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Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung eines Flugkörpers Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Flugkörpers, bzw.
ein Drehmomentsteuersystem für den Antrieb eines Flugkörpers. Die Erfindung betrifft
insbesondere die Steuerung eines zweifach spinnenden Flugkörpers, wobei die Nutation
des Flugkörpers kontrolliert wird, die durch äußere Kräfte und Drehmomente verursacht
wird, welche zur Änderung der Fluglage, der Umlaufbahn oder der Geschwindigkeit
des Flugkörpers verwendet werden.
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Ein häufiges Problem, das auftritt, wenn Schubkräfte von Schubdüsen
an einen zweifach spinnenden oder drallstabilisierten Flugkörper zur Steuerung der
Fluglage, Flugbahn oder Geschwindigkeit des Flugkörpers ausgeübt werden, ist die
unerwünschte Nutation oder die eine Kegelfläche beschreibende Bewegung des Flugkörpers.
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Die Nutation wird durch ein Drehmoment erzeugt, das auf einer
Schubkraft
beruht, die entlang einer nicht durch den Schwerpunkt des Flugkörpers verlaufenden
Achse gerichtet ist. Solch eine Schubkraft wird auch als fehlausgerichtete Schubkraft
bezeichnet.
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Das eine Nutation bewirkende Drehmoment, das aus einer fehlausgerichteten
Schubkraft resultiert, hat eine Komponente unter einem rechten Winkel zu dem Gesamtdrehmomentvektor
des Flugkörpers. Es sind bereits einige Systeme vorgeschlagen worden, um diese unerwünschte
Nutation des Flugkörpers zu kontrollieren. Bei einigen bekannten Steuereinrichtungen
für die Fluglage und/oder die Flugbahn wird eine Kombination passiver Elemente eingesetzt,
die so angeordnet sind, daß die Energie der unerwünschten Nutation des Flugkörpers
verbraucht wird. Andere bekannte Einrichtungen zur Steuerung der Fluglage und Flugbahn
wirken der Nutation des Flugkörpers durch eine äußere Kraft oder Kräfte entgegen,
die durch spezielle Schubdüsen an dem Flugkörper erzeugt werden, die durch elektrische
Signale von Fühlern betätigt werden, die die Nutation des Flugkörpers erfassen.
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Eine Kombination spezieller, der Nutation entgegenwirkender Schubdüsen
und Fühlern oder passive Elemente, die allein zum Verbrauchen oder Dämpfen der Nutation
aufgrund der fehlausgerichteten Schubkräfte dienen, erhöhen die Kompliziertheit
der Steuereinrichtung des Flugkörpers. Folglich ist es erwünscht, die Nutation des
Flugkörpers, die durch Fehlausrichtungen des Schubes verursacht werden, ohne Erhöhung
der Kompliziertheit der Steuereinrichtung für die Fluglage und Flugbahn des Flugkörpers
auf ein Minimum herabzusetzen.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Flugkörpers und
vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Patentansprüchen gekennzeichnet.
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Durch die erfindungsgemäße Steuervorrichtung wird die Nutation des
Flugkörpers, die durch einen fehlausgerichtete Schubkraft erzeugt wird, eliminiert.
Wie bereits erwähnt wurde, handelt es sich um einen zweifach spinnenden Flugkörper,
wobei der Flugkörper eine Plattform aufweist, die durch einen spinnenden Teil abgesponnen
ist.
Die Steuervorrichtung weist eine Einrichtung zur Erzeugung einer Kraft auf, die
auf der Plattform montiert ist und in Abhängigkeit von Signalen arbeitet, um den
Flugkörper zu manövrieren.
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Nach einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung werden an den Flugkörper
übertragene Informationssignale empfangen und von der Empfängereinrichtung verarbeitet.
Die Empfängereinrichtung ist so angeordnet, daß sie ein Ausgangssignal an die eine
Kraft erzeugende Einrichtung überträgt, das die Betriebszeit oder Periode der die
Kraft erzeugenden Einrichtung bestimmt, die proportional zu dem Produkt einer ganzen
Zahl und dem Kehrwert der Nutationsfrequenz ist.
