DE2832600C2 - Winkelgeschwindigkeitssensor - Google Patents

Description

ι.· Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelgeschwindigkeitssensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Flugkörper konstruiert worden, die sich während des Fluges um die Rollachse drehen und eine ihnen erteilte Rollgeschwindigkeit beibehalten. Derartige Flugkörper weisen gegenüber rollstabilisiericn Körpern wesentliche und praktische Vorteile auf. Das Konzept der Rollenkörper ist sowohl für vom Boden als auch für aus der Luft abgeschlossene Geschosse angewandt worden. Diese Geschosse können von der Abschußvorrichtung anfänglich in Drehung versetzt werden und weisen Steuerflächen auf, um eine vorbestimmte Rollgeschwindigkeit zu behalten. Bei einer Rollgeschwindigkeit von etwa 5 bis 15 Umdrehungen pro Sekunde läßt sich das Geschoß dann mit einer einzigen Steuerfläche in sämtlichen drei Achsen bezüglich der Erde steuern.

Ein bekanntes Steuersystem verwendet in einer typischen Anwendung dieses Konzeptes ein einziges Paar unterschiedlich anstellbarer Steuerflächen, um das Geschoß mit nur einem Steuersignal um die Steuerebene mit einer gewählten augenblicklichen Drehiage zu lenken. Wenn ein derartiges Geschoß im Flug waagrecht liegt, muß das Steuersignal, wenn das Geschoß steigen soll, seine Amplitude mit einer Frequenz gleich der Rollgeschwindigkeit des Geschosses ändern. In der Vertikqlebene ist das Steuersignal beispielsweise im allgemeinen sinusförmig und bewirkt einen Steigflug, wenn die Steuerebene des Flugkörpers sich der Vertikalen auf der Erdoberfläche nähert und bewirkt einen Sinkflug nach der Drehung der Steuerfläche und nahe einer halben Umdrehung vom Steigpunkt, so daß sich eine Aufwärtsänderung des Anstellwinkels ergibt. Der Anstellwinkel erzeugt einen Auftrieb für den Flugkörper und läßt diesen aus der Waagerechten in den Steigflug übergehen. Eine Kursänderung nach rechts erfolgt entsprechend durch ein Sinussignal, das 90" gegenüber dem für eine vertikale Kursänderung erforderlichen Signal phasenverschoben ist. Auf diese Weise erhält man eine vereinfachte Steuerung, mit der sich die Erstellungskosten verringern und die Zuverlässigkeit rollender Körper gegenüber rollstabilisierten Körpern erhöhen lassen.

Aus der US-PS 28 15 584 ist ein Winkelgeschwindigkeilsscnsor bekannt, der mit einem Basiselement an einem sich um eine Drehachse drehenden Flugkörper befestigbar ist. Dieser Winkelgeschwindigkeitssensor weist eine magnetische Einrichtung (Rotor) und eine ein

Meßsignal erzeugende Spule (Stator) auf, wobei die magnetische Einrichtung die Spule relativ zueinander verschwenkbar sind. Die magnetische Einrichtung bzw. der Rotor besteht aus einer einen mittigen kugeiförmi-

gen Hohlraum aufweisenden Scheibe, an deren Umfang eine Mehrzahl von Polen angeordnet ist, wobei in den kugelförmigen Hohlraum ein kugelförmiges Ende einer Antriebswelle eingreift Durch die Drehung der Antriebswelle wird erreicht, daß die die Scheibe immer senkrecht zur Antriebswelle ausrichtet und sich dabei durch die feststehende Spule bewegt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen v,;e eingangs bereits erwähnten Winkelgeschwindigkeiissensor zu schaffen, der wesentlich einfaeher aufgebaut ist als bekannte Winkelgeschwindigkeitssensoren und der zur Autopilot-Steuerung von rollenden Körpern, insbesondere Flugkörpern, verwendbar ist

