung von Wärmesenken oder Wärmespeiehern zur Gewährleistung eines günstigen Wärmegefälles während der Freiflugzeit können dabei zweckmäßig sein. Solche bevorzugten Bereiche zur Ausbildung des thermoelektrischen Generators für(eigensichere)elektrische Speisung elektronischer Schaltanordnungen im Geschoß während des Geschoß-Freifluges sind insbesondere der Übergang von der Geschoß-Spitze zum angenähert zylindrischen Teil des Geschosses bzw., bei Geschoß-Ausbildung mit Spike-Spitze, der unmittelbar vor der Geschoß-Schulter gelegene Spitzenbereich; und andererseits der Bereich hinter einem Granat-Leitring, also in der Nachbarschaft der Würgerille zur Kartuschen-Befestigung.

Im erstgenannten Falle tritt alsbald nach Verlassen des Waffenrohres aufgrund der bremsenden Luftreibung während des gesamten Freifluges eine hohe, je nach Geschoß-Geometrie bis zu 6oo°C oder auch noch höher ansteigende Erwärmung auf. Zur Gewährleistung des Temperaturgefälles kann im Inneren des Geschosses ein hinsichtlich seiner Wärmekapazität auf die Flugzeit bemessener Stoff als Wärmesenke vorgesehen sein; während unzulässige Erhitzung der heißen Seiten der Thermoelement- oder Peltier-Materialpaarungen des Generators durch eine umgebende thermische Abschirmung verhinderbar ist. Im Falle der Ausnutzung der Schulter-Erwärmung bei Geschoß-Ausbildung mit Spike-Spitze kann das Temperaturgefälle über der Längserstreckung des Spike für die Anregung des Generators ausgenutzt werden, ohne daß es einer zusätzlichen Ausbildung einer Wärmesenke bedürfte. Im Falle der zweitgenannten Alternati\re wird die Tatsache einer Temperaturgradientenumkehr am Geschoß-Generator bei Verlassen des Waffenrohres ausge-

...5 130051/0408

-jr./·

nutzt, da der hinter dem Leitring gelegene Teil des Geschosses im Rohr noch mit den heißen Pulverdämpfen der Kartuschen-Treibladung beaufschlagt ist, nach Verlassen des Waffenrohres aber durch Verwirbelungen hinter dem Leitring gekühlt wird. Bei dieser Lösungsvariante gemäß der Erfindung ist es also lediglich erforderlich, die Pulverdampf-Energie noch vor Verlassen des Waffenrohres im rtickwärtigen Bereich des Geschoß-Inneren in solchem Maße abzuspeichern, daß im Bereiche hinter dem Leitring im Freiflug ein Temperaturgefäl-Ie von innen nach außen wirksam wird.

Bei diesen Lösungsvarianten ergibt sich somit aufgrund der Generator-Anregungsgegebenheiten einerseits vor und andererseits nach Verlassen des Rohres ohne zusätzliche Hilfsmaßnahmen ein eigensicheres, hinsichtlich des Generators keiner Alterung unterliegendes Geschoß, das nach Durchmessen einer gewissen Totzone vor der Waffenrohr-Mündung scharf wird, indem der Generator die Zündungs-Schaltanordnung dann speist.

Für besondere Geschosse, die schon nach der inneren zwischen etwa 5o und 1oo m messenden Kampfzone scharf sein und die Zündenergie zur Verfügung stellen können müssen, ist die Freiflug-Totzone vor der Waffenrohr-Mündung auch bei sehr hohen Austrittsgeschwindigkeiten jedoch unter Umständen zu groß. Gemäß Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung ist für Geschosse derartiger Anwendungsgebiete auf die im Zuge der Beschleunigung bei Abschuß im Waffenrohr auftretende Erwärmung der Geschoß-Rückseite durch die Pulvergase bei und nach Trennen des Geschosses von seiner Kartusche zur thermo elektrischen Speisung der Schaltanordnung zurückzugreifen. Dabei beginnt der Generator schon im Waffenrohr zu arbeiten, um auch in kurzer Distanz vor der Rohrmündung die Zündung des Geschosses auslösen zu können. Die thermoelektrtiche Energiegewinnung selbst kann dann nicht mehr zur eigensicheren Funktion des Geschosses herangezogen werden.

130051/0408

Vielmehr ist nun auf herkömmliche,beispielsweise auf der Führungsfunktion des Waffenrohres beruhende mechanische Sicherungsmaßnahmen zurückzugreifen. Diese Sicherungsmaßnahmen können durch die Funktion der vom Thermogenerator gespeisten Schaltanordnung ergänzt werden, indem ein

Diskriminator eingesetzt wird, der aufgrund der Tatsache des großen Spannungsgradienten wirksam ist,welcher bei Austritt des Geschosses aus der Rohrmündung auftritt, also in einer Betriebsphase des Geschosses, in der die Geschoß-Rückseite gerade nicht mehr von Pulverdämpfen erhitzt sondern z.B.von Luftwirbeln gekühlt wird. Der dadurch an den Ausgangsklemmen des Thermogenerators auftretende Spannungssprung bzw. Polaritätssprung kann als Sensorsignal zur Detektion des erfolgten Abschusses innerhalb der in das Geschoß eingebauten Schaltanordnung ausgewertet werden, um über die,schon während der Laufzeit des Geschosses im Rohr vom Thermogenerator gespeiste ,Schaltanordnung unmittelbar vor der Rohr-Mündung und damit schon im Nahbereich eine Zündung vorzubereiten.

