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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Geschosses,
um beispielsweise die außenballistischen
Einflüsse,
die auf die Flugbahn des Geschosses einwirken, korrigieren zu können oder
einen gesteuerten Endanflug zu ermöglichen.
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Gattungsgemäße Vorrichtungen
zum Steuern eines Geschosses sind in den unterschiedlichsten Ausbildungen
bekannt. Hierzu zählen
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Hierbei
umfasst das Geschoss eine Geschossnase, an die sich eine Geschosshülle anschließt. Ferner
ist die Geschossnase gegenüber
der Geschosshülle
rotatorisch über
eine mechanische Antriebseinrichtung und/oder Bremseinrichtung verstellbar.
Schließlich
ist die Geschossnase mit einer Lenkeinrichtung ausgestattet, mit
der eine auf das Geschoss wirkende Querkraft erzeugbar ist.
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Eingehend
auf die vorgenannte
3 der
EP 0 322 540 A2 ,
umfasst die Lenkeinrichtung der Geschossnase stauluftversorgte Querdüsen. Ferner sind
an der Geschossnase Entenflügel
angeordnet. Mit Hilfe der Entenflügel lässt sich die Geschossnase in
Rotation versetzen, um diese Bewegungsenergie in elektrische Energie
umwandeln zu können.
Diese Ausführung
führt zu
erhöhten
Lenkungsbetätigungskräften und
zu erhöhtem
Strömungswiderstand.
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Betrachtet
man die
2 der
DE 36 45 077 C2 ,
liegt eine Ausführung
vor, bei der zunächst
die Geschossnase ein erstes verschränktes Flügelpaar aufweist und gegenüber der
Geschosshülle
rotatorisch über
eine erste mechanische Antriebseinrichtung und/oder Bremseinrichtung
verstellbar ist. Zusätzlich
ist eine in Flugrichtung herausragende Rotorspitze mit einem zweiten
Steuerflügelpaar
vorgesehen. Das zweite Steuerflügelpaar
wiederum ist gegenüber
der Geschossnase rotatorisch über
eine zweite mechanische Antriebseinrichtung und/oder Bremseinrichtung
verstellbar. Mit dem ersten Steuerflügelpaar kann ständig eine
raumfeste Querkraft ausgeübt
werden, wogegen mit dem zweiten Steuerflügelpaar gezielt eine weitere
Querkraft erzeugbar ist. Die über
die Rotationskontur der Geschossnase hinausragenden Flügel können bei
der Munitionszuführung
und beim Ladevorgang hinderlich sein. Die Erzeugung der Querkraft
mit Flügeln
erhöht
den Strömungswiderstand.
Ferner besteht die Aufheizungsproblematik scharfer Flügelvorderkanten.
Wird ein Lenkvorgang eingeleitet, sind die erforderlichen Stellkräfte hoch.
Denn die Flügel
sind hohen aerodynamischen Anströmkräften ausgesetzt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der
7 der
DE 40 24 264 A1 umfasst
die Lenkeinrichtung einen pyrotechnischen Gasgenerator und quer
zur Flugrichtung angeordnete Schubdüsen. Der Gasgenerator bedarf
wiederum einer Anzündeinrichtung.
Der pyrotechnische Energieträger
muss in dem Geschoss untergebracht werden und erhöht das Gewicht.
Ferner ist der Energievorrat begrenzt, so dass nur kurzzeitige Lenkvorgänge durchführbar sind.
Bei einer Langzeitlagerung der Munition kann die chemische Stabilität des pyrotechnischen
Energieträgers Probleme
bereiten. Schließlich
erhöhen
die Querdüsen
den Strömungswiderstand
des Geschosses.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung
zum Steuern eines Geschosses zu schaffen, bei der die Lenkeinrichtung einfach,
kostengünstig
und strömungsgünstig ausgebildet
und die Handhabung der Munition nicht behindert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Die
Vorteile der Erfindung bestehen zunächst darin, dass in einfacher
Weise die Geschossnase selbst abhängig von ihrer Winkelstellung
im Raum bei einer Umströmung
eine Querkraft erzeugt, die zum Steuern des Geschosses herangezogen wird.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Außenfläche der Geschossnase bezogen
auf die Rollachse des Geschosses eine Asymmetrie aufweist, die bei der
Umströmung
der Geschossnase die Querkraft erzeugt.
