DE2743371C2 - Lenkeinrichtung zum Steuern der Flugbahn eines Flugkörpers - Google Patents

Lenkeinrichtung zum Steuern der Flugbahn eines Flugkörpers

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Description

Die Erfindung betrifft Servosysteme der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Wenn ein Flugkörper, beispielsweise eine Rakete, vom Boden gestartet bzw. abgeschossen wird, geht der Flugkörper von einer anfänglichen Startphase mit geringer Geschwindigkeit in eine anschließende Flugphase mit höherer Geschwindigkeit über. Eine vollständige Flugkörperlenkung oder -steuerung vom Start am Boden bis zum Ziel erfordert ein Steuer- bzw. Lenksystem, mit dem Nick-, Gier und Rollkorrekturen während des Fluges vorgenommen werden können. Der Flugkörper kann Ruder bzw. Seitenflossen und/oder Rückstoß-bzw. Schubdüsen aufweisen, die auf das Lenksystem ansprechen.
In der US-PS 33 04 029 ist ein Flugkörper mit festen Rudern und mehreren Rückstoßdüsen für die die Flugrichtung korrigierenden bzw. cinsleiibaren Strahi- oder Schubkräfte beschrieben.
Die US-PS 36 92 258 beschreibt eine »Vorrichtung zur Schubvektorsteuerung«, mit der »die Kosten, das Gewicht und der Luftwiderstand durch Umgehen großer aerodynamischer Ruder u;id komplizierter Befestigungseinrichtung zum Anbringen der Ruder wesentlich verringert werden können«.
In der US-PS 37 64 091 ist ein Lenk- und Antriebssystem für einen gelenkten Flugkörper beschrieben, bei dem die Schubvektorsteuerung des Antriebsschubs mittels einer regulierbaren Heckdüse vorgenommen wird. Dieser Flugkörper weist Ruder auf, die sich jedoch frei drehen können.
Bekannt sind auch Flugkörper, die jeweils ein voneinander getrenntes Rudersteuersystem und ein Rückstoß-bzw. Schubsteuersystem haben.
Aus der US-PS 32 86 95b ist ώΐη Raketensteuersystem bekannt, das sowohl mit beweglichen Rudern als auch in den steuerbaren Ruckstoßdüsen arbeitet. Die Ruder werden elektromotorisch, also mit Servomotoren betätigt, die das Gewicht und die Kosten der Lenkeinrichtung erhöhen.
In der DE-AS 11 72 156 ist ein Flugkörper beschrieben, der sowohl im Langsamflugbereich als auch im Schnellflugbereich annähernd gleich gut steuerbar sein soll und der hierzu sowohl über Steuerflächen wie über Düsen verfügt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lenkeinrichtung /um Steuern der Flugbahn eines Flugkörpers, der über Rückstoßdüsen und bewegliche Ruder verfugt, während der Flugphasc mit niedriger Geschwindigkeit und der I lugphase mit hoher Geschwindigkeit anzugeben, die leichter ist und einen geringeren Aufwand erfordert als bisher bekannte Lenkeinrichtungen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Mer';malc gelost
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranspruche,
Die Erfindung schafft ein .Servosystem für Rt'ickstol.'.-düsen und bewegliehe Ruder, mit dem eine Rück stoß-und Ruderlenkung eines Flugkörpers während tier Flugphasc mit geringer Geschwindigkeit und wahrem! der Flugphasc mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt wird. Das Servosystem besil/t einen Gasgenerator mr abgestufter Ciasabgabe, der eine relativ timl'e Gasmen-
ge kurz nach der Zündung und eine relativ geringe Gasmenge während des Dauerbetriebs bereitstellt. Mehrere voneinander unabhängige Betätigungseinrichtungen sind jeweils mit einem beweglichen Ruder verbunden, um die aerodynamische Ausrichtung des Ruders zu steuern. Ein Steuerventil steuert den zu der jeweiligen Betätigungseinrichtung strömenden Gasstrom. Jede Betätigungseinrichtung besitzt Verteiler-Absperrorgane bzw. -Ventile oder -Schieber, um den Gasstrom zu d\_n Schub- bzw. Rückstoßdüsen zu steile--». Πη Verteiler mit Strömungskanälen führt das vom Gasgenerator kommende Gas zu den jeweiligen Steuerventilen und Verteilerventilen. Ein Druckventil steuert den Gasstrom, der durch den Strömungskanal fließt, der den Gasgenerator mit den Verteilerventilen verbindet. Das Druckventil ist bei einem relativ hohen Gasdruck im Verteiler während einer großen Gasabgabe offen, so daß der ganze Strom zu den Verteilerventilen gelangen kann. Während der geringen Gasabgabe ist das Druckventil normalerweise geschlossen.
