WO2004088237A1 - Suchkopf mit nick-gier-innenkardansystem - Google Patents

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WO2004088237A1
WO2004088237A1 PCT/EP2004/002956 EP2004002956W WO2004088237A1 WO 2004088237 A1 WO2004088237 A1 WO 2004088237A1 EP 2004002956 W EP2004002956 W EP 2004002956W WO 2004088237 A1 WO2004088237 A1 WO 2004088237A1
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WO
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gimbal
axis
roll axis
seeker head
cardanic
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PCT/EP2004/002956
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Hagen Kempas
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Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Diehl Defence GmbH and Co KG
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Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
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    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2253—Passive homing systems, i.e. comprising a receiver and do not requiring an active illumination of the target
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2213—Homing guidance systems maintaining the axis of an orientable seeking head pointed at the target, e.g. target seeking gyro
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F41—WEAPONS
    • F41G—WEAPON SIGHTS; AIMING
    • F41G7/00—Direction control systems for self-propelled missiles
    • F41G7/20—Direction control systems for self-propelled missiles based on continuous observation of target position
    • F41G7/22—Homing guidance systems
    • F41G7/2273—Homing guidance systems characterised by the type of waves
    • F41G7/2293—Homing guidance systems characterised by the type of waves using electromagnetic waves other than radio waves

Definitions

  • the invention relates to a seeker head with a roll axis and a pitch-yaw inner gimbal system, comprising an inner gimbal, which is pivotably mounted on a bearing structure about a first gimbal axis, and an outer gimbal frame, which carries a finder system of the seeker head, and which extends around a second, is pivotally mounted to the first vertical gimbal on the inner gimbal.
  • Such search heads are used in particular in target-tracking missiles.
  • An optical system as a viewfinder system generates an image of an object scene containing the target on a detector. From the signals of the detector, signals are obtained which keep the optical axis of the optical system aligned with the target. In addition, steering signals are obtained from the signals of the detector, through which the missile is guided to the target.
  • a platform carrying the optical system and thus the direction of the optical axis of the optical system are decoupled from the movements of the missile by an inertial measuring system. If a control loop keeps the optical axis aligned with the target, the optical axis corresponds to the line of sight from the missile to the target.
  • the rate of rotation of the line of sight in the inertial space can then be determined from the movement of the optical axis relative to the stabilized platform.
  • the steering signals are made proportional to the rate of rotation of the line of sight.
  • the platform must be gimbaled so that the optical axis of the optical system can assume any position within a certain solid angle.
  • the gimbal mounting can be a pitch-yaw mounting.
  • a first gimbal is about a first axis substantially transverse to the longitudinal axis of the missile, z. B. the pitch axis, pivoted relative to the missile structure.
  • the first gimbal On the first gimbal is a second gimbal about a second axis, for. B. the yaw axis, pivotally mounted, which is perpendicular to the first axis.
  • This second gimbal supports or forms the platform on which the optical system sits.
  • the first gimbal mounted on the missile structure can be the outer gimbal, while the second gimbal forms the inner gimbal.
  • the first gimbal mounted on the missile structure can then also be the inner gimbal, the second gimbal bearing or forming the platform being the outer gimbal. In this case one speaks of a " réellekardansystem ".
  • the gimbal system then sits within the platform. This latter arrangement is preferred for spatial reasons.
  • the swivel angle of the platform and thus the squint angle, which form the optical axis with the longitudinal axis of the missile, are limited for design reasons.
  • the viewfinder can only capture a target in a limited field of view.
  • a seeker head with pitch-yaw inner gimbal system is described, for example, in DE 195 35 886 AI or EP 0 766 065 B1.
  • a first, wave-like gimbal is rotatably mounted in the missile structure about a roll axis coinciding with the longitudinal axis of the missile.
  • This first gimbal can be rotated around the roll axis in an angular range of 360 ° with respect to the missile structure.
  • a second gimbal is pivotally mounted on the first gimbal frame about a pitch axis running perpendicular to the roll axis.
  • This second gimbal carries the optical system of the seeker head.
  • the second gimbal can be mounted in such a way that the optical axis of the optical system can be pivoted through an angle of approximately 90 ° with respect to the longitudinal axis of the missile. So squint angles of up to 90 ° are possible, in every direction around the roll axis around.
  • a search head constructed in this way can thus be aimed at a target within a half space.
  • a disadvantage of such roll-nick gimbal systems is that they show a singularity in the area of the roll axis: If the line of sight to the target, which the optical axis of the optical system is supposed to track by rotating the gimbal frame, coincides with the roll axis or runs close to it , then even small movements of the optical axis require large angular movements of the rolling frame. If z. For example, if the line of sight to the target is moved through the roll axis, then the roller frame, in order to track the optical axis of this line of sight, would have to perform a rotation of 180 ° practically in an infinitely short time. This exceeds the possibilities of conventional servomotors.
  • the invention has for its object to provide a gimbal system for a seeker head, in which the tracking of the platform and the finder system takes place without singularities, but which allows large squint angles and the detection of targets in a large field of view.
  • this object is achieved in that the first gimbal axis forms an acute angle with the roll axis and the bearing structure is in turn mounted rotatably about the roll axis.
  • the gimbal system sits at an angle to the roll axis.
  • the swivel range of the outer gimbal with the viewfinder system is therefore asymmetrical to the roll axis. If you consider the central position of the inner frame, which can be swiveled around the first gimbal axis, the following results: If ⁇ denotes the acute angle and 2ß the swivel range of the outer frame around the second gimbal axis, then the maximum achievable squint angle between the roll axis and the axis of the viewfinder system 90 ° - ⁇ + ß. A larger squint angle can therefore be achieved.
