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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkoppeln eines
unbemannten Flugkörpers von
einem Trägerluftfahrzeug.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abkoppeln
eines unbemannten, aerodynamisch instabilen Flugkörpers von
einem Trägerluftfahrzeug.
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Herkömmliche
unbemannte Flugkörper,
zum Beispiel sogenannte „Cruise
Missiles” sind
zwar mit eigenen Tragflächen
als Auftriebshilfen versehen, doch befinden sich diese Tragflächen im
Tragflug, das heißt,
wenn der Flugkörper
am Trägerluftfahrzeug
angekoppelt ist, in einer in die Kontur des Flugkörpers eingefahrenen
Position und werden erst nach dem Abkoppeln des Flugkörpers ausgefahren. Der
Flugkörper
ist somit unmittelbar nach dem Abkoppeln vom Trägerflugzeug in einem aerodynamisch
instabilen Zustand. Erst mit dem Ausfahren der Tragflächen verbessert
sich die aerodynamische Stabilität
(vor allem in der Nick-Achse) wesentlich.
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Beim
Abkoppeln eines an einem sogenannten Pylon am Trägerluftfahrzeug angebrachten
unbemannten Flugkörpers
vom Trägerluftfahrzeug
ist sicherzustellen, dass der unbemannte Flugkörper unmittelbar nach dem Abkoppeln
nicht durch auf ihn einwirkende aerodynamische Kräfte, zum
Beispiel durch das sogenannte Abwindfeld (das ist das Strömungsfeld
um den Flugkörper
im angebauten Zustand) und durch Abstoßkräfte eines am Pylon vorgesehenen
Ejektorsystems (zumeist ein Gasdrucksystem) so ausgelenkt wird,
dass er mit dem Trägerluftfahrzeug
kollidiert oder in einen nicht mehr regelbaren Flugzustand gerät.
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Die
auf den Flugkörper
einwirkenden aerodynamischen Kräfte
sind abhängig
von der Anströmgeschwindigkeit,
das heißt
von der Relativgeschwindigkeit des Trägerluftfahrzeugs zur Luft beim
Abkoppeln (Release) des unbemannten Flugkörpers, von der Luftdichte,
also der Flughöhe,
in der der Release erfolgt, vom Anstellwinkel des Flugkörpers und
von den aerodynamischen Umströmungsbedingungen, also
dem Abwindfeld, des am Trägerluftfahrzeug
angekoppelten unbemannten Flugkörpers.
Dieses Abwindfeld, welches zu einer Umströmung des Flugkörpers im
freien Luftfeld unterschiedlich ist, resultiert aus Strömungsengstellen
(z. B. durch Behälter
an Nachbarwaffenstationen oder durch Verengung des Raumes zwischen
Flugkörper
und Unterseite des Trägerluftfahrzeugs
mittels eines bei der Installation des Flugkörpers vorgesehenen Nickwinkelversatzes) und/oder
aus Strömungsstau-Bereichen
(z. B. an der vorderen Wurzel des Pylons), wodurch sich statische und
dynamische Druckunterschiede und damit spezielle Kraft- und Momentenwirkungen
auf den Flugkörper
ergeben, die mit zunehmendem Abstand vom Trägerluftfahrzeug beim Abkoppeln
wieder verschwinden, was typischerweise circa 200 ms nach der Abkoppelung
erfolgt. Anschließend
wirkt die Aerodynamik der freien Luftströmung auf den Flugkörper.
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Druckunterschiede
zwischen der Oberseite und der Unterseite des Flugkörpers erzeugen Nick-Momente
und Druckunterschiede zwischen der linken und der rechten Seite
des Flugkörpers
erzeugen Gier-Momente. Typischerweise ergeben sich an Flügelwaffenstationen
mit ausreichendem Abstand zu Nachbarbehältern zu vernachlässigende
Momente um die Gier-Achse und um die Roll-Achse. Es ergibt sich
aber ein dominierendes Nick-Moment, das die Flugkörpernase
nach unten drückt
und dessen Stärke
vom Anstellwinkel des Flugkörpers,
von der Mach-Zahl und von der Luftdichte abhängt. Dieses Nick-Moment wirkt
bereits im angekoppelten Zustand auf den Flugkörper und übt beim Abkoppeln einen mehr
oder weniger kräftigen
Drehimpuls um die Nick-Achse auf den Flugkörper aus. Diese spezifische
Drehwirkung verschwindet während
des Abkoppelvorganges mit größer werdendem
Abstand des Flugkörpers
vom Trägerluftfahrzeug,
weil sich die Druckunterschiede zwischen Ober- und Unterseite ausgleichen.
Da der Flugkörper
in dieser Situation kaum aerodynamische Nick-Stabilität aufweist,
setzt sich die vom Nick-Moment verursachte Drehbewegung um die Nick-Achse
fort, wobei die Nickdrehrate durch die immer größer werdende Fläche des
Flugkörpers,
die dem dynamischen Druck der Anströmung ausgesetzt ist, stark
zunimmt, was sich vor allem dann ergibt, wenn sich der aerodynamische Druckpunkt
vor dem Schwerpunkt befindet (Nase ist vorne). Dabei tritt dann
sehr schnell eine Fluglage des Flugkörpers auf, die nicht mehr stabilisierbar
ist, so dass der abgekoppelte unbemannte Flugkörper unkontrolliert abstürzt und
für die
geplante Mission verloren geht, falls nicht rechtzeitig entsprechende Gegenmaßnahmen
eingeleitet werden.