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Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung weist die Steuervorrichtung
eine Detektoreinrichtung, die in dem Flugkörper vorgesehen ist, um eine Abweichung
von der gewünschten Fluglage des Flugkörpers feststellt und in Abhängigkeit davon
ein Detektorausgangssignal erzeugt, eine logische Einrichtung, die mit der Detektoreinrichtung
gekoppelt ist und in Abhängigkeit von dem Detektorausgangssignal ein logisches Ausgangssignal
erzeugt, und die die Kraft erzeugende Einrichtung auf, die in Abhängigkeit von dem
logischen Ausgangs signal der logischen Steuereinrichtung während einer Betriebsperiode
t betrieben wird, wobei die Betriebszeit der die Kraft erzeugenden Einrichtung proportional
zu dem Produkt einer ganzen Zahl mal dem Kehrwert der Nutationsfrequenz CY ist.
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n Ein Ausführungsbeipiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nun
anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Figur 1(a) eine schematische
Darstellung eines abgesponnenen Flugkörpers mit der erfindungsgemäßen Nutationssteuervorrichtung;
und Figur 1(b) eine grafische Darstellung der Bahn, über die sich eine Querkomponente
hx (t) des Winkeldrehmomentvektors und der Winkeldrehmomentvektor H des Flugkörpers
in einem
Flugkörper-Koordinatensystem während der Zeit eines Zyklus
der Flugkörpernutation bewegen können.
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Bei einem auf einer Umlaufbahn befindlichen Flugkörper ist oft die
Anderung der Fluglage, der Orientierung oder der Geschwindigkeit erforderlich, um
einen bestimmten Auftrag des Flugkörpers zu erfüllen. Es kann sich dabei um einen
spinnenden Flugkörper, bei dem der gesamte Körper eine Spinnbewegung ausführt, einen
doppelspinnenden oder einen entsponnenen Flugkörper handeln, der im letzeren Fall
ein umlaufendes Impulsrad enthält, welches von einem anderen Teil des Flugkörpers
spinnmäßig entkoppelt ist.
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Beide Typen bewirken in an sich bekannter Weise eine Kreiselstabilisierung
oder -steifheit. Der spinnende, zweifach spinnende und entsponnene Flugkörper hat
ein Gesamtwinkeldrehmoment oder einen Gesamtdrall, der als Vektor H dargestellt
wird und vorzugsweise entlang der Hauptträgheitsachse (x, y oder z) des Flugkörpers
gerichtet oder mit der Hauptträgheitsachse ausgerichtet ist. Der Drallvektor eines
entsponnenen Flugkörpers ist proportional zu der Winkelgeschwindigkeit des spinnenden
Impulsrades und ist bei fehlender Nutation entlang der Hauptachse gerichtet, um
die das Impulsrad spinnt. Wenn der gesamte Drallvektor H entlang der z-Achse gerichtet
ist, liegen die x- und die y-Achse in einer transversalen Ebene zu der z-Achse.
Die x-y-Ebene wird als transversale Ebene bezeichnet.
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Schubdüsen, die eine Kraft ausüben können, sind in geeigneter Weise
an dem Flugkröper montiert. Die Schubdüsen werden während einer vorbestimmten Zeit
gezündet, um die erforderliche Kraft und das resultierende Drehmoment an dem Flugkörper
zu erzeugen, das für die gewünschte Änderung in der Fluglage, Orientierung oder
Geschwindigkeit des Flugkörpers erforderlich ist. Die Fluglage kann auch in Abhängigkeit
von einem Drhemoment gesteuert werden, das von einem Reaktionsrad des Flugkörpers
auf diesen ausgeübt wird, dessen Spinnachse quer zu dem Hauptimpulsrad liegt.
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Wenn die Schubachse, d.h. die Achse entlang der die Schubkraft oder
die das Drehmoment erzeugende Kraft gerichtet ist, nicht durch den Schwerpunkt des
Flugkörpers verläuft, hat das resultierende
Drehmoment T des Flugkörpers
eine Komponente senkrecht zu dem Gesamtdrallvektor des Flugkörpers, so daß sich
eine unerwünschte Nutation oder Taumelbewegung des Flugkörpers mit einer Frequenz
n ergibt. Die Nutationsfrequenz -tAn ist gegeben durch:
wobei H das Gesamtdrallmoment des Flugkörpers, Ix das Trägheitsmoment des Flugkörpers
um die x-Achse, die eine Hauptträgheitsachse in der transversalen Ebene ist, und
Iy das Trägheitsmoment des Flugkörpers um die y-Achse ist, die eine Hauptträgheitsachse
senkrecht zu der x-Achse ist und ebenfalls in der transversalen Ebene liegt.
