DE3153282C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Sonarsystem für Lenkwaffen zum Einsatz gegen Unterwasserziele mit zielsuchenden Mitteln zum Lenken der Waffe unter Wasser, die ein Erfassungssonarsystem mit einer Vielzahl seitlich am Waffenkörper angeordneter Wandler und ein in der Nase der Lenkwaffe vorgesehenes aktives Verfolgungssonarsystem umfassen und Lenksignale erzeugen.

Bei einem bekannten derartigen Sonarsystem für Lenkwaffen zum Einsatz gegen Unterwasserziele (US-PS 37 38 270) ist das Erfassungssonarsystem passiv ausgelegt und weist einen oder mehrere seitlich angebrachte Wandler auf, wobei die genaue Anzahl abhängig ist von der Spingeschwindigkeit der Waffe bei ihrer Sinkbewegung. Dieses bekannte Sonarsystem kann infolge des passiven Erfassungssonarsystems lediglich die Richtung zum Ziel bestimmen. Mehrere Ziele können nach einer Drehung erfaßt werden, aber Geräusche außerhalb des Bereiches oder zurückweichende Ziele können nicht unterschieden werden. Nach Abwurf der dem Sonarsystem zugeordneten Waffen und deren Auftreffen auf die Wasseroberfläche sinkt die Waffe allein aufgrund der Schwerkraft, d. h. es muß gewartet werden, bis das Ziel erfaßt und der Quadrant bekannt ist, bevor der Motor angetrieben und ein gespeichertes 90°-Manöver durchgeführt werden. Die Waffe führt eine schlangenartige Suche in der Richtung des Ziels durch, bis das in der Nase der Waffe angeordnete Verfolgungssonarsystem anspricht und das Ziel verfolgt. Der Erfassungsbereich des Verfolgungssonarsystems kann größer oder kleiner als der des Erfassungssonarsystems sein, da er von der Stärke des Ziels abhängt. Da das Verfolgungssonarsystem an einer flachen abgestumpften Nase der Waffe angebracht ist, an der im Wasser Turbulenzen auftreten, tritt ein verhältnismäßig starkes Rauschen auf.

Bekannt ist ferner ein Richtsonarsystem für Torpedos (US-PS 38 64 666), bei dem Wandlerwahlschalter verwendet werden, so daß im Sendebetrieb mit letzteren die Wandler gleichzeitig ansteuerbar sind, während sie im Empfangsbetrieb einzeln ausgewertet werden.

Bekannt ist, daß Torpedos nach dem Eintritt in das Wasser ein U-Boot orten und es ansteuern können. Insbesondere dient das sogenannte ASROC-System, ein Raketensystem zur U-Boot-Abwehr, dazu, einen Luftabschluß und das Austragen eines Torpedos in die Nähe des U-Boots zu gewährleisten, wo der Torpedo in das Wasser eintritt und danach das U-Boot ortet und es ansteuert, um es zu zerstören. Das ASROC-System ist jedoch verhältnismäßig kompliziert und teuer. Außerdem sind diese Waffen verletzlich gegenüber vom U-Boot ausgehenden Gegenmaßnahmen und in flachen Gewässern mit einer Tiefe von z. B. weniger als 183 m oder auch hinsichtlich aufgetauchter U-Boote praktisch wirkungslos.

Das ASROC-System besteht aus einem Torpedo bzw. einer Wasserbombe, einem Raketenmotor und einem Fallschirmpaket. Beim Eintritt in das Wasser trennt sich der Torpedo von den anderen Systemteilen und fährt auf das U-Boot zu. Die Erfassung des U-Boots ist jedoch auf eine Vorwärtserfassung beschränkt. Ein gegenüber der Wassereintrittrichtung seitlich liegendes U-Boot wird u. U. nicht entdeckt, sofern nicht der Torpedo anfänglich eine Suche durchführt und dabei um das U-Boot bogenförmig herumfährt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sonarsystem für Lenkwaffen zum Einsatz gegen Unterwasserziele gemäß der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem zur Erhöhung der Effektivität der Zielsuche eine akustische Ortung nur dann vorgenommen wird, wenn die von der Lenkwaffe verursachten Geräusche am geringsten sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschriebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sonarsystems ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 5.

Die Waffe ist besonders wirkungsvoll im Einsatz gegen sowohl Treib- als auch Fessel- und ansteigende Minen innerhalb der wirksamen Tiefe von z. B. 183 m der Waffe.

Die Lenkwaffe weist einen Raketenmotor auf, der die Lenkwaffe von einem Mutterschiff aus durch die Luft in Zielnähe bringt. Nach dem Eintreten in das Wasser dient die Raketenkammer als Arbeitskammer eines Hydropulsantriebs, mit dem die Waffe unter Wasser das Ziel abfangen kann. Der Hydropulsmotor arbeitet, indem die Raketenkammer wiederholt mit Wasser gefüllt wird, das der Antrieb dann mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse am Heck des Waffenkörpers mittels einer Anzahl von Gaserzeugern ausdrückt, die nacheinander gezündet werden. Beim Brennen eines der Gasgegeneratoren und nachfolgendem Ausstoßen des Wassers aus der Kammer zwecks Beschleunigung des Fahrzeugs entsteht ein erhebliches Eigengeräusch. Während der zwischen den Impulsen liegenden Intervalle, in denen das Fahrzeug ohne Antrieb frei weitergleitet, ist sein Eigengeräusch jedoch minimal, so daß akustische Detektoren auf dem Fahrzeug die U-Bootgeräusche abhören können.

