Способ и устройство сохранения энергии и данных в управляемом снаряде
Изобретение относится к области военной техники. Технический результат - повышение безопасности и производительности. Согласно изобретению энергию и данные задания для управляемого снаряда передают из установщика снаряда через индукционный интерфейс. Управляемый снаряд содержит конденсаторный элемент для приема и хранения электрической энергии, передаваемой через индукционный интерфейс, элемент для приема и хранения данных, передаваемых через интерфейс одновременно с электрической энергией в комбинированном сигнале электрической энергии и данных. Снаряд также содержит полетную батарею и систему временной стабилизации, получающую питание от конденсаторного элемента хранения электрической энергии и полетной батареи. Причем система временной стабилизации получает питание от конденсаторного элемента хранения электрической энергии во время загрузки и залпа, а полетная батарея активируется после запуска снаряда. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к передаче данных и энергии, и в одном из вариантов осуществления настоящее изобретение относится к сохранению энергии и данных задания в управляемом оружии.
Уровень техники
Управляемые снаряды, в том числе взрыватели, ракеты, и другое оружие в общем случае требует быстрой активации. Известные управляемые снаряды используют интерфейс данных загрузки данных задания перед запуском и развертыванием. Данные задания могут включать в себя навигационные данные, а также данные инициализации для использования в Системе Глобального Позиционирования (GPS) снаряда. Данные могут быть загружены быстро для запуска снарядов в высоком темпе. Схема в управляемом снаряде обычно соединена с батареей поддержки данных. Батарея поддержки данных подает питание на схему GPS и другие схемы перед и в начальной стадии развертывания снаряда. Батарея поддержки данных может представлять собой химическую батарею, выполненную с возможностью однократной инициации, и может быть активирована после передачи данных задания путем смешивания или комбинирования химических реагентов. Батареи поддержки данных, активируемые химическим способом, могут находиться в неактивном состоянии до момента активации для обеспечения более продолжительного времени хранения.
Один из недостатков при использовании батареи поддержки данных заключается в том, что они требуют, чтобы снаряды были применены относительно быстро после передачи данных задания. Одной из причин этого является то, что батареи поддержки данных в общем случае не допускают перезарядки без деградации производительности. Например, в некоторых боевых условиях от батареи поддержки данных может требоваться поддержка данных задания и питания схемы GPS в течение многих дней при одной зарядке. Если снаряд не применяют в определенных временных рамках, батарея поддержки данных должна быть заменена и, возможно, данные задания потребуется водить в снаряд заново.
Другим недостатком использования батарей поддержки данных в управляемых снарядах является безопасность. Батарея поддержки данных, активируемая химическим способом, требует комбинирования и/или смешивания обычно опасных химических реагентов. Другим недостатком при использовании батареи поддержки данных является их высокая стоимость.
Таким образом, существует необходимость в улучшенном способе и устройстве для хранения энергии и хранения данных, подходящих для использования в управляемых снарядах. Также существует потребность в системе и способе хранения энергии и хранения данных, которые позволяют перезарядку без деградации производительности. Также существует потребность в системе и способе хранения энергии и хранения данных, подходящих для управляемых снарядов, которые не требуют замены батареи поддержки данных, если снаряд не был применен в определенных временных рамках. Также существует потребность в системе и способе хранения энергии и хранения данных, которые не используют батарею поддержки данных.
Краткое описание чертежей
Прилагаемая формула изобретения подробно определяет различные варианты осуществления настоящего изобретения. Однако подробное описание обеспечивает более полное понимание настоящего изобретения при рассмотрении в связи с фигурами, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым элементам на всех фигурах:
фиг.1 является функциональной блок-схемой системы передачи энергии и данных задания согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
на фиг.2 показан пример установщика снаряда и часть управляемого снаряда согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 является функциональной блок-схемой схемы снаряда согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.4 является блок-схемой процедуры передачи данных и энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Нижеследующее описание и чертежи иллюстрируют частные варианты осуществления настоящего изобретения в достаточной степени, чтобы специалисты в данной области техники смогли его применить. Другие варианты осуществления могут включать в себя изменения в конструкции, логике, электрических схемах, процессах и другие. Примеры просто типизируют возможные вариации. Отдельные компоненты и функции являются необязательными, за исключением явного указания на их необходимость, и последовательность операций может меняться. Части и отличительные особенности некоторых вариантов осуществления могут быть включены в другие или могут заменять в них свои аналоги. Объем настоящего изобретения охватывает весь диапазон формулы изобретения и все возможные эквиваленты.
