DE4201572C2

DE4201572C2 - Zieldeckungs-Lenkung mit adaptierbarem Flugkörper-Geschwindigkeits-Profil

Info

Publication number: DE4201572C2
Application number: DE19924201572
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl Ing Sturm
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: LFK Lenkflugkoerpersysteme GmbH
Priority date: 1992-01-22
Filing date: 1992-01-22
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2012-01-23
Also published as: DE4201572A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Lenk-Flugkörper-Konzept, bei dem der Flugkörper FK mit dem Verfahren der Zieldeckungs-Lenkung ZDL von der Lenkanlage LA aus ferngelenkt mit dem Ziel zur Kollision gebracht wird. Unter Ziel deckungs-Lenkung (ZDL) wird verstanden: Eine optische Deckung, d. h. in einer Linie: Ziel, Flugkörper, Lenkstand.

Die Fig. 1a zeigt typische Trefferbereiche eines derartigen bekannten Waffensystems für die Bekämpfung von Zielen, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit antiparallel zur x-Achse aufliegen. Die LA steht im Ur sprung des Koordinatensystems. Die Trefferbereiche sind für einen FK mit Boost-Gleit-Profil mit 100 m/s Spitzengeschwindigkeit dargestellt. Die Bereiche in der Umgebung der LA, in der die Ziele nicht mehr getroffen werden können, werden mit zunehmender Zielgeschwindigkeit ungünstiger. Am Kollisionspunkt KP1 können alle Ziele getroffen werden, deren Ge schwindigkeit kleiner als 700 m/s beträgt. An den Kollisionspunkten KP2 und KP3 können nur noch Ziele getroffen werden, deren Geschwindigkeit unterhalb von etwa 450 m/s liegt. Am KP4 können nur Ziele mit Geschwin digkeiten unterhalb von etwa 200 m/s erfolgreich bekämpft werden, wäh rend am KP5 keine Treffer möglich sind. An den Kollisionspunkten, die näher als die innere Treffergrenze TI bei der LA liegen und die weiter als die äußere Treffergrenze TA von der LA entfernt sind, kommen keine Treffer zustande.

Die innere Treffergrenze Y_{KP min} auf der y-Achse kann durch die Formel (1) abgeschätzt werden:

mit

V_F = Flugkörper-Geschwindigkeit,
V_Z = Zielgeschwindigkeit,
a_{F max} = Querbeschleunigungs-Fähigkeit des Fk's.

Hier werden die Fälle betrachtet, bei denen die Querbeschleunigungsgren ze a_{F max} durch die Festigkeit der FK-Zelle oder durch die Belastbar keit der FK-Instrumentierung bestimmt wird. Aus der Formel (1) ist er sichtlich, daß die innere Treffergrenze mit der FK- und der Zielge schwindigkeit proportional anwächst und mit zunehmender Querbeschleuni gungs-Fähigkeit des FK′s günstiger (weil kleiner) wird.

Die äußere Treffergrenze kann sowohl durch die Reichweite bzw. die Win kel-Meßgenauigkeit der Lenk-Sensoren als auch durch zu hohe Zielge schwindigkeit bzw. durch zu niedrige FK-Geschwindigkeit verändert wer den.

Gegen Ziele mit hoher Geschwindigkeit kann der Trefferbereich durch Er höhung der FK-Geschwindigkeit günstig gestaltet werden. In der Fig. 1b sind die Trefferbereiche gegen Ziele mit 600 m/s Geschwindigkeit für zwei Abwehr-Flugkörper mit Boost-Gleit-Profil und 1000 m/s Spitzen-Ge schwindigkeit einerseits sowie 2000 m/s Spitzen-Geschwindigkeit anderer seits dargestellt. Mit dem schnelleren Flugkörper (innere Treffergrenze TI2 und äußere Treffergrenze TA2; Treffer bei KP1, KP3 und KP5 möglich) wird gegen seitlich vorbeifliegende Ziele eine deutliche Verbesserung des Trefferbereichs gegenüber dem langsameren Abwehr-FK (Treffergrenze T1; Treffer bei KP1 möglich) erreicht. Zusätzlich werden mit dem schnelleren Abwehr-FK eine größere Wirksamkeit der Gefechts-Ladung im Ziel (infolge der größeren Annäherungs-Geschwindigkeit) sowie eine kürzere Bekämp fungs-Dauer erreicht. Dadurch wird die Waffen-Anlage früher für die Len kung eines weiteren Flugkörpers auf ein neues Ziel frei und die Feuer kraft des Waffensystems steigt an.

