DE19635847C2 - Lenkflugkörper mit Staustrahlantrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lenkflugkörper mit Staustrahlantrieb, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei Flugkörpern mit Strahltriebwerken ist es aus aerodynamischen und kon­ struktiven Gründen oft so, daß der Zellenquerschnitt nicht oder nur unwesent­ lich größer ist, als der maximale Triebwerksquerschnitt. Somit ist es in der Regel schwierig, im Triebwerksbereich zusätzliche Funktionselemente in die Zelle zu integrieren. Werden außenluftunabhängige Raketentriebwerke als Antriebe verwendet, so weisen diese aufgrund ihrer hohen Betriebsdrücke in der Regel einen stark eingeschnürten Düsenhals, d. h. einen stark reduzierten Durchmesser im Bereich zwischen Brennkammer und Schubdüse, auf. Da dieser Bereich meist mit dem Leitwerksbereich des Flugkörpers zusammen­ fällt bietet es sich an, hier Ruderservos, Gestänge, Ruderlager etc. in die Zelle zu integrieren. Zum Teil ist die Brennkammer im Querschnitt kleiner als die Schubdüse, so daß sich zusätzliche Einbaumöglichkeiten ergeben. Aus guten Gründen, z. B. des Wirkungsgrades und der Reichweite, geht der Trend jedoch zunehmend zu luftatmenden Antrieben. Insbesondere für kleinere bis mittlere Flugkörper bieten sich aufgrund ihrer einfachen, robusten und preiswerten Konstruktion Staustrahltriebwerke an. Da diese aber mit relativ niedrigen Be­ triebsdrücken arbeiten, benötigen sie relativ große Strömungsquerschnitte, wobei der Düsenhals nur geringfügig eingezogen ist. Somit führt diese Trieb­ werksart leider zu extrem beengten Einbauverhältnissen für die Ruderkine­ matik. Die Zellenkontur unterliegt häufig auch Schnittstellenforderungen sei­ tens der Abschuß- bzw. Trägervorrichtungen, des Trägerflugzeuges selbst usw., insbesondere beim Ersatz existierender Flugkörper durch verbesserte Versionen, so daß auch örtlich begrenzte Querschnittserweiterungen oft nicht möglich sind.

Aus der DE 41 35 557 A1 ist eine Ruderstelleinrichtung für einen Flugkörper bekannt, bei welcher eine motorisch angetriebene Spindel mit Gewinde eine auf letzterem sitzende (verdrehgesicherte) Mutter axial bewegt. Ein fest mit dem Ruder bzw. dessen Welle verbundener Hebel ist schwenkbar mit der Mutter verbunden. Der Motor - samt Spindel und Mutter - ist um eine Pen­ delachse beweglich gelagert. Somit ergibt sich eine reibungsarme Kinematik mit reinen Schwenkbewegungen in allen Gelenken. Langlochführungen, Ku­ lissensteine etc. können entfallen. Bei starken Beschleunigungen quer zur Spindelachse wird die Spindel jedoch ungünstig auf Biegung belastet.

Die DE 34 41 533 A1 beschreibt eine Kopplungseinrichtung zwischen einem Linear-Stellglied und dem schwenkbar gelagerten Ruder eines Lenkgeschos­ ses. Mit dem Ruder ist ein gabelförmiger Schwenkarm mit konvexen Kon­ taktflächen fest verbunden. Der gabelförmige Bereich greift in einen Einstich eines rotationssymmetrischen Teiles, welches auf das Linear-Stellglied aufge­ schraubt und somit axial einstellbar ist. Infolge der Kontaktverhältnisse (Punktberührung/Linienberührung) und der Relativbewegungen (Gabel/Ein­ stich) ist diese Kopplung stark reibungsbehaftet.

Die EP 0 636 852 A1 betrifft eine mittels Canard-Rudern gesteuerte, kano­ nenverschießbare Artillerie-Rakete. Da der Raketendurchmesser annähernd dem Rohrkaliber entspricht, kommen im Heckbereich nur ausklappbare bzw. elastisch verformbare Leitflächen in Frage, welche in aller Regel nicht steuer­ bar sind und nur stabilisierend wirken. Im Bereich der Ogive (kleinerer Durchmesser) ist es möglich, steife, steuerbare Ruder mit fester Schwenkach­ se vorzusehen, wie hier vorgeschlagen, wobei aber auch deren Wirksamkeit begrenzt ist.