В одном из вариантов осуществления, настоящее изобретение предлагает устройство для хранения энергии и данных в управляемом снаряде. В этом варианте осуществления энергия и данные задания для управляемого снаряда передают из установщика снаряда через индуктивный интерфейс. Снаряд может включать в себя конденсаторный элемент хранения энергии и элемент хранения данных для хранения данных задания. Прецизионная часовая схема GPS снаряда может получать питание от конденсаторного элемента хранения энергии во время операций зарядки и запуска снаряда до активации полетной батареи. В одном из вариантов осуществления изобретения конденсаторный элемент хранения энергии включает в себя по меньшей мере один суперконденсатор и второй конденсатор, который может представлять собой конденсатор повышенной прочности. Часовая схема может получать питание от конденсатора повышенной прочности, если суперконденсатор откажет во время операции запуска. Конденсаторный элемент хранения энергии может включать в себя однонаправленные элементы передачи энергии, включенные между суперконденсатором и конденсатором повышенной прочности для предотвращения разряда конденсатора повышенной прочности через суперконденсатор, который может быть поврежден во время операции запуска. К выходу конденсаторного элемента хранения энергии может быть подсоединен стабилизатор для стабилизации выходного напряжения.
В другом варианте осуществления настоящее изобретение предлагает способ хранения энергии и данных. Способ может включать в себя прием энергии и данных через интерфейс, зарядку конденсаторного элемента хранения принятой энергией и сохранения данных в элементе хранения данных. Энергия может подаваться на часовую схему до тех пор, пока не активируется другой источник. В одном из вариантов осуществления энергия и данные могут приниматься через индуктивный интерфейс управляемого снаряда. В этом варианте осуществления данные могут быть данными задания для управляемого снаряда, и другой источник энергии может включать в себя полетную батарею управляемого снаряда. Прием, зарядка и сохранение могут выполняться во время операции установки снаряда, и энергия может подаваться на прецизионную часовую схему GPS после операции установки снаряда и во время операций загрузки и запуска управляемого снаряда. В данном варианте осуществления конденсаторный элемент хранения может содержать суперконденсатор и вторичный конденсатор. Энергия, запасенная во вторичном конденсаторе, может подаваться на часовую схему в случае выхода из строя суперконденсатора во время операции запуска.
На фиг.1 представлена функциональная блок-схема системы передачи энергии и данных задания согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 100 может применяться для передачи данных и/или энергии в устройство, такое как управляемый снаряд. Управляемый снаряд включает в себя, например, взрыватели, ракеты и другое управляемое оружие, которое может быть выполнено с возможностью использования данных задания. Система 100 может включать в себя схему установщика 102, интерфейс 104 и схему 106 снаряда. Схема установщика может передавать данные 108 задания и энергию 110 в интерфейс 104. Схема 106 снаряда принимает данные 108 задания и/или энергию от интерфейса 104 и может сохранять данные задания в элементе 112 хранения данных и энергию в элементе 114 хранения энергии. Энергия в элементе 114 хранения энергии может предоставлять питание в нагрузку 116 до момента, когда станет доступным другой источник питания. В одном из вариантов осуществления изобретения энергия из элемента 114 хранения энергии также может подаваться в элемент 112 хранения данных для сохранения данных до момента, когда станет доступным другой источник питания.
