DE2730751A1 - Aerodynamische steuerflaeche mit integriertem schubvektor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Steuer- und Antriebssysteme für Geschosse und insbesondere eine Steuerung für solche Flugkörper mit Rückstoß- und aerodynamischen Steuerkräften.

Herkömmliche Geschosse weisen Schwanzsteuerflächen auf, die um allgemein rechtwinklig zur Körperachse des Geschosses verlaufende Achsen bewegbar gelagert sind. Den Steuerflächen sind Stellmotore zugeordnet, die sie um ihre jeweilige Achse drehen. Die Stellmotore werden von der zentralen Steuerung des Geschosses betätigt. Während des Flugs des Geschosses auf einer zur Körperachse kollinearen Flugbahn liegen die Schwanzsteuerflächen mit ihrer Profillängsachse ("chord") parallel zur Flugbahn. In dieser Lage weisen die auf die Steuerflächen wirkenden aerodynamischen Kräfte keine Neigung auf, die Lage des Flugkörpers zu ändern. Ist eine Lageänderung erforderlich, werden die Steuerflächen bezüglich der Achse des Geschoßkörpers und damit bezüglich der Windumströmung verdreht. Die durch das Auftreffen der Windströmung auf die Oberfläche der Schwanzflächen erzeugten aerodynamischen Kräfte enthalten eine Komponente, die rechtwinklig zur Körperachse gerichtet ist und somit das zum Drehen des Geschosses erforderliche Moment liefert. Die koordinierte Einstellung der Schwanzflächen durch die Steuerung lässt sich daher benutzen, um die Lage und die Flugbahn des Geschosses zu steuern.

In der Boostphase eines typischen Geschosses ist der Wirkungsgrad der Schwanzflächen sehr gering. Um einen sicheren Abschuß zu gewährleisten und den reduzierten Wirkungsgrad der Steuerflächen auszugleichen, werden Geschosse herkömmlicherweise beim Abschuß mit Ballast versehen, um einen aerodynamisch stabilen Luftrahmen ("air frame") herzustellen. Dies bewirkt jedoch nach dem Ausbrennen der Booster eine höhere als die erforderliche Stabilität bei entsprechender Verringerung der Nutzlast und einer Roll-Gier-Verkopplung während der ersten Flugmanöver.

Ein bekanntes Verfahren, die Steuerung während des Boosterbetriebs zu verbessern, ist, die aerodynamische Steuerung mit einer Rückstoßsteuerung zu ergänzen, bei der der Schub eines Rückstoßmotors wie bspw. eines Düsenmotors ausgenutzt wird, um das zum Drehen des Geschosses erforderliche Moment zu erzeugen. Derzeit bekannte Rückstoßsteuerungen für Geschosse erfordern für die drei Steuerkanäle jeweils einen eigenen Rückstoßmotor (Bewegung um die Längs- bzw. Quer- bzw. Hochachse). Damit die Steuerung wirksam wird, müssen die Rückstoßmotore jeweils eine eigene Stellvorrichtung oder eine Schubrichtungslenkung aufweisen. Beide Methoden sind in ihrem praktischen Nutzen beschränkt, da sie teuer und/oder kompliziert sind.

Die Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung benutzen verhältnismäßig billige, konstantbrennende Rückstoßmotore, die jeweils einheitlich mit den Steuerflächen ausgeführt sind, um deren Steuerwirkungsgrad insbesondere während der Boosterphase zu verbessern. Ohne Anstellung der Steuerflächen trägt der Schub des Rück- stoßmotor nur zum Vortrieb des Geschosses entlang der Körperachse durch das Hauptantriebssystem des Geschosses bei. Die Steuerwirkung für jeden Steuerungskanal erhält man, indem man die Steuerfläche mit den vorliegenden Stellmotoren um ihre Drehachse dreht. Als Ergebnis lässt die integrierte Rückstoß- und aerodynamische Steuerung sich in vorhandene taktische ballistische Geschosse bei einem Minimum an Änderungen der Konstruktion und damit zu minimalen Kosten aufnehmen.

