DE2539457C2

DE2539457C2 - Verfahren und Steuersystem zum Eliminieren der Nutation eines Raumflugkörpers

Info

Publication number: DE2539457C2
Application number: DE2539457A
Authority: DE
Inventors: John Edward Princeton N.J. Kiegler; Ludwig Livingston N.J. Muhlfelder; Josef Siegfried Lafayette Hill Pa. Pistiner
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1975-09-04
Filing date: 1975-09-04
Publication date: 1982-07-01
Also published as: DE2539457A1

Description

τ =

Inn

τ =

2πη

20

eingeschaltet wird, wobei η eine ganze Zahl von ω_Π die Nutationsfrequenz ist.

2. Steuersystem für einen Raumflugkörper vom Doppeldralltyp mit einer Drallachse, einer von einem Drallglied entdrallten Plattform und einer charakteristischen Nutationsfrequenz, das zum Eliminieren einer Nutation verwendet wird, die durch eine nicht durch den Schwerpunkt des Flugkörpers gehende Schubkraft verursacht wird, mit einem im Flugkörper vorgesehenen Empfänger, der dem Flugkörper übermittelte Signale empfängt und in Abhängigkeit davon ein Ausgangssigna! erzeugt, sowie einem auf der Plattform angebrachten Triebwerk, das von dern Ausgangssignal des Empfängers gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal d^s Empfängers (13,14, 15, 16) das Triebwerk (12, 17, 18) während einer Betriebsperiode

einschaltet, wobei η eine ganze Zahl und a>„ die Nutationsfrequenz ist (Fig. 1).

3. Steuersystem für einen Raumflugkörper vom Doppeldralltyp mit einer Drallachse, einer von einem Drallglied entdrallten Plattform und einer charakteristischen Nutationsfrequenz, zum Eliminieren einer Nutation, die durch eine nicht durch den Schwerpunkt des Flugkörpers gehende Schubkraft verursacht wird, mit einer im Flugkörper vorgesehenen Detektoranordnung, die eine Abweichung von einer gewünschten Fluglage des Flugkörpers feststellt und in Abhängigkeit davon ein Ausgangssignal erzeugt, sowie einem auf der Plattform angebrachten Triebwerk, das von dem Detektorausgangssignal gesteuert wird und auf den Flugkörper die Schubkraft ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Detektoranordnung (19) eine logische Schaltung (15) verbunden ist, die in Abhängigkeit von der Fluglage-Abweichung ein logisches Steuerausgangssignal erzeugt, welches das Triebwerk für eine Betriebsperiode

2 η η

65 Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf Steuersysteme nach den Oberbegriffen der Ansprüche 2 und 3.

Wenn ein drallstabilisierter oder Doppeldvall-Raumflugkörper zur Steuerung seiner Fluglage, Flugbahn oder Geschwindigkeit durch Schubkräfte seiner hierfür vorgesehenen Triebwerke beaufschlagt wird, tritt das Problem einer als Nutation bezeichneten unerwünschten Kegelbewegung des Flugkörpers auf. Die Nutation wird durch ein Drehmoment auf Grund einer Schubkraft erzeugt, die längs einer nicht durch den Schwerpunkt des Flugkörpers verlaufenden Achse fehlgerichtet ist. Dieses Drehmoment hat etae Komponente unter einem rechten Winkel zu dem Gesamt-Drehimpuls oder Drallvektor des Flugkörpers.

