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Um seine Längsachse rollendes lenkbares Geschoß Die Erfindung bezieht
sich auf ein um seine Längsachse rollendes Geschoß mit mehreren gleichwirkenden,
um die Längsachse des Geschosses in regelmäßigen Winkelabständen angeordneten Steuerorganen,
die zur Erzielung von Querkräften über einen mit der Rollfrequenz des Geschosses
synchronisierten Rollsignalverteiler ansteuerbar sind.
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Rollende Geschosse werden zur Stabilisierung ihrer Fluglage und zu
ihrer Steuerung bzw. Lenkung mit Steuerorganen ausgerostet,
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zwar hauptsächlich mit Luft- oder Strahlspoilern bzw. Luftrudern. Strahlspoiler
oder ein einzelnes in der Längsmittelebene eines rollenden Geschosses mittig angeordnetes
Luftruder erzeugen eine Querkraft, die senkrecht zur Geschoßlängsachse gerichtet
ist, während bei mehreren zumeist symmetrisch am Geschoßumfang angeordneten Luitspoilern
bzw.
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Luftrudern Querkräfte in einer zur Geschoßlängsachse parallelen seitlich
versetzten Ebene erzeugt werden. Die Steuerung bzw. Lenkung erfolgt in diesem Falle
insofern indirekt, als die zur Beeinflussung der Geschoßflugbahn benötigten Querkräfte
mit Hilfe einer Drehung des Geschosses um die Längsachse aufgebaut werden. Durch
aufeinander abgestimmte Verstellung der Luftspoiler bzw. der Luftruder können die
Querkräfte jedoch auch ohne Drehung des Flugkörpers direkt erzeugt werden.
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Um derartige rollende Geschosse längs einer Bahn zu führen, müssen
die mit dem Geschoß rollenden Steuerorgane über einen rollwinkelabhängigen Rollsignalverteiler
zur Erzeugung nicht rollender Querkräfte angesteuert werden; hierzu vgl. etwa die
Deutsche Auslegeschrift 1 802 223, in der ein Lenkregelkreis für einen rotierenden
Flugkörper beschrieben ist, der nur ein Strahlruder aufweist, die US-PS 2 421 085,
in der ein zielsuchendes Geschoß mit einem einzigen Luftruder gezeigt ist, bzw.
die DT-AS 1 456 161, in der die Lenkung eines rollenden Flugkörpers mit zwei Strahlrudern
beschrieben ist.
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Zur Erzielung von ausreichenden Querkräften wird auf rollende Geschosse
mit ein oder zwei Steuerorganen eine Steuerkraft jeweils über einen gewissen Drehwinkelbereich
des Geschosses ausgeübt, so daß selbstverständlich exakte Querkräfte nicht erreicht
werden können und, diese überlagernd rollende parasitäre Störkräfte auftreten. Daraus
ergibt sich eine je nach Anteil der rollenden parasitären Stoe,rkräfte mehr oder
minder schlangenförmige Bewegung des Geschosses um seine Sollflugbahn.
So
ergibt sich für ein Geschoß mit zwei unabhängig voneinander ansteuerbaren Steuerorganen,
die über einen Rollsignalverteiler sinusförmig angesteuert werden, was im allgemeinen
die problemloseste und störkraftfreieste Ansteuerung bedeutet, insgesamt eine mit
der doppelten Rollfrequenz des Geschosses rotierende, der nutzbaren Querkraft amplitudengleiche
parasitäre Störkraft.
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Bei bisher verwendeten lenkbaren Geschossen, ob selbstgetrieben oder
nicht, sind die hier genannten parasitären Störkräfte bei sonst einwandfrei aufeinander
abgestellten Geschoßkomponenten nicht so ausschlaggebend, da die aufzubringenden
Querkräfte im allgemeinen nicht so hoch sind, daß hier Abhilfe versucht worden wäre.
