DE3715903C1 - Zündeinrichtung für ein Unterwasser-Projektil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zündeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Eine gattungsgemäße Zündeinrichtung ist aus der DE-OS 31 33 364 als sogenannter Staudruck-Zünder bekannt, der eine elektromecha­ nische Schaltstrecke gegen die Rückstellkraft einer Feder offenhält, solange sich das Projektil mit ausreichender Geschwindigkeit durch Wasser bewegt. Da der strömungsdynamische Staudruck aufgrund ver­ langsamter Bewegung im Wasser oder aufgrund Wasseraustritts abfällt, wird die Schaltstrecke von der Federkraft geschlossen. Dadurch, oder mit Ablauf einer dadurch eingestellten Zeitverzögerung, wird die Zündung für die Wirkladung des Projektils ausgelöst. Auf diese Weise wird vermieden, daß das Projektil als scharfer Blindgänger auf den Grund des Wassers absinkt bzw. daß die Wirkung einer Explosiv­ ladung aufgrund einer Detonation unmittelbar an oder zu dicht über der Wasseroberfläche richtungsmäßig ungünstig beeinflußt wird. Ande­ rerseits ist mittels eines solchen einfachen Staudruckkolben-Schalter­ systems keine hinreichend reproduzierbare Auslösung des Zündsignales erzielbar, weil der Staudruck zum Offenhalten der Schaltstrecke auch von Umgebungsströmungsgegebenheiten abhängt und weil die Zeit­ verzögerung ab Austritt durch die Wasseroberfläche je nach der Aus­ trittsgeschwindigkeit unterschiedliche und dabei auch ungünstige Detonationshöhen über dem Wasserspiegel hervorrufen kann.

Aus der DE-OS 34 14 841 ist eine Zünderauslösereinrichtung eines Unterwassergeschosses mit einem stirnseitigen Piezokeramik-Druckauf­ nehmer bekannt, der sowohl bei Wasseraustritt wie auch bei Aufschlag des Geschosses auf ein Zielobjekt zum Auslösen der Zündung führen soll. Maßnahmen für Gewährleistung einer wirkoptimierten Zündhöhe in Abhängigkeit vom Ansprechen des Sensors sind dort, oder bei einer Dielektrizitätsmessung nach der DE-OS 34 03 349 zur Wasseraustritts-De­ tektion, nicht in Betracht gezogen.

Aus der DE-OS 33 29 700 ist ein im direkten Schuß gegen ein See­ ziel zu verbringendes Unterwasser-Projektil mit Zielaufschlag-Zündein­ richtung bekannt, für deren Wirkung aber offenbar nicht auch auf eine Zündauslösung bei Wasseraustritt, sondern nur bei direktem Zieltreffer abgestellt ist.

Der Erfindung dagegen liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zündeinrichtung gattungsgemäßer Art derart auszulegen, daß die Wirkladung des Pro­ jektils in einer definierten Höhe nach Durchschlagen eines Verdränger­ ziel-Unterbodens bzw. nach Austritt aus der Wasseroberfläche gezündet wird. Dabei soll die Lösung darüberhinaus die Möglichkeit eröffnen, je nach den Zieleinschlags- bzw. nach den Wasseraustritts-Gegeben­ heiten gewissermaßen eine Zielklassifikation zu zielspezifischer Anpassung der Wegstrecke zu realisieren, die vom Projektil noch nach Wasseraustritt bzw. nach Zieleinschlag bis zur Zündauslösung zurückgelegt wird, um je nach dem aktuellen Zielszenario eine optimale Wirkung im Ziel zu entfalten.

Diese Aufgabe ist bei einer gattungsgemäßen Zündeinrichtung erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß sie gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.

