DE3782230T2 - Geschoss mit verringertem bodensog. - Google Patents

Geschoss mit verringertem bodensog.

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DE3782230T2 DE8787630266T DE3782230T DE3782230T2 DE 3782230 T2 DE3782230 T2 DE 3782230T2 DE 8787630266 T DE8787630266 T DE 8787630266T DE 3782230 T DE3782230 T DE 3782230T DE 3782230 T2 DE3782230 T2 DE 3782230T2
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das Reduzieren des Grundströmungswiderstands von Projektilen, die dafür vorgesehen sind, sich durch ein Fluid in einer stromaufwärtigen Richtung zu bewegen.
  • Der Strömungswiderstand ist das Ergebnis von Hautreibung und Oberflächendruckveränderungen, die durch Viskositätseffekte verursacht werden, insbesondere die aufgrund von Ablösungsblasen oder -gebieten (d. h. Niederdruckschleppen). Ablösungsgebiete treten auf, wenn zwei- und dreidimensionale Grenzschichten sich von der Oberfläche des Körpers entfernen. Stumpfe oder abgestumpfte Körper haben Formen, die dazu tendieren, ein schnelles Ansteigen des stromabwärtigen Druckgradienten in der Stromlinienströmung um ihn zu fördern, was dazu führen kann, daß die Hauptströmung von der Oberfläche des Körpers losbricht. Das gilt insbesondere bei Projektilen, die stumpfe Endoberflächen haben. Die Ablösungsblasen, die hinter diesen Projektilen erzeugt werden, wenn diese sich durch die Luft bewegen, erzeugen hohen Grundströmungswiderstand.
  • Ein Projektil, wie es in dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist, ist in "Journal of Spacecraft and Rockets", Band 12, Nr. 12, Dezember 1975, S. 727-732, in einem Aufsatz mit dem Titel "Improved Projectile Boattail" von Anders S. Platou sowie in der US-A-3 873 048 beschrieben, in welcher angegeben ist, daß ein konisches Projektilbootsheck im Vergleich zu einem zylindrischen Projektilbootsheck einen geringeren Strömungswiderstand hat, daß aber speziell die konischen Bootshecks große Magnus-Kräfte und Momente bei Transschallgeschwindigkeiten erzeugen, die die dynamische Stabilität der Projektile nachteilig beeinflussen können. Das Bootsheck ist mit ebenen Oberflächen versehen, um das Projektil zu stabilisieren. Flossenartige Teile, die sich nur über einen Teil der ebenen Oberflächen erstrecken, können zwischen benachbarten ebenen Oberflächen vorgesehen sein.
  • "In Strömungsrichtung erfolgende, zweidimensionale Grenzschichtablösung", wie in der Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen benutzt, bedeutet das Losbrechen des Hauptfluids von der Oberfläche eines Körpers, was zu einer Strömung in der Nähe der Wand führt, die sich in einer zu der Hauptfluidströmungsrichtung entgegengesetzten Richtung bewegt.
  • Es ist ein konstantes Ziel von Aerodynamikern gewesen, den Strömungswiderstand zu reduzieren und die Auftriebs- und Strömungsabrißkenndaten (gegebenenfalls) an Körpern zu verbessern, die in einem Fluid angeordnet sind, das sich relativ zu ihnen bewegt. Ein üblicher Weg, die Grenzschichtablösung an einem aerodynamischen Körper (oder einem anderen stromlinienförmigen Körper) zu vermeiden oder die Ablösung wenigstens so zu verzögern, daß sie so weit wie möglich stromabwärts längs der Oberfläche des aerodynamischen Körpers auftritt, um den Strömungswiderstand zu minimieren, besteht darin, den Druckanstieg stromabwärts zu reduzieren, beispielsweise durch Maßschneidern der Oberflächenkontur auf der Länge des aerodynamischen Körpers in Richtung der Hauptfluidströmung.
  • Ein weiteres gut bekanntes Verfahren zum Reduzieren des Strömungswiderstands von aerodynamischen Körpern besteht darin, in der Grenzschicht Turbulenz zu erzeugen, um dem Grenzschichtfluid einen größeren mittleren Impuls zu geben, der es längs der Oberfläche gegen einen nachteiligen Druckgradienten weiter stromabwärts trägt, um dadurch den Ablösungspunkt zu verzögern. Zum Beispiel, die US-A-4 455 045 beschreibt langgestreckte, sich erweiternde Kanäle in der Strömungsoberfläche. Die Kanäle haben scharfe Kanten in Längsrichtung. Die Grenzschicht an der Oberfläche strömt in die Kanäle, und die Kanalränder erzeugen in Strömungsrichtung Wirbel unterhalb der Ebene der normalen Strömungsoberfläche, welche die Strömung in dem Kanal veranlassen, die Grenzschichtanhaftung der Strömung längs des Bodens des Kanals aufrechtzuerhalten.
