DE2128687B2

DE2128687B2 - Drallstabilisiertes Gerät

Info

Publication number: DE2128687B2
Application number: DE19712128687
Authority: DE
Inventors: Murray J Neufeld; Walter M Smotrys
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1970-07-06
Filing date: 1971-06-09
Publication date: 1974-04-04
Also published as: JPS5919880B1; FR2100261A5; GB1349907A; DE2128687C3; DE2128687A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein drallstabilisiertes Gerät mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Schubkräften, die auf den Schwerpunkt des Gerätes gerichtet sind.

Solche drallstabilisicrlen Geräte sind aus der britischen Patentschrift 1 025 74ü und der IJSA.-Patcntschrilt Re 26 KK7 bekannt. Diese Geräte weisen zwei Düsen auf. die nahe dem Umfang des Gerätes und längs des Umfangs um 40 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die eine Düse erzeugt eine parallel zur Drallachse gerichtete Kraft, während die andeje eine radial zur Drehachse gerichtete Kraft erzeugt, die in der durch den Schwerpunkt des Gerätes gehenden, zur Drallachse senkrecht stehenden Ebene liegt. Beide Düsen werden von einem gemeinsamen Ventil gesteuert, so daß sie stets beide gleichzeitig in Betrieb sind und mit unter dem gleichen Druck stehenden Gasen gespeist. Ditses bekannte System ermöglicht eine nur unvollkommene Steuerung der L,agc und der Bewegungsrichtung des Gerätes. Insbesondere ist es schwierig, dem Gerät einen Schub gewünschter Größe in Richtung der Drallachse zu erteilen, weil es dazu erforderlich ist. die Düsen während Zeilspannen arbeiten zu lassen, die ganze Vielfache der Rotationsperioden des Gerätes sind, damit keine i]in.r zur Drallachse gerichteten, resultierenden Kräfte entstehen, die eine unerwünschte seitliche Verlagerung des Gerätes hervorrufen. Weiterhin sind seitliche Verlagerungen mit Hilfe der radial gerichteten Düse stets mit der Einleitung von Präzessionsbevwgungen verknüpft, weil die axial gerichteten Kräfte auf das Gerät ein Kippmoment ausüben, wenn sie nicht während einer vollständigen Rotation des Gerätes wirken.

Demgegenüber liegt tier Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein drallstabiiisiertes Gerät zu schallen, dessen Lage und Geschwindigkeit nach Betrag und Richtung sehr fein geregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erlindung durch eine solche Anordnung der Einrichtung zur Erzeugung von Schubkräften gelöst, daß die Schubkräfte eine senkrecht zur Drallachse stehende Ebene unter einem Winkel schneiden, der größer als 0 und kleiner als 90 ist.

Diese Anordnung der Einrichtung zur Erzeugung von Schubkräften hat «Jen Vorteil, daß bei ihrem Betrieb auf das drallstabilisiertc Gerät keinerlei Kippmomente ausgeübt werden, die eine Einleitung von Präzcssions- odc Nutationshewegimgcn verursachen könnten. Weiterhin besteht hierdurch die Möglichkeit, die Einrichtungen zur Erzeugung von Schubkräften an Stellen des Gerätes anzuordnen, an denen sie nicht stören. Durch die Anordnung von mehreren, auf den Umfang des Gerätes verteilten Düsen ist es auch möglich, die Einrichtungen zur Erzeugung von Schubkräften so zu betreiben, daß die Schubkräfte eine nur in die gewünschte Bewegungsrichtung fallende Komponente haben. So sieht eine bevorzugte Alisführungsform der Erfindung vor, daß ein Paar auf den Schwerpunkt gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen vorhanden ist. die diametral zur Drallachse angeordnet sind, und daß eine Steuerung vorhanden ist. die wahlweise eine einzelne oder gemeinsame Betätigung dieser IZinrichluncen ermöglicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann außerdem ein Paar parallel zur Drallachsc gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen vorhanden sein, die diametral zur Drallachse angeordnet sind, und es kann ehe Steuerung vorhanden sein, die wahlweise eine einzelne cxler gemeinsame Betätigung auch dieser Einrichtungen ermöglich:. Die Steuerungen für das Paar au! den Schwerpunkt gerichtete

