| Dokumentenidentifikation |
DE10207923B4 22.09.2005 |
| Titel |
Annäherungssensor, insbesondere für die Zündauslösung des Gefechtskopfes einer Abwehrgranate gegen ein anfliegendes Projektil |
| Anmelder |
Diehl BGT Defence GmbH & Co. KG, 88662 Überlingen, DE |
| Erfinder |
Steuer, Raimar, Dipl.-Ing., 91227 Leinburg, DE; Warm, Berndt, Dr.-Ing., 90571 Schwaig, DE |
| DE-Anmeldedatum |
23.02.2002 |
| DE-Aktenzeichen |
10207923 |
| Offenlegungstag |
18.09.2003 |
| Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
22.09.2005 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
22.09.2005 |
| IPC-Hauptklasse |
F42C 13/02
|
| IPC-Nebenklasse |
F41H 11/02
G01S 11/12
G01V 8/10
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung betrifft einen Annäherungssensor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Ein solcher Annäherungssensor wird für ein aktives Abwehrsystem benötigt,
bei dem vom angegriffenen Objekt her dem angreifenden Projektil gemäß
US 5,661,254 A eine Abwehrgranate
mit Splittergefechtskopf oder gemäß US 6,244,156
B1 eine Abwehrgranate mit Blast-Gefechtskopf entgegengeschossen wird. Bei
dem Angreifer kann es sich um ein antriebslos verschossenes Projektil (Geschoß)
oder um ein mit Eigenantrieb ausgestattetes Projektil (Flugkörper) handeln. Die
Abwehr erfolgt durch Beschädigung bzw. Auslösung der Zündsensorik des Angreifers
oder durch Einflußnahme auf seine Angriffsbahn. Ein solches Szenario ist für einen
Beispielsfall in der DE 196 01 756 C1
skizziert. Wie dort gezeigt. ist realistischerweise nicht davon auszugehen, daß
es zu einer Kollision zwischen dem Angreifer und der Abwehrgranate kommt. Deshalb
muß der Gefechtskopf der Abwehrgranate unmittelbar vor dem Vorbeiflug gezündet werden,
weil sich dann für dessen Splitter- oder Blast-Wirkung gerade die optimale Begegnungssituation
relativ zum Angreifer eingestellt hat.
Für die Abstandsauslösung gegen Luftziele sind Radarzünder im Einsatz.
Deren keulenförmige Empfindlichkeitscharakteristik führt aber in der dargestellten
Passagesituation nicht zu einer eindeutigen und reproduzierbaren Zündinformation.
Vor allem ist nachteilig bei Radarzündern, daß diese auch und sogar bevorzugt in
Richtung koaxial voraus zu Zielkontakt führen, und damit in einer Annäherungssituation,
die hinsichtlich des Abstandes und für die radial orientierte Wirkung des Abwehrgefechtskopfes
extrem ungünstig ist.
Aus der DE 25 27 368 A1
ist dagegen ein Sensor für einen optischen Annäherungszünder bekannt, der dafür
ausgelegt ist, trotz verschiedenster Begegnungsgeschwindigkeiten den Öffnungswinkel,
in dem Wirkladungssplitter dem abzuwehrenden Gegner entgegengestreut werden, klein
zu halten und damit die Splitterdichte zu vergrößern, wodurch die Zerstörungswahrscheinlichkeit
eines Flugzieles optimiert werden soll. Dafür wird der gegen die Systemachse angestellte
Elevationswinkel eines optoelektronischen Sensors mit hohlkegelstumpfförmiger Charakteristik
in Abhängigkeit der etwa mittels eines Doppler-Radar-Gerätes laufend zu bestimmenden
Begegnungsgeschwindigkeit verändert. Das erfolgt mittels einer hinter der Gefechtsladung
des Abwehrprojektiles koaxial zur Systemachse angeordneten Torroidlinse, also einer
Ringlinse mit hohlkegelförmiger Linsenachse, in deren Scheitelpunkt auf der Systemachse
ein Brennpunkt liegt. Längs dieser Systemachse sind mehrere Fotodioden angeordnet,
von denen eine für den Empfang ausgewählt wird, um durch diese aktuelle Auswahl
den Elevationswinkel der Blick- oder Sensorrichtung durch die Ringlinse hindurch
vorzugeben. Das ist aber strukturell nachteilig, weil hinter dem Gefechtskopf ein
erhebliches Querschnittsvolumen des Abwehrprojektiles für die Vorgabe der Blickrichtung
durch die Ringlinse beansprucht wird, von dem dann aber nur ein kurzer Abschnitt
auf der Systemachse funktional benötigt wird.