  • Ahnlich werden der US-A-2 800 291 viele benachbarte, sich in Strömungsrichtung erstreckende Kanäle in der Strömungsoberfläche erzeugt. Die Kanäle erweitern sich kontinuierlich in seitlicher Richtung von einem schmalen Einlaß zu einem breiten Auslaß. Eine insgesamt dreieckige Rampe ist zwischen benachbarten Kanälen gebildet. Die US-A-2 800 291 erläutert, daß die Grenzschichtströmung zwischen den Rampen und den Kanälen aufgeteilt wird. Die Strömung innerhalb der Kanäle breitet sich aus, und die Grenzschicht wird dicker und bleibt an der Oberfläche länger haften. Die Rampenströmung wird in die allgemeine Strömung abgelenkt. Ein Verwendungszweck (Fig. 6 der US-A-2 800 291) ist zwischen dem Dach und der Heckscheibe eines Kraftfahrzeuges, um die Strömung auf einer größeren Strecke als normal an der gekrümmten Oberfläche zu halten.
  • Gemäß der US-A-1 773 280 wird erhöhter Auftrieb ohne erhöhten Strömungswiderstand an einer Flugzeugtragfläche erzeugt durch Plazieren einer Vielzahl von Seite an Seite angeordneten, sich in Sehnenrichtung erstreckenden Rippen längs der Oberseite des Flügels von seiner Vorder- bis zu seiner Hinterkante, wobei die Rippen ihren höchsten Punkt in der Nähe des dicksten Teils des Flügels haben. Die Rippen selbst sind flügelprofilförmig ausgebildet, wenn sie von oben betrachtet werden, und verjüngen sich bis zu einem Punkt an der Hinterkante des Flügels. Bei diesem Prinzip werden durch Viskosität hervorgerufen Grenzschichtablösungseffekte nicht berücksichtigt, weshalb nicht erwartet werden kann, daß eine Ablösung bei Bedingungen starken Auftriebs vermieden wird.
  • Gemäß der US-A-3 588 005 werden sich in Sehnenrichtung erstreckende Rippen in der Oberfläche eines aerodynamischen Körpers benutzt, um das Einsetzen der Ablösung zu verzögern, indem "Kanäle mit beschleunigter Strömung in der Strömungsrichtung der freien Strömung vorgesehen werden, um der Grenzschicht Energie zuzusetzen und die laminare Strömung in dem Gebiet des normalerweise nachteiligen Druckgradienten aufrechtzuerhalten". Die Rippen stehen von der Oberfläche aus "bis in eine Höhe in der Größenordnung der Grenzschichtdicke" vor. Querströmungskomponenten "werden über den Rippen beschleunigt und können die Wahrscheinlichkeit der Ablösung nahe dem hinteren Ende . . . des Körpers verzögern, indem sie der Strömung gestatten, "korkenzieherartig" sanft das hintere Ende zu verlassen statt auf den abrupten nachteiligen Druckgradienten in der freien Strömungsrichtung zu treffen, der durch ein abgestumpftes hinteres Ende verursacht wird". Wie bei den Rippen gemäß der US-A-1 773 280, die oben erläutert worden sind, wird die Strömung ebenfalls zwischen den Rippen beschleunigt, was weiter hilft, eine laminare Strömung über der Oberfläche des aerodynamischen Körpers aufrechtzuerhalten.
  • In den US-A-3 741 285 und 3 578 264 wird die Ablösung verzögert durch Erzeugen von Wirbeln unter Verwendung einer Reihe von Scheiteln oder konkaven Vertiefungen, die sich im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung erstrecken. Die maximale Höhe eines Scheitels oder die Tiefe einer Vertiefung ist vorzugsweise kleiner als die Grenzschichtdicke.
  • In einem Aufsatz mit dem Titel "The Reduction of Drag by Corrugating Trailing Edges" von D. L. Whitehead, M. Kodz, und P. M. Hield, veröffentlicht von der Cambridge University, England, 1982, wird der Stumpfgrundströmungswiderstand einer Schaufel [mit 508 mm (20 Zoll) Spannweite, 508 mm (20 Zoll) Sehnenlänge, einer konstanten Dicke von 38 mm (1.5 Zoll) und einer stumpfen Hinterkante] reduziert, indem die letzten 177 Millimeter (7 Zoll) der sich in Sehnenrichtung erstreckenden Länge als sich in Strömungsrichtung erstreckende, wechselnde Rinnen und Rücken (Wellungen) ausgebildet werden. Die Hinterkante und jeder stromaufwärtige Querschnitt der Wellungen hat die Form einer Sinuswelle mit einer Wellenlänge von 203 mm (8.0 Zoll). Die Dicke des Schaufelmaterials wird über der Länge jeder Rinne und Rippe konstant gehalten, obgleich die Rinnentiefe oder die Rückenhöhe (d. h. die Wellenamplitude) von einem Maximum von 50 mm (2.0 Zoll) an der Hinterkante auf null stromaufwärts übergeht. Der gesamte Rinnenauslaßquerschnitt beträgt mehr als 50% der stumpfen Grundfläche. Die Fig. 21-23 zeigen die darin beschriebene Schaufel, mit Abmessungen, die in einer Einheitslänge "a" angegeben sind. Eine Verringerung des Grundströmungswiderstands um etwa ein Drittel wurde im Vergleich mit einer Referenzschaufel ohne Wellung realisiert. Es ist erläutert, daß Wirbel in Richtung der Spannweite, die sich abwechselnd von den oberen und hinteren Rändern der nichtgewellten Referenzschaufel abgelöst haben, durch die Wellungen eliminiert wurden.
