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Steuervorrichtung für ein Geschoß mit Eigendrehung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuervorrichtung für ein Geschoß
mit Eigendrehung.
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Aus der französischen Patentschrift 1 099 901 ist bereits eine Steuervorrichtung
für ein Geschoß vom Reaktionstyp bekannt, die in Form einer Umkehrvorrichtung für
den aus der Schubdüse des Geschosses kommenden Gasstrom ausgebildet ist und zur
Veränderung der Gasstromrichturig in den Gasstrom eindringt.
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Bei Verwendung einer solchen Vorrichtung, die als Strahl regler bezeichnet
wird und zur Steuerung von Geschossen mit Eigendrehung dient, läßt sich die Größenordnung
und damit die normale Beschleunigung auf der Geschoßbahn dadurch verändern, daß
die Umkehrvorrichtung längere
oder kürzere Zeit in den Antriebsstrahl
eingetaucht wird. Auf diese Weise läßt sich eine normale Beschleunigung erreichen,
die kontinuierlich veränderbar ist.
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Die Steuervorrichtungen mit Strahiregler haben sich bei einer Flugdauer
von mehr als rund 10 bis 15 Sekunden als rentabel erwiesen. Da jeder Regler etwa
10 mal pro Sekunde eingesetzt wird, führt dies zu Abläufen, die zahlenmäßig in die
Hunderte geben und jeweils selbst veränderbar sind, was die Masse und den Preis
des Strahlreglers rechtfertigen würde.
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Bei kürzerer Flugdauer, beispielsweise von weniger als 5 Sekunden,
sind diese Strahl regler keine rentable Lösung mehr; hier gilt es nun, andere Mittel
zu finden, um die Steuerung des Geschosses sicherzustellen.
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Die Anmelderin hat festgestellt, daß zur Lösung dieses Problems es
von Vorteil ist, Impulsgeber einzusetzen, die aus sehr kleinen Antriebsaggregaten
bestehen und während einer Zeit T0 (To liegt dabei in der Größenordnung von 1/300
Sekunde) eine Schubkraft PO aufweisen.
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Daraus ergibt sich nun, daß der Verlauf der Antriebs- bzw. Schubkurve
nicht zwangsläufig rechteckig sondern auch anders sein kann, ohne daß sich an den
im folgenden Text angegebenen Schlußfolgerungen etwas ändert. Es wird einfach festgehalten,
daß der Gesamtimpuls des Impulsgeuers POTO ist und proportional zur Masse mO des
Pulvers.
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Ein solcher Impuls kann von jeder anderen Einrichtungen auch kommen,
beispielsweise von einem Impulsgeber, der aus einer Pistolen- oder Gewehrmunition
besteht, deren Kugel durch eine bröckelige Masse, beispielsweise Sintereisenfeilicht,
ersetzt wird und nach Austritt aus der Hülse durch die Luft gebremst wird.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung
für ein Geschoß zu schaffen, bei der kein sich bewegendes mechanisches Teil vorhanden
ist, so daß die Möglichkeit sehr starker Beschleunigung gegeben ist, und bei der
vorne am Geschoß vertretbare Massen angebracht sind, wodurch die Zentrierung leichter
wird, die Wirksamkeit erhöht wird und sich die störenden Phasenverschiebungen vermindern,
während eine kontinuierliche Steuerung erzielt wird, und zwar mit einem Lastfaktor
n, der sehr hohe Werte erreichen kann, wobei der Verbrauch an elektrischer Energie
sehr gering ist, so gering, daß er weit unter dem Energieverbrauch von Strahl reglern
liegt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Steuervorrichtung der
eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Vielzahl von Impulsgebern vorgesehen
ist, die aus sehr kleinen Antriebsaggregaten bestehen, die vor dem Schwerpunkt des
Geschosses in einem Abstand d von diesem angeordnet sind, und daß eine Steuereinrichtung
das Auslösen der Impulsgeber in einer vorgegebenen oder variablen Richtung mit einer
vorgegebenen oder variablen Frequenz T entsprechend einem vorgegebenen Gesetz zur
Steuerung oder entsprechend einem Rückkopplungssystem bzw. Servomechanismus ermöglicht.
