Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aufschlagzünder, wie er in Munitionen verwendet wird. Aufgabe des Aufschlagzünders ist dabei die Wirkladung, welche in der Munition vorgesehen ist, bei Aufschlag der Munition auf ein Ziel sicher anzusprechen und die Zündung der Wirkladung direkt oder indirekt zu initiieren. Direkt bedeutet, dass z. B. ein Detonator gezündet wird. Indirekt bedeutet, es wird ein Schalter angesteuert um den Detonator mit der Zündenergie zu verbinden.
Aufschläge einer bestimmten Munition auf verschiedene Untergründe weisen einen großen Dynamikbereich bzgl. Amplitude und Frequenz auf, der vollständig und sicher detektiert werden muss, dabei aber nur in spezifizierten Grenzen zur Auslösung führen darf. Dynamisches Detektieren heißt in diesem Falle, dass kurze, starke Aufschläge genauso ebenso sicher detektiert werden müssen, wie längere, weichere Aufschläge, wobei lediglich der Aufschlag auf bestimmte Ziele die Zündung auslösen soll und andere Hindernisse keine Zündung auslösen. Folglich müssen die Empfindlichkeit bzw. das Ansprechverhalten des Aufschlagzünders auf unterschiedliche Ziele eingestellt werden.
Dazu ist aus der
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, einen Aufschlagzünder bereitzustellen, der lediglich bei Aufschlag auf sein Ziel zündet und nicht bereits beim Verschießen oder durch während der Flugzeit auf die Munition einwirkende Kräfte. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des vorliegenden Hauptanspruchs gelöst.
In den folgenden Absätzen werden die Funktionseinheiten nacheinander erläutert:
Es wird ein Aufschlagzünder mit einem aktiven Sensor vorgeschlagen, welcher mechanische Energie in elektrostatische Energie umwandeln kann, also in eine Sensorspannung. Hierzu wird vorteilhaft ein Piezosensor vorgeschlagen, welcher mechanische Einwirkungen auf das Piezomaterial in elektrische Ladung umwandelt, resultierend aus einer Dipolbildung in der Kristallstruktur. Parallel zum Sensoreingang der Schaltung folgt ein Kondensator und ein Widerstand, die zusammen einen Hochpass bilden um die untere Grenzfrequenz einzustellen.
Die hauptsächliche Funktion des Kondensators ist aber, die Ladung des Piezosensors in eine Spannung zu wandeln. Die Kapazität bestimmt dann weitestgehend die Empfindlichkeit.
Weiterhin besitzt der Aufschlagzünder eine Filtercharakteristik, bestehend aus einem Hochpass und mindestens einem Tiefpass in einer nachgelagerten Filterschaltung, die später erklärt wird.
Der vorgeschlagene Aufschlagzünder beinhaltet weiterhin einen Betriebszustandsschalter, welcher den Aufschlagzünder in einen von zwei Betriebszuständen, nämlich einen aktivierten und einen deaktivierten Betriebszustand überführen kann. Dies geschieht mittels einer Aktivierungsspannung, welche dem Betriebszustandsschalter zugeführt werden kann. Über diese Aktivierungsspannung wird der Aufschlagzünder in einen aktivierten (scharf), ohne Aktivierungsspannung in den deaktivierten (sicher) Betriebszustand überführt.
Vorzugsweise ist der Betriebszustandsschalter so gestaltet, dass bei angelegter Aktivierungsspannung der aktivierte Zustand erreicht wird und bei nicht angelegter Aktivierungsspannung der deaktivierte Zustand des Aufschlagzünders. Damit dieser deaktivierte Zustand des Aufschlagzünders sicher aufrecht erhalten bleibt, also bei Nichtanliegen einer Aktivierungsspannung, ist in einer besonderen Ausführungsform eine Potentialkopplung vorgesehen, welche das vorhandene Massepotential dazu nutzt, die durch den Betriebszustandsschalter gesteuerte Eingangsbegrenzung derart zu gestalten, dass sie aktiv werden kann und somit den Aufschlagzünder sicher im deaktivierten (sicheren) Betriebszustand hält.
