DE102006031625A1 - Vorrichtung zur Giersteuerung einer Düse mit rechteckigem Austrittsquerschnitt - Google Patents

Vorrichtung zur Giersteuerung einer Düse mit rechteckigem Austrittsquerschnitt Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Giersteuervorrichtung für ein Luftfahrzeug (100), das mit einer Überschalldüse (110) mit rechteckigem oder abgeflachtem Querschnitt ausgestattet ist, umfassend einen Schallhals (111), der durch ein Düsenrohr (112) verlängert ist, in dem die Überschallströmung (E¶sup¶) erzeugt wird. DOLLAR A Um die Giersteuerung eines Luftfahrzeugs ohne Vertikalabdrift zu ermöglichen, setzt die erfindungsgemäße Vorrichtung Strahlruder (120) in Form eines Querruders, die im Düsenrohr (112) angeordnet sind, ein. DOLLAR A Die Ruder sind um eine Drehachse (121) beweglich, um eine seitliche Kraft in Auslenkposition zu erzeugen und die Drehung des Luftfahrzeugs (100) um seine Gierachse (102) zu ermöglichen.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Luftfahrzeuge, insbesondere der Luftfahrzeuge von sog. "Tarnkappentyp", die so ausgestaltet sind, daß sie nur schwer mittels Radar und Infraroterfassung detektiert werden können. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, handelt es sich dabei um unbemannte Kampfflugzeuge, auch Drohnen oder UCAV (Akronym für den englischen Begriff "Unmanned Combat Air Vehicle") genannt, die zur Tarnung gegen Detektion Zellen von sehr flacher Form und ohne Vertikalabdrift aufweisen.
  • Die Form des Luftfahrzeugs sowie die Notwendigkeit der Infrarottarnung im Bereich des aus der Düse austretenden Strahls führen dazu, der Düse eine sogenannte "zweidimensionale" Form oder "2D"-Form zu verleihen, wobei der Austrittsquerschnitt der Düse von rechteckiger oder abgeflachter Form mit einem Breiten-/Höhenverhältnis von ungefähr 3 oder mehr ist.
  • Die Unterdrückung der Vertikalabdrift (Seitenruder) erfordert eine Ausstattung des Luftfahrzeugs mit einem weiteren Giersteuerungsmittel. Bisher wurden zwei Lösungen geprüft. Die erste besteht darin, die Giersteuerung mit Hilfe von aerodynamischen Seitenrudern durchzuführen, die im Bereich der Flügel des Luftfahrzeugs angeordnet sind (Seitenruder vom Typ doppelte Querruder). In diesem Fall wird das Luftfahrzeug in Gierbewegungen durch die Kontrolle der Differentialwiderstände zwischen den beiden Flügeln des Luftfahrzeugs gesteuert.
  • Eine weitere Lösung besteht darin, das Luftfahrzeug mit einer ausrichtbaren Düse zu versehen, die es ermöglicht, den Schubvektor zu steuern.
  • Allerdings weisen diese beiden Lösungen zur Giersteuerung von Luftfahrzeugen ohne Vertikalabdrift Nachteile im Zusammenhang mit der Wirksamkeit der Steuerung und den Motorleistungen auf. Die Verwendung von aerodynamischen Rudern im Bereich der Flügel erhöht nämlich stark den Gesamtwiderstand des Luftfahrzeugs, um ein ausreichendes Moment in Bezug auf den Schwerpunkt des Luftfahrzeugs zu erzeugen. Ebenso ermöglichen es die Systeme der Giersteuerung durch Ausrichtung des Schubs im Bereich der Düse, insbesondere solcher Systeme, die eine Fluideinspritzung an den Seitenwänden der Düse verwenden, nicht, ein ausreichendes Giermoment zu erzielen, insbesondere auf Grund der stark abgeflachten Form der Düse, die für die Abdrift des Gierschubvektors wenig günstig ist. Überdies sind die mechanischen Systeme, die es ermöglichen, die Düse auszurichten, und folglich der Schub sehr ungünstig im Hinblick auf das Gewicht und den Platzbedarf.
  • Schließlich haben die oben beschriebenen Giersteuersysteme eine Auswirkung auf die Schubleistungen des Motors.
