DE10347761A1

DE10347761A1 - Steuerung eines Geschosses durch Plasmaentladung

Info

Publication number: DE10347761A1
Application number: DE10347761A
Authority: DE
Inventors: Patrick Dr. Gnemmi; Michel Dr. Samirant; Romain Charon
Original assignee: DEUTSCH FRANZOESISCHES FORSCHUNGSINSTITUT SAINT LOUIS SAINT LOUIS CEDEX; Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Current assignee: DEUTSCH FRANZOESISCHES FORSCHUNGSINSTITUT SAINT LOUIS SAINT LOUIS CEDEX; Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-10-14
Publication date: 2004-05-06
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: US20050017124A1; CA2502081C; CA2502081A1; US7002126B2; DE10347761B4; EP1558890A1; WO2004036141A1; DE60318096T2; FR2846081A1; DE60318096D1; DE10347761A8; EP1558890B1; FR2846081B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Bereich der Vorrichtungen zur Lenkung bzw. Steuerung angetriebener oder nicht-angetriebener Projektile oder Flugkörper und betrifft ein Verfahren sowie eine dazu gehörende Vorrichtung zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, z. B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, das eine Spitze (4) hat, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger spitzem Ende aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass sie darin besteht, eine Plasmaentladung (6) in der Nähe besagten Endes und über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere den Bereich der Vorrichtungen zur Lenkung bzw. Steuerung angetriebener oder nicht-angetriebener Projektile oder Flugkörper, und betrifft ein Verfahren sowie eine dazu gehörende Vorrichtung zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, z.B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete.
Die Steuerung eines in der Atmosphäre fliegenden Körpers kann insbesondere durch das Ausfalten von tragenden Flächen oder z.B. durch die Auslösung einer pyrotechnischen Vorrichtung bewirkt werden.
Der Hauptnachteil der tragenden Flächen liegt in ihrer Ausfaltung begründet, da diese große Kräfte erfordert, die mit der Geschwindigkeit des Flugkörpers ansteigen, sowie in dem Widerstand der Vorrichtung bei den sehr hohen Drücken, die bei Überschallgeschwindigkeiten auftreten. Darüber hinaus erfordert diese Steuerungsart einen lange Reaktionszeit, die sehr nachteilig sein kann, wenn der Flugkörper durch Rotation stabilisiert wird.
Der Hauptnachteil der Steuerung eines Flugkörpers durch die Auslösung einer pyrotechnischen Vorrichtung ist, dass diese nur einmal erfolgen kann.
Ziel der Erfindung ist die Behebung dieser Nachteile, indem ein Verfahren zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, d.h. eines Projektils mit einer Geschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit, vorgeschlagen wird, das keinerlei bewegliche Teile enthält, und das so oft wie nötig angewendet werden kann.
Die angebotene Lösung ist ein Verfahren zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, z.B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete , mit einer Spitze, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger spitzem Ende aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Plasmaentladung in der Nähe besagten Endes und über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze erzeugt wird.
Nach einem besonderen Kennzeichen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Ablenkung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils in eine Richtung Y, z.B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, mit einer Spitze, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger spitzem Ende aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, dass eine Plasmaentladung in der Nähe besagten Endes und über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze und auf der Seite der Richtung Y erzeugt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, z.B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, mit einer Spitze, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger spitzem Ende aufweist, und dadurch gekennzeichnet ist, dass es über Mittel verfügt, die geeignet sind, eine Plasmaentladung in der Nähe besagten Endes und über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze zu erzeugen.
Nach einem besonderen Kennzeichen enthalten die Mittel, die geeignet sind, eine Plasmaentladung zu erzeugen, eine getriggerte Funkenstrecke, zwei Elektroden und einen Hochspannungsgenerator.
