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Um bei der Richtungssteuerung von mit Rückstoßdüsen angetriebenen
Luft- oder Raumfahrzeugen die Schwierigkeiten zu vermeiden, die sich bei Verwendung
beweglicher Düsenelemente in bezug auf die Ausbildung der Lager und deren Abdichtung
ergeben, sind Ablenkeinrichtungen bekanntgeworden, bei denen in der Rückstoßdüse
besondere Ablenkdüsen vorgesehen sind, die über eine Steuereinrichtung in gegenseitig
veränderbarer Weise mit einem Ablenkströmungsmittel beschickbar sind. Je nach der
Einstellung der Steuereinrichtung wird der Schubstrahl von den Ablenkstrahlen in
die eine oder die andere Richtung abgelenkt. Ferner können noch zusätzliche Hilfsmittel
vorgesehen sein, um die Ablenkung zu unterstützen, beispielsweise in den Schubstrahl
eintauchbare Hindernisse oder Leitwände. Die Steuereinrichtung enthält üblicherweise
ein Ventil, mit dem die Intensität der Ablenkstrahlen nach Wunsch veränderbar ist.
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Bei derartigen Ablenkeinrichtungen herrscht gewöhnlich an der Stelle,
wo die Ablenkdüsen münden, im Schubstrahl ein verhältnismäßig niedriger Druck, der
beispielsweise nur wenig vom Atmosphärendruck verschieden ist. Unter diesen Umständen
istes zweckmäßig, die Ablenkstrahlen ebenfalls mit verhältnismäßig geringem Druck
in den Schubstrahl einzuführen; die zur Ablenkung erforderliche Bewegungsenergie
wird durch Menge und Geschwindigkeit des Ablenkströmungsmittels bestimmt. Die Ablenkstrahlen
können Schall- oder besser überschallgeschwindigkeit haben und sollen ebenso wie
der Schubstrahl heiß sein. Aus diesem Grund verwendet man bei bekannten Ablenkeinrichtungen
heiße Verbrennungsgase als Ablenkströmungsmittel, die aus einer Brennkammer entnommen
werden; dabei kann es sich beispielsweise um die Häuptbrennkammer eines Triebwerks
oder um eine besondere Brennkammer zur Aufheizung des Ablenkströmungsmittels handeln.
Das Ablenkströmungsmittel kann auch aus getrennten Vorratsbehältern entnommen werden.
Besonders dann, wenn als Ablenkströmungsmittel ein Teil eines zur Bildung des Schubstrahls
dienenden heißen Strömungsmittels verwendet wird, ergeben sich große Schwierigkeiten
in der Steuereinrichtung, die dann zwangläufig dieses heiße Ablenkströmungsmittel
verarbeiten muß. Bei der Verwendung von mechanischen, mit bewegten Teilen arbeitenden
Ventilen ergibt sich eine nur unbefriedigende Lebensdauer infolge der starken Korrosion
durch das heiße und mit hoher Geschwindigkeit strömende Ablenkströmungsmittel.
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Es sind jedoch aus dem Stand der Technik strömungsgesteuerte Ventile
bekannt, bei denen mechanisch bewegte Teile nicht vorkommen. Derartige strömungsgesteuerte
Ventile enthalten üblicherweise eine Ventilkammer, einen in diese mündenden Eingang
für ein Primärströmungsmittel, eine dem Eingang gegenüberliegende, zu zwei Ausgängen
führende Ventilkammerverzweigung und zwei Steuereingänge für ein Steuerfluid, die
beiderseits des Strömungsweges zwischen dem Eingang und der Verzweigung in die Ventilkammer
münden. Je nach der Einstellung der den Steuereingängen zugeführten Mengen an Steuerfluid
kann der über den Eingang eintretende Primärstrahl mehr in den einen oder mehr in
den anderen Ausgang abgelenkt werden. Es ist auch schon der Einsatz solcher strömungsgesteuerter
Ventile bei Luft- oder Raumfahrzeugen vorgeschlagen worden. Verwendet man ein derartiges
strömungsgesteuertes Ventil als Steuereinrichtung für die eingangs beschriebene
Ablenkeinrichtung, so ergibt sich auch bei Verwendung eines heißen und mit hoher
Geschwindigkeit strömenden Ablenkströmungsmittels eine befriedigende Arbeitsweise
und Lebensdauer der Steuereinrichtung, da keine korrosionsempfindlichen mechanisch
bewegten Teile vorhanden sind.
