DE1092313B - Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung der Bahn eines ferngelenkten oder ferngesteuerten fliegenden Koerpers - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung der Bahn eines ferngelenkten oder ferngesteuerten fliegenden Körpers Die Erfindung verfolgt den Zweck, die Bahn eines ferngelenkten bewegten Körpers, dem aus Stabilisierungsgründen beim Start (Abschuß, Abwurf) oder während des Fluges ein Drall erteilt wird, durch stetig verlaufende Ruderausschläge zu beeinflussen, wobei die Dauer der Ruderausschläge mehrere Drallperioden des fliegenden Körpers umfaßt.
• Bei einer Rakete werden die etwa vorhandenen Unsvmmetrien der Zellenoberfläche oder der Schubkraftv erteilung um die Längsachse weniger Einfluß auf die Flugbahnrichtung ausüben, wenn die Rakete während des Fluges um ihre Längsachse rotiert. Bei solchen Raketen sind bekanntlich größere Fertigungstoleranzen zulässig, die zu einer Verringerung der Herstellungskosten führen. Andererseits hat eine drallstabilisierte Rakete den Nachteil, daß ihre Fernlenkung und Steuerung durch die Rotation der Flugzelle erschwert ist. Ähnliches gilt auch für Fallbomben, Geschosse oder sonstige fliegende Körper mit rotationssyrnmetrischeri Formen.
• Die drallstabilisierten bewegten Körper werden bekanntlich durch intermittierende Ruderausschläge gesteuert, wobei die Dauer der einzelnen Ruderausschläge immer kurz sein muß im Vergleich zur Dauer einer Drallperiode des bewegten Körpers. Zu diesem Zweck werden z. B. ein oder mehrere Spoiler verwendet, welche im Takt der Drallfrequenz aus der Oberfläche des bewegten Körpers austreten und in Zusammenwirkung mit dem vorbeifließenden Medium eine pulsierende Kraft zur Änderung der Bahn des Körpers hervorrufen.
• Bei rotationsstabilisierten Flugzellen (Raketen) mit Kreuzflügeln wird die Steuerwirkung beispielsweise durch vibrierende spoilerartige Ruder erzeugt. Die Vibrationsfrequenz der Ruder muß dabei der Drallfrequenz gleichgesetzt sein oder zur Drallfrequenz in einem ganzzahligen Verhältnis stehen. Ferner sind Steuerungen für drallstabilisierte Raketen bekannt, welche mit einer im gleichen Takt intermittierenden Auslenkung des axialen Raketenschubs oder mit pulsierendem Steuerschub quer zur Längsachse arbeiten. Mit der Phase der Vibrations- oder Pulsfrequenz der Steuermittel gegenüber der Drallfrequenz des Körpers werden dabei die Winkelkoordinaten der gewünschten Flugbahnänderung bestimmt.
• Es ist daher erstrebenswert, bei der Steuerung drallstabilisierter bewegter Körper ohne die im Takt der Drallfrequenz sich hin- und herbewegenden, vibrierenden oder schwenkenden Ruderorgane und Düsen bzw. pulsierenden Steuerschübe auszukommen.
• Durch die Erfindung ist ein drallstabilisierter bewegter Körper steuerbar, wenn man Ruder, Düse oder Steuerschub während mehrerer Drallperioden stetig wirken läßt und ihnen gleichzeitig einen gleich großen entgegengesetzten Drall relativ zum Körper um die Drallachse erteilt. Wenn also ein bewegter Körper z. B. einen Linksdrall von n Umdrehungen pro Zeiteinheit besitzt, läßt man Ruder, Düse oder Steuerschub mit n Umdrehungen pro Zeiteinheit relativ zum Körper um die gleiche Achse rechts rotieren. Unter diesen Bedingungen verbleibt das ausgeschlagene Ruder, die ausgelenkte Schubdüse oder der eingeschaltete Steuerschub in einer Ebene, die relativ zur Umgebung ruht, wodurch der zwingende Grund zum Intermittieren des Ruderausschlags, der Düsenauslenkung oder der Steuerschubeinschaltung im Takt der Drallfrequenz entfällt.
• Somit ist es also möglich, eine stetig verlaufende Kraft auf einen drallstabilisierten bewegten Körper zur Beeinflussung seiner Bahn (Bahnablenkkraft) zu erzeugen. Ein Beobachter, der diesen Körper von einer Bodenstation aus fernsteuert, kann mit der Richtung der Bahnablenkkraft die Richtung der Bahnänderung beeinflussen und mit dem Betrag der Bahnablenkkraft den Grad der Bahnkrümmung steuern. Für einen fiktiven Beobachter, der im bewegten Körper sitzt und mitrotiert, ist die Richtung der Bahnablenkkraft relativ zur Umgebung, mit der Phase zwischen der Rotation der Bahnablenkkraft relativ zum bewegten Körper bestimmbar.
