DE4433462C1

DE4433462C1 - Radarschutz für Triebwerke

Info

Publication number: DE4433462C1
Application number: DE19944433462
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl Ing Dr Loebert
Original assignee: Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1994-09-20
Filing date: 1994-09-20
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2014-09-21

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radarschutz für Triebwerke von Flugzeugen, insbesondere des Auslaßquerschnitts rechteckig geformter Auslaßdüsen der Triebwerke, bestehend aus einem Reflektor in Form einer Vielzahl von Profilgitterstäben, die parallel zueinander im Abstand von ca. 1/2 Wellenlänge der erwarteten Radarstrahlung angeordnet sind.

Bei Kampfflugzeugen liefern der Einlauf und die Auslaßdüse des Triebwerks die größten Beiträge zur Radarsignatur des Flugzeugs. Die Radarrückstrahlung des Einlaufs kann dadurch wirksam reduziert werden, daß ein fokussierendes Reflexionsgitter oder ein Wellenleiter-Array in die Einlaufröhre eingebaut wird, welches die in den Einlauf eintretende Radarstrahlung in einen an der Einlaufseitenwand angeordneten Radarsumpf oder Radarabsorber reflektiert.

So beschreibt die DE 34 26 990 C2 einen Radarschutz an einem Fluggerät mit luftatmenden Triebwerken, wobei ein in Form eines Draht- oder Profilgitters ausgebildeter Reflektor, dessen Maschen- oder Gitterweite 1/4 Wellenlänge der Frequenz der etwa parallel zur Flugrichtung des Flugzeugs und ungefähr frontal auf dieses gerichtete Radarstrahlen nicht überschreitet, derart in dessen Lufteinlauf angeordnet ist, daß die Radarstrahlen auf einen am oder im Lufteinlauf vorgesehenen und aus Radar absorbierenden Material bestehenden Radarstrahlabsorber ablenkbar sind.

Dieser passive Radarschutz eignet sich für Lufteinläufe von Triebwerken, wobei er in seiner quasi frontalen Wirkung deren radarreflektierende, in etwa frontal exponierte Oberfläche um eine wesentliche Größenordnung reduziert und so einen erheblichen Radarschutz für das Flugzeug gegen von vorne auftreffende Radarstrahlung bietet.

Bei einem Triebwerk ohne Nachbrenner kann eine derartige Lösung auch im Bereich der Auslaßdüse angewandt werden. Alternativ kann das Gitter oder das Wellenleiter-Array auch im Austrittsquerschnitt der Auslaßdüse angebracht werden. In diesem Fall kann auf radarabsorbierendes Material, d. h. einen Radarsumpf, gänzlich verzichtet werden.

Beide Schutzmaßnahmen sind jedoch bei einem Triebwerk, das mit einem Nachbrenner versehen ist, nicht anwendbar, weil einmal der Austrittsquerschnitt der Auslaßdüse je nach Betriebszustand sich stark verändert und zum anderen die hohen Gastemperaturen bei Nachbrennerbetrieb den Einsatz eines ungekühlten Gitters verbieten.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Radarschutz für Triebwerke von Flugzeugen zu schaffen, insbesondere für den Auslaßquerschnitt von mit Nachbrennern versehenen Triebwerken, die sowohl den hohen Abgasstrahltemperaturen beim Nachbrennerbetrieb auch als der Variabilität der Düsenaustrittsöffnung Rechnung trägt.

Ausgehend von einem Radarschutz der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Auslaßdüse aus Gründen der Infrarot-Signatur vorteilhafterweise in Form einer vorzugsweise flachen Rechteckdüse variabler Geometrie vorliegt und daß eine Radartarnung nur im Trockenbetrieb des Triebwerks erforderlich und sinnvoll ist. Das erfindungsgemäß vorgesehene Reflexionsgitter hinter der Auslaßdüse bietet den Vorteil, daß der Austrittsquerschnitt in einem großen Aspektwinkelbereich abgeschirmt wird und daß das Gitter je nach Bedarf aus dem Triebwerksstrahl heraus- oder in den Triebwerksstrahl hineinverschwenkt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Radarschutzes dargestellt ist. Es zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf das Profilgitter und den Düsenaustrittsquerschnitt in Flugrichtung;

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Profilgitters mit zwei vollständigen Profilgitterstäben samt den dazwischen sich bildenden Gasentladungsstrecken, in Flugrichtung gesehen;

Fig. 3 die Seitenansicht des Profilgitters in der Betriebsstellung;

Fig. 4 die Seitenansicht des Profilgitters in der Parkstellung;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einem Profilgitterstab mit einem Teil der an ihm angeordneten drahtförmigen Elektroden und den zugehörigen Zündkegeln in Seitenansicht; und

Fig. 6 einen Querschnitt durch drei Profilgitterstäbe in einer Ebene parallel zum Tragrohr.