Схема установщика 102 может включать в себя другие функциональные элементы (не показаны) для преобразования данных и энергии для передачи через интерфейс 104, в зависимости от того, является ли интерфейс 104 интерфейсом механического типа или, например, индукционным интерфейсом. В случае индукционного интерфейса схема установщика 102 может включать в себя функциональные элементы 110 преобразования энергии, например, в форму колебаний переменного тока. Схема установщика также может включать в себя функциональные элементы для модулирования данными 108 указанных колебаний.
В варианте осуществления настоящего изобретения для управляемого снаряда данные 108 задания могут включать в себя информацию GPS и навигационную информацию, и нагрузка 116 можетвключать в себя прецизионные часы, такие как часы GPS или прецизионный генератор. В таком варианте осуществления энергия в элементе 114 хранения энергии может предоставлять питание в нагрузку 116 до момента, когда станет доступным полетный источник энергии, такой как полетная батарея, вскоре после момента применения снаряда.
Интерфейс 104 может представлять собой бесконтактный интерфейс, такой как индукционный интерфейс 118, содержащий одну или несколько наборов катушек в снаряде. Данные и энергия могут передаваться от одного или нескольких наборов катушек установщика снаряда к одному или нескольким наборам катушек снаряда во время операций установки снаряда, при которых, например, установщик снаряда находится в непосредственной близости от снаряда. В качестве альтернативы, интерфейс 104 может быть электрическим или механическим интерфейсом, содержащим один или несколько механических или электрических соединителей.
Хотя интерфейс 104 показан в виде функционального элемента, отдельного от схемы установщика 102 и схемы 106 снаряда, первая часть интерфейса 104 может быть выполнена как часть установщика снаряда, тогда как вторая часть интерфейса может быть выполнена как часть снаряда. В случае индукционного интерфейса, первая часть может включать в себя, например, первый набор катушек и магнитный сердечник, расположенный в установщике снаряда, а вторая часть может включать в себя, например, второй набор катушек и магнитный сердечник, расположенные в снаряде.
На фиг.2 показан пример установщика снаряда и часть управляемого снаряда согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Установщик 202 снаряда и часть 204 снаряда могут формировать бесконтактный интерфейс 200, через который могут передаваться данные и/или энергия. Бесконтактный интерфейс 200 представляет собой один из примеров индукционного интерфейса, подходящего для использования в качестве интерфейса 118 (фиг.1), хотя также возможны и другие интерфейсы. Бесконтактный интерфейс 200 может содержать одно или несколько наборов катушек 206 на части 204 снаряда и один или несколько наборов катушек 208 на установщике 202 снаряда. Катушки 206 могут быть намотаны непосредственно на магнитные сердечники 210, которые могут быть разделены при помощи разделителя 212. Катушки 208 установщика 202 аналогично могут быть намотаны на магнитных сердечниках (не показаны). Во время операции передачи энергии данных часть 204 снаряда может быть вставлена или размещена в установщике 202 для формирования преобразователя, позволяющего передачу энергии данных. Один из подходящих индукционных интерфейсов описан в патенте США №6268785, который включен в данное описание во всей своей полноте в качестве ссылки.
Фиг.3 представляет собой функциональную блок-схему схемы снаряда согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Схема 300 снаряда может подходить для использования в качестве схемы 106 снаряда (фиг.1), хотя также возможны и другие схемы. Схема 300 снаряда может включать в себя выпрямитель 302 для выпрямления сигнала, принятого от интерфейса, такого как интерфейс 104 (фиг.1), и конденсаторный элемент 304 хранения для хранения энергии, извлекаемой из выпрямленных сигналов. Схема 300 снаряда также может включать в себя устройство 306 извлечения для извлечения данных из сигналов, принятых от интерфейса, такого как интерфейс 104 (фиг.1), и элемент 308 хранения данных для хранения извлеченных данных. Стабилизатор 310 может стабилизировать напряжение сигналов для устройства 306 извлечения.
Элемент 308 хранения данных может соответствовать элементу 112 хранения данных (фиг.1). Элемент 308 хранения данных может содержать энергозависимое и/или энергонезависимое полупроводниковое запоминающее устройство, а также другие элементы, подходящие для хранения цифровой информации, включающие в себя, например, магнитную память и магнитные элементы хранения.