Die Erfindung schafft ein kombiniertes Servosystem für die Steuerung von Rückstoßdüsen und Seitenflossen bzw. Rudern, um eine getrennte Rückstoo- und Rudersteuerung eines Flugkörpers sowohl für die Flugphase mit hoher Geschwindigkeit als auch für die Flugphase mit niederer Geschwindigkeit zu erzielen. Das Servosystem stellt automatisch eine hohen Gasdruck bzw. eine große Gasmenge für die Rückstoßdüsensteuerung und einen niederen Gasdruck bzw. eine geringe Gasmenge für die Rudersteuerung bereit.
Das Servosystem besitzt einen Gasgenerator, der mit den Rückstoßdüsen und den Rudern in Verbindung steht. Der Gasstrom wird durch mehrere Betätigungseinrichtungen mit einem, zwei Flächen aufweisenden Kolben. Steuer-Absperrorganen bzw. -Ventilen und a einem Druck- bzw. Überdruckventil reguliert.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schnittperspektivische Darstellung eines gelenkten Flugkörpers von hinten, aus der der Aufbau und die Anordi^ng des F'luglenk-Servosystems hervorgeht, und
Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen des erfindungsgemäßen Servosteuersystems in zwei Arbeitsstellungen. 4j
Fig. I zeigt in schnittperspektivischer Darstellung ein Flugsteuer-Servosystem 10 für Flugkörper gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform. F.in Gasgenerator 11 mit abgestufter Gasabgabe (»stepped flow-rate« Gasgenerator) enthält ein Gefüge oder einen Einsatz 12 aus festem Treibstoff, der kurz nach Zündung durch einen Zünder 13 anfangs eine hohe Gasabgabe und nach Verstreichen eines bestimmten Zeitraumes eine kleinere Gasabgabe ermöglicht. Die Änderung bei der Gasabgabe wird durch Verändern der Brennfläche des Treibstoffs vorgenommen: Bei einer anfänglichen größeren Brennfläche ist die Gasabgabe hoch und bei einer kleineren Brt. rinfläche wird die Gasabgabe geringer Da das System mit im wesentlichen konstantem Druck arbeitet, ist die Trcibstoff-Abbrennge· m> schwindigkeit konstant.
F.s wird ein Trcibstoffcinsatz verwendet, welcher an einem EmIi- brennt. In der (nicht dargestellten) Oberfläche ch-s Einsatzes sind konzentrische Rillen oder Nuten vorgescl·· ". die dii: große anfängliche Brennflä- ··"> ehe bilden. Der Abstund /wischen den Nuten wird so gewählt, daß die gewünschte Brenndauer vorliegt. Wenn der Treibstoff /v. isu.cn den Rillen oder Nuten (oder den Rippen) verbraucht ist, wird die Brennfläche am Ende des verbleibenden T eibstoffzyünders auf eine Kreisfläche verringert. Diese Fläci.e bleibt konstant, wenn der Treibstoff in Längsrichtung des Zylinders allmählich verbrennt.
Dieses Verfahren ist in der Treibstofftechnik an sich bekannt und zum Verständnis der vorliegenden Erfindung ist daher eine weitere Beschreibung nicht erforderlich.
Das vom Gasgenerator 11 kommende Treibgas gelangt über eine Leitung 14 und ein Filter 15 in einen Verteiler 16 mit mehreren (noch im einzelnen zu bezeichnenden) Strömungskanäle, die zu den verschiedenen Teilen des Servosystems führen.
