Rankiem 5 stycznia 1943 roku cztery japońskie bombowce nurkujące Aichi D3A zaskoczyły grupę zadaniową Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych operującą w pobliżu Guadalcanal. Choć powolny i przestarzały, D3A (nazwa raportowania aliantów „Val”) nadal stanowił zagrożenie ze względu na swoją celność i trwałość. Jeden trafił w dołączony lekki krążownik nowozelandzki Achilles, zanim grupa przerwała atak. Strzelcy obrony przeciwlotniczej (AA) na pokładzie krążownika USS Helena rozpętali z opóźnieniem ostrzał odlatujących Vals. Obrona przeciwlotnicza Heleny składała się z tuzina 5-calowych dział oraz dział krótkiego zasięgu kal.20 i 40mm. Dwie 5-calowe salwy zestrzeliły jednego z Vals – bez bezpośredniego trafienia w niego. Co oznacza, że co najmniej jeden z pocisków krążownika przeleciał wystarczająco blisko bombowca nurkującego, aby zdetonować i zestrzelił samolot podmuchem odłamków.
Chociaż w tamtym czasie nie wzbudziło to zainteresowania opinii publicznej, starcie to było przełomowym momentem w historii artylerii i działań wojennych — po raz pierwszy samolot wroga został celowo zestrzelony z bliskiej odległości. 5-calowe działa Heleny jako pierwsze wystrzeliły rewolucyjny typ pocisku w akcji. Pociski zawierały zapalnik zbliżeniowy lub, jak to wtedy zwodniczo nazywano, zapalnik o zmiennym czasie detonacji (VT). Sukces bojowy strzelców Heleny był pożądanym rezultatem wieloletniego przedsięwzięcia technologicznego, przemysłowego i wojskowego, w którym uczestniczyło dziesiątki badaczy i ponad 100 fabryk w całym kraju. Do końca wojny armia robotników zmontowała i zainstalowała ponad 22 miliony innowacyjnych zapalników tego typu - każdy zawierający około 130 zminiaturyzowanych części elektronicznych - kosztem ponad 1 miliarda dolarów w dolarach z lat czterdziestych XX wieku (około 15 miliardów dolarów dzisiaj) https://www.historynet.com/proximity-fuze/
W trakcie kampanii europejskiej w 1944 roku pojawiła się modyfikacja zapalników zbliżeniowych, aby celować w małe, szybkie V-1. Specjalne zapalniki zostały zainstalowane w brytyjskiej amunicji przeciwlotniczej 3,7 cala i amerykańskich pociskach przeciwlotniczych 90 mm. W połowie lipca alianci rzucili około 500 dział do instalacji wzdłuż kanału, gdzie ich ostrzał nie zagrażałby myśliwcom RAF. W ciągu ostatnich czterech tygodni 80-dniowej kampanii wyniki były dramatyczne. Baterie przybrzeżne aliantów zniszczyły 24 procent wszystkich V-1 zaangażowanych w pierwszym tygodniu, 46 procent w drugim tygodniu, 67 procent w trzecim tygodniu i aż 79 procent w ostatnim tygodniu, jak odnotowano w statystykach.„Ostatniego dnia, w którym duża liczba V-1 została wystrzelona przeciwko Anglii”, „104 zostały wykryte przez radar wczesnego ostrzegania, ale tylko cztery dotarły do Londynu”.
W walce naziemnej pociski artyleryjskie z zapalnikiem zbliżeniowym, specjalnie skalibrowane do detonacji w powietrzu na wysokości 30 do 50 stóp nad ziemią, zebrały przerażające żniwo wśród ludzi i maszyn poniżej. Co więcej, równoległy postęp w radarach kierowania ogniem umożliwił artylerzystom niszczenie niewidocznych celów na odwrotnych zboczach wzgórz i pod baldachimem lasu w dzień iw nocy. Główny oficer uzbrojenia armii amerykańskiej poinformował o jednym niemieckim patrolu w lesie Hürtgen trafionym przez zmasowany ostrzał artyleryjski; 96 ciał wyglądało, jakby „przeszły przez maszynkę do mięsa”.
Ponieważ pociski poruszały się z dużą prędkością, ostrzelani żołnierze niemieccy nie słyszeli pocisków, dopóki nie wybuchły nad głowami. Okopy nie zapewniały żadnej ochrony, a odłamki przebijały nawet bunkry wzmocnione balami. Wywiady z jeńcami wojennymi często opisywały żołnierzy wroga wyłaniających się z zapór w stanie „oszołomienia”. Zdali sobie sprawę, że mają do czynienia z artylerią nowego rodzaju, ale nie mogli zrozumieć, jak ona działa ani jak jej uniknąć.