• Die Bahnablenkkraft läßt sich auf verschiedene Weise erzeugen: mechanisch durch entgegengesetzt rotierende Ruderorgane, auf welche das vorbeifließende Medium eine Kraft ausübt; durch konusförmige entgegengesetzte Rotation oder Nutation der Schubdüse bzw. der Schubumlenkorgane, oder aber durch einen eigens zu diesem Zweck vorgesehenen entgegengesetzt rotierenden Schub quer zur Längsachse des Körpers. Die Erzeugung der Bahnablenkkraft kann durch verschiedene Maßnahmen im bewegten Körper selbst ,gesteuert werden, welche dem angewandten Fernlenksvstem jeweils angepaßt werden müssen.
• - In den Fig. 1 bis 4 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel mit verschiedenen Varianten für die Steuerung einer zielsuchenden drallstabilisierten Rakete mit kegelförmig rotierender Abtastung der Zielszene dargestellt.
• Zur Zielortung und daraus abgeleiteten Flugbahnregelung einer zielsuchenden Rakete dient gewöhnlich der Strahlungskontrast zwischen dem Ziel und dem Hintergrund. Die Strahlung kann das Ziel bzw. seine Umgebung selbst erzeugen, oder sie kann auch infolge der Reflexionen einer fremden Strahlung entstehen.
• Bei einer kegelförmig rotierenden Abtastung in schematischer Darstellung der Fig. 1 wird die Zielszene bekanntlich durch einen richtungsempfindlichen Empfänger 1 auf Strahlungskontraste kreisförmig abgesucht. Die Achse 2 der Empfangskeule, welche während der Abtastung um die Längsachse 3 der angedeuteten Raketenzelle 4 rotiert und mit ihr einen Winkel a bildet, beschreibt dabei vom Flugkörper aus gesehen einen Kreiskegel 5.
• Befindet sich ein strahlendes Ziel 6 nicht gerade auf der Mittelachse dieses Kreiskegels, so entsteht am Ausgang 7 des Empfängers 1 eine im Takt der Rotationsfrequenz col des Abtastvorganges pulsierende Spannung u1. Während einer Umdrehungsperiode des Empfängers erreicht die Spannung u1 bekanntlich dann ihren maximalen Wert, u1 Max, wenn die Achse 2 der Empfangskeule dem strahlenden Ziel 6 am nahesten zu liegen kommt.
• Bei einer drallstabilisierten Rakete mit zellenfester Empfangsoptik oder zellenfester Antenne 8 ist die Drallfrequenz co, der Rakete mit der Abtastkreisfrequenz coi identisch. Der Zeitverlauf der Ausgangsspannung (Fig.2a) kann annähernd mit der Gleichung Iisl = U1 cos coi t + A beschrieben werden, wobei U1 den maximalen Betrag der Wechselstromkomponente bedeutet, A die Gleichstromkomponente, z. B. Dunkelstrom eines Photoempfängers, während die Zeit t in einem Zeitpunkt der größtmöglichen Annäherung der Empfangsachse 2 zum Ziel 6 beginnen soll, wie durch die Stellungen des Zieles 6 angedeutet ist. Durch eine Siebung 9 (Fig.l) wird aus u1 eine reine Wechselspannung zig = cos ml t gewonnen (Fig. 2b).
• Zeitverlauf dieser Wechselspannung u2 stellt im vorliegenden Fall die Informationsquelle dar, welche zur Auslegung der vorgeschlagenen Steuerung zur Verfügung steht.
• Die Wechselspannung u2 wird in ein Drehfeld umgewandelt, das im vorliegenden Fall mit Kreisfrequenz CO3 = -a)1 relativ zur Raketenzelle in entgegengesetzter Richtung rotiert. Zur Umwandlung einer sinusförmigen Spannung in ein Drehfeld sind genügend Methoden bekannt. Nur als Beispiel wird hier die Anwendung einer um 90° verschobenen Hilfsphase gezeigt. In Fig.l wird dieser Vorgang mit einem 90°-Phasenschieber 11 angedeutet, dessen Ausgangsspannung u3 = U3 sin col t in Fig.2c phasengerecht zu sehen ist. Aus u2 und u3 wird dann z. B. mittels zweier um 90° räumlich versetzter schematisch dargestellter Wicklungen 12 und 13 ein magnetisches Kreisdrehfeld 0 zur Steuerung der gewünschten Bahnablenkkraft erzeugt. Die zeitliche Richtungsänderung des Drehfeldes 0 relativ zur Umgebung bleibt konstant, solange die Raketenlängsachse 3 und das Ziel 6 in gleicher Ebene wie bisher verbleiben, während sich der Betrag des Drehfeldes bei Zielannäherung vergrößern kann, insofern die Längsachse 3 das Ziel noch nicht berührt.