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EnSindungsgemäß sind die Impuisgeber vorteilhafterweise in Ringen
oder Wendeln gruppiert. Sie sind vorzugsweise vor dem Schwerpunkt des Geschosses
in einem Abstand d von diesem angeordnet, wobei die Masse mO jedes Impulsgebers
eine Funktion dieses Åbstandes d ist. Auf diese Weise tragen die Impulsgeber direkt
zum Geschoßauftrieb bei, im Gegensatz zum Strahl regler, der notwendigerweise hinten
am Geschoß angebracht ist.
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Obrrdies laßt sich zeigen, daß bei Auslösung der wie vorbeschrieben
angeordneten erfindungsgemäßen Impulsgeber auf einem Geschoß mit
Eigendrehung
in Zeitabständen T und in der Weise, daß sie in derselben Richtung wirken, die normale
Beschleunigung auf der Geschoßbahn n (ausgedrückt in m/sek.2) des Projektils nach
Dämpfung der vernachlässigbaren Obergangsbewegungen wie folgt ist:
was gilt, wenn der Schub des Antriebsaggregats gleich dem Luftwiderstand ist. Ist
dies nicht der Fall, so enthält der Ausdruck in der eckigen Klammer einen Begriff,
der eine Funktion der Longitudinalbeschleunigung #e ist, jedoch ist n immer umgekehrt
proportional zu T.
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Im vorgenannten Begriff n stellt M die Gesamtmasse des Geschosses
dar, C ist der statische Bereich des Geschosses, d.h. der Abstand zwischen seinem
Schubzentrum und seinem Schwerpunkt, wobei Cx und C' jeweils den Luftwiderstandskoeffizienten
und den Auftriebsgradienten bezeichnen. Der Abstand d zwischen dem Impulsgeber und
dem Schwerpunkt des Geschosses ist positiv, wenn dieser Impulsgeber sich vor dem
Schwerpunkt befindet.
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Han wird feststellen, daß dann, wenn die Impulsgeber in einem anderen
Abstand d angeordnet sind und denselben Effekt erzielen sollen, es genügt, wenn
ihre Pulvermasse mO wie folgt ist:
= Konstante Mit anderen Worten ist die Masse mO des Impulsgebers eine Funktion vom
Abstand d zwischen diesem und dem Schwerpunkt des Geschosses.
Wenn
sich während des Fluges des Geschosses M, und d in Abhängigkeit von der Zeit verändern,
kann T folgendermaßen programmiert werden:
= Konstante In diesem Fall ist der Lastfaktor n für das Projektil konstant.
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Im vorstehenden wurde nicht die Eigendrehung des Geschosses berücksichtigt,
die solange vernachlässigbar ist, wie die Drehgeschwindigkeit des Geschosses unter
etwa 20 Ups liegt, im Fall einesOberschallgeschosses. Die Eigendrehung bringt einfach
in erster Näherung eine Winkelverschiebung zwischen der aufgegebenen Impulsrichtung
und der resultierenden normalen Beschleunigungsrichtung mit sich und kann durch
eine Winkelverschiebung in der angegebenen Größenordnung korrigiert werden, was
analog zu den Erfordernissen für die Spätzündung des Impulsgebers ist.
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Schließlich ist bekannt, daß man eine feste Richtung im Raum im Projektil
erzielen kann, beispielsweise mit Hilfe eines Gyroskops oder durch Integrierung
der Drehgeschwindigkeit des Geschosses, die beispielsweise mit Hilfe eines Aggregats
von Beschleunigungsmessern oder anderen geeigneten Einrichtungen gemessen wurd.
Diese Richtung kann auch die Richtung der Achse eines Leitstrahles sein, wie beispielsweise
in der französischen Patentschrift 74 36 678, eingereicht am 5. November 1974 unter
dem Titel "Verbesserungen bei der Steuerung eines Geschosses auf dessen Ziel hin"
und in dessen erstem Zusatz Nr. 74 41 992 vom 19. Dezember 1974 beschrieben ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich nun im wesentlichen
dadurch aus, daß sie eine Vielzahl von Impulsgebern aufweist, die jeweils aus sehr
klein bemessenen Antriebsaggregaten bestehen, und daß sie eine Steuereinrichtung
für die Auslösung der Impulsgeber in vorgegebener Richtung mit vorgegebener oder
variabler Frequenz aufweist.