Die Benutzung einer solchen integrierten Rückstoß- und aerodynamischen Steuerung während der Boosterphase erlaubt einen Abschuß mit einem aerodynamisch instabilen Luftrahmen. Im Fall eines ausbrennenden Raketenmotors erlaubt dies einen neutralstabilen Luftrahmen nach dem Ausbrennen des Motors. Bei einem solchen neutralstabilen Luftrahmen lässt die Nutzlast eines Geschosses sich um 50 100% erhöhen. Weiterhin erlaubt die Rückstoßsteuerung in der Boosterphase ein Wendendes Geschosses auch in der Boosterphase, da die Roll-Gier-Kopplung steuerbar wird. Dies ist eine wesentliche Besonderheit für ein schnell reagierendes Geschoßsystem und ist von besonderer Wichtigkeit für einen vertikal abzuschießenden Flugkörper.

Die Erfindung soll nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

Fig. 1 ist eine Skizze eines Geschosses mit nach der vorliegenden Erfindung in die Schwanzsteuerflächen eingebauten Rückstoßmotoren;

Fig. 2 ist eine schematisierte Darstellung der Steuerung des in Fig. 1 gezeigten Geschosses;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch eine der Schwanzsteuerflächen der Fig. 1 auf der Linie 3-3 nach dem Anstellen durch einen Stellmotor um Wenden des Geschosses;

Fig. 4 ist eine teilweise aufgebrochene Darstellung, die einen weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.

Die Fig. 1 ist eine Skizze eines Geschosses 10 nach der vorliegenden Erfindung, in dem ein zylindrischer Geschoßkörper 12 an einem Ende ein Nutzlastabteil bzw. einen Geschoßkopf 14 und am anderen Ende einen Hauptantrieb wie bspw. einen Raketenmotor 16 aufweist. Die Achse des zylindrischen Körpers 12 ist als Achslinie 18 dargestellt. Der Motor 16 liefert dabei seinen Schub kollinear mit der Achse 18.

Die Schwanzsteuerfläche 20 ist um die Achse 22 drehbar am Körper 12 gelagert. Die Schwanzsteuerfläche 20 enthält einen in sie eingebauten Rückstoßmotor wie einen Raketenmotor 24. Der Motor 24 kann ein in sich abgeschlossener Raketenmotor oder eine Düse sein, die an eine andere Druckgasquelle - wie bspw. den Hauptantriebsmotor 16 - angeschlossen ist. In beiden Fällen ist nur erforderlich, dass der Motor 24 auf der Steuerfläche 20 befestigt oder einteilig mit ihr ausgeführt ist, so dass der Schub des Motors 24 kollinear mit der Profillängsachse ("chord") der Steuerfläche 20 verläuft. Die Steuerflächen 26, 28 weisen die in sie eingebauten

Motore 30 bzw. 32 auf und sind wie die Steuerfläche 20 drehbar am Körper 12 befestigt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, werden die Schwanzsteuerflächen 20, 26 und 28 von Stellmotoren 34, 36 und 38 gesteuert, die am oder im Körper 12 gelagert sind. Bei Betätigung des Stellmotors 34 wird bspw. die Steuerfläche 20 und damit der Motor 24 um die Achse 22 gedreht. Die anderen Schwanzsteuerflächen werden auf die gleiche Weise bewegt. Das Geschoß ist hier mit drei äquidistant um den unteren Teil des Körpers 12 herum angeordneten Schwanzsteuerflächen gezeigt. Andere Anordnungen der Schwanzsteuerflächen lassen sich leicht vorsehen, wenn im Einzelfall für das vorliegende Geschoß oder die zu berücksichtigenden Bedingungen erforderlich.

Die Wirkung einer Drehung der Schwanzsteuerfläche auf die Flugbahn des Geschosses 10 läßt sich aus der Fig. 3 heraus verstehen, bei der es sich um einen Schnitt durch die Steuerfläche 20 auf der Linie 3-3 der Fig. 1 nach einer Drehung der Steuerfläche durch den Stellmotor 34 handelt.