Gemäß einer anderen Besonderheit enthalten die besagten Mittel mindestens ein Paar Elektroden. In der Tat enthalten die besagten Mittel mindestens ein Paar Elektroden, wenn das Projektil rotiert, bzw. mehrere Paar Elektroden, wenn es nicht rotiert.
Weitere Vorteile und Besonderheiten sind in der Beschreibung besonderer Arten der Realisierung der Erfindung und aus den beigefügten Figuren ersichtlich:
1 zeigt eine schematische Zeichnung der von einem Überschallprojektil erzeugten Stoßwellen.
2 zeigt das Ergebnis einer numerischen Simulation des selben Flugkörpers, der sich unter den gleichen Bedingungen des Überschallflugs wie vorher bewegt, und auf den eine Plasmaentladung angewandt wird.
3 zeigt die Unsymmetrie der Dichteverteilung der umgebenden Luft auf der Hälfte der Projektiloberfläche und in der Symmetrieebene der Strömung für das gewählte Beispiel
4 zeigt ein Schema einer Vorrichtung nach einer Realisierungsart der Erfindung.
5 zeigt ein Beispiel für die Implantierung von vier Elektrodenpaaren, die π/2 Radiant voneinander entfernt angeordnet sind.
Bei einem Hochgeschwindigkeits-Flugkörper bildet sich eine Stoßwelle stromaufwärts von seiner Spitze. Wenn der Flugkörper auf einer geradlinigen Flugbahn fliegt, sind die auf seiner Oberfläche verteilten Drücke ausgewogen und die Stoßwelle weist Symmetrien gemäß der Form des Flugkörpers auf. Bei einem Projektil, das eine kegelförmige Spitze hat, liegt die Welle an der Kegelspitze an und hat ebenfalls die Form eines Kegels.
1 zeigt das Ergebnis einer numerischen Simulation eines Flugkörpers bei Überschallgeschwindigkeit in Richtung des Pfeils. Sie zeigt vollständig einen Flugkörper 1 und die Hälfte von zwei anderen Flächen 2 und 3. Der Flugkörper hat einen vorderen kegelförmigen Teil 4 und einen hinteren zylindrischen Teil 5. Die beiden Flächen 2 und 3 zeigen einen konstanten Druck in der Strömung an. Die an der Spitze des Flugkörpers anliegende Fläche 2 stellt die Fläche der konischen Stoßwelle dar, wogegen die Fläche 3, die an der Diskontinuität der Oberfläche des Flugkörpers (Übergang Kegel-Zylinder) anliegt, eine Entspannungswelle charakterisiert.
Die auf ein solches Projektil angewandte Erfindung besteht darin, die Umströmung der Flugkörperspitze ins Ungleichgewicht zu bringen, indem eine Plasmaentladung in Richtung des Endes des vorderen Teils, möglichst nahe an der Spitze erzeugt wird, um dem Flugkörper einen Anstellwinkel zu verleihen. Die über einen beschränkten Winkelbereich durchgeführte Plasmaentladung ändert die Grenzschicht, welche die Flugkörperoberfläche umgibt. Das Ziel besteht also darin, eine Entladung zu erzeugen, so dass das Ungleichgewicht der thermodynamischen Größen ausreichend groß wird, um die Ablenkung des Flugkörpers von seiner geradlinigen Flugbahn zu bewirken.
Die wichtigsten Vorteile dieser Technik sind das Fehlen beweglicher Teile und die Wiederholbarkeit der Entladungen. Die Steuerung des Flugkörpers auf seiner Flugbahn kann nämlich durch aufeinander folgende Entladungen, die beliebig in Abhängigkeit von der gewünschten Flugbahn ausgelöst werden können, durchgeführt werden.
2 zeigt das Ergebnis einer numerischen Simulation des selben Flugkörpers, der sich unter den gleichen Bedingungen des Überschallflugs wie vorher bewegt, und auf den eine Plasmaentladung nahe an der Spitze angewandt wird. Jede der beiden Flächen 7, 3, die dort dargestellt sind, kennzeichnet einen konstanten Druck in der Strömung.
Man stellt fest, dass an der Spitze des Flugkörpers 1 die Stoßwelle 7 unter der Einwirkung der Plasmaentladung 6 abgelenkt wird.
3 zeigt die Unsymmetrie der Dichteverteilung der umgebenden Luft auf der Hälfte der Projektiloberfläche und in der Symmetrieebene der Strömung für das gewählte Beispiel Diese Dichte ist ungefähr konstant und gleich 1kg/m³ zwischen den Punkten A und B, die der Plasmaentladung 6 gegenüber oder stromabwärts, im Verhältnis zur Richtung Z des Projektils, liegen (Zone C), wogegen sie an der Außenhaut E des Projektils stromaufwärts von der Plasmaentladung 6 sehr gering ist (in der Größenordnung von 2,7·10^-2kg/m³). Dagegen ist sie am Punkt D auf der Höhe der Plasmaentladung 6 maximal, in der Größenordnung von 3 kg/m³.
4 zeigt ein Schema eines Teils einer Vorrichtung nach einer Realisierungsart der Erfindung. Dieser Teil enthält eine kegelförmige Spitze 4 eines Hypergeschwindigkeitsprojektils. Am äußeren Ende der Spitze ist eine Plasmaentladung 6 dargestellt.
