DE3144073A1

DE3144073A1 - Leitwerk mit reduzierter bodenwindempfindlichkeit

Info

Publication number: DE3144073A1
Application number: DE19813144073
Authority: DE
Inventors: Walter Prof. Dipl.-Ing. Dr. 5060 Bergisch-Gladbach Diesinger
Original assignee: Dynamit Nobel AG
Current assignee: Dynamit Nobel AG
Priority date: 1981-11-06
Filing date: 1981-11-06
Publication date: 1983-05-19
Also published as: MX163263B; EP0078921A3; EP0078921B1; DE3276446D1; EP0078921A2

Description

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1 Troisdorf, den 5. Nov. 1981

OZ: 81070 (4091) Sc/Ce

DYNAMIT NOBEL AKTIENGESELLSCHAFT 5 Troisdorf, Bez. Köln

Leitwerk mit reduzierter Bodenwindempfindlichkeit

Die Erfindung befaßt sich mit einem Leitwerk der im OberlObegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Leitwerke bewirken die Längsstabilität ungelenkter Flugkörper. Bei gelenkten Flugkörpern wird in der Regel nur eine geringe Längsstabilität angestrebt, um die Längs-15steuerung zu erleichtern. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, einen instabilen Lenkflugkörper durch einen in die Steuerung eingebauten Regler künstlich zu stabilisieren

Die Stabilisierungswirkung eines Leitwerks kommt dadurch 20zustande, daß das Leitwerk bei Drehung des Flugkörpers aus der Flugrichtung heraus ein rückdrehendes Moment erzeugt, das so lange wirkt, bis der Flugkörper wieder in die Flugrichtung zurückgedreht ist. Dieses rückdrehende, die Störung beseitigende Moment um den Flugkörperschwerpunkt 25kommt dadurch zustande, daß das Leitwerk hinter dem Schwer-

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punkt des Flugkörpers angebracht ist und infolge der Auslenkung aus der Flugrichtung als Tragflügel wirkt. Ist der Auftrieb, d„h. die Stabilität groß, so wird die Störung schnell beseitigt, ist er klein, so erfolgt der Ausgleich der Störung nur langsam. Bei unsureichendem Leitwerksauftrieb vergrößert sich die Abt-reichung von der Flugrichtung, bis der Flugkörper nach einer gewissen Zeit "ausbricht" und die Flugkörperlängsachse um 90° gedreht zur Flugrichtung steht.

Bei hoher Längsstabilität wird eine momentane Abx-iäichung von der Flugrichtung zwar schnell beseitigt, nachteiligerx-ieise jedoch auch bei Bodenwind, d₀h_o hier bei Windkosapo·= nenten₉ die nicht in Flugrichtung wirken., Dies soll am Beispiel eines, in Plugrichtung gesehen_s von links wirken·= den Seitenwindes verdeutlicht werden. Dieser Wind bewirkt, daß der Flugkörper nicht mehr axial, sondern unter einem (in der Regel kleinen) Winkel von links mit der resultierenden Geschwindigkeit angeströmt wird» Aufgrund der oben geschilderten Wirkungsweise des Leitwerks wird der Flugkörper nun so lange in den Wind gedreht, bis die Seitenwindkomponente null geworden ist. Dies bedeutet aber eine Abweichung von der Abschußrichtung. Durch nur schifache Stabilisierung wird deshalb die Seitenwindempfindlichkeit reduziert.

Aus aerodynamischen Gründen nimmt die Wirksamkeit von Flügeln bei Unterschallströmung mit steigender Fluggeschwindigkeit zu, im überschall jedoch ab_o Bei ungelenkten Überschallflugkörpern muß deshalb das Leitwerk mindestens so groß sein, daß es auch zur Stabilisierung bei der Maximalgeschwindigkeit noch ausreicht, was bei den bekannten Leitwerken dann aber eine hohe Bodenwindempfindlichkeit zur Folge hat.