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Der
unbemannte Flugkörper
erfährt
unmittelbar nach dem Release aufgrund der auf ihn einwirkenden aerodynamischen
Kräfte
ein Nickmoment, das die Nase des Flugkörpers nach unten drückt, wodurch
der Flugkörper
in eine unkontrollierte vertikale Fluglage geraten kann. Diese Fluglage
ist auch nach dem Ausfahren der Tragflächen nicht mehr stabilisierbar,
so dass der abgekoppelte unbemannte Flugkörper unkontrolliert abstürzt und
für die
geplante Mission verloren geht.
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STAND DER TECHNIK
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Das
Abkoppeln eines Flugkörpers
vom Trägerluftfahrzeug
erfolgt in einem Zustand des Flugkörpers, in welchem dessen eigene
Fluglageregelung noch nicht aktiviert ist. Es soll dadurch vermieden werden,
dass durch Fehlverhalten der Fluglageregelung des unbemannten Flugkörpers in
unmittelbarer räumlicher
Nähe zum
Trägerluftfahrzeug
eine Kollision zwischen Flugkörper
und Trägerluftfahrzeug
auftritt. Aus diesem Grund wurden bislang unterschiedliche Vorgehensweisen
bevorzugt.
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Ist
der Flugkörper
aerodynamisch stabil und während
des Tragflugs inaktiv, das heißt
ohne eigene Energieversorgung, so wird er mit dem Trägerluftfahrzeug
zusätzlich
zur mechanischen Halterung über
eine Reißleine
verbunden, die nach dem Release des Flugkörpers in einer bestimmten Entfernung
des Flugkörpers
vom Trägerluftfahrzeug
die Stromversorgung des Flugkörpers
aktiviert, so dass erst dann die Fluglageregelung des Flugkörpers in Betrieb
gehen kann. Für
dieses Verfahren können nur
Flugkörper
mit hinreichend großer
aerodynamischer Stabilität oder
mit beschränkten
Abkoppelungsbedingungen hinsichtlich Anstellwinkel, Mach-Zahl und Höhe verwendet
werden, damit ein Verlust des Flugkörpers durch das wirkende Abwindfeld
bis zum Einsetzen der eigenen Flugregelung ausgeschlossen ist.
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In
einer alternativen Vorgehensweise ist das Energiesystem des aerodynamisch
stabilen Flugkörpers
bereits während
des Tragflugs aktiv. Aus Sicherheitsgründen wird hier jedoch über entsprechende Zeitverzögerungseinrichtungen
im Flugkörper
die Aktivierung der eigenen Fluglageregelung verzögert und
der Ruderausschlag der Steuerflächen
wird für eine
bestimmte Zeit begrenzt bis der Flugkörper ausreichend weit vom Trägerluftfahrzeug
entfernt ist. Auch hier besteht während der Phase des ungeregelten
Flugs zwischen dem Release und dem Einsetzen der flugkörpereigenen
Fluglageregelung aufgrund der aerodynamischen Stabilität des Flugkörpers keine
Gefahr des Verlusts durch die auf ihn einwirkenden aerodynamischen
Kräfte.
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Ist
der Flugkörper
jedoch, zumindest in der ersten Flugphase nach dem Release, aerodynamisch
instabil und wirken auf ihn relevante Kräfte und Momente des Abwindfeldes,
so besteht die Gefahr, dass er in dem Zeitraum zwischen dem Release
und dem Einsetzen der eigenen Fluglageregelung in eine instabile
Fluglage gerät
und daher verloren geht. Die bisherige Sicherheitsphilosophie fordert
jedoch, dass die Fluglageregelung des Flugkörpers erst dann aktiv werden
darf, wenn sichergestellt ist, dass eine fehlerhafte Fluglageregelung
nicht zum Zusammenstoß des
Flugkörpers
mit dem Träger
führt.
Diese Zeitspanne liegt bislang in der Praxis bei aerodynamischen
instabilen Flugkörpern
nicht unter 100 ms nach sensierter Abkoppelung vom Trägerflugzeug.
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Bislang
wurden bei aerodynamisch instabilen Flugkörpern, die am Heck des unbemannten Flugkörpers vorgesehenen
Seitenruder und Höhenruder
kurz vor dem Abkoppeln des Flugkörpers
vom Trägerluftfahrzeug
aus der neutralen Stellung (Ruderwinkel = 0°) in eine ausgelenkte Ruderstellung (sogenanntes „Fin Preset”) gebracht,
wodurch sich durch die Anströmung
der Ruder und durch die Hebelarme der Ruder zum Flugkörper-Schwerpunkt Momente
ergeben, die den auf den Flugkörper
wirkenden Momenten des Abwindfeldes entgegengesetzt sind und damit
die durch das Abwindfeld induzierte Drehbewegung des Flugkörpers beim
Abkoppeln entsprechend dämpfen.
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Da
die durch das Abwindfeld auf den Flugkörper wirkenden Kräfte und
Momente im wesentlichen abhängig
sind von der Flughöhe
und von der Fluggeschwindigkeit des Trägerluftfahrzeugs, müssen die
voreingestellten Ruderwinkel der Höhen-/Seitenruder an die Anströmbedingungen,
das heißt
an die Fluggeschwindigkeit und die Flughöhe angepasst sein. Um diese
Ruderwinkel zu bestimmen, ist es somit erforderlich, eine Vielzahl
von Flugversuchen und von numerischen strömungsmechanischen Simulationen
(CFD = computational fluid dynamics) durchzuführen. Diese Flugversuche und
Simulationen müssen
nicht nur für
jede Kombination zwischen einem Trägerluftfahrzeugtyp und einem
Flugkörpertyp
durchgeführt
werden, sondern darüber
hinaus auch für
jeden Anbringungsort des unbemannten Flugkörpers am Trägerflugzeug (beispielsweise
unter dem Rumpf oder unter den Tragflächen) sowie für jede Kombination
der Belegung benachbarter Stationen zur Anbringung von Waffen und
Behältern.