Es sind bereits viele Systeme bekannt, die der unerwünschten Nutation entgegenwirken sollen. So gibt es Steuereinrichtungen für die Fluglage und/oder Flugbahn mit einer Kombination passiver Elemente, die so angeordnet sind, daß die Nutationsenergie verbraucht wird. Aus der US-PS 3 695 554 ist es beispielsweise be; einem Doppeldrall-Raumflugkörper mit einer entdrallten (drallfrei stabilisierten) Plattform bekannt, Nutation durch Änderung des Drehmoments eines Schwungrades in Abhängigkeit von einem Nutationsmeßsignal in einem geschlossenen Regelkreis zu beseitigen bzw. zu vermeiden, wobei durch eine entsprechende Masseverteilung des Flugkörpers bewirkte Kreuzprodukte der Trägheitsmomentvektoren ausgenutzt werden sollen. Andere bekannte Einrichtungen zur Steuerung der Fluglage oder Flugbahn wirken der Nutation des Flugkörpers durch äußere Kräfte spezieller Schubdüsen des Flugkörpers entgegen, die ebenfalls durch elektrische SigcJe von die Nutation erfassenden Fühlern betätigt werden. Alle diese bekannten Steuereinrichtungen sind unerwünscht aufwendig.

Aus der DE-AS 21 28 687 ist es an sich bekannt, an einem drallstabilisierten Flugkörper ein Triebwerk zum Erzeugen von Schubkräften so anzuordnen, daß es bei seinem Betrieb auf den Flugkörper keinerlei Kippmomente ausübt, die eine Einleitung von Präzessions- oder Nutationsbewegungen verursachen könnten. Zu diesem Zweck sollen die Schubkräfte eine senkrecht zur Drallachse stehende Ebene unter einem Winkel kleiner als 90° schneiden. Wenn hierbei die Betriebszeit einer nur axiale Schubkräfte erzeugenden Düse so gewählt wird, daß sie einer ganzen Anzahl von Drallperioden gleich ist, wird die Nutation am Ende des Schubintervalls auf ein Minimum reduziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die durch nicht durch den Schwerpunkt des Raumfahrzeugs gehende Schubkräfte zum Ändern der Fluglage, Umlaufbahn oder Geschwindigkeit verursachte Nutation zu eliminieren, ohne daß dafür ein unerwünscht hoher Steueraufwand erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Durch die Erfindung wird ohne besonderen Steueraufwand eine bleibende Nutation vermieden, die sich andernfalls infolge der erwähnten Schubkräfte ergeben würde. Eine Beschränkung auf Schubkräfte, die auf den

Schwerpunkt gerichtet sind, ist nicht erforderlich.

An Hand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. I eine schematische Darstellung eines entdrallten Flugkörpers mit einem Nutationssteuersystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Bahn, über die sich_ein Quer-Drallvektor h_x-_y(t) und der Drallvektor H des Flugkörpers im Koordinatensystem des Flugkörpers während der Zeit eines Zyklus der Flugkörpernutation bewegen können.

Bei einem auf einer Umlaufbahn befindlichen Flugkörper sind oft Änderungen der Fluglage, der Orientierung oder der Geschwindigkeit erforderlich, damit er einen bestimmten Auftrag erfüllen kann. Es kann sich dabei um einen mit seinem gesamten Körper rotierenden Flugkörper, einen Flugkörper vom Doppeldralltyp oder um einen »entdrallten« (drallfrei stabilisierten) Flugkörper handeln, der im letzteren Fall ein rotierendes Impulsrad (Schwungrad) enthält, welches von einem anderen Teil des Flugkörpers entdrallt ist. Beide Typen bewirken in an sich bekannter Weise eine Kreiselstabilisierung oder gyroskopische r.!eifheic. Rotierende, Doppeldrall- und entdrallte Flugkörper haben einen Gesamtdrallvektor H, der vorzugsweise längs einer der Hauptlrägheitsachsen (X, Y oder Z) des Flugkörpers ausgerichtet ist Der Drallvektor eines entdrallten Flugkörpers ist proportional zu der Winkelgeschwindigkeit des rotierenden Impulsrades und bei fehlender Nutation längs der Hauptachse gerichtet, um die sjch das Impulsrad dreht. Wenn der Gesamtdrallvektor H längs der Z-Achse gerichtet ist, liegen die X- und die V-Achse in einer Ebene quer zur Z-Achse. Die X- Y- Ebene wird als Querebene bezeichnet.