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Bei einer derartigen Anordnung ergeben sich jedoch andere Schwierigkeiten.
Wenn bei Verwendung eines strömungsgesteuerten Ventils in der Steuereinrichtung
dieses Ventil so eingestellt ist, daß das durch das Ventil hindurchgehende Ablenkströmungsmittel
praktisch vollständig durch den einen Ausgang des Ventils zu der daran angeschlossenen
Ablenkdüse strömt, stellt sich in. dem anderen Ventilausgang, der mit der anderen
Ablenkdüse verbunden ist, naturgemäß der Druck ein, der an der Stelle der Rückstoßdüse
herrscht, wo diese zweite Ablenkdüse mündet. Wie eingangs ausgeführt, ist dieser
Druck normalerweise gering und liegt z. B. in der Nähe des Atmosphärendrucks. Damit
nun durch diesen niedrigen Druck im nicht durchströmten Ausgang des strömungsgesteuerten
Ventils keine Störungen der Ventilfunktion hervorgerufen werden, ist es erforderlich,
den Druck in der Ventilkammer ebenfalls niedrig und etwa gleich dem Druck zu halten,
der in der Rückstoßdüse im Mündungsbereich der Ablenkdüse herrscht. Diese Forderung
ist vorzugsweise dann erfüllt, wenn das Ablenkströmungsmittel innerhalb der Ventilkammer
des strömungsgesteuerten Ventils im Schall- oder Überschallbereich strömt. Dies
hat andererseits jedoch den Nachteil, daß in den Verbindungsleitungen zwischen den
Ausgängen des strömungsgesteuerten Ventils und den Ablenkdüsen große Verluste auftreten,
und ähnliches gilt auch für die Zuleitung des Ablenkströmungsmittels zum Eingang
des strömungsgesteuerten Ventils. Diese Schwierigkeit scheint gegen die Anwendung
von strömungsgesteuerten Ventilen in Steuereinrichtungen für Schubstrahl-Ablenkeinrichtungen
zu sprechen.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Ablenkeinrichtung für
den Schubstrahl einer Rückstoßdüse zu schaffen, bei der die weiter vorn beschriebenen
Nachteile bei Verwendung mechanisch bewegter Ventilteile vermieden sind und dennoch
die zuletzt beschriebenen Verluste bei Anwendung strömungsgesteuerter Ventile mit
notwendigerweise hohen Strömungsgeschwindigkeiten nicht auftreten.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dient nach der Erfindung eine Ablenkeinrichtung
für den Schubstrahl einer Rückstoßdüse eines Luft- oder Raumfahrzeuges, bei der
zwei in die Rückstoßdüse mündende, zur Bildung von Ablenkstrahlen dienende Ablenkdüsen
über eine Steuereinrichtung in gegenseitig veränderbarer Weise mit einem zur Bildung
der Ablenkstrahlen dienenden Ablenkströmungsmittel beschickbar sind, wobei die Steuereinrichtung
ein strömungsgesteuertes Ventil enthält, das eine Ventilkammer, einen in diese mündenden
Eingang für das Ablenkströmungsmittel, eine dem Eingang gegenüberliegende, zu zwei
Ausgängen führende Ventilkammerverzweigung und zwei Steuereingänge für ein Steuerfluid,
die beiderseits des Strömungsweges zwischen dem Eingang und der Verzweigung in die
Ventilkammer münden, aufweist; diese Ablenkeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet,
daß in den Ausgängen je eine konvergent-divergente Düse vorgesehen ist,
daß
ein dem Eingang zugeführtes, innerhalb der Ventikammer im Schall oder überschallbereich
strömendes Ablenkströmungsmittel in den an die Ausgänge angeschlossenen, zu den
Ablenkdüsen führenden Leitungen im Unterschallbereich strömt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ablenkeinrichtung sind somit die Vorteile,
die sich aus der Verwendung eines strömungsgesteuerten Ventils ergeben, voll vorhanden,