Wie die Zeichnung erkennen läßt, besteht der erfindungsgemäße Radarschutz aus einem Profilgitter in Form einer Vielzahl von Profilgitterstäben 3, die parallel zueinander an einem Tragrohr 2 befestigt sind. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel dient das Profilgitter dazu, den rechteckigen Austrittsquerschnitt 1 einer Auslaßdüse eines Triebwerks gegen auftreffende Radarstrahlung zu schützen. Zu diesem Zweck ist ein elektrisch nicht leitendes Tragrohr 2 vorgesehen, dessen Achse parallel vorteilhafterweise zur langen Kante des rechteckigen Austrittsquerschnitts angeordnet ist. Am verschwenkbaren Tragrohr 2 sind die relativ dünnen Profilgitterstäbe parallel zueinander angeordnet, wobei ihr etwa linsenförmiger Querschnitt in Fig. 6 dargestellt ist. Die Oberfläche der einzelnen Profilgitterstäbe 3 ist elektrisch leitend ausgeführt bzw. die Profilgitterstäbe bestehen aus einem elektrisch leitenden Material. Vorteilhafterweise beträgt der Abstand d zweier benachbarter Profilgitterstäbe im wesentlichen λ_min/² und die Tiefe im wesentlichen λ_min (entsprechend einem Wert von λ_min = 30 mm bei einer maximalen Frequenz von 10 GHz der erwarteten Radarstrahlung), wobei λ_min die geringste Wellenlänge der erwarteten Radarstrahlung ist.

Die Zahl der Profilgitterstäbe und deren Längsausdehnung wird so gewählt, daß das vom Profilgitter aufgespannte Rechteck den rechteckigen Austrittsquerschnitt der Auslaßdüse an jeder Stelle um eine Länge überschreitet, die ungefähr einer Profiltiefe, d. h. λ_min, entspricht. Das Profilgitter kann mit Hilfe eines am Ende des Tragrohrs 2 angreifenden (nicht dargestellten) Antriebssystems, beispielsweise einem elektrohydraulischen Stellzylinder, einer von diesem angetriebenen Zahnstange und einem am Rohrende angebrachten Zahnrad aus der Betriebsstellung unmittelbar stromabwärts des Austrittsquerschnitts 4 der Auslaßdüse 1 (Fig. 3) in eine Parkstellung geschwenkt werden (Fig. 4), bei der die Profilgitterstäbe außerhalb des Nachbrennerstrahls d. h. parallel zum Strahlrand 5 (Fig. 4) zu liegen kommen.

An den Profilgitterstäben 3 tritt während des Schwenkvorgangs des Profilgitters keine Strömungsablösung auf, da der aerodynamische Anstellwinkel der Profile hierbei sehr klein bleibt. Die Biege- und Torsionssteifigkeitsverteilung der Profilgitterstäbe sowie deren Masseverteilung werden so gewählt, daß die Profilgitterstäbe unter Berücksichtigung ihrer gegenseitigen Wechselwirkung bei allen Betriebszuständen flatterstabil sind.

