DE3812588A1

DE3812588A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lenkung eines Projektils um seine drei Achsen

Info

Publication number: DE3812588A1
Application number: DE3812588A
Authority: DE
Inventors: Hubert Barre
Original assignee: TDA Armements SAS; Thomson Brandt Armements SA
Current assignee: TDA Armements SAS; Thomson Brandt Armements SA
Priority date: 1987-04-22
Filing date: 1988-04-15
Publication date: 1993-12-09
Also published as: IT1237006B; FR2686687A1; GB2265342B; GB2265342A; IT8867332A0; SE8801461D0; FR2686687B1; GB8809391D0

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Lenkung um drei Ach sen, welches auf alle Artillerieprojektile anwendbar ist, die aus einem Rohr abgeschossen werden. Weitere Anwendungen können bei fliegenden oder abgeworfenen Körpern vorgesehen sein, die auf ihrer Flugbahn gelenkt oder orientiert werden müssen. Da das System nach der Erfindung keinerlei Entfal tung von aerodynamischen Elementen wie Flügel erfordert, ist es auf alle Projektile anwendbar, bei denen die Anwesenheit von Flügeln, Stutzflügeln oder Leitwerken die Struktur kom plizieren würde und die Lagerung des Projektils oder Flug körpers wegen eines zu großen Raumbedarfs behindern würde.

Es sind zahlreiche Lenksysteme für Flugkörper bekannt, die mit Gas strahlen arbeiten und die Erzeugung von seitlichen Schüben auf den Flugkörper ermöglichen, wodurch besondere Effekte erzielt werden (Führung, Lenkung in einer Ebene usw.). Die meisten dieser Systeme beruhen auf der Anwendung von zweistufigen Impulserzeugern. Diese ermöglichen das Aufbringen eines Schubes F_o oder Gegenschubes -F_o. Diese Lenkvorrichtungen ermöglichen somit die Erzeugung entweder einer positiven oder negativen Kraft oder eines positiven oder negativen Drehmoments um eine gegebene Achse des be trachteten Flugkörpers. Ein solches System arbeitet nach dem Prinzip "alles oder nichts" und gestattet daher nicht, bei Abwesenheit von Steuerbefehlen keinerlei Kraft oder Drehmo ment auszuüben.

Beispielsweise ist in der FR-OS 2 469 345 ein Verfahren zur Lenkung und Führung eines Projektils in der Endphase be schrieben, wobei auch das Projektil und die Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens beschrieben sind. Danach sind mehrere Längsreihen von seitlichen Öffnungen am Körper des Projektils angebracht. Jede dieser Öffnungen ist an einen Gasdistributor angeschlossen, der seinerseits an einen Gasgenerator angeschlossen ist. Um auf die Flugbahn des Projektils einzuwirken, werden die Distributoren derselben Längsreihe in solcher Weise gesteuert, daß Gasstrahlen an allen Öffnungen derselben Reihe erzeugt werden, um so eine Reihe von seitlichen Kräften zu erzeugen, die in einer be stimmten Richtung bezüglich des Flugkörpers orientiert sind. Die zur Erzeugung des seitlichen Schubes zu verwendende Längsreihe wird in Abhängigkeit von dem Rollwinkel des Pro jektils und der durchzuführenden Flugbahnkorrektur bestimmt.

Dieses System ermöglicht aber keine Orientierung des Projek tils um die Nickachse oder die Hochachse, ebensowenig wie um die Rollachse. Es ermöglicht lediglich eine Einwirkung auf den Schwerpunkt des Projektils, um so die Flugbahn dieses Projektils zu verändern.

Überdies ermöglicht dieses System ebenso wie die anderen bekannten Systeme keine Verwendung eines Leitwerks zur Sta bilisierung des Flugkörpers oder das Aufgeben einer bestimm ten Rollbewegung.

