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Grundlagen
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Grundlagen der Stabilisierungssysteme Schon
im zweiten Weltkrieges bauten die USA in einigen ihrer Panzer
serienmäßig einfache Stabilisierungsanlagen ein. In der Sowjetunion
wurde für die T-26 und BT ein Zielfernrohr mit Blickfeldstabilisierung
und Kreiselabfeuerung entwickelt. Das Bild links zeigt das Grundprinzip
des genannten Stabilisierungssystems der amerikanischen Panzer.
Diese Geräte arbeiteten jedoch noch nicht zufriedenstellend.
Der Krieg unterbrach zunächst die Entwicklungsarbeiten, der
Schwerpunkt lag auf der Massenproduktion billiger Kampfpanzer.
Nach dem Ende des Krieges begann man insbesondere in der Sowjetunion
intensiv moderne Stabilisierungsanlagen zu entwickeln und in
den 50er Jahren zuerst in den T-54
einzubauen. Auch für den britischen Centurion stand frühzeitig
ein zuverlässiger elektromechanischer Stabilisator der Firma
Metropolitan-Vickers zur Verfügung. In den USA entwickelte die
Firma Honeywell einen Stabilisator, der im M60 und auch im
Schweizer Panzer 68 Verwendung fand. 1964 stellte amerikanische
Firma
Cadillac Gage ihr verbessertes System Add-On vor, das dann 1969/70 auch
in den Leopard 1 integriert wurde. Während die Sowjetunion
auf ein zusätzliches Kraftrichtsystem verzichtete und die Kanonen
aller Panzer vom T-54 an ausschließlich mit Hilfe des Stabilisierungssystems
gerichtet wurden, setzte das System Add-On als Zusatz auf das
wesentlich früher entwickelte elektrohydraulische Kraftrichtsystem
auf. Beginnend mit dem T-64 trennte man die Stabilisierung von
Visierlinie und Waffen um die Treffgenauigkeit beim Schießen
aus der Bewegung wesentlich zu erhöhen. Das Stabilisierungssystem
des deutschen Leopard 2 stellte dann Anfang der 80er Jahre mit
seiner über viele Jahre unübertroffenen Stabilisierungsgüte
einen Meilenstein in der Entwicklung dieser Systeme dar. Im Folgenden einige Gedanken zu den Grundlagen der Stabilisierungssysteme. Die Kenntnis der physikalischen Kräfte an technischen Kreiseln wird vorausgesetzt. Die Beschreibungen stützen sich Anfangs auf das russische Stabilisierungssystem, sind aber, was die physikalischen Grundlagen betrifft, auf alle Systeme anwendbar. Die Kreisel sind das Herzstück des Stabilisierungssystems. Es sind technische Kreisel mit denen in Echtzeit die Abweichung der Kanone in der vertikalen bzw. horizontalen Ebene gemessen werden kann. Die benötigten Ausgangssignale sind die Winkelabweichung und die Winkelgeschwindigkeit mit der die Abweichung erfolgt. Während der Bewegung im Gelände kommt es durch Schwingungen um die Querachse zu Kräften, die durch die technisch nicht vermeidbare Reibung in den Schildzapfen der Waffenaufhängung auf die Kanone übertragen werden. Die Kanone wandert aus ihrer Position aus. Lenkbewegungen sowie Schwingungen um die Längsachse der Wanne führen zu Kräften, die den Turm aus seiner Solllage bringen. Darüber hinaus sind natürlich Kanone und Turm durch die Richtantriebe grundsätzlich schon relativ fest an die Bewegungen der Wanne gekoppelt wodurch sie den Bewegungen des Panzers folgen. Das
linke Bild zeigt skizzenhaft einen Kreisel zur Messung der Winkelgröße
der Abweichung. Der Kreisel besitzt drei Freiheitsgrade. Man
bezeichnet ihn als Winkelgeber oder auch als Lagekreisel.
An der Achse des äußeren Kreiselrahmens wird an Stelle des Zeigers
ein Resolver
angebaut, der das mechanische Winkelsignal des Kreisels in ein
elektrisches umsetzt. Lagekreisel besitzen in der Regel ein
integriertes Korrektursystem zum Ausgleich technologisch
bedingter Fehlersignale. Durch nicht vermeidbare Reibung und
Fertigungstoleranzen in der Kardanaufhängung des Kreisels kommt
es nach kurzer Laufzeit zu Unwuchten im Kreisellauf. Dies führt
zum Auswandern der Kreiselrahmen aus der optimalen rechtwinkligen
Lage zueinander und damit zu einem Fehlersignal und im Resultat
zu einer Verschlechterung der Stabilisierungscharakteristik.