Das bisher beschriebene Profilgitter ist jedoch nur dann wirksam, d. h. ein vollständiger Schutz für die Auslaßdüse eines Triebwerks ist nur angegeben, wenn der E-Vektor der einfallenden Radarwelle parallel zu den Hinterkanten der Profilstäbe ist. Um andere Polarisationsrichtungen abzudecken, wird nun erfindungsgemäß zwischen allen Profilgitterstäben eine regelmäßige Anordnung von Funkenstrecken 6 (Fig. 2) erzeugt, deren Achsabstand λ_min/4 bis λ_min/6 beträgt. Zu diesem Zweck werden in die beiden Oberflächen eines jeden Profilgitterstabs eine Vielzahl von strömungsparallelen Elektroden 7 in Form von Drähten der Länge l eingelassen, deren in Flugrichtung gesehen vorderes Ende mit einer feinen Kegelspitze 8 versehen ist. Diese Elektroden, deren elektrische Leitfähigkeit höher ist als diejenige der Profilgitterstäbe, können aus Platin, Wolfram oder einer Nickellegierung bestehen, wohingegen sich als Materialien für die Profilgitterstäbe die folgenden eignen: Karbon/Karbon sowie hochwarmfeste Stähle (Cr-Ni-W-Stähle). Sämtliche Kegelspitzen 8 liegen dabei in einer Ebene, wobei die beiden Außen-Profilgitterstäbe selbstverständlich nur mit Innenelektroden 7 versehen sind.

Durch Anlegen hoher Gleichspannungen abwechselnder Polarität an die Elektroden 7 zweier benachbarter Profilgitterstäbe, welche den zwischen jedem Profilgitterstabpaar liegenden Strömungskanal begrenzen (Fig. 6), kann eine Vielzahl von parallelen Funkenstrecken 6 (Fig. 2) in den Lufträumen zwischen den benachbarten Profilgitterstäben 3 erzeugt werden. Da sämtliche Kegelspitzen 8 auf jeweils einer Geraden liegen, die Teil einer regelmäßigen Anordnung profilgitterstabnormaler, parallelen Linien ist, bilden die Profilgitterstäbe 3 und die Gasentladungsstrecken 6 ein regelmäßiges orthogonales Reflexionsgitter.

Die Profilgitterstäbe 3 sind dabei derart verkabelt, daß die Profilgitterstäbe ungerader Ordnungszahl, d. h. der erste, dritte, fünfte usw. Profilgitterstab an den einen elektrischen Anschluß eines Kondensators und der zweite, vierte, sechste usw. Profilgitterstab, d. h. jeder Profilgitterstab mit einer geraden Ordnungszahl, an den zweiten Anschluß desselben Kondensators gleichzeitig angeschlossen werden können. Die Spannung des Kondensators ist dabei so hoch zu bemessen, daß sich bei dessen Zuschaltung im strömenden Abgas (entsprechend den Pfeilen in Fig. 6) ein regelmäßiges Netz von Funkenstrecken zwischen den einzelnen Kegelspitzen 8 ausbildet.

Die Plasmasäulen und Säulenfußpunkte der einzelnen Funkenstrecken werden nun wegen der Gasströmung durch die Profilgitterstäbe 3 entgegen der Flugrichtung hindurch mit der Strömungsgeschwindigkeit V stromabwärts getragen. Die Pulsfolgefrequenz ν ist dabei so zu bemessen, daß die Strecke V·ν^-1 der Länge l der Elektroden 7 entspricht. Man sieht, daß ν proportional zu V verstellt werden kann. Die Kondensatorladung ergibt sich aus der Forderung, daß die Gasentladungsstrecke über den Zeitraum l/V_min aufrechterhalten werden muß, wobei V_min die geringste zu erwartende Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet.

Das in Flugrichtung gesehen hintere Ende jeder Elektrode 7 liegt auf der Hinterkante 9 der Profilgitterstäbe 3 (Fig. 5). Damit wird sichergestellt, daß die Plasmasäule erlischt, wenn sie das hintere Elektrodenende verläßt. Zu diesem Zeitpunkt wird der (nicht dargestellte) Kondensator von den Elektroden 7 abgetrennt und ein zweiter zwischenzeitlich aufgeladener (nicht dargestellter) Kondensator zugeschaltet. Damit wiederholt sich der oben beschriebene Gasentladungsvorgang in allen zwischen den benachbarten Profilgitterstäben 3 bestehenden Strömungskanälen.

Die Stromversorgung der beiden Kondensatoren ist so zu bemessen, daß jeder Kondensator in dem Zeitraum, in dem er von dem Profilgitter abgetrennt ist, voll aufgeladen werden kann.

Zur Verhinderung eines Gasdurchschlags von den einzelnen Profilgitterstäben zur unmittelbar davorliegenden Düse 1 des Triebwerks muß deren hinteres Ende über eine Länge von mindestens λ_min/4 aus dielektrischem Material bestehen.