Das erfindungsgemäße Sonarsystem erweist sich insbesondere dadurch als vorteilhaft, daß die akustische Ortung immer nur dann vorgenommen wird, wenn der Hydropulsantrieb der Lenkwaffe eine Ruhepause einlegt, d. h. wenn die von der Lenkwaffe verursachten Geräusche aufgrund der geringen Eigengeschwindigkeit sehr gering sind. Die Vielzahl der rund um den Waffenkörper angeordneten Antennen werden jeweils parallel impulsmäßig beaufschlagt, so daß ein ringförmiges Muster um die Waffe herum gebildet wird. Die Wandler werden dann nacheinander hinsichtlich der empfangenen Erfassung abgetastet. Das aktive Erfassungssonarsystem des erfindungsgemäßen Sonarsystems vermag sowohl hinsichtlich eines Bereichs- und Geschwindigkeitsunterschiedes nicht genau georteter Ziele effektiv zu arbeiten. Das Antriebssystem wird aktiviert, sobald die Wandler in Betrieb sind und das Manöver ist antriebsmäßig in der Zielebene durchführbar, sobald das Ziel elektronisch bestimmt ist. Da derselbe Wandler in dem aktiven Verfolgungssonarsystem wie auch in dem aktiven Erfassungssonarsystem verwendet wird und somit dieselbe Leistung über einen engeren Öffnungswinkel der mosaikartig angeordneten Wandler des aktiven Verfolgungssonarsystems konzentriert ist, ist gewährleistet, daß eine Wiedererfassung durch den Wandlersatz des aktiven Verfolgungssonarsystems in größeren Bereichen als denen des aktiven Erfassungssonarsystems erfolgen kann. Durch die Verwendung einer nach vorn gerichteten vier Quadranten aufweisenden Wandleranordnung und die Möglichkeit einer Monopulsverarbeitung der empfangenen Signale auf drei Kanälen ist eine verhältnismäßig gute Störungsabhängigkeit der Winkelmessungen hinsichtlich Amplitudenmodulationen des Signals aufgrund sowohl eines äußeren Signals als auch innerer Abtastgeräusche gegeben.

Die Waffe kann auch zum Abwurf von einem Hubschrauber oder anderen U-Bootabwehrflugzeugen in Zielnähe eingerichtet sein. In diesem Fall enthält die Raketenkammer keinen Brennstoff, dient aber als Arbeitskammer des Hydropulsantriebs, nachdem die Waffe in das Wasser abgeworfen worden ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:

Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung der Betriebsarten von Systemen nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ist eine schaubildliche Darstellung der Zielortung und Zielfahrtleitung einer Waffe nach der vorliegenden Erfindung zu einem Ziel nach dem Eintreten in das Wasser;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine spezielle Anordnung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist eine Endansicht der Vorrichtung der Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine etwas andere Anordnung nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 ist eine Diagrammdarstellung zur Erläuterung des anfänglichen Betriebs der Erfindung;

Fig. 7 zeigt als Diagramm ein Geschwindigkeitsprofil der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beim Vortrieb unter Wasser;

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das das in der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eingesetzte Ortungs- und Lenksystem zeigt;

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm eines speziellen Teils der Schaltung der Fig. 8.

Fig. 1 zeigt schaubildlich das Abwerfen bzw. Abschießen einer Unterwasserwaffe 10, um ein U-Boot 12 zu zerstören, und zwar als Abschuß von einem Schiff 14 bzw. Abwurf von einem Hubschrauber 16. Im ersten Fall fliegt die Waffe 10 vom Schiff 14 auf einer ballistischen Flugbahn in die Nähe des U-Boots 12 nach dem Abschuß durch eines der oben bereits erwähnten Systems zum Abschuß von Wasserbomben mit Raketenantrieb. Im Schiff 14 wird der Raketenabschuß bei der Entdeckung des U-Boots 12 in der Nähe des Schiffs 14 nach Sonar- oder passiven akustischen Erfassungsverfahren eingeleitet. Ist die Waffe in das Wasser eingetreten, übernimmt ihr Unterwasserortungs-, Lenk- und Antriebssystem; die Waffe 10 wird auf das U-Boot 12 gerichtet und fährt auf es zu, um es zu zerstören. Der Gefechtskopf der Waffe 10 mit ca. 68 kg Sprengstoff kann auch den Rumpf eines modernen doppelwandigen Unterseeboots aufreißen, wenn er beim Auftreffen explodiert.

