DE3345352C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor einer Zündsicherungseinrichtung in Flugkörpern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-OS 23 10 549 ist es bekannt, zur Verhinderung der Frühzündung einer Sprengladung in einem Raketenmotor einen Druckfühler vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu realisieren, der die Nachteile, insbesondere den hohen konstruktiven Aufwand und den großen Raumbedarf, bekannter mechanischer Sicherungseinrichtungen nicht besitzt und kostengünstig herstellbar ist. Insbesondere soll er vor allem für den rauhen Einsatz in hochbeschleunigten Abwurfkörpern, Geschossen und anderen Flugkörpern, beispielsweise in nichtdrallstabilisierten Flugkörpern, in Verbindung mit einer Auswerteschaltung einer als Zündsicherungseinrichtung einsetzbar sein, wobei der Sensor gegenüber äußeren Störmaßnahmen selbst möglichst unempfindlich sein soll, um eine hohe Betriebs- und Handhabungssicherheit zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungen zu entnehmen und/oder der nun folgenden Beschreibung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen darin, daß der Sensor kostengünstig herstellbar und insbesondere in Verbindung mit der Auswerteschaltung in einer Zündsicherungseinrichtung sowohl in hochbeschleunigter und nicht drallstabilisierter Munition als auch in Abwurfkörpern vorteilhaft verwendbar ist. Ein weiterer Vorteil liegt in seiner extrem hohen Unempfindlichkeit gegenüber äußeren Störmaßnahmen.

Anhand der Zeichnung werden ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und ihre Weiterbildungen näher erläutert, wobei

Fig. 1 das Grundprinzip des Sensors in Verbindung mit einer Auswerteschaltung,

Fig. 2 ein in Längsrichtung einer Geschoßspitze eingearbeiteter Sensor, bestehend aus einer Pfeife und einem mechanisch angekoppelten piezoelektrischen Wandler,

Fig. 3 zwei symmetrisch zueinander in Längsrichtung im vorderen Teil einer Geschoßspitze eingearbeitete Sensoren,

Fig. 4 zwei symmetrisch zueinander in der Außenkontur und in Längsrichtung einer Geschoßspitze eingearbeitete Sensoren,

Fig. 5 zwei symmetrisch zueinander in der Außenkontur und unter einem Winkel zur Längsrichtung einer Geschoßspitze eingearbeitete Sensoren,

Fig. 6 wie Fig. 5 mit ringförmigem symmetrisch zur Längsachse und konturbündig in die Geschoßspitze eingearbeiteter Metallring,

Fig. 7 die Anordnung einer in das Metallgehäuse einer Geschoßspitze eingearbeiteten Pfeife,

Fig. 8 die Anordnung eines auf der Außenseite des Pfeifenbodens eingelöteter piezoelektrischer Wandler,

Fig. 9 eine Sensorausführungsform im Detail,

Fig. 10 schematische Darstellung einer Pfeife mit asymmetrisch offenem unteren Ende,

Fig. 11 schematische Darstellung des Signalspannungsverlaufs am Sensorausgang während der Flugphase und

Fig. 12 Sensor mit spezieller Auswerteschaltung zeigen.

In Fig. 1 sind die Grundeinheiten des erfindungsgemäßen Sensors 1 dargestellt, dem eine elektrische Auswerteschaltung 2 nachgeschaltet ist. Der in einem Flugkörper integrierte akustische Resonator, der während des Fluges durch auftretende Luftwirbel zu akustischen Schwingungen (Eigenresonanzanregung) angeregt wird, ist vorzugsweise in Form einer Pfeife 4 ausgebildet und gibt über seinen Resonanzboden mechanische Schwingungen an den mechanisch angekoppelten mechano-elektrischen Wandler 5 weiter. Vorzugsweise ist der akustische Resonator in Form einer Pfeife 4 eine gedackte Pfeife, beispielsweise eine Lippenpfeife oder Zungenpfeife, d. h. das obere Ende der Pfeife ist geschlossen.

