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Dokumentenidentifikation DE4201572A1 29.07.1993
Titel Zieldeckungs-Lenkung mit adaptierbarem Flugkörper-Geschwindigkeits-Profil
Anmelder Deutsche Aerospace AG, 8000 München, DE
Erfinder Sturm, Richard, Dipl.-Ing., 8012 Ottobrunn, DE
DE-Anmeldedatum 22.01.1992
DE-Aktenzeichen 4201572
Offenlegungstag 29.07.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.07.1993
IPC-Hauptklasse F41G 7/20
Zusammenfassung Flugkörper-System mit Zieldeckungs-Lenkung, wobei
- ein Flugkörper mit an die Bedrohung adaptierbarem Geschwindigkeits-Profil eingesetzt wird,
- die Auswahl des optimalen Geschwindigkeits-Profils durch die Feuerleitung erfolgt,
- die Anpassung des Flugkörper-Geschwindigkeits-Profils realisiert wird durch ein steuerbares Triebwerk.

Beschreibung[de]

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. Die Fig. 1a zeigt typische Trefferbereiche eines derartigen Waffensystems für die Bekämpfung von Zielen, die mit unterschiedlicher Geschwindigkeit antiparallel zur x-Achse aufliegen. Die LA steht im Ursprung 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 Geschwindigkeit 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 Geschwindigkeiten unterhalb von etwa 200 m/s erfolgreich bekämpft werden, während 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 YKP min auf der y-Achse kann durch die Formel (1) abgeschätzt werden:



mit

VF Flugkörper-Geschwindigkeit

VZ Zielgeschwindigkeit

aF max Querbeschleunigungs-Fähigkeit des Fk's

Hier werden die Fälle betrachtet, bei denen die Querbeschleunigungsgrenze aF max durch die Festigkeit der FK-Zelle oder durch die Belastbarkeit der FK-Instrumentierung bestimmt wird. Aus der Formel (1) ist ersichtlich, daß die innere Treffergrenze mit der FK- und der Zielgeschwindigkeit proportional anwächst und mit zunehmender Querbeschleunigungs-Fähigkeit des FK&min;s günstiger (weil kleiner) wird.

Die äußere Treffergrenze kann sowohl durch die Reichweite bzw. die Winkel-Meßgenauigkeit der Lenk-Sensoren als auch durch zu hohe Zielgeschwindigkeit bzw. durch zu niedrige FK-Geschwindigkeit verändert werden.

Gegen Ziele mit hoher Geschwindigkeit kann der Trefferbereich durch Erhöhung der FK-Geschwindigkeit günstig gestaltet werden. In der Fig. Ib sind die Trefferbereiche gegen Ziele mit 600 m/s Geschwindigkeit für zwei Abwehr-Flugkörper mit Boost-Gleit-Profil und 1000 m/s Spitzen-Geschwindigkeit einerseits sowie 2000 m/s Spitzen-Geschwindigkeit andererseits 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 TI; 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 Bekämpfungs-Dauer erreicht. Dadurch wird die Waffen-Anlage früher für die Lenkung eines weiteren Flugkörpers auf ein neues Ziel frei und die Feuerkraft des Waffensystems steigt an.

Gegen Ziele mit einer Geschwindigkeit von 300 m/s sind die Trefferbereiche der beiden Abwehr-Flugkörper in der Fig. 1c dargestellt. Hier sind die Trefferbereichs-Grenzen des schnelleren FK&min;s (Treffergrenzen TI2 und TA2; Treffer bei KPI, KP3 und KP5 möglich) gegenüber jenen des langsameren FK&min;s (Treffergrenzen TI1 und TA1; Treffer bei KP1, KP2 und KP3 möglich) 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 herangeflogen ist und diese bzw. das zu schützende Gebiet ungehindert angreifen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu finden, die einerseits günstige Trefferbereiche und andererseits eine möglichst kurze Bekämpfungs-Dauer durch eine hohe FK-Geschwindigkeit bewirkt.

Dieser Zielkonflikt wird durch einen Abwehr-Flugkörper mit variablem Geschwindigkeits-Profil gelöst. In der Feuerleitung wird unter Verwendung der extrapolierten Zielbahn jenes Geschwindigkeits-Profil des Abwehr-FK&min;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. Vereinfacht ausgedrückt wird in der Feuerleitung dadurch entschieden, daß