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Gemäß einem anderen Merkmal der Erfindung wird jede Zündeinrichtung
für die Impulsgeber über einen elektronischen Flip-Flop mit Hilfe einer Energiespeichereinrichtung,
beispielsweise mittels eines kapazitiven Elementes, das mit einer Frequenz T gespeist
wird, gespeist, T wobei dieser Akkumulator solange geladen bleibt, bis einer der
elektronischen Flip-Flops durch die die Richtung der gewünschten Beschleunigung
angebenden Vorrichtung geschlossen wird.
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Daraus ist ersichtlich, daß diese Steuervorrichtung einen Lastfaktor
herbeiführen kann, der nicht von einer Rückkopplung abhängig ist, oder daß sie einen
Lastfaktor erzielen kann, der beispielsweise dazu dient, das Geschoß an einer Achse
zu steuern.
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Im ersteren Fall ist von Interesse, daß die Impulsgeber in einem Abstand
dC vom Schwerpunkt des Geschosses angeordnet werden, der so groß wie möglich sein
soll und vorzugsweise zum vorderen Ende zu liegt - wenn dies nicht möglich ist,
hinter dem Schwerpunkt, ohne größeren Nachteil - damit die Masse der Impulsgeber
so gering wie möglich gehalten wird.
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Bei Steuerung des Projektils an einer Achse läßt sich zeigen, daß
es von Interesse ist, wenn man eine steile Rückkopplung ohne über Gebühr die Korrekturschaltung
zu komplizieren erreichen will, daß das Verhältnis dC positiv und so klein wie möglich
ist (wobei gwie vorbeschrieben
den statischen Bereich des Geschosses
darstellt, d.h. den Abstand zwischen seinem Schubpunkt und dem Schwerpunkt), wobei
jedesmal zwischen den einander widersprechenden Erfordernissen, die nachstehend
beispielhaft aufgezählt sind, ein Kompromiss zu finden ist: - eine geringe Masse
der Impulsgeber; - eine hohe Verstärkung in der Steuerungsschleife sowie einen höheren
Phasenbereich bei vorgegebener Geschwindigkeit.
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Weiterhin sieht die Erfindung auch eine Variante der vorgenannten
Vorrichtung vor, die jedoch überdies die Durchführung der beiden vorgenannten Funktionen
gleichzeitig gestattet: a) Herbeiführung eines Lastfaktors, der nicht von einer
Rückkopplung abhängt; b) Erzielung eines zur Rückkopplung dienenden Lastfaktors.
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Die Vorrichtung bei dieser Variante zeichnet sich dadurch aus, daß
sie zwei voneinander getrennte Gruppen von Impulsgebern aufweist, und zwar eine
erste Gruppe, die so weit wie möglich vom Schwerpunkt entfernt liegt und nicht über
eine Steuerschaltung gesteuert wird, und eine zweite Gruppe zur Rückkopplung und
Steuerung des Geschosses, die vor dem Schwerpunkt liegt und umso näher am Schwerpunkt
ist, je steiler die Rückkopplung und Steuerung sein soll. Es liegt auf der Hand,
daß die beiden Gruppen von Impulsgebern in entsprechenden Abständen vom Schwerpunkt
liegen können, wenn die Anforderungen an die Steuerung nicht so hoch sind oder die
Erfordernisse der Konstruktion nicht so streng sind.
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Wie schon erwähnt, ist die erste Gruppe von Impulsgebern vorzugsweise
vorne am Geschoß angebracht, was jedoch nicht absolut erforderlich ist.
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Selbstverständlich können die Impulsgeber dieser beiden Gruppen die
vorgenannten Merkmale aufweisen.