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Es ist bekannt, die Bodenwindempfindlichkeit zu reduzieren durch eine hohe Startbeschleunigung, weil dadurch die Überstabilisierungsphase kurz ist, oder durch Leitwerke, die nach dem Start so lange ganz oder teilweise geschlossen bleiben, bis der Flugkörper aufgrund der Instabilität auszubrechen beginnt. Auch Kombinationen beider Methoden sind bekannt.

Nachteilig sind hierbei im ersten Fall strukturelle und/ oder raketentechnische Probleme sowie eine reduzierte Flugweite, weil die höchste Fluggeschwindigkeit in Bodennähe, d.h. bei entsprechend hohem Luftwiderstand, erreicht wird, und im zweiten Fall der notwendige Einbau einer Aufklappverzögerung, die nur auf einen Seitenwind bestimm-15>ter Intensität und Dauer optimiert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leitwerk so zu gestalten, daß es bei der höchsten Fluggeschwindigkeit im Vergleich zur Startgeschwindigkeit besonders wirkungs-20voll ist, um ein festes oder ein unmittelbar nach dem Start aufklappendes Leitwerk verwenden zu können.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Zur Verstärkung des Druckausgleichs

25können die Flossen des Leitwerkes mit Durchbrechungen oder Ausnehmungen in ihrem außerhalb der Kontur des Flugkörpers liegenden, voll angeströmten Bereich versehen werden. Beispielsweise können diese als Perforationen ausgebildet sein, die im Bereich des dem Flugkörperrumpf zugewandten

30Endes der Flossen angeordnet sind. Dieser Durckausgleich hat zur Folge, daß der Auftrieb und damit die stabilisierende Wirkung des Leitwerkes vermindert werden. Da der Druckausgleich aus aerodynamischen Gründen bei geringer Fluggeschwindigkeit nach dem Start stärker als bei Uber-

35schallgeschwindigkeit ist, hat die erfindungsgemäße Maß-

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nähme zur Folge, daß ein solches Leitwerk "bei hohen Fluggeschwindigkeiten zwar auch noch schlechter wirkt als ein konventionelles, bei niedrigen Pluggeschwindigkeiten aber in angestrebter Weise besonders schlecht wirkt. Dies be-«- deutet aber, daß es weniger seitenwindempfindlich ist«,

Eine ifeitere besonders vorteilhafte Maßnahme zur Erzielung des Druckausgleiches zwischen Flossenober- und -Unterseite ist im Anspruch 2 angegeben. Unter dem Begriff "Streckung" ist dabei das Verhältnis aus dem Quadrat der Spannweite, dei Glossen zu deren Grundrißfläche zu verstehen,, Die sich an den freien Flossenenden ausgleichende Druckdifferenz zwischen Ober- und Unterseite führt zu einer Verminderung des Auftriebs, und zwar um so stärker, desto kleiner die Streckung ist» Auch dieser Einfluß hängt wiederum von der Fluggeschwindigkeit ab, und zwar in der Weise, daß bei der bestimmungsgemäßen maximalen Überschallgeschwindigkeit die mit der Verkleinerung der Streckung verbundene Änftriebsreduzierung relativ klein ist, während sie bei den geringen Fluggeschwindigkeiten nach dem Start vergleichsweise groß istο Um bei der Endgeschwindigkeit dennoch die gleiche stabilisierende Wirkung zu erreichen, muß daher die Fläche des erfindungsgemäßen Leitwerkes gegenüber einem konventionellen entsprechend vergrößert werden_o Wegen der sehr viel stärkeren Auftriebsreduzierung bei geringen Fluggeschwindigkeiten ist aber auch dann noch immer eine erhebliche Verminderung der Windempfindlichkeit gegeben« Als besonders vorteilhaft erweisen sich Leitwerke mit einer Streckung kleiner als 1, während konventionelle Leitwerke

JO im allgemeinen eine Streckung von etwa 2,5 bis 3 haben_o

Die Reduzierung des Windeinflusses durch Verwendung von Leitwerken kleiner Streckung kann bei konventioneller Bauifeise Schwierigkeiten bereiten, da dies zu Leitwerken 35führt, deren Tiefe oder axiale Erstreckung im Vergleich

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zu ihrer Spannweite groß ist. Dies erfordert ein entsprechend langes Heck des Plugkörpers oder ergibt Leitwerke, deren Spannweite innerhalb des Kalibers verschwinden würde und somit nicht mehr verwirklichbar ist.