Wenn eine Änderung der Fluglage, Orientierung oder Geschwindigkeit des Flugkörpers gewünscht wird, werden an dem Flugkörper montierte Schubtriebwerke während einer vorbestimmten Zeit gezündet und damit die jeweils erforderlichen Kräfte bzw. das resultierende Drehmoment erzeugt. Die Fluglage kann auch auf Grund eir;s Drehmoments gesteuert werden, das auf den Flugkörper von einem Reaktionsrad ausgeübt wird, dessen Drehachse quer zu dem Hauptimpulsrad liegt. Wenn die Schubachse, d. h. die Achse, längs der die Schubkraft oder die das Drehmoment erzeugende Kraft gerichtet ist, nicht durch den Schwerpunkt des Flugkörpers verläuft, hat das resultierende Drehmoment Tdes Flugkörpers eine Komponente senkrecht zu dem Gesamtdrallvektor des Flugkörpers, so daß sich eine unerwünscht Nutation oder Taumelbewegung des Flugkörpers mit ein^r Frequenz ω_η ergibt. Die Nutationsfrequenz ω_π ist gegeben durch:

_// pad 1

7^<T" L sec J

(D

wobei H der Gesarntdrall des Flugkörpers, I_x das Trägheitsmoment des Flugkörpers um die X-Achse, die eine Hauptträgheitsachse in der Quersbene ist, und I_y das Trägheitsmoment des Flugkörpers um die K-Achse ist, die eine Hauptträgheitsachse senkrecht zu der X-Achse ist und ebenfalls in der Querebene liegt.

Vor der Nutation ist der Drallvektor Pf eines rotierenden oder eines entdrallten Flugkörpers vorzugsweise längs einer Hauptträgheitsachse, beispielsweise der Z-Ach;;c des Flugkörpers ausgerichtet. Wenn der Flugkörper einem eine Nutation bewirkender Drehmoment ausgest'/t 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 je nach dem Drehmomentv?ktor und der Schubdauer ändert Bei einem Flugkörper, der einerNutation unterworfen ist, hat der Gesamtdrallvektor 77 Drallkomponenten in einer Ebene quer zu der Drallachse. Minderen Worten bewegt die Spitze des Drallvektors H eines Flugkörpers, der einer Nutation unterworfen ist, sich von einem Ausgangspunkt entlang einem vorhersagbaren, geschlossenen Weg in dem X, Y, Z-Koordinatensystem des Flugkörpers. Gleichzeitig bewegt sich die Spitze der Drallachse des Flugkörpers, d. h. der Z-Achse (oder die Spitze des Vektors ω₂ der Flugkörperwinkelgeschwindigkeit), in einem kleinen Kreis um den Drallvektor //und kommt am Ende einer vorgegebenen Nutationsperiode zu dem Ausgangspunkt zurück. Die Nutationsperiode v, während der der Winkelgeschwindigkeitsvektor ω_ζ die geschlossene Bahn durchläuft und an den gleichen Punkt seines Umlaufzyklus zurückkehrt, ist gegeben durch

τ =

wobei hindurch die Gleichung (1)bestimmt ist. Wenn das Stördrehmoment an dem Ende der Periode r oder einem ganzzahligen Vielfachen davon beendet wird, wird die Restnutation des Flugkörpers auf ein Minimum herabgesetzt. Da die Periode τ bekannt ist, wird im folgenden eine Steuervorrichtung beschrieben, die eine Schubdüse oder eine ein Drehmoment erzeugende Einrichtung einschaltet, welche während einer einzigen Nutationsperiode oder einem ganzzahligen Vielfachen davon arbeitet, um die Nutation des Flugkörpers zu eliminieren.