Wird die Waffe 10 von einem Luftfahrzeug wie dem Hubschrauber 16 oder einem anderen zur U-Boot-Abwehr eingesetzten Flugzeug abgeworfen, erfolgt der Abwurf nahe dem U-Boot, wo sie dann das U-Boot 12 unabhängig erneut ermittelt und es ansteuert, um beim Auftreffen den Gefechtskopf zu zünden. Das die Waffe 10 tragende Luftfahrzeug 16 kann von einem Schiff aus in die Nähe des U-Boots 12 geleitet werden oder das Ziel selbständig mit Schallbojen, einem Sonar oder über die Ermittlung magnetischer Anomalien orten. Falls erwünscht, kann man die Sinkgeschwindigkeit vor dem Aufschlag auf das Wasser mit einem Fallschirm bremsen (nicht gezeigt), wie er auch im ASROC-System Verwendung findet. Der Fallschirm wird dann unmittelbar vor dem vollständigen Eintauchen der Waffe in das Wasser abgetrennt. Für den Luftabwurf kann die Waffe 10 von einem U-Bootabwehr-Luftfahrzeug bzw. Hubschrauber getragen werden, das bzw. der zur Führung herkömmlicher Torpedos ausgerüstet ist. Infolge ihrer Größe und Gestaltung kann man die gleichen Aufhängungsbänder verwenden, die an herkömmlichen Bombengestellen für torpedotragende Flugzeuge abgebracht sind, ohne diese abändern zu müssen. Der Luftabwurf der Waffe 10 kann durch Ziehen eines Auslösedrahts erfolgen, über den die Primärbatterie aktiviert wird, so daß die Elektronik des Systems einschaltet. Eine dem Zünder 44 (Fig. 3) zugeordnete Sicherung verhindert ein Auslösen des Gefechtskopfes bevor die Waffe auf das Wasser aufschlägt. Mit den derzeit verfügbaren Verfahren kann das U-Boot 12 geortet und die Waffe 10 vom Hubschrauber 16 aus innerhalb 100 bis 400 m vom Ziel entfernt in das Wasser abgesetzt werden. Beim Abschuß vom Schiff 14 läßt die Waffe 10 sich ebenfalls innerhalb dieses Bereichs setzen. Diese Entfernung liegt innerhalb der Reichweite der Waffe 10 hinsichtlich der akustischen Zielortung und Zielansteuerung und des hydropulsantriebs bis zum Abfangen.

Nach dem Eintreten in das Wasser (Fig. 2) verlangsamt die Waffe 10 schnell auf die Nenn-Sinkgeschwindigkeit in fast vertikaler Lage. Zum Abbremsen der Waffe lassen sich Strömungsbremsen (Fig. 5) einsetzen; die Waffe kann dann in Wassertiefen von 30 m und weniger arbeiten. Die Waffe 10 wird durch Betätigung ihrer Steuerflächen nach Maßgabe der Zielortung in die Zielrichtung gelenkt. Nachdem die beim Wassereintritt entstandene Blase eingefallen ist, erfolgt die Zielortung mit seitlich angeordneten Sonarwandlern, die senden und empfangen. Die seitlich angeordneten Wandler tasten dabei ein Wasservolumen in einem Torus um die Waffe herum ab bis zur Grenze der Reichwerte des Ortungssystems. Da die Waffe anfänglich fast vertikal liegt, erfolgt die Zielortung rundum mit einer Dopplerauflösung bis zu einer Zielgeschwindigkeit von 2,5 kn herab - im Gegensatz zu einem Torpedo, der auf sein Ziel gerichtet sein und es verfolgen muß, um es zu erfassen. Die Such-Richtcharakteristik 18 der seitlich angeordneten Wandler ist in Fig. 2 gezeigt - wie auch die aktive Verfolgungscharakteristik 20 eines separaten, an der Nase angeordneten Sonarwandlers zur aktiven Lenkkorrektur zum Ziel. Die Waffe 10 erreicht im Durchschnitt eine Unterwassergeschwindigkeit von 30 kn bis zu einer Entfernung von etwa 500 m. Die maximale Zielgeschwindigkeit ist dabei zu 5 bis 7 kn in flachem Wasser von 33 bis 65 m Tiefe angenommen. Sollen U-Boote mit höheren Geschwindigkeiten angegriffen werden, kann man die Waffe vor dem Zielfahrzeug abwerfen.

Nachdem die Waffe 10 in das Wasser eingetreten ist, läßt man die Motorkammer sich mit Seewasser füllen. Dann wird ein Heißgasgenerator gezündet, der das Wasser aus einer Düse ausdrückt und Schub erzeugt. Indem man die Kammer abwechselnd mit Wasser füllt und es dann ausstößt, erhält man einen Unterwasservortrieb der Waffe 10.

Die Fig. 3 und 4 zeigen als Schnitt und Enddraufsicht eine spezielle Anordnung nach der vorliegenden Erfindung. Wie insbesondere in der Fig. 3 dargestellt, ist die Waffe 10 allgemein zu vier Hauptabschnitten unterteilt: einem bugseitigen Wandlerteil und Sendeempfänger 30, einem Gefechtskopf 32, einem Antrieb 34 und einem Lenksystem 36.

Der vordere Abschnitt 30 enthält ein Mosaik von akustischen Wandlern 40 in der Nase sowie den zugehörigen Sendeempfänger, die ein aktives Hochleistungs-Monopulsleitsystem enthält. Der Sender, der Empfänger und ein Kontaktzünder für den Gefechtskopf sind im Block 42 hinter den Wandlern angeordnet.

Der Gefechtskopf 32 enthält vorzugsweise 68 kg (150 lbs.) Sprengstoff, die die Gefechtskopfkammer im wesentlichen ausfüllen, sowie einen geschützten und gesicherten Zünder 44, der hinter dem Gefechtskopf dargestellt ist. Ein (nicht gezeigtes) Rohr führt die Verkabelung vom Prozessor 82 zur Nase zum Anschluß an den Sender und den Empfänger.