Gleichfalls kann es beim Schwenken des Turms und gleichzeitigen
Vorhandensein
eines Erhöhungswinkels der Kanone zu einer Komponente am inneren
Kreiselrahmen und zum nachfolgenden Auswandern des Kreisels
durch Präzession kommen. Eine zweite wichtige Messgröße ist die absolute Winkelgeschwindigkeit mit der die Kanone aus der Solllage auswandert. Diese Geschwindigkeit wird von einem zweiten Kreiselsystem gemessen. Dieses System ist ein Kreisel mit nur zwei Freiheitsgraden und einem Resolver für die Signalumformung. Man bezeichten ihn als Winkelgeschwindigkeitsgeber oder auch Wendekreisel. Für den Vertikalstabilisator verläuft die Y-Achse in der linken Skizze parallel zur Seelenachse (rot) des Kanonenrohres. Eine Besonderheit bei diesem Kreisel ist, das die Y-Achse in einem Drehstab ausläuft, der einseitig fest mit dem Kreiselgehäuse verbunden ist. Dadurch wird der Kreisel beim Auswandern der Kanone aus der Solllage um die X-Achse an der freien Verdrehung des Rahmens gehindert. Die Kreiselkräfte, durch die Anordnung der Kreiselachse sind es Präzessionskräfte, verdrehen den Drehstab. Um störende Eigenschwingungen am Wendekreisel zu dämpfen, wird in der Regel das Schwingungsverhalten durch Wirbelstrombremsen oder ähnlich geeignete technische Maßnahmen am freien Ende des Drehstabes gedämpft. Am Resolver entsteht letztlich als Äquivalent zu den Torsionskräften am Drehstab ein Signal für die Größe der Winkelgeschwindigkeit. Wenn durch das einsetzende Stabilisierungsmoment das Auswandern der Kanone gestoppt wurde und die Kanone wieder auf die Solllage zurückzuschwingen beginnt, schlägt der Winkelgeschwindigkeitsgeber in die entgegengesetzte Richtung aus. Der Resolver gibt nun, in Bezug auf das vorherige Signal, ein negatives Signal aus, während das Signal des Winkelgebers noch ein positives Vorzeichen hat. Eine Besonderheit der amerikanischen Systeme Honeywell und Add-On ist, das nur Wendekreisel eingesetzt wurden. Dabei befand sich beim System Add-On, beispielsweise für das vertikale Stabilisierungssystem, ein Wendekreisel unmittelbar an der Kanone (Waffenkreisel) und ein zusätzlicher Wendekreisel abgesetzt im Turm (Turmkreisel). Die Größe der Winkelabweichung von der Solllage kann aus der Torsionskraft am Drehstab ermittelt werden. Weitere Signalgeber können Werte für die Verkantung der Schildzapfen der Kanone und für die lineare Beschleunigungen in der horizontalen Ebene des Turmes bei Verkantung der Wanne bzw. beim Schwenken des Turms geben. Diese Geber basieren in der Regel auch auf den Kreiseln mit zwei Freiheitsgraden mit entsprechenden Resolvern. Resolver
sind auch als Drehmelder bekannt. Das linke Bild zeigt nun das
Prinzip eines solchen Resolvers.
Beide Signale, der Winkel der Regelabweichung
und das Signal der absoluten Winkelgeschwindigkeit während der
Abweichung, werden an den Elektronikblock übergeben und dort
weiterverarbeitet. Die Signale werden verstärkt und zu einem
Summierungssignal zusammengeführt. Das weiter verstärkte Summierungssignal
wird an die Stellglieder des Stabilisierungssystems weitergeleitet.