Diese Aufgabe wird durch einen Winkeigeschwindig- π keitssensor der eingangs genannten Art gelöst, der durch die in dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs t aufgeführten Merkmale gekennzeichnet ist

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. i eine perspektivische Darstellung eines Flugkörpers, zu dessen Steuerung der erfindungsgemäße Winkelgeschwindigkeitssensor eingesetzt we.-Jen kann;

Fig.2 eine schematische Darstellung der Ausrichtung des Winkelgeschwindigkeitssensors in dem Flugkörper;

F i g. 3 die Vorderansicht des erfindungsgemäßen Winkelgeschwindigkeitssensors;

F i g. 4 eine Seitenansicht des Sensors der F i g. 3;

F i g. 5 einen Schnitt entlang der Linie 5-5 der F i g. 4; und

Fig.6 eine Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors.

Der in Fig. 1 dargestellte Flugkörper besteht aus einem langgestreckten zylindrischen Körper 10 mit « einer aerodynamisch ausgebildeten Nase 12 und einem Schwanzende 14, aus dem der durch einen Raketenantrieb oder dergl. entwickelte Schub austritt. Der Körper ist mit einer Vielzahl von die Rolldrehung erzeugenden Steuerflächen 16 am Schwanzende 14 versehen, die dem Körper eine Rollbewegung um seine Längsachse erteilen und/oder diese aufrechterhalten. Desgleichen ist der Flugkörper mit einem Paar festangestellter Canardflächen 18 sowie einem Paar variabel anstellbarer Canardflächen 20 versehen. Die Canardflächen 20 lassen sich in bekannter Weise mit einer geeigneter Steuerung auf positive oder negative Anstellwinkel drehen. Die Canardflächen 20 bestimmen die Lage des Flugkörpers in einer durch die Längsachse des Flugkörpers und rechtwinklig zur Drehachse der Canardflächen 20 verlaufenden Ebene; diese Ebene wird als Steuerebene bezeichnet. Die Wörter »aufwärts« bzw. »abwärts« gegenüber der Steuerebene bezeichnen fiugkörperbezogeTie Richtungen. Die Steuerung für den Flugkörper enthält einen Winkelgeschwindigkeitsscnsor 22 sowie einen Beschleunigungsmesser 24.

Die die Rollbewegung erzeugenden Steuerflächen 16 bewirken zusammen mit einer Anfangsd-rhung, die dem Flugkörper von der Abschußvorrichtung erteilt wird, eine Rollgeschwindigkeit um die Längsachse von etwa 10 Umdrehungen pro Sekunde. Die LenksteUerühg des Flugkörpers erfolgt durch zyklisches Verändern des Anstellwinkels der Canardflächen 20 entsprechend der Augenblickslage der Steuerebene. Befindet sich der Flugkörper beispielsweise auf einer waagerechten Flugbahn und soll er entlang einer gekrümmten Flugbahn nach links gelenkt werden, wird den Canardflächen 20 ein positiver Anstellwinkel erteilt, der sein Maximum hat, wenn der Aufwärtsteil der Steuerehene sich innerhalb der linken 180° der Drehung befindet. Vernachlässigt man zunächst die Ansprechverzögerung, so erreicht der positive Anstellwinkel ein Maximum, wenn die Steuerebene waagerecht zur Erdoberfläche verläuft bzw. wenn der flugkörperbezogene Aufwärtsteil der Steuerebene links liegt Während der nächsten 90° der Drehung wird der positive AnsteJlwinkel der Steuerfläche auf 0° reduziert In den folgenden 90° der Drehung wird er negativ und erreicht sein Maximum, wenn die Steuerebene wiederum waagerecht verläuft und der flugkörperbezogene Aufwärtsteil links liegt. Die Bewegung der Canardflächen 20 hat einen Sinusverlauf mit einer Frequenz von entsprechend der Rollgeschwindigkeit; die jeweilige Phase wird dabei von der Richtung der gewünschten Kursänderung bestimmt

F i g. 2 zeigt einen Winkelgeschwindigkeitssensor 22 und einer. Beschleunigungsmesser 24, die an einer Zelle angebracht sind. Der Beschleunig., igsmesser 24 ist so an der Zelle angebracht, daß die empf: idliche Achse in der Steuerebene, aber gegenüber der Vertikalen des Körpers invertiert liegt so daß der Beschleunigungsmesser ein Signal abgibt, das der Beschleunigung in der Steue-jbene entspricht, aber die entgegengesetzte Richtung hat.