Der Antrieb 34 erfüllt zwei Aufgaben. Sein Hauptbestandteil ist die von einem Gehäuse 48 eingeschlossene Kammer 46. Für den Raketenantrieb enthält die Kammer 46 einen oder mehrere segmentierte Brenneinheiten 50 sowie eine Vielzahl von Gasaustrittdüsen 52. Der Raketenantrieb treibt dabei die Waffe 10 vom Abschuß auf dem Schiff bis zum Eintreffen in das Wasser in Zielnähe an -vergleiche Fig. 1. Wenn die Waffe 10 in das Wasser eintritt, sind die Brenneinheiten 50 vollständig aufgebraucht. Dann werden die Gasstrahldüsen 52 mit einer drehbaren Lochplatte verschlossen, deren Löcher deckungsgleich mit den Öffnungen der Düsen 52 liegen. Die Platte 54 wird so lange gedreht, bis die Löcher nicht mehr auf die Gasdüsen ausgerichtet sind, und zwar mittels eines Elektromotors 58 über ein Getriebe 56. Die Gasdüsen werden also verschlossen, so daß als einzige Öffnung zum heckseitigen Ende der Kammer 46 eine Wasserstrahldüse 60 verbleibt.

Zum Antrieb unter Wasser kann nun zunächst Wasser in die Kammer 46 einströmen; dann wird ein Gasgenerator gezündet, dessen Gase das Wasser durch die Düse 60 herausdrücken, wobei ein Schubimpuls entsteht. Das Seewasser strömt in die Kammer 46 durch die Einlaßkanäle 62 und Ventile 64 ein. Die Ventile werden von Elektromagneten 66 über zugeordnete Gestänge 68 betätigt. Eine Vielzahl von Gasgeneratoren 70 steht mit der Kammer 46 über die Rohrleitungen 72 in Strömungsverbindung; die Genertoren sind um die Längsachse der Waffe 10 herum verteilt angeordnet und werden nacheinander gezündet, so daß eine Serie von Wasserimpulsen entsteht, die die Waffe durch das Wasser vortreiben.

Weiterhin befinden sich im Bereich zwischen der Kammer 46 und dem Gefechtskopf 32 mehrere seitlich angeordnete akustische Wandler 80, mit denen das Ziel-U-Boot anfänglich geortet wird, sowie eine Primärbatterie und der Signalprozessor 81 im Zentralblock 82.

Der Heckabschnitt 36 enthält die Lenkeinheit für die Waffe mit den Lenkflächen 90, den Stellelementen 92 und der Steuerelektronik und den zugehörigen Systemen, die in den Blocks 94 angeordnet sind.

Die Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Waffe 10A der Fig. 5 ist besonders für den Luftabwurf von einem Hubschrauber oder einem anderen U-Boot-Abwehr-Luftfahrzeug ausgelegt und hat daher den Raketenmotor der Waffe nach Fig. 3 nicht mehr. Diese Waffe 10A entspricht im wesentlichen der Waffe 10 der Fig. 3, 4, wobei der Hauptunterschied das Fehlen eines Raketenantriebs in der Kammer 46A ist. Diese Kammer ist mit einer einzigen Austrittsdüse 60A ausgerüstet, durch die der Seewasserstrahl austritt, der aus der Kammer 46A durch die Gasgeneratoren 70 auf die gleiche Weise wie beim Hydropulssystem des Antriebs 34 in der Waffe 10 der Fig. 3 herausgedrückt wird. Wie bereits erwähnt, zünden die Gasgeneratoren 70 nacheinander in Abständen, die vom Mikroprozessor 81 im Zentralblock 82 bestimmt werden, wenn die Geschwindigkeit der Waffe unter einen vorbestimmten Wert absinkt und die Kammer 46A sich mit Wasser gefüllt hat; diese Sachverhalte werden mit den Geschwindigkeitsfühlern 83 und den Schwimmern 84 erfaßt.

Ein weiterer Unterschied gegenüber der Waffe 10 der Fig. 3 sind die Strömungsbremsen 96 bei der Waffe 10A. Diese Bremsflächen lassen sich auf oder in den Kammern 98 unterbringen und ausfahren, um die Waffe 10A abzubremsen, damit sie in geringeren Wassertiefen arbeiten kann. Nachdem die Eintrittsgeschwindigkeit weit genug abgesunken ist, lassen sich die Strömungsbremsen 96 wieder in die Kammern 98 einklappen. Alternativ kann man die Bremsen 96 beim Ablösen der Waffe 10A vom abwerfenden Luftfahrzeug ausfahren; dann wirken sie sowohl in der Luft als auch im Wasser. Die Bremsen 96 können, falls erwünscht, abgeworfen werden, sobald sie die Waffe 10A nach dem Eintritt in das Wasser ausreichend abgebremst haben, damit sie später den Strömungswiderstand der Waffe bei der Zielanfahrt im Wasser nicht erhöhen.