Vorteilhafterweise kann die Aktivierungsspannung für den Betriebszustandsschalters gepuffert werden. Dies ist möglich in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen Kondensator und einen Widerstand (Tiefpass). Der Kondensator sorgt dafür, dass die anliegende Aktivierungsspannung bei Wegfall der gleichen für eine kurze Zeit aufrechterhalten bleibt. Somit wird auch der Zustand der deaktivierten Eingangsbegrenzung kurzzeitig aufrechterhalten, was dafür sorgt, dass die aktive Funktion der Aufschlagschaltung erhalten bleibt. Das Abbauen der elektrostatischen Energie erfolgt über den Widerstand des Puffers.
Die Eingangsbegrenzung ist vorzugsweise so gestaltet, dass die Energie vom aktiven Sensor nach einem 1. Tiefpassfilter der elektronischen Schaltung begrenzt bzw. abgebaut wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Spannung in einem gewissen Bereich kurzgeschlossen wird. Durch diesen beabsichtigten Kurzschluss kann die Sensorspannung somit nicht mehr einem Schwellwertschalter zugeführt werden.
In einer besonderen Ausführungsform wird dazu vorgeschlagen, das Kurzschließen des Eingangssignals bevorzugt durch ein MOSFET- Bauteil, welches parallel zum aktiven Sensor oder nach dem 1. Tiefpassfilter geschaltet ist, zu realisieren. Im aktivierten Betriebszustand, gesteuert durch den Betriebszustandsschalter, wird dieser MOSFET dann gesperrt, sodass kein Kurzschließen einer positiven Sensorspannung mehr ermöglicht wird. Demnach liegt dann die volle Sensorspannung den nachfolgenden Filterschaltungen an. Negative Sensorspannung wird durch die Source-Drain Diode des MOSFETs immer begrenzt. Diese Begrenzung ist unabhängig vom Betriebszustand.
Parallel zum Sensoreingang des Aufschlagzünders sind ein Kondensator und ein Widerstand angeordnet. Der Kondensator wandelt das elektrische Ladungssignal des Sensors in ein proportionales Spannungssignal um. Mit der Dimensionierung der Kondensatorkapazität variiert die Kondensatorspannung und somit kann mit dieser die Empfindlichkeit eingestellt werden. Der Widerstand schließt statische Spannungen kurz und bildet mit dem Kondensator einen Hochpass. Der Kondensator und der Widerstand bestimmen dadurch die untere Grenzfrequenz in erster Ordnung.
Diese Hochpasseigenschaft der Schaltung wird dazu genutzt, niedrige Frequenzen, wie sie beispielsweise durch physikalisches Verhalten während des Fluges der Munition auftreten können, ausreichend zu dämpfen und den Nullpunktdrift zu kompensieren, damit diese nicht zur Initiierung des Zünders führen können.
Die vorgefilterte Sensorspannung wird auf einen Tiefpassfilter erster Ordnung geführt.
Der erste Tiefpassfilter ist nicht zwingend erforderlich, er dient aber dazu, dass dynamische negative Sensorspannungen nicht durch die Eingangsbegrenzung kurzgeschlossen werden.
Das Ausgangssignal des ersten Tiefpassfilters verzweigt sich dann in zwei weitere Tiefpassfilter
Um auf unterschiedliche Sensorsignale d.h. dynamisch mit niederer Empfindlichkeit und quasi dynamisch mit hoher Empfindlichkeit richtig reagieren zu können (d.h. eine Triggerspannung für die Zündung auszugeben), wird das Ausgangssignal des 1. Tiefpassfilters auf 2 parallele Tiefpassfilter mit unterschiedlichem Übertragungsverhalten geführt. Bei den beiden Tiefpässen ist bei paralleler Anordnung, je Tiefpassfilter eine zum Tiefpassfilterwiderstand sequenzielle Spannungsbarriere, bevorzugt als Zenerdiode (in Sperrrichtung) angeordnet. Die Filter sind programmierbar und können zu- bzw. abgeschaltet oder eingestellt werden.
Die 2 parallelen Tiefpassfilter detektiert Sensorsignale für unterschiedliche Zieltypen.
