DE3940583A1 - Verfahren und vorrichtung zur vermeidung von abgangsstoerungen beim start eines schnellen kavitierenden unterwasser-laufkoerpers aus einer unterwasser-startvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Startvorrich­ tung für den Unterwasser-Abschu8 eines schnellen, kavitieren­ den UnterwasserLaufkörpers, die es ermöglichen, mit einem extrem kurzen Startrohr, dessen Mündung die Laufkörperspitze nicht oder nicht wesentlich überragt, den Laufkörper abgangs­ störungsfrei auf seine kavitierende Bahngeschwindigkeit zu beschleunigen.

Es ist bekannt, daß sich Unterwasser-Laufkörper, z. B. Wucht­ geschosse oder Raketen, die eine Transportaufgabe auf einer schnellen Tauchbahn ausführen sollen, in ihrer äußeren Form so gestalten lassen, daß sie den Transportweg durch Ausnut­ zung der von der Laufkörperspitze erzeugten Kavitationsblase sehr widerstandsarm und richtungsstabil zurücklegen können. Voraussetzung für eine solche "voll- oder superkavitierende" Tauchbahn ist eine unter anderem von der Tauchtiefe abhängige Mindestgeschwindigkeit, so daß der Laufkörper in seiner gan­ zen Länge in die von ihm erzeugte Kavitationsblase hinein­ paßt.

Der Zustand der vollständigen Kavitation wird beschrieben durch die sogenannte Kavitationszahl

die abhängig ist von den Zustandsgrößen des umgebenden Medi­ ums

P₀ = Luftdruck an der Wasseroberfläche
P_b1 = Blaseninnendruck
ρ · g · z = hydrostatischer Wasserdruck in der Wassertiefe z
v = Anströmgeschwindigkeit.

Vollständige Kavitation wird dann erreicht, wenn

σ ≦ σ*

wobei

σ* = f(d_K, c_Wo, L_Lk, d_H)

die von den Laufkörperdaten

d_K = Kopfdurchmesser
c_Wo = Widerstandsbeiwert des Kopfes
L_Lk = Laufkörperlänge
d_H = Heckdurchmesser

abhängige charakteristische Kavitationszahl ist, die die kleinste Kavitationsblase beschreibt, die den Körper noch ganz aufnehmen kann.

Bei vorgegebener Wassertiefe z ist die Bedingung σ≦σ* erfüllt, wenn v≧v_K(z)
v_K(z)=Mindestgeschwindigkeit für vollständige Kavitation in der Tiefe z.

Die Minimal-Länge des Startrohres einer Startvorrichtung muß deshalb in der Regel so bemessen sein, daß der Laufkörper, wenn er mit seiner Spitze aus der Rohrmündung aus- und in das Wasser eintritt, diese Mindestgeschwindigkeit v_K(z) be­ reits erreicht hat.

Ist dies nicht der Fall, so ist - wie dies nachstehend noch erläutert wird - die Laufkörperbewegung über eine bestimmte Anfangsphase der Laufbahn nur teilkavitierend bzw. teilum­ strömt, wobei der hydrodynamische Widerstand erheblich grö­ ßer und eine Richtungsstabilität eines für den kavitierenden Lauf ausgelegten Laufkörpers in dieser Phase nicht möglich ist.

In bestimmten Anwendungsfällen für einen derartigen Laufkör­ per, der aus einer Ruheposition unter Wasser gestartet werden soll, ist es aber erwünscht bzw. erforderlich, die Länge der Startvorrichtung über das oben genannte Maß hinaus zu mini­ mieren, so daß die Mündung des Startrohres die Laufkörper­ spitze nicht oder nicht wesentlich überragt. Ein solcher Anwendungsfall ist z. B. gegeben bei der Abschußvorrichtung für eine auf dem Seegrund positionierte Projektilmine, die beim Überfahren eines Zielobjektes auf eine senkrecht nach oben zur Wasseroberfläche gerichtete Auftauchbahn gebracht werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, womit es möglich ist, Abgangs­ störungen beim Start eines schnellen kavitierenden Unterwas­ ser-Laufkörpers aus dem extrem kurzen Startrohr einer Unter­ wasser-Startvorrichtung in einfacher Weise zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst, während besonders vor­ teilhafte Ausführungen des Verfahrens in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet sind. Besonders vorteilhafte Vorrich­ tungen zum Durchführen des Verfahrens sind außerdem in den Ansprüchen 4 bis 6 gekennzeichnet.