Die Flugrichtung ist mit dem Pfeil A entlang der Achse 18 gezeigt, der Schub des Motors 16 durch den Pfeil B, der auch die Richtung der relativen Windumströmung angibt. Die Windstromkraft C, die auf die Steuerfläche 20 wirkt, ist im rechten Winkel zu deren Oberfläche gerichtet und damit rechtwinklig zur Profillängsachse der Steuerfläche, die entlang der Linie 40 verläuft. Die Komponenten der Kraft C sind als Widerstandskraft D, die das Geschoß verlangsamen will, und eine Seitenkomponente E dargestellt, die durch die Spitze der Achse 22 wirkend ein Moment auf den Körper 12 aufbringt, so dass dieses um eine Achse drehen will, die durch den (nicht gezeigten) Drehmittelpunkt des Geschosses verläuft. Es ist einzusehen, dass die koordinierte Drehung der Steuerflächen 20, 26 und 28 dazu verwendet werden kann, um die Flugbahn des Geschosses 10 zu steuern, so lange die Seitenkomponente der Kraft E ausreichend groß ist. Diese Art einer aerodynamischen Steuerung ist für ihre geringe Wirksamkeit bei geringer Umströmungsgeschwindigkeit berüchtigt, d.h. während der Boostphase des Abschusses, und zwar infolge der relativ geringen aerodynamischen Kraft C. Diese geringe Wirksamkeit der Schwanzsteuerflächen lässt sich teilweise durch die in Fig. 2 gezeigte Steuerschaltung ausgleichen, die das Ausmaß der Drehung der Steuerflächen um ihre Achsen während der Boostphase vergrößern kann. Schwierigkeiten mit der Ansprechgeschwindigkeit und der begrenzten Bewegung begrenzen aber auch die Wirksamkeit dieser Kompensation. Auf jeden Fall aktiviert die Steuerschaltung 42 die Stellmotore ansprechend auf Informationen bzw. Befehle, die die Lagenfühler 44 im Geschoß und die Bodenkontrolle 46 liefern, die teilweise außerhalb des Geschosses vorliegen können.

Wie wiederum in Fig. 3 zu ersehen, wird die aerodynamische Kraft, die man durch Drehen der Steuerfläche 20 in der Windumströmung erhält, durch die Wirkung eines dauerbrennenden Rückstoßmotors 24 verstärkt. Der Schub des Motors 24 verläuft auf der Profilachsen- linie 40 und ist als Kraft F dargestellt. Die Komponenten der Kraft F sind die zusätzliche Vortriebskraft G, die sich zum Schub des Hauptantriebs 16 addiert, und die Seitenschubkomponente II, die eine Rückstoßkraft auf den Körper 12 ähnlich der aerodynamischen Komponente E aufbringt, um den Körper 12 mit einem Moment zu beaufschlagen, das die Flugbahn des Geschosses ändert.

Da die Motoren 24, 40 und 32 (Fig. 2) entlang den Profiltiefenachsen der Steuerflächen 20, 26 und 28 wirken, steuert die Steuerschaltung 42 die von der aerodynamischen und der Rückstoßsteuerung aufgebrachten Momente gleichzeitig, ohne dass zusätzliche Steuerschaltungen erforderlich wären, um die Rückstoßmotore zu steuern. Diese beiden Steuerwirkungen, die mit Vorteil der Beeinflussung durch die gemeinsame Steuerschaltung und den Stellmotor unterliegt, ergänzen einander betrieblich. Bei geringen Geschwindigkeiten und daher niedrigen aerodynamischen Kräften liefern die Rückstoßmotore des erforderlichen Schubs, um die Richtung des Geschosses zu bestimmen, während dessen Schwanzsteuerflächen zu diesem Zweck gedreht werden. Wenn die Geschwindigkeit zunimmt und damit auch die aerodynamischen Kräfte auf Werte steigen, die für die Richtungssteuerung des Geschosses ausreichen, werden die Rückstoßkräfte nicht mehr gebraucht und können verringert oder abgeschaltet (bspw. durch Abbrennen) werden.

Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung, mit der der letztgenannte Effekt sich erreichen lässt. In dieser Seitenansicht der Steuerfläche 20, die unter Steuerung durch die Steuerschaltung 42, wie sie oben zur Fig. 2 beschrieben ist, um eine Achse 22 gedreht werden kann, ist der Rückstoßmotor 24 als sich verjüngende Brennstoffcharge ("tapered charge") dargestellt, so dass der Schub mit der Brennzeit abnimmt. Diese Schubabnahme geht mit dem Anwachsen der aerodynamischen Steuerkraft bei zunehmender Geschwindigkeit des Geschosses nach dem Abschuß einher, so dass die Steuerkräfte für eine vorgegebene Lage der Schwanzsteuerfläche 20 unter dem Einfluß des zugeordneten Stellmotors 34 und der Steuerschaltung 42 konstanter bleiben. Infolge dieses Aspektes der Erfindung verbessert sich die Steuerstabilität und die Anforderungen an die Steuerung insgesamt werden weniger streng.

Obgleich oben spezielle Anordnungen einer aerodynamischen Steuerfläche mit integriertem Schubvektor nach der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, um die Art und Weise zu erläutern, auf die die Erfindung nutzbringend verwendet werden kann, ist einzusehen, dass die Erfindung auf diese Einzelheiten nicht beschränkt ist. Folglich soll die Erfindung alle Modifikationen und Äquivalente umfassen, die für den Fachmann einsichtig im Rahmen der Ansprüche liegen.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Steuern des Flugs eines Geschosses um die Längs-, Quer- und Hochachse, wobei das Geschoß eine Vielzahl von Schwanzsteuerflächen aufweist, die die Flugführung des Geschosses steuern und auf dessen Äußerem schwenkbar gelagert sind, gekennzeichnet durch eine Stellmotoranordnung, die mit den Schwanzsteuerflächen gekoppelt ist, um deren Winkelstellung zu steuern, eine Steuerschaltung, die die Stellmotoranordnung betätigt, und einen dauerbrennenden Rückstoßmotor, der in jeder Schwanzsteuerfläche angeordnet ist und eine Rückstoßkraft entlang der Oberfläche liefert, die eine Schubkomponente allgemein quer zu den Flugachsen des Geschosses aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückstoßmotor mittels der zugeordneten Steuerflächenstellmotoranordnung bewegbar ist, damit der Schub in der von der Stellmotoranordnung und der Steuerschaltung bestimmten Richtung liefert.

3. Geschoß, gekennzeichnet durch einen zylindrischen Geschoßkörper, eine entlang der Achse des Körpers zum Vortrieb des Geschosses wirkende Hauptantriebseinrichtung, eine Vielzahl von Schwanzsteuerflächen, die außerhalb des Körpers schwenkbar an diesem gelagert sind und um eine zur zylindrischen Oberfläche des Körpers rechtwinklige Achse schwenkbar sind, um die Flugrichtung des Geschosses aerodynamisch zu steuern, durch einen jeder Schwanzsteuerfläche zugeordneten Stellmotor, der die Winkelstellung der Schwanzsteuerfläche relativ zum Geschoßkörper einstellt, eine Steuerschaltung die die Stellmotore betätigt, um den Flug des Geschosses zu steuern, und einen mit jeder Schwanzsteuerfläche einheitlichen und in ihr gelagerten dauerbrennenden Rückstoßmotor, der mit der Schwanzsteuerfläche drehbar ist, um Schub entlang deren Profillängsachse zu liefern, die aerodynamische Steuerung des Geschosses zu unterstützen und Drehkräfte auf den Körper bei Abwesenheit von aerodynamischen Kräften zu erzeugen.

4.Geschoß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückstoßmotor so geformt ist, dass die Schubstärke sich mit der nach der Zündung verstrichenen Zeit ändert.

5. Geschoss nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückstoßmotor so geformt ist, dass der Schub mit der nach der Zündung verstrichenen Zeit abnimmt.

6. Geschoß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückstoßmotor so geformt ist, dass er die aerodynamischen Kräfte auf der zugehörigen Schwanzsteuerfläche ergänzt, so dass der Schub mit zunehmenden aerodynamischen Kräften abnimmt.

7. Vorrichtung zur Steuerung des Flugs eines Geschosses, die im wesentlichen, wie oben unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, aufgebaut ist und arbeitet.