Gegen Ziele mit einer Geschwindigkeit von 300 m/s sind die Trefferberei che der beiden Abwehr-Flugkörper in der Fig. 1c dargestellt. Hier sind die Trefferbereichs-Grenzen des schnelleren FK′s (Treffergrenzen TI2 und TA2; Treffer bei KP1, KP3 und KP5 möglich) gegenüber jenen des langsame ren FK′s (Treffergrenzen TI1 und TA1; Treffer bei KP1, KP2 und KP3 mög lich) in Richtung größerer Entfernungen verschoben. Dies ist bei spät entdeckten Zielen (z. B. Tiefflügen) dann nachteilig, wenn kein Treffer mehr möglich ist, weil das Ziel schon zu nahe an die Lenkanlage herange flogen ist und diese bzw. das zu schützende Gebiet ungehindert angrei fen kann.

Dieser Zielkonflikt wird durch einen Abwehr-Flugkörper mit variablem Ge schwindigkeits-Profil gelöst. In der Feuerleitung wird unter Verwendung der extrapolierten Zielbahn jenes Geschwindigkeits-Profil des Abwehr-FK's ausgewählt, das einerseits zu einer möglichst hohen Geschwindigkeit führt und andererseits auch Treffer mit hoher Zerstör-Wahrscheinlichkeit ermöglicht. Eine detaillierte Darstellung der Auswahl-Kriterien erfolgt später unter Verwendung der Fig. 5. Verein facht ausgedrückt wird in der Feuerleitung dadurch entschieden, daß

- ein Flugkörper mit Auswahl eines an die Bedrohung adaptierbarem An triebs-Profil eingesetzt wird,
- die Auswahl des Antriebs-Profils durch die Feuerleitung erfolgt, je nach erfaßter Geschwindigkeit und Entfernung des Ziels,
- die Anpassung des Flugkörper-Geschwindigkeits-Profils realisiert wird durch ein steuerbares Triebwerk.

Insbesondere werden

- Ziele in großer Entfernung mit hoher FK-Geschwindigkeit bekämpft
- Ziele in kurzer Entfernung mit niedriger FK-Geschwindigkeit bekämpft.

Bedrohung

Sie ist die im Abwehrsystem bekannte Ziel-Bahn, beschrieben durch:

- Ort der ersten Entdeckung durch die Luftraum-Überwachung
- und fortlaufende Meßwerte bzw. Extrapolation der Zielbewegung in die Zukunft mit Hilfe des gemessenen Geschwindigkeits-Vektors (Betrag und Richtung).

Die Bedrohung ist umso größer, je näher das Ziel herangekommen ist und je schneller es fliegt.

Auswahl des optimalen Geschwindigkeits-Profils:
Es wird das FK-Profil ausgewählt, das eine hohe Zerstör-Wahrscheinlich keit bei gleichzeitig größtmöglicher Geschwindigkeit ermöglicht. Die möglichen FK-Geschwindigkeitsprofile sind im Rechner der Feuerleitung gespeichert. Das Verfahren und die Kriterien sind ausführlich im letzten Abschnitt der Seite 6 und in der Fig. 5 dargestellt.

Anpassung der Triebwerk-Steuerung vom Leitstand aus:
Der festgelegte zeitliche Verlauf des Triebwerk-Schubes kann entweder vor dem FK-Start über den Nabel-Stecker an den FK übertragen und dort abgespeichert werden oder es kann fortlaufend über den Kommando-Sender an den FK übertragen werden, siehe auch vorletzten Abschnitt der Seite 6 und Fig. 4 sowie den Anspruch 7.