Entsprechend Fig. 2 ist die Pfeife 4 vorzugsweise in Form einer in Längsrichtung ausgeführten, in eine Geschoßspitze 10 eingearbeiteten Bohrung realisiert. Die während des Fluges an den Kanten 11 durch die anströmende Luft auftretenden Wirbel erzeugen akustische Eigenschwingungen in der Bohrung. Vorzugsweise ist ein piezoelektrischer Wandler für den mechano-elektrischen Wandler 5 gewählt (beispielsweise aus Keramik- oder Quarzmaterial), der die mechanischen Schwingungen in elektrische Signale umwandelt; diese werden der nachgeschalteten Auswerteschaltung 2 zugeführt. Daraus ergeben sich Informationen über die Flugbewegung des Geschosses, z. B. über die Fluglage und Geschwindigkeit. Die Amplitude und der zeitliche Verlauf dieses Signals ergibt einen Rückschluß auf die während eines Fluges eines Flugkörpers durchflogene Strecke. Vorzugsweise sind in die Spitze des Flugkörpers 10 anstelle einer einzigen Pfeife 4 gemäß Fig. 3 symmetrisch zur Geschoßlängsachse zwei Pfeifen 4A bzw. 4B eingebaut, die zur Verbesserung der Anströmung und zum Schutz vor Beschädigungen vom Zentrum 12 schräg nach hinten verlaufende Gasführungen 13 besitzen, die, in die Planfläche 14 eingearbeitet, eine definierte Zuführung der anströmenden Luft bewirken. Die auftretenden elektrischen Signale auf den Sensorausgangsleitungen 9 können sowohl getrennt als auch gemeinsam den Signaleingängen der Auswerteschaltung zugeführt werden. Die Formgebung der Gasführungen 13, beziehungsweise der Kanten 11, ist von der Anregbarkeit der verwendeten Pfeifen abhängig und kann so ausgeführt werden, daß die Pfeifen erst bei einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit in Resonanz kommen.

Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführung, bei der zwei Pfeifen 4C bzw. 4D in Längsrichtung in die Außenkontur der Geschoßspitze verlegt sind. Diese Anordnung wird bevorzugt dann eingesetzt, wenn der Piezosensor 5 wegen Platzmangels, z. B. wegen einer in der Spitze befindlichen Antenne, dort nicht eingebaut werden kann. Die Einlaufkante 15 verläuft - wie gezeigt - nach innen gekrümmt und hat die Funktion einer Gasführung.

Fig. 5 zeigt ebenfalls zwei in die Mantelfläche einer Geschoßspitze eingearbeitete Pfeifen 4E bzw. 4F, deren Einbaurichtung jedoch vorzugsweise quer zur anströmenden Luft ausgeführt ist. Diese Bauart ist unempfindlich gegen Verschmutzung und weitgehend selbstreinigend.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung mit zwei Pfeifen 4G und 4H vorzugsweise zum Einsatz bei hohen Geschwindigkeiten. Dabei sind die Kanten 11 der Enden der Pfeifen durch ringförmige Metallteile 16 verstärkt, die, in Weiterbildung der Erfindung als Band um das Gehäuse gezogen, noch weitere - z. B. Antennenfunktionen - inne haben können. Diese Bauart ergibt bei schnellfliegenden Geschossen eine hinreichend große Festigkeit der Kanten 11. Der mechano-elektrische Wandler 5 ist auf einen Metallträger 17 des Geschosses montiert und erhält seine Signale über den Boden 6 der Pfeife. Bei der Montage des Sensors auf dem Metallträger ist zu vermeiden, daß Signale aus anderen Bereichen über die Wandung übertragen werden. Dazu sind die elektrisch und mechanisch aktiven Flächen der Sensoren mechanisch von den anderen angrenzenden Teilen des Geschosses zu entkoppeln.