  • the target is in azimuth from that by the Swiveling range of the gimbal system moves certain solid angle, this can be compensated for by rotating the gimbal system about the roll axis.
  • the solid angle determined by the swivel range of the gimbal system is tracked to the target.
  • the bearing structure rotatably supported about the roll axis is additionally rotatably supported about its own longitudinal axis.
  • the associated introduction of a further degree of freedom of rotation means that rotary movements of the roller frame can be compensated for by rotating the bearing structure about its longitudinal axis with the opposite direction of rotation. Rolling angles of over 360 °, which lead to excessive stress on electrical connecting lines and high-pressure couplings for gas feeds, no longer occur. The reliability or lifespan of the seeker head is thus increased.
  • the use of cost-intensive, high-pressure rotary couplings and slip rings for electrical taps can be dispensed with.
  • the mass to be rotated can be reduced by decoupling the pitch-yaw gimbal system from rolling movements of the rolling frame by means of the bearing structure which can be rotated about its longitudinal axis. Lower drive power is therefore required for movements around the roll axis and the overall volume of the roller frame can be reduced.
  • the pitch-yaw gimbal system is fixed with respect to its roll position to the missile structure by means of fixing means.
  • the fixing means can be toothed elements in the form of gearwheels, a gearwheel being integrated in the missile structure and a gearwheel between the pitch-yaw frame system and the new degree of freedom of rotation.
  • the pitch-yaw frame system rolls in the opposite direction about the longitudinal axis of the bearing structure when it is rotated about the roll axis.
  • the gears are molded parts made of plastic with a low weight. Plastic can be used because only small moments have to be transmitted. It makes sense to have Gears the same number of teeth to achieve a gear ratio of one.
  • the pitch-yaw gimbal system By rotating the roll axis and simultaneously untwisting it by rotating the bearing structure about its longitudinal axis, hereinafter also called the wobble axis, and fixing it by means of the fixing means, the pitch-yaw gimbal system is able to move around the longitudinal axis of the missile, ie. H. the roll axis to wobble at a fixed angle of (90 ° - ⁇ ) without generating rotating components in the roll axis.
  • the wobble angle is usually in a range of 15-30 °.
  • the mechanical fixation eliminates the need for drive and tapping elements for generating a rotary movement of the bearing structure about its longitudinal axis, for example in the form of an electric motor and electrical connecting lines. This results in further savings in terms of mass and volume.
  • the clearing angle at which the optical axis of the optical system can be deflected by pivoting movements about the first and the second cardan axis advantageously contains the roll axis.
  • an inertia measuring unit can be provided, by means of which servomotors can be controlled about the first and the second gimbal axis, an actuating motor acting around the roll axis being provided which, when the inner gimbal frame approaches its stop position, can be controlled in the sense of a tracking of this inner gimbal away from the stop position.
  • the axis of the finder system can thus be directed to any point within a large solid angle extending around the roll axis. Stabilization is carried out using the pitch-yaw gimbal system. This nick
  • Yaw gimbal system also has no singularity in the area of the roll axis.
  • the pitch-yaw Cardan system only normal adjustment movements. There is no need for a 180 ° turn as with a roll-pitch gimbal system.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through a seeker head with an inclined pitch-yaw gimbal system and an additional tracking movement about the roll axis.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the tracking of the
  • Finder system for a line of sight to a target.
  • Fig. 3 is a diagram illustrating the enlargement of the
  • Range of allowable squint angles of the seeker head of FIG. 1 1.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a seeker head with an inclined pitch-yaw gimbal system and with a bearing structure rotatably mounted about a roll axis and its own longitudinal axis.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through a seeker head according to FIG. 4 with
  • Fixing means for the pitch-yaw gimbal system with respect to a roll position of the missile structure Fixing means for the pitch-yaw gimbal system with respect to a roll position of the missile structure.
  • 1, 10 denotes the tip of the missile structure of a target-tracking missile.
  • the tip 10 is closed by a spherical window (dome) 12.
  • a search head Behind the dome 12 is a search head, which is designated 14.
  • the seeker head 14 contains a table 16 which is rotatable about a roll axis 18 coinciding with the longitudinal axis of the missile in the tip 10 of the missile.
  • body structure is stored.
  • a sleeve-shaped bearing body 20 sits on the table.
  • the bearing body 20, also called the bearing structure, is arranged inclined to the roll axis 18.
  • an inner frame 22 is pivotally mounted about a first gimbal axis 24 perpendicular to the longitudinal axis of the bearing body 20. This is shown in Fig. 1 to the right of the longitudinal axis of the bearing body 20. Due to the inclined arrangement of the bearing body
  • the first gimbal axis 24 forms an acute angle ⁇ with the roll axis (FIG. 3).
  • a section perpendicular to the section on the right-hand side is shown to the left of the longitudinal axis of the bearing body 20.
  • an outer frame, which is generally designated by 26 is pivotably mounted on the inner frame 22.
  • the outer frame 26 is pivotally mounted about a second cardan shaft 28, which runs perpendicular to the first cardan shaft 24. If the first gimbal axis 24 in the right part of FIG. 1 runs in the paper plane of FIG. 1, then the second gimbal axis 28 runs perpendicular to the paper plane of the right side of FIG. 1 in relation to this.
  • a viewfinder system 30 in the form of an imaging optical system sits on the outer frame 26.