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Erfindungsgemäß kann in diesen, aber auch anderen Fällen die Ausbildung des Leitwerks nach Anspruch 3 vorgesehen werden. Danach wird das Leitwerk in Einzelflügel aufgelöst, die ohne weiteres je für sich als Flügel kleiner Streckung ausgebildet werden können. Die Einzelflügel sind dabei nicht wie üblich am Rumpf befestigt, sondern in einem solchen seitlichen Abstand von diesem, daß auch ihre dem Rumpf zugekehrten inneren Enden voll der Luftanströmung ausgesetzt sind. Dadurch kommt es nicht nur zu einem Druckausgleich über die äußeren Enden, sondern zusätzlich auch über die inneren Enden der Flügel. Der letztere wird allerdings durch die stegförmige Halterung der Flügel und die endliche Breite des Zwischenraumes gegenüber dem theoretischen Wert vermindert, so daß die effektive Strekkung der Einzelflügel kleiner als ihre geometrische ist, was bei ihrer Auslegung zu berücksichtigen ist.

Die Reduzierung der Wirksamkeit eines Leitwerkes, und zwar bei Unterschallströmung stärker als bei Überschallströmung kann nach Anspruch 4 auch durch schlitzförmige Ausnehmungen innerhalb der Flossengrundrißfläche erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit ist im Anspruch 5 angegeben.

Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispieler schematisch gezeigt und wird anhand dieser nachstehend erläutert. Es zeigen jeweils in der Ansicht

Fig. 1 ein konventionelles Leitwerk, Fig. 2 ein Leitwerk kleiner Streckung,

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Fig. 3a und b Leitwerke mit Einzelflügeln, Figo 4a bis e Leitwerke mit Durchbrechungen,

Figo 5a und b Leitwerke mit perforierten Einzelflügeln

und

Fig. 6 ein Leitiferk mit gekippter Flüge !anordnung=

Figo 1 zeigt das Heck 1 eines Flugkörpers mit einem konventionellen Leitwerk großer Streckung« Die Flossen 2 weisen einen rechteckigen Grundriß mit der Spannweite b und der Tiefe 1 auf, wobei hier b = 3 1 ist«, Daraus ergibt sich für die Streckung als Quadrat der Spanm-feite, dividiert durch die Grundrißfläche der Faktor 3»

In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Leitwerk gezeigt, bei dem die Streckung im Unterschied dazu klein ist» Unter klein wird hier eine Streckung kleiner als 1,5 verstanden» Bevorzugt ist sie kleiner als 1» Im gezeigten Falle be-= trägt sie bei b = 1 gerade 1«

Bei dem in Fig. 3a gezeigten Leitwerk sind die Flossen 2 als Einzelflügel kleiner Streckung ausgebildet, die mit dem Rumpf 1 über jeweils einen Steg 3 verbunden sind_o Die Flossen 2 sind in einem solchen Abstand a vom Rumpf 1 und damit außerhalb der Kontur des Flugkörpers im Bereich seines Leitwerks angeordnet, daß sie in ihrer gesamten Erstreckung, d.h. auch mit ihrem inneren Ende 2" voll der Anströmung gemäß dem Pfeil A ausgesetzt sindo Die Strekkung ist hierbei b = 0,5 1 auf den Faktor 0,5 reduziert=

