DE3443804C2 - Optische Zielvorrichtung für mit großer Geschwindigkeit fliegende Flugkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft optische Zielvorrichtungen bzw. Lenkvorrichtungen oder Visiervorrichtungen für Flug­ körper bei sehr hohen Geschwindigkeiten.

Fluide Medien setzen der in ihnen stattfindenden Bewe­ gung von Körpern einen Widerstand entgegen. Dieser Wider­ stand hängt im wesentlichen von der Art des Mediums, der Relativgeschwindigkeit des Körpers zu dem Medium und der Form des Körpers ab. Er hat insbesondere einen Energie­ verbrauch zur Folge. Für mit hoher Geschwindigkeit flie­ gende Flugzeuge ist es z.B. erforderlich, dem Rumpf und den verschiedenen abstehenden Teilen eine Profilform zu geben, sogenannte aerodynamische Formen, um der Vor­ wärtsbewegung einen möglichst geringen Widerstand ent­ gegenzusetzen. Ein schlecht profilierter Körper, der z.B. Neigungsunstetigkeiten aufweist, verursacht einen erhöhten Luftwiderstand, im wesentlichen aufgrund des Erscheinens von abgelösten Strömungszonen, in denen Gegenströmungen und Wirbel auftreten.

Zu den abstehenden Elementen gehören Radome oder Ver­ kleidungen, die lichtdurchlässig sind und verschiedene optische Zielsysteme aufnehmen. Unter einem optischen Zielgerät werden hier Lichtsendesysteme auf Laserbasis o.dgl. ebenso wie Photoempfängersysteme verstanden. Diese Systeme können insbesondere zur Zielerkennung oder zur Lenkung von Flugkörpern verwendet werden. Sie befinden sich entweder an Bord des Flugzeugs bzw. Flug­ körpers oder sind in eine Haube eingebaut, die in der englischen Literatur als "pod" bezeichnet wird und im allgemeinen an der Unterseite des Flugzeugs befestigt ist.

Unter Berücksichtigung der Manövrierfähigkeit der Flug­ geräte, insbesondere Jagdflieger, wird von dem opti­ schen Visier- bzw. Zielgerät gefordert, daß es ein weites Feld überdeckt, welches sich von der Vorderseite des Gerätes nach hinten erstreckt und die Seiten ein­ bezieht. So kann beispielsweise die Winkelöffnung des Erfassungsfeldes in der Längsebene des Gerätes 120° oder mehr betragen. Ein guter Kompromiß besteht derzeit darin, daß optische Sende- und/oder Empfangseinrichtun­ gen in der Spitze einer Haube angeordnet werden. Bei einer derartigen Anordnung, ebenso wie im Falle der Radome und der bereits genannten Verkleidungen, erfor­ dert die Visiererfassung nach unten und nach hinten, daß das optische Bündel Lagen einnimmt, die schwach gegen die lichtdurchlässige Wandung geneigt sind, die von ihm über eine große Länge durchquert werden. Mit zunehmender Geschwindigkeit bilden sich aber an dieser Wandung turbulente Strömungszonen, die den Durchgang der Lichtstrahlung beeinträchtigen, was zu einer schlechten Qualität des erfaßten Videobildes führt.

Wenn ferner der Parameter der Geschwindigkeit betrachtet wird, so ist leicht ersichtlich, daß die Dicke dieser turbulenten Zonen mit der Geschwindigkeit zunimmt, und wenn der Überschallgeschwindigkeitsbereich erreicht wird, werden diese Störungen durch Stoßwellen noch ver­ stärkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Mängeln abzuhelfen und Turbulenzerscheinungen an der lichtdurch­ lässigen Wand in möglichst großem Maße zu reduzieren, so daß eine hohe Qualität der optischen Zielerfassung erhalten bleibt.

