DE3204477C1 - Flugkörper mit Hilfsflüssigkeitssystem - Google Patents

Description

• Der beschleunigungsabhängig erzeugte Systemdruck wird gemäß Anspruch 3 zweckmäßigerweise durch einen Druckkolben verstärkt, über den sich die vom Flugkörper mitgeführte Nutzlast (gemäß Anspruch 4) vorzugsweise auf der Flüssigkeitssäule abstützt Bei einer Kombination mit der Staudruckbeaufschlagung ist dieser Druckkolben gemäß Anspruch 5 zur Erhöhung der Staudruckwirkung vorzugsweise als Differenzkolben ausgebildet, der auf seiner größeren Kolbenfläche dem Staudruck ausgesetzt ist Um den Systemdruck unter Berücksichtigung der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsänderungen des Flugkörpers zu steuern und sicherzustellen, daß die auftretenden Drucksteigerungen vor allem bei einer zusätzlichen Staudruck- und Druckkolbenbeaufschlagung der Hilfsflüssigkeit einen aus Festigkeitsgründen vorgegebenen oberen Grenzwert nicht überschreiten, gibt es die Möglichkeit, z.B. die Länge und die Längenänderungen der Flüssigkeitssäule entsprechend zu wählen oder nacheinander unterschiedlich große Zusatzmassen oder vom Staudruck beaufschlagte Druckangriffsflächen zur Wirkung zu bringen. Eine in dieser Hinsicht besonders zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, den Verdrängungshub des Druckkolbens gemäß Anspruch 6 auf einen Teil des Hilfsflüssigkeitsvolumens zu begrenzen, um zu erreichen, daß die durch den Druckkolben bewirkte Systemdrucksteigerung im letzten Teil der Antriebsphase, wo im allgemeinen die höchsten Beschleunigungswerte erreicht werden, nicht mehr wirksam ist.
• Nach der bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gemäß den Ansprüchen 7 und 8 schließlich wird eine durch den Treibstoffabbrand und den Hilfsflüssigkeitsverbrauch bedingte Schwerpunktverlagerung des Flugkörpers weitgehend vermieden, wobei die Treibstoff-und Hilfsflüssigkeitsmasse relativ zueinander und zum Flugkörperschwerpunkt derart anzuordnen sind, daß im Falle einer Druckverstärkung über einen Druckkolben auch die durch die Hubbewegung des Druckkolbens und der zugeordneten Zusatzmasse bewirkte Massenverschiebung Berücksichtigung findet.
• Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, die in schematischer Darstellung einen Flugkörper mit einem Hilfsflüssigkeitssystem zeigt.
• Der Flugkörper 2, der an seinem in Flugrichtung F vorderen Ende die Nutzlast 4 enthält, wird durch den im hinteren Flugkörperabschnitt angeordneten Kurzzeit-Strahlantrieb 6 hoher Leistungsdichte, welcher aus einer mit einem Feststoff-Treibsatz 8 bestückten Brennkammer 10 und einer dieser nachgeschalteten Schubdüse 12 besteht, auf hohe Beschleunigungswerte und Endgeschwindigkeiten gebracht. Zu Lenkzwecken ist ein Hilfsflüssigkeitssystem 14 vorgesehen, das zum Antrieb einer oder mehrerer Schwenkdüsen oder -ruder, bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aber zur Sekundäreinspritzung über mehrere, in die Schubdüse 12 mündende, in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Steueröffnungen 16 mit vorgeschalteten, elektrisch betätigten Steuerventilen 18 dient, wodurch sich eine asymmetrische Schubstrahlverteilung erzielen und somit die Richtung des Düsenschubs bezüglich der Flugkörper-Längsachse verändern läßt.
• Gelagert ist die Hilfsflüssigkeit in zwei in Flugrichtung F vor der Brennkammer 10 angeordneten, konzentrischen Vorratskammern 20, 22, zwischen denen eine zylindrische, am brennkammerseitigen Ende von Verbindungsöffnungen 24 durchsetzte Zwischenwand 26 liegt. Die äußere, ringförmige Vorratskammer 22 steht mit den einzelnen Steuerventilen 18 über mehrere Druckleitungen 28 in Verbindung, die -geschützt vor den hohen Brennkammertemperaturen -durch den Feststoff-Treibsatz 8 verlaufen und jeweils einen Druckregler in Form eines Druckminderventils 30 sowie einen nachgeschalteten, flüssigkeitsgetriebenen Elektrogenerator 32 enthalten.