Um diesen Mängeln abzuhelfen, schlägt die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lenkung um die Rollachse, Nickachse und Hochachse eines Projektils vor, dessen Schwer punkt auf der Längsachse liegt, wobei von einem Gasgenerator Gebrauch gemacht wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeich net, daß ausgehend von wenigstens zwei Paaren von Punkten, die symmetrisch zur Längsachse in einer Ebene gelegen sind, welche senkrecht zu dieser Längsachse und vom Schwerpunkt des Projektils beabstandet ist, eine Kraft von jedem dieser Punkte ausgehend erzeugt wird, deren Richtung aus zwei be stimmten verschiedenen Richtungen ausgewählt ist, die entge gengesetzt zu den zwei Richtungen des anderen Punktes des selben Paares sind. In der Vorrichtung werden Umschaltein richtungen oder Distributoren mit zwei Zuständen verwendet, die an den Gasgenerator angeschlossen sind.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeich nung zeigen:

Fig. 1 ein Schema zur Erläuterung des der Erfin dung zugrundeliegenden Prinzips;

Fig. 2 ein Schema, welches die Anordnung des erfindungsgemäßen Systems in einem Projek til zeigt;

Fig. 3 eine Schnittansicht eines Projektils, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist;

Fig. 4 einen Teilschnitt bei einer ersten mögli chen Ausführungsform einer nach der Erfin dung verwendeten Umschalteinrichtung;

Fig. 5a und 5b zwei Teilschnitte einer zweiten Ausfüh rungsform einer nach der Erfindung verwen deten Umschalteinrichtung;

Fig. 6 bis 21 die sechzehn möglichen Lenkkombinationen, die mittels vier Umschalteinrichtungen verwirklicht werden.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip beruht auf fol genden Beobachtungen. Die bisher verwendeten Projektil- Lenkvorrichtungen enthalten im allgemeinen Gasgeneratoren zur Erzeugung von Kräften, die zur Beeinflussung des Verhal tens des Projektils bestimmt sind. Die gängigsten Gasgenera toren weisen als Brennstoff festes Propergol auf, dessen Verbrennung, nachdem sie in Gang gesetzt wurde, nicht ange halten werden kann, bevor die gesamte Brennstoffmenge er schöpft ist. Dies hat zur Folge, daß nach Ingangsetzung der Verbrennung wenigstens eine Austrittsöffnung für die Gase vorgesehen sein muß, die jederzeit zur Verfügung steht, auch wenn zu den jeweiligen betreffenden Zeitpunkten keine Kraft erzeugt werden soll. Wenn keinerlei Veränderung der Flugbahn oder Fluglage des Projektils erforderlich ist, muß bei den existierenden Systemen ein Verfahren angewendet werden, durch welches die verschiedenen Kräfte, die erzeugt werden können, in solcher Weise geordnet verteilt werden, daß während einer kleinen Zeiteinheit der globale Mittelwert aller Kräfte verschwindet und ihre Wirkung keinerlei Einfluß auf das Projektil hat. Im Falle eines Projektils, das mit zwei dia metral einander gegenüberliegenden Düsen versehen ist, muß der Gasaustritt gleichmäßig zwischen den beiden Düsen umge steuert werden.

Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip nutzt somit diese Tatsache aus, daß der Gasdurchsatz des Gasgenerators notwen digerweise andauert, daß dieser Durchsatz aber auch konstant sein muß, damit während der gesamten Verbrennung des Brenn stoffs eine gleichmäßige Funktion gewährleistet ist. Die Erfindung schlägt vor, mehrere seitliche Düsenrohre zu ver wenden, die jeweils dauernd einen Gasstrahl erzeugen, wobei aber gleichfalls jedes dieser Düsenrohre in solcher Weise orientiert wird, daß entweder alle Kräfte einander aufheben, wenn keinerlei Korrektureffekt gewünscht wird, oder aber ein Ungleichgewicht dieser Kräfte in solcher Weise erzeugt wird, daß die Resultierende der Kräfte, die am Schwerpunkt des Projektils angreift, in vorbestimmter Weise die Fluglage oder Flugbahn des Projektils verändert.