  • This viewfinder system 30 contains an annular concave mirror 32 which is mounted with its central opening on the outer frame 26.
  • the outer frame 26 has a dome part 34.
  • the dome part 34 carries
  • Crosspieces 36 which carry a weakly convex secondary mirror 38 facing the concave mirror 32.
  • the dome part 34 forms a holder 40 for a lens optic 42.
  • Parallel incident light from an object scene lying in infinity is reflected by the concave mirror 32 onto the secondary mirror 38 and directed by the latter to the lens optic 42.
  • the optical system creates a
  • a detector 44 Image of the object scene on a detector 44.
  • the detector 44 is cooled in the usual way by a Joule-Thomson cooler 46 which is arranged inside the sleeve-shaped bearing body 20.
  • an inertial sensor unit 48 is arranged similarly to DE 195 38 886 AI.
  • the cardan axis 24 and 28 and the roll axis 18 intersect at a common intersection 50.
  • the structurally fixed detector 44 is arranged in the region of this common intersection 50.
  • the dome 12 is around the intersection 50 curved.
  • the outer gimbal 26 is mounted so that it can be given away on all sides.
  • the gimbals 22 and 26 are arranged within the viewfinder system 30.
  • the viewfinder system 30 sits on the outer gimbal frame 26.
  • the table 16 can be rotated about the roll axis by a servomotor 52.
  • a servomotor 52 At the table 16 sit 54 on a spherical surface 54 magnets 56 with a spherical shell-shaped magnetic yoke 58.
  • the magnets 56 generate a radial magnetic field.
  • Flat coils 60 which are connected to the outer gimbal frame 26, are seated in this radial magnetic field.
  • These magnets 56 and flat coils 60 form torque generators 62 which act directly on the outer gimbal frame 26.
  • This arrangement corresponds in principle to the torque generator arrangement according to EP 0 766 065 B1 and US Pat. No. 5,892,310, the disclosure of which is incorporated by reference.
  • the finder system 30 defines an optical axis 64.
  • the inertia sensor unit 48 controls the torque generators 62 in such a way that they stabilize the finder system 30 in space and decouple it from the movement of the missile.
  • the detector 44 of the viewfinder system 30 delivers storage signals which reflect the storage of a target detected by the viewfinder system from the optical axis 64.
  • the inertial sensors of the inertial sensor unit 48 are acted upon by these storage signals, so that they are precessed in accordance with the storage signals. The stabilized position of the optical axis is then tracked to the target.
  • FIG. 2 schematically shows the stabilization of the finder system 30 in space, the alignment of the optical axis 68 to the target.
  • the inertial sensor unit 48 stabilizes the seeker system 30 in space.
  • the inertial sensor unit 48 controls the torque generators 62 in the usual way. If there is a deposit of the line of sight to a target detected by the finder system 30 from the optical axis 68, then the deposit signals delivered to the finder system 30 are on the inertial sensors of the Inertial sensor unit 48 connected and precess these so that the stabilized optical axis 68 tracks the target.
  • the angle of the gimbal of the gimbal system is determined by angle sensors 70.
  • the roll-setting rotor 52 is controlled by the control device 72 in one or the other direction of rotation.
  • the roll servomotor 52 then rotates the table 16 with the entire gimbal system and the finder system 30 about the roll axis in such a way that the line of sight is again in the adjustment range of the gimbal system.
  • FIG. 3 illustrates the effect of the inclination of the first gimbal axis 24 with respect to the roll axis 18.
  • the first gimbal axis 24 forms an angle ⁇ with the roll axis 18.
  • the inner gimbal 22 is in its central position.
  • the plane of the inner gimbal 22 is then perpendicular to the paper plane in FIG. 3.
  • the outer gimbal 26 is then adjustable about the second gimbal axis 28 perpendicular to the paper plane between two stop positions, which positions 64 A and 64 B are symmetrical to a central position 64 M correspond to the optical axis 64.
  • the angle between the stop position 64 B and the roll axis 18 is ⁇ + 90 ° - ⁇ .
  • the maximum tilt angle of the finder system 30 relative to the roll axis 18 is approximately 70 ° in the embodiment shown.
  • the viewfinder system 30 can thus in the illustrated position of the table 16 an asymmetrical solid angle to the roll axis 18 up to z. B. 70 ° in the paper plane on the right side of Fig. 1. In the azimuth direction, the solid angle is limited by the stop position of the outer gimbal 26. Areas on the left in FIG. 1 are also not recorded because of the asymmetry.
  • optical axis 64 of the viewfinder system 30 can be aligned with the target by the gimbal system.
  • the optical axis 64 of the finder system 30 can thus be aligned with a target within a solid angle of 70 ° around the roll axis 18.
  • FIG. 4 shows a longitudinal section through a seeker head 15.
  • a bearing structure 20 is arranged inclined to the roll axis 18 by a wobble angle of (90 ° - ⁇ ).
  • the bearing structure 20 is rotatably supported about its longitudinal axis or wobble axis 21 and the roll axis 18 by the bearings 23 and 25, respectively.
  • FIG. 5 shows a longitudinal section through the seeker head 15 according to FIG. 4.
  • the fixing means 27 is a gearwheel integrated coaxially to the missile longitudinal axis or roll axis 18 in the missile structure 10.
  • the fixing means 29, also a gearwheel, is arranged at the wobble angle of (90 ° -), which corresponds to 20 ° in the drawing, on the pitch-yaw gimbal system consisting of the inner frame 22 and outer frame 26 with the degree of freedom of rotation of the wobble axis 21.