Fig. 7 enthält eine Anordnung, bei der zwei Pfeifen 4K bzw. 4L in ein Metallgehäuse 18 des Geschosses eingearbeitet sind. Die mechanisch aktiven Flächen der piezoelektrischen Wandler 5 werden gegen die Bodenflächen 6 der Pfeifen gepreßt und nehmen die übertragenen Schwingungen auf. Um bei Schockbelastung, z. B. beim Abschuß, die Zerstörung des Sensors zu vermeiden, werden zwischen die Pfeifenböden 6 und die piezoelektrischen Wandler Dämpfungsmittel, beispielsweise dünne Folien aus glasfaserverstärktem PTFE 19, montiert, die die Signale nahezu verlustfrei übertragen, jedoch Beschädigungen vermeiden. Diese Ausführung ist für hohe Längs- und Querbeschleunigungswerte geeignet und kann auf hohe Betriebsfrequenzen der Pfeife abgestimmt werden, da das Metallgehäuse nur eine geringe Dämpfung besitzt.

Dadurch, daß die Sensoren zwar im gleichen Winkel zur Längsachse des Geschosses eingebaut sind, jedoch zueinander etwa rechtwinklig angeordnet sind, ist das Sensorsystem richtungsselektiv, d. h. Signale aus anderen Richtungen als der Längsrichtung treten an den beiden Sensoren unterschiedlich stark auf und können in der Auswertung ausgeschieden werden bzw., wenn sie im Resonanzbereich der Pfeifen, also im Betriebsbereich des Sensors liegen, für andere Maßnahmen als Entscheidungskriterium dienen, z. B. zur Korrektur des Anstellwinkels zur Optimierung der Flugbahn eines Flugkörpers. Die Kontaktierung erfolgt vorteilhaft mittels Auflöten der piezoelektrischen Wandler 5 auf eine Leiterplatte und anschließender Fixierung des montierten Aufbaus mittels bekannter Verguß- oder Schäumverfahren (Spritzgußverfahren beispielsweise).

Fig. 8 zeigt eine Ausführung, bei der die piezoelektrischen Wandler 5 vorzugsweise entweder vor Montage des Geräts auf der Innenseite des Pfeifenbodens 6 eingelötet werden oder unter Verwendung von GF-PTFE-Folie, in die Keile 20 montiert werden, die, richtig eingesetzt, bei der Montage des Mittelteils 21 gegen den Pfeifenboden 6 gepreßt werden. Der so entstandene Aufbau wird mittels Ausschäumens 22 fixiert.

Fig. 9 beschreibt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Sensor, bestehend aus Pfeifengehäuse 23 und piezoelektrischem Wandler 5, als gesonderte Baugruppe vorgefertigt wird. Der piezoelektrische Wandler 5 wird mit dem Pfeifenboden 6 mechanisch einerseits und elektrisch mit der Signalleitung 9 andererseits verlötet und mittels Einpressen oder -schrauben in das Gehäuse des Geräts montiert. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß der gesamte Sensor einfacher prüfbar und auf vorgegebene Resonanzfrequenz abstimmbar ist. Die beiden Lötverbindungen 24 des Sensors können mittels einer einfachen Hilfsvorrichtung sehr definiert in einem Arbeitsgang hergestellt werden.

Fig. 10 zeigt das asymmetrisch offene untere Ende einer Pfeife 4, die in die Geschoßspitze 10 quer zur Längsrichtung eingearbeitet ist. Bei dieser Ausführung wird die Pfeife richtungsselektiv, nämlich im wesentlichen durch die auftretende Komponente der Luftanströmung längs des Geschosses zu Eigenschwingungen angeregt. Beim Einbau derartiger Sensoren in drallstabilisierter Munition oder sich drehenden Abwurfkörpern ist der Drallwinkel und die Drehrichtung mitzuberücksichtigen.

Fig. 11 enthält die schematische Darstellung des Signalspannungsverlaufs am Sensorausgang während eines Fluges. Aus diesem können sowohl die Kriterien für die Freigabe des Zündkreises als auch für die Aktivierung von weiteren Stromversorgungen oder weiterer Sensoren abgeleitet werden. Außerdem kann der zeitliche Amplitudenverlauf und/oder die zeitliche Länge der vorhandenen akustischen Schwingung, die umgewandelt in elektrischer Signalform am Sensorausgang vorliegt, während einer vorgegebenen Flugphase als Maß für die durchflogene Strecke eingesetzt werden. Bei der gezeigten Kurve tritt beim Verlassen des Rohres (A) des Flugkörpers am Sensorausgang ein Spannungsmaximum auf, die Spannung nimmt infolge Abbremsung bis zum Gipfelpunkt (B) ab und nimmt wieder zu, bis die Endgeschwindigkeit in (C) erreicht ist.