Um das Projektil in eine Richtung Y abzulenken, die zu ihm senkrecht ist, wird eine Plasmaentladung 6 über einen begrenzten Abschnitt 8 der Außenfläche der Spitze und auf der Seite der Richtung Y erzeugt.
5 zeigt ein Beispiel für die Implantierung von vier Elektrodenpaaren, die π/2 Radiant voneinander entfernt in Nähe des Endes der Projektilnase angeordnet sind. Diese Elektroden sind mit einem Schaltkreis verbunden, der in der Lage ist, eine Energie zwischen den diese Paare bildenden Elektroden zu erzeugen, die ausreicht, um das Plasma zu zünden. Dieser Schaltkreis enthält eine Steuer-Vorrichtung 12, und einen Spannungsvervielfacher und -verteiler 11 mit Auslöser.
Somit steuert die Steuervorrichtung 12 über den Spannungsvervielfacher und -verteiler mit Auslöser 11 einerseits die Erzeugung der geeigneten Spannungsdifferenz und andererseits die Bereitstellung der an dem oder den Paaren, die in der gewünschten Ablenkungsrichtung liegen, erzeugten Spannung.
Der Luftwiderstand des Flugkörpers, die Steuerkraft und das Steuermoment können durch Berechnung ermittelt werden. Selbst im Falle kleiner Kräfte ist diese Vorrichtung interessant, da dadurch dass sie nahe an der Spitze des Flugkörpers wirkt, schon eine kleine Unsymmetrie der Strömung das Projektil destabilisiert und seine Steuerung ermöglicht. Die Benutzung der gleichen Vorrichtung oder einer anderen Vorrichtung nach der Erfindung, die an einem anderen Punkt des Projektils angebracht ist, kann dazu dienen, das Projektil wieder auf seiner Flugbahn zu stabilisieren.
Im Übrigen kann diese Vorrichtung mit Mitteln verbunden werden, mit denen sie gesteuert werden kann, wie z. B. einem GPS-System, ein System mit einem Suchkopf, ein System mit Fernsteuerung, oder irgend ein anderes System, das es erlaubt, die Rollwinkellage des Flugkörpers zu bestimmen.
Zum Beispiel: Bei einem Projektil im Kaliber 20 mm, das in Bodennähe unter normalen Bedingungen mit einer Machzahl von 3,2 fliegt, und dessen vorderer Teil aus einem Kegel mit 20 Grad Scheitelwinkel sowie einem zylindrischen Teil ohne tragende Flächen besteht, wird eine Plasmaentladung, deren Temperatur circa 15.0000K beträgt, über eine Oberfläche von 9 mm² in der Nähe der Projektilspitze ausgelöst; dies erfordert einen Impuls entsprechend dem Massendurchsatz einer explosionsfähigen Substanz von 15·10^-4 kg/s, was einer Leistung von circa 2 kVA entspricht. Die Entladungsdauer zwischen 2 und 4 ms entspricht einer elektrischen Energie in der Größenordnung von Zehn Joule.
Die Intensität der Entladung kann moduliert werden, indem die thermodynamischen Parameter wie z. B. die Temperatur in der Entladung und der entsprechende Impuls verändert werden.
Das Plasma wird durch Hochspannungs-Entladungen) erzeugt. Diese Entladungen) wird(werden) bewirkt durch einen Auslöser und Spannungsvervielfacher, der ausgehend von einem elektrischen oder optischen Signal mit niedrigem Pegel eine für die Zündung des Plasmas ausreichende Energie liefert. Das Konzept erlaubt die Optimierung der gespeicherten elektrischen Energie vor der Auslösung und liefert den für die Bedingungen der Plasmaentladung geeigneten Spannungsimpuls.
Die Auswirkung auf die aerodynamischen Effekte ist interessant. Die aerodynamischen Effekte werden zunächst durch numerische Simulation bewertet, für den Fall des nicht gesteuerten Projektils, das eine geradlinige Flugbahn ohne Anstellwinkel hat. Die aerodynamischen Beiwerte werden allein für den vorderen Teil des Projektils berechnet, der Nachlauf wird also nicht berücksichtigt.
Der Widerstandsbeiwert beträgt Cx = 0,1157. Der Auftriebsbeiwert Cz und der Momentbeiwert Cm, die an der Spitze des Projektils berechnet werden, sind natürlich gleich Null.
Die aerodynamischen Beiwerte werden nun für das Projektil bestimmt, das sich auf der geradlinigen Flugbahn ohne Anstellwinkel bewegt, und durch eine Plasmaentladung gesteuert wird, die unter den o.g. Bedingungen modelliert wird.
Der Widerstandsbeiwert beträgt Cx = 0,0949. Der Auftriebsbeiwert beträgt Cz = 0,0268, dies entspricht einer Kraft von 6 N in der Wirkrichtung der Entladung. Der an der Spitze des Projektils berechnete Momentbeiwert ist Cm = -0,0356, dies entspricht einem Moment von 0,1609 mN, das so orientiert ist, dass es die Wirkungen der Auftriebskraft begleitet.
Die Analyse der Ergebnisse dieser Simulation zeigt:

