DE3546269C1 - Flugkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flugkörper, insbesondere Überschallflugkörper nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Ein derartiger Flugkörper ist aus DE-OS 28 09 281 be­ kannt. Dieser Flugkörper weist einen Rumpf auf, an des­ sen in Flugrichtung hinteren Ende mehrere Leitflossen angeordnet sind. Der Flugkörper ist im Inneren des Rump­ fes mit mehreren Impulsgebern in Form von Pulveran­ triebsaggregaten versehen. Zur Beeinflussung der Flug­ richtung des Flugkörpers werden bestimmte Aggregate gezündet, wobei die Verbrennungsgase über Ausströmöff­ nungen in die am Rumpf entlangstreichende Luft ausge­ stoßen werden. Die Verbrennung erfolgt in den Antriebs­ aggregaten. Die austretenden Verbrennungsgase verleihen dem Flugkörper einen Impuls, der eine Veränderung der Flugrichtung bewirkt. Auf diese Weise kann der Flugkörper gelenkt werden.

Die von den kleinen Antriebsaggregaten erzeugten und auf den Flugkörper wirkenden Schubkräfte sind relativ klein. Zur Ausführung von länger andauernden Steue­ rungsmanövern muß in jedem Antriebsaggregat demnach eine relativ große Menge an Treibstoff vorrätig sein, damit der Flugkörper auch noch nach langer Flugdauer gelenkt werden kann. Die großen Treibstoffmengen jedoch führen zu Gewichts- und Platzproblemen im Flugkörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flug­ körper zu schaffen, bei dem zur Steuerung der Flugrich­ tung nur geringe Mengen an Brennstoff notwendig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Flugkörper, der die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patent­ anspruchs 1 aufweist, gelöst.

Die Ausströmöffnungen des erfindungsgemäßen Flugkörpers sind an dessen Rumpf zwischen benachbarten Leitflossen angeordnet. Zur Steuerung der Flugrichtung tritt aus mindestens einer dieser Ausströmöffnungen Brennstoff aus, der außerhalb des Flugkörpers zündet.

Bei dem erfindungsgemäßen Flugkörper wird die Erkennt­ nis ausgenutzt, daß sich bei hohen Fluggeschwindigkei­ ten in den Eckenbereichen zwischen den Leitflossen und dem Rumpf die Grenzschichten an Rumpf und Leitflosse ablösen. Dabei entstehen in der den Rumpf umgebenden Strömung in den Ecken zwischen dem Rumpf und den Leit­ flossen Gebiete, in denen die Strömungsgeschwindigkeit der Luft trotz hoher Fluggeschwindigkeiten nahezu Null bzw. negativ ist. Ein solches Strömungsgebiet, ein so­ genanntes Rezirkulationsgebiet, entsteht dadurch, daß eine von der Vorderkante einer Leitflosse ausgehende Stoßwelle der am Flugkörper vorbeistreichenden Luft an einer benachbarten Leitflosse reflektiert wird. Beim Auftreffen auf die benachbarte Leitflosse interferiert die Stoßwelle mit der Eckenströmung zwischen Flosse und Rumpf, die aufgrund der Wandreibung wesentlich lang­ samer ist als die ungestörte Strömung. Die Interferenz der Stoßwelle mit dieser Eckenströmung bewirkt die Ab­ lösung der Grenzschichten in der Ecke, wodurch das Re­ zirkulationsgebiet entsteht.