Es sind Flugkörper bekannt, bei welchen außenseitig auf die Zellenkontur auf­ gesetzte Lufteinläufe primär aus strömungstechnischen Gründen in Form von Nachlaufschächten bis zum Flugkörperheck verlängert sind. Diese Nachlauf­ schächte können, falls nicht anderweitig genutzt, für die Installation von Ele­ menten des Ruderantriebes verwendet werden.

Ausgehend von einer gattungsgemäßen Konfiguration mit vier radial angeord­ neten, separat schwenkbaren Rudern und mit zwei Nachlaufschächten im Be­ reich der beiden unteren Ruder besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Lenkflugkörper mit Staustrahlantrieb zu schaffen, dessen Ruderstellsystem bestmöglich in die Zelle integriert ist und auch bei extremen mechanischen und thermischen Bedingungen die vorgegebenen Anforderungen, z. B. hinsichtlich Stellgenauigkeit und Stellgeschwindigkeit, voll erfüllt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Kombination der Merkmale a) bis e) gelöst, in Verbindung mit den gattungsbildenden Merk­ malen in dessen Oberbegriff.

Die vier Antriebseinheiten mit linearer Stellbewegung für die vier Ruder sind örtlich konzentriert je paarweise in den beiden Nachlaufschächten angeordnet, wobei der doppelte Versatz - in Längs- und Umfangsrichtung des Flugkörpers - zusätzlich raumtechnische Vorteile bringt. Somit sind ausreichend große/starke Antriebe verwendbar, welche nicht in die Zelle selbst integriert werden müs­ sen.

Die kinematische Verbindung Antrieb-Ruder erfolgt über relativ einfache, sta­ bile und platzsparende Gestänge mit wenig Lagern und Gelenken, wobei an je­ dem Ruder ein definierter Gestängeanlenkpunkt vorgesehen ist.

Die Gestänge für die beiden unteren Ruder, bestehend aus je einer Koppel­ stange mit zwei Gelenken, sind - wie die Antriebseinheiten - auch vollständig in die Nachlaufschächte integriert.

Die Gestänge für die beiden oberen Ruder bestehen jeweils aus zwei gelenkig verbundenen Elementen, nämlich einem schwenkbar gelagerten Doppelhebel und einer Koppelstange mit räumlich beweglichen Gelenken. Sie führen aus den Nachlaufschächten heraus und sind bis hin zu den Rudern der räumlichen, i. w. zylindrischen Zellenkontur angepaßt.

In den Unteransprüchen 2 bis 8 sind bevorzugte Ausgestaltungen des Lenk­ flugkörpers nach dem Hauptanspruch gekennzeichnet,

Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren noch näher erläutert. Da­ bei zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Lenkflugkörpers,

Fig. 2 eine seitliche Teilansicht eines Flugkörperhecks in Achsrichtung ei­ nes unteren Ruders mit Einblick in einen Nachlaufschacht,

Fig. 3 eine vergleichbare Teilansicht in Achsrichtung eines oberen Ruders,

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Flugkörper im Bereich der Ruder mit Blickrichtung von hinten.

Fig. 1 zeigt einen Lenkflugkörper 1 mit Staustrahlantrieb in perspektivischer Ansicht mit Blickrichtung schräg von links vorne sowie von oben. Zur Ver­ deutlichung ist ein orthogonales Achsenkreuz eingezeichnet, bei welchem die Längsachse mit X, die Querachse mit Y und die Hochachse mit Z bezeichnet sind. Flugmechanisch gesehen wären dies die Rollachse (X), die Nickachse (Y) und die Gierachse (Z). Es ist zu erkennen, daß die Zelle 2 des Lenkflug­ körpers 1 eine weitgehend kreiszylindrische Form besitzt, wobei der Durch­ messer lokal etwas variiert. Zu erkennen sind auch die beiden im unteren Be­ reich von außen auf die Zelle 2 aufgesetzten Lufteinläufe 6, 7, welche in Form von Nachlaufschächten 8, 9 (hier nur 8 sichtbar) bis zum Flugkörperheck ver­ längert sind, was sowohl aerodynamische als auch konstruktive, insbesondere raumtechnische, Vorteile bringt. Für die aerodynamische Steuerung sind vier separat bewegliche Ruder 11 bis 14 (13 hier nicht sichtbar) in Form eines rechtwinkeligen Diagonalkreuzes angeordnet, so daß man von zwei oberen Rudern 11, 12 und zwei unteren Rudem 13, 14 sprechen kann. Im mittleren bis vorderen Flugkörperbereich ist eine mit dem Ruderkreuz fluchtende Flüge­ lanordnung 10 vorhanden, wobei die unteren Flügel nur noch als kurze Spitzen aus den Lufteinläufen 6, 7 hervorstehen und mehr der mechanischen Füh­ rung/Fixierung, z. B. in einer Startvorrichtung, als der Aerodynamik dienen.