Dieses Prinzip ist in Fig. 1 für eine optimale Auslegung veranschaulicht. Ein Flugkörper 1 ist dort mit zwei seiner Achsen Y Y′ und Z Z′ gezeigt, die einander senkrecht im Mittelpunkt C dieses Projektils kreuzen. Vier Punkte P sind symmetrisch in bezug auf den Mittelpunkt C des Projektils gelegen, so daß sie einen Winkelabstand von 90° voneinander aufweisen und von dem Mittelpunkt C jeweils denselben Ab stand R √ aufweisen. Von jedem dieser vier Punkte P geht eine Kraft der Einheitsgröße F aus, die durch einen schwar zen Pfeil symbolisiert ist. Für jeden Punkt P kann jede Kraft in zwei verschiedenen Richtungen orientiert werden. Eine wesentliche Bedingung ist die, daß diese Richtungen nicht durch den Punkt C verlaufen, welcher auf der Längs achse liegt. Eine zweite wesentliche Bedingung des erfin dungsgemäßen Systems besteht darin, daß die zwei Richtungen der Kräfte an zwei Punkten, die einander bezüglich des Mit telpunktes c gegenüberliegen, kolinear und einander jeweils zu zweit entgegengesetzt sind. In Fig. 1 sind diese Richtun gen für jeden Punkt als zueinander senkrecht und parallel zu den Richtungen der anderen Punkte gezeigt, entsprechend einer vereinfachten und leicht zu verwirklichenden Ausfüh rungsform. Die "weißen" Pfeile bezeichnen die zweite Orien tierung, die eine Kraft F in bezug auf dieselben Punkte annehmen kann. Es ist ersichtlich, daß, auf den Punkt C des Projektils bezogen, keinerlei dieser Richtungen, welche jede der Kräfte F annehmen kann, durch den Schwerpunkt des Pro jektils verläuft. Dies hat zur Folge, daß keine der Kräfte ein Drehmoment in bezug auf den Schwerpunkt erzeugen kann. In Fig. 1 sind die Richtungen der Kräfte F als parallel zu den Achsen Y Y′ und Z Z′ gezeigt, entsprechend einer optima len Ausführungsform der Erfindung. Wenn der Abstand jedes Angriffspunktes P der Kräfte von den senkrechten Achsen Y Y′ und Z Z′ gleich R ist, so erzeugt jede Kraft F bezüglich des Punktes C ein Drehmoment, das gleich F.R ist. Dieses Drehmo ment hat zur Wirkung, daß das Projektil 1 um seine Längs achse X X′ bzw. Rollachse verschwenkt wird, welche durch den Schwerpunkt C verläuft.

Das erfindungsgemäße System ist in dem Projektil 1 in einer Ebene A A′ eingesetzt, die senkrecht zur Längsachse X X′ des Projektils ist, und zwar in einem Abstand L vom Schwerpunkt G des Projektils, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Jede Kraft F erzeugt somit bezüglich dieses Schwerpunktes ein zweites Drehmoment, das gleich F.L ist. Dieses Drehmoment kann zur Wirkung haben, daß das Projektil um die Achse Y Y′, d. h. seine Nickachse, oder um die Achse Z Z′, d. h. seine Hoch achse, verschwenkt wird.

Zur Durchführung dieses Lenkverfahrens besitzt die erfindungs gemäße Vorrichtung, wie in Fig. 3 gezeigt ist, eine Umschalt einrichtung 10 an jedem Punkte P, die an einen nicht darge stellten Gasgenerator angeschlossen ist. Diese Umschaltein richtung besitzt zwei stabile Stellungen, die es ermöglichen, die von dem Gasgenerator abgegebenen Gase über zwei Ausstoß rohre oder Düsen 11A, 11B entweder parallel zur Achse Y Y′ oder parallel zur Achse Z Z′ austreten zu lassen.