Конденсаторный элемент 304 хранения энергии может быть подходящим для использования в качестве элемента 114 хранения энергии (фиг.1), хотя также возможны другие элементы хранения энергии. Элемент 304 хранения энергии может обеспечивать выходное напряжение через стабилизатор 312 для системы 316. Система 316 может включать в себя прецизионные часы и/или схему генератора в том числе, например, схему временной синхронизации с GPS. В одном из вариантов осуществления стабилизатор 312 может обеспечивать питание для элемента 308 хранения данных для поддержания сохраненных данных. Например, если элемент 308 хранения данных включает в себя энергозависимую память, стабилизатор 312 может обеспечивать напряжение для элемента 308. В одном из вариантов осуществления конденсаторный элемент 304 хранения может заменять батарею поддержки данных, обычно используемую в управляемых снарядах.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения данные, принятые через интерфейс, могут включать в себя данное задание для использования в управляемом снаряде. В таком варианте осуществления энергия и данные могут передаваться через интерфейс очень быстро. Конденсаторный элемент 304 хранения энергии может быстро заряжаться, и данные задания могут сохраняться в элементе 308 хранения данных во время операций установки снаряда. Во время операций установки снаряда питание может подаваться на элементы схемы 300 снаряда, включающей в себя курсовую электронику 318. После операций установки снаряда и во время залпа конденсаторный элемент 304 хранения энергии может обеспечивать питание системы 316 временной стабилизации до момента активации после запуска химического элемента 320 хранения энергии. Химический элемент 320 хранения энергии может представлять собой полетную батарею, используемую для питания курсовой электроники 318 и системы 316, а также других элементов во время применения снаряда. В одном из вариантов осуществления полетная батарея может быть химически активирована во время запуска. Контроллер (не показан) может управлять операциями различных функциональных элементов схемы 300 снаряда.
Конденсаторный элемент 304 хранения энергии может включать в себя основной конденсаторный элемент хранения энергии, например, по меньшей мере, один суперконденсатор 322 для сохранения энергии, получаемой от выпрямителя 302. В одном из вариантов осуществления изобретения конденсаторный элемент 304 хранения энергии может включать в себя резервный элемент хранения энергии, например конденсатор 324 повышенной прочности (КПП) и однонаправленные элементы 326 передачи энергии между суперконденсатором 322 и конденсатором 324 повышенной прочности. Конденсатор 324 повышенной прочности может представлять собой танталовый конденсатор или конденсатор для поверхностного монтажа, например, которые могут иметь повышенную прочность. Однонаправленные элементы 326 передачи энергии могут представлять собой диоды. Конденсатор 324 повышенной прочности может служить резервным элементом хранения энергии, и в одном из вариантов осуществления система 316 может получать энергию от конденсатора 324 повышенной прочности в случае выхода из строя суперконденсатора во время запуска снаряда (например, в случае если суперконденсатор не обладает повышенной прочностью). Конденсаторный элемент 304 хранения энергии может включать в себя другие функциональные элементы (не показаны), позволяющие заряжать элементы 322 и 324 хранения энергии при помощи выпрямленных сигналов от выпрямителя 302.
В одном из вариантов осуществления, стабилизатор 312 может быть импульсным, повышающим стабилизатором напряжения, обеспечивающим входное напряжение для системы 316, которое может превышать уровень напряжения, получаемый от конденсаторного элемента 304 хранения энергии. В этом варианте осуществления, может быть необходим только один суперконденсатор 322, хотя могут быть включены параллельно несколько суперконденсаторов.
В другом варианте осуществления стабилизатор 312 может представлять собой линейный стабилизатор напряжения или переключающий стабилизатор напряжения, обеспечивающий входное напряжение для системы 316, которое может быть ниже или примерно равно уровню напряжения, получаемого от конденсаторного элемента 304 хранения энергии. В этом варианте осуществления может использоваться несколько суперконденсаторов 322, и суперконденсаторы могут быть соединены последовательно (как показано) для обеспечения повышенного суммарного напряжения. Могут быть добавлены дополнительные суперконденсаторы (например, параллельно) для обеспечения дополнительной нагрузочной способности. В таких вариантах осуществления, стабилизатор 312 может обеспечивать стабилизированное выходное напряжение для системы 316, которое может находиться, например, в пределах от двух до четырех вольт.