• In der vorstehend beschriebenen Anordnung befindet sich also das relativ zur Raketenzelle rotierende Drehfeld 0 während des Raketenfluges in der gleichen Ebene 14 (Fig. 3) wie die Längsachse 3 und das Ziel 6. Wenn die Steuerung der Rakete es erfordert, kann die Richtung des Drehfeldes z. B. durch eine gleichzeitige räumliche Verdrehung der Spulen 12 und 13 gegenüber der Richtung der Empfangsachse 2 auch in eine andere Ebene 15 (Fig. 3) verlegt werden, welche die erste Ebene 14, entlang der Längsachse 3 schneidet und mit ihr einen willkürlich voreingestellten Winkel ß bildet. Winkel fl kann auch während des Fluges durch geeignete Maßnahmen, z. B. durch eine Programmsteuerung, beeinflußt werden.
• Zur weiteren Illustration dieses Ausführungsbeispiels wird im Schema der Fig. 1, als Beispiel zur Erzeugung der Bahnablenkkraft, eine im Kugelgelenk 16 beweglich montierte Schubdüse 17 grob schematisch gezeigt, welche z. B. mittels Hebel 18 und Magnet 19 mit dem Drehfeld 0 synchron nutiert, wobei die Achse 20 der Schubdüse einen Kreiskegel 21 mit Kreisfrequenz (v4 = (o3 um die Längsachse 3, von der Rakete aus gesehen, beschreibt. Die ausgelenkte Achse 20 der Schubdüse verbleibt somit in der Ebene 14 bzw. 15 (Fig. 3). Winkel " der Schubdüsenauslenkung kann deshalb auch während mehrerer Drallperioden wenig Veränderung erfahren, und sein Zeitverlauf ähnelt dem Zeitverlauf des Drehfeldbetrags 10 I = f (t). Demzufolge hat auch die Bahnablenkkraft einen stetigen Zeitverlauf während mehrerer Drallperioden.
• An Stelle der vorstehend besprochenen schematischen Anordnung mit einem magnetischen Drehfeld 0 und dem Magneten 19 sind selbstverständlich auch verschiedene andere elektromechanische, -pneumatische oder -hydraulische Vorrichtungen zum Erzeugen und Steuern der Schubdüsennutation unter Beibehaltung der Grundbedingung: c)4 = -w1 denkbar, wobei col relativ zur Umgebung und o#)4 relativ zur Raketenzelle gerechnet wurden.
• An Stelle einer Schubdüsennutation könnte z. B. eine manschettenförmige Vorrichtung 22 zur Umlenkung des axialen Vorwärtsschubs verwendet werden (Fig.4a). Winkel y1 ist die Winkelablage der Manschettenachse 23 aus ihrer Normallage. Die konusförmige Rotationsfrequenz cv4 der Manschettenachse 23 relativ zur Raketenzelle ist gleich dem Betrag der Abtastkreisfrequenz col bei entgegengesetztem Drehungssinn. Als eine weitere Steuermöglichkeit wird in Fig. 4b ein ringförmiger Spoiler 24 z. B. am Heck der Rakete schematisch dargestellt, dessen Mittelpunkt 25 mit cv4 um die Längsachse rotiert. In Fig.4c wird ein mit (o4 konusförmig rotierendes Ruder 26, z. B. am Bug der Rakete, schematisch angedeutet. In Fig. 4 d ist eine Rakete mit einem manschettenförmigen Schubablenkorgan und einem ebenfalls mit c)4 rotierenden Seitenschub schematisch gezeigt, dessen Vektor p die Längsachse 3 nahe am Schwerpunkt kreuzt und zur Verringerung des Kurvenradius dient.