ohne daß untragbar hohe Verluste in den zu den Ablenkdüsen führenden Verbindungsleitungen
in Kauf genommen werden müßten. Es wird nämlich vor dem Eintritt in diese Leitungen
das Ablenkströmungsmittel auf verhältnismäßig niedrige Strömungsgeschwindigkeit
und verhältnismäßig hohen Druck eingestellt, so daß die Verluste entsprechend klein
werden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung können die Steuereingänge des
strömungsgesteuerten Ventils über ein Vorsteuerventil an eine Quelle verhältnismäßig
kalten Steuerfluids angeschlossen sein. Die Einspeisung des Steuerfluids in die
Ventilkammer erfolgt vorzugsweise mit Schall- oder überschallgeschwindigkeit.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß im Eingang des strömungsgesteuerten Ventils ebenfalls eine Düse vorgesehen ist,
die so ausgebildet ist, daß ein dem Eingang unter hohem Druck mit Unterschallgeschwindigkeit
zugeführtes Gas auf Schall- oder überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Durch
diese Maßnahme wird erreicht, daß man auch in der zum Eingang führenden Leitung
die Verluste entsprechend herabsetzt; ferner wird durch diese Maßnahme eine bessere
Anpassung an den normalerweise verhältnismäßig hohen Druck des dem Triebwerk oder
einem besonderen Vorratsbehälter entnommenen Ablenkströmungsmittels erzielt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet
durch mehrere in Kaskade geschaltete strömungsgesteuerte Ventile. Dadurch kann die
mit einem einzigen Ventil erzielbare Verstärkung entsprechend vervielfacht werden,
und es können alle Einzelventile der Kaskade mit Ausnahme des ersten Ventils mit
heißen Gasen arbeiten; nur dieses erste Einzelventil der Kaskade erhält kaltes Steuerfluid
über ein normales, beispielsweise elektromechanisch arbeitendes Vorsteuerventil.
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Vorzugsweise sind die Ablenkdüsen der Rückstoßdüsen so ausgebildet,
daß der von dem Ablenkströmungsmittel gebildete Ablenkstrahl mit Schall-oder überschallgeschwindigkeit
in den Schubstrahl eintritt.
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Im folgenden wird an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein strömungsgesteuertes Ventil in schematischem
Längsschnitt und F i g. 2 eine schematische Ansicht, teilweise im Schnitt, einer
Anordnung, die eine Anwendung des strömungsgesteuerten Ventils zur Ablenkung des
Schubstrahls einer Rakete veranschaulicht.
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Die F i g. 1 zeigt ein strömungsgesteuertes Ventil. Das Ablenkströmungsmittel
1 tritt über den Eingang 18 in eine Ventilkammer 2a ein. Aus zwei Steuereingängen
2 a kann ein Steuerfluid in Form zweier Hilfsstrahlen 3 a unter einem Winkel zugeführt
werden, der geeignet ist, eine Ablenkung des Ablenkströmungsmittels 1 hervorzurufen.
Ohne Hilfsstrahlen wird das Ablenkströmungsmittel 1 a gleichmäßig auf die zwei Ausgänge
4 a und 5 a aufgeteilt. Sobald eine kleine Strömungsmenge des Hilfsstrahls
in das Servoventil eintritt, wird der Hauptstrahl teilweise abgelenkt, so daß die
Strömungsmengen an den Ausgängen unterschiedlich werden. Je nachdem die Strömungsmenge
des Hilfstrahls sich vergrößert - z. B. von der linken Seite her -, vermindert sich
die Auslaßmenge an der linken Auslaßdüse 4 a fortschreitend, bis schließlich der
linke Auslaß 4 a vollständig unwirksam ist und Hauptstrahl und Hilfsstrahl allein
durch den rechten Ausgang 5 a austreten. Auf diese Art kann eine lineare
Arbeitsweise des strömungsgesteuerten Ventils erhalten werden.