Um den Verteiler 16 herum sind mehrere Steuerventil-Magnete 17 angeordnet. Da der dargestellte Flugkörper vier Lenkruder 18 aufweist, sind auch vier Steuerventilmagnete 17 vorgesehen, von denen in Fig. 1 lediglich zwei sichtbar sind. Jeder Magnet steuert die Lage eines Ventiltellers oder -kegeis 19 eines Dreiwege-Steuerventils 20, das seinr :eits den Gassirom zu einer Betätigungseinrichtui.g bzw. eines Stellgliedes steuert, die bzw. das insgesamt mit dem Bezugszeichen 21 versehen ist. Die Betätigungseinrichtung 21 besitzt einen Zylinder 22 mit einem Kolben 23, dessen Kr 'benstange 24 eine Förderstange 25 halten. Die Kolbenstange 24 ist mit einem Ruder-Kurbelarm 26 verbunden, an dessen einem Ende eine Welle 27 befestigt ist. die das Ruder 18 halten und das Ruder bezüglich der Flugkörper-Längsachse drei.t.
Die Kammer 28 des Verteilers 16 steht mit einem auf Druck ansprechenden oder durch eine Feder vorgespannten Sicherheits- bzw. Überdruckventil 29 in Verbindung, welches den Treibgasstrom zu der Rückstoßdüse steuert, von der eine Auslrittsöffnung 31 in Fig. 1 dargestellt ist.
Fig. 2 zeigt die Teile des Servosystems 10 in schematischem Zusammenhang. Der Gasgenerator 11 steht, wie Fig. 2 zeigt, über die Leitung K mit der Kammer 28 des Verteilers 16 in Verbindung. Die Verteilerkammer 28 steht mit mehreren Kanälen 32, 33 und 3. in Verbindung, die das vom Gasgenerator U kommende Gas in verschiedene Richtungen leiten. Der Kanal 32 leitet das Treibgas in das Dreiwcge-Sleuerventil 20 mit dem Ventilkegel 19. Der Kanal 33 leitet das Treibgas zum Druckventil 29 und der Kanal 34 leitet das Treibgas zu anderen Dreiwege-Steuerventilen, die den Betätigungseinrichtungen 21 für die jeweiligen anderen Ruder 18 zugeordnet sind.
Der Ausdruck »Dreiwege-Steuerventil« bezeichnet ein Ventil mit drei Öffnungen (Einlaßöffnung. Zylinder und Auslaßöffnung). Dieses Dreiwege-Steuerventil läßt Gas von einer Zuführung (dem Einlaßkanal 32) /um Zylinder 22 durch, während es die Auslaßöffnung 35 schließt, oder es läßt Gas vom Zylinder 22 zur Auslaßöffnung 35 dur h. wenn es die Einlaßöffnung 32 schließt. Mit Ausnahme einer Zwischenstcllung kann also kein Gas von der Einlaßöffnung 32 zur Auslaßoff nung 35 gelangen.
F i g. 2 zeigt den Ventilkegel 19 in einer Ventilstellung, bei der die Ventileinlaßöffnung 36 geschlossen ist. Der Zylinder 22 ist über einen Kanal 37, der mit der Ventilkammer 38 in Verbindung steht, unc über die Auslaßöffnung 35 zum Außenraum hin offen.
F i g. 3 zci<?t den Ventilkegel 19 in einer Vcntilstcllun«, bei der die Auskißöl'fnuug 39 geschlossen ist. In uiesjr Ventilstellung kann Treibgas von der Einlaßöffnung 32 über die Ventilkammer 38 zum Kanal 37 sirömen. der
zur Kammer des Zylinders 22 führt.
Da das Rückstoß-Steuersystem eine vollständige Steuerung des Flugkörpers durchführen muß. ist ein Nick-. Gier- und Rollschuh erforderlich. Daher sind zwei Rückstoß-Steucrauslaßdüsen 31a und Mb für jeden Kolben 23 erforderlich, die in entgegengesetzten Richtungen wirken. Die beiden dem jeweiligen Kolben zugeordneten Düsen 31a und Mb erzeugen Schübe in denselben Richtungen, die die aerodynamische Anhebung der Ruder im weiteren Verlauf des Fluges hervorruft. Der vorgegebene Steuerbefehl an das Servosystem führt zu Schubsteucrkräftcn mit demselben Vorzeichen wie bei Durchführung der Ruderstcuerung.