Die einfachste Ausführung des Flugkörpers für diese Anwendung enthält dann ein Doppelimpuls-Raketentriebwerk. Bei der Bekämpfung von Zielen in kurzer Entfernung wird nur ein Treibsatz gezündet, während bei größeren Trefferentfernungen beide Treibsätze gezündet werden. Die Entscheidung für die Zündung des zweiten Treibsatzes erfolgt in der Feuerleitung mit Hilfe des Zielgeschwindigkeits-Vektors und der extrapolierten Kolli sionspunkte sowie der Trefferbereichs-Grenzen für beide Geschwindig keits-Profile. In Fig. 2 sind die FK- und Zielbahnen für zwei typische Kollisionspunkte, die mit unterschiedlichen FK-Geschwindigkeiten ange flogen werden, dargestellt. Die Zielgeschwindigkeit beträgt bei diesem Beispiel V_Z = 300 m/s. Wenn das Ziel am Kollisionspunkt KP1 in 4,5 km Entfernung bekämpft wird, werden beide Treibsätze des Abwehrflugkörpers entsprechend Fig. 3a oder 3b gezündet und die Lenkanlage muß den FK nur für die kurze Bekämpfungs-Dauer von etwa 4 s führen. Danach kann ein weiteres Ziel bekämpft werden. Am Kollisionspunkt KP2 in etwa 2,5 km Entfernung kann das Ziel nicht mehr durch einen FK mit hoher Geschwin digkeit getroffen werden, weil der KP2 im inneren Totbereich entspre chend Fig. 1c liegt. Die Bekämpfung des Zieles am KP2 ist jedoch mit niedrigerer FK-Geschwindigkeit möglich, was durch Zünden nur eines Treib satzes entsprechend Fig. 3c realisiert wird.

Die Anpassung der FK-Geschwindigkeit an die operationellen Erfordernisse und die lenktechnischen Möglichkeiten kann auch durch einen FK-Antrieb bestehend aus einem Einfach- oder Doppel-Impuls-Raketen-Booster und ei nem steuerbaren Staustrahl-Triebwerk erfolgen.

Die Fig. 4 zeigt ein Lösungsbeispiel der Erfindung. Mit dem Tracker wird das Ziel verfolgt und vermessen. Dies kann sowohl vom Tracker der Luft raumüberwachung als auch von einem Tracker zur Lenkung erfolgen. Die Da ten des Zieltrackers werden im Rechner der Waffenanlage WA für die Feu erleitung FL und die Lenkung weiter verarbeitet. In den folgenden Aus führungen werden nur die Funktionen angesprochen, die für die Adaption des Flugkörper-Antriebsprofiles an die Bedrohung wirksam sind. In der FL wird das Antriebsprofil ausgewählt und über den FK-Nabel-Stecker vor dem FK-Start oder über den Kommandosender während des Fluges an den Flugkör per FK weitergeleitet. Im FK wird der Antrieb entsprechend dem ausge wählten Profil angesteuert. Dies kann je nach Ausführungsform durch Zün dung von Feststofftreibsätzen oder durch Schubsteuerung erfolgen.

In Fig. 5 ist der Prozeß zur Auswahl des Geschwindigkeitsprofiles und seine Steuerung bzw. Übertragung an den Flugkörper dargestellt. Die Be drohung wird in Form der Zielbahn und der Zielklasse aus den gemessenen Zieldaten bestimmt. Die Eigenschaften des FK-Antriebes sind je nach Aus führung des Triebwerkes in der Form von Schubprofilen oder von Parame tersätzen in den FL abgespeichert. Ebenso ist die Wirksamkeit des Ge fechtskopfes in der Form eines Modelles verfügbar (gespeichert).

Für die extrapolierte Bahn eines aktuell zu bekämpfenden Zieles werden mit den verfügbaren Antriebs-Profilen des Abwehr-FK′s Kollisionspunkte und Interceptions-Parameter (Annäherung-Geschwindigkeit und Begeg nungs-Geometrie) berechnet. Anschließend werden für die einzelnen Kolli sionspunkte gegen das zu bekämpfende Ziel die Zerstör-Wahrscheinlichkei ten abgeschätzt. Danach wird das Antriebsprofil ausgewählt, welches gleichzeitig eine hohe Zerstör-Wahrscheinlichkeit und eine möglichst ho he Geschwindigkeit ermöglicht.

Die einzelnen Schritte für die Auswahl des FK-Geschwindigkeits werden an dem folgenden Beispiel ausgeführt:
Das Schubprofil des FK′s wurde so ausgelegt, daß es durch die steuerbare Zündung von 2 Treibsätzen wahlweise den Zeitverlauf von Fig. 6a oder 6b hat.

Der FK fliegt dann wahlweise mit dem Geschwindigkeitsprofil entsprechend den Fig. 7a bzw. 7b.