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Es ist auch möglich, eine »Auf-Zu«-Steuerung zu verwenden; dabei wird
das ganze Ablenkströmungsmittel 1 a wahlweise in den einen oder den anderen Ausgang
geleitet, indem man die Hilfsstrahlen je. nach der gewünschten Verteilungsfolge
wechselt.
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Bei dem in F i g. 1 dargestellten strömungsgesteuerten Ventil hat
das Ablenkströmungsmittel in der Ablenkkammer 2 a Überschallgeschwindigkeit.
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Die Steuerung des strömungsgesteuerten Ventils kann durch kalte Hilfsstrahlen
bewirkt werden. Die kalten Gase sind z. B. in einem Hochdruckbehälter gespeichert.
Ihre Verteilung kann - nach den Erfordernissen des Steuersystems - durch ein elektromechanisches
Ventil bewerkstelligt werden, das seinerseits über eine elektrische Betätigungsvorrichtung
gesteuert wird.
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F i g. 2 veranschaulicht ein Anwendungsbeispiel des strömungsgesteuerten
Ventils nach F i g. 1 bei einer Ablenkeinrichtung für den Schubstrahl 6 einer Rakete.
Der durch die Rückstoßdüse 7 austretende Strahl 6 wird in bekannter Weise durch
Ablenkstrahlen 8 abgelenkt, deren Aufgabe es einerseits ist, die Düsenkammern 9
auf der einen Seite zu verschließen und andererseits den Druck, der dort herrscht,
zu verändern, wobei diese beiden Aufgaben in engem gegenseitigem Zusammenhang stehen.
Die Ablenkstrahlen 8 werden durch Ablenkdüsen 10 und 11 in einer in bezug auf den
Schubstrahl nach hinten geneigten Richtung in die Rückstoßdüse eingeleitet. Die
Ablenkstrahlen 8 liegen im Schall- oder vorzugsweise im Überschallgebiet.
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Die Ablenkdüsen werden von einem Vorratsbehälter 12 mit heißem Gas
über ein strömungsgesteuertes Ventil 13 der in F i g. 2 dargestellten Art gespeist;
dabei sind die Ausgänge 4 a und 5 a des strömungsgesteuerten Ventils
an die Ablenkdüsen angeschlossen. Die Steuereingänge 3a dieses Ventils 13
werden über zwei Rohrleitungen 15 und 16, deren Durchfluß durch ein elektromechanisches
Vorsteuerventi117 gesteuert wird, aus einem Vorratsbehälter 14 mit kaltem Steuerfluid
gespeist.
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Um der Ablenkung des Schubstrahls 6 einen Wert 0 zu geben, steuert
man mittels des Vorsteuerventils 17 die Durchflußmenge des kalten Steuerfluids in
den Rohrleitungen 15 und 16 derart, daß die von dem Steuerfluid gebildeten Hilfsstrahlen
in der Ventilkammer 2 a die Menge des vom Vorratsbehälter 12 herkommenden heißen
Ablenkströmungsmittels zwischen den Ausgangsleitungen 4 a und 5 a
des strömungsgesteuerten Ventils 13 aufteilen, und zwar in einem solchen Verhältnis,
daß die Ablenkstrahlen 8 so eingestellt werden, daß sich die gewünschte Ablenkung
0 ergibt.
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Man könnte auch, wie es bereits weiter oben angedeutet ist, das strömungsgesteuerte
Ventil 13
durch eine Kaskade derartiger Ventile ersetzen;
wobei die Ausgänge, wie z. B. 4 a und 5 a, der. einzelnen Ventile jeweils
das heiße Steuerfluid für die Steuereingänge 3 a des nächstfolgenden Ventils liefern.