Das Leitwerk entspricht ansonsten dem herkömmlichen Aufbau, d.h. es besteht aus mindestens drei, vorzugsweise vier aber auch aus mehr als vier Flossen 2, welche im Fluge fest mit dem Rumpf 1 verbunden sind« Flossenhinter-

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kante und Rumpfhinterkante brauchen nicht in einer Ebene zu liegen. Bei Klappleitvrerken kann die Halterung 3 in bekannter Weise dreh- und verriegelbar am Rumpf 1 befestigi sein. Ein entsprechender Mechanismus kann auch an der Nahtstelle von Halterung 3 und Flosse 2 vorhanden sein. Aus aeroelastischen Gründen ist es von Vorteil, wenn die Halterung 3 so weit vorn an der Flosse 2 befestigt ist, daß diese durch die an sie angreifenden Auftriebs- und Widerstandskräfte unter entsprechender Verformung der Halterungen quasi mehr oder weniger in den Wind gedreht wird, d. h. ihr Anstellwinkel vermindert wird.

Fig 3b, die ebenso wie die weiteren Figuren der Einfachheithalber nur noch eine Teilansicht der Leitwerke wiedergibt, zeigt eine mit zwei Haltestegen 3 am Rumpf 1 im Abstand a, d.h. unter Belassung des Spaltes oder Zwischenraumes 4 befestigte Flosse 2.

Bei der in Fig. 4a gezeigten Variante wird der Druckausgleich durch eine sich in axialer Richtung erstreckende Perforation 5 erreicht, die bevorzugt im Bereich des Flossen-Rumpf-Übergangs angeordnet ist, jedoch auch in anderen Bereichen des Flossengrundrisses, wenn auch mit verringerter Wirkung, angeordnet werden kann.. Durch diese sich über die ganze Tiefe der Flossen erstreckende Perforation wird in vorteilhafter Weise näherungsweise eine Aufteilung des Gesamtleitwerkes in Einzelflügel kleiner Streckung erreicht. Auf diese Weise können, auch vorhandene konventionelle Leitwerke mit relativ geringem Aufwand abgeändert werden.

Fig. 4b zeigt eine Version, bei der anstolle der Perforation nach Fig. 4a ein hinten offener Längpschlitz 6 vorgesehen ist, der statt dessen aber auch vorn offen sein könnte oder gemäß Fig. 4c auch als an beiden Enden ge-

schlossener Schlitz 6' ausgeführt sein kann«, Auch hier wird wieder eine näherungsweise Aufteilung in Einzelflügel kleiner Streckung erreicht, die auch auf vorhandene konventionelle Leitwerke anwendbar ist =

Figo 4-d und e zeigen Varianten mit einer ähnlichen druckausgleichenden Wirkung, bei denen sich die schlitz=» oder dreieckförmigen Ausnehmungen 7, 7' im wesentlichen quer zur Längsachse des Flugkörpers, d_oh_o in Spanweitenrichtung der Flossen 2 erstrecken«,

Die verschiedenen Möglichkeiten des Druckausgleichs können auch miteinander kombiniert !-/erden, wie die Figo 5& und b mit Einzelflügeln 2, Stegen 5 raid Perforationen 5 zeigen, wenn sich z_oB» im Laufe der Auslegung eines Leitwerkes zeigen sollte, daß die Halterungen 3 den seitlichen Druck= ausgleich zu stark behindern*

In Fig_o 6 ist schließlich noch ein Leitwerk mit nach vorn gedrehten Flossen 2 gezeigt, bei dem diese mit ihrer einen Ecke 8 starr am Rumpf 1 befestigt sein können_o Dies entspricht Fig. 3a, wenn bei dieser ein gleitender Übergang zwischen Flosse 2 und Halterung 3 vorgesehen wird« Es ist aber auch eine Ausführung als Klappleitwerk mit dem Dreh-Kipp-Lager 9 möglich, bei dem in bekannter Weise die Flossen 2 zuerst um eine Achse parallel zur Flugkörperlängsachse aufgeklappt und dann nach vorn, oder je nach Anordnung gegebenenfalls auch nach hinten, gekippt werden» Damit erhält man ein auch im Hinblick auf die Abminderung der Leitwerkswirksamkeit durch den Abgasstrahl aerodynamisch günstiges Leitwerk«,

