DE4034879A1

DE4034879A1 - Ringausschnitt-duesenleitwerk

Info

Publication number: DE4034879A1
Application number: DE19904034879
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Bongers
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1990-11-02
Publication date: 1991-07-04

Description

Bei dem Ringausschnitt-Düsenleitwerk handelt es sich um ein Leitwerk für ein Übungsgeschoß zu unterkalibrige Pfeil- oder Stahlgeschosse, den sogenannten KE-Geschossen. Die KE-Geschosse werden mit einer sehr hohen Anfangsgeschwin digkeit (Vo) verschossen und besitzen ein großes Längen-/Durchmesser-Ver hältnis. Da die KE-Geschosse überwiegend aus Hart- oder Schwermetalle gefer tigt werden und durch ihre große Geschoßlänge im Verhältnis zum Geschoßdurch messen weisen diese Geschosse eine hohe Querschnittsbelastung auf. Die Folgen der hohen Querschnittsbelastung sind:

a) ein geringer Abfall der Geschoßgeschwindigkeit auf der Flugbahn
b) wegen der hohen Anfangsgeschwindigkeit eine Maximalschußweite über 100 km
c) beim Aufschlag auf ein Ziel das Freisetzen großer kinetischer Energie pro Querschnittsfläche.

Da in der Bundesrepublik Deutschland keine Übungsplätze mit der erforder lichen Größe zur Verfügung stehen, können hier nur KE-Übungsgeschosse mit verminderter Reichweite verwendet werden. Die KE-Übungsgeschosse, in erster Linie für Panzerbordkanonen, müssen drei wesentliche technische Forderungen erfüllen:

- sie müssen bis zur Kampfentfernung die Treffleistung der Gefechtsgeschosse erfüllen und eine angeglichene Flugbahn aufweisen
- die über die Kampfentfernung hinausgehende Reichweite muß drastisch verkürzt sein
- die zuverlässige Funktion der Reichweitenverkürzung.

Die erste Forderung kann nur von einem Geschoß mit der gleichen Stabili sierung auf der Flugbahn erreicht werden. Ein drallstabilisiertes Übungsge schoß fliegt nicht auf der gleichen Flugbahn wie ein Pfeilgeschoß ins Ziel. Für die Realisierung der Reichweitenverkürzung von KE-Übungsgeschossen sind bisher zwei Verfahren bekanntgeworden. Das älteste und bekannteste ist die Geschoßzerlegung auf der Flugbahn in der gewünschten Entfernung. Bei der US-Version wird die Geschoßzerlegung durch Abschmelzen der Geschoßspitze infolge ihrer dynamischen Aufheizung während des Fluges erreicht.

Bei der deutschen, israelischen und belgischen Version wird die Geschoßzer legung durch Sprengladungen oder Ausstoßladungen, die durch Zeitzünder zur Detonation gebracht werden und in Redundanz angeordnet sind, herbeigeführt.

Die Nachteile dieses Verfahrens sind:

- hohe Fertigungskosten
- nach der Geschoßzerlegung können bei fünffacher Redundanz bis zu vier nicht detonierte Zerlegerladungen auf der Schießbahn verstreut werden.
- keine absolute Sicherheit bei der Einhaltung der vorzeitigen Geschoß zerlegung und damit der verkürzten Reichweite.