• In Flugrichtung vor den Vorratskammern 20,22 liegt ein Differenzdruckkolben 34, dessen kleinerer, an der Zwischenwand 26 geführter Kolbenabschnitt 36 die zentrale Vorratskammer 20 dichtend verschließt und die Nutzlast 4 trägt, während die größere Kolbenfläche 40 über eine an der Flugkörperspitze ausgebildete Staudrucköffnung 42 fluggeschwindigkeitsabhängig druckbeaufschlagt ist. Der Ringraum zwischen dem größeren Kolbenabschnitt und der äußeren Vorratskammer 22 ist durch eine Auslaßöffnung 44 entlüftet.
• Unter Einbeziehung der Druckleitungen 28 bildet das Hilfsflüssigkeitssystem 14 somit eine in Flugrichtung F vor dem Hilfsflüssigkeitsverbraucher 16, 18 liegende, langgestreckte Flüssigkeitssäule, deren Höhe h selbst nach Verbrauch des in den Vorratskammern 20, 22 gelagerten Hilfsflüssigkeitsvolumens immer noch der Länge der Druckleitungen 28, also bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in etwa der Gesamtlänge von Brennkammer 10 und Schubdüse 12, entspricht Aufgrund dieser speziellen Lagerung des Hilfsflüssigkeitsvolumens, nämlich durch Druckleitungen 28 getrennt von und in Flugrichtung F vor dem Hilfsflüssigkeitsverbraucher 16,18, baut sich unter der Wirkung der Flugkörperbeschleunigung ein der Höhe h der Flüssigkeitssäule entsprechend hohes Druckniveau an den Steuerventilen 18 auf, das für die Sekundäreinspritzung der Hilfsflüssigkeit in die Schubdüse 12 genutzt wird.
• Dabei liefert der Differenzdruckkolben 34, der zwar selbst eine möglichst kleine Zusatzmasse bildet, über den aber die Nutzlast 4 auf das Hilfsflüssigkeitsvolumen einwirkt, eine zusätzliche, beschleunigungsabhängige und überdies auch noch eine fluggeschwindigkeitsabhängige Druckverstärkung, welch letztere aus der entsprechend dem Kolbenflächenverhältnis erhöhten Staudruckwirkung resultiert.
• Diese kombinierte Druckerzeugung garantiert bereits zu Beginn der Beschleunigungsphase eine leistungsstarke Druckförderung zum Hilfsflüssigkeitsverbraucher. Damit jedoch der Systemdruck gegen Ende der Beschleunigungsphase, wo Fluggeschwindigkeit und -beschleunigung ihren Höchstwert erreichen, nicht einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt, also die Behälterwände des Hilfsflüssigkeitssystems 14 nicht überdimensioniert werden müssen, ist der Verdrängungshub des Differenzdruckkolbens 34 auf den der inneren Vorratskammer 20 entsprechenden Teil des Hilfsflüssigkeitsvolumens begrenzt, so daß die Druckverstärkungswirkung des Kolbens 34 und der Nutzlast 4 in der Beschleunigungs-Endphase aufhört und der restliche Teil des Hilfsflüssigkeitsvolumens in der äußeren Vorratskammer 22 dann nur noch unter der Wirkung der an der Flüssigkeitssäule angreifenden Massenträgheitskraft beschleunigungsabhängig unter Druck gesetzt wird. Die Staudruckbeaufschlagung -allerdings ohne Zwischenschaltung von Differenzdruckflächen - bleibt jedoch für dieses Restvolumen erhalten, und zwar mit Hilfe einer ringförmigen Stülpmembran 46, die, anders als in der Zeichnung der Deutlichkeit halber dargestellt ist, glattflächig an den Begrenzungswänden der Vorratskammer 22 anliegt und über eine Zwischenleitung 48 zunächst mit der Auslaßöffnung 44 verbunden, nach Erreichen der Hubendlage des Differenzdruckkolbens 34 aber mit dem über die Drucköffnung 42 einwirkenden Staudruck beaufschlagt ist. Anstelle der Stülpmembran 46 kann natürlich auch ein in der Vorratskammer 22 geführter Ringkolben vorgesehen sein.