Es ist an sich in der Luftfahrt bekannt, ein Verbin­ dungsstück zwischen einer Luftöffnung und dem Flügel oder Leitwerk einzufügen, bei dem die Gestaltung der Vorderseite ausgelegt ist, um die niederenergetischen Luftschichten abzuführen, die sich entlang der anström­ seitigen Wandung der Luftöffnung bilden und zu einer schlechteren Leistung des Motors führen würden. Dieses Teil besitzt auf der Vorderseite das Profil eines Stevens und bildet eine Grenzschichtfalle, um so die Luftversorgung des Motors mit ausreichender Energie zu gewährleisten. Als Grenzschicht wird die Dicke des fluiden Mediums bezeichnet, das sich an eine Wandung anschmiegt und worin viskose Effekte infolge der Bewe­ gung des Körpers in Erscheinung treten.

Diese Lösung wird gemäß der Erfindung angewendet, um eine andere Funktion zu erfüllen, die darin besteht, die Dicke der Grenzschicht längs den optischen Wänden möglichst stark zu vermindern, so daß eine optische Visiererfassung, insbesondere nach hinten, unter guten Bedingungen erfolgen kann.

Gemäß der Erfindung wird eine optische Ziel- bzw. Visiervorrichtung für Flugkörper vorgeschlagen, welche lichtdurchlässige Wände in den Längszonen und seitli­ chen Zonen aufweist, um das gewünschte Nutzfeld der optischen Visiererfassung zu erhalten, wobei sich dieses Feld u.a. auch unterhalb des Rumpfes und zu seiner Rückseite erstreckt, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß Mittel vorgesehen sind, um die Auswirkungen von Turbulenzen, die in der Grenz­ schicht längs den genannten lichtdurchlässigen Wänden beim Fliegen mit hoher Geschwindigkeit auftreten, auf die optische Zielerfassung und die Bildwahrnehmung zu eliminieren, wobei diese Mittel eine Ablenkvorrichtung zur Ablenkung von Luftströmungsfäden mit einem Teil aus einem für die verwendete Strahlung durchlässigen Material und vorderseitig von der Gestalt eines Stevens umfassen, um das seitliche Ablaufen der Luftströmungs­ fäden während der Längsbewegung des Trägersflugkörpers zu gewährleisten und so die Grenzschicht zu vermindern bzw. zu beseitigen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungs­ beispielen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genom­ men wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine optische Ziel- bzw. Visiervorrichtung mit einer Ablenkvorrichtung gemäß der Erfin­ dung;

Fig. 2 eine Ausführungsvariante der in Fig. 1 ge­ zeigten Ausführungsform;

Fig. 3 eine Teilansicht, die verschiedene Ausführungs­ formen der Ablenkvorrichtung zeigt; und

Fig. 4 eine Perspektivansicht einer besonderen Aus­ führungsform der Ablenkvorrichtung.

Um die Probleme der Objekterkennung und Lenkung von Flugkörpern zu lösen, ist es im allgemeinen erforder­ lich, an Bord dieser Flugzeuge oder in einer unter diesem befestigten Haube optische Geräte (Photoapparat, Kamera, . . .) mitzuführen, die mit Objektbezeichnungs­ mitteln (Laser) kombiniert sein können.

Wegen der Manövrierfähigkeit der Fluggeräte muß die optische Visiererfassung sich über ein ausgedehntes Feld erstrecken, nämlich zur Vorderseite des Geräts, über die Seiten, nach unten und auch nach hinten. Wie eingangs bereits ausgeführt wurde, stellen optische Geräte, die im Vorderteil bzw. in der Spitze einer unter dem Rumpf des Flugzeugs befestigten Haube ange­ ordnet sind, einen guten Kompromiß dar. Eine solche Anordnung wird in der folgenden Beschreibung ange­ nommen, ohne auf Einzelheiten einzugehen.

