DE3606835A1

DE3606835A1 - STEERING DEVICE FOR PROJECTILE

Info

Publication number: DE3606835A1
Application number: DE19863606835
Authority: DE
Inventors: Raimar Dipl Ing Steuer; Uwe-Jens Dipl Ing Schlichting; Bernhard Dipl Ing Trosky
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Stiftung and Co KG
Priority date: 1986-03-03
Filing date: 1986-03-03
Publication date: 1990-05-31
Anticipated expiration: 2006-03-04
Also published as: GB8700684D0; FR2642516B1; GB2230748B; FR2642516A1; GB2230748A; DE3606835C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Lenkeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a steering device according to the preamble of claim 1.

Derartige Lenkeinrichtungen sind als anstellbare Ruderblätter bei spielsweise aus der DE-PS 28 18 593 oder aus der DE-PS 30 10 027 als an den Rumpf eines Flugkörpers heranklappbare Heck-Leitwerke bekannt. Insbesondere betrifft die Erfindung jedoch derartige Lenk einrichtungen bei fernsteuerbaren oder selbststeuernden, rasch laufen den Unterwasserprojektilen oder bei Submunitions-Flugkörpern.Such steering devices are available as adjustable rudder blades for example from DE-PS 28 18 593 or from DE-PS 30 10 027 as tail tails that can be folded up onto the fuselage of a missile known. In particular, however, the invention relates to such steering facilities with remote-controlled or self-controlling, run quickly underwater projectiles or submunition missiles.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß der apparative Aufwand für die Realisierung derartiger Lenkeinrichtungen sich zwar reduzieren läßt, wenn für das Stellglied zur Anstellung des zuge ordneten Ruderblattes anstelle einer analogen Arbeitsweise eine diskontinuierliche Betriebsweise (insbesondere im Dreipunkt-Betrieb mit einer neutralen Ruderblatt-Stellung zwischen zwei diskret möglichen Anstellwinkeln) vorgesehen wird; daß aber dann ein komplizierter Regelalgorithmus und ein entsprechender Schaltungsaufwand für die Realisierung der Informationsverarbeitung in Regel- und Steuerungsein richtungen erforderlich wird, um regelungstechnische bzw. flugdynamische Unstabilitäten zu vermeiden, weil dann die Wirkung hoher Anströmge schwindigkeiten nicht durch eine entsprechende kontinuierliche Variation des Ruderblatt-Anstellwinkels ausgeglichen werden kann.
The invention is based on the finding that the equipment required for the implementation of steering devices of this type can be reduced if, for the actuator for employing the assigned rudder blade, instead of an analogous method of operation, a discontinuous mode of operation (in particular in three-point operation with a neutral rudder blade position between two discretely possible angles of attack) is provided; but that then a complicated control algorithm and a corresponding circuit effort for the realization of information processing in control and control devices is required to avoid control or flight dynamics instabilities, because then the effect of high flow rates not by a corresponding continuous variation of the rudder pitch angle can be compensated.

In Erkenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine apparativ einfache, aber auch über einen hohen An strömgeschwindigkeitsbereich wirksame Lenkeinrichtung für die oben umrissenen Anwendungsfälle zu schaffen.The invention is based on the knowledge of these circumstances based on a simple apparatus, but also over a high degree flow velocity effective steering device for the above to create outlined use cases.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die gattungsgemäße Lenkeinrichtung gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.According to the invention, this object is essentially achieved by that the generic steering device according to the labeling part of claim 1 is designed.

Nach dieser Lösung können einfach aufgebaute, da im Dreipunktbetrieb ansteuerbare Stellglieder Einsatz finden, deren Stellhübe (und damit der jeweilige Ruderblatt-Anstellwinkel) nach Maßgabe der Betriebs gegebenheiten (nämlich der Anströmgeschwindigkeit) auf unterschied liche Maximalwerte begrenzt sind. Zu Beginn des Missionszeit, wenn noch sehr hohe Anströmgeschwindigkeiten vorliegen, bewirkt also die Einheitsansteuerung des Stellgliedes nur einen kleinen Anstell winkel; wodurch strömungsdynamische Übersteuerungen bzw. das Er fordernis sehr rascher Regelkreis-Reaktionen vermieden sind. Dadurch kann die Grenzfrequenz des Regelkreises niedrig gehalten werden, was die Realisierung einfacher (also preiswerter und störungssicher arbeitender) Regelkreisstrukturen mit überschaubaren Funktionsalgo rithmen ermöglicht.After this solution can be simply built, because in three-point operation controllable actuators are used, their actuating strokes (and thus the respective rudder blade pitch) according to the operating conditions circumstances (namely the inflow velocity) on difference maximum values are limited. At the beginning of the mission period, though very high inflow velocities are still present the unit control of the actuator only a small turn angle; whereby fluid dynamic overrides or the Er very fast control loop reactions are avoided. Thereby the limit frequency of the control loop can be kept low, which makes the implementation easier (i.e. cheaper and fault-free working) control loop structures with manageable functional algo rithms.