• Die Druckminderventile 30 dienen zur Steuerung des an der Verbraucherstelle 16, 18 wirksamen Hilfsflüssigkeitsdrucks, wobei die Steuerventile 18 derart betätigt werden, daß sich das Hilfsflüssigkeitssystem mit einem kontinuierlichen Mengendurchfluß entleert, der von den Steuerventilen 18 entsprechend der gewünschten Richtung des Schubvektors, gegebenenfalls auch über eine Ringleitung 100, unterschiedlich auf die verschiedenen Steueröffnungen 16 aufgeteilt wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß die Elektrogeneratoren 32 ständig elektrische Hilfsenergie liefern und außerdem die Hilfsflüssigkeitsmenge kontinuierlich und synchron zum Abbrand des Feststofftreibsatzes 8 abnimmt, was dazu ausgenutzt wird, übermäßige Verlagerungen des Gesamtschwerpunktes S des Flugkörpers 2 in der Antriebsphase zu vermeiden. Einer durch den Treibstoffabbrand bedingten Verschiebung des Flugkörperschwerpunktes S in Flugrichtung F nach vorn wirkt nämlich zum einen der gleichzeitige und kontinuierliche Verbrauch des in Flugrichtung F vor dem Flugkörperschwerpunkt S gelagerten Hilfsflüssigkeitsvorrates und zum anderen die Rückwärtsbewegung der durch die Nutzlast 4 (und den Druckkolben 34) gebildeten Zusatzmasse entgegen, so daß durch geeignete Anordnung des Hilfsflüssigkeitsvorrates eine weitgehende Stabilisierung des Flugkörperschwerpunktes S erreicht wird.
• Je nach Anwendungsfall ist es natürlich auch möglich, auf eine Druckverstärkung durch eine von der Flugkörper-Nutzlast gebildete Zusatzmasse zu verzichten und/oder den gesamten Hilfsflüssigkeitsvorrat ohne die gestufte Druckkolbenwirkung in einer einzigen Vorratskammer zu lagern, die bis zum vollständigen Entleeren kontinuierlich der Druckverstärkungswirkung des eventuell auch einfach, d. h. ohne die Differenzdruckflächen, ausgebildeten Druckkolbens ausgesetzt ist. Auch läßt sich das in Flugrichtung F langgestreckte Hilfsflüssigkeitssystem zur Druckversorgung anderer Hilfsflüssigkeitsverbraucher, z. B. zum Antrieb von Schwenkdüsen oder -rudern, verwenden.
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Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Flugkörper mit einem aus einer Brennkammer und einer dieser nachgeschalteten Schubdüse bestehenden Strahlantrieb einschließlich eines Treibstoffvorrates sowie einem zu Steuerzwecken insbesondere in der Antriebsphase des Flugkörpers verbrauchten, druckbeaufschlagten Hilfsflüssigkeitsvorrat, dadurch gekennzeichnet, daßdieHilfsflüssigkeit in Form einer in Flugrichtung (F) langgestreckten Flüssigkeitssäule (20, 22, 28; h) im Flugkörper (2) gelagert und eine hilfsenergiefreie, durch Massenträgheitskräfte in der Beschleunigungsphase bewirkte Druckförderung der Hilfsflüssigkeit vorgesehen ist.
2. 2. Flugkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckförderung der Hilfsflüssigkeit zusätzlich eine fluggeschwindigkeitsabhängige Druckbeaufschlagung mittels Staudruck vorgesehen ist
3. 3. Flugkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckförderung der Hilfsflüssigkeit durch einen in Flugrichtung (F) vor der Flüssigkeitssäule (20, 22, 28) angeordneten, als Zusatzmasse auf diese einwirkenden Druckkolben (34) verstärkt ist
4. 4. Flugkörper nach Anspruch 3, mit einer vom Flugkörper mitgeführten Nutzlast, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzlast (4) die auf die Flüssigkeitssäule (20, 22, 28) einwirkende Zusatzmasse des Druckkolbens (34) bildet.
5. 5. Flugkörper nach Anspruch 3 oder 4 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkolben (34) als auf der größeren Kolbenfläche (40) mit dem Staudruck beaufschlagter Differenzkolben ausgebildet ist
6. 6. Flugkörper nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungshub des Druckkolbens (34) auf einen Teil (20) des Hilfsflüssigkeitsvolumens (20,22) begrenzt ist
7. 7. Flugkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem in der Antriebsphase kontinuierlichen und zum Treibstoffvorrat (8) synchronen Milfsflüssigkeitsverbrauch die Hilfsflüssigkeitssäule- (20, 22, 28) im Flugkörper (2) derart angeordnet ist, daß der gemeinsame Schwerpunkt von Treibstoff- und Hilfsflüssigkeitsvorrat an oder nahe dem Gesamt-Massenschwerpunkt (S) des Flugkörpers verbleibt.
8. 8. Flugkörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwerpunkt des Hilfsflüssigkeitsvorrates (20, 22) und der des Treibstoffvorrates (8) auf gegenüberliegenden Seiten des Flugkörperschwerpunktes (S)angeordnet sind.