  • the two gear wheels 27, 29 have different radii and a profile shift matched to them.

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Abstract

Suchkopf (14, 15) mit einer Rollachse (18) und einem Nick-Gier-Innenkardansystem, enthaltend einen inneren Kardanrahmen (22), der um eine erste Kardanachse (24) schwenkbar an einer Lagerstruktur (20) gelagert ist, und einen äusseren, ein Suchersystem (30) des Suchkopfs tragenden Kardanrahmen (26), der um eine zweite, zu der ersten senkrechten Kardanachse (28) auf dem inneren Kardanrahmen (22) schwenkbar gelagert ist. Es soll ein Kardansystem für einen Suchkopf (14, 15) geschaffen werden, bei welchem die Nachführung der Plattform und des Suchersystems (30) ohne Singularitäten erfolgt, welches aber grosse Schielwinkel und die Erfassung von Zielen in einem grossen Gesichtsfeld gestattet. Zu diesem Zweck bildet die erste Kardanachse (24) mit der Rollachse (18) einen spitzen Winkel (alpha). Die Lagerstruktur (20) ist ihrerseits um die Rollachse (18) drehbar gelagert. Der Raumwinkel, in welchem die optische Achse (64) des Suchersystems (30) durch Schwenkbewegungen um die erste und die zweite Kardanachse (24, 28) auslenkbar ist, enthält die Rollachse (18).

Description

Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, 88662 Überlingen
Suchkopf mit Nick-Gier-Innenkardansystem
Die Erfindung betrifft einen Suchkopf mit einer Rollachse und einem Nick-Gier- ϊnnenkardansystem, enthaltend einen inneren Kardanrahmen, der um eine erste Kardanachse schwenkbar an einer Lagerstruktur gelagert ist, und einen äußeren, ein Suchersystem des Suchkopfs tragenden, Kardanrahmen, der um eine zweite, zu der ersten senkrechte Kardanachse auf dem inneren Kardanrahmen schwenkbar gelagert ist.
Solche Suchköpfe werden insbesondere in zielverfolgenden Flugkörpern angewandt. Ein optisches System als Suchersystem erzeugt ein Bild einer das Ziel ent- haltenden Objektszene auf einem Detektor. Aus den Signalen des Detektors werden einmal Signale gewonnen, welche die optische Achse des optischen Systems auf das Ziel ausgerichtet halten. Außerdem werden aus den Signalen des Detektors Lenksignale gewonnen, durch welche der Flugkörper zu dem Ziel geführt wird. Üblicherweise wird dabei eine das optische System tragende Plattform und damit die Richtung der optischen Achse des optischen Systems durch ein Trägheitsmesssystem von den Bewegungen des Flugkörpers entkoppelt. Wenn durch einen Regelkreis die optische Achse ständig auf das Ziel ausgerichtet gehalten wird, entspricht die optische Achse der Sichtlinie vom Flugkörper zum Ziel. Aus der Bewegung der optischen Achse relativ zu der stabilisierten Plattform kann dann die Drehrate der Sichtlinie im inertialen Raum bestimmt werden. Bei üblicher Proportionalnavigation wird der Flugkörper so geführt, dass diese Sichtlinie raumfest bleibt. Die Lenksignale werden dazu proportional zu der Drehrate der Sichtlinie gemacht. Die Plattform muss dabei kardanisch gelagert werden, so dass die optische Achse des optischen Systems jede beliebige Position innerhalb eines bestimmten Raumwinkels einzuvernehmen vermag. Die kardanische Lagerung kann dabei eine Nick-Gier-Lagerung sein. Dabei ist ein erster Kardanring um eine erste im wesentlichen quer zur Flugkörper-Längsachse verlaufende Achse, z. B. die Nickachse, gegenüber der Flugkörperstruktur schwenkbar gelagert. An dem ersten Kardanring ist ein zweiter Kardanring um eine zweite Achse, z. B. die Gierachse, schwenkbar gelagert, die senkrecht zu der ersten Achse verläuft. Dieser zweite Kardanring trägt oder bildet die Plattform, auf welcher das optische System sitzt. Dabei kann der an der Flugkörperstruktur gelagert eerste Kardanring der äußere Kardanring sein, während der zweite Kar- danring den inneren Kardanring bildet. Man spricht dann von einem „Außenkar- dansystem". Der an der Flugkörperstruktur gelagerte erste Kardanring kann ab er auch der innere Kardanring sein, wobei der zweite, die Plattform tragende oder bildende Kardanring der äußere Kardanring ist. In diesem Fall spricht man von einem „Innenkardansystem". Das Kardansystem sitzt dann innerhalb der Platt- form. Diese letztere Anordnung wird aus räumlichen Gründen bevorzugt.
Bei einem solchen Nick-Gier-Kardansystem sind die Schwenkwinkel der Plattform und damit die Schielwinkel, welche die optische Achse mit der Flugkörper- Längsachse bilden, aus konstruktiven Gründen beschränkt. Der Sucher kann ein Ziel nur in nur einem begrenzten Gesichtsfeld erfassen.
Ein Suchkopf mit Nick-Gier-Innenkardansystem ist beispielsweise beschrieben in der DE 195 35 886 AI oder der EP 0 766 065 Bl.
Größere Schielwinkel lassen sich erreichen mit einem Roll-Nick-Kardansystem.