US3369487 PROXMITY FUZES FOR PROJECTLES, William Alan Stewart Butement, Data patentu: 20.04.1968. Przedmiotem wynalazku jest pocisk z zapalnikiem zbliżeniowym który zawiera nadajnika energii o częstotliwości radiowej o z góry określonej charakterystyce, odbiornika reagującego na taką energię odbitą od celu oraz środków sterujących inicjujących detonacje pocisku. Dogodnie aparat nadawczo-odbiorczy kontroluje inicjację detonacji pocisku. Antena dipolowa dla aparatu nadawczego-odbiorczego może składać się z części lub całości obudowy pocisku, przy czym charakterystyka kierunkowa anteny jest taka, aby jej zasadnicza część mieściła się na stożkowej powierzchni, określającej granice strefy o z góry określonym kącie „patrzenia w przód”, w której musi leżeć cel, aby spowodować działanie środków sterujących. Oscylacje transmitowane i odbite mogą być łączone w aparaturze nadawczo-odbiorczej w celu wytworzenia oscylacji o niskiej częstotliwości, najlepiej częstotliwości audio, wpływających na środki sterowania. Takie oscylacje o niskiej częstotliwości mogą być wyprowadzone ze zmian amplitudy i/lub fazy oscylacji odbitych, ale w praktyce obejmują sygnał oscylacji o częstotliwości dudnień utworzone przez kombinację sygnałów oscylacji częstotliwości transmitowanej i sygnałów oscylacji odbitych, które różnią się od częstotliwości sygnału nadawczego z powodu efektu „Dopplera”.
FIG. 1 i 2 są schematami obwodów w postaci aparatury nadawczo-odbiorczej; FIG.3-8 ilustrują preferowane formy przełączników uzbrajających; FIG.9 przedstawia kompletny konstrukcje montażowa zapalnika; FIG.10 przedstawia konstrukcja zespołu oscylatora.
Odnosząc się do FIG.1 urządzenie nadawczo-odbiorcze zawiera oscylator-detektor 1 ustawiony jako oscylator Hartleya, przy czym pojemność elektrody jest używana do dostrojenia cewki oscylatora 2 do wymaganej długości fali, która może na przykład leżeć w zakresie pasma od 5 metrów do 5 centymetrów i jest dobrany tak, aby odpowiadał długości anteny, jaką stanowi obudowa rakiety. Cewka 2 jest połączona z cewką powietrzną 3, która jest strojona przez kondensator 4 i jest połączona z dzieloną obudową pocisku. Przenoszone oscylacje są emitowane z pocisku i gdy w strefie „poszukiwania” znajduje się cel, który jest określony w sposób, który zostanie dokładniej opisany, w obwodzie oscylatora powstaje sygnał o niskiej częstotliwości. Generowane oscylacje są emitowane przez antenę pocisku, a gdy w strefie toru lotu znajduje się cel, który jest źródłem odbitego sygnału, który wywołuje w obwodzie oscylatora sygnał dudnienia o niskiej częstotliwości inicjujący zapłon zapalnika detonatora pocisku. Sygnał -częstotliwościowy można uznać za sygnał zdudnienia utworzony między sygnałem nadawanym a sygnałem odbitym odebranym od celu, ponieważ oscylacje odbite mają, z powodu efektu Dopplera, inną częstotliwość niż oscylacje transmitowane. Na przykład, jeśli rakieta porusza się z prędkością 1000 stóp na sekundę w kierunku samolotu zbliżającego się z prędkością 500 stóp na sekundę, a długość transmitowanych oscylacji wynosi 1,8 metra, pozorna zmiana częstotliwości fali odbitej wyniesie około 500 cykli na sekundę , a to będzie częstotliwość dudnień, która zmniejszy się gwałtownie do zera, gdy rakieta minie cel, a następnie ponownie wzrośnie do mniej więcej tego samego poziomu.
Alternatywnie, wytwarzanie sygnału o niskiej częstotliwości można uznać za spowodowane okresowymi zmianami impedancji anteny w miarę zbliżania się rakiety do celu. W ten sposób efektywna impedancja dipolowa będzie naprzemiennie wzrastać i spadać, gdy rakieta, zbliżając się do celu, przechodzi przez kolejne punkty oddalone od siebie o połowę długości fali. Jeśli zatem oscylator jest wrażliwy na niewielkie zmiany obciążenia o wysokiej częstotliwości, średnia wartość prądu wyjściowego będzie zmieniać się w sposób, który da taki sam dźwięk o niskiej częstotliwości, jak opisano powyżej. Oscylacje o niskiej częstotliwości są wzmacniane za pomocą wzmacniacza mającego dwa sprzężone rezystancyjno/pojemnościowo stopnie 5,6, a wyjście wzmacniacza jest wykorzystywane do wyzwalania trójelektrodowego Thyratron 7 w charakterze przekaźnika , wypełnionego gazem jonowym. W obwód anodowy przekaźnika włączony jest element topliwy lub zapalnik 8 służący do elektrycznego odpalenia detonatora, który poprzez zwykłe wzmocnienie powoduje odpalenie ładunku wybuchowego rakiety. W celu zapobieżenia przedwczesnej detonacji ładunku, na przykład w wyniku oscylacji odbitych od podłoża podczas początkowego okresu przyspieszania, przewidziano dwustopniowe urządzenie uzbrajające, składające się z dwóch przełączników, z których pierwszy uruchamiany jest przez przyspieszenie rakiety i działa, gdy jej styki 9,10 zamykają obwody żarników wszystkich obwodów lampowych w tym obwodów lamp oscylatora i wzmacniacza. W ten sposób podczas tej wstępnej fazy uzbrajania urządzenie oscylator-odbiornik jest przygotowywane”. Drugi stopień urządzenia uzbrajającego składa się z przełącznika zwalniania, którego styki 11 są połączone szeregowo w obwód anodowy przekaźnika wypełnionego gazem, tak że przekaźnik ten nie może działać, dopóki rakieta nie zacznie zwalniać po całkowitym spaleniu ładunku napędowego.