Die in den Fig. 2 bis 10 gezeigten Sensoren sind bei entsprechender gegenseitiger mechanischer Entkopplung vorzugsweise in Quadranten der Flugkörperwandung angeordnet. Dabei sind die Sensoren zweckmäßigerweise als selbständige Einheiten (Pfeife zuzüglicher mechano-elektrischer Wandler), entsprechend Fig. 9, vorgefertigt und in die Flugkörperwandung einschraubbar; diese Vorfertigung ist auch für Flugkörper mit nur einem einzigen Sensor zweckmäßig. Damit besteht die Möglichkeit, in nicht drallstabilisierten Flugkörpern die Anströmdifferenzen zu messen und über eine entsprechende Regelung die Fluglage zu korrigieren.

Die Pfeifen werden vorzugsweise im Ultraschallbereich dimensioniert. Dadurch ergibt sich in den meisten Fällen ein Tiefe/Durchmesser-Verhältnis des Resonators von größer 1. Unter Verzicht auf eine hohe Güte ist es sinnvoll, die Pfeifen zur Verbesserung der Selbstreinigung leicht konisch herzustellen. Die relativ flache Ausführung der Pfeifen verursacht nur geringe Luftwirbel an der Mantelfläche, die durch eine Änderung der Dimensionierung der Spitze kompensiert werden können und deshalb keine Änderung der Schußtafeln für eingeführte Munitionen erforderlich machen.

Die in Kunststoffteile eingearbeiteten Ausführungen werden infolge der Dämpfung bei geringeren Frequenzen betrieben, während die anderen, sehr flachen Pfeifen mit hoher Betriebsfrequenz ein Metallgehäuse geringer Dämpfung erfordern. Die Betriebsfrequenzen der Pfeifen werden so dimensioniert, daß ein Einwirken auf das Nutzsignal anderer Sensoren im Gerät ausgeschlossen wird.

Fig. 12 zeigt schematisch eine Auswerteschaltung, deren Einsatzzweck vorzugsweise die Sicherung und Freigabe eines Zündkreises ist, die auf den vorbeschriebenen Sensoren aufbaut. Die Funktion ist folgende:

Das Ausgangssignal des Sensors 1 wird durch ein Filter 24, das auf die Betriebsfrequenz der Pfeife abgestimmt ist, selektiert und einer Gleichrichterschaltung 25 zugeführt, deren Ausgangssignal beispielsweise die Auswerteschaltung und/oder den Zündkreis vorzugsweise mittels einer Logikschaltung (z. B. UND-Gatter 26) freischaltet. Weiterhin können die Zeitabläufe aufbereitet werden (Fig. 12), z. B. mit Hilfe des digitalisierten Ausgangssignals des A/D-Wandlers 27 als Taktgenerator für einen Zähler 28 mit einer Überlaufsperre 29.

Werden mehrere Sensoren in ein Gerät eingebaut, so können die Aufgaben in Abhängigkeit von der Synchronität der Ereignisse, z. B. durch Verkopplung über ein Zeittor, verteilt werden, d. h. nach Eingang des Abschußimpulses (Fig. 11) auf beiden Kanälen wird die Freischaltung der Zündstrecke auf einem Kanal und die Aktivierung von Stromversorgungen oder weiterer Sensoren nur dann vorgenommen, wenn das erforderliche Folgesignal beim Steigflug auf beiden Kanälen mit der vorgegebenen Intensität vorliegt. Eine Fehlfunktion kann dadurch weitgehend ausgeschlossen werden, daß die Sensoren zwar im gleichen Winkel zur Längsachse, jedoch zueinander etwa im Winkel von 90° angeordnet sind. Dadurch treten nur Signale aus der vorgegebenen Wirkrichtung, d. h. der Längsachse auf beiden Kanälen, mit der erforderlichen Intensität und Gleichmäßigkeit auf.