Wie aus den F i g. 3 bis 5 hervorgeht weist der Winkelgeschwindigkeitssensor 22 ein Basiselement 25 auf, das aus irgendeinem geeigneten Werkstoff besteht. Das Basiselement 25 besitzt ein Paar beabstandeter Lagerzapfen 26, 28, die die Lager einer schwenkbar aufgehängten Induktionsspule 30 tragen. Das Magnettragelement 32 besitzt vorzugsweise die Gestalt eines »H« und weist ein Paar im allgemeinen rechteckig ausgebildeter Schlitze auf. die die Lagerzapfen 26, 28 aufnehmen. Das Magnettragelement 32 besteht aus magnetischem Stahl und stellt einen Flußweg geringen magnetischen Widerstands zwischen den Permanentmagneten 34 und 36 her. Die Permanantmagneten 34 und 36 sind mit dem Magnettragelement verbunden. Beispielsweise sind die Permanentmagnete mit dem Magnettragelement verklebt, wie es F i g. 3 zeigt. Die Abdeckung 87 besteht aus einem magnetischen Material. Zusätzlich zum mechanischen Schutz des Sensors 22 ergeben sich so eine hohe Flußdichte im Luftspalt zwischen den Permanentmagneten 34 und 36 und der Abdeckung und eine magnetische Abschirmung des Sensors 22. Das Magnettragelement 32 kann auf eine beliebige Weise an dem Basiselement 25 beispielsweise durch die dargestellten Schrauben 38, befestigt sein.

Die Induktionsspule 30 weist einen im allgemeinen nn& öt migen Spulenkörper 40 auf, auf den eine Vielzahl von Drahtwindungen 42 aufgewickelt ist. Der Spulenkörper 40 kann dabei aus einem geeigneten Material — beispielsweise aus Aluminium — bestehen.

Der gesamte Winkelgeschwindigkeitssensor 22 kann so konstruiert sein, daß er sich mit dem Flugkörper derart dreht, daß die Längsachse des Winkelgeschwindigkeitssensors 22 parallel zur Achse des Flugkörpers verläuft. Die schwenkbare Induktionsspule 30 läßt sich also als Läufer betrachten. Diese Spule 30 ist schwenkbar so gelagert, daß sie um eine Achse schwenken kann, die einen Winkel von 90° zur Steuerachse des drehenden Flugkörpers aufweist.

Die Induktionsspule 30 ist auf den Lagerzapfen 26 und 28 mittels zweier Edelsteinlager 44 und 46 gelagert, die in den Justierschrauben 48 und 50 sitzen, die ihrerseits in

die Lagerzapfen 26 und 28 eingeschraubt sind. Zwei konisch zugespitzte verstellbare Stifte 56 und 58 ragen in kegelige Vertiefungen der Lager 44 und 46 hinein und sind mit geeigneten Gewindeelementen bzw. Schrauben 60,62 im Spulenkörper 40 festgelegt.