Die Ausströmöffnungen des erfindungsgemäßen Flugkörpers sind in Form von Düsen am Rumpf in den Rezirkulations­ gebieten angeordnet. Die Strömungsgeschwindigkeit im Rezirkulationsgebiet ist, wie oben erläutert, wesent­ lich geringer als die Strömungsgeschwindigkeit außer­ halb dieses Gebietes. Daher kann die Flamme, die bei Zündung des austretenden Brennstoffs entsteht, selbst bei mehrfacher Schallgeschwindigkeit lokal stabilisiert werden. Das bedeutet, daß die Flamme sich in unmittel­ barer Nähe des Rumpfes bildet und nicht von der am Rumpf vorbeiströmenden Luft zerstört bzw. bis hinter den Flugkörper getragen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Flugkörper werden die Ver­ dichtungsstöße (Stoßwellen) zur Flammenstabilisation verwendet. Der Brennstoff braucht zum Ausspritzen aus den Düsen nur einen geringfügig größeren Druck als die am Rumpf entlangströmende Luft aufzuweisen. Der im Re­ zirkulationsgebiet gezündetete Brennstoff erfährt eine Volumenvergrößerung in unmittelbarer Nähe des Rumpfes. Diese Volumenvergrößerung bewirkt ihrerseits einen lo­ kalen Druckanstieg am Rumpf. Die Steuerung des Flugkör­ pers erfolgt also durch Druckanstieg in dem durch die Leitflossen begrenzten Gebiet am Rumpf des Flugkörpers.

Wegen der sich bei der Außenverbrennung ergebenden Vo­ lumenvergrößerung des Brennstoffs wirkt der erhöhte Druck auf eine große Fläche am Rumpf, was zu einer gro­ ßen auf den Flugkörper wirkenden Kraft zum Steuern des­ selben führt. Auf diese Weise werden bereits mit klei­ nen Brennstoffmengen große Steuerkräfte hervorgerufen, so daß an Bord des Flugkörpers nur wenig Brennstoff mitgeführt werden muß. Dadurch kann der Flugkörper kleiner und leichter ausgebildet sein. Die Steuerung des Flugkörpers kann innerhalb kürzester Zeit vorge­ nommen werden, so daß sich kurze Reaktionszeiten er­ geben. Die Steuerung kann während der gesamten Flug­ phase, also sowohl während der Start- als auch der Marschphase des Flugkörpers, eingesetzt werden, beson­ ders wirkungsvoll ist sie aber vor allem im Überschall­ bereich. Der Flugkörper weist keine beweglichen und daher störungsanfälligen Teile, wie z. B. Ruder, auf Brennkammern im Inneren des Rumpfes sind nicht erfor­ derlich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 gekennzeichnet. Durch die besondere Ausbildung der Vorderkanten der Leitflossen stellen diese keinen wesentlichen Luftwi­ derstand für die am Rumpf entlangstreichende Luft dar. Bereits bei einer mit einem Winkel von ca. 20° zulau­ fenden Vorderkante bilden sich an dieser Stoßwellen aus, deren Stärke zur Erzeugung eines hinreichend aus­ gebildeten Rezirkulationsgebietes ausreichen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung weist der Flugkörper die Merkmale des Patentanspruchs 3 auf. Wenn beispiels­ weise Brennstoff verwendet wird, der sich bei entspre­ chend hohen Fluggeschwindigkeiten des Flugkörpers (z. B. bei vierfacher Schallgeschwindigkeit) infolge der hohen Stautemperaturen selbst entzündet, wird die Zündvor­ richtung nur während der Startphase des Flugkörpers benötigt. Während der Marschphase des Flugkörpers ist die Zündvorrichtung zum Entzünden des Brennstoffs in der Regel nicht erforderlich, wodurch der Steuerungs­ prozeß des Flugkörpers vereinfacht wird.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 gekenn­ zeichnet. Die Rezirkulationsgebiete bilden sich insbe­ sondere in unmittelbarer Nähe einer Leitflosse aus, da die Eckenströmung aufgrund der Reibung der entlang­ streichenden Luft am Rumpf und an der Leitflosse am stärksten abgebremst ist. Der über die äußeren Aus­ strömöffnungen der Reihe in diese besonders gut ausge­ prägten Rezirkulationsgebiete eingespritzte Brennstoff bildet bei seiner Verbrennung eine lokal stabile Flam­ me. Von dort aus breitet sich die Flamme rasch über die gesamte Reihe der Ausströmöffnungen hinweg aus. So ent­ steht ein breiter Flammenbereich zwischen den Leitflos­ sen, wodurch eine besonders wirkungsvolle Steuerung erzielt werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 versehen. Durch die hintereinander angeordneten Reihen von Ausströmöffnun­ gen entsteht ein besonders großflächiger Bereich zwi­ schen zwei benachbarten Leitflossen, in dem der austre­ tende Brennstoff verbrennt. Auch dies ermöglicht eine besonders wirkungsvolle Steuerung des Flugkörpers.