    •
  • AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung soll eine Lösung für das Problem bringen, das durch die Giersteuerung von Luftfahrzeugen ohne Vertikalabdrift aufgeworfen wird, die mit einer Überschalldüse mit rechteckigem oder abgeflachtem Querschnitt ausgestattet sind, um ein optimales Giermoment in Bezug auf den Schwerpunkt des Luftfahrzeugs zu erzeugen, wobei die Schubverluste und die Auswirkung auf den thermodynamischen Zyklus des Motors begrenzt werden.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel mit einer Giersteuervorrichtung erreicht, umfassend mindestens ein Strahlruder in Form eines Querruders, das in dem Düsenrohr der Düse angeordnet ist, wobei das Ruder um eine Drehachse beweglich ist, um eine seitliche Kraft in der Auslenkposition zu erzeugen und die Drehung des Luftfahrzeugs um seine Gierachse zu ermöglichen. Die Giersteuervorrichtung umfaßt ferner ein festes Element, das stromaufwärts zu dem oder jedem Strahlruder in der Düse angeordnet ist, wobei das feste Element einen aerodynamischen Angriffsrand aufweist, um das Ruder gegen die Überschallströmung zu schützen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, eine Giersteuerung auszuführen, die ebenso wirksam ist, wie eine Giersteuerung mit Vertikalabdrift. Wenn nämlich ein oder mehrere Strahlruder direkt in das Düsenrohr eingesetzt werden, d.h. in den Bereich der Überschallströmung, wird eine sehr große seitliche Kraft – und folglich ein ausreichendes Giermoment für die Giersteuerung des Luftfahrzeugs – erzeugt. Diese große seitliche Kraft wird durch ein Auslenken des oder der Ruder von nur einigen Graden erzielt. Das Auslenken der Ruder erzeugt nur vorübergehend Schubverluste.
  • Da ferner das oder die Ruder in dem Düsenrohr, d.h. nach dem Hals, angeordnet sind, haben sie keinen Einfluß auf den Funktionszyklus des Motors, wobei die Strömungsmenge im Bereich des stromaufwärtigen Schallhalses reguliert wird. Die Motorfunktion kann nun von der Steuerung des Luftfahrzeugs abgekoppelt werden.
  • Die Form (Querruder) und die Abmessungen der Strahlruder werden vorzugsweise derart gewählt, daß ihr aerodynamisches Profil bei Strömung in der nicht ausgelenkten Position optimiert wird.
  • Die Anordnung eines festen Elements stromaufwärts zu jedem Ruder ermöglicht es, die Ruder gegen die Überschallströmung in der nicht ausgelenkten Position zu schützen und den Schubverlust bei kontinuierlicher Funktion zu verringern. Das Vorhandensein eines oder mehrerer Strahlruder in der Überschallströmung erzeugt nämlich Stöße (Stoßwellen) in der Strömung, was zu Schubverlusten führt. Die festen Elemente ermöglichen es, die Ruder der Überschallströmung in nicht ausgelenkter Position zu „verdecken". Zu diesem Zweck sind die festen Elemente vorzugsweise zumindest teilweise stromaufwärts zur Schallinie der Düse angeordnet. Mit diesen festen Elementen hat die erfindungsgemäße Vorrichtung einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Schubleistungen des Motors, wenn sie nicht aktiviert ist (z.B. wenn die Ruder nicht ausgelenkt sind).
  • Bei einer Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung mehrere Strahlruder, wobei jedes dieser Ruder mit demselben Steuerhebel verbunden ist, wodurch es möglich ist, ein einziges Betätigungselement für die Steuerung aller Ruder zu verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Überschalldüse mit rechteckigem oder abgeflachtem Querschnitte, umfassend mindestens eine oben beschriebene Giersteuervorrichtung.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Luftfahrzeug, umfassend eine solche Düse, bei dem es vorzugsweise möglich ist, die Vertikalabdrift wegzulassen, wobei die Giersteuervorrichtung in die Düse integriert ist.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich ein Giersteuerverfahren eines Luftfahrzeugs, das mit einer Überschalldüse mit rechteckigem oder abgeflachtem Querschnitt ausgestattet ist, umfassend einen Schallhals, der durch ein Düsenrohr verlängert ist, in dem die Überschallströmung erzeugt wird, wobei das Verfahren die Anordnung von mindestens einem Strahlruder in Form eines Querruders im Inneren des Düsenrohrs, die Anordnung eines festen Elements mit einem aerodynamischen Angriffsrand stromaufwärts zu dem oder jedem Strahlruder, um das Ruder gegen den Überschallstrahl der Düse zu schützen, und das Auslenken des Strahlruders umfaßt, um eine seitliche Kraft zu erzeugen, die die Drehung des Luftfahrzeugs um seine Gierachse ermöglicht.