Die Vorteile der Erfindung werden im folgenden anhand vor­ teilhafter Ausführungsformen von Startvorrichtungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1, Fig. 1a und Fig. 2 die hydrodynamischen Bewegungsabläufe und deren Problematik beim Austritt eines Laufkörpers aus einer Startvorrichtung mit extrem kurzem Start­ rohr,

Fig. 3 eine Unterwasser-Startvorrichtung mit extrem kurzem Startrohr im Längsschnitt mit einem gelade­ nen Unterwasser-Laufkörper in Startposition,

Fig. 4 und Fig. 5 weitere Ausführungsvarianten dieser Unterwasser- Startvorrichtung und

Fig. 6 eine Unterwasser-Startvorrichtung mit Laufkörper kurz nach dessen Austritt aus der Mündung des Startrohres unter Wasser im Längsschnitt.

In Fig. 1 ist eine Unterwasser-Abschußvorrichtung mit extrem kurzem Startrohr 1 in Abschußposition unter Wasser mit einem Laufkörper 2, der durch eine pyrotechnische Ausstoßladung 6 auf Austrittsgeschwindigkeit v_o beschleunigt werden soll, im Längsschnitt gezeigt.

Fig. 1a zeigt in einem Diagramm den charakteristischen Ge­ schwindigkeitsanstieg des Laufkörpers 2 beim Austritt aus dem Startrohr 1 auf der Wegstrecke s der Laufkörperspitze von Pos. a) nach Pos. d), wobei die Laufkörperspitze z. B. in Pos. b) die Grenzkavitationsgeschwindigkeit v_K(z) erreichen soll. Das heißt, daß eine vollkavitierende Bewegung des Laufkörpers erst dann erreicht ist, wenn die Laufkörperspitze die Pos. d) erreicht hat.

Die theoretische Form der Anfangs-Kavitationsblase, die die­ sem Geschwindigkeitsverlauf und einem konstanten, unbeein­ flußten hydrostatischen Wasserdruck ϕ×g×z zugrunde liegt, ist durch eine strichpunktierte Linie 13 schematisch darge­ stellt. Das bedeutet, daß der Laufkörper 2 auch nach Austritt aus der Rohrmündung auf dem Weg der Laufkörperspitze von Pos. c) nach Pos. d) bzw. der Laufkörperhinterkante von Pos. a) nach Pos. b) eine teilumströmte Phase durchläuft, in der das Wasser am hinteren Teil des Laufkörpers 2 anliegt. Fig. 2 stellt diese Situation kurz nach Austritt der Laufkörperhin­ terkante aus der Rohrmündung dar.

In die durch Verdrängung durch den Laufkörper 2 erzeugte An­ fangs-Mündungsblase 15a tritt in dieser Phase das unter dem Mündungsgasdruck P_M stehende Treibgas der Ausstoßladung 6. Dieser, bei kurzer Startrohrlänge in der Regel noch hohe Mündungsdruck, wirkt u. a. auch auf die Wasseroberfläche dieser Anfangsblase 15a, wobei der Druck sich kugelförmig (schematisch dargestellt durch Isobaren 16), mit Wasser- Schallgeschwindigkeit, in der Regel einem Vielfachen der Laufkörpergeschwindigkeit, ausbreitet. Diese momentane Druck­ erhöhung im Wasser führt dazu, daß die auf der Wegstrecke der Laufkörperspitze von Pos. b) nach Pos. c) (vor dem Laufkör­ peraustritt) erzeugte Anfangskavitationsblase 13a einem Wasserdruck unterliegt, der einem höheren, unter Umständen vielfachen Wert der Größe ϕ×g×z entspricht. Dadurch wird die Anfangskavitationsblase 13a wieder zugedrückt, was durch Pfeile 17 in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Dies hat wiederum zur Folge, daß sich die teil- bzw. vollumströmte Bewegungsphase nach dem Mündungsaustritt des Laufkörpers 2 über das bereits erläuterte Maß hinaus weiter vergrößert.

Ein für den vollkavitierenden Lauf ausgelegter Laufkörper 2 kann in der Regel bei umströmtem oder teilumströmtem Lauf nicht richtungsstabil sein, weil die stabilisierende Wirkung des Laufkörperhecks nicht zur Wirkung kommt. Es kommt dadurch in der Regel zu Störungen der Laufkörperbewegung in dieser Anfangsphase mit großen Anstellwinkeln bzw. Winkelgeschwin­ digkeiten der Laufkörperachse zur Schußbahn, die einen folgenden richtungsstabilen Lauf erschweren bzw. unmöglich machen.