In den USA wurde ein KE-Übungsgeschoß entwickelt, bei dem die Geschoßzerle gung auf der Flugbahn zur Verkürzung der Reichweite durch Abschmelzen der Geschoßspitze infolge ihrer aerodynamischen Aufheizung während des Fluges ausgelöst wird. Die Forderung nach der "angeglichenen Flugbahn" wird dieser Geschoßtyp zwar erfüllen, aber die Funktionssicherheit ist in letzter Konse quenz nicht gegeben. Das andere Verfahren zur wirksamen Reichweitenverkürzung ist ein abruptes Ansteigen des Luftwiderstandes bzw. des Cu-Wertes in einem kleinen Geschwindigkeitsbereich (Überschallbereich) durch ein besonders ge formtes Geschoß bzw. Leitwerk. Die bekanntesten und in großen Stückzahlen gefertigten Geschosse dieser Art sind die 105 mm und 120 mm KE-Übungsge schosse mit dem sogenannten "Lochkegelleitwerk" der Fa. Rheinmetall (Loch kegelleitwerk gemäß "Soldat und Technik", Ausg. 10, 1980 Seite 552 Bild 8 und DE-OS 2 62 454). Das Lochkegelleitwerk besteht aus einem kegelförmigen Leit werksgehäuse, in dem zwischen Spitze und Basis, kreisförmig, mehrere achs parallele (mit Ausnahme der kleinen axialen Anstellung dieser Bohrungen zur Erzeugung eines Ausgleichdralles) Bohrungen angeordnet sind. Über diese Bohrungen kann ein Druckausgleich zwischen dem Geschoßboden und der der Anströmung zugewandten Kegelseite erfolgen, die beim Flug im Überschallbe reich hinter einer Stoßwelle liegt. Die Auswertung von Meßergebnissen zeigt, daß im Überschallbereich bis hinunter zu knapp zweifacher Schallgeschwindig keit (Mach 2) eine Strömung zum Geschoßboden hin durch diese Bohrungen er folgt, die den Bodendruck erhöht. Der Bodensog und somit auch der Luftwider stand werden dadurch reduziert.

Bei einer Überschallströmung unter "Mach zwei" kehrt sich diese Strömungs richtung um. Im Vergleich zu einem Vollkegelleitwerk ist also der Luft widerstand des Lochkegelleitwerkes im hohen Überschallbereich geringfügig niedriger und im niedrigen Überschall etwas höher. Die Strömungsverhält nisse im Unterschallbereich sind noch weitgehend unbekannt. Der entscheidende Nachteil dieses Lochkegelleitwerkes ist jedoch sein hoher Cu-Wert-Verkauf, der stets über 1,0 liegt. Bei Gefechtsgeschossen liegt dieser Wert bei 0,3. Ein anderer Nachteil sind die hohen Fertigungskosten des Leitwerkes, wegen des Einbringens der Bohrungen, das sich in der Praxis als sehr schwierig und zeitaufwendig erwiesen hat.

Die wichtigste technische Forderung der angeglichenen Flugbahn wird nur in dem Bereich erfüllt, wo sich die beiden Flugbahnen kreuzen, sonst aber in keinem Fall. Der Forderung nach der Funktionssicherheit wird entsprochen.

Weiterhin bekannt ist auch ein "Leitwerk für KE-Übungsgeschoß" (Patentschrift DE 31 22 356 Cs) mit gleichmäßig am Umfang verteilten Durchlaßöffnungen. Diese bestehen aus Röhren mit konstantem Außendurchmesser. Der Innendurch messer dieser Röhren hat vorne (Einlaß) seinen Maximalwert und verjüngt sich kontinuierlich bis zum Kleinstwert (konischer Bereich). Danach verläuft er bis zum Austritt konstant (zylindrischer Abschnitt). Durch diese Form der Rohrinnenwand wird ein starkes Ansteigen des Cw-Wertes und somit des Luftwiderstandes bei abnehmender Geschoßgeschwindigkeit in einem bestimmten Geschwindigkeitsbereich erreicht. Der ansteigende Geschoßwiderstand hat eine erhebliche Verkürzung der Geschoßreichweite zur Folge. Dieses Leitwerk ist bis heute aus dem Status der Planung nicht hinausgekommen. Auch bei dieser Version von einem Leitwerk für ein KE-Übungsgeschoß wird der Luftwiderstand höher liegen als bei einem KE-Geschoß. Außerdem wird die Dämpfung der Geschoßpendelung auf der Flugbahn durch die zylindrische Form der Durchlaß öffnungen weniger intensiv sein als bei einem Flossenleitwerk, was eine Beeinträchtigung der Treffleistung zur Folge hat.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein KE-Übungsgeschoß zu konzipieren, bei dem die Geschoßflugbahn der des Gefechtsgeschosses bis zur maximalen Kampf entfernung weitgehend angeglichen und im anschließenden Bereich stark ge krümmt ist, was eine wesentliche Verkürzung der Maximalschußweite bedeutet.