Bei einem vergleichbaren, hier gattungsbildenden thermooptronischen
Sensor für einen Annäherungszünder ist nach der FR
14 64 783 – abgesehen von der Variante mit einer Torroidlinse gemäß
vorstehend erläuterter Funktion – vor einer Detektorebene eine körperlich
zwar dick dargestellte, strahlengeometrisch aber ideal dünn angenommene positive
oder Sammel-Linse angeordnet. In deren Zentrum schneiden sich die zur Systemachse
geneigten Einfallsstrahlen, so dass ihre Querschnitte sich längs eines ringförmigen
Bereiches entsprechenden Durchmessers in der Detektorebene abbilden, die nicht die
Fokusebene sein muß. Das bedingt aber für einen wünschenswert großen Elevations-
oder Kegelwinkel der Detektorcharakteristik bei kleiner ringförmiger Abbildung in
der Projektionsebene eine Sammellinse sehr großen Durchmessers, also Gewichtes,
und ein entsprechendes Einbauvolumen.
In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen Annäherungssensor für die wirkoptimierte Auslösung des Gefechtskopfes
einer Abwehrgranate anzugeben.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
wesentlichen Merkmale gelöst. Danach beschreibt die Empfangscharakteristik des erfindungsgemäßen
Annäherungssensors die Wandung eines zur Systemachse der Abwehrgranate koaxialen
Hohlkegels, der sich in Flugrichtung voraus, auf den anfliegenden Angreifer zu,
öffnet. Der Annäherungssensor spricht an, führt also zur Initiierung des Abwehrgefechtskopfes,
wenn der abzuwehrende Angreifer die Hohlkegelwandung passiert. Aufgrund der Kegelgeometrie
liegt dieses Ereignis desto weiter vor der Abwehrgranate, je größer der radiale
Abstand von der Systemachse und damit von der Flugbahn der Abwehrgranate ist. Dadurch
hat die Gefechtskopfwirkung (ein ringsum radial abgehender Splitterkegel, bzw. eine
entsprechende Druckwelle) desto länger Zeit, sich u.a. in Richtung auf den anfliegenden
Angreifer auszubreiten, je weiter der bei Zündauslösung noch entfernt ist. Eine
etwa koaxiale Annäherungssituation dagegen wird vom Sensor nicht erfaßt, weil die
sich im unempfindlichen Hohlkegel-Inneren abspielt. So lange der
abzuwehrende Gegner im Hohlkegel-Inneren der Sensorcharakteristik anfliegt, spricht
der Sensor also wunschgemäß noch nicht an, weil die Wirkung des Abwehrgefechtskopfes
nicht axial voraus orientiert ist, sondern radial bezüglich der Abwehrflugbahn;
weshalb mit der Zündauslösung bis zum anstehenden seitlichen Vorbeiflug gewartet
wird.
