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Einrichtung zur Höhensteuerung von geschleppten Flugkörpern
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Höhensteuerung von durch
ein mit eigenem Antrieb versehenen Fluggeräten mittels Seil nachgezogenen Schleppkörpern,
insbesondere Schleppzielen.
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Schleppkörper der genannten Art werden beispielsweise zur Zieldarstellung
für Schießübungen benutzt. Der Schleppkörper wird von bemannten oder auch unbemannten,
ferngesteuerten Fluggeräten mittels eines Seiles in einem ausreichenden Sicherheitsabstand
nachgezogen.
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Von besonderer Wichtigkeit ist für die Beschußübungen die Simulierung
tieffliegender Flugzeuge oder "Sea-Skimmer-Flugkörper"l sowohl über See als insbesondere
über Land. Über Land ergeben sich durch das Geländeprofil sowie Hindernisse anderer
Art für die Darstellung besondere Schwierigkeiten, die sich z. B. aus der erforderlichen
Schleppseillänge, der Schleppfluggeschmrindigkeit und der Ausbildung des Schleppkörpers
ergeben. Es soll einerseits für eine wirklichkeitsnahe Simulierung von Tieffliegern
das Schleppziel möglichst in geringer Höhe über Grund bewegt werden können und andererseits
mit Sicherheit eine unbeabsichtigte Boden- bzw. Wasserberührung vermieden werden,
da eine solche Berührung in den überwiegenden Fällen zur Zerstörung des Schleppzieles
führen.
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Es ist für die Zieldarstellung besonders wichtig, daß der Schleppkörper
einem Höhenprofil, entsprechend der Geländeformation zu folgen vermag.
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Höhensteuer- und Tragflächen, in der von Flugzeugen her bekannten
Art, sind für Schleppkörper> die entweder mit Nasen- oder Schwerpunktsangriff
des Schleppseiles von einem Schleppfluggerät nachgezogen werden, ungeeignet.
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Höhensteuerflächen der genannten Art allein bewirken z. B. bei einem
positiven Steuerausschlag eine Abtriebsbewegung am Schleppkörper, da der Schleppkörper
selbst keinen nennenswerten Auftrieb trotz entsprechender Anstellung durch die Steuerflächen
liefert. Tragflügel in Verbindung mit Ilöhensteuerflächen sind für derartige geschleppte
Flugkörper wegen der an diesen angreifenden Koppelmomente ungünstig.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung zu schaffen,
mit deren Hilfe auch herkömmlich ausgebildete Schleppkörper auf einfache Weise und
mit einfachen Mitteln Höhenänderungen ausführen können und die es erlaubt, den Schleppkörper
in gleichbleibender vorgegebener Höhe über ein Geländeprofil zu bewegen. Die Höhensteuerung
des Schleppkörpers soll dabei auch in gewissem Umfang unabhängig von Höhenänderungen
des schleppenden Fluggerätes gehalten werden.
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Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Schleppkörper zur Änderung seiner Flughöhe unabhängig vom schleppenden Fluggerät
den Luftwiderstand des Körpers in der Strömung verändernde, verstellbare Widerstandskörper
aufweist. Eine solche erfindungsgemäß ausgebildete Einrichtung erlaubt, Flugmissionen
durchzuführen, bei denen das Schleppziel
durch Höhenänderungen der
Geländeformationen in geringer Ilöhe folgen kann.
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Es kann sich dabei um in die Strömung ausfahr bare Vorsprünge in jeder
Art und Ausbildung handeln, mit denen eine Änderung des Widerstandes des Schleppkörpers
herbeigeführt werden kann. Die Erhöhung des Widerstandes z. B. hat eine Erhöhung
des Zugvektors über das Schleppseil und damit ein Steigen des Schleppkörpers zur
Folge.