Der Generator kann zweckmäßigerweise ring- oder scheibenförmig bzw. hohlzylindrisch oder zylindrisch aufgebaut sein, um ihn separat herstellen und dann im Zuge der Geschoßfertigung bzw. der Geschoßbeschickung in das Geschoß anfügen oder zwischen Geschoßteile einbauen zu können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche vereinfacht dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigt:

Fig. 1 in Seitenansicht, teilweise aufgeschnitten, ein für längere Freiflugstrecken bestimmtes Geschoß mit angesetzter Hülse vor dem Abschuß,bei Anord

nung seines thermoelektrischen Generators in der Geschoß-Spitze _t ^y

130051/0408

Fig. 2 in Prinzip-Darstellung die Speisung eines Schaltungsteiles der Geschoß-Schaltanordnung aus einem aus Thermoelementen aufgebauten thermo-

elektrischen Generator, entsprechend Fig. 1,

Fig. 3 in Abwandlung der Gegebenheiten gem. Fig.1 die Ausbildung des Generators im Bereich des Überganges von der Geschoß-Spitze zum zylindrischen

Teil des Geschosses,

Fig. 4 die Generator-Anordnung nach Fig.3 gemäß den Schnitt-Sichtpfeilen IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine Generator-Ausbildung im rückwärtigen Teil des Geschosses hinter seinem Leitring,

Fig. 6 eine abgewandelte Generator-Ausbildung bei einem Geschoß mit Spike-Spitze,-

Fig. 7 in Anlehnung an die Einbau-Gegebenheiten nach Fig. 5 einen Generator bei einem Geschoß, das schon innerhalb der sog. inneren Kampfzone zündbereit sein muß,

Fig. 8 die Anordnung der ThermoeTementpaare gemäß dem Schnitt-Sichtpfeil VIII-VIII in Fig. 7 und

J>o Fig. 9 in Abwandlung der Gegebenheiten gem. Fig. 2

eine auch Sicherungsfunktionen übernehmende Schaltanordnung für einen Thermogenerator gem. Fig. 7/Fig. 8, der die Schaltanordnung schon während des Geschoß-Abschusses im Waffenrohr speist.

• · .8

130051/040*

- /IA.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht, teilweise aufgebrochen, ein Geschoß 1 mit Hülse 2 zur Aufnahme einer Kartuschen-Treibladung 3. Im rückwärtigen Bereich seines Zylindermantels 4 ist das Geschoß 1 von einem Leitring 5 umgeben, der aufgrund Zusammenwirkens mit dem Zug in der Innenmantelfläche eines Waffenrohres (in der Zeichnung nicht dargestellt) das abgeschossene Geschoß 1 mit dem für die Richtungsstabilität erforderlichen Granatdrall versieht.

Hinter dem Leitring 5 ist im Zylindermantel 4 des Geschosses 1 wenigstens eine peripher umlaufende Würgerille 6 ausgebildet, die der form- und kraftschlüssigen Befestigung des vorderen Bereiches der Hülse 2 am Geschoß 1 dient, wenn es sich, wie im dargestellten Beispielsfalle, um ein einstückig in das Waffenrohr einzugebendes Projektil handelt; im anderen Falle ist das Projektil zweiteilig aus Geschoß 1 und Hülse 2 ohne die dargestellte gegenseitige Befestigung ausgebildet.

Das Innere des Geschosses 1 beherbergt im wesentlichen einen Nutzlastraum 7, insbesondere zur Aufnahme von

130051/0408

Zünd- und Sprengmaterial. Im vorderen, konisch sich verjüngenden Bereich des Geschosses 1 ist eine Schaltanordnung 8 untergebracht, die insbesondere der Bereitstellung bzw. Umwandlung elektrischer Energie für die Verarbeitung von Signalen von Sensoren zur Bestimmung des Zündzeitpunktes und der Zündauslösung dient. Für die Gewinnung dieser elektrischen Energie ist ein thermischer Generator 9 im Bereiche der Geschoß-Spitze 10 angeordnet. Vor dem Generator 9 kann thermisch beständiges, gut wärmeleitendes Verstärkungsmaterial 11 angeordnet sein, in dem beispielsweise auch Sensoren für die Zündauslösung angeordnet sein können. Hinter dem Generator 9, bezogen auf die Längsachse 22 und Flugrichtung des Geschosses 1, ist eine Wärmesenke 12 hoher Wärmekapazität angeordnet. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Behälter aus schlecht wärmeleitendem Material handeln, der mit einer Flüssigkeit, z. B. destilliertem Wasser, gefüllt ist.