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Es wurde bereits erwähnt, daß die verschiedenen Impulsgeber in Ringen
angeordnet sein können. Gemäß einem anderen Merkmal dieser Variante der Erfindung
sind die Impulsgeber der verschiedenen Ringe im wesentlichen auf derselben Mantellinie
angeordnet, und der Elektronikkreis zum Steuerung der elektrischen Zündeinrichtung
für die Impulsgeber weist einen Flip-Flop auf, der geschlossen ist, wenn sich die
Mantellinie in der richtigen Richtung befindet, um jeweils die Impulsgeber auf derselben
Mantellinie zu steuern, wobei jeder Impulsgeber außerdem mit Hilfe eines elektronischen
Flip-Flops entsprechend der vorbeschriebenen Anordnung gesteuert werden kann.
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Gemäß einem weiteren Merkmal ist jeder Impulsgeber von einem um eine
Achse angelenkten Blech überdeckt, die vorne liegt, wobei dieses Blech auch durch
ein Federblatt ersetzt werden kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Schemazeichnung.
Es zeigen: Fig. 1 einen teilueise abgebrochenen Aufriß eines Projektils mit den
erfindungsgemäßen Impulsgebern; Fig. 2 eine Teilansicht analog zu Fig. 1 mit der
Darstellung eines anderen Ausführungsbeispieles der Impulsgeberanordnung; Fig. 3
ein Grundschaitbiid der Steuereinrichtung für die impuisgeber; Fig. 4 einen Teilaufriß
eines Geschosses mit Impulsgebern, die entsprechend einer Erfindungsvariante gruppiert
sind; Fig. 5 das Grundschaltbild der Steuervorrichtung für die Impulsgeber gemäß
Fig. 4;
Fig. 6 einen Teilaufriß eines Geschosses mit einer anderen
erfindungsgemäßen Verbesserung, und Fig. 7 einen Teilaufriß in vergrößertem Maßstab
eines Ausschnittes aus Fig. 6.
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Aus Fig. 1 ist ein Geschoß mit Eigendrehung ersichtl'ch, das erfindungsgemäß
mit zwei Ringen C1 und C2 von Impulsgebern 10 ausgestattet ist. Diese Impulsgeber
sind aus Pulverantriebsaggregaten mit sehr kleinen Abmessungen gebildet, wie der
auseinandergezogene Abschnitt zeigt. Sie liegen in einem Abstand d vom Schwerpunkt
G des Geschosses. Bei diesem Beispiel ist d positiv, da die Impulsgeber vor G liegen.
Auf diese Weise tragen die Antriebseinheiten 10 direkt zum Geschoßauftrieb bei,
wie sich auch aus dem vorstehenden Text ergibt.
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Bei der aus Fig. 2 ersichtlichen Variante sind die Impulsgeber in
einer Wendel H angeordnet. Selbstverständlich können die Impulsgeber auch in anderer
Form angeordnet werden.
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Aus dem vorangegangenen ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Steuervorrichtung
außerdem eine Steuereinrichtung aufweist, mit der sich die Impulsgeber 10 in einer
vorgegebenen Richtung mit einer vorgegebenen oder variablen Frequenz T entsprechend
einem vorgegebenen Gesetz zur Steuerung oder entsprechend einem Rückkopplungssystem
bzw.
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Servomechanismus auslösen lassen.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen elektrischen Steuerkreis
für die Impulsgeber. Dabei sind drei Impulsgeber 10a, 10b und 10c dargestellt, deren
Zündeinrichtungen 14a, 14b, 14c mittels elektronischer Flip-Flops 12a, 12b, 12c
(die hier in Form von Unterbrechern dargestellt sind) mit einem kapazitiven Element
C verbunden sind, das mit einer Frequenz T von einer Batterie B geladen wird.
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Dieses kapazitive Element läßt sich auch im Rahmen der Erfindung durch
jede andere Energiespeichereinrichtung ersetzen. Die elektronischen Flip-Flops 12a,
12b, 12c sind geschlossen, wenn sich der entsprechende Impulsgeber in der gewünschten
Richtung befindet.