Dowolne dogodne formy przełączników bezwładnościowych przystosowanych do działania podczas ruchu rakiety przedstawia FIG.3-5, gdzie przełącznika przyspieszenia składa się z grupy rtęciowych przełączników kapilarnych rozmieszczonych z rurkami kapilarnymi zasadniczo równoległymi do osi rakiety, przy czym dla każdego styku, który ma być zamknięty, znajduje się jeden przełącznik kapilarny. Tak więc jest jeden taki przełącznik we wspólnym obwodzie niskiego napięcia do zasilania żarników różnych zaworów, a jeden w obwodzie wysokiego napięcia zasilającego zawory wzmacniacza. Jeśli jest to pożądane, może również występować, jak opisano w związku z FIG.2, jeden lub więcej takich przełączników połączonych szeregowo ze sobą (i z przełącznikiem zwalniania) w przewodzie wysokiego napięcia do przekaźnika wypełnionego gazem jako dodatkowe zabezpieczenie przed przedwczesnym rozwarciem obwodu anodowego przez przekaźnik wypełniony gazem. Jeden taki przełącznik kapilarny A jest pokazany na FIG.3 i zawiera długość szklanej rurki kapilarnej mającej otwór A o średnicy na przykład około 0,1-0,16 milimetra z małą bańką A2 na końcu oddalonym o d dziobu rakiety. Końce metalowych drutów A3 w obwodzie do uzupełnienia wystają do bańki i są mostkowane (zwierane) przez rtęć, która spływa rurką kapilarną z komory magazynowej A4 na przednim końcu rurki, gdy przyspieszenie pocisku jest wystarczające do pokonania napięcia powierzchniowego, które ma tendencję do zapobiegania przemieszczaniu się rtęci wzdłuż otworu. Te przełączniki kapilarne nie są odwracalne i jako zabezpieczenie przed nieostrożnym użytkowaniem mogą być wyposażone w „pułapkę” rtęci A5 w punkcie pośrednim otworu.
W alternatywnej i korzystnej postaci przełącznika przyspieszenia rurki kapilarne są zastąpione mechanicznym przełącznikiem bezwładnościowym pokazanym na FIG.6-8. Obejmuje to parę płyt bocznych S, które są oddalone od siebie i wsparte na krawędzi na kołowej płycie podstawowej S2 który jest zamontowany prostopadle do osi rakiety, z płytami bocznymi wysuniętymi do przodu. Pomiędzy płytami bocznymi obraca się trzpień S3, którego ramienia posiadają na swoim wolnym końcu ciężarek S4, przy czym na trzpieniu umieszczona jest spiralna lub spiralna sprężyna S5, aby naprężyć ten koniec ramienia z ciężarkiem w kierunku dziobu pocisku. Ramię podtrzymuje dwa człony mostkowe S6, S7 współpracujące z dwiema parami styków S8, S9 odpowiednio połączonymi we wszystkich obwodach żarnika oraz obwodach anody komórki fotoelektrycznej i zaworów wzmacniacza, przy czym styki te są otwarte, gdy ciężarek znajduje się w przednim położeniu. Wrzeciono S3 zawiera również wałek zębaty S10 połączony przez przekładnię zębatą z małym kołem zamachowym S11. Sprężyna płytkowa S12 umieszczona pomiędzy płytami bocznymi ma swój wolny koniec oparty o koniec S3 ramienia przeciwległe do tego, które przenosi ciężar S4, aby utrzymać ramię w pozycji, w której styki są zwarte. Kiedy pocisk zostaje wystrzelony, siła przyspieszenie pocisku powoduje cofniecie ciężarka, tak że on i ramię odchylają się do tyłu, powodując obrót wrzeciona z prędkością określoną przez bezwładność ciężarka i koło zamachowe. Gdy ciężar przesunie się do tyłu wystarczająco, aby zamknij styki, sprężyna płytkowa zaskoczy na końcu ramienia i blokuje przełącznik w pozycji zamkniętej.
Budowa i montaż zapalnika, zilustrowane na Fig.9 i 10 są w dużej mierze zdeterminowane wymogiem, że musi być w stanie wytrzymać bardzo duże przyspieszenie osiowe, które w przypadku rakiety może być rzędu 1200 stóp na sekundę. W związku z tym elementy elektryczne są pogrupowane na oddzielne moduły, które można łatwo zmontować w obudowie głowicy rakiety, tak aby elementy były rozmieszczone wzdłuż i blisko osi wzdłużnej, gdzie zastosowane naprężenia wywierają najmniej szkodliwy wpływ, a elementy znajdują się w najkorzystniejszych pozycjach do połączenia ze sobą.