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Vor der Nutation liegt der Drallvektor H eines spinnenden Flugkörpers
oder eines entsponnenen Flugkörpers vorzugsweise entlang entlang der Hautpträgheitsachse,
beispielsweise entlang der z-Achse, des Flugkörpers oder ist damit ausgerichtet.
Wenn der Flugkörper einem eine Nutation bewirkenden Drehmoment ausgesetzt wird,
ist der Drallvektor H nicht mehr mit der z-Achse ausgerichtet, sondern hat eine
Richtung, die sich mit der Zeit in dem x , y , z-Koordinatensystem, dem Drehmomentvektor
und der Schubdauer ändert. Bei einem Flugkörper, der einer Nutation unterworfen
ist, hat der Gesamtdrallvektor H Drallkomponenten in einer Ebene quer zu der Spinnachse.
Mit anderen Worten bewegt die Spitze des Drallvektors H eines Flugkörpers, der einer
Nutation unterworfen ist, sich von einem Ausgangspunkt entlang einem vorhersagbaren,
geschlessenen Weg in dem x, y, z-Koordinatensystem des Flugkörpers. Gleichzeitig
bewegt sich die Spitze der Spinnachse des Flugkörpers, d.h. der z-Achse (oder die
Spitze des Vektors der Flugkörperwinkelgeschwindigkeit), in einem kleinen Kreis
um den Drallvektor H und kommt am Ende einer vorgegebenen Nutationsperiode zu dem
Ausgangspunkt zurück. Die Nutationsperiode , während der der Winkelgeschwindiykoitsvektor
A*z die geschlossene z Bahn durchläuft und an den gleichen Punkt seines Umlaufzyklus
zurückkehrt, ist gegeben durch:
n 2 # (2) #n wobei tMtn durch die
Gleichung (1) bestimmt ist. Wenn das Stördrehmoment an dem Ende der Periode t oder
einem ganzzahligen Vielfachen davon beendet wird, wird die Restnutation des Flugkörpers
auf ein Minimum herabgesetzt. Da die Periode c- bekannt ist, wird im folgenden eine
Steuervorrichtung beschrieben, die eine Schubdüse oder eine ein Drehmoment erzeugende
Einrichtung einschaltet oder in Gang setzt, so daß diese während einer einzigen
Nutationsperiode oder einem ganzzahligen Vielfachen davon arbeitet, um die Nutation
des Flugkörpers zu eliminieren.
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In Figur 1(a) ist ein entsponnener Flugkörper 10 mit einem Impulsrad
11 gezeigt, das sich im Gegenuhrzeigersinn um eine Hauptachse (z-Achse) des Flugkörpers
mit einer Winkelgeschwindigkeit r dreht. Der Betrieb des Flugkörpers 10 wird noch
beschrieben.
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Figur 1(b) ist eine grafische Darstellung des Drallvektors H, wenn
der Flugkörper 10 einem eine Nutation bewirkenden Drehmoment Tx ausgesetzt ist.
Die z-Achse des Flugkörpers wird als Spinnachse bezeichnet, weil dies die Achse
ist, um die das Impulsrad 11 spinnt. Wenn äußere Stördrehmomente fehlen, ist der
Drallvektor H im wesentlichen gleich hz und mit der z-Achse ausgez richtet. Der
Betrag des Dralls h vor der Nutation ist durch z folgende Gleichung gegeben: hz
- tAf If (3) wobei #f die Winkelgeschwindigkeit des Impulsrades 11 und If das Trägheitsmoment
des Impulsrades 11 ist. Es ist zu beachten, daß die Größe des Gesamtdrallvektors
H im wesentlichen gleich der Größe des Drallvektors hz ist, wenn die transversalen
Drallkomponenten des Drallvektors H eine verhältnismäßig kleine Größe haben.