Die Fig. 6 zeigt als Diagrammkurve die anfängliche Arbeitsweise des Hydropulsantriebs der Waffe nach dem Eintritt in das Wasser. Die Fig. 6 zeigt dabei die Bahn der Waffe vom Eintrittspunkt in das Wasser bei einem typischen Eintrittswinkel von 53° und einer Geschwindigkeit von 180 m/s. Innerhalb einer halben Sekunde nach dem Eintritt in das Wasser ist die Geschwindigkeit auf 23,2 m/s abgesunken, innerhalb einer Sekunde nach dem Eintritt auf 12,2 m/s; dann fällt die Blase um die Waffe zusammen, so daß die akustischen Wandler vom Wasser umspült werden. Während der nächsten zwei Sekunden wird die Richtung des Ziel-U-Boots von den seitlich angebrachten Wandlern 80 ermittelt und die Hydropulskammer mit Wasser gefüllt, danach dann der erste Gasgenerator 70 gezündet, um den ersten Wasserimpuls zu erzeugen. Dieser beschleunigt die Waffe und erlaubt ihr, in die Richtung des Ziels zu drehen. Falls erwünscht, kann man die Waffe auch vor dem ersten Wasserimpuls in die Zielrichtung drehen. Nach dem ersten Wasserimpuls treibt die Waffe frei ohne Antrieb und erhält Leitinformationen, während ihre Antriebskammer sich erneut mit Seewasser füllt. Danach wird ein zweiter Gasgenerator gezündet, der einen zweiten Wasserimpuls erzeugt, der die Waffe erneut beschleunigt und zum Ziel hin vortreibt. Diese Schrittfolge wird wiederholt, bis das Ziel-U-Boot zerstört ist oder die Gasgeneratoren erschöpft sind, wobei die Waffe abwechselnd ohne Antrieb frei weiterläuft (und dabei Leitinformationen erhält) und weiter zum Ziel hin vorangetrieben wird.

Die Fig. 7 zeigt als Diagramm das Geschwindigkeitsprofil der Waffe. Aus dieser Kurve ist zu ersehen, daß die Geschwindigkeit zwischen etwa 11 und 22 m/s zwischen den aufeinanderfolgenden Wasserimpulsen schwankt, wobei der Durchschnittswert etwa 15 m/s bzw. 30 kn beträgt. Diese Werte reichen für die meisten Unterwasserziele aus - insbesondere in flacheren Gewässern, für die die Waffe konstruiert ist. Wo das U-Boot schnell fährt, kann man die Waffe vor ihm in das Wasser werfen, so daß sie den erforderlichen Vorlauf für den Abschuß erhält.

Die Funktion des Leitsystems ist dabei, daß Ziel zu orten und Lenkbefehle zu erzeugen. Das Leitsystem muß dabei die Schwierigkeiten mit dem Eigengeräusch, des Widerhalls am Boden und an der Oberfläche und der Zielerfassung überwinden. Die Leistungsfähigkeit von Unterwasserwaffen wie akustisch zielgelenkten Torpedos wird im allgemeinen durch ihre Eigengeräusche eingeschränkt. Wenn sie langsam fahren, kann zwar das Sonar das Ziel orten und die Geschwindigkeit und andere erforderliche Parameter mit hohem Störabstand und daher guter Genauigkeit messen. Ein sich schnell bewegendes Ziel hat dann aber eine gute Gelegenheit zu entkommen. Je höher die Waffengeschwindigkeit, desto höher das Eigengeräusch, bis bei etwa 35 kn die Führungsleistung durch die Geräusche beschränkt wird und die Leistungsfähigkeit des Systems insgesamt abnimmt. Die Geräusche werden dabei sowohl vom Antrieb der Waffe als auch von der Strömung erzeugt.

Der Hydropulsmotor erteilt der Waffe über einen erheblichen Teil ihrer Fahrtzeit eine Fahrt von weniger als 35 kn. Innerhalb dieser Zeitintervalle kann das akustische System eingeschaltet werden und in einer im wesentlichen eigengeräuschfreien Umgebung zur erforderlichen Fehlermessung arbeiten. Diese Technik der Zielbeobachtung nur in den Intervallen mit geringem Eigengeräusch löst das Eigengeräuschproblem.

Um geeignete Füllzeiten und sinnvolle Kammerdrücke zu erreichen, ist die Motorsteuerung der grundsätzlichen Konstruktion auf eine Dauer von 3,5 s pro Impuls ausgelegt. Verwendet man die "Gleitzeit" mit geringer Fahrt für die akustische Zielmessung, ist die Fehleraktualisierungszeit ("error update time") für jeden Motorimpuls auf etwa 0,3 bis 1 Suchvorgänge pro Sekunde beschränkt. Während diese verhältnismäßig niedrige Datenflußrate für das Führungssystem eine Verzögerung bei der Zielansteuerung verursachen kann (insbesondere wenn die Waffe sich dem Ziel von der Seite nähert), erhöht man mit dieser Verzögerung die Abschußwahrscheinlichkeit, da der Aufschlag mit höherer Wahrscheinlichkeit in den verletztlicheren Bereichen hinter der Mitte des U-Boots erfolgt. Ein weiterer Faktor hinsichtlich der veränderlichen Waffengeschwindigkeit ist der nichtlineare Zusammenhang zwischen den Lenkkräften und der Wendewinkelgeschwindigkeit. Diese dynamische Variable wird mit einem im Führungssubsystem enthaltenen Mikroprozessor ausgewertet.

Das Orten und das Verfolgen eines U-Boots in flachem Wasser erfordert einen Signal/Widerhall-Abstand, der die Genauigkeitsforderungen für die Ortung, Fehlalarme und Leitgenauigkeit erfüllen zu gestattet. Die wesentlichen Einflußgrößen für die Hallpegel sind die Wandlerrichtcharakteristik, die Bedingungen der Wasseroberfläche, der Strahleinfallwinkel an der Oberfläche, die Bedingungen am Boden sowie die Aktivierungshäufigkeit.