Die in den Fig. 2 bis 6 gezeigten Flossen besitzen, einen rechteckigen Grundriß, was jedoch keine Wotxirendigkeit ist, Insbesondere bei Klappleitwerken können sich aus baulichen

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Gründen auch andere Grundrisse ergeben. Die erfindungsgemäße Wirkung der Leitwerke, die Reduzierung der Bodenwindempfindlichkeit, ändert sich dadurch nicht.

Die gezeigten starren oder gleich beim Start aufklappenden erfindungsgemäßen Leitwerke ändern ihre Konfiguration der Einfachheithalber während des Fluges nicht. Es sind aber auch kompliziertere Leitwerke mit einem den bekannten verspätet aufklappenden Leitwerken vergleichbaren Aufwand möglich, welche eine noch weitergehende Reduzierung der Bodenwindempfindlichkeit ermöglichen. So kann z.B. bei der in Fig. 3a gezeigten Variante die Flosse 2 um die Achse des Steges 3 federnd drehbar gelagert sein. Dadurch wird bei der Lage dieses Drehpunktes - in Flugrichtung betrachtet - vor dem Angriffspunkt der Auftriebskraft an der Flosse 2 deren Anstellwinkel kleiner als der des Rumpfes sein, was eine effektive Reduzierung der Wirksamkeit des Leitwerkes, bedeutet.

Ungelenkte Flugkörper sind so ausgelegt, daß sie zum Ausgleich von Asymmetrien rotieren. Die Drehgeschwindigkeit um die Längsachse steigt mit der Fluggeschwindigkeit an. Die Fliehkraft oder der Staudruck können dazu benutzt werden, bei höheren Machzahlen die Leitwerksflächen z.B.

zu verriegeln. Entsprechend können Perforationen abgedichtet oder Leitwerksflossen z.B. bei einer "Version nach Fig. 6 an den Rumpf gedreht werden, um mit ansteigender Fluggeschwindigkeit den Stabilitätsreduzierenden Einfluß der kleinen Streckung verstärkt zu reduzieren oder gegebenenfalls auch ganz zu beseitigen.

Leerseite

Claims

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Troisdorf, den 5. Nov. 1981 OZ 81070 (4-091) Sc/Ce Patentansprüche:

1, Feststehendes oder aufklappendes Leitwerk für gelenkte oder ungelenkte Uberschallflugkörper, dadurch gekennzeichnet , daß die Flossen (2) des Leitwerkes zur Verminderung ihrer Wirksamkeit insbesondere zu Beginn der Flugphase derart ausgebildet sind, daß ein verstärkter Druckausgleich zwischen ihrer Ober- und Unterseite möglich ist«,

2o Leitwerk nach Anspruch 1₉ dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen (2) eine kleine Streckung, insbesondere eine Streckung kleiner als 1_$ aufweisen»

3ο Leitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen (2) als separate, unabhängig voneinander wirkende Flügel ausgebildet sind, die unter Belassung eines außerhalb der Kontur des Flugkörpers liegenden Zwischenraumes (4) im Abstand vom Flugkörperrumpf (1) angeordnet und mit diesem über x-zenigstens einen den Zwischenraum (4) überbrückenden Steg (5) verbunden sind.

4-e Leitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen (2) außerhalb der Kontur des Flugkörpers und vorzugsweise im Bereich ihres dem Flugkörper zugewandten Endes mit schlitzförmigen Ausnehmungen (6, 6') versehen sind.

5ο Leitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flossen (2) gekippt angeordnet und nur an einer Ecke (8) mit dem Rumpf (1) des Flugkörpers verbunden sind..