Nach Abschuß des Geschosses 1, wenn dieses sich also von der Hülse 2 getrennt und das Waffenrohr verlassen hat, entsteht aufgrund des Luftwiderstandes im freien Fluge des Geschosses 1 vor der Geschoß-Spitze 1o ein Wärmestau, der über das Verstärkungrsmaterial 11 auf die heiße Seite 13 (vgl. Fig. 2) des Generators 9 übertragen wird, dessen kalte Seite 14 gegen die Wärmesenke 12 anliegt. Der Generator 9 selbst besteht im wesentlichen aus einer verpressten Masse hitzebeständigen, durch schlechte Wärmeleitung das Temperaturgefälle über dem Generator 9 möglichst gut aufrechterhaltenden Materials 15 (z.B. handelsüblicher aushärtbarer Gießkeramik), in das Elementpaare 16, für die Umsetzung des Temperaturgefälles (zwischen der heißen und der kalten Seite 13/14) nach dem Peltier- oder Seebek-Effekt in eine elektrische Spannung, eingebettet sind. Die Generator-Elementpaare 16 sind - zumindest teilweise, wie in Fig. 2 dargestellt - in Serie geschaltet, um zwischen zwei AusgangnanschlMssen 17

...•1ο

130051/0408

die Thermospannung abgreifen zu können. Diese Thennospannung kann ^ie Komponenten der elektrischen Schaltanordnung 8 unter Zwischenschaltung eines schon bei kleinen Anregespannungen anschwingenden Spannungsvervielfachers betreiben, oder aber direkt auf SchaltungsteiIe 18 gegeben werden. Um bei diesen Schaltungsteilen, beispielsweise beschalteten Operationsverstärkern, mit kleinen Betriebsspannungen auskommen zu können, ist es zweckmäßig, die Serienschaltung der Elementpaare 16 mit einem Mi ttenabgriff 19 auszustatten, der mit dem Referenzpotential — Anschluß 2o-der Schaltungsteile 18 verbunden wird, die eine bipolare Spannungsversorgung bedingen.

Die von der Spitze 1o bzw. vom Verstärkungsmaterial 11 durch den Generator 9 hindurchtretende Wärmemenge wird von der Wärmesenke 12 aufgenommen, so daß sich während der Betriebsdauer dieses thermischen Generators 9 dessen kalte Seite 14 nicht merklich erwärmt,also das Temperaturgefälle für die Erzeugung der Thermospannung im wesentlichen aufrecht erhalten bleibt. Besonders zweckmässig ist es, im verpreßten Material 15 des Generators 9 die Elementpaare 16 als Peltier-Elemente auszubilden, da diese einen besonders hohen WärmeUbergangswiderstand aufweisen und dadurch die Aufheizung der als thermisches Gegengewicht dienenden Wärmesenke 12 verzögern, was den raumsparenden Einbau einer räumlich Meinen Wärmesenke ermöglicht. Außerdem stellen Peltier-Elemente selbst bereits räumlich kleine Elementpaare 16 dar, die schon bei mäßiger Temperaturdifferenz in der Größenordnung von etwa 15o° Celsius eine Leerlaufspannung in der Größenordnung von 0,5 V erzielbar machen. Eine kritische Ubererhitzung der Peltier-Elemente als den Elementpaaren 16 ist konstruktiv leicht ausschließbar, indem einerseits das Verstärkungsmaterial 11 in der Geschoß-Spitze 1o entspre-

...11

130051/0403

chend gewählt wird und darüberhinaus die Erstreckung der Elementpaare 16 im Generator 9 nicht bis in die Nähe des Wandungsbereiches des Geschosses 1 geführt wird, bzw. indem dort der Generator 9 von einem thermischen Abschirmring 21 umgeben wird. Im verpreßten Material 15 können die Elementpaare 16 spiral- oder kreisförmig angeordnet sein. Wenn zur Erhöhung der verfügbaren Ausgangsleistung des Generators 9 einzelne Serienschaltungen gruppenweise parallel geschaltet werden sollen, ist es, im Interesse funktionssicherer elektrischer Verbindungen untereinander, zweckmäßiger, auch die Elementpaare 16 entsprechend zu gruppieren. Werden die Schaltungsteile 18 gemäß der Darstellung in Fig. 2 nicht direkt aus dem Generator 9, sondern über einen Spannungsvervielfacher 47 gespeist,dann kommt man mit relativ wenigen Elementpaaren 16 aus,wenn der Vervielfacher 47 mit Halbleiter-Bauelementen auf Slliziurabasis realisiert ist, weil der bei überschreiten einer definiert-niedrigen Generatorausgangsspannung (typisch 0,6 V) nahezu schlagartig zu schwingen beginnt, also die Versorgungsspannung für die Schaltungsteile 18 liefert.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 der thermische Generator 9'hinsichtlich seines Temperaturgradienten nicht mehr parallel, sondern quer zur Flugrichtung und damit Längsachse 22 des Geschosses 1 orientiert. Die Elementpaare 16 sind also nun (vgl. Fig. 4) radial, also sternförmig, in das verpreßte Material 15 eingelagert, das als Generator-Ring 23 die Wärmesenke 12 konzentrisch umgibt, bei der es sich wieder um einen Behälter, bevorzugt aus elektrisch isolierendem Material, mit einer Füllung hoher Wärmekapazität, z.B. mit Flussigkeitsfüllung, handeln kann. Die kalten Verbindungspunkte 14 der Elementpaare 16 stehen mit der Wärmesenke 12 thermisch in Verbindung; deren heiße Verbindungspunkte 13 liegen, elektrisch gegeneinander