Ein Impuls akustischer Energie beschallt das Wasservolumen und dessen Grenzflächen. Während eine Welle sich ausbreitet, wird sie von den Grenzflächen und dem Ziel reflektiert. Die Auftreffwinkel, die Oberflächenwinkel und der Abstand zu den beschallten Bereichen sind zeitabhängig. Breitere Richtcharakteristiken beschallen größere Bereiche, ergeben jedoch auch einen höheren Widerhallanteil. Schließlich dominiert der Entfernungseffekt, so daß der Widerhall verschwindet. Der Widerhall in einem bestimmten Zeitpunkt ist gegeben durch das Integral über die Oberflächenbereiche. Die Auswertung dieses Integrals für typische geometrische Anordnungen ergibt Hallstreubeiwerte ("reverberation backscattering coefficients") im Bereich von -15 bis -10 dB bei 100 kHz und einer Strahlbreite von 40°. Bei Zielen über -5 dB reicht der Echo/Widerhall- Abstand für eine präzise Zielortung und -verfolgung mit Einzelimpulsen aus. Im allgemeinen arbeiten Waffen nach der vorliegenden Erfindung in einem Zielerfassungsbereich von etwa 500 m.

Die Fig. 8 und 9 zeigen als Blockdiagramm das in der Waffe vorliegende Führungssubsystem. Wie insbesondere die Fig. 8 zeigt, sind zwei Sonarsysteme vorgesehen, und zwar eines für die Erfassung (oder Suche), das andere zur Verfolgung. Diese beiden Systeme enthalten Prozessoren, die für die zu erfüllenden Aufgaben ausgelegt sind.

Das Such- bzw. Ortungssystem weist acht auf der Rumpfseite angeordnete Wandler 80 auf, die auf einen Wandlerwahlschalter 102 gelegt sind. Das Mosaik 40 des Verfolgungssystems ist an den Such/Verfolgungs-Wahlschalter 104 gelegt, der die Umschaltung zwischen dem Such- und dem Verfolgungsbetrieb mit einer zusätzlichen Verbindung an den Sende/Empfangsumschalter 106 durchführt, der mit dem Wandlerwahlschalter 102 des Erfassungssystems verbunden ist. Die Schalter 102, 104, 106 nehmen Steuersignale aus einem Steuer- und Zeitgabe-Mikroprozessor 108 auf, der ein Impulssignal liefert, das einen Sender 110 triggert, der seinen Ausgangsimpuls an den Wahlschalter 104 gibt. Die Signale werden vom Wahlschalter 106 auf einen Suchempfänger 112 und von dort auf einen Suchsignalprozessor 114 geschaltet, der an den Mikroprozessor 108 angeschlossen ist.

Der Empfänger für das Verfolgungssonar weist vier Hydrophone 120 auf, die innerhalb des Mosaikrasters 40 angeordnet sind. Die Hydrophone 120 sind an eine Arithmetikeinheit 122 gelegt, die ein Summiersignal sowie Differenz-Azimuth- und Elevationssignale für einen Monopulsempfänger 124 liefert; dieser Empfänger 124 gibt Ausgangssignale an die Summen- und Differenzprozessoren 126, 128, die ihrerseits Signale an einen Fehlerprozessor 130 geben, der die an die Steuerelemente 92 (Fig. 3) gelegten Lenkbefehlssignale erzeugt. Der Mikroprozessor 108 ist seinerseits an die Prozessoren 126, 128 und 130 gelegt und bewirkt die Steuerung des Leitsystems insgesamt.

Die Fig. 9 zeigt bestimmte Stufen im Erfassungsempfänger 112. In der Schaltung der Fig. 9 ist ein Paar Verzögerungsverstärker 150 abwechselnd in Reihe mit den Summierstufen 152 gelegt. Ein zusätzliches Eingangssignal aus jedem Verstärker 150 ist auf die folgende Summierstufe 152 gelegt, so daß eine Aufhebung der Widerhallreflektionen erfolgt. Jede Stufe der Schaltung der Fig. 9 arbeitet unter Verzögerung des aufgenommenen Positionsimpulses um den Reziprokwert der Impulsfrequenz (PRR) in der Stufe 150; in der Summierstufe 152 wird dann der nächste Echoimpuls subtrahiert. Das gleiche wiederholt sich für den dritten Impuls in der zweiten Stufe. Ändern sich die Amplitude und die Phase der Echos in den drei Impulsen nicht wesentlich (wie es für Widerhallreflektionen der Fall ist), ist ihr Anteil nach den Substraktionsoperationen nur noch stark abgeschwächt vorhanden.

Suchbetrieb

Der Erfassungs- oder Suchbetrieb wird eingeleitet, nachdem die Waffe das Wasser berührt hat (sobald die Einschlagblase zusammenfällt und der Wandler benetzt wird), wobei 50 Watt Schalleistung aus jedem der seitlich angeordneten Wandler abgestrahlt werden. Dieser Sendeimpuls wird über die Wahlschalter 104, 106, 102 nacheinander zugeführt, so daß alle acht Wandler 80 gleichzeitig impulserregt werden und die Leistung sich in allen Azimuthrichtungen gleich verteilt. Auf diese Weise entsteht die Suchstrahlcharakteristik 18 der Fig. 2 für die Waffe 10 unmittelbar nach dem Eintritt in das Wasser. Nach dem Aussenden des Impulses werden die acht Wandler 80 nacheinander auf Echosignale abgetastet. Dabei ist die Abtastrate so hoch, daß jeder der acht Wandler einmal pro Entfernungsbereich bzw. pro Zeitintervall abgefragt wird. Mit einem 60 Millisekunden breiten Impuls und einer Impulsfrequenz von 1,5 s^-1 ist die resultierende Wellenform im Bereich bis etwa 510 m eindeutig. Die Azimuthabtastung teilt den 60-ms-Impuls zu acht Segmenten auf, so daß im Empfänger eine Verarbeitungsbandbreite von 200 Hz pro Kanal erreichbar ist. Nur sechs Dopplerkanäle sind erforderlich, um Zielgeschwindigkeiten bis etwa 18 kn aufnehmen zu können.

