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    本發明提出一種用於對一炮(10)之武器身管執行熱補償之裝置及方法，該炮(10)具有至少一武器身管(11)，該至少一武器身管(11)安裝於一身管搖架(3)及作為該身管搖架(3)之一延伸部的一身管支架(4)中，其中複數個溫度感測器(p1-p16)整合於該身管搖架(3)及該身管支架(4)中且經由資料線(6)連接至一資料盒(7)，且該資料盒(7)連接至一資料處理裝置(9)，其中該資料處理裝置(9)可作用於該炮(10)之致動器上。該身管搖架(3)及該身管支架(4)處之溫度藉由溫度感測器(p1-p16)量測。由此可判定該身管搖架(3)及該身管支架(4)之上側與下側及右手側與左手側之間的溫度差。接著自此等值計算身管傾角，且接著藉由在方位角及/或仰角上調整該武器身管(11)之定向而補償該身管傾角。
    公开号:TW201319511A
    申请号:TW101120542
    申请日:2012-06-07
    公开日:2013-05-16
    发明作者:Dominic Brunner；Raffael Meier
    申请人:Rheinmetall Air Defence Ag；
    IPC主号:F41A21-00
    专利说明:
    用於進行武器身管熱補償之裝置及方法
    本發明係關於用於陸基或艦基防空系統中之武器之炮身管，該武器例如迴轉式炮。本發明尤其係關於一種安裝在一身管搖架及一身管支架中之炮身管，其中身管搖架延續至身管支架中，起到穩定、導向及減震之目的；身管支架在複數個位置處承載或支撐身管。
    一炮大體上包含一底座、一炮塔及具有一身管支架之身管搖架，其中身管安裝於該身管支架中(EP 1 154 219 A)。當陽光照射時，身管搖架之上側的溫度相對地大幅上升，而下側由於未經日光照射，其溫度上升相對較小。所得熱差值導致身管搖架上側與下側之間的不同熱膨脹，由此，具有一定長度1之身管在其自由端處向下偏轉原身管軸線一定角度δ。此偏轉很大程度上取決於周圍環境影響及天氣影響，且從而顯著地影響武器擊中其目標之幾率。
    此熱差值同樣能橫向地產生，例如，當武器最初自日出或日落或者其他方向經受日光照射時(由於風冷卻炮迎風側之程度大於該炮之逆風側之程度)。在實際使用中，此類效果將組合地產生。
    每當炮擊發時，身管受到爆炸氣體之壓力，且同時受到由身管與拋射體之間的機械摩擦產生之摩擦熱。此導致身管之溫度上升。當該武器用於速射時，情況尤其如此。熱量隨後集中於武器之後膛處及身管之上側上，在該部位熱量藉由對流轉移。此擊發誘導之溫度梯度同樣導致身管之自由端的偏轉超出所需位置。
    根據DE 30 05 117之教示的簡單被動解決方案使用直接地套於身管上之保護性護套，其中根據DE 199 04 417之進一步教示，保護性護套並不呈現徑向對稱形式以抵消非對稱的發熱。
    DE 1918 422揭示由以小間距包圍炮身管之金屬護套組成之熱保護護套，其中炮身管與金屬護套之間的靜止空氣層起隔熱作用。該等解決方案係靜態的，且不能對周圍環境條件變化作出反應。
    根據WO 97/47 939及US 4,753,154之教示，雙壁式炮護套沿兩個護套面之間引導工作流體以改良由發射產生的熱量之傳導。該等系統同樣以未調節的且純被動的方式操作。
    DE 32 19 124及GB 2,328,498揭示直接地施加至武器身管之主動加熱元件。平行於身管軸線之加熱條藉由加熱身管至大致高於平均周圍環境溫度10℃之溫度來過補償外部溫度效果。身管自正常位置之偏轉藉由(例如)光學方法判定。此方法因此在能量方面非常昂貴且同時反應很慢，且當武器擊發時，光學方法易受機械系統應力影響。
    根據DE 44 33 627，擊發誘導之溫度上升藉由熱偶元件量測，該熱偶元件藉由盲孔引入至炸藥空間之壁中。一方面，機械穩定性受到孔之不利影響；且另一方面，不能記錄身管的長度上之溫度梯度。