Zewnętrzna obudowa zapalnika (która stanowi przednią część kompletnej rakiety) jest utworzona z trzech oddzielnych części 31, 32,33, które są połączone ze sobą końcami, przy czym przednia część 31 ma odpowiedni kształt stożkowy lub ostrołukowy. Najbardziej wysunięta do tyłu sekcja 33, która jest gwintowana w punkcie 34 w celu wkręcenia w główny korpus rakiety zawierający ładunki wybuchowe i napędowe, ma na końcu sekcji przylegającej do ładunku wybuchowego komorę 35 zawierającą wzmocnienie wyposażone w przesłonę odśrodkową oraz detonator, który jest uruchamiany elektrycznie za pomocą elementu topliwego 8 połączonego szeregowo w obwodzie anodowym wypełnionego gazem przekaźnika 7. Jednostka oscylatora 36 zawiera połączony układ nadawco-odbiorczy wraz z powiązanymi obwodami, a także jest zamontowana w najbardziej wysuniętej do tyłu części obudowy, która sama w sobie jest utworzona z dwóch części połączonych mocnym cylindrem 37 z materiału izolacyjnego mającego na swojej zewnętrznej powierzchni pierścień 38, który, jak stwierdzono powyżej, dzieli obudowę całej rakiety na dwie części w celu utworzenia powierzchni anteny dipolowej. Sekcja środkowa 32 obudowy zapalnika zawiera baterię wysokiego napięcia 39 do dostarczania prądu anodowego do lamp oscylatora i wzmacniacza oraz do przekaźnika, przy czym ta bateria jest korzystnie typu warstwowego, tak że z łatwością wytrzymuje siły bezwładności podczas przyspieszania. W razie potrzeby bateria może jednak składać się z miniaturowych ogniw połączonych szeregowo w celu zapewnienia wymaganego napięcia. Gdy używane są ogniwa akumulatorowe, izolowane zaciski mogą być odsłonięte przez odpowiednie otwory w obudowie, aby można było przetestować oraz w razie konieczności naładować.
Sekcja przednia 31 obudowy zapalnika zawiera przełączniki uzbrajające 40 i zespół wzmacniający 41 zawierający lampy 5,6 i powiązane obwody oraz przekaźnik wypełniony gazem 7. Te lampy i związane z nimi elementy obwodu są montowane pomiędzy dwoma tarczami 43 wspartymi na słupkach 44 przymocowanych do tarczy nośnej 53. Wszystkie lampy są zamontowane z osiami równoległymi do osi rakiety i są chronione gumowymi nakładkami, jak opisano w FIG.10. Do słupków 44 przymocowana jest również bateria niskiego napięcia 42 do zasilania żarników wszystkich lamp. Pierścieniowe tarcze lub pierścienie rozdzielcze, takie jak 51,52,54, są umieszczone na końcach kilku jednostek, dzięki czemu jednostki po zmontowaniu w kilku sekcjach obudowy mogą być łatwo połączone elektrycznie, przy czym te tarcze rozdzielcze mają odpowiednią liczbę zestawów styków tak asymetrycznie ułożone, że nie można ich błędnie połączyć. Jednostka oscylatora, pokazana szczegółowo na FIG.10, jest podtrzymywany głównie pomiędzy dwoma okrągłymi dyskami 45,46, które są oddalone od siebie przez parę sześciokątnych filarów 47. Połączony obwód lampowy oscylatora i detektora 1 jest zamontowany między tarczami w taki sposób, że jest równoległy do osi wzdłużnej pocisku, przy czym lampa jest chroniony przed wibracjami za pomocą podtrzymujących gumowych nakładek 48, 49, które są zamocowane na końcach zaworu i są wciśnięte w otwory w dyskach. Przewody łączące z zaworem są wyprowadzone przez otwór w jednej z zaślepek końcowych. Pomiędzy dyskami zamontowana jest również płytka 59, najlepiej z syntetycznego materiału izolacyjnego o niskich stratach, takiego jak ten sprzedawany pod zarejestrowaną nazwą handlową „Trolitul”, która zawiera zarówno cewkę oscylatora 2, jak i cewkę anteny 3, przy czym ta pierwsza jest zamontowana, podobnie jak lampy, z osią równoległą do podłużnej osi pocisku. Cewka sprzęgająca anteny, która składa się z jednego zwoju podzielony na dwie części połączone zmiennym kondensatorem 4, który jest korzystnie typu „trymer”, mający na przykład dielektryk z porcelany o niskiej stratności. Pozostałe elementy obwodu, w tym niezbędne oporniki sprzęgające i kondensatory są umieszczone w odpowiednich miejscach pomiędzy dwiema płytami nośnymi. Tarcze stykowe 51,52 są umieszczone po zewnętrznych stronach obu płytek, przy czym tarcze te są wyposażone w odpowiednie styki do podłączenia wyjścia oscylatora do wzmacniacza, obwodów żarnika i anody do odpowiednich przełączniki i cewkę sprzęgającą antenę z anteną. W celu zapewnienia odpowiedniego zasilania anteny, każda z dwóch części obudowy oddzielonych pierścieniem izolacyjnym może być wyposażona od wewnątrz w kilka zacisków, które są połączone równolegle ze sobą do odpowiedniego końca złącza antenowego cewki.