Während des Suchvorgangs werden mindestens drei Impulse ausgesendet. Die Widerhallechos werden durch die 3-Impuls-Auslöschschaltung (vergl. Fig. 9 und die zugehörige Beschreibung) im Suchempfänger teilweise ausgelöscht (um 35 dB gedämpft; optimal angepaßte Filterung für drei Impulse bei Widerhall mit Gauss′scher Verteilung).

Die Suchsignale aus dem Empfänger 112 werden im Prozessor 114 auf das Vorhandensein eines Ziels ausgewertet. Die acht Richtungen werden mit dem Wandlerwählschalter 102 über den einzigen Empfänger 112 und Prozessor 114 im Zeitmultiplex geschaltet, wobei der 60-ms-Sendeimpuls zu acht 7,5-ms-Zeitintervallen aufgeteilt wird. Eine Integration findet nicht statt. Die Schwellwerterfassung eines Ziels in einem bestimmten der multiplexgeschalteten Zeitintervalle enthält sowohl Entfernungs- als auch Winkelinformation (d. h. welcher der acht Wandler Zielsignale aufnimmt), die an den Mikroprozessor 108 gegeben werden. Die Entfernungswerte werden geprüft und als anfängliches Lenksignal verifiziert; danach wird zum Verfolgungsbetrieb umgeschaltet. Das Suchsystem ist so ausgelegt, daß eine Erfassung mit Entfernungs- und Winkelinformation bei einer Zielsignalstärke von -5 dB auf 457 m in 2,75 s (bei einer Geräuschgrenze von weniger als 53 dB) erfolgt.

Verfolgungsbetrieb

Während die Waffe zum Ziel dreht, wie durch das Suchsystem in Fig. 8 bestimmt, schaltet das Führungssubsystem auf Verfolgungsbetrieb um. Vor dem Ende des Wendevorgangs beginnt das Verfolgungssystem (ebenfalls Teil der Fig. 8), Impulse auszusenden, um in Elevation mit einem Verfolgungsstrahl von ±22,5° zu suchen; dies ist die in der Mitte der Fig. 2 für die auf das U-Boot 12 gerichtete Waffe 10 gezeigte aktive Leitstrahlcharakteristik 20. Indem man die Verfolgung etwa bei der Hälfte der vollen Wendebewegung einleitet, erreicht man eine Elevationssuche von -60° bis +30°. Nachdem das Verfolgungssystem das Ziel erfaßt hat, wird die Wendebewegung abgeschlossen und der Antriebsmotor aktiviert.

Das Verfolgungssonar nutzt die vollen 500 Watt Spitzenleistung des Senders 110 zum Erreichen einer verbesserten Leitgenauigkeit aus. Diese Leistung wird über den Wahlschalter 104 den Wandlern 40 des Mosaiks zugeführt. Die Wandler 40 können bei 500 Watt bis 100 kHz bei 45° Strahlbreite ohne Kavitation arbeiten. Das Mosaik arbeitet nach dem Konzept des inversphasengesteuerten gesteuerten Gruppenstrahlers, um eine große Oberfläche und eine große Strahlbreite zu erreichen. Die Phasenlage der einzelnen Wandler 40 der Gruppe wird ausschließlich bestimmt durch deren individuelle Lage; die Wandlergruppe hat daher eine ausreichende Bandbreite und ist billig zu erstellen.

Der Empfänger für die Verfolgungsimpulse weist die vier Hydrophone 120 der Fig. 8 auf, deren Ausgangssignale in der Arithmetikeinheit 122 zu zwei Winkelfehlersignalen (Azimuth und Elevation) und einem Summensignal verknüpft werden, und zwar durch Subtrahieren des linken Hydrophonsignals vom rechten Hydrophonsignal zur Ableitung des Azimuthfehlersignals und durch Subtrahieren des Abwärtshydrophonsignals vom Aufwärtshydrophonsignal, um den Elevationsfehler zu berechnen; das Summensignal ist die Summe aller vier Hydrophonsignale.

Der ausgesendete Impuls ist 10 ms breit. Der Verfolgungsprozessor aus dem Monopulsempfänger 124 und den Prozessoren 20, 26, 128, 130 arbeitet mit 130 Hz Bandbreite auf die Dopplerinformation, um sowohl den Oberflächen/Bodenhall und Zielgeschwindigkeiten auf 0,98 m/s zu bestimmen. Der Dopplerprozessor ist im Summenkanal 126 implementiert. Nach der Erfindung veranlaßt der Mikroprozessor 108, daß der Fehlerprozessor 130 eine Division der Differenzkanäle durch den Summenkanal durchführt; die resultierenden normalisierten Winkelfehlersignale dienen als Lenksignale.