Es wird nun auf Fig. 4 Bezug genommen, die eine mögliche Ausführungsform dieser Umschalteinrichtung zeigt. Sie besteht aus einer zylindrischen Bohrung 5, die auf den Punkt P zen triert ist und eine Längsachse aufweist, die parallel zu der des Projektils ist. Zwei Ausstoßrohre oder Düsen T, die nach außen ausmünden, münden mit ihrer Basis 14 in die Bohrung 5 ein. In diese Bohrung ist ein mit dem Bezugszeichen 2 be zeichneter Drehzylinder eingesetzt, der mit einer Öffnung 3 versehen ist. Diese Öffnung weist eine Breite auf, die klei ner ist als der Abstand zwischen den Basen der zwei entspre chenden Düsen T am selben Punkt, welche in die zylindrische Bohrung einmünden. Die im inneren des Drehzylinders 2 ankom menden Gase können daher nur über die eine oder die andere Düse austreten. Die Steuerung dieses Drehzylinders ist sym bolisch in Fig. 4 durch einen Hebel 4 verdeutlicht, der durch eine bistabile Vorrichtung gesteuert werden kann, beispielsweise eine Elektromagnetvorrichtung, um den Dreh zylinder in die eine oder andere der beiden Gasaustrittsstellungen einzustellen.

Die Fig. 5a und 5b zeigen eine weitere Ausführungsform einer solchen Umschalteinrichtung. Hier wird ein Zylinder 6 verwendet, der im inneren der Bohrung 5 des Projektils 1 gleitverschiebbar ist. Wie Fig. 5b zeigt, sind in dem Zylin der zwei Öffnungen 7 und 8 angebracht. Diese Öffnungen sind um einen Wert winkelversetzt, der gleich dem Winkel ist, welchen die zwei Richtungen der beiden Düsen der entsprechen den Bohrung bilden, bezogen auf die Längsachse X X′. Sie sind ferner bezüglich dieser selben Achse in Längsrichtung versetzt. Wenn der Zylinder entsprechend den in Fig. 5b gezeigten Pfeilen verschoben wird, so befindet sich die eine oder andere seiner Öffnungen 7, 8 in Gegenüberstellung zu der entsprechenden Düse, so daß die Gase in die eine oder andere dieser beiden Düsen eintreten.

Bei der hier beschriebenen Ausführungsform bestehen an jedem Punkte P zwei Möglichkeiten zur Orientierung der Kraft F. Da man über vier Punkte P verfügt, an denen eine Kraft F erzeugt wird, bestehen 2⁴ Möglichkeiten, also sechzehn verschiedene Möglichkeiten, diese vier Kräfte zu kombinieren. Diese sech zehn Kombinationen entsprechen sechzehn verschiedenen Situa tionen für die resultierende Kraft und das resultierende Drehmoment, welche nun anhand der Fig. 6 bis 21 beschrie ben werden.

In den Fig. 6 und 7 sind die vier Kräfte gezeigt, die in vier verschiedenen möglichen Richtungen orientiert sind, jedoch jeweils gegenüber dem Schwerpunkt C in gleichem Sinne versetzt sind. Diese zwei ersten Figuren zeigen die zwei Lenkkombinationen allein für den Rollwinkel, und zwar in den beiden möglichen Richtungen. Das Drehmoment besitzt den Wert 4 F.R.

In den Fig. 8 und 9 heben die Kräfte entlang der Achse Z Z′ einander auf, während die Kräfte entlang der Achse Y Y′ gleichgerichtet sind. Man erhält also einen Lenkeffekt, der einen Schub der Größe 2F in Richtung der Achse Y Y′ und ein Drehmoment 2 F.L um die Achse Z Z′ erzeugt. Dies entspricht einer Lenkung allein bezüglich der Hochachse.

In den Fig. 10 und 11 heben die Kräfte F entlang der Achse Y Y′ einander auf und sind entlang der Achse Z Z′ gleichgerichtet. Man erzeugt somit eine Kraft 2F und ein Drehmoment 2 F.L bezüglich der Achse Y Y′. Dies entspricht einer Lenkung allein bezüglich des Nickwinkels.

in Fig. 12 heben die Kräfte entlang der Achse Y Y′ einander auf. Es entsteht somit keinerlei Kraft und keinerlei Drehmo ment, die am Schwerpunkt C angreifen würden. In Fig. 13 gilt das gleiche bezüglich der Achse Z Z′. Diese beiden Fig. 12 und 13 entsprechen einer verschwindenden Lenkwirkung, also einer Situation ohne Lenkung.