• Das bisherige Ausführungsbeispiel und seine Varianten galten einer rotationsstabilisierten Suchkopfrakete mit zellenfester Empfangsoptik bzw. Antenne. Bei der langsam rotierenden Suchkopfrakete mit konusförmiger Abtastung ist es jedoch aus fernlenktechnischen Gründen erforderlich, die Antenne oder Optik schneller rotieren zu lassen als die Raketenzelle selbst. In einem solchen Fall wird man Ruder, Düse oder Steuerschub nicht mehr relativ zur Zelle mit o-)4 rotieren lassen, sondern relativ zur Antenne oder Optik, wobei die Bedingung (o4 = -(0i erhalten bleibt. Hier besteht die Möglichkeit, ebenfalls mit einem Empfangskanal auszukommen, indem man den Empfangsverstärker, Drehfeldgeber und Optik als Steuerkopf 27 ausbildet (Fig. 4e), welcher gleichzeitig als ein rotierendes Entenleitwerk die Steuerung der Rakete übernimmt. Bei Flugbahnänderung rotiert die Achse 28 des Steuerkopfes 27 mit (')4 konusförmig um die Längsachse 3 der Rakete 29. Winkel y3 ist die Winkelablage der Achse 28 des Steuerkopfes aus der Raketenachse 3 während des Steuervorganges. Die Rotation co, des Steuerkopfes um die Achse 28 kann z. B. mittels eines eingebauten Fliehkraftreglers und Verstellung des Anstellwinkels eines kleinen Kreuzleitwerks 30 geregelt werden.

Claims (14)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Beeinflussung der Bahn eines ferngelenkten oder ferngesteuerten bewegten Körpers, dem aus Stabilisierungsgründen beim Start oder während der Bewegung ein Drall erteilt wird, gekennzeichnet durch Anwendung der um die Drallachse entgegengesetzt rotierenden Steuerorgane zur Auslösung und Steuerung der Bahnablenkkraft, wobei die Beaufschlagung der Steuerorgane länger dauert als eine Drallperiode des Körpers und wobei die Rotationsfrequenz der Steuerorgane relativ zum Körper den gleichen Betrag hat wie die Drallfrequenz des Körpers.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Phasenwinkel zwischen der Rotationsfrequenz der Steuerorgane und der Drallfrequenz des Körpers die Richtung der Bahnablenkkraft beeinflußt wird.
3. 3. Verfahren nach bisherigen Ansprüchen, gekennzeichnet durch konusartig um die Drallachse rotierende oder nutierende und rotationssymmetrisch ringförmig ausgebildete Ruder, deren Auslenkung aus der Drallachse steuerbar ist, wobei die Bahnablenkkraft in Zusammenwirkung mit dem vorbeifließenden Medium erzeugt wird.
4. 4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch Anwendung einer konusartig um die Drallachse rotierenden Schubdüse mit steuerbarer Ablage aus der Längsachse des bewegten Körpers.
5. 5. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei zellenfest montierter Schubdüse (Schubdüsen) die Bahnablenkkraft durch ein rotierendes oder nutierendes Schubablenkorgan (-organe) gesteuert wird.
6. 6. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nahe am Schwerpunkt des Körpers zur Verstärkung der Bahnablenkkraft eine rotierende Schubkraft verwendet wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Verwendung einer im bewegten Körper eingebauten zielsuchenden Fernlenkvorrichtung mit konusförmig rotierender Zielabtastung. B.
8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Umwandlung der Wechselspannung, die während der Zielabtastung im Empfänger entsteht, in ein Drehfeld, welches relativ zur Empfangsoptik oder zur Empfangsantenne in entgegengesetzter Richtung zur Bewegung des Zielabtastvorganges rotiert.
9. 9. Verfahren nach Ansprüchen 7 und 8, gekennzeichnet durch Verwendung einer körperfesten Antenne oder Optik.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, gekennzeichnet durch Anwendung eines Ruderorgans am Bug der Rakete, welches während seiner Beaufschlagung konusförmig um die Längsachse der Rakete rotiert oder nutiert und dessen Länge oder Winkelablage aus der Längsachse veränderbar ist.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Raketenoptik bzw. Antenne zusammen mit dem Empfänger, Verstärker und Drehfeldgeber schneller rotiert als die Raketenzelle.
12. 12. Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie den Bugteil der Rakete bildet (Fig. 4e) und daß der Bugteil z. B. durch ein Kardangelenk mit dem übrigen Raketenkörper verbunden ist und sowohl um die Längsachse der Rakete als auch um die eigene Achse rotieren kann, wobei die Achse des Bugteils bei Beaufschlagung der Steuervorrichtung einen Kreiskonus um die Längsachse der Rakete beschreibt.
13. 13. Steuervorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine eingebaute Empfangsoptik, eine eingebaute Antenne mit Empfänger, wobei die Empfangsoptik oder die Antenne mit Empfänger mit der Steuervorrichtung gemeinsam um dieselbe Achse rotieren.
14. 14. Steuervorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein kleines Leitwerk zur Erzeugung der Rotation um die eigene Achse und durch einen eingebauten Fliehkraftregler, welcher den Anstellwinkel des Leitwerks steuert und somit die Abtastfrequenz regelt.