Die Induktionsspule umgibt die Magneten 34 und 36. Bei einer Bewegung der Induktionsspule 30 relativ zu den Magneten 34 und 36 wird in ihr ein elektrischer Strom induziert, der durch die Zuleitungen 64,66 zu den Federspangen 68, 70 geführt wird, die auf die Abstandselemente 72,74 aufgesetzt sind. Die gewendet* (en flexiblen elektrischen Verbindungen 76, 78 führen von den Federspangen 68, 70 zu den Federspangen 80. 82 auf den Abstandselementen 81, 83. Die letzteren Federspangen 80, 82 führen über die Leitungen 84, 86 aus dem Gehäuse heraus. Die Abstandselemente 72, 74, 81 und 83 sind mit einem Innengewinde versehen und wirken auf den entsprechenden Außengewindeelementen als Sperrmuttern. Das statische Gleichgewicht des Rotors wird in drei Ebenen durch das Hinzufügen von Gewichten zu den Rotorseiten hergestellt. Das von den flexiblen elektrischen Verbindungen 76,78 aufgebrachte Drehmoment wird durch justieren der Federspangen 68,80 sowie 70,82 ausgeglichen. Die Mechanik wird von der Abdeckung 87 aufgenommen, die an dem Basiselement 25 mit einem Gewinde 88 festgelegt werden kann.

Die schwenkbare Induktionsspule 30 svirkt als Rotor, der sich mit dem Flugkörper dreht. Bei einer Lageänderung der Längs- bzw. Rollachse des Flugkörpers bewegt sich die Induktionsspule 30 bezüglich der Magneten 34 und 36 und gibt dabei eine Spannung ab, die proportional der Geschwindigkeit ist, mit der die Induktionsspule 30 die magnetischen Kraftlinien schneidet, und die phasengleich mit der Drehung des Flugkörpers ist. Die Induktionsspulen 30 schwingen also um ihre Schwenkachse mit einer Frequenz entsprechend der Drehung des Flugkörpers.

Die Ausgangs-EMK des Winkelgeschwindigkeitssensors 22 ist dabei direkt proportional der Lenkgeschwindigkeit des Körpers. Durch Wechselwirkung des äo elektrisch leitfähigen Werkstoffs des Rotors (Aluminium) und des Magnetfeldes wird der Rotor bzw. die Induktionsspule 30 gedämpft. Die Parameter der Anordnung lassen sich auf die erwünschte oder erforderliche Empfindlichkeit für den jeweils vorliegenden Flugkörper bzw. Anwefldungsfall einstellen.

Gemäß Fig.6 weist eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Bauelement 90 auf, das eine mit dem Bezugszeichen 92 bezeichnete Induktionsspule trägt, die relativ zu einer magnetischen Einrichtung in der Form eines festen Elektromagneten 94 schwenkbar angeordnet ist. Der Elektromagnet 94 ist an dem Basiselement 90 befestigt und weist den üblichen Kern auf, auf den die Spulen 96, 98 gewickelt sind. Ein elektrischer Strom in den Spulen 96, 98 erzeugt ein Magnetfeld, durch das sich die Induktionsspule 92 bewegt. Die Induktionsspule 92 ist im allgemeinen quadratisch bzw. rechteckig gewickelt und weist auf einen Rahmen 100 gewickelte Drahtwindungen auf. Der Rahmen 100 besteht aus einem geeigneten Werkstoff, wie beispielsweise Aluminium, und ist über Lager, wie sie oben beschrieben sind, auf einem Zapfenpaar 102, 104 angeordnet, die am Basiselement 90 befestigt sind und von diesem aus nach oben vorstehen. Der Rahmen 100 ist auf den Stiften 106 gelagert, die sich in Lager erstrecken, die in Schraubelementen 108, HO angeordnet sind, wobei die Schraubelemenie 108, 110 in den Zapfen 102, 104 befestigt sind. Die Stromführung von der Induktionsspule 92 erfolgt über die Leitungen 112, 114 an die Federspangen 116, 118, die ihrerseits über gewendelte Zuleitungen 120,122 mit den Federspangen 124, 126 verbunden sind. Diese führen gemäß der vorgebend erläuterten Ausführungsform zu den Ausgangsanschlüssen. Der dem Elektromagnet zugeführte Strom läßt sich zur Fehlerkorrektur bzw. -kompensation abhängig von der Beschleunigung, Geschwindigkeit, Lage. Temperatur. Zeit, Flughöhe (Druck) usw. verändern.