...12

130051/040*

isoliert, unmittelbar unter der Geschoßwandung 24, oder sie ragen zur besseren thermischen Verbindung mit der umgebenden Lufthülle in Ausnehmungen 25 in der Geschoßwandung 24 hinein, wie in Fig. 5 beispielhaft dargestellt.

Der ringförmige Generator 9'gem. Fig. 3/ Fig. 4 kann sternförmige Anordnungen von Elementpaaren 16 in mehreren zueinander parallelen Ebenen quer zur Geschoß-Längsachse 22 aufweisen. Dieser ringförmige Generator 9' ist im Übergangsbereich 26 zwischen der Geschoß-Spitze 1o und dem Geschoß-Zylindermantel 4 in das Geschoß 1 eingebaut, also in einem Bereich, in dem bei freiem Flug nach Abschuß des Geschosses 1 aus einem Waffenrohr aufgrund der Strömungsgegebenheiten sich ein Wärmestau einstellt und damit die größte Erwärmung in Bezug auf die angenähert konstante Temperatur der Wärmesenke 12 auftritt. Diese Temperatur im Übergangsbereich 26 erreicht etwa 6oo° C. Die thermischen Eigenschaften des verpreßten Materials des Generators 9' sowie der Wärmesenke 12 sind darauf abzustellen, daß die Flugzeit eines solchen Geschosses 1 etwa 6 bis 8 Sekunden beträgt, innerhalb derer das Temperaturgefälle von der heißen Seite 13 zur kalten Seite 14 des Generators 9 nicht wesentlich abgebaut werden darf, um auch am Ende der Flugzeit und möglichst ohne das Erfordernis, elektrische Energie zwischenspeichern zu müssen, noch die erforderliche Betriebsspannung für die Schaltanordnung 8 unmittelbar als Klemmenspannung des thermischen Generators 9' oder aber über den zwischengeschalteten Spannungsvervielfacher 47 verfügbar zu haben.

Im in Fig. 3/ Fig. 4 dargestellten Ausführungsfalle wird der Generator 9¹ von einem Detonator 27 durchragt, der einerseits an die Zündschaltungsteile der Schaltanordnung 8 angeschlossen ist und andererseits in den Nutzlastraum 7 hineinragt, um zu gegebener Zeit die dort be-

...13

findliche Ladung zu zünden. In der Spitze 1o ist beim Ausführunf^beispiel nach Fig. 3 vor der Schaltanordnung 8 noch eine Aufschlag-Auslöseeinrichtung 28 vorgesehen, die über Teile der Schaltanordnung 8 mit dem Detonator 27 funktionell in Verbindung steht; statt dessen oder zusätzlich können in diesem vorderen Bereich auch Sensoren für die Funktion des Geschosses 1 angeordnet werden, die nicht im Bereiche der Schaltanordnung 8 untergebracht sind.

Der Generator-Aufbau gem. Fig. 4 mit Anordnung gem. Fig. 3 (oder gem. der unten noch zu erläuternden Fig. 5) eignet sich insbesondere für herkömmliche Thermoelement-Materialpaarungen, die zwar eine geringere thermoelektrisehe Empfindlichkeit, als Peltier-Elemente, aufweisen, dafür aber bei höherer Temperatur betreibbar sind; es errübrigen sich also Schutzmaßnahmen gegen thermische Zerstörung des Generators 9,vielmehr kann die maximal auftretende Reibungswärme in der Umgebung des Geschosses 1 für die thermoelektrische Energieerzeugung unmittelbar und mittels billiger Materialien genutzt werden.