US4955279 APPARATUS FOR SETTING A PROJECTILE TIME FUZE, Rheunmetall Gmbh, Klaus Nahrwold, Data patentu: 11.08.1990. Przedmiotem patentu jest przyrząd do ustawiania zapalnika czasowego w pocisku, z mierzoną prędkością wylotową pocisku i korygowaniem jego opóźnienia wartością zmierzoną dla prędkości wylotowej. Aby określić prędkość wylotową pocisku, ten ostatni jest wyposażony w czujnik pola magnetycznego, a lufa pistoletu jest wyposażona w dwa magnetycznie rozmieszczone osiowo generatory pola przylegające do lufy. Czujnik pola magnetycznego jest podłączony, za pośrednictwem wzmacniacza, do licznika start/stop, który rozpoczyna zliczanie impulsów zegarowych, gdy pocisk przeleci obok pierwszego z generatorów pola magnetycznego i zatrzymuje zliczanie impulsów zegarowych, gdy pocisk przeleci obok drugiego z dwóch generatorów pola magnetycznego, aby zapewnić ostateczną liczbę, która jest miarą prędkości wylotowej pocisku. Końcowa liczba licznika start/stop jest następnie wykorzystywana do regulacji częstotliwości impulsu zegara licznika, która jest następnie wykorzystywana przez dalsze obwody, np. wstępnie ustawiony licznik wsteczny, aby zapewnić opóźnienie zapalnika.
FIG.1 jest schematycznym przedstawieniem rozmieszczenia pocisku w lufie działa zgodnie z wynalazkiem; FIG.2 to schematyczny przekrój preferowanego wykonania generatora pola magnetycznego zgodnie z wynalazkiem; FIG.3 to schematyczny przekrój poprzeczny preferowanego wykonania czujnika pola magnetycznego zgodnie z wynalazkiem; FIG.4 jest schematem obwodu blokowego zgodnie z wynalazkiem uruchamiającym zapalnik pocisku; FIG.5 jest schematyczną ilustracją wykonania rezonatora pierścieniowego dla obwodu oscylatora FIG.4; FIG.6 jest schematem blokowym obwodu kompensacji temperatury dla sterowanego oscylatora dla układu obwodu zgodnie z FIG. 4.
Odnosząc się teraz do FIG.1, pokazana jest część wylotowa lufy działa 10, przez którą przechodzi pocisk 20 podczas wystrzału. W ścianie lufy działa 10 przylegającej do wylotu znajdują się dwa generatory pola magnetycznego 11 i 12 do generowania zdefiniowanych pól magnetycznych 13 i 14 we wnętrzu lufy 10. Generatory pola magnetycznego 11 i 12 są rozmieszczone w znanej odległości osiowej d, która określa bazę pomiarową i która wynosi na przykład około 100 mm. Korpus 21 pocisku 20 jest wyposażony w obrotowo symetryczny czujnik pola magnetycznego 22, który generuje odpowiedni impuls napięcia podczas każdego przejścia czujnika 22 przez odpowiednie pole magnetyczne 13 lub 14. Różnica czasu między dwoma impulsami napięcia jest miarą prędkości wylotowej pocisku 20.
FIG.2 pokazuje możliwe wykonanie generatora pola magnetycznego 11 lub 12. Generator 12 pokazany na FIG.2 obejmują odporny na temperaturę i wstrząsy magnes trwały 15 umieszczony w uchwycie 16 z magnetycznie miękkiego materiału. np. żelaza. Uchwyt 16 jest symetryczny obrotowo i jest wyposażony w osiowy otwór zaślepiający na jednym końcu, w którym magnes 15 jest osiowo umieszczony tak, że spoczywa na wewnętrznej powierzchni promieniowej uchwytu 16 określając dolną powierzchnię otworu. Część otworu między magnesem trwałym 15 a wewnętrzną ścianą boczną uchwytu 16 jest wypełniona materiałem 17, który magnetycznie izoluje magnes trwały 15 od uchwytu 16. Stosowany materiał izolujący 17 to na przykład mosiądz, podczas gdy magnes trwały 15 jest wykonany z materiału, który zachowuje swój magnetyzm nawet w wysokich temperaturach, na przykład z materiału sprzedawanego pod nazwą produktu Ticonam przez Peter Welter GmbH & Co.
Chociaż, jak pokazano na FIG.1, uzwojenia generatorów pola magnetycznego 11 i 12 można po prostu włożyć do wewnętrznej powierzchni lufy 10, korzystnie jak pokazano na FIG.2, gdzie uchwyt 16 jest wkładany w mały promieniowy otwór przelotowy wykonany w lufie 10 działa gdzie jest mocowany, np. przez gwint. Ponadto, jak pokazano dalej na FIG.2, na wewnętrznej powierzchni lufy 10 koniec magnesu trwałego 15 i wewnętrzna krawędź uchwytu 16 są zaokrąglone, np. parabolicznie. Ten środek sprawia, że pola magnetyczne są bardziej jednorodne i rozciągają się dalej do wnętrza lufy 10. Za pomocą odpowiedniego czujnika pola magnetycznego 22 i odpowiedniego elektronicznego systemu pomiarowego zapalnika czasowego umieszczonego w pocisku 30, możliwe jest bardzo dokładne zmierzenie położenia osi środkowej generatora pola magnetycznego 11 lub 12.