Es kann eine kontinuierliche Veränderung der Begrenzung des Anstell winkels in Abhängigkeit von der gemessenen Anströmgeschwindigkeit oder von dem Ablauf der Missionsdauer des Projektils vorgesehen sein. Apparativ einfacher und für die vorgesehene Arbeitsweise aus reichend ist es jedoch, bei der Funktion des Stellgliedes, also für die Verschwenkung des Ruderblattes unterschiedlich orientierte Paare von Anschlägen vorzusehen, die z.B. nacheinander außer Wirkung gesetzt werden; so daß in Abhängigkeit von der Missionsdauer die Ansteuerung des Stellgliedes zu unterschiedlichen Anstellwinkeln führt.
There may be a continuous change in the limitation of the angle of attack depending on the measured inflow velocity or on the expiration of the mission duration of the projectile. In terms of apparatus simplicity and sufficient for the intended mode of operation, it is, however, to provide differently oriented pairs of stops in the function of the actuator, that is to say for the pivoting of the rudder blade, which, for example, are deactivated one after the other; so that depending on the duration of the mission, the actuation of the actuator leads to different angles of attack.

Zusätzliche Alternativen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und, auch unter Berücksichtigung der Darlegungen in der Zusammenfassung, aus nachstehender Beschreibung von in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark abstrahiert skizzierten bevorzugten Reali sierungsbeispielen zur erfindungsgemäßen Lösung. Es zeigtAdditional alternatives and further training as well as further features and advantages of the invention result from the further claims and, also taking into account the explanations in the summary, from the following description of the drawing with restriction preferred reali sketched out to the essentials Examples of the solution to the invention. It shows

Fig. 1 in Seitenansicht ein Projektil mit Heckruder-Lenk einrichtung, Fig. 1 in side view a device projectile tail rudder steering,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung ein Prinzipbeispiel für die Anstellwinkel-Betätigung mit Anschlagbe grenzung bei einem Lenkruder und Fig. 2 shows an enlarged illustration of a basic example of the angle of actuation with a limit stop at a steering rudder and

Fig. 3 Zeit- und Geschwindigkeitsdiagramme einer stetigen und einer unstetigen Variation der Anschlagbegrenzung. Fig. 3 time and speed diagrams of a steady and a discontinuous variation of the stroke limit.

Ein Projektil 11, beispielsweise ein Unterwasserlaufkörper oder ein, mit hoher Anfangsgeschwindigkeit über Grund, aus einem Träger ausgestoßener Submunitionsflugkörper, ist mit einer Lenkeinrichtung 12 zur Ansteuerung eines Zielobjektes ausgestattet. Dafür kann eine Fernsteuerung vorgesehen sein; oder eine Selbststeuerungseinrichtung mit einem Sensor 13, beispielsweise in der Ausführung eines starr eingebauten Detektors oder eines Zielverfolgungs-Suchkopfes. Der Sensor 13 liefert Zielablageinformationen 14 an ein vorprogrammiertes Steuergerät 15 zur Gewinnung von Stellgrößen 16 für die Anstellung von Ruderblättern 17, um dem Projektil 11 Drehmomente um seine körper festen Achsen einzuprägen, also die räumliche Orientierung seiner Längsachse 18 und ggf. auch seinen Bewegungszustand um diese Achse herum zu beeinflussen. A projectile 11 , for example an underwater running body or a submunition missile ejected from a carrier at high initial speed above ground, is equipped with a steering device 12 for actuating a target object. A remote control can be provided for this; or a self-control device with a sensor 13 , for example in the form of a rigidly installed detector or a tracking search head. The sensor 13 delivers target placement information 14 to a preprogrammed control unit 15 for obtaining manipulated variables 16 for the adjustment of rudder blades 17 in order to impress the projectile 11 with torques about its axially fixed axes, i.e. the spatial orientation of its longitudinal axis 18 and possibly also its state of motion around it To affect axis around.

Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 2 vorgesehen, daß ein Stellglied 19, beispielsweise ein elektromechanischer oder ein Fluid-Aktuator, über eine radiale Koppelstange 20 an eine Stellwelle 21 angelenkt ist, die ihrerseits starr mit den Ruderblättern 17 einer Diametral-Querschnittsebene des Projektils 11 verbunden ist. Die Ansteuerung des Stellgliedes 19 mit einer Stellgröße 16 bewirkt also ein Verdrehen der Stellwelle 21 und dementsprechend eine An stellung des Ruderblattes 17 um den Anstellwinkel d gegenüber der Projektil-Längsachse 18.To simplify the illustration, it is provided in Fig. 2 that an actuator 19 , for example an electromechanical or a fluid actuator, is articulated via a radial coupling rod 20 to an actuating shaft 21 , which in turn is rigid with the rudder blades 17 of a diametrical cross-sectional plane of the projectile 11 is connected. The actuation of the actuator 19 with a manipulated variable 16 thus causes a rotation of the control shaft 21 and accordingly a position of the rudder blade 17 by the angle of attack d relative to the longitudinal axis 18 of the projectile.

Eine apparativ besonders einfache Ausführung des Stellgliedes 19 ergibt sich, wenn dieses diskontinuierlich und dabei insbesondere im Dreipunktbetrieb arbeitet; also ohne Stellgrößen-Ansteuerung das Ruderblatt 17 in der neutralen Stellung (Anstellwinkel d=0) hält - was auch durch die Asymmetrie der Lage der Stellwelle 21 am Ruderblatt 17 strömungsdynamisch bewirkt oder jedenfalls unter stützt sein kann - , während das Steuergerät 15 für Abgabe nur einer betragsmäßig einzigen Stellgröße 16 samt eines der beiden möglichen Vorzeichen ausgelegt ist, um den durch Anschläge 26 definierten positiven oder negativen maximalen Anstellwinkel dmax hervorzurufen. Die Intensität des Kursmanövers ist dann - in Abhängigkeit von der momentanen Geschwindigkeit v gegenüber der Umgebungsanströmung - durch Variation der Zeitspannen beeinflußbar, über die die jeweilige Stellgröße 16 ausgegeben, der maximale Anstellwinkel dmax also vor Rückkehr in die neutrale Stellung d=0 beibehalten bleibt.A particularly simple embodiment of the actuator 19 is obtained if it operates discontinuously and in particular in three-point operation; So without control value control, the rudder blade 17 holds in the neutral position (angle of attack d = 0) - which also causes fluid dynamics or can be supported at least by the asymmetry of the position of the control shaft 21 on the rudder blade 17 - while the control device 15 only for delivery of a single manipulated variable 16 in terms of amount, including one of the two possible signs, in order to produce the positive or negative maximum angle of attack dmax defined by stops 26 . The intensity of the course maneuver can then be influenced - depending on the instantaneous speed v compared to the ambient flow - by varying the time spans over which the respective manipulated variable 16 is output, i.e. the maximum angle of attack dmax is retained before returning to the neutral position d = 0.

Trotz des großen apparativen Vorteiles eines solchen Zweipunkt-(oder Dreipunkt-) Betriebes des Anstell-Stellgliedes 19 weist diese dis kontinuierliche Anstellung aber betriebliche Nachteile auf. Denn da keine kontinuierliche Veränderung des Anstellwinkels d um kleine Winkel möglich ist, ein fest vorgegebener Ausschlag 26 für die An stellung des Ruderblattes 17 aber je nach der Anströmgeschwindigkeit v auch sehr große Auswirkungen auf die momentanen Bewegungsgrößen des Projektils 11 haben kann, muß die Ansteuerung des Stellgliedes 19 im schnellen Impulsbetrieb (nach Art einer Pulslängenmodulation) erfolgen, um Übersteuerungen und daraus resultierende Fluginstabili täten zu vermeiden. Das bedingt einen sehr hohen Aufwand für schnelle Informationsverarbeitung innerhalb des Steuergerätes 15 und die Ausbildung rasch ansprechender, aber trotz des diskontinuierlichen Betriebes für stabile Arbeitsweise auszulegender Regelkreise, also einen schaltungstechnisch aufwendigen und damit teueren Regelalgo rithmus für die Ansteuerung des Stellgliedes 19 aus dem Steuergerät 15.Despite the great apparatus advantage of such a two-point (or three-point) operation of the setting actuator 19 , this dis continuous setting has operational disadvantages. Because since no continuous change in the angle of attack d by small angles is possible, a fixed predetermined deflection 26 for the position of the rudder blade 17 but depending on the inflow speed v can also have very great effects on the momentary movement variables of the projectile 11 , the control of the Actuator 19 in fast pulse mode (in the manner of a pulse length modulation) to avoid oversteer and resulting flight instabilities. This requires a very high outlay for fast information processing within the control unit 15 and the training of responsive control loops, which, despite the discontinuous operation, must be designed for stable operation, i.e. a circuit-technically complex and therefore expensive control algorithm for the control of the actuator 19 from the control unit 15 .