  • Allgemein wird angenommen, daß die die Ablösung verzögernden Vorrichtungen des Standes der Technik ihrerseits ihren eigenen beträchtlichen Strömungswiderstand erzeugen, wodurch einige der Vorteile, die mit ihnen sonst erreicht würden, aufgehoben werden. Das begrenzt manchmal ihre Wirksamkeit. Viele der Vorrichtungen des Standes der Technik haben sich zwar bei der Reduzierung des Strömungswiderstands als wirksam erwiesen, eine weitere Verbesserung ist jedoch erwünscht, beispielsweise im Hinblick auf das Reduzieren des Grundströmungswiderstands an Projektilen mit stumpfer Basis.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein stumpfendiges Projektil zu schaffen, das eine Ablösungsblase reduzierter Größe stromabwärts einer stumpfen Endoberfläche des Projektils hat, um reduzierten Grundströmungswiderstand zu schaffen.
  • Gemäß der Erfindung wird, um das zu erreichen, ein Projektil geschaffen, das dafür vorgesehen ist, sich in einer stromaufwärtigen Richtung durch ein Fluid zu bewegen, wobei das Projektil eine äußere Oberfläche hat, die im wesentlichen eine Rotationsfläche um eine Achse ist, welche sich in der stromaufwärtigen Richtung erstreckt, wobei das Projektil eine stumpfe, stromabwärts gewandte Endoberfläche hat, wobei die Rotationsfläche an dieser Endoberfläche endigt, mehrere umfangsmäßig beabstandete, sich stromabwärts erstreckende Rinnen, die in der Rotationsfläche gebildet sind, wobei jede Rinne die Tiefe null an ihrem stromaufwärtigen Ende hat und die Endoberfläche schneidet, um einen Rinnenauslaß zu bilden, und wobei jede der Rinnen in der Tiefe zunimmt bis zu einer maximalen Tiefe an ihrem Auslaß, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rinne im Querschnitt über ihrer Länge gleichmäßig U-förmig ist und daß die Kontur und die Abmessungen der Rinnen so gewählt sind, daß gewährleistet ist, daß jede Rinne auf ihrer gesamten Länge voll durchströmt ist und Fluid veranlaßt, in den Raum unmittelbar stromabwärts der stumpfen Endoberfläche zu strömen, um den Basisströmungswiderstand zu reduzieren.
  • Das Fluid, das in den Raum unmittelbar hinter der stumpfen Endoberfläche strömt, reduziert die Größe der Ablösungsblase, die sonst gebildet würde. Mit anderen Worten, die Intensität der Niederdruckschleppe, die unmittelbar hinter der stumpfen Endoberfläche gebildet wird, wird reduziert.
  • Die stumpfe Endoberfläche kann entweder eine stromabwärts gewandte Endoberfläche sein, die durch eine schnell zunehmende Krümmung einer sich insgesamt in Strömungsrichtung erstreckenden Oberfläche gebildet wird, oder die stromabwärts gewandte Endoberfläche, an der eine sich in Strömungsrichtung erstreckende Oberfläche abrupt aufhört, beispielsweise wenn die Endoberfläche im wesentlichen rechtwinkelig zu der sich in Strömungsrichtung erstreckenden Oberfläche ist. Die Rinnen müssen so konturiert und geneigt sein, daß sie voll durchströmt werden (das heißt, daß keine in Strömungsrichtung erfolgende zweidimensionale Grenzschichtablösung innerhalb der Rinnen auftritt). Daher müssen sich die Rinnen von einem Punkt stromaufwärts aus erstrecken, wo die Grenzschichtablösung normalerweise erfolgen würde. Aufgrund der U-förmigen, gleichmäßig gekrümmten Rinnen werden keine scharfen Winkel gebildet, wo Rinnenseitenwandflächen auf die Rinnensohle treffen, um Verluste zu minimieren. Am bevorzugtesten bilden die Rinnen eine sanft gewellte Oberfläche, die im Querschnitt rechtwinkelig zu der stromabwärtigen Richtung wellenförmig ist.