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Für die weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Widerstandskörper zur Erzielung von positiven und negativen Höhenänderungen
eine Luftwiderstand erzeugende Neutralstellung einnehmen und von dieser aus In Stellungen
höheren bzw. geringeren Luftwiderstandes vorstellbar sind. Der Schleppkörper ist
in der Folge einer Variation der Widerstandsgröße sowohl in der Lage um eine vorgegebene
Höhenlage (Neutrallage) im Sinne des Steigens (Widerstandserhöhung) als auch im
Sinne des Sinkens (Widerstandsverminderung) eine Höhenänderung durchzuführen. Dadurch
ist die Anpassung des Flugprofils des Schleppkörpers an das Bodenprofil mit gleichbleibenden
Höhenabstand möglich.
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Nach einer weiteren wesentlichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dai3
die Betätigung der Widerstandskörper durch eine die Flughöhe des Schleppkörpers
selbsttätig in Abhängigkeit vom Profil der Erdoberfläche regelnde Einrichtung erfolgt.
Damit folgt der Schleppkörper selbsttätig mit gleichem oder annähernd gleichem vorgegebenen
Abstand einem Bodenprofil und simuliert, ohne die Gefahr einer Boden- bzw. Wasserberührung,
tieffliegende Flugzeuge oder dergleichen.
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Eine weitere Ausbildung der erfindungsgem äßen Einrichtung besteht
darin, daß das Schleppfluggerät einen, seine Ilöhe über Grund messenden und seine
Meßwerte als Vorgabe zusätzlich zu den Meßwerten des Höhenmeßsensors an die Regelanlage
zur Höhensteuerung des Schleppkörpers gebenden Höhenmesser aufweist. Die vom Sensor
des Schleppfluggerätes gemessenen Höhenwerte über Grund geben der Höhenregelanlage
einen Anhaltswert für die zu erwartende Veränderung des Geländes, das vom schleppenden
Fluggerät, entsprechend der Schleppseillänge, vor dem Schleppkörper überflogen wird.
Damit ist es möglich, z. B. bei unerwartet hohen Hindernissen oder Geländeerhebungen
ein geeignetes Höhensteuermanöver am Schleppkörper bereits in ausreichendem Abstand
vor dem IIindernis einzuleiten.
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Für die Durchführung eines raschen Höhenänderungsmanövers, beispielsweise
in Notfällen, ist ferner vorgesehen, daß der Schleppkörper zur Unterstützung eines
Höhenänderungsvorgangs einen Ballastbehälter mit Ballast und eine Einrichtung zum
Ablassen des Ballastes trägt. In Notfällen, in denen die normale Höhensteuerung
durch die Widerstandskörper nicht ausreicht, wird Ballast abgelassen, wodurch eine
Verminderung des Gewichtes des Schleppkörpers mit einer starken Erhöhung der Steiggeschwindigkeit
hervorgerufen wird.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt in einer Übersicht schematisch den gesamten Schleppzug,
bestehend aus Schleppfluggerät und geschlepptem Flugkörper in Verbindung mit der
Darstellung der am Schleppzielsystem wirkenden Kräfte, Fig. la zeigt den Schleppkörper
gemäß Fig. 1 in vergrößerten Maßstab,
Fig. Ib zeigt ein Vektordiagranim>
bezogen auf die am Sciileppkörper gemäß Fig. 1 und 1 wirkenden Kräfte, Fig. 2 zeigt
in einem Ausschnitt schematisch die Ausbildung der Verstelleinrichtung für die Widerstandskörper
am Schleppkörper in Mittelstellung, Fig. 2a zeigt die Verstelleinrichtung gesehen
von hinten auf den Schleppkörper gemäß Fig. 2 in einer aus der Neutralstellung ausgefahrenen
U'iderstands stellung, Fig. 3 zeigt schematisch den Schleppkörper in Verbindung
mit einer Ballasteinrichtung, Fig. 4 zeigt in einer Übersicht, schematisch dargestellt,
das Schleppzielsystem in Verbindung mit einem Geländeprofil, Fig. 5 zeigt in schematischer
Darstellung die Regeleinrichtung für die Höhenhaltung des Schleppkörpers.