Die technischen Forderungen an das erfindungsgemäße Geschoß werden wie folgt erreicht:

An dem unterkalibrigen Geschoßkörper ist hinten ein aus Leitwerkschaft, Leitwerkflossen und Leitwerkring bestehendes Leitwerk angeordnet. Der die Leitwerkflossen umschließende Leitwerkring hat vorne (in Schußrichtung gesehen) oder auch am Einlauf seinen größten Innendurchmesser, der sich in Richtung Geschoßboden kontinuierlich verjüngt bis zum Kleinstwert (engster Querschnitt) und von hier bis zum Ende des Leitwerkes oder auch Austritt, konstant verläuft. Der Luftdurchlaß zwischen der Innenfläche des Leitwerk ringes und der Außenfläche des Leitwerkschaftes, der von den einzelnen Leit werkflossen unterbrochen ist, wodurch die einzelnen Durchlässe einen Quer schnitt wie ein Ringausschnitt aufweisen, hat dadurch einen in Durchfluß richtung kleiner werdenden Querschnitt bis zum Minimalwert (engster Quer schnitt) und danach bis zum Austritt ein konstanter Querschnitt. Es ist bekannt, daß bei dieser Innenkontur der Durchlässe bei einem bestimmten Verhältnis der Machzahl der einströmenden Luft zur Relation des engsten Querschnittes zum Einlaufquerschnitt eine aerodynamische Verblockung des Durchlasses eintritt. Die ausströmende Luft kann dann nicht mehr vollständig durchströmen. Am Geschoßboden bildet sich dadurch ein Unterdruckbereich aus, den sogenannten Bodensog. Der Luftwiderstand des Geschosses wird dadurch beträchtlich erhöht und somit auch der Abfall der Geschoßgeschwindigkeit. Die aerodynamische Verblockung des Durchlasses kommt dadurch zustande, daß die am Einlauf des Durchlasses auftretenden Machschen Wellen mit ab nehmender Mehrzahl immer steiler verlaufen. Der Druck im Durchlaß steigt dadurch an und erhöht den Strömungswiderstand in dem Durchlaß. Die aus strömende Luft kann nicht mehr vollständig abgeführt werden. Dadurch ent steht ein Stau vor dem Einlauf, der als senkrecht vor dem Einlaß stehende Machsche Welle bzw. als von dem Einlaß abgelöste Druck- bzw. Stoßwelle in Erscheinung tritt.

In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Leitwerkes können die Querschnitte der Leitwerksflossen wie die Innenwand des Leitwerkringes und den Abschnitt auf dem Leitwerkschaft spiegelbildlich zur Innenwand des Leitwerkringes in Durchflußrichtung verlaufen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung können der Außendurchmesser des Leitwerkringes und der Innendurchmesser des Abschußrohres von gleicher Größe sein (kalibergleich).

Nach einem zusätzlichen Merkmal der Erfindung können auf der Mantelfläche des Leitwerkringes Zusatzflossen angeordnet sein, und die Querschnitte dieser Zusatzflossen können wie die Innenwand des Leitwerkringes verlaufen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können sowohl die Leitwerkflossen als auch die Zusatzflossen axial angestellt sein zur Erzeugung einer Geschoß rotation zum Ausgleich von Bauungenauigkeiten am Geschoß. Solche konstruk tiven Maßnahmen zur Erzeugung eines nötigen Ausgleichdralles sind wegen der Schrägstellung der Achsen der Durchlässe nach Möglichkeit zu vermeiden. Es gibt einfachere Hilfsmittel zur Erzeugung eines Ausgleichdralles, z. B. die Anschrägung der Leitwerksflossen. Da das zum Stand der Technik gehört, wird hier nicht besonders darauf hingewiesen.