  • In der EP-A-0 244 344 ist ein Hinterkantengebiet eines aerodynamischen Körpers beschrieben, in dem sich in Strömungsrichtung erstreckende Rinnen und Rücken gebildet sind, die eine wellenartige, dünne Hinterkante bilden. Die Rinnen in einer Oberfläche bilden die Rücken in der gegenüberliegenden Oberfläche. Die Rinnen und die Rücken helfen, die katastrophalen Auswirkungen einer zweidimensionalen Grenzschichtablösung an der saugseitigen Oberfläche des aerodynamischen Körpers durch Vorsehen einer dreidimensionalen Entlastung der einen geringen Impuls aufweisenden Grenzschichtströmung zu verzögern oder zu verhindern. Die vorliegende Erfindung ist jedoch darauf gerichtet, den Basisströmungswiderstand zu reduzieren, der hinter einem Projektil mit stumpfer Basis erzeugt wird. Eine Unterscheidung zwischen der EP-A-0 244 344 und der vorliegenden Erfindung ist, daß bei der vorliegenden Erfindung die Rinnen nur in einer Oberfläche gebildet zu werden brauchen. Darüber hinaus können die Rinnen eine beträchtliche Auswirkung haben, wenn die stumpfe Endoberfläche viel größer als die Summe der Rinnenauslaßquerschnitte ist, sogar zwanzigmal größer oder mehr.
  • Es wird angenommen, daß das Fluid die Rinnen mit einer Impulsrichtung verläßt, die es über die stumpfe Endoberfläche in das normalerweise stagnierende Gebiet hinter der stumpfen Endoberfläche trägt (das heißt, es wird ein Abwind erzeugt). Darüber hinaus wird angenommen, daß jede Rinne einen einzelnen, großformatigen axialen Wirbel von jeder Seitenwandoberfläche an dem Rinnenauslaß aus erzeugt. (Mit "großformatig" ist gemeint, daß die Wirbel einen Durchmesser haben, der etwa die Größe der gesamten Rinnentiefe hat.) Diese beiden Wirbel drehen sich in entgegengesetzten Richtungen und erzeugen ein Strömungsfeld, welches die Tendenz hat, Fluid aus der Rinne und außerdem aus dem nahegelegenen Hauptfluid zu veranlassen, sich in das Gebiet hinter der stumpfen Oberfläche zu bewegen. Die Gesamtauswirkung dieser Erscheinung entweder allein oder gekoppelt mit dem Abwindeffekt besteht darin, daß die Größe der Stagnationsblase, die normalerweise hinter einer stumpfen Endoberfläche gebildet wird, reduziert wird, wodurch der Basisströmungswiderstand reduziert wird. Darüber hinaus wird angenommen, daß in Fällen, in welchen das Ablösen von Wirbeln in Richtung der Spannweite ein zusätzlicher Beitrag zum Basisströmungswiderstand ist, die Rinnen diese Ablösung unterdrücken.
  • Benachbarte Rinnen sollten weit genug gegenseitig beanstandet sein, damit die gegenläufig drehenden axialen Wirbel, die an den Seitenwandoberflächen von benachbarten Rinnen erzeugt werden, genug Raum haben, um sich vollständig auszubilden. Wenn die Rinnen zu nahe beieinander sind, werden sich die gegenläufig rotierenden Wirbel gegenseitig stören oder aufheben (Patentanspruch 3).
  • Es wird bevorzugt, daß das Fluid, das aus jeder Rinne austritt, eine minimale seitliche Komponente der Geschwindigkeit hat, um Sekundärströmungsverluste zu minimieren. Aus diesem Grund sind die Rinnenseitenwände auf einer beträchtlichen Strecke stromaufwärts des Auslasses vorzugsweise parallel zu der Hauptfluidströmung an der Oberfläche in der Nähe der Rinne (Patentansprüche 6 und 8).
  • Weiter wird bevorzugt, daß die Rinnenseitenwände an dem Auslaß steil und am bevorzugtesten im wesentlichen rechtwinkelig zu der sich in Strömungsrichtung erstreckenden Oberfläche sind. Es wird angenommen, daß dadurch die Intensität des Wirbels vergrößert wird, der durch die Seitenwand erzeugt wird. Das Wort "steil", wie es hier und in den Patentansprüchen benutzt wird, bedeutet, daß im Querschnitt rechtwinkelig zu der Richtung der Rinnenlänge Tangenten an dem steilsten Punkt an jeder Seitenwand sich schneiden, um einen eingeschlossenen Winkel von nicht mehr als etwa 120º zu bilden (Patentanspruch 5).
  • Andere vorteilhafte Merkmale des Projektils sind in zusätzlichen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
  • Die vorstehenden und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen derselben, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, wobei:
  • Fig. 1 zeigt die Fluidströmungsdynamik, die einem Körper mit stumpfer Basis zugeordnet ist, der sich relativ zu einem Fluidstrom bewegt.
  • Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Gegenstands mit stumpfer Basis, der Rinnen in seinen entgegengesetzt gerichteten Oberflächen hat.
  • Fig. 3 ist eine Schnittansicht nach der Linie 3-3 in Fig. 2.
  • Fig. 4 ist eine Ansicht insgesamt in Richtung der Linie 4-4 in Fig. 3.
