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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.
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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.
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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.
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"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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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).
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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).
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Andere vorteilhafte Merkmale des Projektils sind in
zusätzlichen abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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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:
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Fig. 1 zeigt die Fluidströmungsdynamik, die einem Körper
mit stumpfer Basis zugeordnet ist, der sich relativ zu
einem Fluidstrom bewegt.
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Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Gegenstands
mit stumpfer Basis, der Rinnen in seinen entgegengesetzt
gerichteten Oberflächen hat.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht nach der Linie 3-3 in Fig.
2.
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Fig. 4 ist eine Ansicht insgesamt in Richtung der Linie 4-4
in Fig. 3.
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Fig. 5 ist eine Schnittansicht insgesamt in Richtung der
Linie 5-5 in Fig. 4.
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Fig. 6 ist eine vergrößerte Ansicht des in Fig. 4 mit Y
bezeichneten Querschnitts.
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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.
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Fig. 8 ist eine Schnittansicht nach der Linie 8-8 in Fig.
7.
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Fig. 9 ist eine Endansicht in Richtung der Linie 9-9 in
Fig. 8.
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Fig. 10 ist eine Seitenansicht eines Projektils, das mit
den Rinnen nach der Erfindung versehen ist.
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Fig. 11 ist eine Endansicht des Projektils nach Fig. 10
insgesamt in der Richtung der Linie 11-11 in Fig. 10.
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Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht einer "Schaufel"
gemäß dem Stand der Technik.
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Fig. 13 ist eine Querschnittansicht nach der Linie 13-13
des Standes der Technik nach Fig. 12.
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Fig. 14 ist eine Querschnittansicht nach der Linie 14-14
des Standes der Technik nach Fig. 12.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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).