    日本JP 7-91891之摘要揭示藉由光學系統主動量測身管之下垂，並同時揭示身管之彎曲係藉由液壓缸作用於武器身管的兩端之方式加以補償。此方法代價昂貴。此外，補償僅能發生於由身管軸線及液壓缸之中軸線形成的平面中。因此，不可能在方位角及仰角上總體補償。
    本發明之目標係提供一種裝置及方法，藉由該裝置及方法，即便武器在擊發時，身管的熱誘導之彎曲的簡單及花費小之補償亦成為可能。
    藉由關於裝置之專利技術方案1之特徵及關於方法之專利技術方案6之特徵來達成目標。有利的改進之處揭示於附屬請求項中。
    已知武器身管在陽光照射之條件下向下傾斜。此變形由身管支架及搖架之上側與下側之間的溫度差導致。身管支架之影響與搖架之影響可基本地計算為單獨間題；然而，其應當疊加以判定身管之總體傾角。
    本發明由此基於使用溫度感測器之思想且由此基於一系統以使溫度相關。本文中之系統技術上能判定(感測器的彼此相對的)身管支架之上側與下側之間及(感測器的彼此相對的)身管支架之右手側與左手側之間的溫度差。身管傾角之計算係藉由溫度差完成。身管傾角之補償隨後藉由傾角值完成，其中補償藉由在方位角及/或仰角上改變身管之定向來完成。同時，可整合對溫度感測器與對資料盒之監視。
    溫度補償函數在武器控制中(且尤其在武器之方位角與仰角之計算中)用作額外參數。身管的溫度誘導之偏轉由此可經武器之伺服馬達直接地補償。因此，本發明之方法非常快速，其以多達數10°每秒之通常速度調節。
    同時，該方法在武器擊發時可使用。將武器自準備擊發狀態調節至非準備擊發維護狀態而進行身管之補償係不必要的。此舉增加武器之使用週期。
    根據本發明，僅需要對裝置進行極少的技術修改。實質上，已知的溫度感測器之安裝及其與資料盒之連接在硬體方面非常充分。由此裝置非常具有成本效益。
    身管之補償不引起身管中之任何新的彎曲扭矩或應力。此舉增加武器之使用壽命。
    各自感測器之故障可藉由數學模型補償，此係因為可在身管搖架與身管支架中採用連續溫度分佈(真實性檢查)。然而，評估演算法含有用於複數個溫度感測器發生故障之情況下的多個備用層級。系統由此對於損失的各自感測器資料條目特別穩定。
    在本發明之開發中，溫度相關函數之時間曲線經記錄並以可在炮電腦中讀出之方式儲存以用於後續維護工作。因此，隨後可記錄炮之熱負載或可發現計算演算法中之錯誤。
    根據通常的軍用溫度範圍(通常自-46℃至+120℃)，感測器與資料盒經組態以用於功能上能實現之操作方法。在該溫度範圍內，以足夠高的解析度與準確度完成量測。解析度與準確度得自所使用的數學模型；經證明，在實務上0.1℃解析度與0.2℃準確度已足夠。
    本發明之思想由此具有如下特徵：
    ˙一種具有習知溫度感測器的非常簡單的量測方法；系統具有成本效益且穩定
    ˙對於各自量測感測器之故障，感測器中之冗餘具有系統之高度的故障安全性
    ˙藉由炮驅動件之身管變形之非常快速的補償
    ˙可在武器擊發期間(甚至在快速擊發條件下)使用
    ˙補償因為熱誘導的身管變形產生的方位角錯誤及仰角錯誤
    ˙由於量測方式，對身管或身管之承載沒有機械的不利影響。
    以下將藉由圖式參考例示性實施例更詳細地描述本發明。
    圖1展示習知迴轉式炮10，其具有炮塔1、底座2、身管搖架3及作為身管搖架3之延伸部的身管支架4。身管支架4本質上由管框架(未詳細描述)組成，並如同整個炮10，能襯以保護性護套(未詳細說明)。
    根據圖2，該炮10於身管搖架3與身管支架4之區域中具有複數個溫度感測器p1-pn，較佳16個。藉由16個感測器(p1-p16)量測身管支架4處(十二個感測器)與搖架壁3處(四個感測器)之溫度。插塞盒5組合來自身管支架4與搖架3之溫度感測器p1-p16的信號，並藉由資料連接6將其傳輸至資料盒7，溫度感測器之類比信號在該資料盒中數位化。資料盒7隨後經由以太網路連結8傳輸資料至GCU 9(DVS)。GCU隨後藉由關於地平線(適應傾角值)之位移補償變形。資料盒7包含類比/數位轉換器與具有以太網路之伺服器。