  • Fig. 5 ist eine Schnittansicht insgesamt in Richtung der Linie 5-5 in Fig. 4.
  • Fig. 6 ist eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 4 mit Y bezeichneten Querschnitts.
  • Fig. 7 ist eine perspektivische Teilansicht eines Körpers mit stumpfem Ende, der eine stromabwärts gewandte Endoberfläche hat, die durch eine schnell zunehmende Krümmung einer sich insgesamt in Strömungsrichtung erstreckenden, mit Rinnen versehenen Oberfläche gebildet ist.
  • Fig. 8 ist eine Schnittansicht nach der Linie 8-8 in Fig. 7.
  • Fig. 9 ist eine Endansicht in Richtung der Linie 9-9 in Fig. 8.
  • Fig. 10 ist eine Seitenansicht eines Projektils, das mit den Rinnen nach der Erfindung versehen ist.
  • Fig. 11 ist eine Endansicht des Projektils nach Fig. 10 insgesamt in der Richtung der Linie 11-11 in Fig. 10.
  • Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht einer "Schaufel" gemäß dem Stand der Technik.
  • Fig. 13 ist eine Querschnittansicht nach der Linie 13-13 des Standes der Technik nach Fig. 12.
  • Fig. 14 ist eine Querschnittansicht nach der Linie 14-14 des Standes der Technik nach Fig. 12.
  • Fig. 1 veranschaulicht, was passiert, wenn Fluid über die Oberfläche eines Körpers strömt, der in einem stumpfen stromabwärtigen Ende endigt. In dieser Figur ist der Körper mit der Bezugszahl 10 bezeichnet und weist eine obere und eine untere glatte, ebene Oberfläche 12 bzw. 14 auf, über die Fluid strömt. Die breiten Pfeile 16 zeigen die stromabwärtige Richtung, wogegen die Linien 18 Stromlinien der Hauptfluidströmung an den Oberflächen 12, 14 darstellen. Es ist bekannt, daß Fluid zwar an den glatten Oberflächen 12, 14 unter einem breiten Bereich von Bedingungen haften bleiben kann, daß es sich jedoch nicht um die Ecke biegen kann, wenn es die stumpfe Endoberfläche 20 erreicht, was zur Ablösung an oder nahe der oberen und unteren Kante 22, 24 führt. Die Strömungen, die die obere und untere Oberfläche verlassen, vereinigen sich wieder miteinander an einem Punkt stromabwärts der Oberfläche 20. Stromabwärts dieses Punktes gibt es ein Niederdruckgebiet 21 (oder eine "Ablösungsblase") zwischen den oberen und unteren Stromlinien unmittelbar stromabwärts der stumpfen Endoberfläche 20. Wenn die Fluidströmung daher rührt, daß sich der Körper 10 in stromaufwärtiger Richtung durch das Fluid bewegt, führt dieses Niederdruckstagnationsgebiet zu einer Kraft in der stromabwärtigen Richtung, die sich jeder Kraft widersetzt oder zu jeder Kraft entgegengesetzt ist, welche versucht, den Körper in der stromaufwärtigen Richtung zu bewegen. Diese Kraft wird als Basisströmungswiderstand bezeichnet und kann beträchtlich sein.
  • Die Erfindung befaßt sich mit der Basisströmungswiderstandsreduktion bei gleichzeitiger Hervorrufung von minimalen anderen Verlusten, welche den Vorteilen reduzierten Basisluftwiderstands entgegenwirken. Das allgemeine Prinzip der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 2-6 beschrieben. In Fig. 2 ist ein Gegenstand, der mit den Rinnen nach der Erfindung versehen ist, insgesamt mit der Zahl 30 bezeichnet. Der Gegenstand hat eine obere Oberfläche 32 und eine untere Oberfläche 34. Es wird angenommen, daß sich der Gegenstand durch ein Fluid, wie zum Beispiel Luft, in einer stromaufwärtigen Richtung bewegt, die insgesamt durch den Pfeil 36 dargestellt ist. Die stromabwärtige Richtung ist durch den Pfeil 38 dargestellt. Mehrere sich stromabwärts erstreckende Rinnen 40 sind in der oberen Oberfläche 32 gebildet, und mehrere sich stromabwärts erstreckende Rinnen 42 sind in der unteren Oberfläche 34 gebildet. Die Rinnen sind im Querschnitt rechtwinkelig zu der stromabwärtigen Richtung insgesamt U-förmig. Jede Rinne erstreckt sich von ihrem Einlaß 43 zu einer stumpfen Endoberfläche 44, welche die obere und untere Oberfläche 32, 34 miteinander verbindet und im wesentlichen stromabwärts gewandt ist.