Wird, wie es bei einer weiteren, durch das Merkmal des Patentanspruchs 7 gekennzeichneten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, als Brennstoff Wasserstoff verwendet, so erfolgt bei Überschallgeschwindigkeiten des Flugkörpers, die im Bereich der vierfachen Schall­ geschwindigkeit liegen, eine Selbstenzündung des aus den Ausströmöffnungen austretenden Wasserstoffs. Auf­ grund der hohen Stautemperaturen der mit Überschall am Rumpf des Flugkörpers entlangstreichenden Luft werden hierbei Temperaturen von ca. 800°C erreicht, die zur Selbstentzündung des Wasserstoffs führen. In diesen Geschwindigkeitsbereichen des Flugkörpers wird die Zündvorrichtung zum Entzünden des Wasserstoffs nicht benötigt, wodurch die zur Steuerung des Flugkörpers notwendigen Operationen vereinfacht werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des Flugkörpers und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Der Flugkörper 10 weist an seinem Rumpf 12 vier Leit­ flossen 14, 16, 18 und 20 auf, die an dem in Flugrichtung A hinteren Ende des Rumpfes 12 angeordnet sind. Die Vorderkante einer Leitflosse (in den Figuren mit dem durch ein F ergänztes Bezugszeichen der betreffenden Leitflosse bezeichnet) sind zu beiden Seiten an­ geschärft und laufen nach vorne hin spitz zu. Auch die radial nach außen weisenden Seitenkanten der Leit­ flossen (in den Figuren mit dem durch ein S ergänztes Bezugszeichen der betreffenden Leitflosse bezeichnet) laufen nach außen hin spitz zu.

Zwischen den benachbarten Leitflossen 14 und 16 befinden sich am Rumpf 12 mehrere Düsen 22, wobei jeweils fünf Düsen 22 in einer quer zur Flugrichtung A des Flugkörpers 10 verlaufenden Reihe und drei solcher Reihen 24, 26 und 28 hintereinanderliegend angeordnet sind. Derart angeordnete Düsen 22 befinden sich zwi­ schen sämtlichen zueinander benachbarten Leitflossen des Flugkörpers 10. Alle in einer Reihe angeordneten Düsen 22 befinden sich auf einem gemeinsamen Umfangs­ kreis am Rumpf 12. Die auf einem Umfangskreis am Rumpf 12 angeordneten Düsen 22 werden durch die Leitflossen 16, 14, 20 und 18 in vier Gruppen mit jeweils fünf Düsen unterteilt. Jeweils eine solche Gruppe von Düsen 22 ist dem I., II., III., und IV. Quadranten (Fig. 2) zugeordnet. Die Einteilung der Düsen 22 in den Reihen 26 und 28 ist entsprechend.