Zur Vermeidung dieser Abgangsstörungen muß das Startrohr, wie bereits erwähnt, mindestens eine Länge aufweisen, die der Pos. b) in Fig. 1 entspricht, damit die Laufkörperspitze mit mindestens der Geschwindigkeit v_K(z) aus der Rohrmündung aus­ tritt. Eine darüber hinausgehende Verkürzung der Rohrlänge ist nur dann möglich, wenn entweder

• - die Rohrmündung nach Verlassen des Laufkörpers 2 abge­ schottet wird, z. B. durch Abfangen und Festhalten eines (nicht gezeichneten) sogenannten Treibspiegels, der zur Kraftübertragung und Abdichtung des Treibgases im Be­ schleunigungsrohr dient,
• - oder durch eine wesentliche Reduzierung des Mündungsgas­ druckes, z. B. durch (nicht dargestellte) Gasaustritts­ öffnungen in der Rohrwandung im Mündungsbereich.

Diese bereits vorgeschlagenen Maßnahmen sind jedoch mit einem erheblichen technischen Aufwand verbunden und führen bezüg­ lich der Startrohrlängenminimierung nicht zu der optimalen Lösung.

Diese wird vielmehr erst durch die in Fig. 3 bis 6 darge­ stellten Maßnahmen gefunden.

Gemäß Fig. 3 besteht die Startvorrichtung in einer ersten Ausführungsform aus einem Startrohr 1, dessen Innendurchmes­ ser dem Maximal-Kaliber eines Laufkörpers 2 am Heck ent­ spricht. Das Startrohr 1 ist bodenseitig verschlossen und enthält eine pyrotechnische Ausstoßladung 6, die zum Abschuß von einer Zündeinrichtung 7 gezündet wird. Zur achssymmetri­ schen Führung des Laufkörpers 2 in der Beschleunigungsphase dient eine Laufkörperführung 3, die sich durch geeignete Vorkerbungen und/oder Werkstoffauswahl (z. B. Schaumstoff) beim Eintritt in das Wasser leicht vom Laufkörper 2 abstrei­ fen, komprimieren und/oder in kleine Bruchstücke zerlegen läßt, so daß dessen Bewegung nicht behindert wird.

Dieses allgemein bekannte Prinzip einer Startvorrichtung er­ hält seinen erfindungsgemäßen Vorteil für den vorliegenden Anwendungsfall dadurch, daß die Mündung des extrem kurzen Startrohres 1 von einer Membrane 4 gasdicht verschlossen ist und der dadurch entstandene Hohlraum 8 zwischen Laufkörper 2 und Membrane 4 vor dem Abschuß mit Druckluft oder einem anderen Gas gefüllt wird, dessen Druck gleich oder größer ist als der hydrostatische Wasserdruck in der Wassertiefe, aus der der Laufkörper 2 gestartet wird. Zur Füllung des Hohl­ raumes 8 dient ein Rückschlagventil 9, das im Mündungsbereich des Startrohres 1 angeordnet ist.

Die vorteilhafte Wirkung dieser Gasfüllung besteht darin, daß der Laufkörper 2 nach dem Durchstoßen der Membrane 4 von einem Gas umhüllt ist, dessen Druck gleich oder größer ist als der hydrostatische Wasserdruck ϕ×g×z. Der auf diese Weise künstlich erhöhte Blaseninnendruck P_B1 kompensiert die unzureichende Anfangsgeschwindigkeit des Laufkörpers und sorgt entsprechend der Definitionsgleichung für die Ka­ viationszahl σ für eine vollkavitierende Bewegung bereits beim Austritt der Laufkörperspitze aus einem extrem kurzen Startrohr 1.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die glei­ che vorteilhafte Wirkung bei einer Ausführungsform gemäß Fig. 4 erreicht werden, indem der erhöhte Gasdruck im Hohlraum 8 durch eine pyrotechnische Ladung 10 erzeugt wird, die gleich­ zeitig mit der Ausstoßladung 6 elektrisch gezündet wird. Die pyrotechnische Ladung kann dabei in vorteilhafter Weise in einer ringförmigen Verpackung 10a untergebracht sein, um den Laufkörper 2 in der Anfangsbewegung nicht zu behindern. Die Ladung 10 muß außerdem so ausgelegt sein, daß der Gasdruck im Hohlraum 8 beim Durchstoß der Laufkörperspitze durch die Mündungsmembran 4 bereits auf mindestens den umgebenden hydrostatischen Wasserdruck angestiegen ist.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die gleiche vorteilhafte Wirkung auch bei einer Lösung gemäß Fig. 5 erreicht werden. Hierbei kann auf eine Mündungsmembran verzichtet werden, wenn der Hohlraum 8 von einem Füllkörper 12 aus einem kompressiblen Werkstoff (z. B. Schaumstoff) aufgefüllt wird, der einerseits eine Füllung des Startrohres 1 mit Wasser verhindert, andererseits die Laufkörperbewegung beim Eintritt in das Wasser nicht behindert, da er sich leicht vom Laufkörper 2 abstreifen bzw. komprimieren oder in kleine Bruchstücke zerlegen läßt. In diesem Falle kann eine pyrotechnische Ladung 11 vor der Rohrmündung bzw. vor der Laufkörperspitze angeordnet sein, wenn sie in einer wasser­ dichten Verpackung 11a untergebracht ist und ebenfalls gleichzeitig mit der Ausstoßladung 6 gezündet wird. Funktion und Wirkungsweise sind die gleiche wie bei den Ausführungs­ beispielen gemäß Fig. 3 und Fig. 4.