Die acht Fig. 14 bis 21 entsprechen acht Situationen, in welchen eine Kombination aus einer Lenkung bezüglich des Rollwinkels durch ein Drehmoment 2 F.R sowie einer Lenkung bezüglich der Nickachse und der Hochachse jeweils mit dem Drehmoment F.L auftritt.

Die Fig. 14 und 15 entsprechen einer Lenkung bezüglich der Hochachse in einem ersten Sinne, verknüpft mit einer Lenkung bezüglich der Rollachse und der Nickachse in der einen oder anderen der zwei möglichen Richtungen.

Die Fig. 16 und 17 entsprechen gleichfalls einer Lenkung bezüglich der Hochachse, jedoch in entgegengesetztem Sinn zu den vorangehenden Figuren, kombiniert mit einer Lenkung bezüglich der Rollachse in den beiden möglichen Richtungen.

Die Fig. 18 und 19 entsprechen einer Lenkung bezüglich der Nickachse in einem ersten Sinne, verknüpft mit den bei den möglichen Lenkrichtungen bezüglich der Rollachse und der Hochachse.

Die Fig. 20 und 21 schließlich entsprechen gleichfalls einer Lenkung bezüglich der Nickachse, jedoch in entgegenge setztem Sinne zu den beiden vorangehenden Figuren, kombi niert mit den beiden möglichen Lenkrichtungen bezüglich der Rollachse und der Nickachse.

In diesen acht Fig. 14 bis 21 erfolgt die Lenkung bezüg lich der Hochachse und der Nickachse mit derselben Einheits kraft F, im Gegensatz zu den vier Fig. 8, 9, 10 und 11. Gemäß diesen acht Fig. 14 bis 21 entspricht ferner die Größe des Drehmoments bezüglich der Rollachse zwei Einheiten F.R, während bei den Fig. 6 und 7 das Drehmoment vier Einheiten F.R beträgt.

Wenn man folgende Bezeichnungen einführt:

C_Rn = 2 F.R
C_Tn = F.L
C_Ln = F.L

(für die Nenn-Einheitsdrehmomente, die an jeder Achse ver fügbar sind, also Rollachse, Nickachse und Hochachse), und wenn mit C_R, C_T und C_L die Drehmomente bezeichnet werden, die bezüglich dieser drei Achsen effektiv auftreten, so kann man folgende Verhältnisse definieren, je nach den möglichen Konfigurationen:

Unter Verwendung dieser Bezeichnungen lassen sich die sech zehn durch die Erfindung ermöglichten Kombinationen in der beigefügten Tabelle darstellen, in welcher auf die Fig. 6 bis 21 Bezug genommen wird.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Systems sind insbesondere folgende:

a) Die Anwendung ist relativ einfach, denn es werden ledig lich vier einfache Umschalteinrichtungen verwendet, die zwei Zustände aufweisen und einander gleich sind. Das System ist somit relativ einfach und auch zuverlässig.
b) Der Strömungsquerschnitt für die Gase ist konstant, unab hängig von der unter den sechzehn Möglichkeiten ausgewähl ten Konfiguration. Dies ermöglicht eine optimale und reproduzierbare Funktion des Gasgenerators.
c) Die sechzehn verschiedenen Betriebsweisen ermöglichen es, entweder auf eine Achse nicht einzuwirken, oder aber mit einer Krafteinheit F oder der doppelten Krafteinheit 2F einzuwirken, und zwar in den beiden möglichen Richtungen.
d) Da über die Möglichkeit verfügt wird, ein Drehmoment doppelter Größe bezüglich einer gegebenen Achse wirken zu lassen, kann starken Störungen begegnet werden, die nur gelegentlich auftreten. Ferner wird eine plötzliche Än derung der Flugbahn des Projektils ermöglicht, beispiels weise wenn ein Ziel erreicht werden soll, das sich im letzten Augenblick der Flugbahn des Projektils verlagert.