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Wenn eine Kraft F von einer Schubdüse 12 auf den Flugkesrp)er 1<)
ausgeübt wird, bewirkt sie ein Stördrehmoment Tx (das als Komponente des gesamten
Drehmomentvektors F x d entlang der x-Achse
definiert ist, wobei
F der Positionsvektor der Kraft F und d der Positionsvektor senkrecht zu dem Abstand
von dem Schwerpunkt O des Flugkörpers zu dem Vektor F ist) um die x-Achse des Flugkörpers
oder eine Achse quer zu der Spinnachse oder z-Achse. Das Drehmoment Tx bewirkt einen
sich mit der Zeit ändernden Drall in der X-y-Ebene des Flugkörpers, wie er in Figur
1(b) als transversaler Drallvektor h (t) dargestellt ist, der eine mit der Zeit
veränderliche Komponente entlang der x-Achse, d.h. die Komponente h (t), und eine
mit der Zeit veränderliche Komponente entlang der y-Achse, d.h. die Komponente h
(t) hat. Der transversale Drall y -h (t) ist gleich der Vektorsumme von hx (t) +
h (t). Größe und x-y y Richtung des Gesamtdrallvektors H ist gleich der Vektor summe
von h (t) + hy (t) + hz (t). Die Größe der sish mit der Zeit ändernden Drallkomponente
h (t) entlang der x-Achse ist durch die folgende Gleichung bestimmt: T h (t) = x
sin I,Z t (4) #n wobei Tx die Größe des um die x-Achse angelegten Drehmomentes,
die Zeit in Sekunden gerechnet von dem Zeitpunkt, an dem das Drehmoment Tx anfänglich
aufgebracht wird, und zu n die Nutationsfrequenz des Flugkörpers ist, die durch
die Gleichung (1) definiert ist. Die Größe der sich mit der Zeit ändernden Drallkomponente
hy (t) entlang der y-Achse ist durch folgende Gleichung gegeben:
wobei Iy das Trägheitsmoment des Flugkörpers um die y-Achse, Ix das Trägheitsmoment
des Flugkörpers um die x-Achse, T die Größe x des angelegten Drehmoments, t die
Zeit in Sekunden gerechnet von dem Zeitpunkt, an dem das Drehmoment Tx anfänglich
angelegt worden ist, und f} n die Nutationsfrequenz des Flugkörpers ist, die rch
die Gleichung (1) definiert ist.
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In einem entsponnenen Flugkörper bewegt sich die Spitze des transversalen
Drallvektors
h (t) auf einer ellgitschen Bahn als x-y Funktion der Zeit in der transversalen
x-y-Ebene, wenn das Trägheitsmoment Ix und die x-Achse nicht gleich dem Drehmoment
Iy um die y-Achse ist. Aus den Gleichungen (4) und (5) ergibt sich, daß die Spitze
des transversalen Drallvektors hx (t) sich als Funktion der Zeit in einer kreisförmigen
Bahn in der transversalen x-y-Ebene bewegt, wenn das Trägheitsmoment 1 um die x-Achse
gleich x dem Trägheitsmoment Iy um die y-Achse ist.
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Die Ellipse D in Figur 1(b) ist die elliptische Bahn, die die Bewegung
des transversalen Drallvektors hx (t) in der Zeit in Abhängigkeit von Periode und
Größe des angelegten Drehmoments T x beschrgibt. Aus dieser Ellipse D ergibt sich,
daß, indem man die Periode oder Zeitdauer, während der die Kraft F oder das resltierende
DrehmomentiTx angelegt wird, gleich 6-' wählt, die Größe des transversalen Daehmomentvektors
hx (t) auf ein Minimum herabgesetzt werden kann, da die Größe des transversalen
Drallvektors h (t) am Anfangspunkt O (Figur 1(b)) minimal ist.
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x-y Die Nutation des Flugkörpers oder dessen auf einer Konusfläche
erfolgenden Bewegung wird oft in dem Halbkegelwinkel z ausgedrückt, der gegeben
ist durch: h (t) p = x-y (6) h z wobei h (t) der oben definierte, transversale Drall
x-y und hz durch die Gleichung (3) definiert ist. Wie aus Figur 1(b) zu ersehen
ist, ist die Größe des transversalen Drallvektor h (t) und der Halbkegelwinkel t
am Ursprung 0 ein Minimum.