    以下描述身管搖架及身管支架中的感測器之配置與該等部件之連接。自圖3開始，四個平面經定義為關於身管軸線實質上垂直，其中一平面E4較佳位於身管搖架中，且三個平面E1-E3較佳地位於身管支架中。在每一情況下，平面承載溫度感測器(例如，PT 100)，其已基本上自先前技術已知且較佳配置於平面之角落區域中。鄰近身管口之第一平面E1承載四個感測器p1-p4，在身管搖架方向上之下一平面E2承載感測器p5-p8，等。感測器經由資料線6連接至資料盒7。資料盒7數位化溫度感測器之類比信號，且經由資料連結8將溫度資料傳輸至GCU 9。藉由使用此配置，可量測身管搖架3及身管支架4處之溫度分佈。
    溫度量測感測器p1-p16之值經數位化並傳輸至資料處理裝置(GCU 9)。同時，比較該等值與身管11之各自錯誤值。對於溫度誘導之身管偏轉，建立數學模型，其使用最佳化參數以形成量測感測器p1-p16之溫度值與總體身管偏轉之間的關係。
    根據本發明之方法之序列以概括方式描述於圖4中。對於熟習此項技術者而言，該圖中呈現之通用演算法使如何無需進一步努力而建立方位角錯誤或該二者的混合形式之補償清晰明瞭，從而可避免於此處做明確之陳述。本發明同樣係關於方位角錯誤之補償。值加權參數a、b、g或預先輸入至系統(GCU)中，或在量測與安裝炮10時判定並傳輸至數學模型中。
    將溫度值製成多項式以獲得用於身管錯誤的映射之長度的視圖。GCU 9自資料盒7接收具有不同情況下的各自感測器的指數之溫度值T。因此，可判定身管支架及搖架之每一感測器平面E1至E4在仰角上之平均溫度差。同時，判定是否及有多少個感測器功能正常且提供似真值。平面E1至E4中之溫度差得自： 至 用於每一感測器平面之身管傾角V藉由應用如下相關而獲得，其中a與b為值適應參數。如下可得：自 至 及
    已判定之總體身管傾角隨後經加權以用於每一感測器平面E1-E4。因此，似然性監視經簡化以確保用於總體身管傾角(若缺少感測器平面)的計算之模塊性。如下可得： 及 其具有將在數值上適應之加權參數g。
    在進一步實施例中，額外地慮及系統之固有慣性。量測感測器p1-p16可指示：可在身管11與身管支架4及身管搖架3中補償顯著地快於該梯度的溫度變化，由於該事實，產生慣性。為慮及量測延遲，所稱之D分量加入至控制過程中。該D分量由身管支架4及搖架3之上述P分量的第一值導數組成。
    及 其與D參數相乘 及 其中D參數又為值匹配參數。總體身管傾角由身管支架與搖架之P分量及D分量之總和判定。
    1‧‧‧炮塔
    2‧‧‧底座
    3‧‧‧身管搖架
    4‧‧‧身管支架
    5‧‧‧插塞盒
    6‧‧‧資料連接/資料線
    7‧‧‧資料盒
    8‧‧‧以太網路連結
    9‧‧‧資料處理裝置
    10‧‧‧炮
    11‧‧‧武器身管
    E1‧‧‧感測器平面
    E2‧‧‧感測器平面
    E3‧‧‧感測器平面
    E4‧‧‧感測器平面
    p1‧‧‧溫度感測器
    p2‧‧‧溫度感測器
    p3‧‧‧溫度感測器
    p4‧‧‧溫度感測器
    p5‧‧‧溫度感測器
    p6‧‧‧溫度感測器
    p7‧‧‧溫度感測器
    p8‧‧‧溫度感測器
    p9‧‧‧溫度感測器
    p10‧‧‧溫度感測器
    p11‧‧‧溫度感測器
    p12‧‧‧溫度感測器
    p13‧‧‧溫度感測器
    p14‧‧‧溫度感測器
    p15‧‧‧溫度感測器
    p16‧‧‧溫度感測器
    圖1展示根據先前技術之炮塔；圖2展示炮塔，所述炮塔於身管搖架及身管支架中具有根據本發明之裝置；圖3展示來自圖2之感測器之配置的簡化說明；及圖4展示方法之方塊圖說明。