Vorzugsweise wird der Annäherungssensor optoelektronisch im Infrarotbereich,
zum Erfassen aufgeheizter Spitzen und Kanten des Angreifers, betrieben; nämlich
mittels eines Zylinders aus thermooptisch leitendem Material, dessen einander gegenüberliegenden
Stirnflächen konvex sind. Strahlungsgeometrisch ergibt sich, daß jeder unter einem
bestimmten Winkel geneigt zur Systemachse durch die Eingangsstirnfläche in diese
Zylinderlinse einfallende Strahl zur Systemachse hin und somit zum Randbereich der
ebenfalls konvexen Ausgangsstirnfläche gebrochen wird und kurz nach dem dortigen
Austreten durch einen Brennpunkt verläuft. In diesem Brennpunktsabstand hinter der
rückwärtigen konvexen Stirnfläche ist ein Detektor mit ringförmiger aktiver Zone
angeordnet. Einem bestimmten Abstand vom Rand der Ausgangsstirnfläche, dem Durchmesser
der ringförmigen Detektorzone entsprechend, ist ein bestimmter Einfallswinkel in
die Eingangsstirnfläche zugeordnet. Dieser Einfallswinkel ist für einen bestimmten
Detektorradius um so stärker gegenüber der Systemlängsachse geneigt, die Sensorcharakteristik
weist also einen desto größeren Kegelwinkel auf, je größer der Brechungsindex des
Zylindermaterials gegenüber Luft ist. Dieser Index beträgt bekanntlich bei optischem
Glas etwa 1,5, bei Silizium etwa 3,5 und bei Germanium etwa 4,0. Der Detektor reagiert
also darauf, daß ein Heißpunkt in den hohlkegelförmigen Sensorstrahlengang mit seinem
durch die Geometrie und das Material der Zylinderlinse bestimmten Kegel-Offnungswinkel
eintritt.
Weitere Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sowie zusätzliche
Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung
eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das wesentliche stark abstrahiert
und nicht maßstabsgerecht skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels für den
erfindungsgemäßen Annäherungssensor. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt im Axial-Längsschnitt
den Strahlengang durch eine zylinderförmige positive Linse, hinter welcher in der
Bildfokusebene das eigentliche Detektorelement angeordnet ist.
Der in der Zeichnung skizzierte thermooptische Annäherungssensor
11 besteht im wesentlichen aus einem ringförmigen Detektorelement
12, das koaxial zur Systemachse 13 hinter einer langen Zylinderlinse
14 aus Silizium oder Germanium gehaltert ist. Diese Zylinderlinse
14 kann man sich aus einer dicken positiven (also beidseitig konvexen)
Linsenform 15 koaxial zur Systemachse 13 herausgeschnitten denken.
Bei der Zylinderlinse 14 liegt deshalb einer konvexen Eingangsstirnfläche
16 eine ebenfalls konvexe (nicht unbedingt gleiche Krümmung aufweisende)
Ausgangsstirnfläche 17 axial gegenüber.
Ein paralleles Strahlenbündel 18, das unter einer bestimmten
Neigung gegenüber der Systemachse 13 in die konvexe Eingangsstirnfläche
16 eintritt, wird aufgrund der strahlengeometrischen Gegebenheiten wie
skizziert zur Systemachse 13 im dichteren Material hin gebrochen und auf
einen vom Einfallswinkel abhängigen kleinen randnahen Austrittsbereich in der ebenfalls
konvexen Ausgangsstirnfläche 17 konzentriert. Der Fokus liegt jenseits
der Ausgangsstirnfläche 17. In diesem Fokus ist das Detektorelement
12 in einem Schutzgehäuse 19 hinter einem thermischen Fenster
20 angeordnet. Da das Detektorelement 12 nur den Randbereich entsprechend
einem bestimmten Eintrittswinkel erfassen soll, ist er entweder ringscheibenförmig
mit entsprechendem Durchmesser und Ringbreite ausgebildet; oder ein scheibenförmiger
Detektor ist zentral abgedeckt, um nur jene Ringzone ansprechen zu lassen. Dabei
ist zu berücksichtigen, daß diese planparallele Scheibe des Fensters 20
brechungsbedingt auf dem Weg zum Fokus zu einem abermaligen Versatz des Strahlenganges
führt, wie es aus der geometrischen Optik als Brechungserscheinung beim Durchtritt
durch einen Quader bekannt ist.