In zusätzlicher Ausgestaltung der Erfindung können die Tiefe des Leitwerk ringes und die Tiefe der Leitwerkflossen bzw. der Zusatzflossen verschieden sein.

Das erfindungsgemäße Leitwerk ist in Fig. 1 bis 5 beispielhaft veranschau licht.

Fig. 1 und Fig. 2 - Standardausführung des Leitwerkes

Fig. 3 - kalibergleiches Leitwerk

Fig. 4 - Leitwerk mit Zusatzflossen

Fig. 5 - Diagramm, in welchem das Verhältnis : engster Querschnitt (Fmin) zum Eintrittsquerschnitt (Fmax) über der Machzahl aufgetragen ist.

Zu Fig. 1

Hier ist das Leitwerk mit drei Flossen 2 in Standardausführung in Seitenan sicht im Schnitt dargestellt. Das zugehörige Geschoß 12 ist in dünner Strich stärke angedeutet.

Zu Fig. 2

Blick von hinten auf das Leitwerk aus Fig. 1

Zu Fig. 3

Ein Ausführungsbeispiel mit kalibergleichem Leitwerk in Seitenansicht im Schnitt. Die Außenkonturen der Leitwerkflossen 2 und des Leitwerkschaftes 1 zeigen den gleichen Verlauf, wie die Innenkonturen des Leitwerkringes 3. Der Treibspiegel 13 liegt am Leitwerk und wird vom Leitwerk gestützt, da durch kann der Treibspiegel 13 dünner und somit leichter konzipiert werden.

Zu Fig. 4

In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Leitwerk mit Zusatzflossen 15 in Seiten ansicht und im Halbschnitt dargestellt. Die Tiefen von Leitwerkring 3 - Flosse 2 und Zusatzflosse 15 sind verschieden.

Zu Fig. 5

Hier ist in einem Diagramm über der Machzahl - M - der anströmenden Luft das Verhältnis: engster Querschnitt/Eintrittsquerschnitt Fmin/Fmax aufgetragen. Der Bereich oberhalb der Linie A-B im Diagramm gibt den Bereich der durch schlüpfenden Stoßwelle an. In dem Bereich unter der Linie A-C kommt es zu einer aerodynamischen Verstopfung oder Verblockung. Querschnitte, die sich in Einströmrichtung verengen, besitzen im Überschallbereich stark unter schiedliche Luftwiderstände, die sowohl von der Machzahl der anströmenden Luft als auch von dem Verhältnis: engster Querschnitt zum Eintrittsquerschnitt, abhängt. Durch die Querschnittsverengung werden der durchströmenden Luft, in Abhängigkeit von der Machzahl, zwei verschiedene Strömungsformen aufge zwungen. Dabei ist es möglich, daß im konvergenten Düsenteil eine sprung hafte Druckerhöhung (Stoß) entsteht, der mit abnehmender Machzahl in Gegen strom-Richtung wandert und vor dem Düseneinlauf in Erscheinung tritt. Hier zeigt sich, daß das anströmende Gas nicht mehr von der Düse abgeleitet werden kann. Die Düse erscheint dann als "aerodynamisch blockiert". Ihr Strömungs widerstand steigt dabei plötzlich an.

Der Zustand der aerodynamischen Verblockung tritt auf, wenn das Quer schnittsverhältnis in Abhängigkeit von der Machzahl in den Bereich unter der Linie "A-C" fällt.

Tritt der Stoß erst hinter dem engsten Querschnitt auf, so wandert er mit dem Strom und tritt am Düsenende aus. Die Düse ermöglicht also ein Durch schlüpfen der Stoßwelle und führt folglich die einströmende Luft mit ge ringerem Widerstand dem Geschoßheck zu, wo sie anströmen kann und dadurch den Bodensog kompensiert.