Auf eine gleichartige Realisierung des Generators 9¹ als Ring 23, wie in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben, bezieht sich das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5. Dort ist der Generator 9" im Bereiche des rückwärtigen Endes des Geschosses 1, also beispielsweise im Bereiche der WUrgerille 6 und jedenfalls hinter dem Granat-Leitring 5,angeordnet. Der Generator-Ring 23^l tvngibt nun Jedoch keine Wärmesenke 12, sondern einen Wärmespeicher 29, beispielsweise einen Block aus schamotte-ähnlichem Material. Bei dieser Lösungsvariante wird für die thermische Spannungserzeugung nicht die Reibungswärme der Umgebungsluft an der Geschoßwandung 24 ausgenutzt, sondern die im Zuge des

... 14

130051/ΟΛ08

Abschusses des Geschosses 1 aus dem Waffenrohr von der Kartuschen-Treibladung 3 (vgl. Fig. 1) in den Wärmespeicher 29 übertragene Wärmeenergie der Treibgase, die ihre Wäremeenergie im Waffenrohr hinter dem Leitring 5 des von der Hülse 2 (vgl.Fig.1) abhebenden Geschosses 1 freigeben.

Im Gegensatz zu den Verhältnissen gem. Fig.4 liegen beim Generator-Ring 23' nach Fig. 5 nun die kalten Seiten 14· der Elementpaare 16 außen, also an der Peripherie des Zylindermantels 4 hinter dem Leitring 5; während deren heiße Seiten (in Fig.5 nicht dargestellt) mit dem Wärmespeicher 29 thermisch in Verbindung stehen. So lange das Geschoß 1 noch im Waffenrohr vorbewegt wird, beaufschlagen die heii3en Treibgase die äui3ere Peripherie des Generator-Ringes 23' unmittelbar, dagegen die inneren Verbindungspunkte der Elementpaare nur über den zwischengeschalteten Wärmespeicher 29. Während dieser Abschußzeitspanne sind die außenliegenden Verbindungspunkte 14 der Elementpaare also einer gleichgroßen oder sogar größeren Erwärmung ausgesetzt, als die innenliegenden; das heißt, es steht an den Ausgangsanschlüssen 17 des thermischen Generators 9'¹ Avährend des Abschusses noch keine Thermo spannung an, oder aber eine Thermospannung mit in Bezug auf die späteren Betriebsgegebenheiten umgekehrter Polarität. Jedenfalls dann, wenn es sich bei den Schaltungsteilen 13 bzw.ggf.beim vorgeschalteten Spannungsvervielfacher 47 um Bauelemente mit gepoltem Betriebsverhalten handelt (in Fig.2 durch gestrichelt dargestellte,vorgeschaltete Betriebsspannungs-Richtleiter 3o zum Ausdruck gebracht),dann erfolgt eine Aktivierung noch nicht in der kritischen Zeitspanne, in der das Geschoß 1 sich durch das Waffenrohr vorbewegt. Nach Verlassen des Waffenrohres dagegen, also bei freiem Flug des Geschosses 1, treten hinter dem Leitring 5 Luftverwirbelungen auf,die zu einr

...15

130051/0408

Kühlung des dort gelegenen Bereiches des Zylindermantels A und damit auch der kalten Seite 14 des Generators 9" führen. Dagegen gibt der im Rohr aufgeheizte Wärmespeicher 29 seine Wärme nun an die innenlfegenden heißen Verbindungssteilen der Elementpaare ab, und es stellt sich- (im Gegensatz zu den Verhältnissen nach Fig. 3) nun ein Tempera tür ge fälle von innen nach außen ein*, das heißt, an den Ausgangsanschlüssen des Generators 9" steht eine Thermo spannung mit der Polarität entsprechend derDurchlaßpolung der Richtleiter 3o (vgl. Fig. 2) an. Da an der Rückseite 31 des Geschosses 1 im freien Flug praktisch' Vakuum herrscht, tritt hier während der kurzen Betriebszeit des Generators 9" (nämlich während der freien Flugzeit des Geschosses 1 bis zur Detonation) praktisch kein Wärmeverlust aus idem Wärmespeicher 29 auf.

Zum raschen Einleiten der Wärme der Treibgase in den Wärmespeicher 29 bei gleichzeitiger Gewährleistung eines in Bezug auf die Geometrie der Elementpaare wünschenswerten Wärmeprofiles im Wärmespeicher 29 kann es zweckmäßig sein, wie in Fig. 5 beispielhaft berücksichtigt, Wärmeleitkörper 32 in Form von Stangen und/oder Blechen, gegebenenfalls mit gestaffelter Tiefenausdehnung, in den Wärmespeicher 29 einzusetzen, deren freie oder sogar aus der Geschoß-Rückseite 31 vorragenden Enden unmittelbar von der Treibgas-Hitze beaufschlagt werden und eine gezieltere und raschere Wärmeleitung in den Bereich des Generator-Ringes 23* ermöglichen, als durch das Material des Wärmespeichers 29 selbst hindurch.

