DE1935587A1 - Abschussvorrichtung mit Drallzuegen,insbesondere fuer selbstgetriebene Geschosse - Google Patents

Description

Messerschmitt-Bölkow Ottobrunn, 30. Juni I969

Gesellschaft mit BP 8]59

beschränkter Haftung · SXl Cz/st _iö<arce_ München I ϊί JOOo /

Abschußvorrichtung mit Drallzügen, insbesondere für selbstgetriebene Geschosse

Die Erfindung betrifft eine Abschußvorrichtung mit Drallzügen, insbesondere für selbstgetriebene Geschosse.

Bei solchen Geschossen, auch als Raketen bezeichnet, wird oft, um den Einfluß baubedingter Unsymmetrien auf deren Plugbahn weitgehend zu vermeiden, der Rakete auf ihrer Plugbahn ein geringer Drall in der Größenordnung von 10 Hz aufgezwungen. Hierzu 1st es bekannt, z.B. die Ab-'schußvorrichtung mit Drallzügen konstanten Neigungswinkels

009883/02A3

zu versehen, so daß beim Abschuß der Rakete diese, ähnlich einem gasgetriebenen GeSOhOe₁ beim Verlassen » der Abschußvorrichtung die gewünschte Rollfrequenz besitzt.

Wie die Erfahrung gezeigt hat, ist der Abschuß einer Rakete mit derartigen Abschußvorrichtungen problematisch. Im Gegensatz zu gasgetriebenen Geschossen greift die Rakete mit Führungsnocken oder mit ihrem eingeklappten Leitwerk in die vorgesehenen Drall züge ein, die nicht auch noch das Rohr abdichten, sondern lediglich der Führung der Rakete in den Drallzügen

" dienen. Über die Drallzüge wird die Rakete bei ihrer Beschleunigung zur Rotation gezwungen, wobei sie ein Drehmoment auf die Abschußvorrichtung ausübt, dessen Verlauf ungefähr proportional dem Schubverlauf der Rakete ist, d.h., das Drehmoment steigt anfangs sehr schnell an, knickt dann ab und bleibt im weiteren Verlauf über die gesamte Länge der Abschußvorrichtung ungefähr konstant. Einerseits wird dadurch die Belastung der Führungsnocken bzw. des eingeklappten Leitwerks der Rakete und der Drallzüge der Abschußvorrichtung anfangs so groß, daß die Führung der Rakete in den Drallzügen nicht, wie es wünschenswert ist, glatt verläuft, sondern - es treten sog· Rattermarken auf, die die Rakete zum Flattern bringen und deren Flugstabilität negativ beeinflussen.

Andererseits bewirkt die über die gesamte Länge der Abschußvorrichtung' hohe Drehmomentbelastung außerdem, daß die Abschußvorrichtung In Schwingungen versetzt wird. Besonders die Schwingungen der Abschußvorrichtung in Mündungsnähe beeinflussen die Treffgenauigkeit ungelenkter Raketen zu deren Nachteil, da die momentane Schußrichtung beim Austritt der Rakete aus der Abschußvorrichtung nicht mehr mit der Visierlinie Übereinstimmt^

009883/0243

nrafi. Auch beim Abschuß gelenkter Raketen, die z.B. mit achsenparallel zur Abschußvorrichtung angeordneten licht- und wärmeempfindlichen Ortungsgeräten auf ihrer Bahn verfolgt werden, kann die durch die Schwingung der Abschußvorrichtung bedingte Streuung der Rakete so groß sein, daß sie nicht in das Gesichtsfeld der Ortungsgeräte eintritt, so daß eine sog. halbautomatische Lenkung undurchführbar wird. Ferner tritt an der Mündung der Abschußvorrichtung noch ein weiterer Effekt auf:

Da die Rakete die Abschußvorrichtung mit einem großen Drehmoment verläßt, hat sie im Moment des Abgangs vom Werfer eine große Winkelbeschleunigung. In Verbindung mit dem durch die Schwerkraft bedingten Abkippen der Rakete wird die Winke!beschleunigung dazu führen, daß auf die Rakete senkrecht zu ihrer Flugrichtung eine Tangentialkraft wirkt, die die Rakete zu einer Präzession und Pendelung um die Flugrichtungsachse zwingt* Diese Präzession ist, da sie im Laufe des Fluges ständig integriert wird, weder bei ungelenkten Raketen erwünscht, da die Flugstäbilität und Treffgenauigkeit darunter leiden können, noch bei gelenkten Raketen, da die momentane Rollachse nicht mehr mit der Flugrichtung zusammenfällt. Dasber ein Steuersignal, das die Rakete lenken soll, immer auf die Stellung der momentanen Rollachse in bezug zu einer raumfesten Achse, beispielsweise der eines Kreisels, bezogen ist, wird eine Korrektur der Flugbahn der Rakete kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Abschußvorrichtungen der hier infrage stehenden Art zu verbessern durch Maßnahmen, die den Verlauf des Drallwinkels der Drallzüge derart beeinflussen, daß eine günstige Verteilung der Drehmomentbelastung der Abschußvorrichtung über deren gesamte Länge