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x-y Im folgenden wird auf Figur 1(a) Bezug genommen. Ein Befehissignal,
um die Schubdüse 12 einzuschalten oder zu zünden, so daß sie Brennstoff, beispielsweise
Druckgas oder dergleichen, von einem Tank 17 während einer bekannten Periode S ,
die durch die Gleichung (2) definiert ist, zieht, wird von einer Bodenstation (nicht
gezeigt) über eine Antenne 13 an einen Fernmeß- oder Befehlssignalempfänger
14
übertragen. Das Befehlssignal von der Bodenstation kann in Abhängigkeit von einem
Signal erzeugt werden, das von einem geeigneten Fluglagenfühler 19 kommt, der auf
dem Flugkörper 10 montiert ist. Das von der Bodenstation übertragene Signal kann
ein kodiertes Signal mit einer vorbestimmten Amplitude sein, die die Betriebszeit
der Schubdüse bestimmt. Alternativ kann die Schubdüse 12 während einer Zeitperiode
in Betrieb sein, die durch die Impulsbreite des von der Bodenstation übertragenen
Signales bestimmt wird. Der Fernmeßempfänger 14 kann ein an sich bekannter Empfänger
sein, der das von der Bodenstation empfangene Signal verarbeitet und das verarbeitete
Bodenstationsignal an eine logische Schaltung 15 überträgt. Die Trägheitsmomente
Ix und 1y des Flugkörpers und die Größe des Winkeldrehmoments entlang der z-Achse
(die durch die Gleichung (3) bestimmt ist) sind als Information in einer Speicherbank
in der logischen Schaltung 15 gespeichert. Die logische Schaltung 15 ist in an sich
bekannter Weise so ausgeführt, daß sie die Gleichung (1) ausführt und ein logisches
Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Fernmeßempfängers 14 erzeugt.
Das logische Ausgangssignal der logischen Schaltung 15 wird an die elektronische
Zündschaltung 16 übertragen, die einen Zeitgeber (nicht gezeigt) aufweist und so
angeordnet ist, ddß sie auf das Ausgangssignal von der logischen Schaltung 15 anspricht
und die Schubdüse 12 während einer Periode t einschaltet oder zündet, wobei 1; durch
die Gleichung (2) bestimmt ist. Die Schubdüse 12 wird durch die elektronische Zündschaltung
16 am Ende der Periode automatisch abgeschaltet und damit unwirksam gemacht. Es
ist zu beachten, daß di- Zündschaltung 16 eine an sich bekannte auf ein Signal ansprechende
Drossel 18 aufweisen kann, um die Größe der Schubkraft der Schubdüse 12 zu steuern.
Bei einem Manöver des Flugkörpers, durch das eine gewünschte Fluglagen- oder Flugbahneinstellung
durchgeführt werden soll, kann daher eine Drossel gesteuerte Rakete oder Schubdüse
verwendet werden, die während wenigstens einer Nutationsperiode in Betrieb ist.
Alle Steuersignale, die die Zünddauer der Schubdüse und die Größe der Schubkraft
bestimmen, können auch durch logische Schaltungen in der Bodensendestation festgelegt
oder erzeugt werden.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die logische Schaltung 15
in an sich bekannter Weise so ausgeführt sein, daß sie die Betriebsperiode D der
Schubdüse in Abhängigkeit von einem Signal eines Fluglagenfühlers 19 berechnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann man daher von einem Regelkreis sprechen.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß eine Steuervorrichtung angegeben
wird, um die Nutation eines Flugkörpers aufgrund des Betriebes einer an dem Flugkörper
vorgesehenen Schubdüse auf ein Minimum herabzusetzen. Die Schubdüse wird nur während
einer Periode betätigt, die gleich dem Produkt einer ganzen Zahl mal der 2r,/ Nutationsperiode
2y(ñ ist, wobei die Nutation des Flugkörpers auf ein Minimum herabgesetzt wird.
Obwohl eine Nutationssteuervorrichtung für einen entsponnenen Flugkörper beschrieben
wurde, ist das Prinzip der Nutationssteuervorrichtung, wie es oben beschrieben ist,
auch bei spinnenden oder zweifach spinnenden Flugkörpern anwendbar.