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Dieses kapazitive Element C wird vorteilhafterweise mit einer Vorrichtung
geschützt, die es möglich macht, daß es sich nicht entlädt, bevor es einen gewissen
Spannungswert nahe seiner Sollspannung und darüber erreicht hat, so daß es sich
nicht entlädt, wenn das Ladesignal von der Batterie anliegt. Als Beispiel für eine
solche Vorrichtung kann man eine Zenerdiode oder einen offenen Flipflop nennen.
Diese Vorrichtung, die während der Aufladung eine Entladung des kapazitiven Elementes
C verhindert, kann auch an jedem Flip-Flop 12a, 12b, 12c vorgesehen sein.
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Das kapazitive Element C bleibt solange aufgeladen, wie einer der
elektronischen Flip-Flops 12a, 12b und 12c durch die dieses in der gewünschten Richtung
auslösende Einrichtung geschlossen ist.
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Die elektronischen Flip-Flops können erfindungsgemäß mit Einrichtungen
zur Selbsthaltung versehen sein, damit ab dem Augenblick, in dem das kapazitive
Element C sich zur Zündeinrichtung für einen der Impulsgeber 10a, 10b, 10c hin zu
entladen beginnt, es sich dorthin auch weiter entlädt. Auf diese Weise wird eine
Lastverteilung von der Batterie B zwischen mehreren Flip-Flops verhindert. Zu diesem
Zweck kann man gespeiste Relais verwenden.
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Der elektronische Flip-Flop für die jeweilige Zündeinrichtung wird
mit einer Winkelvoreilung ßO unter Berücksichtigung der Spätzündung t0 und der Ladedauer
To des Impulsgebers geschlossen:
Gegebenenfalls ist hierzu die erforderliche Verschiebung zur Korrektur
der Gyroskopwirkung zu addieren.
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Die Zündeinrichtungen für die Impulsgeber sind erfindungsgemäß vorteilhafterweise
so ausgebildet, daß der elektrische Kreis nach seiner Funktion offen ist. Selbstverständlich
kann dies ebenfalls auf elektrischem Wege sichergestellt werden. In diesem Fall
entleert ein Impulsgeber, der bereits betätigt wurde, das kapazitive Element C nicht,
und wird nun der erste noch nicht gezündete Impulsgeber betätigt. Deshalb kann die
Zeit zwischen den beiden Zündungen der zwei Impulsgeber etwas länger oder kürzer
als T sein, jedoch ist im Mittel die Anzahl der Impulse korrekt.
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Wie schon erwähnt sieht die Erfindung eine Variante in Form einer
Gruppierung der Impulsgeber entsprechend derselben Funktion vor (Steuerung bzw.
Rückkopplung oder nicht), was insbesondere dann, wenn die Anzahl der Impulsgeber
sehr groß ist, von Interesse ist. Bei dieser Variante sind die Impulsgeber ringförmig
angeordnet, wobei die Impulsgeber verschiedener Ringe auf denselben Mantellinien
liegen.
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Aus Fig. 4 ist als Beispiel ein Geschoß mit drei Ringen C1, C2 und
C3 ersichtlich. Die jeweils den Ringen C1, C2 und C3 entsprechenden Elemente sind
mit Bezugszeichen mit den Indices 1, 2 und 3 versehen.
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Es ist ersichtlich, daß die Impulsgeber 10a1, 10a2 und 10a3 auf derselben
Mantellinie a oder nahe dieser Mantellinie liegen. In gleicher Weise sind die Impuisgeber
lOb1, laub2 und i0b3 auf derselben t4antellinie b bzw. nahe dieser angeordnet, während
die Impulsgeber 10c1, 10c2 und 10c3 auf derselben Mantellinie c bzw. nahe dieser
liegen.
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Bei Bezugnahme auf den elektrischen Steuerkreis für die Impulsgeber,
der in Fig. 5 abgebildet ist, wird man feststellen, daß jede Gruppe von Impulsgebern
auf derselben Mantellinie - beispielsweise die Impulsgeber
10a1
, 10a2 und 10a3, gleichzeitig über einen elektronischen Flip-Flop 12a in gleicherweise
wie der Impulsgeber 10a bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel gleichzeitig
gespeist werden (vgl.