  • Bei einer Ausführungsform des Verfahrens werden mehrere Strahlruder im Inneren des Düsenrohrs angeordnet und mit demselben Steuerhebel verbunden, um ihr Auslenken gleichzeitig steuern zu können.
  • Die Anzahl von im Inneren des Düsenrohrs anzuordnenden Strahlrudern sowie ihr maximaler Auslenkwinkel werden in Abhängigkeit von dem Giermoment definiert, das für die Giersteuerung des Luftfahrzeugs erzeugt werden soll.
    •
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der gehen aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht beschränkenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine rein schematische Ansicht eines Luftfahrzeugs, das mit einer Giersteuervorrichtung gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung versehen ist.
  • 2A und 2B sind Draufsichten auf ein Strahlruders gemäß 1 in nicht ausgelenkter bzw. in ausgelenkter Position.
  • 3 ist eine Draufsicht auf die Gesamtheit der Strahlruder gemäß 1.
  • 4 ist eine rein schematische Ansicht eines Luftfahrzeugs, das mit einer Giersteuervorrichtung nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung versehen ist.
  • 5A und 5B sind Draufsichten auf ein Strahlruder gemäß 4 in nicht ausgelenkter bzw. in ausgelenkter Position.
  • 6 ist eine Draufsicht auf die Gesamtheit der Strahlruder aus 4.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 1 stellt rein schematisch ein Luftfahrzeug 100 vom Typ unbemanntes Kampfflugzeug, auch Drohne oder UCAV genannt, dar, das mit einem Motor 101 versehen ist, dessen hinterer Teil eine Überschalldüse 110 umfaßt, die einen Schallhals 111 und ein Düsenrohr 112 aufweist. Die Düse 110 besitzt eine flache oder "zweidimensionale2" Form, d.h., daß das Düsenrohr 112 einen rechteckigen oder abgeflachten Querschnitt mit einem Breiten-/Höhenverhältnis im Bereich seines Austrittsquerschnitts aufweist, das ungefähr 3 oder mehr betragen kann.
  • Um eine ganz flache Zellenform zu bewahren, umfaßt das Luftfahrzeug 100 keine Vertikalabdrift. Erfindungsgemäß erfolgt die Giersteuerung des Luftfahrzeugs 100 mit Hilfe von Strahlrudern 120, die direkt in der Düse 110 angeordnet sind, um der Überschallströmung Esup des Strahls, die im Bereich des Düsenrohrs 112 entsteht, ausgesetzt zu sein.
  • Wie in 2A dargestellt, weist jedes Ruder 120 eine Querruderform auf, die ein aerodynamisches Profil definiert, um seinen Einfluß auf die Überschallströmung des Strahls maximal zu verringern. Die Ruder sind vertikal hinter der Schallinie 130 angeordnet, die sich im Bereich des Ausgangs des Schallhalses 111 befindet und den Teil der Düse begrenzt, von dem aus die Strömungsgeschwindigkeit von einem Überschallwert Esub auf einen Überschallwert Esup übergeht.
  • Die Ruder 120 sind um eine Achse 121 beweglich, um ihre Auslenkung zu ermöglichen. Wie in 2B dargestellt, ermöglicht es die Auslenkung eines Ruders in der Überschallströmung Esup in dem Düsenrohr, eine große seitliche Kraft Flat zu erzeugen. In der Auslenkposition erzeugen die Ruder nämlich einen Stoß 132 in der Überschallströmung Esup auf einer Seite und einen geringeren Stoß oder sogar einen Druckminderungsstrahl 133 auf der gegenüberliegenden Seite. Die jeweilige Druckverteilung auf jeder Seite des Ruders ist somit unterschiedlich, wodurch es möglich ist, die seitliche Kraft Flat zu erzeugen, auch bei nur geringen Auslenkungen von z.B. wenigen Grad sofort sehr groß ist.
  • Mit dieser Lösung wird ein ausreichendes Giermoment erzielt, um die Steuerung des Luftfahrzeugs zu gewährleisten. Die Anzahl von Rudern und der maximale Auslenkwinkel der Ruder werden in Abhängigkeit vom Wert des für die Steuerung des Luftfahrzeugs um seine Gierachse 102 erforderlichen Giermoments definiert.
  • Da sich die Ruder im Überschallteil der Strömung befinden, werden die am Schallhals durchströmende Menge und die Funktion des Motors durch die Auslenkung dieser Ruder nicht beeinflußt.