Fig. 2 zeigt i. w. die Antriebskinematik des linken unteren Ruders 14 in Blick­ richtung von dessen Schwenkachse R2. Das rechte untere Ruder 13 sowie das linke obere Ruder 11 mit ihrer gemeinsamen Schwenkachse R1 sind - mit Bruchlinien zu den Außenbereichen hin - in Seitenansicht zu sehen, ebenso wie die horizontal angeordnete Zelle 2. Der Nachlaufschacht 8 ist graphisch aufge­ schnitten, so daß sein Inneres einsehbar ist. Am weitesten links, d. h. in Flug­ richtung vorne, befindet sich die Antriebseinheit 16 des Ruders 14, in Form eines bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotors mit Rollenspindeltrieb 18. Die Antriebseinheit 17 des Ruders 11 ist bezüglich der Einheit 16 sowohl in Längs­ richtung als auch in Umfangsrichtung des Lenkflugkörpers 1 vesetzt und liegt näher an der Ruderachsenebene (R1, R2). Das Ruder 14 weist - hier senkrecht unterhalb seiner Schwenkachse R2 - einen Gestängeanlenkpunkt A2 auf. Zwi­ schen diesem und der Mutter 20 des Rollenspindeltriebes 18 ist eine auf Zug und Druck belastbare Koppelstange 23 als kinematisches Verbindungsglied eingefügt. Diese weist gabelartige Gelenkenden 24, 25 auf, welche die Mutter 20 und den Ruderhebel umgreifen und mit diesen gelenkig verbunden sind. Da die Gelenkachsen G1, G2 und die Ruderschwenkachse R2 hier parallel sind, genügen Gelenke mit einem Freiheitsgrad, d. h. mit Schwenkbarkeit um eine Achse.

Fig. 3 zeigt i. w. die Antriebskinematik des linken oberen Ruders 11 in Blick­ richtung seiner Schwenkachse R1. Das linke untere Ruder 14 sowie das rechte obere Ruder 12 mit ihrer gemeinsamen Schwenkachse R2 sind - Bruchlinien zu den radial äußeren Bereichen hin - in Seitenansicht zu sehen, ebenso wie die horizontal angeordnete Zelle 2. Letztere ist im oberen Bildbereich aufgeschnit­ ten dargestellt, wobei auch der Strömungskanal des Triebwerkes im wandna­ hen Bereich zu sehen ist. Das Bezugszeichen 3 weist etwa in den Bereich des stromabwärtigen Staubreankammerendes, das Bezugszeichen 5 in den Bereich des Düsenhalses und das Bezugszeichen 4 in den Bereich der Schubdüse, ge­ nauer gesagt in deren Austrittsquerschnitt. Es ist zu erkennen, daß die äußere Zellenwand im Bereich des Düsenhalses 5 eine umlaufende Einschnürung auf­ weist, in welcher zumindest Teile der Ruderlagerung sowie des Rudergestän­ ges untergebracht sind. Das Innere des Nachlaufschachtes 8 ist wieder einseh­ bar dargestellt, jedoch aus einer gegenüber Fig. 2 um 90° verschiedenen Blick­ richtung. Links unten ist die Antriebseinheit 16 für das Ruder 14 im Teillängs­ schnitt zu sehen. Weiter rechts auf gleicher Höhe folgt die Antriebseinheit 17 des Ruders 11 - in Ansicht - mit ihrem Rollenspindeltrieb 19 einschließlich dessen Mutter 21. Der Gestängeanlenkpunkt des Ruders 11 ist mit A1 be­ zeichnet. Die Stellkraft- bzw. Stellbewegungsübertragung erfolgt von der Mut­ ter 21 auf den um eine feste Achse schwenkbaren Doppelhebel 26 und weiter über eine mit letzterem gelenkig verbundene Koppelstange 29 auf den Punkt A1. Da die Ruderschwenkachse R1 und die Schwenkachse des Doppelhebels 26 weder parallel sind, noch sich schneiden, ist die Koppelstange 29 mit zwei räumlich beweglichen Kugelgelenken versehen. Die kinematische Anordnung gleicht einem sogenannten Watts-Gestänge, wobei sich durch geometrische Anpassung (Längen, Winkel, Achslagen) eine nahezu vollständige Linearität zwischen der Ein- und der Ausgangsbewegung erreichen läßt.