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Die parasitären Störkräfte können dadurch verringert und so die Lenkbarkeit
des Geschosses verbessert werden, wenn in Anlehnung an nicht rollende Geschosse
vier symmetrisch am Geschoß verteilte Steuerorgane auch für ein rollendes Geschoß
vorgesehen werden. Wenn die Steuerorgane über einen Rollsignalverteiler mit vier
90-Grad-Phasen so angesteuert werden, daß der Zeitverlauf der Steuerkräfte jedes
einzelnen Steuerorganes sinusförmig und rollsynchronisiert ist, heben sich tatsächlich
alle Komponenten der parasitären Störkräfte gegenseitig auf. Die resultierende Querkraft
ist dann tatsächlich bahnfest.
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In der Praxis ist es jedoch im allgemeinen so, daß der Zeitverlauf
der Steuerkräfte oder etwa der Ruderauslenkung oft nicht sinusförmig und die Steuercharakteristik
der Steuerorgane nicht linear ist. Dadurch bleibt zwar die Steuerkraft der Steuerorgane
symmetrisch, ist jedoch nicht mehr sinusförmig, sondern mit Oberwellen behaftet.
Die wesentlichsten-Oberwellen sind die ungeradzahligen erwel1en und hier insbesondere
die dritte Sinusoberwelle.
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Auch eine sinusförmige Ansteuerung der Steuerorgane ermöglicht bei
dieser Konstruktion demnach im allgemeinen keinen vollständigen Kräfteausgleich;
den stärksten Störeinfluß auf die Lenkung hat hier eine mit vierfacher Rollfrequenz
rotierende Komponente aus der dritten und fünften Oberwelle. Diese Komponenten von
parasitären Störkräften verhalten sich dem Betrage nach zur nutzbaren Querkraft
wie die Fourierkoeffizienten der in die einzelnen Komponenten zerlegten Steuerkraft
a3 und a5 zu dem die Grundwelle darstellenden Koeffizienten al.
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Bei zur Zeit geplanten lenkbaren Geschossen, etwa zur Panzerabwehr,
werden so hohe Längs- und Querbeschleunigungen angestrebt, daß parasitäre Störkräfte
möglichst klein gehalten werden müssen. Bei hohen Beschleunigungskräften, die etwa
die Servokomponenten des Geschosses belasten und hohen Querkräften, die direkt durch
verstellbare Steuerorgane aufgebracht werden, könnten nämlich die spiralförmigen
Verzerrungen der Geschoßflugbahn durch die parasitären Störkräfte so groß werden,
daß Bodenberührung eintritt oder die Treffsicherheit unter das geforderte Minimum
abfällt.
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Für diese Geschosse,die in allen ihren Komponenten hochbeschleunigungsfest
sein müssen, wird man möglichst einfach aufgebaute Rollsignalverteiler und Steuerorgane
mit sehr einfachen Steuercharakteristiken verwenden und etwa Zweipunktverhalten
in der Laufgeschwindigkeit der Steuerorgane und/oder Zwei- bzw. Dreipunktverhalten
im Ausschlagwinkel anstreben.
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Komplizierte Rollsignalverteiler, die sinusförmige Steuerkräfte bewirken
sollen, werden kaum verwendet werden können.