Bei dieser Anordnung erfordert die Visiererfassung nach hinten, die in Fig. 1 durch einen Radius R2 ver­ deutlicht ist, daß das optische Bündel eine geringe Neigung gegenüber der Längsachse Z und folglich des Körpers 1 der Haube annimmt. Dieser Körper bildet näm­ lich einen Aufnahmeraum, der eine allgemein gestreckte Form mit der Achse Z besitzt, und die Spitze ist mit lichtdurchlässigen Wandungen V1 bis V3 versehen, um die optische Visiererfassung in dem gewünschten Nutz­ feld zu gestatten. Dieses Feld kann sich in der in Fig. 1 angenommenen Längsebene beispielsweise zwischen der Richtung Z nach vorn und der rückwärtigen Grenz­ richtung R2 erstrecken, welche die transparente Wand V3 durchquert. Seitlich haben die Wände V1 bis V3 aus­ reichende Abmessungen, um dem Winkelwert des gewünsch­ ten Feldes in diesem Sinne zu genügen. Diese Wände können, wie bei der dargestellten Ausführungsform, durch ebene transparente Platten aus Glas oder einem anderen Material gebildet sein, welche unterschiedlich gegenüber der Achse Z geneigt sind, um den vorderen Teil V1-V2 bzw. den hinteren Teil V3 zu bilden. Letz­ terer ermöglicht die Zielerfassung zur Unterseite der Haube und nach hinten und wird parallel zur Achse Z oder aber wenig geneigt zu dieser Richtung angenommen. An den so gebildeten Kanten A1 und A2 entlang den Ver­ bindungsstellen der Platten treten Ablösezonen der Luftströmung auf, insbesondere bei großen Geschwindig­ keiten. Bei Überschallgeschwindigkeiten können Stoß­ wellen im Gebiet der Kante A2 auftreten, wo die Spitze an den allgemein zylindrischen Körper der Haube an­ schließt, wobei diese Störungen die optische Visier­ erfassung beeinträchtigen. Die im Bereich der Spitze ausgelösten Störungen führen zu einer turbulenten Strömung, die sich entland der äußeren Wandung der Platte bzw. Scheibe V3 entwickelt, wobei die Dicke der Grenzschicht nach hinten hin zunimmt. Da die Dicken der turbulenten Zonen mit der Geschwindigkeit zunehmen, wird der Störungseffekt durch die Wechselwirkungen mit den Stoßwellen bei Überschallgeschwindigkeiten noch verstärkt.

Es wird somit ersichtlich, daß die Radien, beispiels­ weise der Radius R2, einer Visiererfassung nach hinten auf einer größeren Länge die transparente Wand bzw. Platte V3 und die turbulenten Strömungszonen durch­ queren müssen, wobei insbesondere der letzte Punkt die Qualität der Lichtübertragung erheblich beeinträchtigt, insbesondere auch die Qualität eines durch die opti­ schen Bordgeräte erfaßten Bildes.

Die vorgeschlagene Ausbildung hat zum Ziel, innerhalb der Nutzzone der optischen Visiererfassung die Dicke dieser Grenzschicht stark zu vermindern bzw. diese praktisch zu eliminieren, wo nämlich die Turbulenz­ zonen auftreten. Es wird ein Teil verwendet, dessen Vorderseite stevenförmig ausgebildet ist, um die Luft­ strömungsfäden seitlich auf beiden Seiten der verglasten Zone bzw. der Scheiben V1 bis V3 abzulenken und auf diese Weise den Ablöseeffekten entgegenzuwirken, indem die Bildung einer turbulenten Grenzschicht an der Außenwand der Platte V3 vermieden oder stark vermindert wird. Dieses Teil 2 darf den Durchgang der Lichtstrah­ lung durch die Scheibe bzw. Wand V3 nicht behindern und wird daher ebenfalls aus transparentem Material gefertigt, wenn wie bei den gezeigten Ausführungsbei­ spielen eine massive Ausbildung gewählt wird. Das be­ treffende Material wird im Hinblick auf die gewünschte optische Qualität bei der Anwendung der Visiervorrich­ tung ausgewählt.