  • Die Rinnen müssen so konturiert, bemessen und geformt sein, daß sie auf ihrer gesamten Länge voll durchströmt werden, damit keine Strömungsschichtablösung in Strömungsrichtung innerhalb der Rinnen erfolgt. Demgemäß muß das Fluid, das längs der Oberflächen 32, 34 strömt, an diesen Oberflächen haften bleiben (das heißt, es darf keine Grenzschichtablösung in Strömungsrichtung erfolgen), wenn es in die Rinneneinlässe eintritt. Die Auslässe 45 in der Endoberfläche 44 haben eine Amplitude oder Tiefe A (Fig. 6). Sie haben die Tiefe null an ihren stromaufwärtigen Enden und gehen gleichmäßig in ihre obere und untere Oberfläche an ihren stromaufwärtigen Enden und auf ihrer Länge über. In dieser bevorzugten Ausführungsform nimmt jede Rinne ab ihrem stromaufwärtigen Ende bis zu ihrem Auslaß in der Tiefe zu. Das ist jedoch nicht erforderlich. Zum Beispiel, die Tiefe könnte ein Maximum stromaufwärts des Rinnenauslasses erreichen und dann bis zu dem Auslaß konstant bleiben.
  • In dieser exemplarischen Ausführungsform sind die Rinnen auf ihrer Länge im Querschnitt rechtwinkelig zu der stromabwärtigen Richtung gleichmäßig U-förmig und bilden eine gleichmäßig gewellte Oberfläche, die im Querschnitt rechtwinkelig zu der stromabwärtigen Richtung wellenförmig ist. Jede Rinne hat zwei einander zugewandte Seitenwandoberflächen 46, die als Seitenkanten 48 des Rinnenauslasses 45 endigen. Vorzugsweise sind die Seitenwandoberflächen 46 im wesentlichen parallel zu der Richtung der Hauptfluidströmung über der Oberfläche, in welcher sie über einem im wesentlichen ununterbrochenen Teil der Länge der Rinne angeordnet sind, die den Rinnenauslaß umfaßt. Die Parallelität der Seitenwandoberflächen 48 ist am besten in Fig. 5 gezeigt. Es ist unerwünscht, daß die Seitenwände divergieren, da das zur Ablösung in Strömungsrichtung innerhalb der Rinnen beiträgt und seitliche Geschwindigkeitskomponenten in dem die Rinne verlassenden Fluid hervorruft, welche unerwünschte sekundäre Strömungsverluste erzeugen.
  • Es wird angenommen, daß ein Paar unterschiedlicher Fluiddynamikmechanismen für den reduzierten Basisströmungswiderstand verantwortlich ist, welcher aus den Rinnen nach der Erfindung resultiert, obgleich diese Mechanismen noch nicht gänzlich verstanden werden. Es wird beispielsweise angenommen, daß es eine Hauptbewegung des die Rinnen verlassenden Fluids gibt, wobei diese Bewegung in den Raum unmittelbar hinter und an der stumpfen Endoberfläche hinein erfolgt, als ob es in gewissem Ausmaß an der stumpfen Endoberfläche des Gegenstands haften bliebe, nachdem es die Rinnen verlassen hat. Zweitens, es wird angenommen, daß jede Rinne ein Paar großformatige axiale Wirbel erzeugt, wobei die axiale Richtung die stromabwärtige Richtung ist. Jeder Wirbel wird an einer der beiden Rinnenseitenkanten 48 erzeugt. Die Wirbel jedes Paares rotieren in entgegengesetzten Richtungen. Diese Wirbel erzeugen ein Strömungsfeld, das bestrebt ist, Fluid aus der Rinne und aus dem nahegelegenen Hauptfluid zu veranlassen, sich in das Gebiet hinter und an der stumpfen Oberfläche zu bewegen.
  • Damit der Wirbel, der an der Seitenkante 48 eines Auslasses erzeugt wird, nicht durch einen gegenläufig rotierenden Wirbel gestört (d. h. ausgelöscht) wird, der an der Seitenkante der nächsten benachbarten Rinne erzeugt wird, ist es notwendig, daß die Seitenkanten von benachbarten Rinnen um eine ausreichende Strecke voneinander entfernt sind. Es ist somit notwendig, daß ein Teil des Querschnittes der stumpfen Endoberfläche 44 sich von der Seitenkante 48 jedes Rinnenauslasses aus bis zu der Seitenkante 48 eines benachbarten Auslasses über die volle Länge jeder der Seitenkanten erstreckt. Dieser Bereich der stumpfen Endoberfläche ist durch die schraffierte Fläche 50 in Fig. 6 dargestellt, welche zwischen den Rinnenseitenkanten angeordnet ist, die mit den Bezugszahlen 48A und 48B bezeichnet sind. Allgemein sollte die stromabwärtige Projektion des Bereiches 50 zwischen den Seitenkanten von benachbarten Rinnen wenigstens etwa ein Viertel (1/4) des stromabwärtigen projizierten Auslaßquerschnitts einer Rinne betragen.