Nach dieser Lösung wird in guter Näherung indirekt der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der Einschlag- bzw. von der Austritts-Geschwindig­ keit des Projektils und damit in einer vorgebbaren Höhe bezüglich des tatsächlichen Zieleinschlags von unten bzw. des Wasseraustritts bewirkt. Dazu braucht die momentane Geschwindigkeit des Projektils bei Einschlag in das Verdrängerziel bzw. beim Austritt aus der Wasser­ oberfläche aber nicht unmittelbar erfaßt zu werden; es wird vielmehr der typische Verlauf des hydrodynamischen Staudruckes vor dem Pro­ jektil meßtechnisch erfaßt, der beim Start des Projektils auf eine systembedingte Höhe steil ansteigt und dann langsam und stetig wieder abklingt, aber schließlich beim Eindringen des Projektils in ein Verdrängerziel wieder stark ansteigt bzw. beim Austreten des Projek­ tils durch die Wasseroberfläche stark abfällt - und kurz danach wieder ansteigt, wenn ein dicht über der Wasseroberfläche operierendes Objekt wie ein Luftkissenboot oder ein Hubschrauber getroffen wird. Da die Anfangsgeschwindigkeit unmittelbar nach Beendigung der Startbeschleunigung systembedingt vorgegeben und der zugehörige dynamische Staudruck im umgebenden Medium (also im Wasser) bekannt, etwa mit hinreichender Allgemein­ gültigkeit für die in Betracht zu ziehenden Einsatzgegebenheiten experimentell ermittelbar, ist, ist der Endwert des zeitstetigen Verlaufes des hydrodynamischen Staudruckes (also der Druckwert un­ mittelbar vor krassem Anstieg oder krassem Abfall) einer bestimmten Momentangeschwindigkeit des Projektils zuzuordnen, nämlich je nach dem Vorzeichen der krassen Druckänderung der Eindringgeschwindigkeit in eine Zielstruktur oder der Austrittsgeschwindigkeit durch die Wasseroberfläche.

So kann durch bloße Auswertung des Verlaufes des hydrodynamischen Staudruckes an Bord des Projektils die optimale Zündhöhe seiner Wirkladung ab Einschlag in ein Verdrängerziel bzw. ab Wasseraustritt unter oder neben einem nicht innerhalb des Wassers getroffenen Ziel sichergestellt werden, indem die jeweilige Zündverzögerung ab Ver­ dränger-Einschlag bzw. Wasser-Austritt als Quotient von vorgegebener Zündverzögerungshöhe und ermittelter Momentangeschwindigkeit bestimmt wird.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammen­ fassung, aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevor­ zugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in Prinzip-Wirkdarstellung den Einsatz eines Unterwasser-Projektiles mit in Abhängigkeit von der Wasseraustrittsgeschwindigkeit wirkender Zündeinrichtung gegen unterschiedliche Seeziele, wobei die für die Ermittlung des Zünd­ zeitpunktes wesentlichen Schaltungsteile nach Art eines Blockschalt­ bildes in der gesondert herausgezeichneten Zündeinrichtung darge­ stellt sind.

Die Wirkung der in der Zeichnung skizzierten Marinewaffe ist diejenige einer Seegrund-Projektilmine. Das Projektil 11 ist am Grunde 12 eines Gewässers 13 und damit in einer Tiefe To unter der Wasser­ oberfläche 14 in einem Startgerät 15 positioniert. Dort verharrt es in Lauerstellung, bis es über einen Wasserschall-Sensor 16 (mit dem das Projektil 11 ausgestattet sein kann, der bevorzugt aber im Startgerät 15 angeordnet ist) vom Geräusch 17 aktiviert wird, das von typischen Seezielen 18 herrührt. Bei diesen kann es sich um an der oder unter der Wasseroberfläche 14 operierende Verdränger­ schiffe 18.1 oder um dicht über der Wasseroberfläche 14 operierende Objekte 18.2 (wie insbesondere Luftkissenschiffe oder Hubschrauber) handeln. Wenn der Sensor 16 etwa in Projektil-Längsrichtung 19 ein Ziel 18 ausmacht, wird eine Antriebseinrichtung 20 (beispielsweise ein Hecktriebwerk) gezündet. Aufgrund der hohen Abgangsgeschwindigkeit vo bildet sich bei einer am Projektil 11 ausgebildeten, umlaufenden Stirnkante 21 um das Projektil 11 herum eine Kavitationsblase 22 aus, deren Querschnittsgeometrie sich mittels der in der Strömungs­ mechanik bekannten Gesetzmäßigkeiten angenähert rechnerisch bestimmen läßt. Wenn die Querschnittsgeometrie des Projektils 11 so gewählt ist, daß es innerhalb des Querschnitts der Kavitationsblase 22 liegt, resultiert daraus eine wesentliche Förderung einer richtungsstabilen, raschen Projektilbewegung durch das Gewässer 13.

Wenn das Projektil 11 sein Ziel 18 verfehlt (in der Zeichnung oben rechts), dann tritt es wahrscheinlich aber doch noch in dessen Nähe durch die Wasseroberfläche 14 aus. Die splitter- bzw. brandsplitter­ bildende Wirkladung 23 des Projektils 11 soll dann in einer system­ typischen Austrittshöhe x oberhalb der Wasseroberfläche 14 mittels einer Zündeinrichtug 24 initiiert werden.