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Jedoch treten selbst bei einem Geschoß mit vier Steuerorganen, bei
dem die parasitären Störkräfte durch entsprechende Ansteuerung der Steuerorgane
noch einigermaßen ausgeglichen
werden können, bei einer Ansteuerung
durch einfache schwarzweiß schaltende Rollsignalverteiler relativ hohe parasitäre
Störkräfte auf. Eine Komponente der parasitären Störkräfte weist hierbei vierfache
Rollfrequenz in der Rollrichtung des Geschosses und einen Betrag von einem Drittel
der nutzbaren Querkraft auf und eine andere die gleiche Frequenz, jedoch entgegengesetzte
Rollrichtung und einen Betrag von einem Fünftel der nutzbaren Querkraft. Bei Geschossen
mit zwei Steuerorganen betragen die wichtigsten Komponenten von parasitären Störkräften
eine mit einem Drittel der nutzbaren Querkraft, die entgegengesetzt zu der Rollrichtung
des Geschosses mit zweifacher Rollfrequenz umläuft, eine weitere mit vierfacher
Rollfrequenz und ebenfalls einem Drittel der nutzbaren Querkraft und eine dritte,
wiederum entgegengesetzt mit vierfacher Rollfrequenz umlaufende Komponente mit einem
Fünftel der nutzbaren Querkraft.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, das Geschoß und hier insbesondere die
Anordnung der Steuerorgane so weiterzubilden, daß im Gegensatz zu bekannten Geschossen
die parasitären Störkräfte merklich verkleinert oder gar kompensiert werden, und
daß dadurch gleichzeitig die Steuerorgane mittels sehr einfach aufgebauter Rollsignalverteiler
angesteuert werden können, ohne daß die Lenkbarkeit des Geschosses wesentlich beeinträchtigt
wird.
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Die Erfindung geht zur Lösung dieser Aufgabe von folgender Erkenntnis
aus: Der Zeitverlauf der Querkraft eines einzelnen Steuerorganes wird über einen
gewissen Winkelbereich von Null beginnend zu einem Maximum und dann wieder nach
Null sowie danach um 180 Grad verschoben spiegelbildlich im Negativen verlaufen.
Bei sinusförmiger Ansteuerung und linearer Steuercharakteristik des
Steuerorganes
wird der Zeitverlauf ebenfalls sinusförmig sein.
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Zusätzlich zu diesem Verlauf der Querkraft werden Oberwellen auftreten,
die parasitäre Störkräfte darstellen und die im folgenden, solange der Nulldurchgang
gemeinsam mit der Grundwelle erfolgt, als Sinusoberwellen bezeichnet werden.
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Es zeigt sich nun, daß bei einer Reihe technisch bedingter %effekte
unter gewissen Voraussetzungen nur ungeradzahlige Sinusoberwellen im Zeitverlauf
der von den Steuerorganen auf gebrachten Querkräfte; auftreten. So etwa bei einer
symmetrischen, jedoch nicht linearen Steuercharakteristik der einzelnen Steuerorgane,
dann bei symmetrisch begrenzten Auslenkwinkeln der einzelnen Steuerorgane, bei einer
Zweipunktsteuerung der Laufgeschwindigkeit, einer Pulsbreitensteuerung des Ausnenkwinkels
etwa von Strahlspoilern und bei Verwendung von nichtlinearen, jedoch symmetrischen
Rollsignalverteilern. Die genannten Voraussetzungen sind etwa die Symmetrie in der
Auslenk- und in der Rückstellbewegung der Steuerorgane und Symmetrie zwischen positiver
und negativer Auslenkung, die sich konstruktiv im allgemeinen erfüllen lassen. Durch
entsprechende Justierung lassen sich ferner die Bedingungen erfüllen, daß die Steuerkräfte
mit der Rollbewegung des Geschosses synchronisiert und der Zeitversatz zwischen
der Betätigung der einzelnen Steuerorgane ebenfalls gleichmäßig ist.
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Es können zwar auch ungeradzahlige Cosinusoberwellen und geradzahlige
Sinus- und Cosinusoberwellen auftreten, so beispielsweise durch eine Nullpunktsverschiebung
einer zwar symmetrischen, jedoch nicht linearen Steuercharakteristik der Steuerorgane
oder bei unsymmetrisch begrenzten Auslenkwinkeln bzw.
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unsymmetrischen Laufgeschwindigkeiten der Steuerorgane oder durch
eine unsymmetrische Charakteristik des Rollsignalverteilers,
jedoch
sind diese Effekte so weit beherrschbar, daß sie kaum Bedeutung gewinnen.