Die Dämpfung läßt sich durch unterschiedliche Abmessungen des leitfähigen Materials des Spulenkörpers bzw. Rahmens 160 oder durch Wahl eines anderen Werkstoffs — beispielsweise Kupfer — verändern. Auf diese Weise kann man auf die Kurzschluß-Wirbelstromdämpfung des Systems einwirken. Da die gesamte Anordnung von einer Abdeckung 128 umschlossen ist, wie sie im Zusammenhang mit der vorgehenden Ausführungsform bereits erläutert wurde, kann die gesamte Anordnung auch mit einer geeigneten Dämpfungsflüssigkeit gefüllt werden, um gegebenenfalls die Dämpfung zu verstärken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Winkelgeschwindigkeitssensor, der mit einem Basiszlement an einem sich um eine Drehachse drehenden Körper, insbesondere einem Flugkörper, befestigbar ist und bei dem eine magnetische Einrichtung und eine ein Meßsignal erzeugende Spule relativ zueinander verschwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (30, 92) an dem Basiselement (25, 90) um eine Schwenkachse schwenkbar so gelagert ist, daß sie sich mit dem Basiselement (25,90) um die Drehachse des Körpers (10) dreht, daß die Schwenkachse zur Drehachse einen bestimmten Winkel aufweist, daß die magnetische Einrichtung(32,34,36; 94,96,98) an dem Basiselement (25, 90) befestigt und mit diesem drehbar ist, daß das Meßsignal durch das Schwingen der Spule (30, 92) um die Schwenkachse bei einer Richtungsänderung der Drehachse und der gleichzeitigen D.ehung des Körpers (10) erzeugbar ist und daß eine Usmpfungscinrichtung zur Dämpfung der Schwingung der Spule (30,92) vorgesehen ist.

2. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einrichtung (32,34,36) ein Permanentmagnet ist.

3. WinkelgeschwindigkeiL'sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Einrichtung (94,96,98) ein Elektromagnet ist

4. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (30, ?2) die magnetische Einrichtung (32, 34, 36; 94,%, 98) umgibt.

5. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 4. dadurch gekenn?«iichiv*t, daß die Spule (30, 92) kreisförmig ist.

6. Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch 1 oder 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (30, 92) rechteckföPTiig ausgebildet ist

7. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des Basiselements (25, 90) in der Drehachse des sich drehenden Korpers (10) liegt.

8. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse die Drehachse des Körpers (10) unter einem rechten Winkel schneidet.

9. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet, daß als Dämpfungseinrichtung auf der Spule (30, 92) ein leitfähiger Werkstoff vorgesehen ist.

10. Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (30, 92) um die Schwenk· und um die Drehachse statisch ausgewuchtet ist.

11 Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis JO, dadurch gekennzeichnet, daß flexible elektrische Verbindungen (76, 78) vorgesehen sind, die einen elektrischen Strom von der Spule (30,92) an Lagerzapfen (26,28) vorbeileiten, daß ein Paar elektrisch nicht leitender Abstandselemente (72, 81,' 74, 83) an gegenüberliegenden Seiten jedes Lagerzapfens angreifen, daß an jedem AbstandseleiTienl (72, 81; 74, 83) eine elektrisch leitende Federspange (68, 80; 82, 70) angreift und mil einem Ende Von einer der elektrischen Verbindungen (76, 78) Verbunden ist, daß mit einei Spange (68,70) eine elektrisch leitende Zuleitung von der Spute (30, 92) verbunden ist und daß eine exierne Zuleitung (84,86)

mit der anderen Spange (80,82) verbunden ist

12, Winkelgeschwindigkeitssensor nach Anspruch U, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandselemente (72, 81; 74, 83) scheibenförmig sind und koaxial auf den Lagerzapfen angeordnet sind.

13, Winkelgeschwindigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor von einer Abdeckung (87) umschlossen ist, die aus einem magnetischen Material mit einem niedrigen magnetischen Widerstand besteht