Über die Düsen 22 wird Brennstoff in die am Rumpf 12 entlangstreichende Luft eingespritzt. Sämtliche am Rumpf 12 angeordnete Düsen 22 sind über (nicht dar­ gestellte) Leitungen mit einem Tank für Brennstoff (ebenfalls nicht dargestellt) verbunden. Je nachdem, in welcher Art und Weise die Flugrichtung des Flugkörpers 10 zu steuern ist, können entweder alle Düsen 22 eines Quadranten oder aber auch die Düsen mehrerer Quadranten mit Brennstoff versorgt werden. In jeder mit dem Tank verbundenen Leitung, über die sämtliche Düsen eines Quadranten mit Brennstoff versorgt werden, befindet sich ein Ventil zum Verschließen bzw. Öffnen dieser Leitung. Die Versorgung der Düsen 22 mit Brennstoff erfolgt also nach Quadranten selektiert. Zwischen der mittleren Reihe 26 und der letzten Reihe 28 (in Flug­ richtung A betrachtet) befindet sich eine Zündvorrich­ tung 30 - beispielsweise in Form einer Zündkerze - zum Zünden des aus den Düsen 22 des betreffenden Quadranten austretenden Brennstoffs.

Die Entstehung eines Rezirkulationsgebietes zwischen zwei benachbarten Leitflossen soll nachfolgend bei­ spielhaft anhand des ersten Quadranten (anhand des Be­ reiches zwischen den Leitflossen 14 und 16) verdeut­ licht werden. Bei Überschallgeschwindigkeit gehen von der Vorderkante 14 F der Leitflosse 14 und von der Vorderkante 16 F der Leitflosse 16 jeweils zwei Stoß­ wellenfronten aus. Dabei verläuft eine der beiden von der Vorderkante 14 F der Leitflosse 14 ausgehenden Stoßwellenfronten in Richtung auf die Leit­ flosse 16, während eine der beiden von der Vorderkante 16 F der Leitflosse 16 ausgehenden Stoßwellenfronten in Richtung auf die Leitflosse 14 verläuft. Die Stoßwellen jeder Stoßwellenfront werden an den entsprechenden Leitflossen reflektiert. Dabei interferieren die Stoß­ wellen mit der am Rumpf 12 des Flugkörpers 10 entlang­ streichenden Luft. Die am Rumpf 12 entlangstreichende Luft ist aufgrund der Reibung am Rumpf 12 abgebremst, wodurch sich bei Interferenz mit den Stoßwellen Rezir­ kulationsgebiete bilden. Die aufgrund der Reibung am stärksten verlangsamte Strömung der am Rumpf entlang­ streichenden Luft ergibt sich jeweils in der Ecke (Eckenströmung) zwischen den Leitflossen 14 bzw. 16 und dem Rumpf 12 des Flugkörpers 10. Daher ergeben sich auch die am stärksten ausgebildeten Rezirkulations­ gebiete jeweils in der Nähe einer Leitflosse.

Für den in Fig. 1 dargestellten Flugkörper 10 sei an­ genommen, daß die Reflektionen der Stoßwellen einer Stoßwellenfront an den Leitflossen in einem Bereich erfolgen, der sich zwischen der vordersten Reihe 24 und der hintersten Reihe 28 an den Leitflossen erstreckt. Die am stärksten ausgebildeten Rezirkulationsgebiete ergeben sich, wie bereits erwähnt, in unmittelbarer Nähe der Leitflossen. Kleinere Rezirkulationsgebiete entstehen in dem Bereich am Rumpf, in dem die mittleren Düsen der einzelnen Reihen angeordnet sind, da auch hier eine Interferenz zwischen den Stoßwellen der Stoßwellenfront und der am Rumpf 12 entlangstreichenden Luft erfolgt.