Weiterhin müssen
bei Einführung
neuer Waffen bzw. Behälter
an Nachbarstationen die Voreinstellung der Ruderwinkel des Flugkörpers neu
ermittelt werden, da die neue Nachbarbelegung das Abwindfeld des Flugkörpers verändert und
da sich damit die sich ergebenden rotatorischen und translatorischen
Wirkungen auf den Flugkörper ändern. Dies
macht deutlich, dass vor der Einsatzfreigabe einer Kombination aus Trägerluftfahrzeug
und unbemanntem Flugkörper
immenser Aufwand in Vorversuche und Simulationen zu investieren
ist.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe beziehungsweise das technische Problem
zugrunde, ein Verfahren zum Abkoppeln eines unbemannten Flugkörpers von
einem Trägerluftfahrzeug
anzugeben, das auch dann zuverlässig
funktioniert, wenn der unbemannte Flugkörper, zumindest während des
Abkoppelns vom Trägerluftfahrzeug,
aerodynamisch instabil ist, und wobei der Aufwand zur Flugfreigabe
der Kombination aus Trägerluftfahrzeug
und unbemanntem Flugkörper
deutlich reduziert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren
gelöst.
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Demzufolge
wird ein Verfahren zum Abkoppeln eines unbemannten Flugkörpers von
einem Trägerluftfahrzeug
angegeben, wobei der Flugkörper eine
autonome Flugregelungseinrichtung aufweist, die auf Steuereinrichtungen
des Flugkörpers
einwirkt, welches die Schritte aufweist:
- a)
Einstellen der Seiten- und Höhenruder
des Flugkörper
in eine neutrale Stellung, in der der jeweilige Ruderwinkel 0° beträgt;
- b) Trennen der elektrischen und mechanischen Verbindungen zwischen
dem Flugkörper
und dem Trägerluftfahrzeug;
- c) Sensieren der erfolgten Trennung durch Sensoren des Flugkörpers;
- d) Aktivieren der Flugregelungseinrichtung des Flugkörpers und
automatisches Steuern des Flugkörpers
durch die Flugregelungseinrichtung und die Steuereinrichtungen des
Flugkörpers
auf der Grundlage der Ausregelung von Flugzustandsveränderungen,
die durch das zwischen dem Flugkörper
und dem Trägerluftfahrzeug
herrschende Abwindfeld verursacht werden
- e) automatisches Steuern des Flugkörpers durch die Flugregelungseinrichtung
und die Steuereinrichtungen des Flugkörpers auf der Grundlage von
in zumindest einem Speicher des Flugkörpers gespeicherten Daten,
insbesondere Daten einer Entfernungsprozedur und Flugbahndaten.
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Dabei
wird der Flugkörper
derart durch das Abwindfeld hindurch gesteuert, dass er nur Flugzustände einnimmt,
die das Berühren
des Trägerluftfahrzeugs
ausschließen
und die Durchführbarkeit
der beabsichtigten Mission ermöglichen.
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Bei
einem extrem starken Abwindfeld (hohe Machzahl, geringe Höhe, negativer
Anstellwinkel des Flugkörpers)
muss die Flugregelung möglichst
unmittelbar nach sensierter Abkoppelung einsetzen, da die Gegenwirkung
durch die voreingestellten Ruder fehlt und um einen sanften Übergang
vom ungeregelten in den geregelten Flugzustand zu erreichen, zum
Beispiel zur Vermeidung von maximalen Reglerausgängen oder Ruderausschlägen. Allerdings
sollte damit gewartet werden bis die translatorische Wirkung der Abstoßkräfte des
Pylon-Ejektorsystems abgeklungen ist, was etwa 30 bis 60 ms nach
dem physikalischen Release der Fall ist.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass aufgrund der hohen Zuverlässigkeit
heutiger Regelungssysteme die Sicherheit bei der Trennung des unbemannten
Flugkörpers
vom Trägerluftfahrzeug
und in der Flugphase unmittelbar danach nicht beeinträchtigt wird,
wenn die bordeigene Flugregelung des Flugkörpers bereits zu einem sehr
frühen
Zeitpunkt nach der Trennung einsetzt und zwar weit früher als
dies bislang im Stand der Technik vorgesehen gewesen ist. Die Erfinder
haben dadurch das Vorurteil im Stand der Technik überwunden,
die flugkörpereigene
Flugregelung dürfe
erst dann einsetzen, wenn sich der unbemannte Flugkörper während des
Abkoppelvorgangs in einem zeitlichen Abstand zum Trägerflugzeug
größer als
100 ms befindet. Ein weiteres von den Erfindern überwundenes Vorurteil des Standes der
Technik ist die bisherige Auffassung, die Flugregelung dürfe erst
nach Verschwinden der Wirkungen des Abwindfeldes einsetzen, falls
das Abwindfeld nur in seiner groben Wirkungsweise (z. B. das maximal auftretende
Nick-Moment) oder
nur an bestimmten Arbeitspunkten des operationellen Release-Bereichs bekannt
ist.
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VORTEILE
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Es
ist somit nicht mehr erforderlich, die Steuereinrichtungen eines
Flugkörpers
bereits vor dem Release mit einem voreingestellten Ruderwinkel (Preset)
zu beaufschlagen. Somit entfallen auch die eingangs geschilderten
aufwendigen Voruntersuchungen (Flugversuche, Simulationen) zur Bestimmung
der geeigneten Ruderwinkel in Abhängigkeit von der Flughöhe, von
der Fluggeschwindigkeit, vom Anstellwinkel und von der konstruktiv
bedingten Strömungssituation
am Ort der Anbringung des Flugkörpers
am Trägerluftfahrzeug.