  • - ein Flugkörper mit an die Bedrohung adaptierbarem Geschwindigkeits-Profil eingesetzt wird,
  • - die Auswahl des optimalen Geschwindigkeits-Profils durch die Feuerleitung erfolgt,
  • - 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-Wahrscheinlichkeit 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 Kollisionspunkte sowie der Trefferbereichs-Grenzen für beide Geschwindigkeits-Profile. In Fig. 2 sind die FK- und Zielbahnen für zwei typische Kollisionspunkte, die mit unterschiedlichen FK-Geschwindigkeiten angeflogen werden, dargestellt. Die Zielgeschwindigkeit beträgt bei diesem Beispiel VZ = 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 Geschwindigkeit getroffen werden, weil der KP2 im inneren Totbereich entsprechend Fig. 1c liegt. Die Bekämpfung des Zieles am KP2 ist jedoch mit niedrigere FK-Geschwindigkeit möglich, was durch Zünden nur eines Treibsatzes 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 einem 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 Luftraumüberwachung als auch von einem Tracker zur Lenkung erfolgen. Die Daten des Zieltrackers werden im Rechner der Waffenanlage WA für die Feuerleitung FL und die Lenkung weiter verarbeitet. In den folgenden Ausführungen 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 Flugkörper FK weitergeleitet. Im FK wird der Antrieb entsprechend dem ausgewählten Profil angesteuert. Dies kann je nach Ausführungsform durch Zündung 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 Bedrohung wird in Form der Zielbahn und der Zielklasse aus den gemessenen Zieldaten bestimmt. Die Eigenschaften des FK-Antriebes sind je nach Ausführung des Triebwerkes in der Form von Schubprofilen oder von Parametersätzen in den FL abgespeichert. Ebenso ist die Wirksamkeit des Gefechtskopfes 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&min;s Kollisionspunkte und Interceptions-Parameter (Annäherung-Geschwindigkeit und Begegnungs-Geometrie) berechnet. Anschließend werden für die einzelnen Kollisionspunkte gegen das zu bekämpfende Ziel die Zerstör-Wahrscheinlichkeiten abgeschätzt. Danach wird das Antriebsprofil ausgewählt, welches gleichzeitig eine hohe Zerstör-Wahrscheinlichkeit und eine möglichst hohe Geschwindigkeit ermöglicht.

Die einzelnen Schritte für die Auswahl des FK-Geschwindigkeits werden an dem folgendem Beispiel ausgeführt:

Das Schubprofil des FK&min;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 kartesischen Koordinaten der Waffenanlage beobachtet. Zum Zeitpunkt t-1 sind von der Zielbahn folgende Werte bekannt:

Position:

XZ-1 = 6100 m

YZ-1 = 2000 m

ZZ-1 = 100 m

Geschwindigkeit:

XZ-1 = -300 m/s

YZ-1 = 0

ZZ-1 = 0

Unter Berücksichtigung der Reaktionszeit TR der WA kann der Abwehr-FK zur Zeit t0 = t-1 + TR 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 Reaktionszeit von TR = 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 getroffen (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-Parameter" 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 Treffer-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 entdeckten Tiefflieger sind zum Zeitpunkt t-1 folgende Bahnparameter bekannt:

Position:

XZ-1 = 4100 m

YZ-1 = 2000 m

ZZ-1 = 50 m

Geschwindigkeit:

XZ-1 = -300 m/s

YZ-1 = 0

ZZ-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 werden, weil damit kleine Treffehler und eine hohe Zerstörwahrscheinlichkeit 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.


Anspruch[de]
  1. 1. Flugkörper-System mit Zieldeckungs-Lenkung, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. - ein Flugkörper mit an die Bedrohung adaptierbarem Geschwindigkeits-Profil eingesetzt wird,
    2. - die Auswahl des optimalen Geschwindigkeits-Profils durch die Feuerleitung erfolgt,
    3. - die Anpassung des Flugkörper-Geschwindigkeits-Profils realisiert wird durch ein steuerbares Triebwerk.
  2. 2. Flugkörper-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein steuerbares Mehrfach-Impuls-Raketen-Triebwerk (SMIRTW).
  3. 3. Flugkörper-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein steuerbares Staustrahl -Triebwerk (SSTW).
  4. 4. Flugkörper-System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Kombination aus SMITRW und SSTW.
  5. 5. Flugkörper-System mit Zieldeckungs-Lenkung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flugkörper so ausgelegt wird, daß Ziele in großer Entfernung mit hoher Geschwindigkeit bekämpft werden und daß Ziele in geringer Entfernung mit niedriger Geschwindigkeit bekämpft werden.
  6. 6. Flugkörper-System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkung und Schubsteuerung des Flugkörpers mittels Zieltracker nicht nur von einer Lenkanlage erfolgen sondern auch von einer Zentrale (wie Luftraumüberwachung) aus.
  7. 7. Flugkörper-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flugkörper sowohl vor dem Start als auch im Flug Zündkommandos (für die Treibsätze) bzw. Schubkommandos (für ein steuer- bzw. regelbares Triebwerk) übertragen werden.






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