Weiterhin ist ein Schwellwertschalter vorgesehen, welcher die Spannungssignale der Tiefpassfilterausgänge, unter einem gewissen Schwellwert blockiert. Erreicht oder überschreitet das Spannungssignal den Schwellwert, schaltet der Schwellwertschalter die Spannungssignale durch und leitet sie als Zündspannung zum Zünden der Munition weiter. Der Schwellwertschalter verhindert ein Zünden durch kleinere Spannungsimpulse, die nicht durch das Auftreffen des Aufschlagzünders auf das gewünschte Ziel hervorgerufen werden.
Als vorteilhaft hat sich erwiesen, den Schwellwertschalter als Triggerdiode auszuführen, da diese wenig fehleranfällig und relativ kostengünstig ist. Alternativ kann der Schwellwertschalter auch aus einer Schaltung mit diskreten Komponenten bestehen.
Um die vorgenannte gleichmäßige Zündung zu gewährleisten, ist ebenfalls in einer besonderen Ausführungsform eine Spannungsbegrenzung vorgesehen, welche die Zündspannung begrenzt. Dies ist vorteilhaft, wenn die durch den Schwellwertschalter weitergeleitete Zündspannung zu hoch ist, bzw. zu hohe Spannungsspitzen enthält. Als vorteilhaft hat sich hierzu eine Zenerdiode bewährt, welche die Zündspannung auf die Zenerspannung begrenzt. Besonders vorteilhaft kann hier auch eine Suppressordiode eingesetzt werden, welche eine schnellere Reaktionszeit besitzt als die herkömmliche Zenerdiode.
Weitere Merkmale ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Es zeigt:
Die Erfindung gliedert sich in zwei Betriebszustände, einem aktivierten und in einen deaktivierten Zustand.
Das Umschalten der Betriebszustände geschieht über einen Betriebszustandsschalter Q2. Dieser ist im vorliegenden Falle als NMOSFET ausgeführt. Dieser NMOSFET wird als elektronischer Schalter benutzt und kann bei Anliegen der Aktivierungsspannung UA die Eingangsbegrenzung Q1 deaktivieren.
Parallel zur Aktivierungsspannung UA ist eine Potentialkopplung R8 eingebracht, welche bei Wegfall der Aktivierungsspannung UA auf Massepotential hält. Dadurch wird der Aufschlagzünder deaktiviert, d.h. in einen sicheren Zustand gebracht.
Der Betriebszustandsschalter Q2 in
Im deaktivierten Betriebszustand, wird der MOSFET als Eingangsbegrenzung Q1 dann durch den Betriebszustandsschalter Q2 nicht mehr gesperrt, sodass bei einer positiven Sensorspannung der Kondensator C4 geladen wird.
Übersteigt nach kurzer Verzögerung durch den Widerstand R3 die Kondensatorspannung des C4 die Threshold Gate-Source Spannung der Eingangsbegrenzung Q1 wird diese leitend und schließt dann die Spannung zu den nachfolgenden Filtern kurz. Der Schwellwertschalter D1 bekommt keine Spannung zum Durchschalten. Diese Funktion wird von dem aktiven Sensor versorgt.
Vorteilhafterweise muss die Schaltung nicht fremdversorgt werden, sodass die Energie vom aktiven Sensor ausreichend ist, den Zündimpuls der Zündspannung Uz zu erzeugen. Schaltet der Schwellwertschalter D1 durch, so ist die in den Tiefpässen C5+R5 und C6+R6 gespeicherte Energie groß genug um einen Auslöseimpuls auch bei einer zusätzlichen Auslöseverzögerung zu garantieren. Ein sogenannter Pumpeffekt ist dadurch nicht möglich.
Der vorgenannte Pumpeffekt entsteht, wenn während des Aufschlags der Munition Stoßwellen durch den Munitionskörper laufen, was insbesondere bei harten Zielen der Fall ist. Diese Stoßwellen erzeugen ein oszillierendes Signal des aktiven Sensors und somit eine oszillierende Sensorspannung. Bei herkömmlichen Aufschlagzündern kann dadurch der Zündimpuls aussetzen oder sich verzögern.