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Die
vorgenannte Ausbildung führt
zu einem geringen Bauaufwand und zu niedrigen Fertigungskosten.
Stauluftversorgte Querdüsen,
Flügel
oder ein Gasgenerator mit hieran angeschlossenen Querdüsen entfallen.
Die aerodynamisch erzeugte Querkraft verursacht einen nur geringen
Anstieg des Strömungswiderstandes.
Die zur Einleitung des Lenkvorganges erforderlichen Stellkräfte sind
im Vergleich zu Flügeln
gering und im wesentlichen von den aerodynamischen Anströmkräften entkoppelt.
Aufgrund der vorliegenden Asymmetrie der Geschossnase liegen keine
scharfkantigen Formen mit dünnen
Querschnitten vor, welche im höheren Überschallbereich
zu erhitzungsbedingten Festigkeitsproblemen führen würden. Der strömenden Luft
wird keine Energie für
die Erzeugung von elektrischem Strom entnommen. Die Einstellung
der Lenkkraftrichtung und der Lenkkraftstärke erfolgt ausschließlich über die
rotatorische Verstellbarkeit der Geschossnase gegenüber der Geschosshülle. Die
Lenkkraft ist während
des gesamten Fluges verfügbar.
Die Lenkeinrichtung ist im Unterschall-, Transschall-, Überschall-
und Hyperschallbereich anwendbar. Die Lenkeinrichtung kann unabhängig davon
eingesetzt werden, ob die Munition eine Drallstabilisierung aufweist
oder nicht. Die Außenfläche der
Geschossnase ist starr, ohne bewegliche Bauteile und weist keine
herausragenden Abschnitte, wie insbesondere Steuerflügel, auf.
Daher ist das Laden der Munition und die Munitionszuführung nicht
behindert.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenfläche der Geschossnase eine zur
Rotationsachse der Geschossnase rotationssymmetrische Form, insbesondere
eine Ogivenform, mit einer einseitigen Abflachung oder Einbeulung.
Dies stellt eine konstruktiv einfache Gestaltung dar, um bei einer
Anströmung
der Geschossnase im Flugbetrieb die Querkraft zur Lenkung des Geschosses
zu erzeugen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Außenfläche der
Geschossnase eine um eine Symmetrieachse rotationssymmetrische Form
auf, wobei diese Symmetrieachse gegenüber der Rotationsachse des
Geschosses leicht abgeknickt ist. Dies stellt eine Alternative zum
Vorgenannten dar, um bei einer Anströmung der Geschossnase im Flugbetrieb
die Querkraft zur Lenkung des Geschosses zu erzeugen.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Geschossnase drehfest
mit einer Welle verbunden, die über
Drehlager im Geschossrumpf gehaltert ist und dort an das mechanische
Antriebssystem und/oder Bremssystem gekoppelt ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Geschossnase
und der Geschosshülle
ein Spalt angeordnet und die Geschossnase einschließlich ihrer
Welle ist in Längsrichtung unter Überwindung
von Kräften
eines Federelements bis kein Spalt mehr vorliegt verschieblich,
insbesondere aufgrund von Kräften
der Abschussbeschleunigung. Während
des Abschusses erfährt
das Geschoss je nach Waffentyp eine Längsbeschleunigung mit überlagerten
Schwingungen, welche Werte bis zum 50.000-fachen der Erdbeschleunigung
erreichen können.
Durch die elastische Lagerabstützung kann
sich die Geschossnase während
der Beschleunigungszeit auf der Geschosshülle abstützen. Damit ist die Kraft,
welche auf das Drehlager wirkt, durch die Federkraft begrenzt. Dies
ermöglicht
eine relativ kleine und leichtbauende Konstruktion. Die Geschossnase
kann für
die Dauer der Beschleunigung gegenüber der Geschosshülle nicht
bewegt werden. Dies ist der Fall, solange sich das Geschoss im Waffenrohr
oder kurz davor befindet. Die Geschossnase und die Geschosshülle verhalten
sich während
dieser Zeit wie eine Einheit, also wie ein konventionelles, ungelenktes
Geschoss. Nach Verlassen des Rohres und dem Abklingen der Beschleunigung sorgt
das Federelement dafür,
dass die Geschossnase gegen den Luftwiderstand nach vorne geschoben und
die Rotationsmöglichkeit
der Geschossnase freigegeben wird. Ab dann kann gelenkt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 ein
Geschoss im Längsschnitt
als Prinzipskizze,
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2 ein
weiteres Geschoss eines weiteren Ausführungsbeispieles, ebenfalls
im Längsschnitt
als Prinzipskizze.