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Durch
den frühzeitigen
Einsatz der Flugregelung gemäß der Erfindung
ergibt sich als weiterer Vorteil, dass die Wirkung des Abwindfeldes
nur an einigen Arbeitspunkten, vorzugsweise an den Grenzen der operationellen
Einsatzbedingungen (Anstellwinkel, Mach-Zahl, Höhe) mittels realer ungeregelter
Abwürfe
des Flugkörpers
vom Trägerluftfahrzeug,
sogenannter Jettison-Abwürfe,
und vorausgehenden numerischen strömungsmechanischen Simulationen ermittelt
werden muss, wodurch dann ebenfalls durch Simulationen, bei denen
die real gemessenen Wirkungen des Abwindfeldes (Kräfte, Momente) nachgebildet
werden, ermittelt und nachgewiesen werden kann, ob die Flugregelung
den Drehwirkungen des Abwindfeldes (nur Nick-Drehraten oder Nick-/Gier-Drehraten)
hinreichend entgegenwirken kann.
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Zudem
ist ein Regler besser geeignet unvorhergesehenen Störungen entgegenzuwirken,
als fest voreingestellte Ruder, die nur ein spezifisches Gegenmoment
erzeugen.
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Weitere
bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bevorzugt
setzt de autonome Flugregelung des Flugkörpers im Schritt d) zu einem
Zeitpunkt (tc) ein, der nicht später als
100 ms nach dem Starten eines Zeitzählers im Zeitpunkt (t0) der Sensierung der Trennung liegt.
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Vorzugsweise
werden im Schritt d) die Steuereinrichtungen des Flugkörpers nicht
vor dem Sensieren der erfolgten Trennung zum Zweck der Steuerung
des Flugkörpers
betätigt.
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Vorzugsweise
erfolgt die Aktivierung der Flugregelungseinrichtung im Schritt
d) derart, dass der Zeitpunkt (tc), an dem
die autonome Flugregelung des Flugkörpers einsetzt, in einem Zeitraum
von nicht früher
als 30 ms nach dem Starten des Zeitzählers liegt. Das Vorsehen dieser
Pause zwischen der Sensierung der erfolgten Trennung im Zeitpunkt
(t0) und dem Zeitpunkt (tc),
an welchem die autonome Flugregelung einsetzt, besitzt den Vorteil,
dass die beim mechanischen Abkoppeln des Flugkörpers vom Trägerluftfahrzeug
auf den Flugkörper einwirkenden translatorischen
Abstoßkräfte des
Ejektorsystems bis zu deren Abklingen frei wirken können, ohne
dass die Flugregelung des Flugkörpers
gegen diese Abstoßkräfte arbeitet.
Auf diese Weise kann der Schritt der mechanischen Trennung ungestört erfolgen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erfolgt die Aktivierung der Flugregelungseinrichtung im Schritt
d) derart, dass der Zeitpunkt (tc), an dem
die autonome Flugregelung des Flugkörpers einsetzt, in einem Zeitfenster
von zwischen 50 ms und 100 ms nach dem Starten des Zeitzählers liegt.
Dieses Zeitfenster hat sich als besonders vorteilhaft für das Einsetzen
der Flugregelung von aerodynamisch instabilen Flugkörpern erwiesen,
insbesondere was den sanften Übergang
von ungeregelten in geregelte Flugzustände des Flugkörpers angeht.
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Vorzugsweise
ist der Zeitpunkt (tc), an dem die autonome
Flugregelung des Flugkörpers
einsetzt, von der Fluggeschwindigkeit (VR,
der Mach-Zahl oder der EAS) des Trägerluftfahrzeugs beim Trennen
des Flugkörpers
vom Trägerluftfahrzeug
im Schritt b) abhängig.
Diese Weiterbildung erlaubt eine noch bessere Anpassung des Zeitpunkts, an
dem die Flugregelung einsetzt, an die jeweiligen Einsatzbedingungen
im Zeitpunkt des Release. Die EAS („equivalent air speed”) ist definiert
als die Geschwindigkeit in Seehöhe,
die denselben inkompressiblen dynamischen Druck erzeugt wie die
wahre Luftgeschwindigkeit in der Höhe, in welcher das betreffende
Luftfahrzeug (hier der Flugkörper)
fliegt.
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Vorzugsweise
nimmt die Zeitdifferenz (Δ tc0) zwischen dem Zeitpunkt (t0)
der Sensierung der Trennung und dem Zeitpunkt (tc),
an dem die autonome Flugregelung des Flugkörpers einsetzt, mit zunehmender
Fluggeschwindigkeit (VR) ab. Je schneller das
Trägerluftfahrzeug
im Release-Zeitpunkt fliegt, desto früher setzt somit die Flugregelung
des Flugkörpers
ein, wodurch der Übergang
des Flugkörpers in
einen stabilen Flugzustand nach dem Release noch besser gewährleistet
wird.
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Weiter
vorzugsweise ist der Zeitpunkt (tc), an dem
die autonome Flugregelung des Flugkörpers einsetzt, von der Flughöhe (HR) des Trägerluftfahrzeugs
oder vom herrschenden statischen Druck beim Trennen des Flugkörpers vom
Trägerluftfahrzeug
im Schritt b) abhängig.