Der erfindungsgemäße Radarschutz bietet den Vorteil, daß durch die Unterteilung der Gasentladungsstrecke in eine Vielzahl kleiner, parallel zueinander verlaufender Plasmasäulen die erforderliche Zündspannung nur in der Größenordnung von 25 000 V liegt, wodurch sich der Isolationsaufwand auf ein vertretbares Maß reduzieren läßt. Das Profilgitter wirkt zugleich als Strömungsgleichrichter und reduziert damit die Intensität der Turbulenzen, denen die Plasmasäulen ausgesetzt sind.

Im folgenden werden die typischen Kennwerte eines erfindungsgemäß ausgestalteten Radarschutzes angegeben:

Düsenabmessungen
720 mm×180 mm
λ_min	30 mm
Gitterabmessungen	780 mm×240 mm
Profillänge	240 mm
Profiltiefe	30 mm
Profilabstand	15 mm
Zahl der Profile	53
Elektrodenabstand	7,5 mm bis 5 mm
Zahl der Elektroden je Profilhälfte	33 bis 49
Länge der Elektroden	10 mm
Strömungsgeschwindigkeit	750 m/s
Pulsfolgefrequenz	75 kHz
Gasdruck	100 kP
Spitzenspannung	25 kV
Zahl der Entladungsstrecken	1716 bis 2548
Entladungsleistung je Plasmasäule	ca. 20 W
Gesamtleistung aller Säulen	ca. 34 kw bis 51 kW

Claims

1. Radarschutz für Triebwerke von Flugzeugen, bestehend aus einem Reflektor in Form einer Vielzahl von Profilgitterstäben, die parallel zueinander im Abstand von ca. einer halben Wellenlänge der erwarteten Radarstrahlung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Profilgitterstab (3) an seinem der Flugrichtung entgegengesetzten Ende mit einer Vielzahl parallel zueinander, im Abstand voneinander und parallel zur Strömungsrichtung der aus dem Triebwerk ausströmenden Gase verlaufenden Elektroden (7) gleicher Länge versehen ist, welche Funkenstrecken für Gasentladungen bilden.

2. Radarschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7) an der sich gegenüberliegenden Längsseite der Profilgitterstäbe (3) derart angeordnet sind, daß die die Elektroden gleicher Höhe durchsetzenden gedachten Ebenen mit den Längsachsen der Profilgitterstäbe ein regelmäßiges orthogonales Gitter bilden.

3. Radarschutz nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (7) Drahtform aufweisen und daß ihre in Flugrichtung gesehen vorderen Enden eine Kegelspitze (8) aufweisen.

4. Radarschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die (in Flugrichtung gesehen) Enden der Elektroden (7) mit der (in Flugrichtung gesehen) hinteren Kante (9) der Profilgitterstäbe (3) abschließen.

5. Radarschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elektroden (7) der Profilgitterstäbe (3) mit ungerader Ordnungszahl mit dem ersten Anschluß eines Kondensators und alle Elektroden (7) der Profilgitterstäbe (3) mit gerader Ordnungszahl mit dem zweiten Anschluß desselben Kondensators verbunden sind.

6. Radarschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Profilgitterstab einen im wesentlichen linsenförmigen Querschnitt aufweist und daß seine Tiefe (t) im wesentlichen einer Wellenlänge der erwarteten Radarstrahlung entspricht.

7. Radarschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Profilgitterstäbe und deren Länge so gewählt sind, daß das vom Profilgitter aufgespannte Rechteck den Austrittsquerschnitt (4) des Triebwerks an jeder Stelle um einen Wert überschreitet, der im wesentlichen einer Profiltiefe entspricht.

8. Radarschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilgitterstäbe an einem um seine Längsachse verschwenkbaren, elektrisch nicht leitenden Tragrohr (2) befestigt sind, das außerhalb des Austrittsquerschnitts (4) des Triebwerks angeordnet ist.

9. Radarschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragrohr (2) mit einem elektrohydraulischen Stellzylinder, einer von diesem antreibbaren Zahnstange und einem am Rohrende angebrachten Zahnrad verbunden ist, um dergestalt aus der Betriebsstellung unmittelbar stromabwärts des Austrittsquerschnitts des Triebwerks in eine Parkstellung verschwenkt zu werden, bei der die Profilgitterstäbe außerhalb der aus dem Triebwerk austretenden Abgase und parallel zu ihnen liegen.