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Die Fig. 1, la und lb zeigen das Schleppfluggerät 2, das mittels des
Schleppseiles 3 den Schleppkörper 4 nachzieht. Der Schleppkörper 4 wird vom Schleppfluggerät
durch eine Startvorrichtung 10 während des Anfluges ins Zielgebiet getragen und
erst dort in seine vorgeschriebene Ausfahrstellung zum Schleppfluggerät ausgefahren.
Das Ausfahren erfolgt in bekannter Weise durch Freigabe des Schleppkörpers 4 von
der Startvorrichtung 10 am Schleppfluggerät 2 und ein gebremstes Abspulen des Schleppseiles
3 von der Seiltrommel einer Schleppseilwinde, die sowohl am Schleppfluggerät als
auch am Schleppkörper angeordnet sein kann. Die Ausspulkraft wird durch den am geschleppten
Körper 4 angreifenden Luftwiderstand erzeugt.
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Der geschleppte Körper 4 hat hier die Form eines stromlinienförmigen
Körpers, an dessen lleck Stabilisierungsflossen 12 angeordnet sind. Ferner sind
am Ileck des Schleppkörpers 4 auf den Umfang gleichmäßig verteilt Widerstandsklappen
14 schwenkbar angeordnet. Diese Klappen 14 fiiliren ihre Schwenkbewegung um Schwenkachsen
15 am Schleppkörperheck aus, uiid zwar in der in den Figuren 2 und 2a gezeigten
Weise. F,s ist vorgesehen, daß die Widerstandsklappen 14 in ihrer Mittelstellung
eineii gewissen Widerstalld eraus möglich ist, den Widerstand sowohl zu erhöhen,
als auch zu vermindern, um damit ein Steigen bzw. Sinken des Schleppkörpers bewirken
zu können.
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Insbesondere die Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführung einer
Verstelleinrichtung, die einen Teil der Stellansteuerung 20 (Fig. 5) darstellt.
Die Stellansteuerung 20 ist Teil einer Regelanlage 40 (Fig. 5) für die selbsttätige
Regelung der Flughöhe des Schleppkörpers 4, die später noch näher beschrieben ist.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich, den Schleppkörper 4 durch Steuerbefehle
an die Stellansteuerung 20 von einer Bedienungsperson im Schlepplfugzeug bzw. am
Boden zum Beispiel durch Fernsteuerung bezüglich seiner Ilöhe ohne eine Regeleinrichtung
zu steuern.
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Die Stellansteuerung 20 weist einen Stellmotor 23, eine daran angeschlossene
Steuerstange 24, eine dazu konzentrische Führungshülse 25 und über Gelenke 27 bzw.
28 an den Widerstandsklappen 14 angreifende Stellarme 26 auf. Mit fl ist dabei der
Winkel der Mittelstellung der Widerstandsklappen 14 bezeichnet, von der aus positive
bzw. negative Ausschläge der Widerstandsklappen 14 (+ , ) erfolgen.
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In den Fig. 1, la und lb sind die am Schleppsystem angreifenden Kräfte
schematisch dargestellt. S bedeutet dabei die an der Schleppkörpernase 29 angreifende
Seilzugkraft, W die im Scliw erpunkt angreifende Widerstandskraft und mit G ist
das Gewicht des Schleppkörpers 4 bezeichnet. Ferner sind noch die an der Schleppkörpernase
29 bzw. am SchleppkörpPrheck angreifenden Auftriebskräfte AN bzw. AL, sowie die
Seilzugkraft S' bei ausgefahrenen Widerstandsklappen angegeben. Mit EI ist die Flughöhe
des Schleppkörpers 4 und mit # 1I die Differenzhöhe, bei einer Änderung des Widerstandes
W am Schleppkörper 4 bzw. einer Verminderung des Gewichts desselben, eingetragen.
Schließlich stellt # W den Zusatzwiderstand , hervorgerufen durch die Widerstandsklappen
14, dar.