Hier ist ein erster, wellenartiger Kardanrahmen um eine mit der Flugkörper- Längsachse zusammenfallende Rollachse in der Flugkörperslruktur drehbar gelagert. Dieser erste Kardanrahmen kann gegenüber der Flugkörperstruktur um die Rollachse in einem Winkelbereich von 360° verdreht werden. An dem ersten Kar- danrahmen ist ein zweiter Kardanrahmen um eine senkrecht zur Rollachse verlaufende Nickachse schwenkbar gelagert. Dieser zweite Kardanrahmen trägt das optische System des Suchkopfes. Der zweite Kardanrahmen kann so gelagert werden, dass die optische Achse des optischen Systems um einen Winkel von ungefähr 90° gegenüber der Längsachse des Flugkörpers verschwenkt werden kann. Es sind also Schielwinkel bis 90° möglich, und zwar in jeder Richtung um die Roll- achse herum. Ein so aufgebauter Suchkopf kann somit innerhalb eines Halbraumes auf ein Ziel ausgerichtet werden.
Suchköpfe mit Roll-Nick-Kardansysternen sind bekannt durch die DE 33 17 232 AI und die DE 198 24 899 Cl.
Nachteilig ist bei solchen Roll-Nick-Kardansystemen, dass sie im Bereich der Rollachse eine Singularität zeigen: Wenn die Sichtlinie zum Ziel, der die optische Achse des optischen Systems durch Verdrehung der Kardanrahmen nachgeführt werden soll, mit der Rollachse zusammenfällt oder in deren Nähe verläuft, dann erfordern schon kleine Bewegungen der optischen Achse große Winkelbewegungen des Rollrahmens. Wenn sich z. B. die Sichtlinie zum Ziel durch die Rollachse hindurchbewegt, dann müsste der Rolhahmen, um die optische Achse dieser Sichtlinie nachzuführen, praktisch in unendlich kurzer Zeit eine Drehung um 180° ausführen. Das übersteigt die Möglichkeiten üblicher Stellmotoren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kardansystem für einen Suchkopf zu schaffen, bei welchem die Nachführung der Plattform und des Suchersystems ohne Singularitäten erfolgt, welches aber große Schielwinkel und die Erfassung von Zielen in einem großen Gesichtsfeld gestattet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die erste Kardanachse mit der Rollachse einen spitzen Winkel bildet und die Lagerstruktur ihrerseits um die Rollachse drehbar gelagert ist.
Dadurch, dass die erste Kardanachse mit der Rollachse einen spitzen Winkel bildet, sitzt das Kardansystem schräg zu der Rollachse. Der Schwenkbereich des äußeren Kardanrahmens mit dem Suchersystem ist dadurch unsymmetrisch zu der Rollachse. Betrachtet man die Mittellage des um die erste Kardanachse schwenk- baren Innenrahmens, dann ergibt sich folgendes: Bezeichnet man mit α den spitzen Winkel und mit 2ß den Schwenkbereich des Außenrahmens um die zweite Kardanachse, dann ist der maximal erreichbare Schielwinkel zwischen der Rollachse und der Achse des Suchersystems 90°-α+ß. Es kann also ein größerer Schielwinkel erreicht werden. Wenn das Ziel im Azimut aus dem durch den Schwenkbereich des Kardansystems bestimmten Raumwinkel auswandert, kann dies durch eine Drehung des Kardansystems um die Rollachse ausgeglichen werden. Der durch den Schwenkbereich des Kardansystems bestimmte Raumwinkel wird dem Ziel nachgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die um die Rollachse drehbar gelagerte Lagerstruktur zusätzlich um ihre eigene Längsachse drehbar gelagert. Durch die damit verbundene Einführung eines weiteren Drehfreiheitsgrades sind Drehbewegungen des Rolhahmens durch Drehbewegungen der Lagerstruktur um ihre Längsachse mit entgegen gesetztem Drehsinn kompensierbar. Rollwinkel von über 360 °, die zu übermäßiger Belastung von elektrischen Verbindungsleitungen und Hochdruckkupplungen für Gaszuführungen führen, treten nicht mehr auf. Die Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer des Suchkopfs wird somit erhöht. Zudem kann bei dieser Ausgestaltung auch auf den Einsatz von kos- tenintensiven und hohen Platzbedarf benötigenden Hochdruckdrehkupplungen und Schleifringen für elektrische Abgriffe verzichtet werden. Durch die Entkopplung des Nick- Gier-Kardansystems von Rollbewegungen des Rollrahmens durch die um ihre Längsachse drehbare Lagerstruktur kann die zu drehende Masse reduziert werden. Für Bewegungen um die Rollachse sind somit geringere Antriebs- leistungen erforderlich und das Bauvolumen des Rolhahmens kann reduziert werden.
Zweckmäßigerweise ist eine Fixierung des Nick-Gier-Kardansystems bezüglich seiner Rolllage zur Flugkörperstruktur mittels Fixierungsmitteln vorgesehen. Bei den Fixierungsmitteln kann es sich um Verzahnungselemente in Form von Zahnrädern handeln, wobei ein Zahnrad in der Flugkörperstruktur und ein Zahnrad zwischen dem Nick-Gier-Rahmensystem und dem neuen Drehfreiheitsgrad integriert ist. Mit anderen Worten rollt das Nick-Gier-Rahmensystem bei einer Drehung um die Rollachse mit gegenläufigem Drehsinn um die Längsachse der La- gerstruktur. Geschickterweise handelt es sich bei den Zahnrädern um Formteile aus Kunststoff mit geringem Gewicht. Kunststoff kann deswegen eingesetzt werden, weil nur geringe Momente zu übertragen sind. Sinnvollerweise besitzen die Zahnräder die gleiche Anzahl von Zähnen, um ein Übersetzungsverhältnis von eins zu erreichen.