Diese Weiterbildung erlaubt eine noch bessere Anpassung des Zeitpunkts,
an dem die Flugregelung einsetzt, an die jeweiligen Einsatzbedingungen
im Zeitpunkt des Release, insbesondere an die am Ort des Release
herrschende Luftdichte.
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Noch
weiter vorzugsweise ist die Zeitdifferenz (Δ tc0)
zwischen dem Zeitpunkt (t0) der Sensierung
der Trennung und dem Zeitpunkt (tc), an
dem die autonome Flugregelung des Flugkörpers einsetzt, umso kürzer, je
niedriger die Flughöhe
(HR) oder je größer der herrschende statische
Druck ist. Je niedriger das Trägerluftfahrzeug
zum Release-Zeitpunkt fliegt, desto früher setzt somit die Flugregelung
des Flugkörpers
ein, wodurch der Übergang
des Flugkörpers
in einen stabilen Flugzustand nach dem Release noch besser gewährleistet
wird.
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Besonders
vorteilhaft ist es auch, wenn der Schritt e) in den folgenden zwei
Teilschritten ausgeführt
wird:
- e1) automatisches Steuern des Flugkörpers durch die
Flugregelungseinrichtung und die Steuerungseinrichtungen des Flugkörpers auf
der Grundlage von im Speicher des Flugkörpers gespeicherten Daten einer
Standard-Entfernungsprozedur
und
- e2) automatisches Steuern des Flugkörpers durch die Flugregelungseinrichtung
und die Steuereinrichtungen des Flugkörpers auf der Grundlage von
im Speicher des Flugkörpers
gespeicherten Missionsdaten.
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Durch
diese zwei Teilschritte wird in Verbindung mit Schritt d) erreicht,
dass der Flugkörper
zunächst
kurzzeitig (etwa 1 bis 2 Sekunden) den Störungen des Abwindfeldes entgegenwirkt
(Schritt d: zum Beispiel Nick-Drehrate = 0°/sec, Querbeschleunigung = 0
m/sec2, Beibehaltung des Rollwinkels bei Release),
dann kontrolliert gesteuert vom Trägerluftfahrzeug weggeführt wird,
vorzugsweise etwa 1,5 bis 2,5 Sekunden, (Schritt e1: Standard-Entfernungsprozedur),
bevor die eigentliche Regelung des Flugverhaltens zur Steuerung
des Flugkörpers
gemäß einem gespeicherten
Missionsplan einsetzt (Schritt e2). Diese Standard-Entfernungsprozedur
kann dabei so ausgeprägt
sein, dass die Regelung der Vertikalgeschwindigkeit und somit die
Begrenzung des vertikalen Abstandes des Flugkörpers vom Trägerflugzeuges
nach einem Sollprofil erfolgt.
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Dabei
ist es von Vorteil, wenn der Schritt e2) erst erfolgt, nachdem die
Entfernungsprozedur des Schrittes e1) beendet worden ist.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit zusätzlichen
Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben und erläutert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines unbemannten Flugkörpers im Zeitpunkt der Trennung
vom Trägerluftfahrzeug
bei einem geringen Anstellwinkel des Trägerluftfahrzeugs;
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2 eine
schematische Darstellung eines unbemannten Flugkörpers im Zeitpunkt der Trennung
vom Trägerluftfahrzeug
bei einem steileren Anstellwinkel des Trägerluftfahrzeugs;
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3 eine
schematische Vorderansicht eines unter einer Tragfläche des
Trägerluftfahrzeugs angebrachten
unbemannten Flugkörpers
vor der Trennung vom Trägerluftfahrzeug;
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4 eine
schematische Seitenansicht eines unter einer Tragfläche des
Trägerluftfahrzeugs angebrachten
unbemannten Flugkörpers
vor der Trennung vom Trägerluftfahrzeug;
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5 eine
Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
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DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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In 1 sind
schematisch die Rumpfunterseite 10 eines Trägerluftfahrzeugs 1 sowie
ein unbemannter Flugkörper 2 dargestellt.
Die Figur zeigt einen Zustand, in dem der Flugkörper 2 soeben auf
bekannte Weise vom Trägerluftfahrzeug 1 getrennt
und im Zeitpunkt der Trennung mittels zweier Ejektoren im Bereich
der Aufhängung
des Flugkörpers 2 vom Trägerluftfahrzeug 1 weg
gedrückt
worden ist. Die Kraftwirkung der Ejektoren ist durch die Pfeile
FE1 und FE2 symbolisch
dargestellt.
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Das
Luftfahrzeug 1 weist an der Rumpfseite 10 oder
an der Unterseite einer Tragfläche
einen Bombenpylon 12 auf, der an seiner Unterseite teilweise
offen ausgebildet und in diesem Bereich im Inneren des Bombenpylons 12 mit
zwei lösbaren
Halteeinrichtungen versehen ist, die im Tragflug mit zwei entsprechenden
Gegenhalteeinrichtungen, die aus einem oberen Tragelement des Flugkörpers 2 hervorstehen,
in Eingriff stehen und den Flugkörper 2 am
Luftfahrzeug 1 fixieren. Im Bereich der offenen Unterseite
des Bombenpylons 12 ist auch eine luftfahrzeugseitige elektrische
Steckverbindung vorgesehen, die mit einer Gegensteckverbindung an
der Oberseite 20 des Flugkörpers 2 mechanisch
und elektrisch verbunden ist.
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Der
Flugkörper 2 ist
mit einer in den Figuren nur schematisch dargestellten Avionik 30 versehen, die
unter anderem eine Flugregelungseinrichtung 32 sowie einen
Speicher 34 für
Flugbahndaten aufweist. Der Flugkörper 2 ist an seinem
Heck 22 mit vorzugsweise vier über den Umfang gleichmäßig voneinander
beabstandeten, schwenkbaren und von der Flugregelungseinrichtung 32 beaufschlagten
Steuerflächen 23, 24 versehen.