In Fi g. 1 ist ein entdrallter Flugkörper 10 mit einem Impulsrad ti gezeigt, das sich im Gegenuhrzeigersinn um eine Hauptachse ('Z-Achse) des Flugkörpers mit einer Winkelgeschwindigkeit ωι dreht. Der Bitrieb des Flugkörpers 10 wird noch beschrieben. Fig. 2 ist eine grafische Darstellung des Drallvektors H, wenn der Flugkörper 10 einem eine Nutation bewirkenden Drehmoment T_x ausgesetzt ist. Die Z-Achse des Flugkörpers ist die Drallachse, um die das Impulsrad 11 rotiert. Wenn_äußere Stördrehmomente_fchlen, ist der Drallvektor H im wesentlichen gleich h_z, d. <i. mit der Z-Achse ausgerichtet. Der Betrag des Drallvektors Y, vor der Nutation ist durch folgende Gleichung gegeben:

h_z =

wobei ω/die Winkelgeschwindigkeit des Impulsrades 11 und Was Trägheitsmoment des Impulsrades 11 ist. Esist^ zu beachten, daß die Größe des Gesamtdrallvektors H im wesentlichen gleich der Größe des Drallvektors TT_Z ist, wenn die Quer-Drallkomponenten des Drallvektors 77 eine verhältnismäßig kleine Größe hr.ben.

Wenn eine Kraft F von einer Schubdüse 12 auf den Flugkörper 10 ausgeübt wird, bewirkt sie ein Stördrehmoment Γ, (das als Komponente des Gesamt-Drehrromentvekjtors F α 77 entlang der X-Achse definiert ist, wobei F der Positionsvektor der Kraft F und d der Positionsvektor senkrecht zu dem Abstand von_dem Schwerpunkt 0 des Flugkörpers zu rie.n Vektor F ist) um die Λ-Achse des Flugkörpers oder eine Achse quer zu der Drall- oder Z-Achse. Das Drehmoment T_x bewirkt einen sicm mit dir Zeit ändernden Drall in der X-V-Ebene des Flugkörpers, wie er in Fig. 2 als Quer-Dnillvektor 7F_r_, ftjdargestellt ist, der eine mit der

Zeit veränderliche Komponente entlang der X-Achse, d. h. die Komponente Ujt), und eine mit der Zeit veränderliche Komponente entlang der K-Achse, d. h. die Komponente WJOhai. Der Quer-Drallvektor h,-Jt) ist gleich der Vektorsumme von Ujt) + hjt). Größe und ί Richtung des Gesamtdrallvektors H ist gleich der Vektorsumme von

Ujt) + Ujt) + I₁(I).

Die Größe der sich mit der Zeit ändernden Drallkomponente hjt) entlang der X-Achse ist durch die folgende Gleichung bestimmt:

hit)

sin«,/

wobei Γ, die Größe des um die X-Achse wirkenden Drehmomentes, rdie Zeit (in Sekunden) gerechnet von dem Zeitpunkt, an dem das Drehmoment 7', anfanglich erzeugt wird, und o>_P die Nutationsfrequenz des Flugkörpers ist. die durch die Gleichung (1) definiert ist. Die Größe der sich mit der Zeit ändernden Drallkomponente Ujt) entlang der K-Achse ist durch folgende Gleichung gegeben:

kit) -

T₁

(1 -

(5)

wobei /, das Trägheitsmoment des Flugkörpers um die V Achse und /, das Trägheitsmoment des Flugkörpers um die X-Achse ist.

In einem entdrallten Flugkörper bewegt sich die Spit/c des Quer-Drallvektors h,-Jt) auf einer elliptischen Bahn als Funktion der Zeit in der X- K-Querebene. wenn das Trägheitsmoment /, und die X-Achse nicht gleich dem Drehmoment /, um die K-Achse ist. Aus den Gleichungen (4) und (5) ergibt sich, daß die Spitze des Quer Drallvektors h,. Jt) sich als Funktion der Zeit in einer kreisförmigen Bahn in der X-K-Querebene bewegt, wenn das Trägheitsmoment /, um die X-Achse gleich dem Trägheitsmoment /> um die K-Achse ist.