Dieser kann bis ca. 40% des Gesamtwiderstandes im Überschallbereich betragen. Dieser Zustand ist in dem Diagramm oberhalb der Linie "A-B" dargestellt. Bewegt sich ein solch durchströmter Körper mit einem Quer schnittsverhältnis von 0,7 wie ein Geschoß, verzögert mit abnehmender Machzahl, so hat er oberhalb von Mach 3,2 seinen niedrigsten Luftwider stand, der bei Mach 3,2 ansteigt und bei Mach 1,8 seinen Maximalwert erreicht (Fig. 5).

Verzeichnis der Bezugszahlen

1 - Leitwerkschaft
2 - Leitwerkflosse
3 - Leitwerkring
4 - Ringabschnitt
5 - Schaltabschnitt
6 - Durchlaß
7 - Düseneinlauf
8 - engster Querschnitt
9 - Düsenauslauf
10 - Flossenquerschnitt
11 - Ringquerschnitt
12 - Geschoß
13 - Treibspiegel
14 - Abschußrohr
15 - Zusatzflosse
16 - Durchlaß an der Ringaußenseite
17 - Winkel der Anstellung
18 - Tiefe des Leitwerkringes
19 - Tiefe der Leitwerkflosse
20 - Tiefe der Zusatzflosse

Claims

1. Ringausschnitt-Düsenleitwerk bestehend aus:
Leitwerkschaft (1) Leitwerkflossen (2) und Leitwerkring (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwerkflossen (2) so am Leitwerk schaft (1) und an der Innenwand des Leitwerkringes (3) befestigt sind, daß die Durchlässe (6) zwischen Leitwerkschaft (1) und Leit werkring (3), die aus zwei Leitwerkflossen (2) den Ringabschnitt (4) und Schaltabschnitt (5) gebildet werden, als Ringausschnittsdüsen bezeichnet, eine Querschnittsfläche in der Form eines Ringausschnittes aufweisen, daß der Querschnitt (11) des Leitwerkringes (3) in Durch flußrichtung so verläuft, daß die Querschnittsfläche der Durchlässe (6) am Einlaß (7) den Maximalwert aufweist, bis zum Punkt (8) sich verjüngt und von da bis zum Austritt (9) konstant bleibt.

2. Ringausschnitt-Düsenleitwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnitte (10) der Leitwerkflossen (2) in Durchflußrich tung so verlaufen wie die Ringinnenwand.

3. Düsenleitwerk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Ringabschnitt (4) gegenüberliegende Abschnitt (5) auf dem Leitwerkschaft (1) in Durchflußrichtung so verläuft wie die Ring innenwand (11).

4. Düsenleitwerk nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitwerkring (3) außen eine zylindrische Form aufweist.

5. Düsenleitwerk nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Leitwerkringes (3) und der Innendurchmesser des Abschußrohres (14) gleich groß sind.

6. Düsenleitwerk nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mantelfläche des Leitwerkringes (3) Zusatzflossen (15) ange ordnet sind.

7. Düsenleitwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durch messer des Hüllkreises der Zusatzflossen (15) dem Innendurchmesser des Abschußrohres (14) entspricht.

8. Düsenleitwerk nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Ringmantelabschnitt, zwei Zusatzflossen (15) und Rohrinnenwand gebildeten Durchlässe (16) in Durchflußrichtung einen Querschnitts verlauf wie die Durchlässe (6) aufweisen.

9. Düsenleitwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außen durchmesser des Leitwerkringes (3) in axialer Richtung so verläuft, daß die Querschnitte der Durchlässe (16) wie die Durchlässe (6) ver laufen.

10. Düsenleitwerk nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Leitwerkflossen (2) als auch die Zusatzflossen (15) zur Axialebene in einem Winkel (17) angestellt sind.

11. Düsenleitwerk nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Tiefe (18) des Leitwerkringes verschieden von der Tiefe (19) der Leit werkflosse bzw. von der Tiefe (20) der Zusatzflosse sein kann.