Um den Vorteil des einfachen da diskontinuierlich arbeitenden Stell gliedes 19 nicht durch diesen Nachteil aufzuwiegen, ist nun vorge sehen, unter Beibehaltung des Zweipunkt- bzw. Dreipunktbetriebes des Stellgliedes 19 dessen Stellweg, also den Anstellwinkel dmax, in Abhängigkeit von der Anströmgeschwindigkeit v zu ändern; nämlich diesen bei hoher Anströmgeschwindigkeit v klein zu halten und im Verlaufe des Missionszeit t, nach Abbau der Anfangsgeschwindigkeit, dann einen größeren Anstellwinkel dmax zuzulassen.In order not to outweigh the advantage of the simple, discontinuously operating actuator 19 by this disadvantage, it is now easily seen, while maintaining the two-point or three-point operation of the actuator 19, its travel, i.e. the angle of attack dmax , to change depending on the inflow velocity v ; namely to keep this small at a high inflow velocity v and then to allow a larger angle of attack dmax in the course of the mission time t , after the initial velocity has been reduced .

Hierfür ist ein Begrenzungsgeber 22 vorgesehen, der - kontinuierlich wie in Fig. 3 gestrichelt berücksichtigt oder diskontinuierlich - in Abhängigkeit von der momentanen Anströmgeschwindigkeit v von einem Geschwindigkeitssensor 23 oder aber einfach in Abhängigkeit vom Ablauf der Missionszeit t aus einem Zeitglied 24 (ggf. mit zentraler Informationsverarbeitung im Steuergerät 15, wie in Fig. 2 berück sichtigt) umsteuerbar ist, um einen Stellbegrenzer 25 im Wirkmecha nismus zwischen dem Stellglied 19 und der Stellwelle 21 zu beein flussen.For this purpose, a limiting sensor 22 is provided, which - taken into account continuously or as a broken line in FIG. 3 or discontinuously - as a function of the current inflow velocity v from a speed sensor 23 or simply as a function of the expiration of the mission time t from a timer 24 (possibly with a central one Information processing in the control unit 15 , as taken into account in FIG. 2) can be reversed in order to influence a control limiter 25 in the mechanism between the actuator 19 and the control shaft 21 .

Die Ansteuerung des Stellgliedes 19 gestaltet sich also denkbar einfach, indem entweder die Stellgröße 16 weggenommen wird (womit das Ruderblatt 17 sich in die neutrale Stellung mit dem Anstellwinkel d=0 einstellt), oder aber das Stellglied 19 mit dem einen oder mit dem anderen Vorzeichen angesteuert wird, bis der jeweilige Anschlag 26 (erforderlichenfalls auch als Endschalter zur Auslösung weiterer Steuerungsvorgänge) in der Arretierstellung d′ wirksam wird. The actuation of the actuator 19 is thus very simple, either by removing the manipulated variable 16 (which sets the rudder blade 17 in the neutral position with the angle of attack d = 0), or else the actuator 19 with one or the other sign is controlled until the respective stop 26 (if necessary also as a limit switch for triggering further control processes) in the locking position d 'is effective.