FIG.3 jest przekrojem konstrukcji mechanicznej czujnika pola magnetycznego 22. Czujnik pola magnetycznego 22 zawiera cewkę 24, która jest umieszczona obwodowo na powierzchni korpusu pocisku 21, korzystnie, jak pokazano, w sąsiedztwie przedniego końca pełnego część kalibru pocisku. Aby uzyskać najlepszą możliwą rozdzielczość przestrzenną, cewka 24 jest otoczona pierścieniowym wydrążonym elementem 23 z miękkiego materiału magnetycznego, np. żelaza, który jest umieszczony na powierzchni korpusu pocisku i kieruje pola magnetyczne wokół cewki 24 w określony sposób. Na swojej powierzchni zewnętrznej człon 23 czujnika pola magnetycznego 22 jest wyposażony w obwodową szczelinę 25 o szerokości około 0,1 mm. Rozdzielczość przestrzenna wynosi wówczas poniżej 0,1 mm. Układ elektroniczny do przetwarzania sygnałów dostarczanych przez czujnik pola magnetycznego 22 według FIG.4 charakteryzuje się tym, że czujnik 22 pola magnetycznego jest połączony z licznikiem start/stop 32 poprzez wzmacniacz 31. Wraz z pierwszym impulsem dostarczanym przez czujnik 22 pola magnetycznego, tj. gdy czujnik 22 mija generator pola magnetycznego 11 z FIG.1, licznik start/stop 32 rozpoczyna zliczanie impulsów zegarowych (zliczanie ciągu impulsów 1) dostarczanych przez układ sterowanej podstawy czasu 34, np. połączenie szeregowe oscylatora sterowanego napięciem i dzielnika częstotliwości (VCO). Czas interwału impulsów zegarowych impulsów zliczających dostarczanych przez podstawę czasu 34 do licznika 32 powinien być rzędu wielkości 10 ns, aby zapewnić wystarczającą rozdzielczość czasową nawet dla małych baz pomiarowych.
Zliczanie impulsów zegarowych ciągu impulsów 1 przez licznik start/stop 32 jest zatrzymywane przez drugi impuls dostarczany przez czujnik pola magnetycznego 22, tj. gdy czujnik 22 mija generator pola magnetycznego 12 z FIG.1. W tym samym czasie końcowe zliczenie w liczniku 32, które jest miarą prędkości wylotowej pocisku 20, jest przesyłane do pamięci cyfrowej 35, np. RAM, gdzie końcowe zliczenie służy jako adres. W pamięci cyfrowej 35 odpowiednie wartości napięcia sterującego są przechowywane pod odpowiednimi adresami odpowiadającymi zliczeniu końcowemu licznika 32. Po zaadresowaniu przez końcowe zliczanie licznika 32, wartość napięcia sterującego zapisana w powiązanym adresie pamięci cyfrowej 35 jest odczytywana i podawana przez przetwornik cyfrowo-analogowy 36 do układu sterowanej podstawy czasu 34, która ma wyjście podłączone do wejście prostego licznika wstecznego 38. Napięcie sterujące dostarczane przez przetwornik 36 rozstraja podstawę czasu 34 (w celu wytworzenia ciągu impulsów zegarowych 2) w taki sposób, że opóźnienie detonatora lub zapalnika czasowego 41 jest dostosowywane do rzeczywistej prędkości wylotowej pocisku 20. Oznacza to, że jeśli prędkość wylotowa jest mniejsza niż oczekiwano, czas interwału impulsu zegarowego w ciągu 2 impulsów zegarowych zapewniany przez podstawę czasu 34 jest odpowiednio wydłużany. Jeżeli prędkość wylotowa jest większa niż oczekiwano, czas interwału impulsu zegarowego ciągu impulsów zegarowych 2 staje się krótszy. W zależności od prędkości pocisku 20, czas interwału impulsów zegarowych zliczania ciągu impulsów zegarowych 2 dostarczany przez podstawę czasu 34 w odpowiedzi na napięcie sterujące z przetwornika 36 mieści się w rzędzie wielkości między 10 a 100 us. Czasy interwałów impulsów zegara ciągu impulsów zliczania 1 do licznika 32 i ciągu impulsów zliczających 2 do licznika wstecznego 38 muszą spełniać bardzo wysokie wymagania dokładność. Muszą być utrzymywane na stałym poziomie z tolerancją co najmniej 0,1%. Można to zrealizować jedynie za pomocą podstawy czasu zbudowanej w technice mikrofalowej.
Licznik wsteczny 38 jest ustawiany na pożądaną wartość za pomocą urządzenia 40, np. licznika kodu, na żądaną wartość w zależności od typu pocisku i średniej prędkości wylotowej. Licznik wsteczny 38 reaguje na drugi impuls dostarczany przez czujnik pola magnetycznego 22 i odbierany przez wzmacniacz 31, aby rozpocząć odliczanie impulsów ciągu impulsów zliczania 2 odebranych ze układu sterowanej podstawy czasu 34. Kiedy wsteczny licznik 38 osiągnie z góry określoną liczbę, korzystnie 0, jak wskazano, obwód zapytania 39 generuje impuls wyjściowy, który jest podawany do detonatora 41 w celu wywołania detonacji.
Zaletami opisywanego urządzenia są w szczególności:
(a) Generatory pola magnetycznego 11 i 12 można wkręcić w gwintowany otwór mający np. drobny gwint 10 mm, więc nie ma potrzeby dokonywania większych modyfikacji broni.