Die Eingangsbegrenzung Q1 ist bevorzugt ebenfalls als NMOSFET ausgeführt. Um diese Sensorspannung nun sicher unter dem Schwellwert zu halten ist die Eingangsbegrenzung Q1 parallel zur Sensorspannung Us oder nach dem 1. Tiefpassfilter angeordnet (Drain Q1 am Kondensator C2). Liegt nun eine positive Sensorspannung US vor, wird der Kondensator C4 zwischen Gate und Source geladen. Überschreitet der NMOSFET seine Threshold Gate-Source-Spannung, wird er zwischen Drain und Source leitend mit einem sehr kleinen Widerstand. Die nun leitende Eingangsbegrenzung schließt die Sensorspannung US bis auf die Threshold Gate Spannung kurz. Eine negative Sensorspannung US wird durch die Drain-Source-Diode ebenfalls begrenzt. Angenommen die Diodenspannung besitzt 0,7V und die Threshold Gate Spannung der Eingangsbegrenzung hat einen Wert von 3,5V wird somit die Sensorspannung US auf Werte zwischen -0,7V bis 3,5V begrenzt. Aus diesem Grund hat der nachfolgende Schwellwertschalter eine höheren Durchbruchspannung (eng. Breakover) als die 3,5V, beispielsweise 20V.
Liegt eine Aktivierungsspannung UA an, wird die Eingangsbegrenzung Q1 durch den Betriebszustandsschalter Q2 in den deaktivierten Zustand überführt, sodass keine Spannungsbegrenzung der Sensorspannung Us mehr geschieht. In diesem Falle wird die volle Sensorspannung Us bzw. die dazu Proportionale am Kondensator C1 anliegende Spannung durch die nachgeschaltete Tiefpassfiltergruppe zum Schwellwertschalter D1 geleitet. Dieser Schwellwertschalter D1 ist in der vorliegenden Figur als Triggerdiode ausgeführt, welche beispielsweise mit einer Break-Down Spannung von 20V arbeitet. Das bedeutet, dass Spannungssignale der Sensorspannung Us unterhalb 20V nicht durch die Triggerdiode hindurchgeleitet werden, Spannungssignale oberhalb von 20V jedoch schon. Die Drain-Source-Diode des NMOSFET bleibt weiterhin aktiv, sodass die Sensorspannung Us im negativen Falle immer noch auf 0,7V begrenzt wird, egal in welchem Betriebszustand sich der Aufschlagzünder befindet. Der Strom durch die Drain-Source-Diode führt zu einer Nullpunktverschiebung.
Der dem Sensoreingang Us nachgeschaltete Hochpass besteht aus dem Kondensator C1 und dem Widerstand R1. Anschließend folgt ein Tiefpassfilter C2+R2, welcher zwischen Hochpass C1+R1 und Schwellwertschalter D1 angeordnet ist. Dieser Tiefpassfilter C2+R2 sorgt dafür, dass hohe Frequenzen, welche ebenfalls nicht zur Zündung des Aufschlagzünders führen sollen, ebenfalls aus der Sensorspannung Us herausgefiltert werden. Diesem ersten Tiefpass nachgeschaltet sind 2 unterschiedliche weitere Tiefpässe.
Der Tiefpassfilterzweig (C5, R5 mit kleiner Zeitkonstante) ist für die starken Signalanteile (harte Ziele) und hat eine sequenzielle Zenerdiode D2 in Sperrrichtung. Diese reduziert die dem Filter C5, R5 zugeführte Spannung um die Zenerspannung der Zenerdiode D2. Die Zenerdiode D2 verhindert außerdem, dass bei kleinem Spannungspegel Ladung in den Kondensator C5 fließt und sich dadurch die Gesamtempfindlichkeit reduziert, weil im Kondensator C6 dieser Teil der Ladung fehlen würde. Erst bei ausreichend hohem Pegel lädt sich der Kondensator C5 bis zur Triggerspannung des Schwellwertschalters D1 auf, welcher dann die Kondensatorspannung auf den Ausgang Uz durchschaltet.