An der Oberseite 20 des Flugkörpers sind zwei seitlich ausschwenkbare
Tragflächen 25 angebracht,
die dem Flugkörper 1 verbesserte
Gleiteigenschaften verleihen. Die Tragflächen 25 sind im Tragflug
nicht ausgefahren, liegen auf der Oberseite 20 des Flugkörpers 2 und
stehen seitlich nicht oder nur unwesentlich über dessen Kontur hervor. Aufgrund
der nicht ausgefahrenen Tragflächen 25 ist
der Flugkörper 2 aerodynamisch
instabil. Er erhält
erst dann eine relevante aerodynamische Stabilität, vor allem um die Nick-Achse,
wenn die Tragflächen 25 ausgeschwenkt
sind.
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In 1 ist
die das Trägerluftfahrzeug 1 und den
unbemannten Flugkörper 2 anströmende Luft durch
eine Vielzahl paralleler horizontaler Pfeile dargestellt. Die Strömungsgeschwindigkeit
dieser Luft vor dem unbemannten Flugkörper entspricht der Geschwindigkeit
VR des Trägerluftfahrzeugs 1 im
Zeitpunkt der Trennung.
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Deutlich
wird in 1, dass der Flugkörper 2 im
Zeitpunkt des Release gegenüber
dem Trägerluftfahrzeug 1 einen
anbaubedingten negativen Anstellwinkel α1 einnimmt,
so dass der Abstand zwischen der Luftfahrzeugunterseite 10 und
der Oberseite 20 des unbemannten Flugkörpers 2 im Bereich
von dessen Nase 21 (in 1 links)
größer ist,
als im Bereich von dessen Heck 22. Die den Flugkörper 2 anströmende Luft
wird somit zwischen der Oberseite 20 des Flugkörpers 2 und
der Unterseite 10 des Trägerluftfahrzeugs 1 beschleunigt,
da sich der Strömungsraum
zwischen dem Flugkörper 2 und
dem Trägerluftfahrzeug 1 von
der Nase 21 des Flugkörpers 2 zu dessen
Heck 22 hin verengt. Die Strömungsgeschwindigkeit V2 oberhalb der Nase 21 des Flugkörpers 2 ist
hier gegenüber
der Anströmgeschwindigkeit
VR bereits beschleunigt. Die anströmende Luft wird
von der Nase 21 zum Heck 22 hin weiter beschleunigt
und erreicht dort die gegenüber
der Strömungsgeschwindigkeit
V2 höhere
Strömungsgeschwindigkeit
V3. Es gilt: V3 > V2 > VR.
Da der Flugkörper 2 an
seiner Unterseite 26 frei umströmt werden kann, entspricht
die Strömungsgeschwindigkeit
V1 an der Unterseite 26 des Flugkörpers 2,
die von der Nase 21 bis zum Heck 22 des Flugkörpers 2 im
Wesentlichen konstant bleibt, der Anströmgeschwindigkeit VR.
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Aus
dieser Umströmung
des unbemannten Flugkörpers 2 im
Zeitpunkt der Trennung vom Trägerluftfahrzeug 1 ergibt
sich, dass der statische Druck P2 oberhalb
der Nase 21 des Flugkörpers 2 größer ist,
als der statische Druck P3 an dessen Heck 22.
Da der statische Druck P1 an der Unterseite 26 des
Flugkörpers 2 über dessen
gesamte Länge
wegen der konstanten Strömungsgeschwindigkeit
V1 konstant ist, ergibt sich ein die Nase 21 nach
unten drehendes Nickmoment M1. Es gilt somit
für den
statischen Druck: P1 > P2 > P3.
Somit ist die Druckdifferenz zwischen P1 und
P3 größer, als
die Druckdifferenz zwischen P1 und P2; es gilt hier: (P1 – P3) > (P1 – P2). Das Nickmoment M1 ist
bestrebt, die Nase 21 des Flugkörpers 2 nach unten
zu drücken.
Hinzu kommt eine von dem auf die geneigte Oberseite 20 des
Flugkörpers
einwirkenden Staudruck der Strömung
hervorgerufene, nach unten gerichtete Staudruckkraft. Der Flugkörper 2 wird
somit im Augenblick des Release während seiner aufgrund der Schwerkraft
und der von den Ejektoren ausgeübten
Kräfte nach
unten gerichteten Fallbewegung in der Darstellung in 1 entgegen
dem Uhrzeigersinn gedreht.
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2 zeigt
dieselbe Anordnung des Flugkörpers 2 kurz
nach der Trennung vom Trägerluftfahrzeug 1,
wie sie in 1 dargestellt ist, jedoch nimmt
das Trägerluftfahrzeug 1 gemeinsam
mit dem Flugkörper 2 in
der in 2 dargestellten Fluglage einen steileren Anstellwinkel
ein, so dass der Flugkörper 2 unter
einem positiven Anstellwinkel α2 mit der Geschwindigkeit VR angeströmt wird.
Aus dieser Schräganströmung ergibt
sich eine zusätzliche
Auftriebskomponente durch den auf die Unterseite 26 des
Flugkörpers 2 einwirkenden
Staudruck. Resultierend ergibt sich ein Moment M2,
welches in der in 2 gezeigten Darstellung im Uhrzeigersinn
auf den Flugkörper 2 einwirkt
und bestrebt ist, die Nase 21 des Flugkörpers 2 nach oben
zu drücken.