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Fig. 3). überdies wird bei diesem besonderen Ausführungsbeispiel jede
Zündeinrichtung für jeden Impulsgeber über einen elektronischen Flip-Flop 15a1 gespeist.
In gleicher Weise wird der Impulsgeber 10a2 über einen Flip-Flop 15a2, usw. gespeist.
Diese besondere Anordnung ergibt sich deutlich aus Fig. 5.
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Wegen dieser Anordnung steuert der Flip-Flop 12a, der sich schließt,
wenn sich die Mantellinie a in der gewünschten Richtung befindet, die drei Impulsgeber
10a1, 10a2 und 10a3, die auf derselben Mantellinie a liegen, während der Flip-Flop
12b die Impulsgeber auf der Mantellinie b und der Flip-Flop 12c die Impuisgeber
auf der Mantellinie c steuert.
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Die Flip-Flops 15a1, 15b1, 15c1... für die Impulsgeber auf dem Ring
C1 sind zu Anfang geschlossen, während die Flip-Flops 15 der anderen Ringe offen
sind. Wenn beispielsweise der Impulsgeber 10a1 arbeitet, weil der Flip-Flop 12a
geschlossen ist, so öffnet sich im gewünschten Augenblick der Flip-Flop 15a1 und
bleibt offen, wobei er somit die vorbeschriebene Funktion erfüllt, wodurch es möglich
ist, den elektrischen Kreis für die Zündeinrichtungen der Impulsgeber nach Zündung
offenzuhal ten.
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öffnet sich der Flip-Flûp '5a1, so steuert cr die Schließbewegung
des Flip-Flops 15a2. In gleicherweise öffnet sich nach Zündung des Impulsgebers
10a2 der Flip-Flop 15a2 und steuert durch seine Uffnungsbewegung die Schließbewegung
des Flip-Flops 15a3.
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Dank dieser Variante läßt sich eine große Anzahl von Impulsgebern
anbringen, wobei ein Winkelabstand beibehalten wird, der zwischen zwei
aufeinanderfolgenden
Mantellinien liegt und groß genug ist. Es gilt dabei, daß je höher die Drehgeschwindigkeit
ist, desto größer niuß der Abstand zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Mantellinien
sen.
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Wie schon erwähnt, ist es nicht unbedingt erforderlich, daß die Impulsgeber
strikt entlang einer Mantellinie angeordnet sind. Sie können auch in Gruppen von
Impulsgebern nahe einer Mantellinie zusammengefaßt werden, wodurch sich allerdings
ein Winkelfehler ergibt.
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Insbesondere dann, wenn die Impulsgeber am vorderen Ende des Projektils
gruppiert sind, beispielsweise an der Geschoßspitze, ist es wichtig, daß sie mit
einem Blech abgedeckt werden, daß um eine vorne liegende Achse angelenkt ist. Diese
Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt, die das Blech 16 zeigt, das um die Achse 20
angelenkt ist.
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Bei der Variante gemäß Fig. 7 ist dieses Blech durch ein Federblatt
18 ersetzt. Bei dieser Anordnung kommt man nach Zündung der Impulsgeber wieder auf
die glatte Ausbildung zurück, die vor Zündung des Impulsgebers gegeben war, so daß
keine aerodynamisch bedingten Störmomente in Erscheinung treten. Die Steuerungskraft,
die dabei erzeugt wird, ist nun zum Teil auf den Strahl des Impulsgebers zurück~
zuführen, die nach hinten durch das Blech abgeführt wird, und zum anderen Teil auf
die aerodynamischen Kräfte, die entstehen, da das Blech angehoben ist.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel können auch aerodynamische
Unterbrecher in Form normaler Ableitbleche vorgesehen sein, die entweder in bekannter
Weise mit einem Elektromagneten oder einer hier beschriebenen pyrotechnischen Einrichtung
gesteuert werden.
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Auch wenn die Erfindung anhand einiger besonderer Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, so ist sie doch keinesfalls darauf beschränkt und umfaßt vielmehr
alle möglichen Varianten, Modifizierungen und Abänderungen, die im Rahmen der Erfindung
möglich sind.
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L e e r s e i t e