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Wie die Fig. 4 und 5 erkennen lassen, enthält die bereits erwähnte
Regelanlage 40 die bereits beschriebene Stellansteuerung 20 in Verbindung mit einem
Vergleicher 41, dem die Soll-Höhe HSoll und die Ist-Ilöhe HIst des Schleppkörpers
4 in Form entsprechender Signale eingegeben werden. I)el er Vergleichei 41 bildet
das Signal für die Regelabweichung der Regeleinrichtung 40. Die Soll-Höhe wird im
Vergleicher 41, entsprechend den Gelädebedingungen v:>rgegeben.
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Sie kann vor dem Flug fest eingestellt oder während des Fluges vom
I>iloten des Schleppflugzeuges über eine Telecommand-Verbindung verändert werden.
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Das die Regelabweichung darstellende Signal g wird, wie iiblich, an
ein Verstärkerglied 43 und von dort an die Stellansteuerung 20 gegeben. Die Steltungsrückführung
45 arbeitet mit einer Ilöhenmeßsonde 46, die an den Vergleicher 41 angeschlossen
ist und die Ist-Höhe HIst des Schleppkörpers 4 mißt. Der Stellantrieb 20 greift,
wie in den Fig. 2 und 2a beschrieben, an den Widerstandsklappen
14
zur Verstellung im Sinne einer Erhöhung bzw. Verminderung des Luftwiderstandes an.
Die Regelabweichung E ist ferner über ein Vorhalteglied 47 an einen Komparator 48
gelegt. Gleichzeitig liegt am Komparator 48 ein die zeitliche Änderung der Regelabweiciiung
g auf einen Maximalwert begrenzendes Signal an. Der Komparator 48 gibt das gebildete
Signal bei entsprechender Aussteuerung an eine Ballas teinr iclitung 51.
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Wie Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 5 erkennen läßt besteht die I3allasteinrichtung
aus einem Ballastbehälter 61, der mit Wasser gefüllt werden kann, einer Ablaßleitung
65, einem Ablaßventil 63 und einem Druckspeicher 64. Wie gestrichelt eingezeichnet,
kann an Stelle des Druckspeichers 64 eine in den Ballastbehälter 61 mündende Druckleitung
66, unter Zwischenschaltung eines verstellbaren Ventils 62, vorgesehen sein. Die
Druckleitung 66 ist bis zur Spitze des Schleppkörpers 4 geführt und besitzt dort
eine in der Strömung liegende Öffnung 67. Mittels der Staudruckwirkung bzw. der
Wirkung des Druckspeichers wird eine Schnellentleerung des Ballastbehälters 61 bewirkt.
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In Fortsetzung der Beschreibung der Wirkung der Regelanlage 40, wird
mit Hilfe des entsprechenden Signals vom Komparator 48 über die Stellansteuerung
53 die Ventilklappe des Ablaßventils 63 bzw. des Ventils 62 geöffnet und der Ballast
abgelassen.
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Die Zusammenhänge für die Höhensteuerung des Schleppkörpers durch
Ausfahren bzw. Einfahren der Widerstandsklappen 14 ist nachfolgend erläutert.
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Zur Höhenänderung des Schleppkörpers 4 wird der Widerstand an diesem
durch die ausfahrbaren Widerstandsklappen 14 künstlich erhöht. Hierdurch wird ein
Anwachsen
der Seilzugkraft S hervorgerufen. Durch die wid erstand sb edingte Zunahme des Zugvektors
5 tritt ein Steigen des Schleppkörpers ein, und zwar so lange, bis der Zugvektor
in seiner Richtung soweit gedreht wird, daß sich wieder Gleichgewicht bezüglich
der Vertikalen einstellt.
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Wie aus Fig. 1 entnommen werden kann, ergibt sich bei VernachLässigung
des induzierten Widerstands anteils die Beziehung
In der Beiwertschreibweise ergibt sich aus der vorangehenden Beziehung bei Vernachlässigung
des ohnehin geringen Nasenauftriebs AN
woraus gemäß Fig. 4 für die Ilöhendifferenz # H zwischen dem Schleppfluggerät 2
und dem Schleppkörper 4 näherungsweise folgt HF H=Lcos wobei L die Schleppseillänge
darstellt.