Bei dem Rückstoß-Steuersystem werden Fördcrkol· bcn-Verteilerventilc 25a und 256 verwendet, die integraler Teil der Betätigungs-Kolbenstange 24 sind. Die Förderkolbenventile 25a und 256 sind in einer zylinderförmigen Verlängerung 41 des Zylinders 22 Vcrscnicuijär. Die uic Fördcrko'bcnvcniiic 25« und 25/r enthaltende. zylind;rförmige Verlängerung 41 steht mit einer Leitung oder einem Kanal 46 in Verbindung, die bzw. der zum Druck- bzw. Sicherheitsventil 29 führt. Der Aufgabe des Druckventils bzw. des durch eine Feder vorgespannten Sicherheitsventils 29 besteht darin, das Treibgas von der Leitung 33 zu den Rückstoß-Steuer7-Auslaßdüsen 31a und 316. sowie überschüssiges Gas vom Gasgenerator 11 nach außen zu führen.
Das Ventil 29 steuert auch den Gasgeneratordruck, indem eine veränderliche Öffnungsfläche vorgesehen ist. Der Ventilkegel 42 weist, wie dargestellt, eine Konusform auf und bildet eine veränderliche Öffnungsfläche zwischen der Konusfläche 43 und dem Ventilsitz 44. wenn sich der Ventilkegel entgegen der durch die Feder 45 hervorgerufenen Federkraft vom Ventilsitz wegbewegt. Das unter hohem Druck stehende Treibgas strömt vom Gasgenerator 11 durch die Verteilerkammer 28. die Leitung 33. das Ventil 29. wenn es offen ist. und die Leitung 46 in die zylinderförmige Verlängerung 41. um dann über die Rückstoß-Steuer-Z-Auslaßdüsen 31a oder 31 b nach außen abgegeben zu werden.
In jeder Betätigungsrichtung 21 kann der Kolben 23 auf zweifache Weise verschoben werden. Der Kolben 23 wird einmal durch das durch den Steuerventilkegel 19 und die Leitung 37 strömende Treibgas und zum anderen auch durch das Treibgas verschoben, das direkt von der Leitung 32 über einen Seitenkanal 47 kommt, der parallel zum Dreiwcge-Steuer-Magnetventil 20 liegt. Die kleinere Fläche 48 des Kolbens 23 wird also durch das durch den Seitcnkanal 47 einströmende Gas ständig nach oben gedrückt, wogegen das auf die größere Kolbenfläche 49 Druck ausübende Gas durch die durch den Elektromagneten 17 eingestellte Stellung des Ventilkegeis 19 geregelt wird. Infolgedessen ist die i Kraft, die den mit zw2i Flächen versehenen Kolben anzuheben versucht, wenn das obere Ende des Zylinders zum Außenraum hin offen ist. im wesentlichen gleich der Kraft, die den Kolben nach unten zu drücken sucht. wenn der auf beiden Seiten des Kolbens auftretende t-Druck gleich ist. Dieser Zustand liegt dann vor, wenn beide Seiten des Kolbens 23 über die Leitung 32 mit dem Gasgenerator 11 in Verbindung stehen.