  • Wie in 3 dargestellt, kann die Auslenkung der Ruder 120 mittels desselben Hebels 123 gesteuert werden, der mit der Drehachse 121 verbunden ist, die mit jedem Ruder durch eine Nocke 122 verbunden ist, wodurch es möglich ist, alle Ruder gleichzeitig mit einem einzigen Betätigungselement zu aktivieren.
  • Wenn es die Verwendung von Strahlrudern in der Überschallströmung auch ermöglicht, ein maximales Giermoment in Bezug auf den Schwerpunkt des Luftfahrzeugs zu erzeugen und folglich sehr wirksam eine Vertikalabdrift zu ersetzen, erzeugt ihr Vorhandensein in der Überschallströmung einen Stoß 131 (2A) in der Strömung, der zu einem Schubverlust von mehreren Prozent führt, wobei dieser Verlust proportional mit dem Auslenkwinkel der Ruder größer wird.
  • Um diesen Nachteil zu vermeiden, schlägt die vorliegende Erfindung gemäß einer weiteren Ausführungsart vor, ein festes Element stromaufwärts zu jedem Ruder einzubauen, wobei dieses Element eine entsprechende Form aufweist, um das Ruder, vor dem es angeordnet ist, gegen die Überschallströmung zu schützen. Zu diesem Zweck weist das feste Element einen aerodynamischen Angriffsrand auf, der breit genug ist, um das Ruder gegen die Strömung in der nicht ausgelenkten Position zu verdecken, wobei sich mindestens ein Teil des festen Elements in dem Überschallteil der Strömung, d.h. stromaufwärts zur Schallinie in der Düse, befindet.
  • Ein Ausführungsbeispiel ist in 4 dargestellt und zeigt ein Luftfahrzeug 200 von demselben Typ, wie vorher beschrieben, nämlich ein Luftfahrzeug, das mit einem Motor 201 versehen ist, dessen hinterer Teil von einer „zweidimensionalen" Überschalldüse 210 gebildet ist, umfassend einen Schallhals 211 und ein Düsenrohr 212 mit rechteckigem Ausgangsquerschnitt. Wie vorher erklärt, sind ein oder mehrere (mehrere in 4) Strahlruder 220 vertikal in der Düse 210 im Bereich des Düsenrohrs 212 angeordnet, um die Giersteuerung des Luftfahrzeugs zu ermöglichen. Bei dieser Ausführungsart der Erfindung sind die festen Element 240 jeweils stromaufwärts zu den Rudern 220 angeordnet.
  • Die festen Elemente 240 weisen ein aerodynamisches Profil auf und sind zumindest teilweise in dem konvergierenden Teil der Düse, nämlich im Bereich des Schallhalses 211, angeordnet, wo die Strömung Esub noch nicht im Überschallbereich liegt. Diese Anordnung ist in 5A dargestellt, wo zu sehen ist, daß sich die Schallinie 230 der Strömung im rechten Winkel zum festen Element 240 befindet, das sich nach dieser Schallinie bis zum Querschnitt des Düsenrohrs 212 verlängert, wo sich das Ruder 220 im Bereich der Überschallströmung Esup befindet.
  • In der nicht ausgelenkten Position sind die Ruder somit gegen die Überschallströmung geschützt, wobei der einzige Schubverlust nun auf die Reibung an der Wandung (wobei die Kontaktfläche mit der Strömung durch das Vorhandensein der festen Elemente etwas vergrößert ist) und die möglichen kleinen Stöße in der Strömung auf Grund des geringen Spiels zurückgeht, das zwischen den festen Elementen und den Rudern besteht.
  • Wenn die Ruder 220 ausgelenkt werden, wobei sie um ihre Achse 221 schwenken, wie in 5B dargestellt, wird ein Stoß 231 auf einer Seite des Ruders und ein geringerer Stoß oder ein Druckminderungsstrahl 232 auf der anderen Seite erzeugt, wodurch es möglich ist, eine große Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten und folglich eine seitliche Kraft Fiat zu erzeugen, die das Luftfahrzeug in Drehung um seine Gierachse 202 antreibt. Die Drehachse 221 jedes Ruders 220 ist vorzugsweise möglichst nahe dem festen Element 240 stromaufwärts angeordnet, um die Überschreitung des stromaufwärtigen Randes 220a des Ruders 220 in Bezug zum festen Element 240 beim Auslenken möglichst zu minimieren. Wie in den 5A und 5B dargestellt, wird die Drehachse 221 der Ruder 220 vorzugsweise derart gewählt, daß der Mittelpunkt eines konzentrischen Kreises mit einem durch den vorderen Rand 240b des festen Elements 240 gehenden Kreis definiert wird.