Weiterhin ist eine Verkopplung der Sensoren mit anderen im Gerät befindlichen Einrichtungen zur Fluglagekorrektur oder in Verbindung mit einer Endphasenlenkung zur Erhöhung der Treffsicherheit möglich.

Durch entsprechende Anordnung der Sensoren lassen sich auf kostengünstige Art Informationen über die Flugbahnstabilität des Geräts erhalten und damit die Größe beabsichtigter Korrekturmaßnahmen eingrenzen, um ein Übersteuern und damit einen Absturz des Geräts zu vermeiden.

Claims (17)

1. Sensor (1) mit einer Zündsicherungseinrichtung in Flugkörpern mit einer ihm nachgeschalteten elektrischen Auswerteschaltung (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mindestens einen einen Teil der anströmenden Luft (3) aufnehmenden, zu Eigenschwingungen erregbaren akustischen Resonator (4) enthält, der mechanisch an mindestens einen mechano-elektrischen Wandler (5) angekoppelt ist, und daß die Auswerteschaltung (2) ein vorgegebenes Triggersignal zur Entsicherung liefert, wenn ein vorgegebener zeitlicher Verlauf und/oder eine vorgegebene Amplitudenüberschreitung des Sensorausgangssignals während einer vorgegebenen Flugphase vorliegt.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Resonator (4) in Form einer Pfeife, deren oberes Ende geschlossen ist, ausgebildet ist und daß ein die Pfeife am oberen Ende abschließender Resonanzboden (6) mechanisch mit dem mechano-elektrischen Wandler verbunden ist.

3. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mechano-elektrische Wandler (5) in Form eines Piezoelements ausgebildet ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Pfeife in Form einer in die Spitze, in Längsrichtung und unter einem vorgegebenen Winkel zur Längsrichtung des Flugkörpers eingearbeiteten Bohrung ausgebildet ist und daß eine mechanisch aktive Fläche (7) des Piezoelements einerseits mit dem Resonanzboden (6) der Pfeife mechanisch und andererseits eine elektrisch aktive Fläche (8) des Piezoelements mit mindestens einer Signaleingangsleitung (9) der Auswerteschaltung (2) elektrisch leitend verbunden sind.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das offene untere Ende bei mindestens einer Pfeife einen asymmetrischen Querschnitt aufweist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren mechanisch untereinander entkoppelt sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in Form zweier in die Spitze des Flugkörpers symmetrisch zur Geschoßlängsachse eingebauter Pfeifen (4A, 4B) ausgebildet ist, die schräg nach hinten verlaufende, in Planflächen (14) eingearbeitete Gasführungen (13) besitzen.

8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Pfeifen in Längsrichtung und in die Außenkontur der Geschoßspitze verlegt sind, die eine nach innen gekrümmte Einlaufkante (15) besitzen.

9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfeifen quer zur anströmenden Luft in die Mantelfläche der Geschoßspitze eingebaut sind.

10. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanten der Pfeifen am unteren Ende durch ringförmige Metallteile (11) verstärkt sind und auf einen Metallträger des Geschosses montiert sind.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die als Pfeifen ausgebildeten Sensoren (1) Dämpfungsmittel (19) zwischen Pfeifenboden (6) und elektromechanischem Wandler (2) haben.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren nicht rotationssymmetrisch zur Geschoßlängsachse eingebaut sind.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mechano-elektrische Wandler (5) auf der Innenseite des Pfeifenbodens (6) eingelötet wird und der Sensor (1) mittels Ausschäumen in der Geschoßspitze fixiert wird.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Pfeifengehäuse (23) und piezoelektrischer Wandler (5) als gesonderte Baugruppe vorgefertigt ist.

15. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pfeifen in Form einer konisch verlaufenden Bohrung ausgebildet sind.

16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Resonator (4) aus Metallgehäuse oder aus Kunststoff gefertigt ist.

17. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Resonator (4) mit dem mechano-elektrischen Wandler über den Resonanzboden (6) verlötet und mittels Einpressen oder -schrauben in das Gehäuse des Geschosses montiert ist.