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Ausgehend demnach von der Erkenntnis, daß die ungeradzahligen Sinusoberwellen
im Zeitverlauf der von den Steuerorganen aufgebrachten Querkräften gegenüber den
sonstigen Oberwellen überwiegen, ist die oben genannte Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß das Geschoß eine ungerade Anzahl unabhängig voneinander über
den Rollsignalverteiler ansteuerbarer Steuerorgane aufweist. Zweckmäßigerweise werden
drei bzw.
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fünf Steuerorgane verwendet, da hierbei der mechanische und elektronische
Aufwand denjenigen bekannter Geschosse nicht übersteigt.
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Durch diese im Prinzip verblüffend einfache Lösung können ohne Beeinträchtigung
der Lenkbarkeit des Geschosses parasitäre Störkräfte wesentlich verringert oder
gar ausgeglichen werden. Interessant ist hierbei, daß ein Geschoß mit drei regelmäßig
verteilten und unabhängig voneinander nach einem Schwarz/Weiß-Verfahren ansteuerbaren
Steuerorganen noch geringere Störungen durch parasitäre Störkräfte aufweist als
ein Geschoß mit vier ebenso angesteuerten Steuerorganen. Bei einem Geschoß mit drei
Steuerorganen fällt lediglich eine Komponente der fünften Oberwelle und eine der
siebten Oberwelle ins Gewicht, die beide mit der sechsfachen Rollfrequenz umlaufen
und bei sinusförmiger Ansteuerung lediglich ein Fünfundzwanzigstel bzw. ein Neunundvierzigstel
der nutzbaren Querkraft und bei einer Schwarz/Weiß-Ansteuerung lediglich ein Fünftel
bzw. ein Siebtel der nutzbaren Querkraft betragen. Bei einem Geschoß mit fünf Steuerorganen
tritt sogar erst eine Komponente der neunten Oberwelle mit der zehnfachen Rollfrequenz
des Geschosses auf.
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Insgesamt haben die parasitären Störkräfte bei Geschossen, die gemäß
der Erfindung ausgebildet sind, nur kleine Amplituden und rollen mit relativ hohen
Frequenzen, so daß die Lenkbarkeit der Geschosse nahezu nicht beeinträchtigt ist
und im wesentlichen nur noch von der Symmetrie der einzelnen Steuerorgane abhängt.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile werden insbesondere bei
Geschossen deutlich, die hohen Quer- und Längsbeschleunigungen unterworfen sind.
Hier braucht die Rudercharakteristik nur symmetrisch, nicht jedoch linear zu sein,
ohne daß dadurch wesentliche parasitäre Störkräfte auftreten. Das gleiche gilt für
die Verstellung der Steuerorgane, so daß damit auch stark beschleunigende Flugkörper,
in die im allgemeinen nur nichtlinear wirkende Ruderorgane eingebaut werden können,
extrem gut lenkbar bleiben. Ebenso braucht die Steuercharakteristik des mit der
Rollfrequenz synchronisierten Rollsignalverteilers nur symmetrisch, nicht jedoch
linear zu sein, so daß es möglich ist, die Steuercharakteristik grob zu vereinfachen,
etwa eine Schwarz/Weiß-Steuerung zu realisieren.
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Gemaß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Geschoß3
mit einem Rollsignalverteiler für die mit der Rollfrequenz es Geschosses synchronisierte
Aufschaltung von Lenkkommandos auf die Steuerorgane versehen, der einen mit dem
Ausgangssignal eines wellfrequenzmessers beaufschlagten und nach Erreichen eines
W)ralbetrages, der dem Winkelabstand zwischen zwei Seuergaun proportional ist, rücksetzbaren
Integrator
sowie einen mit dessen Ausgang verbundenen Pulsformer aufweist, der seinerseits
mit einer Gatterschaltung zum polaritätsrichtigen Aufschalten der dieser Schaltung
zugeführten Lenkkommandos auf die Steuerorgane verbunden ist. Hierbei ist deutlich
ersichtlich, daß der Rollsignalverteiler nur einfache elektronische Komponenten
aufweist, insbesondere an Stelle der für ein Geschoß mit vier Steuerorganen im allgemeinen
notwendigen Zwei-Quadranten-Sinusgeber lediglich einen einfachen Pulsformer aufweist.