Der Flugkörper 2 wird
sich bei der in 2 dargestellten Fluglage somit
nach dem Trennen vom Luftfahrzeug 1 beim nach unten Fallen
im Uhrzeigersinn drehen und die Nase nach oben aufstellen.
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3 zeigt
eine schematische Vorderansicht eines an einer Flügelwaffenstation 40 unter
einer Tragfläche 14 des
Trägerluftfahrzeugs 1 angebrachten
unbemannten Flugkörpers 2' vor der Trennung
vom Trägerluftfahrzeug 1.
Die Steuereinrichtungen (Ruder) 23', 23'', 24', 24'' nehmen eine neutrale Stellung
ein. Die Flügelwaffenstation 40 weist
einen Pylon 42 auf, an dem der Flugkörper 2' angebracht ist. Da sich die anströmende Luft
an der Wurzel 41 des Pylons 42 staut, ist der
statische Druck P33 oberhalb des Flugkörpers 2' größer als
der statische Druck P11 unterhalb des Flugkörpers 2'. Der Flugkörper 2' erfährt daher
eine Kraftwirkung nach unten. Bei den Staudrücken sind die Verhältnisse
nach dem Gesetz von Bernoulli umgekehrt.
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4 zeigt
eine schematische Seitenansicht des unter der Tragfläche 14 des
Trägerluftfahrzeugs 1 angebrachten
unbemannten Flugkörpers 2' vor der Trennung
vom Trägerluftfahrzeug 1.
Wegen der vorstehend beschriebenen Verhältnisse der statischen Drücke P11 und P33 und des
aufgrund der nach Vorne versetzten Anordnung des Flugkörpers 2' am Pylon 42 überwiegend
vor dem Schwerpunkt C des Flugkörpers 2' auf diesen
einwirkenden Drucks P33 erfährt der
Flugkörper
ein die Nase nach unten drückendes Nickmoment
M11, ein sogenanntes „Pitch-Down-Drehmoment”.
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Dieses
Pitch-Down-Drehmoment ist umso größer je höher die Geschwindigkeit (Mach-Zahl)
und je dichter Luft ist. Typischerweise nimmt es mit positiv ansteigenden
Anstellwinkel (Nase nach oben) des Flugkörpers ab, weil der Druckpunkt
(Angriffspunkt der resultierenden Luftkraft) zum Schwerpunkt C des Flugkörpers 2' hin wandert,
wodurch der wirkende Hebelarm immer kleiner wird und das resultierende Moment
M11 zu Null geht. Im Falle eines instabilen Flugkörpers ist
dann zunehmend unbestimmt, in welche Richtung er beim Abgang dreht.
Erwünscht
ist aus Sicherheitsgründen
immer eine Drehung mit der Nase nach unten. Bei einer Drehung mit
der Nase nach oben würde
der Flugkörper
an den Pylon schlagen.
-
Daher
wird für
das Trägerluftfahrzeug
als Bedingung für
den erlaubten Abwurf (operationelle Release-Envelope) der Anstellwinkel
des Trägerluftfahrzeugs 1 so
gewählt,
dass der Anstellwinkel des Flugkörpers 2' beim Abkoppeln
nicht größer als
+1° bis +2° ist. Der
Flugkörper
ist mit einem Nickwinkel-Offset von beispielsweise –3° an der Tragfläche 14 angebracht.
Der Anstellwinkel des Trägerluftfahrzeugs 1 ist
um so kleiner, je höher
die Geschwindigkeit ist, wodurch sich negative Flugkörper-Anstellwinkel ergeben
können,
was durch den zunehmend auf die Oberseite des Flugkörpers 2' wirkenden Staudruck die
Drehung des Flugkörpers
nach unten entsprechend verstärkt.
Positive Anstellwinkel bedeuten: die Nase weist nach oben. Negative
Anstellwinkel bedeuten: die Nase weist nach unten.
-
Sowohl
das in der Fluglage der 1 beziehungsweise der 3 und 4 auf
den Flugkörper 2 einwirkende
Pitch-Down-Moment M1, als auch das in der
Fluglage der 2 auf den Flugkörper 2 einwirkende
Pitch-Up-Moment M2 bringt den Flugkörper 2 in
eine instabile Fluglage (entweder mit der Nase nach unten, wie in 1 oder
mit der Nase nach oben, wie in 2), falls
nicht rechtzeitig Steuerungsmaßnahmen
des Flugkörpers 2 ausgeführt werden,
die dem entsprechenden Moment M1 oder M2 entgegenwirken.
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5 zeigt
ein besonders geeignetes Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens,
mittels welchem verhindert wird, dass der Flugkörper 2 eine der genannten
instabilen Fluglagen erreicht.
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Zunächst werden
im Schritt 100 die Seiten- und Höhenruder des Flugkörpers entriegelt,
einem kurzem Bewegungstest unterzogen und dann in eine neutrale
Stellung (Ruderwinkel = 0°)
gefahren, so dass die sie anströmende
Luft keine Kraft- und
Momentenwirkung auf den Flugkörper
unmittelbar vor dem Abkoppelvorgang ausüben kann.
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Dann
wird im Schritt 101 der Flugkörper 2 vom Trägerflugzeug 1 abgestoßen, was
die Trennung der elektrischen und mechanischen Verbindungen zwischen
dem Flugkörper
und dem Trägerluftfahrzeug
zur Folge hat. Ist die mechanische Trennung zwischen Flugkörper und
Trägerluftfahrzeug und/oder
die elektrische Trennung erfolgt, so wird dies durch Sensoren des
Flugkörpers 2 im
Schritt 102 festgestellt. In dem Zeitpunkt t0,
in welchem die erfolgte Trennung sensiert wird, wird ein Zeitzähler im
Bordcomputer des Flugkörpers 2 gestartet.