   Die Erfmdung bezieht sich auf einen Flugkörper der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art.

   Bei derartigen Flugkörpern ist für die Hilfsflüssigkeit, die etwa zum Antrieb von querschuberzeugenden Schwenkdüsen oder -rudern oder als Steuerfluid zur schubvektorsteuernden Schubstrahlablenkung mittels Sekundäreinspritzung benötigt wird, ein eigenes Druckfördersystem erforderlich, das mit einer Treibgasbedrückung oder einer Elektro- oder Turbopumpenförde- rung der Hilfsflüssigkeit arbeitet. Der Hauptnachteil solcher Fördersysteme liegt in ihrem Verbrauch an Hilfsenergie, die entweder der schubwirksamen Treibstoffenergie des Strahlantriebes, etwa durch eine Reaktionsgasabzapfung der Brennkammer, entzogen oder aber durch einen gesonderten Fremdenergiespeicher gedeckt werden muß, und weiterhin in dem hohen Bau- und Gewichtsaufwand im Falle einer Pumpenförderung, während sich bei einer Reaktionsgasbedrükkung der Hilfsflüssigkeit zusätzlich die Heißgasproblematik komplizierend auf die Bauweise des Hilfsflüssigkeitssystems auswirkt.

   Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Flugkörper der beanspruchten Art zu schaffen, der ein wesentlich vereinfachtes Hilfsflüssigkeitssystem mit einem geringstmöglichen Verbrauch an zusätzlicher Treibstoff- oder Fremdenergie aufweist.

   Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den in Anspruch 1 gekennzeichneten Flugkörper gelöst.

   Bei dem erfindungsgemäßen Flugkörper wird die in der Antriebsphase wirksame Triebwerksenergie ohne Beeinträchtigung des spezifischen Impulses auf direktem Weg in eine Hilfsflüssigkeits-Druckförderung umgesetzt, die völlig frei von einer aufwendigen Pumpenförderung oder Treibgasbedrückung der Hilfsflüssigkeit und vor allem ohne jeglichen Hilfsenergiebedarf in der Weise arbeitet, daß der zu Steuerzwecken an der Verbraucherstelle geforderte Systemdruck selbsttätig und allein durch den zur Überwindung der Massenträgheitskräfte ohnehin benötigten Triebwerksschub aufgrund der speziellen Lagerung der Hilfsflüssigkeit als langgestreckte Flüssigkeitssäule erzeugt und bei entsprechender Länge der Flüssigkeitssäule und unter Berücksichtigung der starken Beschleunigungen von Flugkörpern dieser Art ein hohes Druckniveau erreicht wird, was erfindungsgemäß für eine wesentlich vereinfachte und vor allem energie- und gewichtsgünstige Druckförderung der Hilfsflüssigkeit ausgenutzt wird.

   In besonders beovrzugter Ausgestaltung der Erfindung ist zusätzlich zu der durch Massenträgheitskräfte bewirkten Druckförderung eine Staudruckbeaufschlagung der Hilfsflüssigkeit vorgesehen. Durch diese Kombination von einerseits beschleunigungs- und andererseits fluggeschwindigkeitsabhängiger Druckförderung wird neben einer Verstärkung des Systemdrucks in baulich einfacher und energiegünstiger Weise sichergestellt, daß das Hilfsflüssigkeitssystem gewünschtenfalls auch noch nach dem Ende der Beschleunigungsphase funktionsfähig bleibt.