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Die Erfindung ist in mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung
näher erläutert. In dieser stellen dar: Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines
Geschosses gemäß der Erfindung mit drei unabhängig voneinander betäticbaren Luftrudern;
Figur 2 schematisch eine Heckansicht eines Geschosses gemäß der Erfindung mit drei
Luftspoilern; Figur 3 eine Teilansicht eines Hecks eines Geschosses gemäß der Erfindung
mit drei symmetrisch angeordneten Strahlspoilern; Figur 4 eine vereinfachte perspektivische
Darstellung eines Geschosses gemäß der Erfindung mit fünf unabhängig voneinander
ansteuerbaren Luftrudern; Figur 5 ein Biockschaitbila eines Rollsignalverteilers
für ein Geschoß gemäß der Erfindung mit drei unabhängig voneinander ansteuerbaren
Steuerorganen und
Figur 6 ein Diagramm zur Darstellung der Funktionsweise
des Rollsignalverteilers gemäß Figur 5.
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Ein Geschoß 1 weist an seinem Heck drei an seinem Umfang jeweils in
einem Winkelabstand von 120 Grad angeordnete Flügel 2 auf, deren Berührungslinie
mit dem Außenmantel des Geschosses gegen die jeweilige zur Längsachse 3 parallele
Mantellinie leicht angestellt ist, so daß das von einem hier nur durch eine Triebwerksdüse
4 dargestellten Triebwerk angetriebene Geschoß mit einer bestimmten Winkelgeschwindigkeit
j um seine Längsachse 3 in der angegebenen Pfeilrichtung rotiert; vgl.
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Figur 1.
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Zur Lenkung des Geschosses 1 sind die Flügel um eine nicht dargestellte
Achse senkrecht zur erwähnten Mantellinie mittels eines Rudermotors schwenkbar.
Anstelle der schwenkbaren Flügel werden als Steuerorgane auch sogenannte Luftspoiler
21 verwendet, die zur Übertragung von Querkräften aus den Flügeln 2 ausgefahren
werden und als Störkanten wirken; vgl. Figur 2.
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Ferner sind als Steuerorgane drei Strahlspoiler 22 möglich, die jeweils
um 120 Grad versetzt sind und in den Triebwerksstrahl eingreifen; vgl. Figur 3.
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In der Figur 4 ist schließlich ein Geschoß mit fünf unabhängig ansteuerbaren
Luftrudern 23 gezeigt.
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Um Steuerkräfte rollsynchron auf drei Steuerorgane eines Geschosses
übertragen zu können, ist ein Rollsignalverteiler gemäß der Figur 5 vorgesehen.
Dieser weist einen rücksetzbaren Integrator 11 mit symmetrischer Kennlinie auf,
dessen Eingang mit einem Winkelgeschwindigkeitsmesser bzw. Rollfrequenzmesser 12
über ein Summierglied 13 verbunden ist. Dem Integrator werden
hierbei
die Rollfrequenz ; des Geschosses und die Rollfrequenz Y des in Polarkoordinaten
dargestellten Vektors der Querkraft zugeführt. Am anderen Pol des umschaltbaren
Einganges ist ein weiteres Summierglied 14 vorgesehen, dem die Anfangsrollage ?o
des Geschosses etwa beim Start eingegeben ist. Der Ausgang des Rücksetzintegrators
11 ist auf den zweiten Eingang dieses Summiergliedes rückgeführt. Der Integrator
11 wird immer dann zurückgesetzt, wenn er einen bestimmten, dem Winkelabstand der
Flügel proportionalen Winkel errechnet hat, etwa wie in der Figur 6, erste Zeile
gezeigt, einen Winkel von 60 Grad.