    3‧‧‧身管搖架
    4‧‧‧身管支架
    5‧‧‧插塞盒
    6‧‧‧資料連接/資料線
    7‧‧‧資料盒
    8‧‧‧以太網路連結
    9‧‧‧資料處理裝置
    10‧‧‧炮
    11‧‧‧武器身管
    p1‧‧‧溫度感測器
    p5‧‧‧溫度感測器
    p9‧‧‧溫度感測器
    权利要求:
    Claims (14)
    [1] 一種用於對一炮(10)之一武器身管(11)執行熱補償之裝置，該炮(10)具有至少一武器身管(11)，該至少一武器身管(11)安裝於一身管搖架(3)及作為該身管搖架(3)之一延伸部的一身管支架(4)中；該裝置特徵在於，複數個溫度感測器(p1-p16)整合於該身管搖架(3)及該身管支架(4)中且經由資料線(6)連接至一資料盒(7)，且該資料盒(7)連接至一資料處理裝置(9)，其中該資料處理裝置(9)藉由溫度差計算身管傾角，且為執行熱補償，該資料處理裝置(9)可作用於致動器上以改變該武器身管(11)之定向。
    [2] 如請求項1之裝置，其中較佳整合有16個溫度感測器(p1-p16)，其中該數目係可以改變的。
    [3] 如請求項1或2之裝置，其中較佳四個平面(E1-E4)經定義為關於身管軸線實質上垂直，其中一平面(E4)較佳位於該身管搖架(3)中，且三個平面(E1-E3)較佳位於該身管支架(4)中。
    [4] 如請求項3之裝置，其中該等溫度感測器(p1-p16)較佳配置於該等平面(E1-E4)之角落區域。
    [5] 如請求項1或2之裝置，其中該身管支架(4)為框形。
    [6] 如請求項1或2之裝置，其中該等致動器係該炮自身之伺服馬達，藉由該等伺服馬達，該武器身管(11)可在其方位角及/或仰角上定向。
    [7] 一種用於對一炮(10)之一武器身管(11)執行熱補償之方法，該炮(10)具有至少一武器身管(11)，該至少一武器身管(11)安裝於一身管搖架(3)及作為該身管搖架(3)之一延伸部的一身管支架(4)中，該方法具有以下步驟：藉由該身管搖架(3)及該身管支架(4)上之溫度感測器(p1-p16)量測溫度；判定該身管搖架(3)以及該身管支架(4)之上側與下側及右手側與左手側之間的溫度差；藉由該等判定的溫度差計算身管傾角；及藉由改變該武器身管(11)之定向而補償該身管傾角。
    [8] 如請求項7之方法，其中該身管支架(4)及該身管搖架(3)之每一感測器平面(E1至E4)之溫度差係在仰角及/或方位角上判定。
    [9] 如請求項7或8之方法，其中溫度誘導之身管偏轉由諸如該武器之實際炮的伺服馬達之致動器直接補償。
    [10] 如請求項7或8之方法，其中各自溫度感測器(p1-p16)之故障藉由一數學模型來補償。
    [11] 如請求項10之方法，其中評估演算法含有用於複數個溫度感測器(p1-p16)發生故障之事件的多個備用層級。
    [12] 如請求項7或8之方法，其中亦慮及該系統之固有慣性。
    [13] 如請求項7或8之方法，其中記錄溫度相關函數之時間曲線。
    [14] 如請求項13之方法，其中該一或多個時間曲線亦以可由炮電腦讀出之方式儲存以用於後續維護工作。
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    法律状态:
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    DE102011106199A|DE102011106199B3|2011-06-07|2011-06-07|Vorrichtung und Verfahren zur Thermalkompensation eines Waffenrohres|
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