(b) Czujnik pola magnetycznego 22 jest obrotowo symetryczny. Dlatego pocisk 20 może być ładowany w dowolnej pozycji i może być stosowany do broni z gładkimi lufami, jak również do pocisków ze stabilizacją przez ruch obrotowy -wirowanie.
(c) Czujnik pola magnetycznego 22 jest bardzo mały (około 3 mm głębokości i 3 mm szerokości). Dlatego można go łatwo wprowadzić do samej obudowy pocisku lub do klatki napędowej pocisku.
(d) Dzięki zastosowaniu układu podstawy czasu (VCO) wykonanej w technice mikrofalowej zapewniona jest bardzo wysoka dokładność w całym zakresie temperatur od około -40°C do około +60°C.
(e) Opóźnienie detonacji rozpoczyna się dokładnie w momencie, gdy czujnik pola magnetycznego 22 mija drugi generator pola magnetycznego 12.
FIG.5 pokazuje oscylator mikrofalowy 34 typu rezonator pierścieniowy 340 w technologii mikro-paskowej. Rezonator pierścieniowy składa się zasadniczo z pierścieniowego przewodnika miedzianego 341, który jest umieszczony na jednej powierzchni płytki drukowanej dielektrycznej z materiału izolacyjnego o płaszczyźnie uziemienia lub przewodniku na drugiej powierzchni, którego średnia średnica dm określa częstotliwość rezonansową. Ze względu na swoją mechaniczną konstrukcję, ten rezonator pierścieniowy nie może zostać rozstrojony lub zniszczony przez ekstremalnie wysokie przyspieszenie. Pozostałe elementy oscylatora 340 VCO, rezystory, kondensatory itp. są lutowane do płytki drukowanej (nie pokazane) i zamknięte w żywicy epoksydowej, również w sposób odporny na naprężenia podczas odpalania. Takie oscylatory mikrofalowe są znane w stanie techniki, przykladowa realizacja jest przedstawiona w US3703445.
Napięcie sterujące dla rezonatora pierścieniowego dostarczane przez przetwornik D/A 36, Fig.4 jest podawane do rezonatora pierścieniowego przez rezystor R1 i przez diodę Gunna D1 połączoną między przewodnikiem 341 a masą, tj. płaszczyzną masy. Kompensacja temperatury oscylatora odbywa się w odniesieniu do Fig.6, przez podawanie napięcie sterujące do przewodnika 341 przez rezystor R2. Po oscylatorze powinien następować wzmacniacz separujący, aby zmiany obciążeń w kolejnych obwodach nie mogły wpływać na oscylator. Zadanie to może być wykonywane na przykład przez dzielnik częstotliwości podłączony do wyjścia oscylatora.
Jednak największy wpływ na częstotliwość oscylatora ma temperatura. Dane elektryczne wszystkich elementów oscylatora 340 są zależne od temperatury. Ich wpływ można utrzymać na niskim poziomie poprzez stabilizację temperatury pracy. Wymagałoby to jednak stałej mocy do chłodzenia lub ogrzewania oscylatora w zależności od temperatury otoczenia. W pocisku taka stabilizacja temperatury jest niemożliwa więc użycie znanej „kompensacji cyfrowej” jest bardziej odpowiednie.
FIG.6 pokazuje oscylator mikrofalowy VCO 340 działający z kompensacją cyfrową w celu zapewnienia stabilizacji temperatury. Po wystrzeleniu pocisku temperatura oscylatora 340 jest mierzona za pomocą czujnika temperatury 343 i jest przekształcana na proporcjonalne napięcie. To proporcjonalne napięcie jest wzmacniane we wzmacniaczu 344 i zamieniane w przetworniku analogowo-cyfrowym 345 na cyfrową liczbę odpowiadającą temperaturze. Ten numer cyfrowy jest adresem w pamięci 342, pod którym cyfrowo przechowywane jest odpowiednie napięcie sterujące dla mierzonej temperatury. Przetwornik cyfrowo-analogowy 346 ponownie konwertuje zapisany sygnał cyfrowy, który jest adresowany i odczytywany z pamięci 342, na odpowiednie analogowe napięcie sterujące. To napięcie sterujące jest podawane do wejścia sterującego oscylatora 340 za pośrednictwem wzmacniacza 347 w celu stabilizacji temperatury oscylatora. Za pomocą drugiego wejścia sterującego 348 oscylatora 340, częstotliwość oscylatora 340 może być zmieniana w celu zapewnienia kompensacji wszelkich wahań zmierzonych prędkości wylotowych, jak opisano powyżej.
WNIOSKI: Prace nad zapalnikiem zbliżeniowym rozpoczęły się w Wielkiej Brytanii w 1931 r., ale dopiero pomoc inżynierów z USA na początku lat 40 doprowadziła do powstania praktycznej wersji. Pilna potrzeba opracowania praktycznego zapalnika artyleryjskiego, który nie zależał od czasu dotarcia do celu, a nawet fizycznego kontaktu z celem, była oczywista dla każdego, kto zna ograniczenia tradycyjnej artylerii przeciwlotniczej. Kanonierzy tamtych czasów przyznawali, że zestrzelenie małego, szybko poruszającego się i lecącego wysoko samolotu było głównie kwestią szczęścia. Badania okresowe wykazały, że statystycznie bezpośrednie trafienie może wystąpić w jednym na około 1200 wystrzelonych pocisków przeciwlotniczych. Naprawdę trzeba było mieć niebywałe szczęście!