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Die 1 zeigt
eine Vorrichtung zum Steuern eines Geschosses 1. Das Geschoss 1 umfasst eine
Geschossnase 10, an die sich eine Geschosshülle 20 anschließt. Die
Geschossnase 10 ist gegenüber der Geschosshülle 20 rotatorisch
um eine Rotationsachse 14 über eine mechanische Antriebseinrichtung 21,
die gleichzeitig eine Bremseinrichtung ist, verstellbar. Ferner
ist die Geschossnase 10 mit einer Lenkeinrichtung ausgestattet,
mit der eine auf das Geschoss 1 wirkende Querkraft erzeugbar
ist. Hierzu weist die Außenfläche der
Geschossnase 10 bezogen auf die Rollachse des Geschosses 1 eine Asymmetrie
auf. Diese Asymmetrie der Außenfläche der
Geschossnase 10 ist derart ausgebildet, dass bei der Umströmung der
Geschossnase 10 die Querkraft erzeugt wird. Die Richtung
der Querkraft korreliert folglich aus der Winkelstellung der Geschossnase 10.
Ferner ist die Außenfläche der
Geschossnase 10 starr, ohne bewegliche Bauteile und weist
keine herausragenden Abschnitte, wie insbesondere Steuerflügel, auf.
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Wie
in der 1 illustriert, ist die Außenfläche der Geschossnase 10 eine
zur Drehachse 14 der Geschossnase 10 rotationssymmetrische
Form, insbesondere eine Ogivenform, mit einer einseitigen Abflachung 11.
Diese Abflachung 11 erzeugt im Flugbetrieb die Querkraft.
Alternativ käme
an anstelle einer Abflachung 11 auch eine Einbeulung in
Betracht.
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Die
Geschossnase 10 ist drehfest mit einer Welle verbunden,
die über
Drehlager 22a und 22b innerhalb der Geschosshülle 20 gehaltert
ist und dort an die mechanische Antriebseinrichtung 21 und/oder Bremseinrichtung
gekoppelt ist.
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Zwischen
der Geschossnase 10 und der Geschosshülle 20 ist ein Spalt
angeordnet. Die Geschossnase 10 einschließlich ihrer
Welle 12 ist
- • in Längsrichtung
- • unter Überwindung
von Kräften
eines Federelements 23 bis kein Spalt mehr vorliegt verschieblich,
insbesondere aufgrund von Kräften
der Abschussbeschleunigung.
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Die
mechanische Antriebseinrichtung 21 und/oder Bremseinrichtung
ist eine elektrische Einrichtung.
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Nachfolgend
wird auf die allgemeine Funktionsweise der Vorrichtung zum Steuern
eines Geschosses eingegangen.
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Ein
Sensor 13, wie zum Beispiel ein Magnetsensor, ermittelt
die Drehgeschwindigkeit der Geschossnase 10 in Bezug auf
die Umgebung und nicht in Bezug auf die Geschosshülle 20.
Aufgrund der mechanischen Antriebseinrichtung 21 und/oder
Bremseinrichtung ist die Geschossnase 10 gegenüber der Geschosshülle 20 rotatorisch
verstellbar. Die rotatorische Verstellbarkeit bedeutet, dass die
Winkelgeschwindigkeit der Geschossnase 10 in Bezug auf
die Umgebung steuerbar ist. Durch die steuerbare Winkelgeschwindigkeit
kann die Verweildauer der Asymmetrie der Geschossnase auf eine Winkelposition
im Raum konzentriert werden. In der Folge wirkt nun die Querkraft
der Geschossnase auch überwiegend
in Richtung dieser Winkelposition. Das gesamte Geschoss wird wegen
der in Längsrichtung
außermittig angreifenden
Querkraft in Bezug auf die Strömung angestellt.