09883/0243

erreicht wird, um die oben angeführten Nachteile zu beseitigen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Neigungswinkel der Drallzüge so ausgebildet ist, daß der Drehmomentverlauf über die Länge der Abschußvorrichtung der Funktion

M_r(t) - (A₊Bt). [t(T-t)J ² (I)-

folgt, wobei t die Zeitkoordinate und T die Verweil- W zeit des Geschosses in der Abschußvorrichtung während des Startvorganges ist, und A und B derart festgelegte Konstanten sind, daß das Geschoss die Abschußvorrichtung mit einer vorgegebenen Rollfrequenz verläßt, und das Drehmonientmaximum an der starrsten Stelle der Abschußvorrichtung, vorzugsweise an den Stützlagern auftritt.

Dadurch, daß das Maximum des Drehmoments durch entsprechende Dimensionierung der Konstanten A und B in weiten Bereichen über die Länge der Abschußvorrichtung variiert werden kann, wird in Verbindung mit dem . horizontalen Anstieg des Drehmoments und des Drallwinkels eine glatte Führung der Rakete in den Drallzügen gewährleistet. Einerseits werden dadurch zuverlässig die Rattermarken vermieden, so daß ein Flattern der Rakete im V/erfer nicht auftritt» andererseits werden die Drallzüge der Abschußvorrichtung und die FUhrungsnocken bzw. die eingeklappten Flügel der Rakete wesentlich geringer beansprucht, was eine längere Lebensdauer der Abschußvorrichtung zur Folge hat, bzw. eine Beschädigung der Flügel verhindert. Außerdem ist die Belastung der Drallzüge und der Abschußvorrichtung über den größten Teil der Länge der Abschußvorrichtung wesentlich geringer als das bei Abschußvorrichtungen der Fall ist, deren Drallzüge mit

009883/0243 - 5 -

konstantem Neigungswinkel verlaufen. Deshalb kann die Konstruktion der Abschußvorrichtung den auftretenden Belastungen besser angepaßt werden, was sich auf das Gewicht der Abschußvorrichtung und deren Handhabung günstig auswirkt.

Es ist zwar bei Abschußvorrichtungen für gasgetriebene, drallstabilisiert fliegende Geschosse bekannt, daß der Drallwinkel nicht konstant verläuft. So ist es z.B. aus der DRP 307 710 bekannt, daß der Drallwinkel anfangs konstant oder progressiv verläuft, aber kurz vor der Mündung derart abnimmt, daß die Drehbeschleunigung des Geschosses auf dieser Strecke Null wird. Damit wirkt beim Austritt des Geschosses aus der Kanone auf dieses keine Tangentialkraft senkrecht zur Flugrichtung, die in Verbindung mit dem durch die Schwerkraft bedingten Abkippen des Geschosses an der Mündung der Kanone zu einem Pendeln des Geschosses und in weiterer Folge zu einer schlechteren Schußpräzision führen könnte. Derartige bekannte zusammengesetzte Drallarten haben allerdings den Nachteil, daß der Drehmomentverlauf im allgemeinen nicht glatt verläuft, sondern Knicke oder auch Sprünge aufweist. Einerseits verhindern die an dieser Stelle auftretenden Stöße auf das Geschoß und das Rohr eine einwandfreie Führung des Geschosses in der Kanone, andererseits wird an diesen Stellen eine einwandfreie Gasdichtung des Rohres nicht gewährleistet, die aber für eine hohe Austrittsgeschwindigkeit des Geschosses aus dem Rohr notwendig ist. Außerdem werden an den Stellen, wo der Drehmomentverlauf Knicke oder Sprünge aufweist, die DrallzUge durch die auftretenden Stöße mechanisch derart beansprucht, daß die Lebensdauer des Rohres verringert wird.