В одном из вариантов осуществления, суперконденсатор 322 может иметь высокую плотность хранения и может иметь емкость одну или несколько Фарад. Суперконденсатор 322 может быть химически инертным (т.е. не включать в себя батарею или представлять собой комбинацию батарея-конденсатор) и может иметь радиально организованные двухслойные пластины. Суперконденсатор 322 также может быть герметически запечатанным и содержать электролит, не замерзающий при температурах до -45 градусов по Фаренгейту. Суперконденсатор 322 также может быть выполнен с возможностью выдерживать ударные нагрузки до 15000 g и более без выхода из строя во время операций запуска снаряда. Скорость заряда и/или разряда суперконденсатора 322 может составлять, по меньшей мере, 15 Джоулей в секунду, что позволяет, например, суперконденсатору 322 сохранять до 15-20 ватт за менее чем две секунды. Суперконденсатор 322 может называться "быстрозаряжаемым" конденсатором.
Хотя схема 300 снаряда показана, как имеющая несколько функциональных элементов 302-320, один или несколько из этих функциональных элементов могут быть комбинированы с другими функциональными элементами и могут быть изготовлены из различных комбинаций аппаратных элементов и программно конфигурируемых элементов.
Фиг.4 представляет собой блок-схему процедуры передачи энергии данных согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Процедура 400 передачи данных и энергии может выполняться системой установки снаряда, такой как система 100 (фиг.1), хотя также возможны другие системы. Хотя отдельные этапы процедуры 400 показаны и описаны как отдельные этапы, один или несколько отдельных этапов могут выполняться одновременно.
На этапе 402 установщик снаряда может быть помещен поверх снаряда. На этапе 402 может быть установлен бесконтактный или индукционный интерфейс, такой как интерфейс 118 (фиг.1), между схемой установщика 102 (фиг.1) и схемой 106 снаряда (фиг.1). На этапе 402, в качестве альтернативы, может устанавливаться электромеханический интерфейс. В случае электромеханического интерфейса, этап 402 может включать в себя электрическое соединение схем установщика и снаряда. На этапе 404 данные и/или энергия передаются через интерфейс от схемы установщика в снаряд. Энергия может представлять собой сигналы переменного тока, а данные могут модулировать указанные сигналы.
На этапе 406 может заряжаться конденсаторный элемент хранения энергии, такой как элемент 114 хранения энергии (фиг.1). Зарядка может быть выполнена быстро, сохраняя до 25 ватт или более энергии в конденсаторном элементе хранения энергии менее чем за несколько секунд. Этап 406 может включать в себя зарядку основного и резервного элементов хранения конденсаторного элемента хранения энергии. На этапе 408 могут быть сохранены данные задания в элементе хранения данных, таком как элемент 112 хранения данных (фиг.1). В одном из вариантов осуществления этапы с 404 по 408 могут выполняться, по-существу, одновременно. Во время этапов с 404 по 408 питание на схему снаряда может подаваться из внешних источников.
На этапе 410 установщик снаряда может быть удален со снаряда, что может ликвидировать интерфейс, установленный на этапе 402. В случае электромеханического интерфейса, этап 410 может включать в себя электрическое разъединение схем установщика и снаряда.
На этапе 412 основной элемент хранения конденсаторного элемента хранения энергии может предоставлять энергию для системы, такой как система 316 (фиг.3), до момента, пока не станет доступным другой источник энергии. В одном из вариантов осуществления конденсаторный элемент хранения энергии может обеспечивать энергией схему от момента извлечения снаряда из установщика снаряда до момента запуска. Это может включать в себя время, в течение которого снаряд перемещается в ствол орудия для зарядки на этапе 414, и время, следующее за запуском на этапе 416 до того момента, пока не станет доступной полетная батарея. В этом варианте осуществления конденсаторный элемент хранения энергии может заменять батарею поддержки данных, используемую в известных управляемых снарядах.