Das in der Strömung
angestellte Geschoss erfährt
nunmehr eine an der Geschosshülle angreifende
Querkraft welche zu der gewünschten Bahnänderung
führt.
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Die
maximale Richtungsänderung
erzielt man, wenn die Geschossnase in Bezug auf die Umgebung in
einer konstanten Drehwinkellage gehalten wird. Das andere Extrem,
wenn überhaupt
keine Richtungsänderung
erfolgen soll, erhält
man dann, wenn die Geschossnase mit gleichmäßiger Drehgeschwindigkeit gegenüber der
Umgebung rotiert. Dann heben sich die Querkräfte an der Geschossnase über die
Zeit hinweg auf. Zwischen den vorgenannten Grenzfällen ist
der Betrag der Richtungsänderung
dadurch einstellbar, dass man die Geschossnase zwar gegenüber ihrer
Umgebung rotieren lässt, wobei
jedoch die Drehgeschwindigkeit während
einer Umdrehung unterschiedlich hoch eingestellt wird. Anders ausgedrückt, führt eine
erhöhte
Verweildauer der Geschossnase in Bezug auf den Raum aufgrund der
variabel einstellbaren Rotation zu den in Betrag und Richtung gewünschten
Lenkkräften.
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Nun
wird erläutert,
dass die Vorrichtung zum Steuern in allen Geschwindigkeitsbereichen
arbeitet. Die Geschossnase 10 ist bezogen auf die Rollachse 2 des
Geschosses asymmetrisch ausgebildet ist. Daher entsteht eine Querkraft
an der Geschossnase 10. Die Querkraft begründet sich
aus der Aerodynamik über
die Impulswirkung der Strömung.
Die Querkraft wächst
mit der Geschwindigkeit quadratisch, sie ändert aber nicht ihre Lage
oder Richtung. Damit ist der Übergang
vom Unterschall- zum Transschall- in den Überschallbereich ohne einen
Wechsel der Lenkgesetze möglich.
Dies ist für
die Artillerie von Bedeutung, wo die Geschosse bei maximaler Ladung
mit Mach 3 das Rohr verlassen und sich im Transschallbereich bei
ca. Mach 1 dem Ziel nähern.
Die Funktion im Hyperschall ist mit der erfindungsgemäßen Konstruktion
ebenso gegeben, wobei hier höchste
Staudrücke
und Temperaturen zu ertragen sind. Diese werden durch die starre
Formgebung der Geschossnase ohne bewegte Teile wie Flügel beherrscht.
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Da
die rotatorische Verstellbarkeit der Geschossnase gegenüber der
Umgebung erfolgt, ist die Lenkeinrichtung sowohl für ein drallstabilisiertes
als auch für
ein flügelstabilisiertes
Geschoss einsetzbar ist. Im Falle der rotierenden Geschosshülle sind
jedoch zusätzlich
zu den Auftriebskräften
noch die Magnus-Kräfte
und die Kreiselkräfte
im Lenkgesetz zu berücksichtigen.
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In
Abweichung zum Ausführungsbeispiel nach 1 könnte, wie
in 2 dargestellt, die Querkraft im Flugbetrieb auch
dadurch erzeugt werden, dass die Außenfläche der Geschossnase 10 eine
um eine Symmetrieachse 15 rotationssymmetrische Form, insbesondere
eine Ogivenform, aufweist und dass diese Symmetrieachse 15 gegenüber der Rotationsachse 14 des
Geschosses 1 leicht abgeknickt ist. Wie dargestellt, ist
es zweckmäßig, die
Aufstandsfläche
der Geschossnase entsprechend der Abknickung schräg auszuführen. Angemerkt
sei, dass im Ausführungsbeispiel
nach 2 für
gleiche Bauteile wie in 1 auch die gleichen Bezugszeichen
verwendet sind.
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- 1
- Geschoss
- 2
- Rollachse
- 10
- Geschossnase
- 11
- Abflachung
- 12
- Welle
- 13
- Sensor
- 14
- Drehachse
- 15
- Symmetrieachse
- 20
- Geschosshülle
- 21
- Antriebseinrichtung/Bremseinrichtung
- 22
- Drehlager
- 23
- Federelement
- 30
- Spalt