Insbesondere in den Fällen einer Ausbildung des Generators 9, 9¹ bzw. 9¹¹ als Ring 23 bzw. 23' ist es zweckmäßig, diesen als eigenständiges Bauteil zu fertigen, das im Zuge der Komplettierung des Geschosses 1 in dessen

...16

13ÜÖS1/04Ö8

Innenraum eingesetzt wird oder, im Falle eines mehrteilig aufgebauten Geschosses 1, durch Verschrauben oder sonstige kraft- und/oder formschlüssige Bindung zwischen die Geschoßteile eingefügt wird.
5

Sin abgewandelter Generatoraufbau ist in Fig. 6 für den Fall einer Geschoßausbildung mit einer ausgeprägten Schulter 35 hinter einer Spike-Spitze 34 symbolisch vereinfacht dargestellt. Hier bedarf es weder besonderer Maßnahmen

^⁰ zur Ausbildung einer Wärmesenke, noch der Bereitstellung eines Wärmespeichers; denn aufgrund örtlich sehr konzentrierter, überhaus hoher Erhitzung der Schulter 33 selbst und des unmittelbar angrenzenden Endes der Spike-Spitze 34 tritt im freien. Fluge des Geschosses 1 in Längsrichtung der Spike-Spitze 34 ein unmittelbar für die Anregung des Generators 9^tlf ausreichendes Temperaturgefälle auf. Zur Spannungserzeugung ist hier ein Generator-Wickel 35 vorgesehen, nämlich eine Banderole aus handelsüblichen Thermoelementen in Folienform, deren heiße Seiten 13 zur Schulter 33 hin orientiert sind. Dabei ist diese Elementfolie 36, wie in der Zeichnung berücksichtigt, zweckmäßigerweise in eine Nut 37 in der Außenwandung der Spike-Spitze 34 eingelegt, um das strömungstechnische Verhalten des Geschosses 1 möglichst nicht zu beeinflussen. Diese Wickel-Ausbildung mittels einer Thermoelementen-Anordnung in Folienform ermöglicht die Unterbringung von Elementpaarungen in sehr großer Anzahl auf kleinstem Raum, also die Gewinnung einer hohen Generator-Leerlaufspannung.

Insbesondere die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis Fig. 4 und Fig. 6, aber auch das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, eignen sich für Geschosse mit vergleichsweise großer, bis zu einigen 1oo Metern betragender taktischer Reichweite und dementsprechend mit einer Freiflugzeit nach Verlassen des Waffenrohres in der Größenordnung von

...17

130051/0408

1,5 Sekunden und mehr. Der beschriebene Generator-Aufbau und -Einbau ist,zumal nach Fig. 1 bis Fig. 4 und Fig. 6, für Langzeitversorgung optimal geeignet, also wenn es auf eine möglichst begrenzte Totzone zwischen Verlassen des Waffenrohres und Zündbereitschaft nicht ankommt. Andererseits gibt es schnellfliegende, für die sog. innere Kampfzone bestimmte Geschosse, die beispielsweise nach nur 0,1 Sekunden Freiflugzeit bzw. innerhalb einer Reichweite von 5o ... 1oo m die Zündenergie für eine Detonation bereithalten müssen.

Für solche abgewandelten Einsatzfälle ist es zweckmäßig, die Verwendung eines Generators ähnlich desjenigen nach Fig. 5 derart abzuwandeln, daß - unter Beibehaltung der herkömmlichen beispielsweise mechanischen Sicherungsmaßnahmen während des Vortriebs des Geschosses durch das Waffenrohr - schon die Wärmebeaufschlagung des Thermo-Generators im Waffenrohr durch die heißen Treibgase der Kartusche zur Energieversorgung der im Geschoß enthaltenen Schaltanordnung herangezogen wird, also nicht erst ein bestimmtes während Freifluges nach Verlassen der Rohröffnung über dem Geschoß auftretendes Wärmegefälle zur Aktivierung der Schaltungs-Speisung aus dem Generator abgewartet wird.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist, in Anlehnung an die Darstellung nach Fig. 5 unter Berücksichtigung von Fig. 1, in Fig. 7 dargestellt. Der thermische Generator 9¹'¹' ist, parallel zur Geschoß-Längsachse 22 orientiert, im rückwärtigen Bereich des Geschosses 1 etwa zwischen dessen Leitring 5 und seiner der Kartuschen-Treibladung (siehe Fig. 1) zugewandten Rückseite 31 angeordnet. Gegen unmittelbare zerstörende Einwirkung der heißen Treibladungs-Pulverdämpfe während des Abschießens des Geschosses 1 im Waffenrohr (in der Zeichnung nicht dargestellt)

...18

130061/0408

ist hinter der heißen Seite 13 der Thermoelement-Paare eine thermische Schutzschicht 38 aus hitzebeständigem und zugleich elektrisch isolierendem Material vorgesehen. Die kalten Seiten 14 der Thermoelement-Paare 16 sind zum Nutzlastraum 7 des Geschosses 1 hin orientiert und liegen gegen eine Wärmesenke 12 an, als die die metallische Masse einer bei solchem Geschoß 1 ohnehin vorgesehenen mechanischen Sicherungseinrichtung (z.B. eine Uhrwerksplatine oder eine aus der Zünd-Wirkungskette herausschwenkbare Trennplatte zwischen Detonator und Übertragungsladung; in der Zeichnung nicht näher dargestellt) herangezogen sein kann.