Im Diagramm wird veranschaulicht, welchen Verlauf die Signale
nehmen. Das Summierungssignal ist, da es dem Fehlersignal entgegenwirkt,
für eine bessere Anschaulichkeit mit entgegengesetztem Vorzeichen
versehen. Eines der wesentliches Kriterium der Arbeit des Stabilisators ist dabei die Anzahl der notwendigen Schwingungen bis zum Einschwingen in die Solllage, die sogenannte Dämpfung. Die Anzahl der Schwingungen bis zum Erreichen der Solllage darf nicht zu groß sein, sonst wird der Stabilisator zu "weich". Ist die Anzahl der Schwingungen zu gering eingestellt, kann das zum Aufschaukeln und ungeregelten Vibrieren des Stabilisators führen. Neben der Dämpfung müssen weitere Parameter für den fehlerfreien Betrieb des Stabilisierungssystems eingehalten werden. Das sind der Rohrausgleich für das Gleichgewicht zwischen Rohrmündung und Bodenstück, das Reibmoment in den Richtantrieben und Lagerungen, die Starrheit als Ausdruck des entwickelten Stabilisierungsmomentes und weitere Parameter entsprechend der konstruktiven Besonderheiten der einzelnen Typen. Das Richten der Bewaffnung.
Neben der Grundfunktion des Stabilisierens
der Lage der Waffe im Raum muss es dem Richtschützen möglich
sein, die Waffen präzise auf ein Ziel zu richten. Dazu werden
verschiedene Verfahren angewendet. Die russischen Stabilisierungssysteme,
die ja keine autonomen Kraftrichtanlagen besitzen, nutzen hier
wieder das Prinzip der geregelten Präzession der Lagekreisel.
An der kardanischen Aufhängung der Lagekreisel mit drei Freiheitsgraden
befinden sich sogenannte Richtmagnete. Diese Elektromagnete
werden direkt angesteuert durch die Signale der Potentiometer
in den Richtgriffen. Die Elektromagnete erzeugen ein Moment
das dem Winkel der Verdrehung der Richtgriffe entspricht. Der
Kreiselrahmen präzediert mit genau dem Winkel der dem Moment
des Richtmagneten entspricht. Dabei dreht sich der Rotor im
Resolver, als ob eine Lageabweichung der Kanone bzw. des Turmes
entstanden wäre. Das Stabilisierungssystem beginnt sofort mit
der Richtgeschwindigkeit nachzuregeln, die durch die Richtgriffe
und dem Moment der Richtmagnete vorgegeben wurde. Werden die
Richtgriffe in die neutrale Position zurückgeführt, bleibt die
Waffe in der neuen Solllage stehen und wird weiter stabilisiert. Der Laser-Kreisel. Die beschriebenen Mängel des traditionellen mechanischen Kreisels, wie lange Anlaufzeit und die Neigung zum Auswandern, treten in den zunehmend Verwendung findenden Laser-Kreiseln oder auch Ring-Kreiseln nicht auf. Laser-Kreisel sind mit dem Moment des Einschaltens sofort einsatzbereit und können nicht auswandern. Zusätzlich sind sie im Gegensatz zu den mechanischen Kreiseln mechanisch äußerst robust und nahezu wartungsfrei. Das linke Bild zeigt einen solchen Laser-Kreisel der Firma Honeywell.
In diesem System werden kontinuierlich zwei gegenläufige Laserstrahl (rot) erzeugt. Durch eine spezielle Anordnung von Spiegeln (gelb) wird erreicht, das sich die Laser-Strahlen permanent kreisförmig innerhalb der Spiegel bewegen. Die Laser-Strahlen umlaufen mehrfach den Weg zwischen den Spiegeln und werden dabei immer "länger", bis sich die einzelnen Strahlen überlagern. Da sich Lichtstrahlen Wellenähnlich verhalten, kommt es bei der Überlagerung zur Resonanzverstärkung bzw. zu Interferenzlöschungen. Wegen des geschlossenen Kreislaufes hebt sich durch die Resonanzverstärkung letztlich eine, messbare, Frequenz heraus. Wird nun der Kreiselblock verdreht, so muss der Laserstrahl der sich gerade in der Drehrichtung bewegt, einen "längeren" Weg als der andere Strahl zurücklegen. Durch die in diesem Moment wirkenden Effekte (Resonanz und Interferenz) ergibt sich ein Unterschied in der Frequenz der beiden Laser-Strahlen. Dieser Frequenzunterschied ist messbar und wird als Ausgangssignal des Laser-Kreisels herangezogen.
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Copyright: Stefan Kotsch |