На этапе 418 резервный элемент хранения энергии, такой как конденсатор повышенной прочности, может обеспечивать энергией систему, такую как система 316 (фиг.3), в случае выхода из строя 419 основного конденсаторного элемента хранения энергии. Например, если суперконденсатор 322 (фиг.3) выйдет из строя во время операций запуска, конденсатор 324 повышенной прочности может обеспечивать энергией часовую схему до того момента, пока не станет доступной полетная батарея. В такой ситуации конденсатор 324 повышенной прочности может обеспечивать питание часовой схемы в течение относительно короткого промежутка времени (например, менее чем 2 секунды) от момента запуска до момента активации полетной батареи.
На этапе 420 другой источник энергии, такой как полетная батарея 320 (фиг.3), может быть активирован и стать доступным. На этапе 420 конденсаторный элемент хранения энергии может быть отключен от подачи энергии на часовую схему.
Приведенное выше описание конкретных вариантов осуществления раскрывает общие принципы настоящего изобретения, достаточные для того, чтобы другие могли, применяя указанные знания, легко модифицировать или приспособить их для различных приложений без отступления от общей концепции. Следовательно, такие изменения и модификации являются эквивалентами раскрытых вариантов осуществления. Фразеология и терминология, используемая в настоящем описании, предназначена для целей описания и не является ограничивающей. Соответственно, настоящее изобретение охватывает все альтернативы, модификации, эквиваленты и изменения как находящиеся в пределах сущности и объема прилагаемой формы изобретения.
1. Система (100) для передачи и хранения электрической энергии и данных, содержащая управляемый снаряд и установщик (102) снаряда для передачи данных (108) задания и электрической энергии (110) в управляемый снаряд через индукционный интерфейс (104), при этом управляемый снаряд содержит конденсаторный элемент (114/304) для приема и хранения электрической энергии (110), передаваемой через индукционный интерфейс (104), элемент (112/308) для приема и хранения данных (108), передаваемых через интерфейс (104) одновременно с электрической энергией (110) в комбинированном сигнале электрической энергии и данных, полетную батарею (320) и систему (316) временной стабилизации, получающую питание от конденсаторного элемента (114/304) хранения электрической энергии и полетной батареи (320), причем система (316) получает питание от конденсаторного элемента (114/304) хранения электрической энергии во время загрузки и залпа, полетная батарея (320) активируется после запуска снаряда.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что конденсаторный элемент (114/304) хранения электрической энергии содержит основной элемент (322) хранения электрической энергии и резервный элемент (324) хранения электрической энергии, причем, в случае выхода из строя основного конденсаторного (322) элемента хранения электрической энергии, резервный элемент (324) хранения электрической энергии может обеспечивать электрической энергией систему (316) до того момента, когда станет доступной полетная батарея (320).
3. Система по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что управляемый снаряд снабжен выпрямительным элементом (302) для выпрямления сигнала от интерфейса (104), причем сигнал включает в себя сигнал, характеризующий электрическую энергию (110), и сигнал, характеризующий данные (108) задания, и элементом (306) извлечения данных (108) задания из сигнала и предоставления извлеченных данных (108) задания в элемент (308) хранения данных.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что выпрямительный элемент (302) соединен с конденсаторным элементом (304) хранения для передачи в него полученной электрической энергии.
5. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что управляемый снаряд содержит стабилизатор (312), соединенный с выходом конденсаторного элемента (304) хранения для стабилизации входного напряжения системы (316).
6. Система по п.3, отличающаяся тем, что управляемый снаряд содержит стабилизатор (312), соединенный с выходом конденсаторного элемента (304) хранения для стабилизации входного напряжения системы (316).
7. Система по п.4, отличающаяся тем, что управляемый снаряд содержит стабилизатор (312), соединенный с выходом конденсаторного элемента (304) хранения для стабилизации входного напряжения системы (316).