– eine Widerstandsverminderung des Projektils bei der Plasmaentladung von circa 18%, was sehr bedeutend ist;
– dass die Steuerungskraft in Richtung der Entladung wirkt;
– dass das Nickmoment vorteilhaft zur Steuerkraft beiträgt, um das Projektil manövrierfähig zu machen.

Selbstverständlich können zahlreiche Änderungen vorgenommen werden, ohne den Umfang der Endung zu verlassen. So kann die Form der Spitze beliebig sein, und muss nicht unbedingt rotationssymmetrisch sein.

Claims

Verfahren zur Ablenkung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils in eine Richtung Y, z.B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, das eine Spitze hat, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger spitzem Ende aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, dass eine Plasmaentladung über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze und auf der Seite der Richtung Y erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, dass eine Plasmaentladung in der Nähe besagten Endes über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze und auf der Seite der Richtung Y erzeugt wird.
Verfahren zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, z.B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, das eine Spitze hat, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger spitzem Ende aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, dass bei jeder Änderung der Flugbahn des Projektils Plasmaentladungen in der Nähe besagten Endes und über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze und auf der Seite der Richtung Y erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es darin besteht, bei jeder Änderung der Flugbahn des Projektils Plasmaentladungen in der Nähe besagten Endes und über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze zu erzeugen.
Vorrichtung zur Steuerung eines Hochgeschwindigkeitsprojektils, z.B. eines Geschosses, einer Kugel oder einer Rakete, das eine Spitze hat, die im Allgemeinen die Form eines Kegels mit mehr oder weniger spitzem Ende aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es über Mittel verfügt, die geeignet sind, eine Plasmaentladung in der Nähe besagten Endes und über einen begrenzten Abschnitt der Außenfläche der Spitze zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel, die geeignet sind, eine Plasmaentladung zu erzeugen, eine getriggerte Funkenstrecke, zwei Elektroden und einen Hochspannungsgenerator enthalten.
Vorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Mittel mindestens ein Paar Elektroden enthalten.