Keine Knicke oder Sprünge im Drehmomentverlauf weisen

009883/0243

• - 6 -

Abschußvorrichtungen auf, deren Drallzüge nach dem sog· Oerll-' kon-Drall verlaufen (Oerlikon-Taschenbuch; ZUrlch-Oerlikon 1956). Der Oerlikon-Drall ist ein progressiverExponentialdrall mit einem Anfangswinkel von Null Grad, der in der Nähe der Mündung in einen konstanten Drall übergeht. Das Drehmoment« das von dem Geschoß auf die Abschußvorrichtung übertragen wird, verläuft zwar in diesem Fall glatt, weist also in seinem Verlauf keine Sprünge oder Knicke auf, so daß zwar die Lebensdauer der Abschußvorrichtung vergrößert ist, andererseits aber verläßt das Geschoß die Kanone nicht drehmomentfrei. Aller-. dings ist der Betrag dieses Drehmoments nicht sehr groß, da ™ sowohl die Winkelbeschleunigung eines Kanonengeschosses als auch die Drehmomentbelastung der Kanone an der Mündung wesentlich geringer ist, als das bei Raketenwerfern der Fall ist; die Beschleunigung eines gasgetriebenen Geschosses im Rohr einer Kanone steigt zwar sehr schnell an, fällt aber nach überschreiten des Maximums bereits wieder ab, während die Beschleunigung einer Rakete in der Abschußvorrichtung ständig zunimmt, oder nach einer gewissen Zeit wenigstens konstant bleibt·

Der Gedanke, den Neigungswinkel der Drallzüge nicht konstant zu halten, wie das bei den angeführten Abschußvorrichtungen für gasgetriebene Geschosse schon gehandhabt wird, hat jedoch bisher bei der Konstruktion von Abschußvorrichtungen für Raketen noch keinen Niederschlag gefunden. Alle bisher bekannten Abschußvorrichtungen für Raketen, die zur Erzeugung der Rotation der Rakete Drallzüge verwenden, sind mit Drallzügen konstanten Neigungswinkels versehen und weisen die oben angeführten Nachteile auf.

Die Erfindung 1st anhand eines Ausführungebeispiels in der Form eines Raketenwerfers in Verbindung mit den Figuren näher erläutert.

-7-

009883/0243

Ϊ935587

Im einzelnen zeigen:

Figur 1 einen Stützlager, Lafette und Führungsmittel umfassenden Teil eines Raketenwerfers;

Figur 2 einen Querschnitt des Abschußrohres mit einer darin befindlichen Rakete;

Figur 3 den Schubverlauf der Rakete; Figur 4 den Drallwinke!verlauf der Drallzüge und Figur 5 den Drehmomentverlauf·

Ein Raketenwerfer 1 einer hier nicht näher beschriebenen Bauart weist eine Lafette 2 auf, auf der ein Abschußrohr 5 mittels Spannringen k und Bolzen 5 befestigt ist. Das Abschuflrohr besitzt vier Drallzüge 6, die an der Innenseite des Rohrmantels 3 angeordnet sind» Der Raketenwerfer 1; im folgenden Werfer genannt, ist an der Stelle z». an den Stützlagern 7 drehbar gelagert. Der Werfer selbst, dessen Achse die z-Achse sein soll, hat die Länge L. Eine Rakete 3 der Masse m greift mit Führungsnocken 9 In die Drallzüge ein, deren Neigungswinkel gegen eine zur z-Achse parallele Mantellinie des Abschußrohres tf ist. Das Leitwerk 10 der Rakete 1st, wie an sich bekannt, während des Abschußvorgangs eingeklappt und mittels eines Halteringes eingeklappt gehalten·

Wird die Rakete Im Werfer in nicht näher beschriebener Welse gezündet, so entwickelt sie einen Schub S, dessen Verlauf in der Zeit in Figur 3 aufgetragen ist; er steigt in sehr guter Näherung linear mit der Zeit an, bis er nach der Zeit t„ einen konstanten Wert erreicht; beim Abschuß der Rakete wird der effektive Schub S*= S - mgsini? wirksam; hierin bedeutet g die Erdbeschleunigung und t/¹ den Elevationswinkel des Werfers. Die Raketenmasse ra 1st während des Startvorganges als konstant an-

-8-009883/0243

genommen. Die Rotation der Rakete 8 mit dem Ro11trägheitsmoment I_z bewirkt ein Drehmoment M und damit eine Normalenkraft N auf die Drallzüge. Ebenso tritt noch beim Abschuß zwischen PUhrungsnocken und Drallzügen eine Reibung auf, die durch den Reibungskoeffizienten jjl gekennzeichnet ist. Bezeichnet man mit R den Radius der Rakete mitsamt den PUhrungsnocken, so lauten die Bewegungsgleichungen der Rakete für den Startvorgang:

™5Ά * 5"- NcosxCHS* +A) (D

Der Dralltrinke 1 ψ wird dadurch bestimmt, daß in Gleichung (5) der Ausdruck für das Drehmoment eingesetzt wird, wie er in Gleichung (1) vorgegeben ist. Gleichung (3) erhält nach Ausmultiplizieren der rechten Seite die Form

wobei die Koeffizienten C Funktionen von A, B und T sind· Die Konstanten A und B sind dadurch bestimmt, daß das größte Drehmoment an der starrsten Stelle des Werfers, vorzugsweise in der Nähe der Stützlager 7 auftreten soll und daß die Rakete 8 den Werfer 1 mit der konstanten Winkelgeschwindigkeit «*y/<££ ^β 2r-f verlassen «oll.