Bei der einfachen Ausführungsform nach Fig. 1 ist das Teil 2, welches eine Ablenkvorrichtung für Luftströmungs­ fäden bildet, aus einer lichtdurchlässigen Platte mit parallelen Flächen gebildet, welche an der ebenen Außen­ oberfläche der transparenten Wand bzw. Platte V4 ange­ bracht ist und dessen Vorderseite die Gestalt eines Stevens 2a besitzt.

Gemäß einer verfeinerten Ausführungsform, die in Fig. 2 und 4 gezeigt ist, befindet sich unterhalb des steven­ förmigen Teiles 2a eine dünne Scheibe 2b (die angesetzt oder durch Materialbearbeitung erhalten ist), um die Strömung besser zu kanalisieren und die Wirksamkeit der Anordnung noch zu steigern. Diese Scheibe oder Platte 2b kann dieselbe seitliche Abmessung L1 wie die Platte 2 nach hinten aufweisen, wobei diese Abmessung wenigstens der der Platte bzw. Wand V3 der Haube ent­ spricht.

Bei einer anderen Ausführungsform weist die Scheibe 2b seitliche Flügel 2c auf, die angesetzt werden können und deren Abmessungen L2, L3 und Gestalt so bestimmt sind, daß die Funktion der Ablenkvorrichtung 2 vervoll­ ständigt wird, damit sich die Randwirbel außerhalb der verglasten Zonen an der Platte V3 befinden. Die recht­ winklige Form dieser Flügel 2c, die in Fig. 4 gezeigt sind, ist nur ein Beispiel für eine Ausführungsform. Diese Flügel 2c liegen außerhalb des Nutzfeldes der optischen Visiererfassung und können daher aus einem für die verwendete Strahlung nicht durchlässigen Material gebildet sein.

Es ist ersichtlich, daß die Ablenkvorrichtung 2 auf vielfache Weise gestaltet werden kann, wobei es im wesentlichen darauf ankommt, daß stirnseitige Ober­ flächen geschaffen werden, die einen Steven bilden, um die Luft seitlich abzuweisen und die Bildung von störenden Turbulenzen zu verhindern. Diese stirnseiti­ gen Oberflächen können insbesondere als Zweiflach ausgebildet sein, wie es in der Draufsicht der Fig. 3 gestrichelt angedeutet ist, oder als gekrümmte Ober­ flächen, die ein aerodynamisches Profil gewährleisten (mit durchgehender Linie eingezeichnet). In vertikaler Richtung (senkrecht zur Ebene der Fig. 3) können diese Oberflächen geneigt sein, um eine untere Basis zu bilden, die breiter als diejenige ist, welche in Berührung mit der Platte V3 ist, um die seitliche Abweisung der Luftströmungsfäden zu orientieren.

Die Anordnung kann ferner so getroffen werden, daß die Ablenkvorrichtung 2 eine untere Oberfläche auf­ weist, die gegen die Achse Z derart geneigt ist, daß sie sich von dieser Achse nach hinten hin entfernt, um den Effekt des Ablaufens der Grenzschicht noch zu verstärken.

Der Vorteil einer solchen Vorrichtung zur Ablenkung von Luftströmungsfäden besteht darin, daß die Visier­ verhältnisse nach hinten verbessert werden, ohne die Seitensicht zu stören, indem Turbulenzen im Sichtfeld für hohe Fluggeschwindigkeiten vermieden werden. Es ist insbesondere möglich, dem Steven ein Profil gemäß der Richtung des optischen Bündels zu verleihen, um die Störung zu minimieren, die dieses Profil inner­ halb des Sichtfeldes durch Abdeckung hervorrufen könnte.