  • Es wird weiter angenommen, daß die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Seitenwandoberflächen 48 des Auslasses steil sind. Vorzugsweise sollten im Querschnitt rechtwinkelig zu der stromabwärtigen Richtung, welches die Richtung der Rinnenlänge ist, Linien 52, die zu den steilsten Punkten längs der Seitenkanten 48 tangential sind, einen eingeschlossenen Winkel C (Fig. 6) bilden, der nicht größer als etwa 120º ist. Je näher der Winkel C bei null Grad (0º) ist, um so besser.
  • Die Rinnen sollten in der stromabwärtigen projizierten Querschnittsfläche an ihren Auslässen relativ zu der gesamten stromabwärtigen projizierten Fläche der stumpfen Endoberfläche groß genug sein, um eine nennenswerte Auswirkung auf den Basisströmungswiderstand zu haben. In einigen Fällen kann ein gesamter Rinnenauslaßquerschnitt, der nur einige Prozent des Querschnitts der stumpfen Basis beträgt, eine meßbare Reduktion des Basisströmungswiderstands erzeugen. In den meisten Fällen wird ein Rinnenauslaßquerschnitt von nicht mehr als 30% des gesamten Querschnitts der stumpfen Basis aufgrund von praktischen Überlegungen benutzt werden.
  • Es wird außerdem angenommen, daß die Rinnen relativ zu ihrer Tiefe nicht zu schmal sein sollten, da sich sonst geeignete Strömungsprofile innerhalb der Rinne nicht ausbilden werden und die gewünschte Basisströmungswiderstandreduktion nicht erfolgen wird. In Fig. 6 ist die Rinnenbreite an ihrem Auslaß die Scheitel-Scheitel-Wellenlänge P, und die Rinnentiefe an dem Auslaß ist die Scheitel-Scheitel- Wellenamplitude A. Das Verhältnis P/A sollte größer als etwa 0,25 sein und vorzugsweise wenigstens 0,5 betragen. Darüber hinaus sollte das Verhältnis P/A kleiner als etwa 4,0 sein.
  • Die Ergebnisse werden außerdem nicht sehr effektiv sein, wenn die Rinne relativ zu ihrer Auslaßtiefe (Amplitude) zu lang ist, da die geeigneten Strömungsfelder, die innerhalb der Rinne erzeugt werden, gedämpft werden, bevor sie den Auslaß erreichen. Es wird angenommen, daß das Verhältnis der Rinnenlänge zur Auslaßamplitude nicht größer als etwa 12 bis 1,0 sein sollte.
  • In der Ausführungsform nach den Fig. 2-6 ist die Endoberfläche 44 zwar eben und zu der stromabwärtigen Richtung rechtwinkelig, die Erfindung kann jedoch bei stumpfen Enden mit anderen Formen benutzt werden (vgl. Fig. 7-9).
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 7-9 dargestellt. Es sei beachtet, daß es Rinnen 200 nur in einer Oberfläche gibt. Außerdem sind die Rinnen 200 im Querschnitt an allen Punkten auf ihrer Länge halbkreisförmig und bilden relativ scharfe Kanten 202 mit der glatten, ebenen Oberfläche 204, in der sie angeordnet sind. Scharfe Kanten werden zwar nicht bevorzugt, da sie Verluste hervorrufen, es wird jedoch angenommen, daß sich insgesamt ein bedeutsamer Vorteil mit einer solchen Konfiguration trotzdem ergibt. Gemäß der Darstellung in Fig. 8 geht die untere Oberfläche 206 jeder Rinne gleichmäßig in die Oberfläche 204 an dem stromaufwärtigen Ende 205 der Rinne über und hat ihren Auslaß 210 in der gekrümmten stumpfen Endoberfläche 209. Die Auslässe 210 sind stromaufwärts von dort angeordnet, wo die Grenzschichtablösung von der Oberfläche 204 normalerweise (d. h. ohne Rinnen) erfolgen würde. Wie mit Bezug auf die Ausführungsform nach den Fig. 2-6 erläutert, sollte die stromabwärtige Projektion des (schraffierten) Teils 211 der stumpfen Oberfläche, der seitlich zwischen jedem Paar benachbarter Rinnen angeordnet ist, einen Flächeninhalt haben, der wenigstens ein Viertel (1/4) des stromabwärtigen projizierten Flächeninhalts des Rinnenauslasses beträgt.
  • Ein Projektil wie das ballistische Geschoß 300, das Rinnen nach der Erfindung hat, um den Basisströmungswiderstand zu reduzieren, ist in den Fig. 10 und 11 gezeigt. Projektile dieses Typs drehen sich üblicherweise im Flug um ihre Längsachse wie die Achse 302 des Geschosses 300, und zwar zwecks der aerodynamischen Stabilität. Die Drehrichtung ist durch den Pfeil R dargestellt. Das Geschoß 300 hat eine axiale Geschwindigkeit V, die durch den Vektor &sub1; dargestellt ist. Der Vektor &sub2;, der zu der Geschoßoberfläche 306 tangential ist, repräsentiert die Drehgeschwindigkeit der äußeren Oberfläche 306 des Geschosses an dem stromabwärtigen Ende 304 des Geschosses. Jede Rinne 305 erstreckt sich insgesamt parallel zu der Richtung der Summe der Vektoren &sub1; und &sub2;. Diese Rinnenorientierung ist erforderlich, damit das Fluid in einer Richtung in die Rinnen strömt, die im wesentlichen parallel zu der Rinnenlänge ist.