Arbeitsweise
Der auf die größere Kolbenfläche 49 wirkende Gasdruck wird von dem durch einen Elektromagneten gesteuerten Ventilkegel 19 reguliert, der in einer sogenannten »PDM«-Arbeitsweise arbeitet. Der Ausdruck .PDMc ist eine Abkürzung für Impulsdatiermodu liilion (Pulse Duration Modulation). Bei diesem Steuerverfahren wird der Ventilkegel 19 mit konstanter Zyklusfrequenz zwischen dem Einlaß-Ventilsitz 36 und dem Ausl;ii>-Ventilsitz. 39 zyklisch hin- und herversehoben. die Ventilkegel Verweilzeit an den Ventilsitzen wird dabei jedoch durch Ändern des Erregungszeitrau mes iles Elektromagneten 17 gesteuert. Bei einer
ι PDM-Steuerung von 0% ist die Verwcil/.eit für beide Ventilsitze gleich groß, und im Zylinder 22 wird auf der Seite mil größerer Flache 49 des Kolbens 23 ein konstanter Druck aufrechterhalten. Wenn die PDM Steuerung von 0 zu —100% übergeht, wird die
, Verweilzeit am Einlaß-Ventilsitz 36 vergrößert, die Alislaßöffnung 36 bleibt langer offen, und es wird aiii diese größere Fläche des Kolbens im Zylinder 22 ein geringerer Druck ausgeübt. Bei einer PDM-Steuerung von — 100% befindet sich das Ruder 19 in der in F i g. 2 .{..__„,-.„Μ...., I „..„ rv..; b'jjlli .J;;<, Ruder lA'irjJ Ij^; di" Achse der Welle 27 herum im Uhrzeigersinn in die extremste Stellung gedreht. Das Kolbenventil 25;; liegt oberhalb der zur Düse 31a führenden Einlaßöffnung 51. wogegen das Kolbenventil 256 kein Gas zu der zur Düse 31a führenden Einlaßöffnung 52 hindurchläßt. Wenn die PDM-Steuerung von 0 auf + 100% übergeht, so erhöht sich die Verweilzeil des Ventilkegel 19 auf den Ventilsitz 39, die Einlaßöffnung 36 bleibt länger offen, und Jer auf die größere Fläche 49 des Kolbens 23 ausgeübte Zylinderdruck steigt an. Bei einer PDM Steuerung von -I-100% befindet sich das Ruder 18 in der in F i g. 3 dargestellten Lage. Das heißt, das Ruder 18 wird um die Achse der Welle 27 im Gegenuhrzeigersinn in seine extremste Stellung gedreht. Das Kolbenventil 25;) läßt kein Treibgas in die Einlaßöffnung 51 der Düse 316 hinein, wogegen das Kolbenventil 256 sich in einer Stellung befindet, in der (Jas in die Einlaßöffnung 52 der Düse 31 a einströmen kann.
Bei einer PDM-Steuerung von 0% ist die Verweilzeit des Ventilkegels 19 an den beiden Ventilsitzen 36 und 39 gleich lang, und ein konstanter Druck wird im Zylinder 22 aufrechterhalten. Der Kolben 23 nimmt daher im Zylinder 22 eine neutrale Stellung ein. und du-Kolbenventile 25a und 256 blockieren teilweise di>_ Einlaßöffnungen 51 und 52 zu den Düsen 316 bzw. 31a. in dieser neutralen Stellung ist das Ruder 18 in Längsrichtung zur Längsachse des Flugkörper^ ausgerichtet, so daß keine aerodynamische Wirkung auftritt. Wenn das Ventil 29 offen ist und Treibgas durch die Leitung 46 hindurchläßt. treten aus den Rückstoßdüscn in die jeweils entgegengesetzten Richtungen gleiche Gasmengen aus. so daß dadurch die Schübe auigehoben werden.