Durch ein Drehen der Rollachse und gleichzeitiges Entdrehen durch eine Dreh- bewegung der Lagerstruktur um ihre Längsachse, im folgenden auch Taumelachse genannt, und Fixierung mittels der Fixierungsmittel ist das Nick-Gier- Kardansystem in der Lage, um die Flugkörperlängsachse, d. h. die Rollachse, mit einem festen Winkel von (90° - α) zu taumeln ohne dabei Drehkomponenten in der Rollachse zu erzeugen. Der Taumelwinkel liegt üblicherweise in einem Be- reich von 15 -30 °. Eine Bilddrehung gegenüber dem Flugkörperkoordinatensystem findet nicht statt. Durch die mechanische Fixierung kann auf Antriebs- und Abgriffselemente für die Erzeugung einer Drehbewegung der Lagerstruktur um ihre Längsachse, wie beispielsweise in Form von einem Elektromotor und elektrischen Verbindungsleitungen, verzichtet werden. Dadurch wird eine weitere Mas- sen- und Bauvolumenersparnis erreicht.
Vorteilhafterweise enthält der Räumwinkel, in welchem die optische Achse des optischen Systems durch Schwenkbewegungen um die erste und die zweite Kardanachse auslenkbar ist, die Rollachse.
Zur Stabilisierung des optischen Systems im Raum kann eine Trägheitsmesseinheit vorgesehen sein, durch welche Stellmotoren um die erste und die zweite Kardanachse ansteuerbar sind, wobei ein um die Rollachse wirkender Stellmotor vorgesehen ist, der dann, wenn sich der innere Kardanrahmen seiner Anschlagstel- lung nähert, im Sinne einer Nachführung dieses inneren Kardanrahmens weg von der Anschlagstellung ansteuerbar ist.
Die Achse des Suchersystems kann so auf jeden Punkt innerhalb eines großen, sich um die Rollachse herum erstreckenden Raumwinkels gerichtet werden. Die Stabilisierung erfolgt dabei mittels des Nick-Gier-Kardansystems. Dieses Nick-
Gier-Kardansystem hat auch im Bereich der Rollachse keine Singularität. Bei einem Durchgang der Sichtlinie durch die Rollachse führt das Nick-Gier- Kardansystem nur normale Stellbewegungen aus. Es ist kein 180°-Umschlag erforderlich wie bei einem Roll-Nick-Kardansystem.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeich- nung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in
Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Suchkopf mit schräg liegen- dem Nick-Gier-Kardansystem und einer zusätzlichen Nachführbewegung um die Rollachse.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm und veranschaulicht die Nachführung des
Suchersystems nach einer Sichtlinie zu einem Ziel.
Fig. 3 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung der Vergrößerung des
Bereichs der zulässigen Schielwinkel des Suchkopfes von Fig. 1.
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Suchkopf mit schräg liegen- dem Nick-Gier-Kardansystem und mit einer um eine Rollachse und ihre eigene Längsachse drehbar gelagerten Lagerstruktur.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch einen Suchkopf gemäß Fig. 4 mit
Fixierungsmitteln für das Nick-Gier-Kardansystem bezüglich einer Rolllage der Flugkörperstruktur.
Gleiche Teile werden dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In Fig. 1 ist mit 10 die Spitze der Flugkörperstruktur eines zielverfolgenden Flug- körpers bezeichnet. Die Spitze 10 ist durch ein sphärisches Fenster (Dom) 12 abgeschlossen. Hinter dem Dom 12 sitzt ein Suchkopf, der mit 14 bezeichnet ist.
Der Suchkopf 14 enthält einen Tisch 16, der um eine mit der Längsachse des Flugkörpers zusammenfallende Rollachse 18 drehbar in der Spitze 10 der Flug- körperstruktur gelagert ist. Auf dem Tisch sitzt ein hülsenförmiger Lagerkörper 20. Der Lagerkörper 20, auch Lagerstruktur genannt, ist geneigt zur Rollachse 18 angeordnet. An dem vorderen oder domseitigen Ende des Lagerköpers 20 ist ein Innenrahmen 22 um eine erste, zur Längsachse der Lagerkörpers 20 senkrechte Kardanachse 24 schwenkbar gelagert. Das ist in Fig. 1 rechts von der Längsachse des Lagerköpers 20 dargestellt. Durch die geneigte Anordnung des Lagerkörpers
20 bildet die erste Kardanachse 24 mit der Rollachse einen spitzen Winkel α (Fig. 3). Links von der Längsachse des Lagerkörpers 20 ist ein Schnitt senkrecht zu dem Schnitt auf der rechten Seite dargestellt. Man erkennt dort, dass auf dem In- nenrahmen 22 ein Außenrahmen schwenkbar gelagert ist, der generell mit 26 bezeichnet ist. Der Außenrahmen 26 ist um eine zweite Kardanachse 28 schwenkbar gelagert, die senkrecht zu der ersten Kardanachse 24 verläuft. Wenn die erste Kardanachse 24 im rechten Teil von Fig. 1 in der Papierebene von Fig. 1 verläuft, dann verläuft bezogen hierauf die zweite Kardanachse 28 senkrecht zu der Papier- ebene der rechten Seite von Fig. 1.