Fig. 4 zeigt in Ergänzung zu Fig. 3 einen Querschnitt durch die Zelle 2 in der Schwenkachsebene (R1, R2) der Ruder 11 bis 14, wobei der Schnittverlauf bereichsweise dem Gestänge des linken oberen Ruders 11 folgt. Der rechte Nachlaufschacht 9 ist somit in der R1-R2-Ebene geschnitten, der linke Nach­ laufschacht 8 in einer weiter vorne liegenden Ebene im Bereich des Doppelhe­ bels 26 und der Mutter 21. Das Ruder 11 ist - wie das Ruder 12 - in einem spielfreien Lager 15, hier einem Vierpunkt-Rillenkugellager, um seine Schwenkachse drehbar geführt. Sein Gestängeanlenkpunkt A1 fällt zusammen mit dem Mittelpunkt M3 des Kugelgelenks 30, welches mit der Koppelstange 29 verbunden ist. Das doppelhebelseitige Kugelgelenk hat in dieser Ansicht die gleiche Mittelpunktslage M3 und ist nicht sichtbar. Man sieht jedoch im Schnitt den Doppelhebel 26, sein Schwenklager 28 mit Schwenkachse S sowie sein unteres, gegabeltes Ende 27. Letzteres umgreift die Mutter 21 des Rollen­ spindeltriebs 19 und ist gelenkig mit dieser verbunden. Die Mitte der Mutter 21 ist hier mit M1 bezeichnet. An der Mutter 21 sind Gelenkzapfen 22 befestigt, welche in Kulissensteinen drehbar gelagert sein sollen, wobei letztere in den beiden Schenkeln des gegabelten Endes 27 des Doppelhebels 26 begrenzt ver­ schiebbar geführt sein sollen. Dabei soll die Mutter 21 separat verdrehgesichert sein. Diese Kulissenführung ist erforderlich, um bei der gegebenen Kinematik - mit Übergang von Linearbewegung auf Schwenkbewegung - schädliche Zwangskräfte zu vermeiden. Im vorgegebenen Zeichnungsmaßstab ist eine Wiedergabe dieser Details mangels Erkennbarkeit jedoch nicht sinnvoll. Dem Fachmann ist die konstruktive Ausführung ohnehin geläufig.

Die durch die Gelenkzapfen 22 gegebene Gelenkachse ist mit G3 bezeichnet. Diese und die Schwenkachse S des Doppelhebels 26 liegen parallel, um Zwangskräfte und Verformungen im Gabelbereich zu vermeiden. Die Mittel­ punkte M1 bis M3 liegen auf einer Linie L, welche innerhalb oder etwa am Rand des Materialquerschnittes des Doppelhebels 26 verläuft. Der so erzielte Kraftfluß führt lediglich zu minimalen lokalen Torsionsbelastungen im Doppel­ hebel 26, was die Steifigkeit der Übertragungskinematik erhöht.

Dadurch, daß die Antriebseinheiten 16 für die unteren Ruder 13, 14 in deutlich größerem Abstand vor der Schwenkachsenebene R1-R2 liegen als die An­ triebseinheiten 17 der oberen Ruder 11, 12 läßt sich das Steifigkeitsverhalten der relativ langen und somit "weicheren" Koppelstangen 23 an die "Summen­ steifigkeit" der im einzelnen "härteren", kürzeren Elemente 26 und 29 anpas­ sen, was der Steuerpräzision der Ruderanordnung zugute kommt.

Die vom Ruder 12 bis in den Bereich des Ruders 14 verlaufende Grenzlinie B gibt die seitens des Startgerätes vorgegebene Kontur wieder, zu welcher die Flugkörperaußenkontur - mit Ausnahme des Ruders 11 - überall einen gewis­ sen Abstand einhalten muß, wovon eben auch das Rudergestänge zum Ruder 11 betroffen ist.