Für eine gute Raumausnutzung im Interesse hohen thermoelektrischen Wirkungsgrades des Generators 9^il!t sind die Thermoelement-Paare 16, wie in Fig. 8 in der Rückansicht dargestellt, zweckmäßigerweise spiralförmig zu einem Zylinder gruppiert, wobei in den Zwischenräumen handelsübliche temperaturbeständige Gießkeramik als formhaltendes verpreßtes Material 15 (z.B. IiAGER-Aluminiumoxyd-Keramik) eingegossen ist, die dann unter Halterung der Thermoelement-Paare 16 aushärtet. Anstelle des Aufbaues dieses spiralförmigen Generators 9'^f'' aus einzelnen Elementpaaren 16 kann aber auch hier wieder eine Elementfolie Anwendung finden, die unter Zwischenlage verpreßten Materials 15 (wie in Fig. 8 skizziert) oder als dichter Wickel in das rückwärtige Ende des Geschosses 1 eingebracht ist.

Wie schon in Zusammenhang mit Fig. 2 dargelegt, tritt an der Geschoß-Rückseite 31 eine sprunghafte Verringerung der Temperaturbeaufschlagung auf, wenn die heißen Verbrennungsgase der Treibladung 3 das Geschoß 1 unter axialer Abtrennung von der Treibladungs-Hülse 2 aus dem Waffenrohr herausgeschoben haben. Fig. 9 ist ein Beispiel

130051/0403

dafür,wie der entsprechende Verlauf der Generator-Ausgangsspannung als Sensor-Information für die Tatsache des erfolgten Abschusses aus dem Rohr und damit - neben der rohrgebundenen mechanischen - als zusätzliche Entsicb.erungseinrichtung heranziehbar ist. Zum Betrieb, oder wenigstens für Betriebsbersitschaft, schon bevor das Geschoß 1 aus dem Waffenrohr austritt, ist die Schaltanordnung 3^f, gem.Fig.9 direkt oder über einen vorgeschalteten Spannungsvervielfacher 47 gem.Fig.2 ·- - ·■- " mit der Thermospannung

als Betriebsspannung beaufschlagt, die der Generator 9¹'·' aufgrund Aktivierung durch die heißen Treibpulvergase liefert. Unmittelbar nach Austritt des Geschosses 1 aus dem Waffenrohr sinkt die Wärmebeaufschlagung der Geschoß-Rückseite 31 (vgl.Fig.7) und damit die vom Generator 9^lflt gelieferte Ausgangsspannung stark ab, was über einen lolaritätsdiskriminator 39 - beispielsweise in Form einer Reihenschaltung aus einem Differenzierglied 4o und einer für den entsprechenden Differentiationsspannungsimpuls durchlässig geschalteten Diode 41 - zu einem Steuersignal an einem Scharf-Eingang 42 der bereits betriebsbereiten Schaltanordnung 8^f übermittelt wird. Dem Scharf-Eingang 42 ist der Setzeingang 43 einer Kippschaltung 44 nachgeschaltet, die infolge Betriebsbereitschaft der Schaltanordnung S' vorbereitet wurde und beim Setzen vom Scharf-Eingang 41 her eine Freigabeinformation an eine (nicht näher dargestellte, z.B. elektronische oder elektromechanische) Zündeinrichtung übermittelt.

Falls aufgrund der· thermischen Gegebenheiten im Bereiche des rückwärtigen Endes des Geschosses 1 nach Austritt aus dem Waffenrohr eine Umkehrung der Warm-Kalt-Beaufschlagung der Thermoelement-Paare 16 und damit eine Umpolung dor Ausgangsspannung des Generators 9^Illf auftritt, ist es zweckmäßig, die Speisung der Schaltanordnung 8' aus dem Generator 9^ttlr über eine Gleichrichterbrücke 45 vorzunehmen, damit die Speisepolarität aufrecht-erhalten bleibt. Ein nachgeschalteter Speicherkondensator 46 kann vorteil-

.. .2o

130051/0408

haft sein, um während der Polaritätsumkehr der Generator-Aus gangs spannung, also während Durchquerens des Generator-Totbereiches unmittelbar vor der Vfeffenrohr-Öffnung, die Betriebsspannung für die Schaltanordnung 8' ununterbrochen zur Verfügung zu halten.

Sind mehrere Generatoren 9 an verschiedenen Bereichen des Geschosses 1 ausgebildet, dann kann die Schaltanordnung S' von diesen parallel gespeist werden, so daß sie schon während des Abschusses des Geschosses 1 und nach einem sehr kurzen Mündungs-Totbereich danach auch während längerer Flugseiten in Botrieb ist.