Schubkräfte erzeugende Einrichtungen und die Steuerungen für das Paar parallel zur Drallachse gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen können dann jin einer Hauptsteucreinrichluir· angeschlossen sein, die wahlweise eine einzelne oder gemeinsame Betätigung \on mehreren oder allen Einrichtungen zur Er-/eiii'inig von Schubkräften ermöglich;. Es ial.it sieh dann eine Vielzahl verschiedener Betriebsarten realisie:e:i. Jie auch einen akti\en Ausgleich von Präzesvion^- und Nulationsbewegungen des Gerätes »e- >t;:tieii. Hierfür können insbev.tndere Ungleichheiten lief Schubmomciite der Hinriehlungen eines Paares iui-geniitzt werden. Wenn solche Feinkorrekturen jileichzeitig mit einer translatorischen Korrektur in Relining der Drallachse ausgeführt werden, kann (1;;^;-. i Energie eingespart werden. Diese Möglichkeit is; ■. <n besonderer Bedeutung, wenn das Gerät einen <;,;; When bilde!, dessen Treibsinfivorra! bei;renz( ist. Wei'i" solche Feinkorrekturen nicht erforderlich sind.

:γ:ϊ die Schubdiffcrcnz. die unerwünschte Nutationsiv-.-eeungcn des Gerätes hervorrufen würde, leicht di :.:-, die Verwendung üblicher Nulationsdänipfer in >,..::.-er Zeit gedämpft werden, weil ein solches Un- :U , .hgewicht nur ein sehr geringes Differenzmoment ,'! ί nlge hat.

!¹Il Erfindung wird im folgenden an Hand des in Λ.'■ Zeichnung dargestellten Ausi'ühi ungsbeispicls n.-'i:er beschrieben und erläutert. Fs zeigt

■ ig I eine schcmatische Ansicht eines drallsiabilis;.'!en derates nach der Erfindung.

F ι g. 2 eine Draufsicht auf die Endfläche des drall- -i.ibilisiertcn Gerätes nach Fig. I und

1" i ti. 3 eine schcmatische Darstellung der Steuer- <.·!!■! ichtung für die beiden Paare Schubkräfte erzeugende Hinrichtungen des Gerätes nach den Fin. I uiid 2.

Das in der Zeichnung dargestellte Gerät weist einen drallsiabilisiertcn Körper 10 auf. beispielsweise ein Ν iumfalv/eug oder ein Haborinstrumeni. der mit einer Winkelgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 12 um eine Drallachse 14 rotiert. Hs wird angenommen, daß der Körper 10 seinen Schwerpunkt im l'unki 16 hat und dieser Schwerpunkt sich im Schnittpunkt der Drallachse 14 mit einer I in e 18 befindet, die beispielsweise die AqiKitorialebene oder tine andere Bezugsebenc angibt. Die Drallachse 14 und die Bezugslinie 18 schneiden sich im rechten Winkel. Der Körper 10 ist mit einer Außenhaut 20 versehen, die eine Zylindcrllächc 21 und wenigstens eine Endfläche 22 bildet, welche die Drallachse Ί4 schneidet. \n der Endfläche 22 sind in oder nahe den äußeren Punkten 23 zwei Schuhkräfte erzeugende Düsen 24 und 26 mit ladialcn Vcklorkomponenten angebracht, die so ausgebildet_sind, daß_sie Schubkräfte erzeugen, deren Vektoren F_n und /_r., auf den Schwerpunkt gerichtet sind und mit einer die Drallachse 14 senkrecht schneidenden Ebene einen Winkel / bilden. An tier Endllächc 22 ist ein zweites Paar Schubkräfte crleugender Düsen 28 und 30 angebracht. _die so aus-Ierteiltet sind, daß die Vektoren /■„, und /·"„., der von inen erzeugten Schubkräfte parallel zur Drallachse |4 gerichtet sind.

Innerhalb des Körpers 10 befindet sich tine Anfliih! von Hinrichtungen zur Steuerung der Düsen, ftine eiste Radialdüsensteuerung 32 steuert die Düsen 14, eine zweite Radialdüsensteuerung 34 steuert die H)USL-Ii 26. eine erste Axialdüsensieuei ung 36 steuert 4k' Düsen 28, und eine zweite Axialdüsenslcuerung 38 steuert die Düsen 30. Alle vier Steuerungen 32. 34. 36 und 38 werden von einer Hauptstcucreinrichlung 40 in der Weise gesteuert, daß bei Bedarf die vier Schubkräfte erzeugenden Düsen 24. 26, 28 und 30 einzeln oder in verschiedenen Kombinationen betätigt weiden. Die von der Hauptstcuereinrichtung 40 gelieferten Befehle ermöglichen eine vollständige Steuerung der Geschwindigkeit, Position und Lage des drallstabilisierten Gerätes 10.