Claims (8)

1. Lenkflugkörper mit Staustrahlantrieb, insbesondere für militärische Einsätze, mit einem den Querschnitt seiner Zelle weitgehend bis vollständig ausfüllenden Triebwerk, mit zwei außenseitig auf die Zellenkontur aufgesetz­ ten Lufteinläufen im unteren Zellenbereich, welche mit Nachlaufschächten bis zum Flugkörperheck verlängert sind, mit einem Heckleitwerk aus vier ra­ dial, vorzugsweise in Form eines rechtwinkeligen Diagonalkreuzes, angeord­ neten, separat schwenkbaren Rudern, wobei die Schäfte der beiden unteren Ruder in das Innere der Nachlaufschächte führen, und mit einer starren Flüge­ lanordnung im mittleren bis vorderen Flugkörperbereich, gekennzeichnet durch die Kombination folgender, zum Teil bekannter Merkmale:

• a) Zu jedem Ruder (11 bis 14) ist eine. Antriebseinheit (16, 17) mit linearer Stellbewegung vorhanden,
• b) in jedem der beiden Nachlaufschächte (8, 9) sind zwei der vier Antriebs­ einheiten (16, 17) in Längs- und Umfangsrichtung des Lenkflugkörpers (1) zueinander versetzt mit längsorientierter Bewegungsrichtung ange­ ordnet,
• c) jedes Ruder (11 bis 14) weist einen zu seiner Schwenkachse (R1, R2) beabstandeten Gestängeanlenkpunkt (A1, A2) auf,
• d) die kinematische Verbindung von der jeweiligen Antriebseinheit (16) zum Gestängeanlenkpunkt (A2) jedes der beiden unteren Ruder (13, 14) bildet eine Koppelstange (23) mit je einem Schwenk- oder Kugelgelenk an beiden Enden (Gelenkende 24, 25),
• e) die kinematische Verbindung von der jeweiligen Antriebseinheit (17) zum Gestängeanlenkpunkt (A1) jedes der beiden oberen Ruder (11, 12) bilden ein um eine Achse (S) schwenkbarer Doppelhebel (26) und eine Koppelstange (29) mit je einem Kugelgelenk (30) an beiden Enden.

2. Lenkflugkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheiten (16, 17) als elektromechanische Motor-Getriebe-Einheiten ausgeführt sind, vorzugsweise als bürstenlose Gleichstrommotoren mit Rol­ lenspindeltrieben (18, 19).

3. Lenkflugkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Antriebseinheiten (16) für die unteren Ruder (13, 14) vor den beiden Antriebseinheiten (17) für die oberen Ruder (11, 12), d. h. in größerem Abstand vor der von den Ruderschwenkachsen (R1, R2) auf­ gespannten Ebene, angeordnet sind, und daß die Rudergestänge für die unte­ ren Ruder (13, 14) (je eine Koppelstange 23) hinsichtlich ihrer Steifigkeit, d. h. hinsichtlich ihrer Kraft-Verformungs-Charakteristik, an die Rudergestänge für die oberen Ruder (11, 12) (je ein Doppelhebel 26 und eine Koppelstange 29) angepaßt sind.

4. Lenkflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Koppelstangen (23) für die unteren Ruder (13, 14) mit ga­ belkopfartigen Gelenkenden (24, 25) mit parallelen Gelenkachsen (G1, G2) versehen sind.

5. Lenkflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Doppelhebel (26) der Gestänge für die oberen Ruder (11, 12) jeweils mit einem gegabelten Ende (27) die Mutter (21) eines Rollenspin­ deltriebes (19) umgreift und an der Mutter (21) befestigte Gelenkzapfen (22) in langlochförmigen Kulissen mit Kulissensteinen aufnimmt, wobei die Mut­ ter (21) selbst verdrehgesichert ist.

6. Lenkflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei jedem Doppelhebel (26) seine Schwenkachse (S) und die Gelenkachse (G3) durch die Mutter (21) des Rollenspindeltriebes (19), d. h. die Achse durch die Mitte der Gelenkzapfen (22), parallel stehen.

7. Lenkflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei jedem Doppelhebel (26) der Schnittpunkt (M1) der Gelenk­ achse (G3) durch die Mutter (21) des Rollenspindeltriebes (19) mit der Spin­ delachse des Rollenspindeltriebes (19), der radiale und axiale Mittelpunkt (M2) seines Schwenklagers (28) und der Mittelpunkt (M3) des koppelstan­ genseitigen Kugelgelenkes (30) auf einer Linie (L) liegen.

8. Lenkflugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest der Großteil der Schwenk- und Gelenklager (15, 28, 30) der Rudergestänge und Ruder (11 bis 14) als Wälzlager ausgeführt sind.