...21

130ÜB1/tU08

Bezugszeichen-Übersicht

1. Geschoß

2. Hülse

3. Kartuschen-Treibladung

4. Zylindermantel

5. Leitring

6. Würgerille

7. Nutzlastraum

8. Schaltanordnung

9. Thermischer Generator

10. Geschoß-Spitze

11. Verstärkungsmaterial

12. Wärmesenke

13. heiße Seite (von 9)

14. kalte Seite (von 9)

15. verpreßtes Material

16. Elementpaar

17. Ausgangsanschlüsse

18. Schaltungsteil

19. Mittenabgriff

20. Referenzpotential-Anschluß

21. Abschirmring

22. Längsachse

23. Generator-Ring

24. Geschoßwandung

25. Ausnehmungen (in 24)

26. Übergangsbereich

27. Detonator

28. Aufschlag-Auslöseeinrichtung

29. Wärmespeicher

30. Betriebsspannungs-Richtleiter

31. Rückseite

32. Wärme-Leitkörper

130051/0408

33. Schulter

34. Spike-Spitze

35. Generator-Wickel

36. Elementfolie

37. Nut

38. Schutzschicht

39. Polaritätsdiskriminator

40. Differenzierglied

41. Diode

42. Scharf-Eingang

43. Setzeingang

44. Kippschaltung

45. Gleichrichterbrücke

46. Speicherkondensator

47. Spannungsvervielfacher

130061/040!

Claims

-r-

Patentansprüche

Geschoß mit thermoelektrischem Generator zum Betrieb einer Schaltanordnung im Geschoß, dadurch gekennzeichnet , daß der Generator (9) über Bereichen ausgebildet ist, über denen betriebs-beschleunigungsbedingt Temperaturgefälle auftreten.
2. Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9, 9% 9^lt!) über Bereichen ausgebildet ist, über denen im wesentlichen bedingt durch Freiflug-Reibungsverzögerung Temperatürgefälle auftreten.
3. Geschoß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9) in der Geschoß-Spitze (Lo) eingebaut ist.
4. Geschoß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch zusammengeschaltete Generator-Elementpaare (16) sternförmig in wenigstens einer Ebene angeordnet sind, die sich etwa quer zur Geschoß-Längsachse

(22) erstreckt.
5. Geschoß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementpaare (16) im Bereich des Überganges von der Geschoß-Spitze (1o) zum Geschoß-Zylindermantel (4) eine Hohlzylinderwandung aus thermisch isolierendem Material (15) durchsetzen, das eine Wärmesenke (12) umgibt.

1 30051 /0408 "^m22
6. Geschoß nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elementpaare (16) im Bereiche hinter einem Geschoß-Leitring (5) angeordnet sind und einen Wärmespeicher (29) umgeben, der mit Freiflächen dem Anschlußbereich für eine Antriebsliülse (2) zugewandt ist.
7. Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9^fl) zwischen einem thermisch isolierenden Geschoß-Anschlußteil und einem Wärmespeicher

(29) eingebettet ist, dessen vom Generator (9¹¹) abgewandter Bereich einer Antriebs-Hülse (2) zugewandt ist.
8. Geschoß nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (29) mit Wärmeleitkörpern (32) ausgerüstet ist.
9. Geschoß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch zusammengeschaltete Generator-Elementpaarungen (16) sternförmig in wenigstens einer Zylindermantelfläche angeordnet sind, die konzentrisch zur Geschoß-Längsachse (22) an einer Spike-Spitze (34) vor einer Geschoß-Schulter (33) gelegen ist.
1o. Geschoß nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, der Generator als Wickel (35) aus Thermo-Elementpaarungen in Folienform (Elementfolie 36) ausgebildet ist.
11. Geschoß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9¹¹¹¹) mit seinen Warm-Kalt-Thermoelementpaaren (13 - 14; 16) parallel zur Geschoß-Längsachse (22) orientiert und mit zur Geschoß-Rückseite (31) gelegener heißer Seite (13) im Geschoß (1) angeordnet ist.

130051/0408
12. Geschoß nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9¹¹¹¹) ein zu einem Zylinder spiralförmig angeordneter Wickel (35) aus Elementpaaren (16) ist.
13. Geschoß nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß den kalten Seiten (14) der Elementpaare (16) im Geschoß (1) eine Wärmesenke (12) zugeordnet ist.
14. Geschoß nach Anspruch 13> dadurch gekennzeichnet, daß als die /,/ärmesenke (12) eine metallische Zünder-Sicherheit seinrichtung des Geschosses (1) ausgebildet ist.
15. Geschoß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (9) als vorgefertigtes Bauteil im Geschoßinneren oder zwischen Geschoßteilen angeordnet ist.
16. Geschoß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Generator (9¹''') ein Polaritätsdiskriminator (39) nachgeschaltet ist, der an einen Scharf-Eingang (42) der Schaltanordnung (S') geführt ist.
17. Geschoß nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Generator (9) ein Spannungsvervielfacher (47) nachgeschaltet ist.

... 24

130051/0408