Als die Anschläge 26 des Stellbegrenzers 25 können Stellungssensoren im Bewegungsbereich vom Stellglied 19 über die Kopplung auf die Stellwelle 21 vorgesehen sein, wobei je nach dem maximalen Anstell winkel dmax in unterschiedlichen Arretierstellungen d′ vorgesehene Stellungssensoren von dem Begrenzungsgeber 22 aktiviert bzw. abgefragt werden. Konstruktiv einfacher ist, wie in Fig. 2 vorgesehen, ein Paar variabler machanischer Anschläge 26 im Bewegungsweg der Koppel stange 20 zwischen Stellglied 19 und Stellwelle 21 zur Realisierung des Stellbegrenzers 25. Dazu können verfahrbare Anschläge 26 auf einer Spindel 27 mit gegenläufigen Gewindehälften ausgebildet sein, die von einem rotatorischen Begrenzungsgeber 22 in diskrete oder kontinuierlich veränderbare Arretierstellungen d′ für den positiven oder negativen Anstellwinkel dmax verfahrbar sind. Da in der Praxis nur eine Geschwindigkeitsabnahme der Projektils 11, also eine Ver größerung des maximalen Anstellwinkels dmax, über der Missionszeit t von praktischem Interesse ist, genügt es, entsprechend der ausge zogenen Darstellung in Fig. 3 für die Anfangszeit t, in der die Anströmgeschwindigkeit v noch sehr groß ist, winkelmäßig enge Arretier stellungen -d′1 ... +d′1 vorzusehen, die zum Umschaltzeitpunkt t 2 unwirksam gemacht werden, beispielsweise elektromechanisch oder mittels eines zeitgesteuerten pyrotechnischen Kraftelementes aus dem Anschlag-Bewegungsweg der Koppelstange 20 entfernt werden; so daß danach der größere Anstellwinkel dmax zwischen breiter ausein anderliegenden Anschlägen 26 entsprechend den Arretierstellungen -d′2 ... +d′2 wirksam bleibt.As the stops 26 of the actuating limiter 25 , position sensors can be provided in the range of motion from the actuator 19 via the coupling to the actuating shaft 21 , depending on the maximum setting angle dmax in different locking positions d 'provided position sensors can be activated or queried by the limit transmitter 22 . Structurally simpler, as provided in Fig. 2, a pair of variable mechanical stops 26 in the path of movement of the coupling rod 20 between the actuator 19 and the actuating shaft 21 to implement the actuating limiter 25th For this purpose, movable stops 26 can be formed on a spindle 27 with opposing thread halves , which can be moved by a rotary limiting sensor 22 into discrete or continuously variable locking positions d 'for the positive or negative angle of attack dmax . Since in practice only a decrease in the speed of the projectile 11 , i.e. an increase in the maximum angle of attack dmax , over the mission time t is of practical interest, it is sufficient, corresponding to the drawn-out representation in FIG. 3, for the initial time t , in which the inflow speed v is still very large, angularly tight locking positions - d '1 ... + d ' 1 to be provided, which are rendered ineffective at the switching time t 2 , for example electromechanically or by means of a time-controlled pyrotechnic force element, from the stop motion path of the coupling rod 20 ; so that thereafter the larger angle of attack dmax between broader abutting stops 26 corresponding to the locking positions - d '2 ... + d'2 remains effective.

So ist sichergestellt, daß in der kritischen Flugphase hoher Anström geschwindigkeit v nur kleine Auslenkungen der Ruderblätter 17 möglich sind und dadurch strömungsdynamische bzw. Regelkreis-Instabilitäten infolge zu großer Anstellwinkel dmax sicher unterbunden bleiben; während bei Rückgang auf kleinere Anströmgeschwindigkeiten v nach längerer Missionszeit t hinreichende strömungsdynamische Wirkungen der Ruderblatt-Anstellung sichergestellt sind, indem die Anstell winkel dmax dann bei gleichen Stellgrößen wesentlich größer werden.This ensures that in the critical flight phase of high inflow speed v only small deflections of the rudder blades 17 are possible and flow dynamics or control loop instabilities due to excessively large angles of attack dmax are reliably prevented; while falling back to lower inflow velocities v after a longer mission time t ensures sufficient flow-dynamic effects of the rudder blade adjustment by the angle of attack dmax then becoming significantly larger with the same manipulated variables.

Claims

1. Steering device ( 12 ) for projectiles ( 11 ) with adjustable rudder blades ( 17 ), characterized in that depending on the inflow speed ( v ) adjustable limit transmitters ( 22 ) are provided for discontinuously adjustable angles of attack (dmax) .

2. Steering device according to claim 1, characterized in that the limit transmitter ( 22 ) is adjustable as a function of the mission time ( t ).

3. Steering device according to claim 1 or 2, characterized in that the limit transmitter ( 22 ) is discontinuously adjustable.

4. Steering device according to claim 3, characterized in that the limiter ( 22 ) between a very small angle of attack (dmax) at the beginning of the mission time ( t ) and a large angle of attack (dmax) can be switched during the subsequent mission time ( t ).

5. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that the limiter ( 22 ) is equipped with a control limiter ( 25 ) in the range of motion of the coupling from the actuator ( 19 ) to the control shaft ( 21 ) of the rudder blade ( 17 ).

6. Steering device according to claim 5, characterized in that the adjusting limiter ( 25 ) is equipped with stops ( 26 ) for the rotary movement of the adjusting shaft ( 21 ).

7. Steering device according to claim 6, characterized in that the stops ( 26 ) in different locking positions ( d ') are movable.

8. Steering device according to claim 6, characterized in that the stops ( 26 ) are provided in different locking positions ( d ') and can be controlled selectively.

9. Steering device according to one of the preceding claims, characterized in that a controllable with pulse width modulation adjusting actuator ( 19 ) is provided.