Auf dem Außenrahmen 26 sitzt ein Suchersystem 30 in Form eines abbildenden optischen Systems. Dieses Suchersystem 30 enthält einen ringförmigen Hohlspiegel 32, der mit seinem zentralen Durchbruch auf dem Außenrahmen 26 montiert ist. Der Außenrahmen 26 weist einen Kuppelteil 34 auf. Der Kuppelteil 34 trägt
Stege 36, welche einen dem Hohlspiegel 32 zugewandten, schwach konvexen Sekundärspiegel 38 tragen. Der Kuppelteil 34 bildet eine Fassung 40 für eine Linsenoptik 42. Parallel einfallendes Licht von einer im Unendlichen liegenden Objektszene wird von dem Hohlspiegel 32 auf den Sekundärspiegel 38 reflektiert und von diesem auf die Linsenoptik 42 gelenkt. Das optische System erzeugt ein
Bild der Objektszene auf einem Detektor 44. Der Detektor 44 wird in üblicher Weise von einem Joule-Thomson-Kühler 46 gekühlt der innerhalb des hülsenför- migen Lagerkörpers 20 angeordnet ist. Auf der Rückseite des Sekundärspiegels 38 ist ähnlich wie bei der DE 195 38 886 AI eine Trägheitssensoreneinheit 48 angeordnet.
Die Kardanachse 24 und 28 und die Rollachse 18 schneiden sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt 50. Im Bereich dieses gemeinsamen Schnittpunktes 50 ist der strukturfeste Detektor 44 angeordnet. Der Dom 12 ist um den Schnittpunkt 50 gekrümmt. Um diesen Schnittpunkt 50 ist der äußere Kardanrahmen 26 nach allen Seiten verschenkbar gelagert. Bei dieser Anordnung sind die Kardanrahmen 22 und 26 innerhalb des Suchersystems 30 angeordnet. Das Suchersystem 30 sitzt auf dem äußeren Kardanrahmen 26. Man spricht daher von einem „Innenkardan- System".
Der Tisch 16 ist durch einen Stellmotor 52 um die Rollachse verdrehbar. An dem Tisch 16 sitzen auf einer sphärischen Fläche 54 Magnete 56 mit einem kugelscha- lenförmigen magnetischen Rückschluss 58. Die Magnete 56 erzeugen ein radiales Magnetfeld. In diesem radialen Magnetfeld sitzen Flachspulen 60, die mit dem äußeren Kardanrahmen 26 verbunden sind. Diese Magnete 56 und Flachspulen 60 bilden Drehmomenterzeuger 62, welche unmittelbar an dem äußeren Kardanrahmen 26 angreifen. Diese Anordnung entspricht im Prinzip der Drehmomenterzeuger-Anordnung nach der EP 0 766 065 Bl und der US-Patentschrift 5,892,310, auf deren Offenbarung Bezug genommen wird.
Das Suchersystem 30 definiert eine optische Achse 64. Durch die Trägheitssensoreneinheit 48 werden die Drehmomenterzeuger 62 so angesteuert, dass sie das Suchersystem 30 im Raum stabilisieren und von der Bewegung des Flugkörpers entkoppeln. Der Detektor 44 des Suchersystems 30 liefert nach geeigneter Signalverarbeitung Ablagesignale, welche die Ablage eines von dem Suchersystem er- fassten Zieles von der optischen Achse 64 wiedergeben. Mit diesen Ablagesignalen sind die Trägheitssensoren der Trägheitssensoreneinheit 48 beaufschlagt, so dass diese nach Maßgabe der Ablagesignale präzediert werden. Die stabilisierte Lage der optischen Achse wird so dem Ziel nachgeführt.
Fig. 2 zeigt schematisch die Stabilisierung des Suchersystems 30 im Raum die Ausrichtung der optischen Achse 68 auf das Ziel.
Die Stabilisierung des Suchersystems 30 im Raum erfolgt durch die Trägheitssensoreneinheit 48. Die Trägheitssensoreinheit 48 steuert in üblicher Weise die Drehmomenterzeuger 62 an. Wenn eine Ablage der Sichtlinie zu einem von dem Suchersystem 30 erfassten Ziele von der optischen Achse 68 vorliegt, dann sind die dem Suchersystem 30 gelieferten Ablagesignale auf die Trägheitssensoren der Trägheitssensoreinheit 48 aufgeschaltet und präzedieren diese so, dass die stabilisierte optische Achse 68 dem Ziel nachgeführt wird.
Wie in Fig. 2 weiter dargestellt ist, werden durch Winkelgeber 70 die Rahrnen- winkel des Kardansystems bestimmt. Wenn diese Rahmenwinkel sich der Anschlagstellung des Innenrahmens nähern, dann wird der Roll-Stell otor 52 durch die Steuereinrichtung 72 in der einen oder der anderen Drehrichtung angesteuert. Der Roll-Stellmotor 52 verdreht dann den Tisch 16 mit dem gesamten Kardansystem und dem Suchersystem 30 um die Rollachse derart, dass die Sichtlinie wieder im Stellbereich des Kardansystems liegt.