Zur Steuerung des Flugkörpers 10 wird je nach Bedarf über die Düsen 22 eines oder mehrerer Quadranten Brenn­ stoff in die am Rumpf 12 entlangstreichende Luft ein­ gespritzt. Der austretende Brennstoff wird mit Hilfe der Zündvorrichtung 30 gezündet, wobei sich eine lokal stabile Flamme bildet. Die Verbrennung des Brennstoffs verursacht eine Volumenvergrößerung des zwischen den Leitflossen 14 und 16 am Rumpf 12 befindlichen Ge­ misches aus verbranntem Brennstoff und am Rumpf 12 ent­ langstreichende Luft. Diese Volumenvergrößerung hat einen Druckanstieg in dem durch die Leitflossen 14 und 16 genau begrenzten Gebiet zur Folge. Der in diesem Gebiet erhöhte Druck wirkt auf den Rumpf 12, wodurch eine Querkraft, die quer zur Flugrichtung A des Flug­ körpers 10 gerichtet ist, erzeugt wird. Die Stärke der Querkraft kann über die durch die Düsen 22 eines Quadranten austretende Brennstoffmenge pro Zeiteinheit reguliert werden.

Der Druck des aus den Düsen 22 austretenden gasförmigen oder flüssigen Brennstoffs ist nur so groß, daß er aus­ reicht, um den Brennstoff aus dem Rumpf 12 austreten zu lassen. Durch diesen Druck allein wird dem Flugkörper kein wesentlicher Steuerungsimpuls erteilt. Wird als Brennstoff Wasserstoff verwendet, so erfolgt ab einer bestimmten Geschwindigkeit des Flugkörpers 10 eine Selbstentzündung des Wasserstoffs aufgrund der hohen Stautemperatur der am Rumpf 12 entlangstreichenden Luft. Die Zündungstemperatur für Wasserstoff liegt bei ca. 800°C. Wenn der Flugkörper 10 eine Geschwindigkeit größer als ca. 4 Mach bei Bodenbedingungen aufweist, ist die Temperatur der Luft am Flugkörper 12 aufgrund der hohen Stautemperaturen auf Werte größer als 800°C angestiegen, so daß eine sichere Selbstentzündung des Wasserstoffs erfolgt. Bei diesen Geschwindigkeits­ bereichen des Flugkörpers können die in diesem ab­ laufenden Prozesse während der Steuerung dahingehend vereinfacht werden, daß bei jedem Steuerungsmanöver eine Ansteuerung der entsprechenden Zündvorrichtung nicht zu erfolgen braucht.

Claims (7)

1. Flugkörper, insbesondere Überschallflugkörper, mit einem Rumpf (12), der mehrere Ausströmöffnungen (22) zur Beeinflussung der Flugrichtung und an seinem in Flugrichtung hinteren Ende Leitflossen (14, 16, 18, 20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnungen (22), aus denen zur Be­ einflussung der Flugrichtung entzündbarer Brenn­ stoff austritt, zwischen den Leitflossen (14, 16, 18, 20) in Bereichen angeordnet sind, in denen sich infolge von von den Vorderkanten (14 F, 16 F, 18 F, 20 F) der Leitflossen (14, 16, 18, 20) ausgehenden Stoßwellen Rezirkulationen der am Rumpf (12) ent­ langstreichenden Luft bilden.

2. Flugkörper nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorderkanten (14 F, 16 F, 18 F, 20 F) der Leitflossen zu beiden Seiten spitzwinklig an­ geschärft sind.

3. Flugkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich zwischen zwei benachbarten Leitflossen eine Zündvorrichtung (30) zum Ent­ zünden des aus der Ausströmöffnung (22) aus­ gespritzten Brennstoffes befindet.

4. Flugkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen benachbarten Leitflossen (14, 16, 18, 20) jeweils mehrere Aus­ strömöffnungen (22) in einer Reihe (26) angeordnet sind, wobei die äußeren Ausströmöffnungen der Reihe jeweils in unmittelbarer Nähe einer Leit­ flosse (14, 16, 18, 20) angeordnet sind.

5. Flugkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausströmöffnungen (22) auf einem ein­ zigen Umfangskreis am Rumpf (12) angeordnet sind.

6. Flugkörper nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mehrere hintereinanderliegende Reihen (24, 26, 28) von Ausströmöffnungen (22) vor­ gesehen sind.

7. Flugkörper nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenn­ stoff Wasserstoff ist.