Die Ellipse Din F i g. 2 ist die elliptische Bahn, die die Bewegung des Quer-Drallvektors Ji₁-Jt) in der Zeit in Abhängigkeit von Periode und Größe des angelegten Drehmoments 7", beschreibt. Aus dieser Ellipse Dergibt sich, daß durch Wahl der Zeitdauer, während der die Kraft feder das resultierende Drehmoment T, angelegt wird gleich r die Größe des Quer-Drallvektors Έ,-Jt) auf ein Minimum herabgesetzt werden kann, da dessen Größe am Anfangspunkt O (F i g. 2) minimal ist.

Die Nutation des Flugkörpers, d. h. dessen auf einer Kegelfläche erfolgenden Bewegung wird oft durch den Halbkegelwinkel θ ausgedrückt, der gegeben ist durch:

(6)

55

wobei h,-y{t) der oben definierte Quer-Drall und h_z durch die Gleichung (3) definiert ist. Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, sind die Größe des Quer-Drallvektors Kr-Jt) und der Halbkegelwinkel θ am Punkt 0 ein Minimum.

Im folgenden wird auf F i g. 1 Bezug genommen. Ein Befehlssignal zum Einschalten der Schubdüse 12, die hierbei Brennstoff wie beispielsweise Druckgas aus einem Tank 17 während der durch die Gleichung (2) definierten bekannten Periode r erhält, wird von einer Bodenstation (nicht gezeigt) über eine Antenne 13 an einen Befehlssignal- oder Fernmeßempfänger 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 wahrend einer Zeitperiode in Betrieb sein, die durch die Impulsbreite des von der Rodenstation übertragenen Signals bestimmt wird. Der I-'ernmeßempfänger 14 kann ein an sich bekannter Empfänger sein, der das von der Bodenstation empfangene Signal verarbeitet und das verarbeitete Bodenstationssignal an eine logische Schaltung 15 überträgt. Die Trägheitsmomente /, und /, des Flugkörpers und die Größe lies Drallvektors entlang der /f-Achse (die durch die Gleichung (3) bestimmt ist) sind als Information in einer Speicherbank in der Schaltung 15 gespeichert. Die Schaltung 15 ist in an sich bekannter Weise so ausgeführt, daß sie die Gleichung (I) rechnet und ein logisches Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Fernmeßempfängers 14 erzeugt. Das logische Ausgangssignal der Schaltung 15 wird an die elektronische Zündschaltung 16 übertragen, die einen Zeitgeber (nicht gezeigt) aufweist und so angeordnet is' daß sie auf das Ausgangssignal der Schaltung 15 anspricht und die Schubdüse 12 während einer Periode reinschaltet oder zündet, wobei r 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 die 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 drosselgesteuerte 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 Bodenstation festgelegt oder erzeugt werden.

In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Schaltung 15 in an sich bekannter Weise so ausgeführt sein, daß sie die Betriebsperiode r der Schubdüse in Abhängigkeit von einem Signal eines Fluglagenfühlers 19 berechnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann man daher von einem Regelkreis sprechen.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß eine Steuervorrichtung angegeben wird, um die Nutation eines Flugkörpers auf Grund 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 Nutationsperiode ⁷^Za_n ist Obwohl eine Nutationssteuervorrichtung für einen entdrallten Flugkörper beschrieben wurde, ist sie im Prinzip auch bei rotierenden oder DoppeldraH-Fhigkörpern anwendbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Eliminieren der Nutation eines Raumflugkörpers vom Doppeldralltyp, der durch eine die Nutation verursachende, nicht durch seinen Schwerpunkt gehende Schubkraft zum Ändern seiner Fluglage, Umlaufbahn oder Geschwindigkeit beaufschlagt wird und eine Drallachse, eine von einem Drallglied entdrallte Plattform und eine charakteristische Nutationsperiode hat, wobei von einer Sensoreinrichtung am Flugkörper erzeugte Signale das Ein- und Ausschalten eines am Flugkörper angebrachten Triebwerks steuern, d a durch gekennzeichnet, daß das Triebwerk für eine Betriebsdauer

einschaltet, wobei π eine ganze Zahl und ω_η die Nutationsfrequenz ist.