In Fig. 6 ist schließlich die Situation dargestellt, die sich kurz nach Austritt des Laufkörperhecks unter den in Fig. 3 bis 5 gezeigten Bedingungen ergibt. Das aus der Mündung des Startrohres 1 nachströmende, unter dem Mündungsdruck P_M stehende Treibgas erzeugt eine Anfangsmündungsblase 15b, die sich sofort mit der Laufkörper-Kavitationsblase 13b verbinden kann und gemeinsam mit dieser vom Mündungs-Treibgas aufge­ füllt wird.

Der Mündungsdruck hat somit eine bezüglich der Kaviationsbla­ senbildung unterstützende Wirkung im Gegensatz zu der Situa­ tion nach Fig. 2. Damit ist auch die Richtungsstabilität ge­ währleistet, und es sind Abgangsstörungen infolge eines hohen Mündungsgasdruckes bei extrem kurzem Startrohr ausgeschlos­ sen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Vermeidung von Abgangsstörungen beim Start eines schnellen kavitierenden Unterwasser-Laufkörpers aus dem extrem kurzen Startrohr einer Unterwasser-Start­ vorrichtung, wobei die Mündung des Startrohres die Lauf­ körperspitze nicht oder nicht wesentlich überragt, dadurch gekennzeichnet, daß beim Austritt des Laufkörpers aus dem Startrohr vor dem Lauf­ körper ein Gasdruck erzeugt wird, der gleich oder größer ist als der hydrostatische Wasserdruck in der Wassertie­ fe, aus der der Laufkörper gestartet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gasdruck durch eine pyrotech­ nische Ladung erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die pyrotechnische Ladung gleichzeitig mit der Ausstoßladung der Startvorrichtung gezündet wird.

4. Startvorrichtung für den Unterwasser-Abschuß eines schnellen kavitierenden Unterwasser-Laufkörpers mit extrem kurzem Startrohr, dessen Mündung die Laufkörper­ spitze nicht oder nicht wesentlich überragt, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mün­ dung des Startrohres (1) von einer Membrane (4) gas­ dicht verschlossen ist, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, um den dadurch zwischen Laufkörper (2) und Mem­ brane (4) entstehenden Hohlraum (8) vor dem Abschuß mit Druckluft oder einem anderen Gas aufzufüllen.

5. Startvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Hohlraum (8) eine die Laufkörperspitze umgebende ringförmige pyrotechnische Ladung (10) angeordnet und durch eine Zündeinrichtung zur gleichzeitigen Zündung mit der Ausstoßladung (6) verbunden ist.

6. Startvorrichtung für den Unterwasser-Abschuß eines schnellen kavitierenden Unterwasser-Laufkörpers mit extrem kurzem Startrohr, dessen Mündung die Laufkörper­ spitze nicht oder nicht wesentlich überragt und dessen Hohlraum vor dem Laufkörper von einem Füllkörper ausge­ füllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Mündung des Startrohres (1) bzw. der Spitze des Laufkörpers (2) eine pyrotechnische Ladung (11) in einer wasserdichten Verpackung (11a) angeordnet und durch eine Zündeinrichtung zur gleichzeitigen Zündung mit der Ausstoßladung (6) verbunden ist.