  • Die Strahlruder und die festen Elemente können aus Metall oder einem Wärmestrukturverbundmaterial (z.B. Kohlenstoff/Kohlenstoff (C/C), Kohlenstoff/Siliziumkarbid (C/SiC) oder Siliziumkarbid/Siliziumkarbid (SiC/SiC)) hergestellt sein.
  • Die Giersteuervorrichtung ist nicht auf das oben beschriebene Luftfahrzeug begrenzt. Sie kann ganz allgemein für jeden Luftfahrzeugtyp verwendet werden, der mit einer Düse ausgestattet ist, die eine im Sinne der obigen Beschrebung "zweidimensionale" Form aufweist und für die eine einfachere Lösung als die Vertikalabdrift für die Giersteuerung angestrebt wird.

Claims (9)

  1. Giersteuervorrichtung für ein Luftfahrzeug (100; 200), das mit einer Überschalldüse (110; 210) mit rechteckigem oder abgeflachtem Querschnitt ausgestattet ist, umfassend – einen Schallhals (111, 211), der durch ein Düsenrohr (112; 212) verlängert ist, in dem die Überschallströmung erzeugt wird, – wobei die Vorrichtung mindestens ein Strahlruder (120; 220) in Form eines Querruders im Inneren des Düsenrohrs (112; 212) umfaßt, – wobei das Ruder um eine Drehachse (121; 221) beweglich ist, um eine seitliche Kraft in Auslenkposition zu erzeugen und die Drehung des Luftfahrzeugs (100; 200) um seine Gierachse (102; 202) zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, – daß ein festes Element (240) vorgesehen ist, das stromaufwärts zu dem oder jedem Strahlruder (220) in der Düse (210) angeordnet ist, – wobei das feste Element einen aerodynamischen Angriffsrand umfaßt, um das Ruder gegen den Überschallstrahl in der Düse zu schützen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Element (240) zumindest teilweise stromaufwärts zur Schallinie (230) der Düse angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere Strahlruder (120; 220) umfaßt, wobei jedes dieser Ruder mit ein und demselben Steuerhebel (123; 223) verbunden ist, der es ermöglicht, die Strahlruder gleichzeitig auszulenken.
  4. Überschalldüse mit rechteckigem oder abgeflachtem Querschnitt (110; 210), dadurch gekennzeichnet, – daß sie mindestens eine Giersteuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 umfaßt.
  5. Luftfahrzeug (100; 200) ohne Vertikalabdrift, dadurch gekennzeichnet, – daß es eine Düse nach Anspruch 4 umfaßt.
  6. Verfahren zur Giersteuerung eines Luftfahrzeugs (100; 200), das mit einer Überschalldüse mit rechteckigem oder abgeflachtem Querschnitt (110; 210) ausgestattet ist, – wobei die Düse einen Schallhals (111; 211) umfaßt, der durch ein Düsenrohr (112; 212) verlängert ist, in dem die Überschallströmung erzeugt wird, – wobei das Verfahren die Anordnung von mindestens einem Strahlruder (120; 220) in Form eines Querruders im Inneren des Düsenrohrs und die Auslenkung des Strahlruders umfaßt, um eine seitliche Kraft zu erzeugen, die die Drehung des Luftfahrzeugs um seine Gierachse (102; 202) ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, – daß es ferner die Anordnung eines festen Elements (240) mit einem aerodynamischen Angriffsrand stromaufwärts zu dem oder jedem Strahlruder (220) umfaßt, um das Ruder gegen den Überschallstrahl der Düse zu schützen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Element (240) zumindest teilweise stromaufwärts zur Schallinie (230) der Düse angeordnet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strahlruder (120; 240) im Inneren des Düsenrohrs angeordnet sind, und daß sie mit einem einzigen Steuerhebel (123; 223) verbunden werden, um ihre Auslenkung gleichzeitig zu steuern.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Strahlrudern, die im Inneren des Düsenrohrs anzuordnen sind, sowie ihr maximaler Auslenkwinkel in Abhängigkeit von dem Giermoment bestimmt werden, der für die Giersteuerung des Luftfahrzeugs erzeugt werden soll.
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