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Die vorstehende Angabe gilt streng genommen nur für ein gewichtsloses
und widerstandsfreies Schleppseil. Tatsächlich ist die Seilkrümmung im Bereich des
Schleppkörpers 4 etwas größer, als in Fig. 4 dargestellt.
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Zur prinzipiellen Erläuterung der Verhältnisse füf die Höhenänderung
ß II sind die oben gemachten Annahmen jedoch zulässig.
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Mit
folgt
Höhenänderungen # 11 ergeben sich nun durch Äiidei'ung der Seillänge
und des Zusatzwiderstandes ( # CW) und durch Ballastabwurf mit Verminnderung des
Gewichtes G. In der angegebenen Forrn wirkt sich sowohl eine Widerstandserhöhung
als auch eine Gewichtsreduzierung insofern aus, als dadurch eine Reduktion der llöhendifferenz
und somit ein Steigen des Schleppkörpers 4 eintritt.
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Um nun mit einem Schleppzielsystem gemäß der vorliegenden Erfindung
eineii Konturen-Flug (Terrain-Following) und z. B. sinusförmige Höhenänderung simulieren
zu können, ist es sinnvoll die Widerstandsklappen 14 auf einen bestimmten Winkelbetrag
vor voreinzustellen und diese Widerstandsstellung als sogenannte Nullstellung zu
definieren, wie bereits beschrieben. Anderungen des Klappenausschlages um diese
Mittelstellung bewirken eine Widerstandserhöhung bzw. eine Widerstandsverminderung.
Das bedeutet, daß der Ausdruck (CW0 + #CW) folgendermaßen definiert werden kann:
Hierbei soll # CW1 (#) sowohl positive als auch negative Werte annehmen können.
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Bei der Höhenhaltung für den Schleppkörper 4 muss die in Fig. 5 angegebene
Regelabweichung E möglichst zu Null gemacht werden. Für # erhält man: #= HSoll -
HIst
I)iese Beziehung zeigt die wesentlichen Einflußgrößen auf die Regelabweichung £
In
dem in Fig. 5 schematisch dargestellten Höhenhaltungsregelkreis, kann die Soll-höhe
lISoll vor dem Start oder während des Fluges von Bord des Schleppflugzeuges 2 aus
über eine Telecommand-Verbindung vorgegeben werden. Die tatsächliche Höhe des Schleppkörpers
4 wird an Bord desselben durch den EIöhenmeßsensor 46 (z. B. Radar-Ilöhenmesser)
bestimmt. Aufgrund der festgestellten Regelabweichung g erfolgt ein entsprechender
Widerstandsklappenausschlag ?7 + bzw. qt - von der Mittelstellung el = o aus und
es wird dadurch ein Steigen oder Sinken des Schleppkörpers 4 bewirkt. Die tatsächliche
Höhe Hlst wird z. B. dem Piloten des Schleppflugzeuges 2 zurückgemeldet. In Fällen,
in denen die Geschwindigkeit der Regelabweichung E unvorhergesehen zu hohe Werte
annimmt (wie z. B. in der Nähe eines Geländehindernisses), wird eine Betätigung
des Ballastventils 62 bzw. 63 bzw. der Klappe 67 vorgenommen und der Ballast (z.
B. Wasser) abgelassen bzw. über die Leitung 65 bzw. 66 zur Unterstützung des Ablaßvorganges
ausgeblasen.
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Die Steiggeschwindigkeit des Schleppkörpers 4 wird in Verbindung mit
einem entsprechenden Ausschlag der Widerstandsklappen 14 dadurch erheblich gesteigert.
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Die vorstehend beschriebene Einrichtung ist äußerst einfach und unkompliziert.
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Die Einrichtung läßt sich sowohl bei geschleppten Flugkörpern als
auch bei Unterwasserschleppkörpern einsetzen. Es ist bewußt auf größeren Aufwand
an Meßgeräten und Regelgliedern verzichtet.