  • Es sind zwar Rinnen 305 mit insgesamt halbkreisförmigem Querschnitt (wie die mit Bezug auf die Fig. 7-9 beschriebenen) in dieser Ausführungsform gezeigt, die Rinnen könnten jedoch auch so konfiguriert sein, wie es in der Ausführungsform nach den Fig. 4-6 gezeigt ist (d. h., es könnten U-förmige Rinnen sein, die durch eine gleichmäßig gewellte Oberfläche gebildet sind, welche im Querschnitt rechtwinkelig zu der stromabwärtigen Richtung wellenförmig ist).

Claims (8)

1. Projektil, das dafür vorgesehen ist, sich durch ein Fluid in einer stromaufwärtigen Richtung zu bewegen, wobei das Projektil (300) eine äußere Oberfläche (306) hat, die im wesentlichen eine Rotationsfläche um eine Achse (302) ist, welche sich in der stromaufwärtigen Richtung erstreckt, wobei das Projektil eine stumpfe, stromabwärts gewandte Endoberfläche (304) hat, wobei die Rotationsfläche in der Endoberfläche (304) endigt, wobei mehrere umfangsmäßig beabstandete, sich stromabwärts erstreckende Rinnen (305) in der Rotationsfläche gebildet sind, wobei jede Rinne (305) die Tiefe null an ihrem stromaufwärtigen Ende hat und die Endoberfläche (304) schneidet, um einen Rinnenauslaß zu bilden, und wobei jede Rinne in der Tiefe bis zu einer maximalen Tiefe an ihrem Auslaß zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rinne (305) im Querschnitt auf ihrer Länge gleichmäßig U-förmig ist und daß die Kontur und die Abmessungen der Rinnen (305) so gewählt sind, daß gewährleistet ist, daß jede Rinne (305) auf ihrer gesamten Länge voll durchströmt wird und Fluid veranlaßt, in den Raum unmittelbar stromabwärts der stumpfen Endoberfläche (304) zu strömen, um den Basisströmungswiderstand zu reduzieren.
2. Projektil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Projektil (300) dafür vorgesehen ist, sich gleichzeitig um seine Achse (302) zu drehen, wenn es sich stromaufwärts bewegt, und daß jede Rinne (305) sich stromabwärts im wesentlichen parallel zu der Richtung eines Vektors erstreckt, der die Summe eines Vektors ( &sub1;), welcher die axiale Geschwindigkeit des Projektils (300) darstellt, und eines Vektors ( &sub2;), welcher die Drehgeschwindigkeit der externen Oberfläche (306) an dem Rinnenauslaß darstellt, ist.
3. Projektil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rinne (300) ein Paar Seitenwandoberflächen aufweist, die einander zugewandt sind und die Endoberfläche (304) schneiden, um Seitenkanten der Rinnenauslässe zu bilden, und daß die stromabwärtige projizierte Fläche des Teils der stumpfen Endoberfläche (304), der zwischen den Seitenkanten jedes Paares benachbarter Rinnenauslässe angeordnet ist, wenigstens ein Viertel (1/4) des stromabwärtigen projizierten Flächeninhalts eines der benachbarten Rinnenauslässe beträgt.
4. Projektil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen eine gleichmäßig gewellte Oberfläche bilden, die im Querschnitt rechtwinkelig zu der axialen Richtung wellenförmig ist.
5. Projektil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Querschnitt rechtwinkelig zu der axialen Richtung Tangenten an jede Seitenwand des Paares von Rinnenseitenwänden in deren steilstem Punkt an dem Rinnenauslaß einen eingeschlossenen Winkel von nicht mehr als 120º bilden.
6. Projektil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rinne (305) ein Paar Seitenwandoberflächen aufweist, die als Seitenkanten an dem Rinnenauslaß endigen, wobei die Seitenwandoberflächen im wesentlichen parallel zu der Hauptfluidströmung über der äußeren Oberfläche (306), in welcher die Rinne (305) angeordnet ist, auf einem im wesentlichen ununterbrochenen Teil der Länge der Rinne (305) einschließlich des Rinnenauslasses sind.
7. Projektil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rinne (305) ein Paar Seitenwandoberflächen aufweist, die als Seitenkanten an dem Rinnenauslaß endigen, wobei die Seitenwandoberflächen an dem Rinnenauslaß im wesentlichen parallel zueinander sind.
8. Projektil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwandoberflächen im wesentlichen parallel zu der Hauptfluidströmung über der äußeren Oberfläche (306), in welcher die Rinne (305) angeordnet ist, auf einem wesentlichen ununterbrochenen Teil der Länge der Rinne einschließlich des Rinnenauslasses sind.
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