Als weitere Variante kann in Betracht gezogen werden, daß die aus der Platte V3 und der Ablenkvorrichtung 2 gebildete Einheit als ein einziger Block verwirklicht wird, der aus dem Material der Platte V3 herausgear­ beitet ist. Im Falle eines getrennten Teiles 2 kann ferner eine Montage in Betracht gezogen werden, durch welche diese fest mit der Platte bzw. Wand V3 ver­ bunden wird, und zwar derart, daß eine dünne Luftschicht zwischen den einander überliegenden Oberflächen des Teils 2 und der Platte V3 verbleibt. Es kommt wesent­ lich darauf an, die äußere Geometrie einzuhalten, damit ein aerodynamisches Profil der Gesamtanordnung gewahrt bleibt.

Claims (13)

1. Optische Visiervorrichtung für Flugkörper, mit transparenten Wänden (V1 bis V3) in den Längszonen und seitlichen Zonen zur optischen Visiererfassung in dem gewünschten Nutzfeld, welches sich u.a. zur Unterseite und Rückseite des Flugkörpers erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Aus­ wirkungen der Störungen, welche durch Turbulenzen in der Grenzschicht entlang den transparenten Wänden beim Flug mit hoher Geschwindigkeit erzeugt werden, auf die optische Zielerfassung und die Bilderfassung zu elimi­ nieren, wobei diese Mittel eine Ablenkvorrichtung (2) zur Ablenkung von Luftströmungsfäden umfaßt, mit einem Teil aus einem für die verwendete Strahlung durchlässi­ gen Material, das auf seiner Vorderseite stevenförmig (2a) gestaltet ist und das seitliche Ablaufen der Luft­ strömungsfäden bei einer Längsbewegung gewährleistet und auf diese Weise die Grenzschicht beseitigt oder zumindest stark reduziert.

2. Visiervorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Turbulenzen entlang der Außenoberfläche einer der transparenten Wände entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (2) fest mit dieser Wand (V3) verbunden ist.

3. Visiervorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die transparente Wand eben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (2) in Form einer Platte oder Scheibe verwirklicht ist, welche mit einer Oberfläche an die ebene Wand (V3) angesetzt ist.

4. Visiervorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die genannte transparente Wand eben ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (2) in Form einer Platte oder Scheibe verwirklicht ist, welche in der Nähe der ebenen Wand (V3) angeordnet ist.

5. Visiervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung ferner eine dünne Scheibe (2b) aufweist, wobei der stevenförmige Teil (2a) sich zwischen dieser dünnen Scheibe und der transparenten Wand (V3) befindet.

6. Visiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Stevens einem Zweiflach entspricht.

7. Visiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Stevens gekrümmt vom aerodynamischen Typ ist.

8. Visiervorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Stevens geneigt ist, um den Abschattungseffekt für die Lichtübertragung minimal zu machen.

9. Visiervorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß als Aufnahmeraum (1) eine Haube vorgesehen ist, die unter dem Rumpf eines Flug­ zeugs befestigt ist, wobei die untere transparente Wand (V3) der Ort ist, wo die genannten Turbulenzen auftreten, und daß die Ablenkvorrichtung (2) zur Gewährleistung der Sichterfassung nach hinten ausge­ bildet ist.

10. Visiervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung und die zugeordnete Wand gegenüber der Achse der Haube geneigt sind.

11. Visiervorrichtung nach Anspruch 2 bzw. nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkvorrichtung (2) und die genannte Wand (V3), der sie zugeordnet ist, einteilig ausgebildet sind.

12. Visiervorrichtung nach Anspruch 5 bzw. Anspruch 5 und einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die dünne Scheibe (2b) seitlich zur Bewegungs­ richtung sich in komplementären Elementen (2c) fort­ setzt, die seitliche Flügel bilden, um den Ablenk­ effekt zur Beherrschung der Randwirbel zu verstärken.

13. Visiervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Flügel (2c) sich außerhalb des Nutzfeldes befinden und aus einem für die verwendete Strahlung nicht durchlässigem Material gebildet sind.