Wie bereits erwähnt, wird das zu dem Rückstoß-Steuer-/-Aus!aßsystem strömende Treibgas durch das Überdruckventil 29 gesteuert. Wenn der Druck im Verteiler ansteigt, öffnet sich das Überdruckventil 29 entsprechend und läßt Treibgas zu den Rückstoßsteuer-/-Auslaßdüsen durch. Der Gasgenerator 11 mit festem Treibstoff stellt bei Zündung und während der anfänglichen Fiugphase mit geringer Geschwindigkeit eine anfängliche hohe Treibgasmenge bereit. Nach dieser Flugphase stellt der Gasgenerator 11 während der Flugphase mit hoher Geschwindigkeit eine geringere andauernde Treibgasmenge bereit. Durch die anfängliche hohe Treibgasmenge ergibt sich ein relativhoher Druck im Verteiler, und das Überdruckventil 29 ist daher offen und läßt eine große Menge an Treibgas
zu den Rückstoßsteiier-'-Aiislaildusen durch. Während einem harten Kiiderausschlag in entsprechender Lage
des Dauerbetriebs schließt sich dann das I Iherdruckven- befinden, und um einen im wesentlichen konstanten
:.: 29 normalerweise wieder. Das I Iberdruckventil 29 ist Ciasjieiieriitordriick über dem in der l.mgehuny des
nur dann offen und laßt Treibgas durch, wenn die Flugkörpers herrschenden Hetriebstempcniturbereicli
Steuerventile sich bei einer harten Rudcrsiellung oder ί aufrechtzuerhalten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Lenkeinrichtung zum Steuern der Flugbahn eines Flugkörpers mit verstellbaren Rudern und ■; steuerbaren Rückstoßdüsen und mit einem Gasgenerator mit abgestufter Gasabgabe, der kurz nach der Zündung einen Gasstrom relativ hohen Drucks und während des Dauerbetriebs einen Gasstrom niedrigen Drucks bereitstellt und der über einen Verteiler und mehrere erste Strömungskanäle Gas an die Rückstoßdüsen liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ruder (18) mit voneinander unabhängigen pneumatisch verstellbaren Betätigungseinrichtungen (21) mechanisch verbunden sind, ;s die über zweite Strömungskanäle (33) und den Verteiler (28) mit dem Gasgenerator (11) in Strömungsverbindung stehen, daß die Betätigungseinrichtungen (21) ferner zwischen den ersten Strömungskanälen (32) und den Rückstoßdüsen (31a. 31ty angeordnete Verteilerventile (25a. 256^ umfassen, daß in den ersten Strömungskanäien (32) je ein Steuerventil (17, 20) angeordnet ist und daß ein Druckventil (29) vorgesehen ist, das den Gasstrom von dem Gasgenerator (11) zu allen zweiten Strömungskanälen (32) steuert, und das bei honem Gasdruck entsprechend ά·τ Betriebsphase kurz nach der Zündung geöffnet und bei niedrigem Gasdruck entsprechend der Dauerbetriebsphase geschlossen ist. jo
2. Lenkeinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzei.hnet. daß jede Betätigungseinrichtung
(21) einen in einem Zylind-r (22) untergebrachten Kolben (Z)) mit Doppclwirkung aufweist, jedes Steuerventil (17, 20) ein Magnetventil (20) mit einer j> Einlaßöffnung (36). einer öffnung (37) zum einen Ende des Zylinders (22) und einer Entlüftungsöffnung (35) aufweist, und das Ventil (20) so ausgebildet oder angeordnet ist, daß bei Sperrung der Entlüftungsöffnung (35) Gas vom Gasgenerator (11) zum Zylinder (22) und bei gesperrter Einlaßöffnung (36) Gas vom Zylinder (22) zur Entlüftungsöffnung (35) strömen kann.
3. Lenkeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende des Zylinders
(22) über einem Steuerventil-Überbrückungskanal
(47) mit dem Gasgenerator (11) in Verbindung steht, und daß die Kolbenfläche (49) an dem anderen Ende des Kolbens (23) derart im Verhältnis zu der Fläche
(48) an dem einen Ende des Kolbens bemessen ist. daß in beiden Bewegungsrichtungen des Kolbens eine im wesentlichen gleiche Kraft ausgeübt wird.
4. Lenkeinrichtung nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben (2i) über eine Kolbenstange (24) mit einem verstellbaren Ruder (18) verbunden ist. der Zylinder (22) eine Hauptkam mer. in der sich der Kolben (23) hin- und herbewegt, sowie eine zylinderförmige Verlängerung (41) aufweist, die die Kolbenstange (24) über einen wesentlichen Längenbercich derselben hinweg um gibt die Verteilerventile (25a, 25b) für jede Betätigungseinrichtung (21) Kolbcnventile aufweisen, die in tier /ylinderförmigen Verlängerung (41) des Zylinders (22) an der Kolbenstange (24) angebracht sind, wodurch der Gasstrom durch die ίϊ zylinderförmige Verlängerung (41) /ti ausgewählten Rückstoßdüsen (31a, Mb) synchron mit der durch den Kolben (2.3) und die Kolbenstange (24) bewirkten Verdrehung der verstellbaren Ruder (18) sperrbar ist.
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