über eine Integration der Gleichung (5) führt dies zu

—9— 009883/0243

Die Verweilzeit T der Rakete im Werfer während des Startvorgangs kann nun entweder empirisch festgelegt werden oder aus der Bewegungsgleichung (2) iterativ berechnet werden. Dazu wird die Lösung z(t) in eine Hauptlösung ζ (t) und Z₁(t) zerlegt, was in Anbetracht der Tatsache, daß in (2) das zweite Glied wenigstens eine Größenordnung kleiner ist als das erste, gerechtfertigt ist. Mit den Werten von A, B und T wird über eine Integration von (5) der gesuchte Drallwinkel ψ erhalten, der sich, wird r = t/T und B = - ßA gesetzt, zu

ergibt. Der gesamte Drallwinkel wird

* Z- ßT

Die rechnerische Bestimmung von T vereinfacht sich für den in der Praxis im allgemeinen erfüllten Fall, daß

a) die Werferelevation nicht wesentlich den Wert der Abgangsgeschwindigkeit der Rakete vom Werfer beeinflußt und

b) der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverlauf der Rakete unabhängig von der Art des Steigungsverlaufs der Züge ist, sofern dieser nur genügend klein ist.

PUr eine Rakete, die bei einem Gewicht von ca. 4oo kp ca. lo.ooo kp Schub entwickelt, zeigt eine Berechnung, daß alle unter a) und b) genannten Vorgänge annähernd nur vom Schub beeinflußt werden. Der Einfluß der Gravitation und der Reibung in den Drallzügen kann für die Berechnung von T ver-

009883/0243

- ίο -

nachlässigt werden. In diesem Fall wird T durch eine einfache ' Integration aus

gewonnen.

Mit Gleichung (9) ist es auch möglich, den Drallwinkel y wie er in Gleichung (7) gegeben ist, auf die Ortskoordinate ζ zu beziehen (vgl. insbesondere Figur 4). Da der Verlauf 12 des Drallwinkels "ψ ziemlich glatt ist und wenig von einem konstanten Verlauf IjJ der Drallzüge abweicht, sind die fertigungstechnischen Schwierigkeiten bei der Herstellung der Drallzüge nicht besonders groß.

Beim Abschuß einer Rakete ist die Drehmomentbelastung (s.Fig.5) des Werfers im Vergleich zu der eines Werfers mit konstantem Drallwinkelverlauf ungleich günstiger. Ist im letzten Fall die Drehmomentbelastung annähernd über die gesamte Länge des Werfers maximal, vgl. Kurve 14, so daß störende Schwingungen des Werfers auftreten, so ist bei einem Drallwinkelverlauf gemäß Gleichung (7) nur die Belastung an den Stützlagern groß, die aber etwaig auftretende Schwingungen zum wesentlichen Teil abfangen werden, vgl. Kurve 15.

Aus dem Vorstehenden 1st ersichtlich, daß bei einem Verlauf des Drallwinkels, wie ihn die Erfindung vorschlägt, zu jedem Zeitpunkt des Abschußvorganges eine glatte Führung der Rakete in den Drallzügen gewährleistet ist und Rattermarken zuverlässig vermieden werden. Ebenso werden die Schwingungen des Werfers auf ein Minimum reduziert, so daß die Treffgenauigkeit ungelenkter Raketen steigt und die Steuerung gelenkter Raketen zuverlässig möglich ist. Dadurch, daß die Drehmomentbelastung bekannt ist, kann auch die Konstruktion der Drallzüge bei gleichzeitigem Verringern des Werfergewichtes der auftretenden Belastung optimal angepaßt werden.

Patentanspruch:

009883/0243

Claims (1)

1. - li -

   Messerschmitt-Bölkow Ottobrunn, 30. Juni I969

   Gesellschaft mit BP 839

   beschränkter Haftung SXl Cz/st München

   Patentanspruch

   Abschußvorrichtung mit Drallzügen, insbesondere für selbetgetriebene Geschosse, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Drallzüge so ausgebildet ist, daß der Drehmomentverlauf Über die Länge der Abschußvorrichtung der Funktion

   folgt, wobei t die Zeitkoordinate und T die Verweilzeit des Geschosses In der AbschiaSvorrichtung während des Startvorganges ist, und A und B derart festgelegte Konstanten sind, daß das Geschoß die Abschußvorrichtung mit einer vorgegebenen Rollfrequenz verläßt, und das Drehmotnentmaximum an der starrsten Stelle der Abschußvorrichtung, vorzugsweise'an den Stützlagern auftritt«

   009883/0243