Die Brauchbarkeit des Hydropulsantriebs der Waffe nach der vorliegenden Erfindung hat sich in Tests an einem verkleinerten Modell und durch Rechnersimulation erwiesen. Eine Prüfmodellkammer von etwa 76 mm Durchmesser und 127 mm Länge sowie einer Düse mit einem Durchmesser von 3,175 mm Durchmesser entwickelten einen Schub von 3,86 kp bei einem Innendruck von 26,3 kp/cm².

Wegen der theoretischen und praktischen Einfachheit der einzelnen Untersysteme der Waffe und ihrer Integration zur Einheit insgesamt erhält man eine äußerst hohe Zuverlässigkeit bei sehr niedrigem Aufwand. Die Einheiten brauchen nicht im Feld geprüft zu werden (was zu Verschleiß und Schäden führen könnte). Eine hohe Benutzungsfertigkeit läßt sich aufrechterhalten, da die Kosten für die Waffe niedrig genug sind, um sie auch als verlierbares Übungsgeschoß verwenden zu können. Ein Gefechtskopf mit 68 kg Sprengstoff reicht aus, um den Rumpf eines U-Boots aufzureißen, wenn er beim Aufprall detoniert. Das Gesamtgewicht der Waffe läßt sich also gering halten, so daß die Feuerkraft von Hubschraubern oder anderen U-Boot-Abwehr-Luftfahrzeugen (Anzahl der mitgeführten Waffen) steigt.

Claims (5)

1. Sonarsystem für Lenkwaffen zum Einsatz gegen Unterwasserziele mit zielsuchenden Mitteln zum Lenken der Waffe unter Wasser, die ein Erfassungssonarsystem mit einer Vielzahl seitlich am Waffenkörper angeordneter Wandler und ein in der Nase der Lenkwaffe vorgesehenes aktives Verfolgungssonarsystem umfassen und Lenksignale erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Erfassungssonarsystem ein aktives Sonarsystem ist,
• - die Wandler (80) des aktiven Erfassungssonarsystems um den Rumpfumfang der Waffe (10) verteilt sind,
• - als Zielverfolgungssonarsystem ein Monopulssonar Verwendung findet,
• - ein dem Erfassungssonar- und dem Zielverfolgungssonarsystem zugeordneter Erfassungs-Verfolgungs-Wahlschalter (104) eingangsseitig einerseits über eine Sender (110) und andererseits unmittelbar mit einem Signalprozessor (108) sowie ausgangsseitig einerseits mit dem Monopulssonar des Zielverfolgungssystems und andererseits zur Umschaltung zwischen Ortung und Zielverfolgungsbetrieb mit einem Sende-/Empfangsumschalter (106) des Erfassungssonarsystems verbunden ist, der zum einen mit einem Wandlerwahlschalter (102) des Empfangssonarsystems, der eingangsseitig mit dem Signalprozessor (108) gekoppelt ist, sowie zum anderen mit dem Signalprozessor (108) eingangsseitig unmittelbar und ausgangsseitig über einen Erfassungssignalempfänger (112) und einen diesem nachgeschalteten Erfassungssignalprozessor (114) verbunden ist, wobei der Signalprozessor ausgangsseitig sowohl über einen Summen- und einen Differenzprozessor (126 bzw. 128) als auch mit einem mit diesen gekoppelten Fehlerprozessor (130) des Zielverfolgungssonarsystems unmittelbar verbunden ist, das Anlegen eines Senderimpulses an die Wandler steuert und die Wandler nacheinander auf Reflexionen von ein Ziel anzeigenden Echosignalen abtastet, und daß
• - das Zielverfolgungssonarsystem die Ortung jeweils nur in den Intervallen zwischen den Antriebsimpulsen des Antriebs der Lenkwaffe vornimmt.

2. Sonarsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Monopulssonar eine Mosaik-Gruppenanordnung (40) aus Wandlern aufweist, die an den Erfassungs-Verfolgungs- Wahlschalter (104) eingangsseitig gelegt sind und einen allgemein kegelförmigen Strahl erzeugen, der von der Nase der Waffe (10) aus nach vorn gerichtet ist.

3. Sonarsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Monopulssonar als Empfänger vier Hydrophone (120) aufweist, die über eine Arithmetikeinheit (122) mit einem Monopulsempfänger (124) verbunden sind, dessen Ausgang an den Summen- und den Differenzprozessor (126 bzw. 128) gelegt ist.

4. Sonarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erfassungssignalempfänger (112) des Erfassungssonarsystems ein Paar hintereinander geschaltete Verzögerungsverstärker (150) aufweist, die abwechselnd in Reihe mit Summierstufen (152) gelegt sind, in denen jeweils ein von dem entsprechenden Verzögerungsverstärker (150) aufgenommenes Signal mit dem Ausgangssignal des Verzögerungsverstärkers (150) in entgegengesetzter Polarität verknüpft ist, wodurch eine Unterscheidung zwischen Zielecho- und Hallsignalen gegeben ist, indem unerwünschte Hallechosignale auslöschbar sind.

5. Sonarsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (108) wahlweise bewirkt, daß der mit seinem Ausgang eingangsseitig verbundene Sender (110) intervallmäßig Impulse erzeugt, wenn die Unterwassergeschwindigkeit unterhalb eines Wertes liegt, bei dem die Eigengeräusche die Zielechos anzeigenden akustischen Signale überdeckt.