Um für die Positionierung des Detektorelementes 12 den geringen
Fokusabstand hinter der Zylinderlinse 14 einhalten zu können, ist deren
konvexe Ausgangsstirnfläche 17 im Zentrum quer zur Systemachse
13 plangeschliffen, um hier das Schutzgehäuse 19 mit seinem Fenster
20 zu befestigen. Die Schlifffläche ist vorzugsweise mattiert oder gelackt,
um nur den erwähnten Ringbereich des Detektorelementes 12 bestrahlen lassen
zu können. Von der konvexen Ausgangsstirnfläche 17 bleibt deshalb für den
Strahlendurchgang nur eine schmale konzentrische Ringzone 22, längs derer
der Austrittsbereich 19 sich um die Systemachse 13 herum verlagert,
wenn der Eingangsstrahl 18 unter Beibehaltung der Neigung um die Systemachse
13 verdreht wird, wie in der Zeichnung für zwei isoliert herausgegriffene
Eingangswinkel skizziert. Die hohlkegelwandförmige Empfindlichkeitscharakteristik
(dargestellt durch die Strahlenbündel 18) führt also über die ausgangsseitige
Ringzone 22 zur Abbildung der einzelnen Einfallsstrahlen auf des in der
Bildfokusebene des Strahlenganges gelegene ringförmige Detektorelement
12. Diese ringförmige Abbildung geht mit einem desto steileren Einfallswinkel
der Strahlen 18 gegenüber der Systemachse 13 einher, je größer
der Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Zylinderlinse
14 besteht. Vorzugsweise wird hierfür deshalb Germanium, jedenfalls Silizium
eingesetzt.
Wie sich aus dem Strahlendiagramm und dem ringförmig ansprechenden
Detektorelement 12 ergibt, ist dieser Annäherungssensor 11 in
Richtung seiner Systemachse 13 voraus unempfindlich; er spricht erst an,
wenn ein thermisch strahlendes Objekt (hier insbesondere der abzuwehrende Angreifer)
in den geneigten, hohlkegelförmigen Strahlengang eintritt.
Damit ist erfindungsgemäß ein Annäherungssensor 11 für den
radial wirkenden Gefechtskopf einer Abwehrgranate geschaffen, die einem angreifenden
Projektil vom zu schützenden Objekt aus entgegengefeuert wird, um die Funktionalität
des Angreifers zu stören oder sogar zu zerstören. Dieser Annäherungssensor
11 spricht noch nicht darauf an, daß der von der Granate abzuwehrende Gegner
in deren Flugrichtung voraus erscheint; vielmehr soll der Annäherungssensor erst
dann ansprechen, wenn der abzuwehrende Gegner in einem wirkoptimalen Abstand schräg
voraus erfaßt wird. Eine solche hohlkegelwandungsförmige Ansprechcharakteristik
ergibt sich, wenn ein ringförmiges Detektorelement 12 in der Bildfokusebene
hinter einer positiven Zylinderlinse 14 angeordnet ist.
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| Anspruch[de] |
- Annäherungssensor (11), insbesondere für die Zündauslösung
des Gefechtskopfes einer Abwehrgranate gegen ein anfliegendes Projektil, mit einer
positiven Linse vor einem koaxial zu ihrer Systemachse (13) angeordneten
Detektorelement (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorelement
(12) in der Bildfokusebene hinter einer langen Zylinderlinse (14)
mit konvexen Eingangs- und Ausgangsstirnflächen (16, 17) angeordnet
ist, durch die ein unter Neigung gegenüber der Systemachse (13) eintretendes
paralleles Strahlenbündel (18) auf einen randnahen Ausgangsbereich konzentriert
und auf das Detektorelement (12) fokussiert ist.
- Annäherungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
Zylinderlinse (14) aus einem Infrarotstrahlung leitenden Material mit hohem
Brechungsindex gegenüber Luft, vorzugsweise aus Germanium oder aus Silizium, besteht.
- Annäherungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
das Detektorelement (12) in einem Schutzgehäuse (20) hinter einem
Fenster (21) angeordnet ist.
- Annäherungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass durch die Zylinderlinse (14) hindurch nur ein Ringbereich des Detektorelementes
(12) bestrahlt ist.
- Annäherungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die im übrigen konvexe Ausgangs-Stirnfläche (17) in ihrem Zentrum
quer zur Systemachse (13) plan ist.
- Annährungssensor nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet,
dass die plane Stirnfläche (17) mattiert oder gelackt ist.
- Annäherungssensor nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
dass das Detektorelement (12) hinter einem von einer konvexen Ringzone
(22) umgebenen planen Zentrum der Ausgangs-Stirnfläche (17) gehaltert
ist.
- Annäherungssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein ringförmiges Detektorelement (12) vorgesehen ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen
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