Zur Sicherstellung der angestrebten Detonations-Höhe x wird, basierend auf der Wasseraustrittsgeschwindigkeit va, die zugeordnete Zeitspanne tx ab Wasseraustritt ta bestimmt. Für diese Zeitspanne tx kann in guter Näherung von einer konstanten Geschwindigkeit va ausgegangen werden, da bei Wasseraustritt ta die Antriebseinrichtung 20 aufgrund der großen Starttiefe To bereits abgebrannt ist und dynamische Strömungs­ widerstände oberhalb der Wasseroberfläche 14 vernachlässigbar sind.

Problematisch ist allerdings die Bestimmung der tatsächlich gegebenen Austrittsgeschwindigkeit va an Bord des Projektils 11, insbesondere bei einer dieses umgebenden Kavitationsblase 22. Deshalb ist gemäß vorliegender Erfindung keine direkte Messung vorgesehen, sondern eine Abschätzung aufgrund des vor der Projektil-Stirnkante 21 meßbaren dynamischen Staudruckes p in Abhängigkeit von der Laufzeit t des Projektils 11 durch das Gewässer 13. Es wird dafür darauf zurückge­ griffen, daß die Startgeschwindigkeit vo vom Grund 12, die binnen sehr kurzer Zeit ab dem Startmoment to erreicht wird, systembedingt bekannt ist und beim gegebenen Umgebungsmedium (Gewässer 13) einem relativ definierten dynamischen Staudruck p zugeordnet ist. Mit Abfall der Geschwindigkeit v(t) beim Durchmessen der Tiefe To bis zur Wasseroberfläche 14 sind deshalb der an Bord des Projektils 11 mittels eines Staudrucksensors 40 meßbare hydrodynamische Staudruck p(t) in erster Näherung proportional der Abnahme der Projektilgeschwindig­ keit v(t), wie in der Mitte der Zeichnung durch die linearisierten Zeitdiagramme qualitativ angedeutet.

Die während des Projektil-Laufes durch das Wasser 13 zeitlich-stetige Verringerung des hydrodynamischen Staudruckes p bricht dann aber schlagartig zusammen, wenn der Staudrucksensor 40 die Wasseroberfläche 14 durchdringt. Deshalb ist der letzte vor diesem Zusammenbruch gemessene dynamische Staudruckwert pa ein Maß für die tatsächlich gegebene Wasseraustrittsgeschwindigkeit va. Der Quotient aus vorgegebener Detonationshöhe x und gegebener Wasseraustrittsgeschwindigkeit va ergibt die gewünschte Zündverzögerungszeit tx ab der unstetigen Änderung des dynamischen Staudruckverlaufes über der Zeit t, also ab Austrittszeitpunkt ta.

Trifft dagegen (in der Zeichnung oben links) das Projektil 11 direkt die Struktur eines Verdrängerzieles 18.1, also ohne aus der Wasserober­ fläche 14 auszutreten, dann findet bis zum Einschlagzeitpunkt te ein weniger starker Abbau der Geschwindigkeit v und damit des dynamischen Staudruckes p, als bis zum Erreichen der Wasseroberfläche 14, statt; und die unstete Änderung des Druckverlaufes über der Zeit p(t) liegt nun nicht in einem Druckzusammenbruch, sondern in einem steilen Druckanstieg. Dieser positive Differentialquotient des Druckverlaufes ist also ein Einschlagkriterium in ein Verdrängerziel 18.1. Wenn für diesen Treffer-Fall eine spezifische Zündhöhe x1 vorgegeben ist, bestimmt die Zündverzögerungszeit tx1 sich aus dem Quotienten der verlangten Zündhöhe x1 und der über den hydrodynamischen Staudruck ermittelten Einschlaggeschwindigkeit ve.

Wenn schließlich (mittlere Darstellung in der Zeichnung) das Projektil 11 erst nach Austritt durch die Wasseroberfläche 14 in ein dicht darüber operierendes Objekt 18.2 einschlägt, tritt wieder zunächst der hohe negative Differentialquotient der Druckänderung aufgrund Austritts aus der Wasseroberfläche 14 und kurz danach ein hoher positiver Differentialquotient aufgrund Einschlags in die Objektstruktur auf. Mit Wasseraustritt wird zunächst die Zündverzögerungszeitspanne tx in Luft oberhalb des Gewässers 13 initiiert; die dann aber bei Objekt-Einschlag verkürzt wird auf eine reduzierte Zündverzögerung tx2, wenn dadurch eine günstigere Wirkung der Wirkladung 23 im Ziel­ objekt 18.2 zu erwarten ist.