ίο Die Betätigung der axiale Schubkräfte erzeugenden Düsen 28 und 30 kann kontinuierlich oder impulsförmig erfolgen, und es kann wahlweise entweder eine der beiden Düsen oder es können beide Düsen zugleich betätigt werden. Diese Düsen 28 und 30

haben von der Drallachse 14 einen Radialabstand/. Die axialen Düsen können kontinuierlich oder impulsförmig zur Erzeugung eines einfachen oder eines doppelten Schubes während einer Anzahl von Dra/ipcrioden betrieben werden. Eine impulsförmigc In-

ao beiricbnnhmc erfolgt beispielsweise stets in einem bestimmten Sektor 42 oder 44 jeder Drallpcriodc. Die kontinuierliche Inbetriebnahme ermöglicht eine Translationsbewcgung in Richtung der Drallachse 14, während ein Impulsbetrieb eine Präzessionssteuerimg des Gerätes ermöglicht.

Bei einem kontinuierlichen Betrieb nur einer axiale Schubkräfte erzeugenden Düse kann die Betriebszeit so gewählt werden, daß sie ein ganzzahliges Vielfaches sowohl der Drallpcriodc als auch der Nutalionspcriode ist oder auch nicht. Wenn jedoch die Betätigiiiigszcii so gewählt wird, daß sie einer ganzen Anzahl ,V von Drallperioden gleich ist. derart, daß Λ' K (u 1). wobei K eine ganze Zahl und η das Verhältnis des Trägheitsmomentes um die Drallachse zum Trägheitsmoment um eine dazu senkrechte Achse ist. wird die restliche Präzession und Nutation der Drallachse am Ende des Schubintervalls auf ein Minimum reduziert. Solch ein Betrieb ermöglicht eine Steuerung des Tastverhältnisses oder der Arbcilszeit einer axiale Schubkräfte erzeugenden Düse. So ist es beispielsweise von einer vorhergehenden Betätigung des Gerätes 10 her bekannt, daß cine Nutation in einer bestimmten Weise auftreten wird und daß maximale und minimale Mutationen vorhanden sind. Es ist auch bekannt, daß die Nutation zn. gewissen Zeiten den Wert Null haben wird. Der Schub einer Düse wird daher zeitlich so gelegt, daß er gemäß der obigen Gleichung die Nullachse schneidet.

Bei einem andauernden Betrieb der beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Düsen werden, weil diese Düsen um 1 Sl) gegeneinander versetzt j>uid. djc^ augenblicklichen Momente 7"'=- I-F₁₁₁, mit /„, /',,/ oder T^., jeder Düse ausgeglichen, wenn die Schubkräfte der beiden axialen Düsen gleich sind. Wenn jedoch, wie es gewöhnlich der Fall ist, die beiden Hinzclschübc eine leicht unterschiedliche Größe haben oder wenn ihre Abstände oder Momentenarme verschieden sind oder ihre Abweichungen von der Parallele zur Drallachse nicht genau gleich sind und auch die Betätigungszeil für die beiden Schubkräfte erzeugenden Düsen willkürlich gewählt sind, ist das augenblickliche Moment, das eine unerwünschte Präzession und Nutation der Drallachse zur Folge hat, auf einen sehr kleinen DilTerenzwcrt reduziert.

^Λ5 DieseT.iisache kann wie folgt ausgedrückt werden:

T,

In diesem Ausdruck ist

/·■„

der Betrag des Schubungleichgewichtes /wischen den beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Düsen^Der Mittelwert des augenblicklichen Moments Λ 7' der beiden axiale Schubkräfte erzeugenden Düsen und / einer einzelnen axialen Düse ist nach jeder Drallperiode Null. Wenn bei diesem Betrieb eine Düse während einer ganzen Anzahl N vollständiger Drallperioden kontinuierlich arbeitet, mit N A'.'(n 1), findet am Fndc der N Drallperioden ein Ausgleich der Präzession und der Nutation statt. Die vorstehende Diskussjon bezieht sich auf solche Probleme von Richtuingsfehlern, die während der Schuberzeugung auftreten und im Fall der Ausrichtung eines Strahles eine Verschlechterung des mit dem Strahl übertragenen Signal zufolge haben. Bei Anwendung zwei axial gerichteter Düsen, die um 180 versetzt zu beiden Seiten der Drallachsc angeordnet sind, tritt kein augenblickliches Moment auf, wenn die beiden Schübe gleich sind und nicht ein geringes Ungleichgewicht besteht. Selbst bei einem geringen Ungleichgewicht benötigt ein Nulationsdämpfer sehr viel weniger Zeil zur Stabilisierung, als wenn nur eine einzige Düse benutzt würde.