Der Ziel-Tracker der Waffenanlage WA hat auf ein Ziel aufgeschaltet und verfolgt dieses. Durch das Zielfilter der Feuerleitung FL wird mit den Meßweiten des Trackers die Zielbahn in karterischen Koordinaten der Waf fenanlage beobachtet. Zum Zeitpunkt t_-1 sind von der Zielbahn folgende Werte bekannt:

Position:
X_Z-1 = 6100 m
Y_Z-1 = 2000 m
Z_Z-1 = 100 m

Geschwindigkeit:
X_Z-1 = -300 m/s
Y_Z-1 = 0
Z_Z-1 = 0

Unter Berücksichtigung der Reaktionszeit T_R der WA kann der Abwehr-FK zur Zeit t₀ = t_-1 + T_R gestartet werden. Für den Startzeitpunkt t₀ werden mit beiden Geschwindigkeitsprofilen die Kollisionspunkte mit dem Ziel berechnet. Das Ergebnis ist in den Fig. 8a und 8b für eine Re aktionszeit von T_R = 3 s veranschaulicht.

Mit dem Geschwindigkeitsprofil VP1 wird bei dem gewählten Beispiel das Ziel vom Abwehr-FK nach 6,8 s Flugzeit im KP1 bei 3700 m Entfernung ge troffen (Fig. 8a).

Mit dem Geschwindigkeitsprofil VP2 trifft der Abwehr-FK das Ziel nach einer Flugzeit von 4 s im KP2 bei 4500 m Entfernung (Fig. 8b).

Für beide Kollisionspunkte werden in der FL weitere "Interceptions-Para meter" wie

- Begegnungsgeometrie
- Lenkkommandos
- Treffehler

und die Zerstörwahrscheinlichkeiten zu KP1-KP2 bis zu 90% errechnet.

Im gewählten Beispiel wird das Antriebsprofil VP2 festgelegt, weil sich damit eine kürzere Bekämpfungsdauer von nur 4 s und eine größere Tref fer-Entfernung von 4500 m ergibt, während die Zerstörwahrscheinlichkeit mit beiden Profilen annähernd gleich groß ist.

Der Treibsatz I1 wird vor dem FK-Start über den FK-Nabelstecker gezündet.

Die Zündung des Treibsatzes I2 kann gemäß Fig. 4 sowohl vor dem FK-Start über den Nabelstecker in der FK-Steuerung programmiert werden, als auch im Flug über die Kommandostrecke an den FK übertragen werden.

Anschließend wird gezeigt, wie bei einer späten Entdeckung des Zieles das Antriebsprofil VP1 von der FL ausgewählt wird. Von einem spät ent deckten Tiefflieger sind zum Zeitpunkt t_-1 folgende Bahnparameter be kannt:

Position:
X_Z-1 = 4100 m
Y_Z-1 = 2000 m
Z_Z-1 = 50 m

Geschwindigkeit:
X_Z-1 = -300 m/s
Y_Z-1 = 0
Z_Z-1 = 0

In der Feuerleitung werden wieder die zuvor beschriebenen Berechnungen durchgeführt. In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse für dieses Beispiel zusammengestellt.

In diesem Fall kann das Ziel mit dem Antriebs-Profil VP1 bekämpft wer den, weil damit kleine Treffehler und eine hohe Zerstörwahrscheinlich keit erreicht werden. Mit dem Profil VP2 kann das Ziel nicht getroffen werden, weil die Querbeschleunigungsfähigkeit des Flugkörpers zu niedrig ist.

Hier wird von der FL das Profil VP1 festgelegt.

Claims

1. Flugkörper-System mit Zieldeckungs-Lenkung, dadurch gekennzeichnet, daß

- ein Flugkörper mit Auswahl des Antriebsprofils eingesetzt wird,
- die Feuerleitung wählt ein Ziel aus, dessen Geschwindigkeit und Entfer nung fortlaufend erfaßt wird,
- und entscheidet, welches Antriebsprofil zur Bekämpfung ausgewählt wird.

2. Flugkörper-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein steuerbares Mehrfach-Impuls-Triebwerk (SMIRTW).

3. Flugkörper-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein steuerbares Staustrahl -Triebwerk (SSTW).

4. Flugkörper-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kombination aus steuerbarem SMIRTW und steuerbarem SSTW.

5. Flugkörper-System mit Zieldeckungs-Lenkung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Antriebsprofil so ausgewählt wird, daß Ziele in großer Entfernung mit hoher Geschwindigkeit bekämpft werden.

6. Flugkörper-System mit Zieldeckungs-Lenkung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß die Triebwerkssteuerung direkt von einer dem Steuergerät zugeordneten Lenkanlage erfolgt.

7. Flugkörper-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß dem Flugkörper sowohl vor dem Start als auch im Flug Zündkommandos (für die Treibsätze) bzw. Schubkommandos (für ein steuer- bzw. regelbares Triebwerk) übertragbar sind.