Nur die Steuereingänge 3 a des ersten strömungsgesteuerten Ventils werden über das
elektromechanische Vorsteuerventi117 mit kaltem Steuerfluid gespeist. Der auf diese
Weise erhaltene Verstärkungseffekt erlaubt es, die in dem Behälter 14 beflÜdliche
notwendige Menge kalten Steuerfluids beträchtlich zu verringern.
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Wenn das Ablenkströmungsmittel für die Bildung der Ablenkstrahlen
in einem Behälter 12 enthalten ist oder aus der Rakete selbst entnommen wird, müssen
die Drücke sehr hoch sein, damit das Volumen und das Gewicht des Behälters so klein
wie möglich sein können bzw. um die Verwendung von heißen Strömungsmitteln des Raktentriebwerks
zu ermöglichen. Die Druckverhältnisse sind also sehr bedeutend.
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Die Wirkung des strömungsgesteuerten Ventils und insbesondere desjenigen
nach F i g.1 besteht in der strömungsmechanischen Einwirkung eines Strahls auf einen
anderen Strahl oder, genauer gesagt, in der gegenseitigen Einwirkung zweier Bewegungsgrößen,
nämlich der des Hauptstrahls l a und der des Hilfsstrahls 3 a.
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Um große Druckunterschiede zwischen der Ventilkammer 2 a und der Raketendüse
7 zu vermeiden, wird das aus dem Vorratsbehälter 12 entnommene Ablenkströmungsmittel
entspannt, indem man es im Ventileingang 18 durch eine Düse 19 (F i g. 1) leitet,
so daß man in dem strömungsgesteuerten Ventil eine bei hoher überschallgeschwindigkeit
liegende Strömung hat. Es ergäben sich jedoch große Verluste, wenn eine derartige
überschallströmung ohne Umformung in die zu den Ablenkdüsen 10,11 der Rakete führenden
Rohrleitungen 4 a, 5 a einträte. Es besteht also ein Interesse daran, die Ausströmgeschwindigkeit
möglichst zu verringern, und zu diesem Zweck wird die Strömung in den Ausgängen
des strömungsgesteuerten Ventils durch je eine konvergent-divergente Düse 20, 21
wieder verdichtet. Um eine beträchtliche Verminderung der Verluste und eine stabile
Arbeitsweise der Vorrichtung zu gewährleisten, muß man einen Verdichtungsstoß in
der Nähe und stromabwärts der zweiten Düse 20, 21 erhalten. Der Aufbau dieses Verdichtungsstoßes
ist dadurch sichergestellt, weil ohne Ablenkung der AusIaßquerschnitt doppelt so
groß ist wie der einer einzelnen Düse 20, 21, und die Strömung sich dann gleichmäßig
auf die beiden Ausgänge 4 a und 5 a, die jeweils eine konvergent-divergente
Düse 20, 21 besitzen, verzweigt.
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Auf Grund der Strömungsverzögerung durch den Verdichtungsstoß kann
man also die Rohrleitungen 4 a und 5 a mit notwendigen Krümmern und Absätzen
versehen, ohne daß merkliche Verluste entstehen. Vor dem Eintritt in die Ablenkdüsen
10 und 11 der Rückstoßdüse beschleunigt man wieder, um im Strahlbereich 8 zum Zweck
der Ablenkung des Schubstrahls 6 der Rakete einen Ablenkstrahl im Schall- oder überschallgebiet
zu erhalten. Selbstverständlich können in einer strömungsmechanischen Steuerkette,
in der mehrere strömungsgesteuerte Ventile in Kaskadenanordnung eingesetzt sind,
die verschiedenen strömungsgesteuerten Ventile sehr nahe beieinanderliegen. Die
konvergent-divergenten Düsen 20, 21 sind dann nur beim letzten strömungsgesteuerten
Ventil notwendig.