Bei Impulsbetrieb mit einer einzigen axial gerichteten Düse wird eine Präzession der Drallachse erzeugt, wenn die Taktung des Betriebssektors 42 oder 44 zur Draüperiode an Hand eines äußeren Bezugspunktes synchronisiert im, beispielsweise mittels eines Lichlimpulscs oder des Impulses eines Sonnensensors. Der Impulsbetrieb beider axialer Schübe kann als Feinkorrektur bei einem Präzessionsmanöver benutzt werden. F.ine solche Korrektur ist sinnvoll, wenn die Schubdilferen/ <W·',, von vorhergehenden Manövern! her bekannt ist. Die I.agc-Feiiikorrektur kann zugleich mit einer Korrektur der Tninslationsstellung erfolgen, was von besonderer Bedeutung ist, wenn

ίο das Gerät ein Satellit ist und es gilt, Treibstoff zu sparen.

Beim Betrieb der radiale Schubkräfte erzeugenden Düsen erzeugt ein kontinuierlicher Betrieb einer einzelnen Düse nur eine Translationsbcwcgung in Richtung der Drallachse, weil sich die Radialkomponenten, die auf das Gerät in Richtung der Linie 18 seitlich einwirken, :iuflieben. Kin lmpulsbelrieb einer einzelnen Düse führt zu einer Translationsbcwcgung in Richtung der Drallachse und auf eine Gcschwindigkeitszunahme in der Querehcnc, die die Linie 18 enthält. Wenn eine oder beide der radialen Düsen kontinuierlich über eine Anzahl von Drallpcriodcn betrieben werden, heben sich die senkrecht zur Drallachse gerichteten Schubkomponenten auf, und es sind nur die Translations- oder Axialkomponcnten der Schubkräfte wirksam. Demnach ermöglichen die schräggesteilten, radiale Schubkräfte erzeugenden Düsen eine zusätzliche Steuerung der Translationsbewegung, wenn auch mit einer verminderten Wirk- samkeit.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drallstabili.siertes Gerät mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Schubkräften, die auf den Schwerpunkt des Gerätes gerichtet sind, gekennzeichnet durch eine solche Anordnung der Einrichtung (24), daß die Schubkräfte eine senkrecht zur Drallachse (14) stehende Ebene (18) unter einem Winkel (ι) schneiden, der n> größer als 0 und kleiner als 90 ist.

2. Gerät nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar auf den Schwerpunkt (16) gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen (24 und 26) vorhanden ist. die diametral zur »5 Drallachse (14) angeordnet sind, und daß eine Steuerung (32. 34) vorhanden ist, die wahlweise eine einzelne oder gemeinsame Betätigung diesi r Einrichtungen (24 und 26) ermöglicht.

3. Gerät nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem ein Paar parallel zur Drallachsc (14) gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen (28 und 30) vorhanden ist. die diametral zur Drallachse (!4) angeordnet sind, und daß eine Steuerung (36. 38) vorhanden ist. die wahlweise eine einzelne oder gemeinsame Betätigung dieser Einrichtungen (28 und 30) ermöglicht.

4. Gerät nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungen (32 und 34) für das Paar auf den Schwerpunkt (16) gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen (24 und 26) und die Steuerungen (36 und 38) für das Paar parallel zur Drallachse (14) gerichtete Schubkräfte erzeugende Einrichtungen (28 und 30) an einer Hauptsteuereinrichtung (40) angeschlossen sind, die wahlweise eine einzelne oder gemeinsame Betätigung von mehreren oder allen Einrichtungen zur Erzeugung von Schubkräften ermöglicht.

5. (ierät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine die äußeren Grenzen des Gerätes (10) definierende Außenhaut und eine die durch den Schwerpunkt (16) des Gerätes gehende Drallachse (14) schneidendc Endfläche (22) aufweist und die Schubkräfte erzeugenden Einrichtungen (24. 26. 28. 30) en der Endfläche (22) des Gerätes befestigt sind.

6. Gerät nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhaut einen Zylinder (21) bildet, dessen Achse mit der Drallachsc (14) zusammenfällt, die Endfläche(22) mit dem Zylinder (21) verbunden ist und mindestens zwei Verbindungsstellen vorhanden :,ind, die einen maximalen Abstand vom Schwerpunkt (16) haben, und daß die Einrichtungen (24 und 26) zur Erzeugung von auf den Schwerpunkt (16) gerichteten Schubkräften an diesen Verbindungsstellen befestigt sind.

60