Założenia konstrukcyjne do opracowania zapalnika zbliżeniowego, których celem było stworzenie elektronicznego mechanizmu sprzężenia zwrotnego, do inicjowania „detonację” pocisku artyleryjskiego poruszającego się z początkową prędkością 2600 stóp na sekundę w momencie zbliżenia do wrogiego samolotu poruszającego się z prędkością 300 mil na godzinę. Konstrukcja zapalnika zbliżeniowego powinna zawierać urządzenie radiowe podobne do radaru (nadajnik i odbiornik), które powinno się zmieścić w 5-calowym pocisku o długości zaledwie 20¾ cala, już wypełnionym 7 funtami materiału wybuchowego. Nalezało zminiaturyzować takie urządzenie elektroniczne, aby zmieściło się w półlitrowej butelce mleka w czasach, gdy nikt nie wyobrażał sobie istnienie tranzystorów ani układów scalonych. Dodatkowo należało opracowanie baterie o mocy i wytrzymałości wystarczającej do obsługi zapalnika i funkcjonowania w temperaturach od 100 stopni do minus 50 stopni. Opracowany zapalnik powinien być zdolny wytrzymać przeciążenie podczas wystrzelenia z 5-calowego działa – tzn. wstrząs o przyspieszeniu równym 20000-krotności siły grawitacji – a także siłę odśrodkową wirującego pocisku wynoszącą 500 obrotów na sekundę. Dodatkowo zaprojektowany projekt zapalnika powinien umożliwić realizacje wysokiej jakości masowąj produkcje — sięgającej nawet milionów sztuk, z komponentami pochodzącymi z wielu amerykańskich fabryk, przy jednoczesnym spełnieniu warunków bezpieczeństwa, podczas produkcji i obsługi, w celu i zapobieżenia przypadkowej detonacji podczas działań na polu walki.
Opracowanie nowego wynalazku było ekstremalnie trudne. Pocisk artyleryjski ulega dużemu przyspieszeniu. Przeciążenie sięga 20000 g. Dla porównania, współczesne samoloty myśliwskie znoszą przeciążenia około 9g. Oprócz ekstremalnego przyspieszenia, pociski artyleryjskie były obracane przez lufy dział do prędkości bliskich 30000 obrotów na minutę, tworząc ogromną siłę odśrodkową. Wszystko to sprawia, że jakiekolwiek urządzenie ulokowane w głowicy pocisku, musiało być niezwykle wręcz trwałe i odporne. Spośród różnych możliwych typów zapalników radioelektronicznych, jako najbardziej obiecującą metodę wybrano zapalnik typu aktywnego, działający na zasadzie efektu Dopplera. W zapalniku polegającym na efekcie Dopplera sygnał radiowy uruchamiający eksplozję jest wytwarzany przez falę odbitą od celu poruszającego się względem wystrzelonego pocisku z zapalnikem.
Obudowa pocisku zawierała mikro nadajnik, który wykorzystywał obudowę jako antenę, która emituje falę ciągłą o częstotliwości około 180–220 MHz. Gdy pocisk zbliżał się do celu, od którego odbija się generowana fala, tworzony jest sygnał interferencji, który zmienia się wraz ze zmniejszaniem się odległości do celu. Sygnał zdudnień jest przesyłany przez filtr pasmowy, wzmocniony i wyzwala detonację, gdy przekroczy określoną amplitudę, gdzie: Zdudnienie jest zdefiniowane jako okresowe zmiany amplitudy drgania wypadkowego powstałego ze złożenia dwóch drgań o zbliżonych częstotliwościach. Obserwuje się je dla wszystkich rodzajów drgań, obejmujących również fale radiowe.
Do wyprodukowania urządzenia wykorzystano niezwykłą wówczas nowość – płytki drukowane. Było to jedno z pierwszych zastosowań obwodów drukowanych w masowej produkcji. Produkcja miniaturowych lamp elektronowych na dużą skalę do nowych zapalników miała miejsce w zakładach General Electric w Cleveland w stanie Ohio, gdzie wcześniej produkowano lampki choinkowe. W produkcję zapalników zaangażowanych było ponad dwa tysiące dostawców i poddostawców, od producentów żywicy po warsztaty mechaniczne. Wśród nich był ówczesny gigant rynku fotograficznego firma Kodak. Same tylko Stany Zjednoczone kupiły w 1945 r. ponad 22 milionów zapalników za około miliard dolarów (równowartość blisko 15 mld dolarów w 2021 r). Rosjanie, którzy większość pomysłów i rozwiązań technologicznych zwyczajnie kradli w krajach Zachodu, podobnie postąpili i tym razem. W połowie lat czterdziestych, pracując dla firmy z branży obronnej, radziecki szpieg Julius Rosenberg ukradł działający model amerykańskiego zapalnika zbliżeniowego i dostarczył go sowieckiemu wywiadowi. Nie był to jednak zapalnik do pocisków przeciwlotniczych, czyli najcenniejszy typ zapalnika.