Fig. 3 veranschaulicht die Wirkung der Schrägstellung der ersten Kardanachse 24 zu der Rollachse 18. Die erste Kardanachse 24 bildet mit der Rollachse 18 einen Winkel α. In Fig. 3 ist angenommen, dass sich der innere Kardanrahmen 22 sich in seiner Mittelstellung befindet. Die Ebene des inneren Kardanrahmens 22 liegt dann senkrecht zur Papierebene in Fig. 3. Der äußere Kardanrahmen 26 ist dann um die zu der Papierebene senkrechte zweite Kardanachse 28 zwischen zwei An- schlagstellungen verstellbar, die den Positionen 64 A und 64 B symmetrisch zu einer Mittelposition 64 M der optischen Achse 64 entsprechen. Der Winkel zwi- sehen der Anschlagposition 64 B und der Rollachse 18 ist ß+90°-α. Bei einem spitzen Winkel von 60° zwischen der ersten Kardanachse 24 und der Rollachse 18 ist bei der dargestellten Ausführung der maximale Kippwinkel des Suchersystems 30 relativ zu der Rollachse 18 etwa 70°. Das Suchersystem 30 kann somit in der dargestellten Position des Tisches 16 einen zu der Rollachse 18 unsymmetrischen Raumwinkel bis z. B. 70° in der Papierebene auf der rechten Seite von Fig. 1 erfassen. In der Azimutrichtung ist der Raumwinkel begrenzt durch die Anschlagstellung des äußeren Kardanrahmens 26. Nicht erfasst werden wegen der Un- symmetrie auch Bereiche links in Fig. 1.
Wenn der Innenrahmen 22 sich einer Anschlagposition nähert, dann wird, wie beschrieben, eine Drehung um die Rollachse 18 eingeleitet und der so durch die Anschlagpositionen begrenzte Raumwinkel der Sichtlinie zum Ziel nachgeführt, derart dass die Sichtlinie sich immer in dem Bereich des Raumwinkels befindet, /088237
10
in welchem die optische Achse 64 des Suchersystems 30 durch das Kardansystem auf das Ziel ausgerichtet werden kann.
Die optische Achse 64 des Suchersystems 30 kann somit innerhalb eines Raum- winkeis von 70° um die Rollachse 18 herum auf ein Ziel ausgerichtet werden.
Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch einen Suchkopf 15. Wie in Fig. 1 ist eine Lagerstruktur 20 um einen Taumelwinkel von (90° - α) zur Rollachse 18 geneigt angeordnet. Die Lagerstruktur 20 ist um ihre Längsachse bzw. Taumelachse 21 und die Rollachse 18 durch die Lager 23 bzw. 25 drehbar gelagert.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch den Suchkopf 15 gemäß Fig. 4. Zur Verdeutlichung der Konfiguration der Taumelachse 21 und der Fixierung von Innen- rahmen 22 und Außenrahmen 26 (beide in der Figur nicht sichtbar) mittels der Fixierungsmittel 27, 29 bezüglich ihrer Lage gegenüber der Rollachse 18 sind
Komponenten des Nick-Gier-Bereichs nicht dargestellt. Bei dem Fixierungsmittel 27 handelt es sich um ein koaxial zur Flugkörperlängsachse bzw. Rollachse 18 in die Flugkörperstruktur 10 integriertes Zahnrad. Das Fixierungsmittel 29, ebenfalls ein Zahnrad, ist unter dem Taumelwinkel von (90°- ), dieser entspricht in der Zeichnung 20 °, an dem Nick-Gier-Kardansystem aus Innenrahmen 22 und Außenrahmen 26 mit dem Drehfreiheitsgrad der Taumelachse 21 angeordnet. Die beiden Zahnräder 27, 29 besitzen unterschiedliche Radien und eine darauf abgestimmte Profilverschiebung.

Claims

Patentansprüche
1. Suchkopf (14, 15), enthaltend ein Suchersystem (30), eine Rollachse (18), einen inneren Kardanrahmen (22), der um eine erste Kardanachse (24) schwenkbar an einer Lagerstruktur (20) gelagert ist, und einen äußeren, das Suchersystem (30) tragenden, Kardanrahmen (26), der um eine zweite, zu der ersten senkrechte Kardanachse (28) auf dem inneren Kardanrahmen
(22) schwenkbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) die erste Kardanachse (24) mit einer Rollachse (18) einen spitzen Winkel (α) bildet und (b) die Lagerstruktur (20) ihrerseits um die Rollachse (18) drehbar gelagert ist.
2. Suchkopf (14, 15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstruktur (20) um ihre Längsachse (21) drehbar gelagert ist.
3. Suchkopf (14, 15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass
Fixierungsmittel zur Fixierung der Kardanrahmen (22, 26) bezüglich ihrer Lage gegenüber der Rollachse (18) vorgesehen sind.
4. Suchkopf (14, 15) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Fixierungsmittel (27, 29) ein erstes Zahnrad derart angeordnet ist, dass es in ein koaxial zur Rollachse (18) angeordnetes zweites Zahnrad eingreift.
5. Suchkopf (14, 15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumwinkel, in welchem die optische Achse (64) des Suchersystems (30) durch Schwenkbewegungen um die erste und die zweite Kardanachse (24, 28) auslenkbar ist, die Rollachse (18) enthält.
6. Suchkopf (14, 15) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass
(a) zur Stabilisierung des Suchersystems (30) im Raum eine Trag heitsmesseinheit (48) vorgesehen ist, durch welche Stellmotoren (62) um die erste und die zweiten Kardanachse (24, 28) an steuerbar sind und
(b) ein um die Rollachse (18) wirkender Stellmotor (52) vorgesehen, der dann, wenn sich der innere Kardanrahmen (22) sei- ner Anschlagstellung nähert, im Sinne einer Nachfuhrung dieses inneren Kardanrahmens (22) weg von der Anschlagstellung ansteuerbar ist.
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