Dementsprechend weist die Zündeinrichtung 24 im Projektil 11 im wesentlichen einen Drucksensor 40 zur Ermittlung des Verlaufes des strömungsdynamischen Staudruckes über der Zeit p(t) auf, sowie eine Schaltung 41 zur Ermittlung des Zeitpunktes des Auftretens eines extrem großen Differentialquotienten aufgrund unsteter Druckverlaufs­ änderung. Diese Schaltung 41 gibt einen Zähltaktgenerator 42 zur Ansteuerung einer Zählschaltung 43 frei. Zur Vereinfachung der schaltungs­ technischen Blockschaltbild-Darstellung ist angenommen, daß die Zählschaltung 43 je nach der aktuellen Zählerstandsvorgabe eines Zündverzögerungs-Zeitgliedes 44 zur Ausgabe eines Zündsignales 25 an die Projektil-Wirkladung 23 abfragbar ist. Gemäß den Vorgaben über die jeweilige Zündhöhe xi und die Abhängigkeit des dynamischen Staudruckes von der Geschwindigkeit durch das gegebene Medium (Gewässer 13), bereitgestellt in einem Funktionsspeicher 45, wird in den Zeit­ gliedern 44 der Quotient aus vorgegebener Zündhöhe x und Austritts- bzw. Eindring-Geschwindigkeit va, ve zum Zeitpunkte des Ansprechens der Schaltung 41 gebildet. Falls dieser einen eine hoch angesetzte Schwelle überschreitenden positiven Differentialquotienten liefert, wird die Funktion des Zeitgliedes 44.1 freigegeben, weil es sich um einen Verdränger-Treffer handelt. Falls das Vorzeichengatter 46 einen extremen negativen Differentialquotienten im Druckverlauf feststellt, wird die Zündverzögerung tx in der Luft nach Durchtritt durch die Wasseroberfläche 14 initiiert, also ein entsprechend späterer Zählendwert in der Zählschaltung 43 voreingestellt. Falls zusätzlich hierzu danach auch noch das positive Vorzeichengatter 46 anspricht, ist nach Durchtritt durch die Wasseroberfläche 14 darüber noch ein Objekt 18.2 getroffen worden und deshalb gegebenenfalls die gegenüber tx reduzierte Zündverzögerung tx2 durch entsprechende Abfrage der Zählschaltung 43 für die Ausgabe des Zündsignales 25 vorzugeben.

Claims (4)

1. Zündeinrichtung (24) für ein im Direktschuß gegen Seeziele (18) einsetzbares Unterwasser-Projektil (11) mit einem Staudrucksensor (40) und einer Zeitschaltung zu gegenüber Auftreten einer sprung­ haften Staudruck-Änderung zeitverzögerter Abgabe eines Zündsignales (25) an eine Projektil-Wirkladung (23), dadurch gekennzeichnet, daß an Bord des Projektils (11) der Quotient aus einem vorgegebenen Zieleindring- bzw. Wasseraustritts-Weg (x) bis zur Abgabe des Zündsignales (25) und dem, von einem systemtypischen startge­ schwindigkeitsabhängigen Staudruck (po) zeitstetig abfallenden, hydrodynamischen Staudruck (p(t)) unmittelbar vor Auftreten der sprunghaften Staudruck-Änderung als einem Maß für die Eindring- bzw. für die Austrittsgeschwindigkeit (ve, va) des Projektils (11) als Zündverzugszeit-Vorgabe in die Zeitschaltung (Zeitglied 44) einspeisbar ist.

2. Zündeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Staudrucksensor (40) eine Schaltung (41) zur Ermittlung einer sprungförmigen Änderung des Differentialquotienten des Staudruck­ verlaufes (p(t)) nachgeschaltet ist, die eine Zeit-Zählschaltung (43) zur Abgabe des Zündsignales (25) setzt und startet.

3. Zündeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Zeitglied (44) zur Vorgabe unterschiedlicher Zähl­ endstellungen einer Zeit-Zählschaltung (43) in Abhängigkeit vom Durchschalten von Vorzeichen-Gattern (46) für Ansteigen oder für Abfallen der sprunghaften Staudruck-Änderung vorgesehen ist.

4. Zündeinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung auf eine reduzierte Zünderver­ zögerung (tx2) für Ausgabe des Zündsignales (25) vorgesehen ist, wenn der Staudrucksensor (40) nach sprunghaftem Staudruck-Abfall wieder einen steilen Anstieg detektiert.