Der Zeitpunkt t0 ist in 5 auf
einem Zeitstrahl t dargestellt.
-
Im
Anschluss an den Schritt 102 erfolgt im Schritt 103 die
Aktivierung der Flugregelungseinrichtung 32 des Flugkörpers 2 derart,
dass die autonome Flugregelung des Flugkörpers zu einem Zeitpunkt tC einsetzt, der nicht später als 100 ms (Millisekunden) nach
dem Starten des Zeitzählers
zum Zeitpunkt t0 liegt.
-
Bevorzugt
wird dabei berücksichtigt,
dass eine geringfügige
Zeitverzögerung
bis zum Einsetzen der autonomen Flugregelung sinnvoll ist, um den
Vorgang des Abstoßens
des Flugkörpers 2 vom
Trägerluftfahrzeug 1 nicht
durch sofortiges Gegensteuern durch die Flugregelungseinrichtung 32 zu
behindern. Die autonome Flugregelung des Flugkörpers setzt daher frühestens
erst etwa 30 ms (t30) bis 50 ms (t50) nach dem Starten des Zeitzählers zum
Zeitpunkt t0 ein. Die automatische Flugregelung
setzt somit zum Zeitpunkt tC im Schritt 104 auf
der Grundlage einer Algorithmik ein, die den zunächst wirkenden Störmomenten
des Abwindfeldes entgegenregelt, um die Veränderung des Flugzustands des
Flugkörpers durch
das Abwindfeld zu minimieren. Typischerweise wird die Nickdrehrate
zu 0°/sec
geregelt, um dem Nickmoment entgegen zu wirken, die Querbeschleunigung
wird zu 0 m/sec2 (der Sensor befindet sich
in der Nase) ausgeregelt, um etwaige induzierte Drehungen um die
Gierachse zu eliminieren. Weiterhin ist eine Rollregelung aktiv,
die Veränderungen
des Rollwinkels des Flugkörpers
zu verhindern sucht. Diese spezifisch gegen die Wirkungen des Abwindfeldes
gerichtete Regelung wird typischerweise für ein bis zwei Sekunden nach
der Abkoppelung beibehalten.
-
Anschließend erfolgt üblicherweise
für 1,5 bis
2,5 Sekunden eine Flugzustandssteuerung, die das sichere, vertikale
Entfernen des Flugkörpers
vom Trägerflugzeug
gewährleistet
und die ein zu großes Durchsacken
des Flugkörpers
nach unten vermeidet, z. B. durch die Regelung der Vertikalgeschwindigkeit nach
einem vorgegebenen Sollprofil.
-
Schritt 104 kann
auch in zwei Teilschritten durchgeführt werden:
- – automatisches
Steuern des Flugkörpers
durch die Flugregelungseinrichtungen und die Steuerungseinrichtungen
des Flugkörpers
auf der Grundlage der Ausregelung von Flugzustandsveränderungen,
die durch das zwischen Flugkörper
und Trägerluftfahrzeug
herrschende Abwindfeld verursacht werden; und
- – automatisches
Steuern des Flugkörpers
durch die Flugregelungseinrichtungen und die Steuereinrichtungen
des Flugkörpers
auf der Grundlage von im Speicher des Flugkörpers gespeicherten Daten einer
Standard-Entfernungsprozedur.
-
In
einem darauf folgenden Schritt 105 erfolgt dann die Steuerung
des Flugkörpers
durch die Flugregelungseinrichtung 32 und die Steuereinrichtungen 23, 24 des
Flugkörpers
auf der Grundlage von im Speicher 34 des Flugkörpers 2 gespeicherten
Flugbahndaten einer aktuell zu fliegenden Mission.
-
Die
Zeitdifferenz ΔtC0 zwischen dem Zeitpunkt t0 der
Sensierung der Trennung und dem Zeitpunkt tC,
an dem die autonome Flugregelung des Flugkörpers einsetzt, nimmt mit zunehmender
Fluggeschwindigkeit VR des Trägerluftfahrzeugs
zum Zeitpunkt des Release ab. Die Zeitdifferenz MtC0 ist zudem
umso kürzer,
je niedriger die Flughöhe
HR zum Zeitpunkt des Release ist.
-
Die
Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das
lediglich der allgemeinen Erläuterung
des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen
annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen,
die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
-
Bezugszeichen
in den Ansprüchen,
der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren
Verständnis
der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
-
- 1
- Trägerluftfahrzeug
- 2
- Flugkörper
- 2'
- unbemannter
Flugkörper
- 10
- Rumpfunterseite
- 12
- Bombenpylon
- 14
- Trägerluftfahrzeugtragfläche
- 20
- Flugkörperoberseite
- 21
- Flugkörpernase
- 22
- Flugkörperheck
- 23
- Flugkörpersteuerfläche
- 24
- Flugkörpersteuerfläche
- 25
- Flugkörpertragflächen
- 26
- Flugkörperunterseite
- 30
- Avionik
- 32
- Flugregelungseinrichtung
- 40
- Flügelwaffenstation
- 42
- Pylon
- C
- Schwerpunkt
- HR
- Flughöhe
- M1, M2, M11
- Moment
- P1–P3
- Statischer
Druck
- P11, P33
- Statischer
Druck
- t0, tC, t30,
t50
- Zeitpunkt
- V1–V3
- Strömungsgeschwindigkeit
- VR
- Anströmgeschwindigkeit
- α2
- Anstellwinkel
- ΔtC0
- Zeitdifferenz