Für manche Anwendungen sind vereinfachte Ausführungsformen der Erfindung geeignet, bei denen die Anzahl der Möglichkei ten von Kopplungen zwischen den Umschalteinrichtungen ver mindert ist. Die Anzahl von Umschalteinrichtungen kann le diglich zwei oder drei betragen. Es wird dann natürlich die Anzahl von Möglichkeiten vermindert, nämlich auf nur zwei, vier und acht Möglichkeiten. Diese Lösung kann aber für Projektile einfacher Konzeption zweckmäßig sein, bei denen nicht die Forderung nach großen und schnellen Flugbahnkor rekturen besteht.

Bei anderen Ausführungsformen ist eine größere Anzahl von Punkten P vorgesehen, ab welchen Kräfte F erzeugt werden. insbesondere können acht Umschalteinrichtungen vorgesehen werden, die unter 45° Winkelabstand angeordnet sind, um die Schubkräfte und Drehmomente zwischen null und vier Kraftein heiten F zu modulieren. Ferner kann die Genauigkeit der Orientierung bezüglich der Rollachse gesteigert werden.

Tabelle

Claims

1. Verfahren zur Lenkung bezüglich drei Achsen, nämlich der Rollachse (X X′), der Hochachse, (Z Z′) und der Nickachse (Y Y′), bei einem Projektil, dessen Schwerpunkt (G) auf seiner Längsachse (X X′) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend von wenigstens einem Paar von Punkten (P), die symmetrisch bezüglich der Längsachse (X X′) in einer Ebene (A A′) gelegen sind, welche senkrecht zu der Längsachse und von dem Schwerpunkt (G) des Projektils beabstandet ist, eine Kraft (F) mit einem einzigen Wert von jedem dieser Punkte (P) ausgehend in einer Richtung erzeugt wird, die unter zwei verschiedenen bestimmten Richtungen ausgewählt ist, welche entgegengesetzt zu den zwei Richtungen am anderen Punkt desselben Paares sind und nicht durch die Längsachse (X X′) verlaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Punkten, ab welchen die Kräfte erzeugt werden, vier beträgt und diese Punkte Winkelabstände von 90° vonein ander aufweisen.

3. Vorrichtung zur Lenkung bezüglich drei Achsen, nämlich der Rollachse (X X′), der Hochachse (Z Z′) und der Nickachse (Y Y′) bei einem Projektil, dessen Schwerpunkt (G) auf seiner Längsachse (X X′) liegt, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit wenigstens einem Gasgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß sie an zwei Punkten (P) dessel ben Paares und symmetrisch bezüglich der Längsachse des Projektils in der genannten Ebene (A A′) wenigstens ein Paar von Umschalteinrichtungen (10) umfaßt, die an den Gasgenera tor angeschlossen sind und jeweils einen Gasstrahl in einer ersten oder einer zweiten Richtung unter den genannten zwei bestimmten Richtungen orientieren kann, die verschieden, jedoch entgegengesetzt zu den zwei Richtungen der anderen Umschalteinrichtung desselben Paares sind und nicht durch die Längsachse (X X) des Projektils verlaufen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtungen (10) jeweils durch einen Zylin der (6) gebildet sind, der im inneren einer Bohrung (5) des Projektils (1) um den Punkt (P) verschwenkbar ist und eine Öffnung (3) aufweist, welche die vom Gasgenerator geliefer ten Gase durch Drehung des Zylinders in die eine oder andere von zwei entsprechenden Düsen (T) eintreten läßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Umschalteinrichtung (10) durch einen Zylinder (9) gebildet ist, der zwei Öffnungen (7, 8) aufweist, welche um die Längsachse (X X′) um einen Winkel winkelversetzt sind, welcher dem Winkel entspricht, den die zwei Richtungen von zwei entsprechenden Düsen (T) bilden, und auch in Längsrich tung versetzt sind, in solcher Weise, daß der Zylinder durch Ausführung einer Translationsbewegung die vom Gasgenerator gelieferten Gase nur durch die eine oder andere dieser zwei Düsen austreten läßt.