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Das Ausgangssignal des Integrators, das in der Figur 6 in der ersten
Zeile gezeigt ist, wird einem Pulsformer 15 zugeführt, an dessen Ausgang etwa regelmäßig
beim Nulldurchgang des Ausgangssignales des Integrators ein positiver bzw. negativer
Impuls erscheint, wie in Zeile 2 der Figur 6 dargestellt.
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Der Ausgang des Pulsformers 15 ist mit einem Register 16, etwa einem
bei jedem Impuls des Pulsformers 15 um eine Stelle weitergestellten Ringzähler verbunden,
an dessen sechs Ausgängen nacheinander die Ausgangssignale x, y, z, u, v und w anliegen,
siehe Zeile 3 in Figur 6. Die Ausgänge des Ringzählers 16 sind mit einer Gatterschaltung
17 verbunden, die ihrerseits drei Ausgänge aufweist, deren Ausgangssignale X,» undg
durch folgende logische ODER-Verknüpfung mit den Ausgangssignalen des Ringzählers
16 verbunden sind: = x+y + z ß = z + u + v B nV+W+X Die Ausgänge der Gatterschaltung
17 sind mit einer Verteilerschaltung 18 verbunden, die drei Schalter A, B und C
aufweist,
die jeweils den Ausgängen α, ß und γ zugeordnet
sind. Der eine Pol aller Schalter A, B und C ist mit einer Leitung 19 verbunden,
über die der Betrag (a) des in Polarkoordinaten dargestellten Vektors einer gewünschten
Querkraft des Geschosses von einem Kommandostand 20 übertragen wird. Die Schalter
A, B und C sind beispielsweise Feldeffekttransistoren, an deren Gate-Elektrode die
Signale x , 6 bzw.tf' anliegen und deren Drain-Elektrode der Betrag (a) der Querkraft
zugeführt wird. Während der Rollbewegung des Geschosses erscheint daher am Ausgang
der Schaltergruppe A, B und C, also der jeweiligen Source-Elektrode, ein amplitudenmoduliertes
Rechtecksignal, das Rudermotoren der Steuerorgane direkt aufgeschaltet werden kann.
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Für Steuerorgane, die bevorzugt mit einer Pulsbreitenmodulation angesteuert
werden, so z.B. Strahlspoiler,werden die drei Ausgänge der Verteilerschaltung 18
mit jeweils einem Integrator 11, 12 und I3 verbunden. Das Ausgangssignal der Integratoren
ist in der siebten Zeile des Diagramms gemäß der Figur 6 dargestellt. Die Ausgänge
der Integratoren I sind jeweils auf einen Eingang je eines Summiergliedes S1, und
S3 geschaltet, auf deren zweiten Eingang ein die Rollsteuerung des Flugkörpers beeinflussendes
Signal R aufgeschaltet werden kann. Die so aufbereiteten Lenkkommandosignale werden
über Dreipunktschalter T1 , T2 und T3 mit zwei definierten Umschaltpunkten als Stellsignale
r1, r2 und r3 den jeweiligen Steuerorganen zugeführte In den Zeilen 8 bis 10 sind
diese Stellsignale für Zweipunktverhalten der S%cerorgane bezüglich des Auslenkwinkels
dargestellte rür die Ansteuerung von fünf Steuerorganen muß der oben be schriebene
Rollsignalverteiler lediglich im Ringzähler, in
der Gatterschaltung
und in der Verteilerschaltung geringfügig erweitert werden.
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Bei Geschossen, die gemäß der Erfindung ausgebildet sind heben sich
die parasitären Störkräfte weitgehend auf. Ebenso können schaltungstechnisch einfache,
vollelektronische Rollsignalverteiler und für die Verstellung der Steuerorgane einfache
und robuste Servokomponenten etwa mit Schwarz-Weiß-Steuerung ohne wesentliche Nachteile
für die Lenkbarkeit verwendet werden.
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Patentansprüche