Der zweite Tiefpass C5+R5 ist dann dem Ausgangssignal also der Zündspannung Uz zugeordnet und filtert hohe Frequenzen aus der Zündspannung Uz heraus. Zusätzlich besitzt der Tiefpassfilter sequenziell zum Widerstand R5 eine Zenerdiode D2. Die Zenerdiode D2 reduziert die Eingangsspannung des Tiefpassfilters um die Zenerspannung.
Der Tiefpassfilterzweig (C6, R6) für die schwächeren Signalanteile hat eine höhere Zeitkonstante, so dass sich der Kondensator C6 langsamer bis auf die Triggerspannung des Schwellwertschalters D1 aufladen kann. Dieser schaltet dann ebenfalls die Kondensatorspannung C6 auf den Ausgang Uz durch. In diesem Tiefpassfilterzweig gibt es keine Spannungsreduzierende Zenerdiode, somit können auch kleine Amplituden zur Aufladung von C6 beitragen. Jeweils eine Diode (D5 und D6) am Ausgang jedes Tiefpassfilterzweigs entkoppelt die Ausgangsspannungen und verhindert die gegenseitige Beeinflussung der beiden Filter. Dynamische Signale werden durch die beiden Filter gefiltert und dem Schwellwertschalter D1 nicht zugeführt.
Die Spannungsbegrenzung D7 der Zündspannung Uz begrenzt die Zündspannung Uz idealerweise auf einen Wert, der leicht über der Schwellwertspannung des Schwellwertschalters D1 liegt.
Das Besondere an dieser Ausführungsform ist es, dass der erste Tiefpassfilter C2+R2 in seiner Eingangsspannung, also der Sensorspannung Us nicht begrenzt wird. Ein hartes Ziel oder eine hohe Munitionsgeschwindigkeit hat auch eine starke Verzögerung zur Folge, sodass der aktive Sensor in kurzer Zeit viel Energie in Form von Ladung liefert, die in dem Kondensator C1 in einen hohen Spannungsimpuls gewandelt wird. Eine hohe Spannung verkürzt die Zeit, die benötigt wird, um den ersten Tiefpasskondensator C2 zu laden und um den Schwellwertschalter D1 durchzuschalten. Damit ist der Zündimpuls sehr dynamisch. Ist das Ziel weich oder die Munition langsamer, verzögert sich auch geringfügig der Auslöseimpuls, also die Zündspannung Uz. Durch richtige Parametrierung, also Einstellung der Filter kann man die Auslösecharakteristik des Aufschlagzünders somit innerhalb bestimmter Grenzen einstellen.
Um die beim Durchschalten des Schwellwertschalters D1 gelieferte Zündspannung Uz auf einen gewissen Wert zu begrenzen, ist eine Spannungsbegrenzung D7 vorgesehen. Im vorliegenden Fall durch eine Zenerdiode bzw. eine Suppressordiode. Spannungen oberhalb der Durchbruchspannung dieser Zener- bzw. Suppressordiode werden über die Diode kurzgeschlossen, sodass die Zündspannung Uz auf eine maximale Spannung begrenzt wird.
Der Widerstand R7 kompensiert Leckströme.
Weiterhin ist eine Diode D2 in Reihe zur Zündspannung Uz vorgesehen, welche die elektronische Schaltung des Aufschlagzünders vor rückgekoppelten Strömen schützen soll.
Damit die Eingangsbegrenzung (Q1) in einfacher Art und Weise vor oder nach dem Widerstand des Tiefpassfilters (R2) angeordnet werden kann, ist ein Auftrennen der Verbindungen 21-22 vorgesehen sowie ein Verbinden der Verbindungen 22-23.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die o. g. Merkmale beschränkt, vielmehr sind weitere Ausführungsformen denkbar. So könnte eine Sicherung vorgesehen sein, die nach einer programmierten Zeit die Aufschlagfunktion des Zünders erst aktiviert.-Ebenso könnten zur genaueren Einstellung der Aufschlagscharakteristik, also zur Einstellung der Dynamik die Übertragungsfunktion programmierbar und/oder auch Tief- und Hochpässe höherer Ordnung eingesetzt werden.
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