DE60220144T2 - Vorrichtung zum abwerfen von grossen, schweren frachten von einem flugzeug - Google Patents

Vorrichtung zum abwerfen von grossen, schweren frachten von einem flugzeug Download PDF

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Description

  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Luft- und Raumfahrttechnik und ist auf das Abwerfen von Flugkörpern und anderen schweren und großen Nutzlasten aus einem Flugzeug anwendbar, um sie eilig zu entlegenen Teilen der Erde und des Ozeans zu bringen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Herkömmliche Vorrichtungen zum Abwerfen von Flugkörpern aus einem Luftfahrzeug arbeiten mit Ausziehfallschirmen.
  • Zum Beispiel, in den 70er Jahren warf die USA Attrappen von vom Waffensystem entfernten Minuteman-1 ICBMs aus Militärflugzeugen S-5A ab, um deren Flugfähigkeiten zu demonstrieren (Rocket and Space Engineering, 1974, Nr. 6, Seiten 1 bis 6). Ein Flugkörper auf einer speziellen Startplattform wurde auf Rolltischen im Frachtraum des Flugzeugs S-5A montiert. Die Plattform mit dem Flugkörper wurde von zwei Ausziehfallschirmen durch die hintere Öffnung des Luftfahrzeugs ausgeklinkt. Das Öffnen des Fallschirms und das Ausziehen des Flugkörpers aus dem Frachtraum dauerte mehr als 6-8 Sekunden. Einige Zeit nach dem Ausklinken der Plattform mit dem Flugkörper vom Flugzeug rissen den Flugkörper an der Plattform haltende Ringspannungsbänder und die Plattform mit den daran angebrachten Ausziehfallschirmen wurde von dem Flugkörper abgekoppelt.
  • Eine ähnliche technische Lösung wurde im RU-Patent Nr. 2068169 C1 , IPC6 F41F 3/06 von der Firma V.P. Makeev GRC vorgeschlagen und beinhaltete ein Verfahren zum Abfeuern eines Flugkörpers von einem Flugzeug. Das Verfahren beinhaltete die folgenden Schritte: Ziehen eines auf einer Plattform liegenden Flugkörpers zusammen mit der Plattform aus einem Frachtraum eines Flugzeugs mit Ausziehfallschirmen; Abtrennen der Plattform vom Flugkörper und Wegführen mit denselben Ausziehfallschirmen.
  • Zu den Nachteilen der Abwurfvorrichtungen des Standes der Technik gehört die Notwendigkeit, spezielle Plattformen und ausdehnbare Ausziehfallschirme zu benutzen. Im Hinblick auf physikalische Beschränkungen in Bezug auf das maximale von einem bestimmten Luftfahrzeug abgeworfene Gewicht (Beschränkungen in Bezug auf die Kraft des Ausziehfallschirms, die Lenkbarkeit des Flugzeugs, die Strukturfestigkeit des Flugzeugs im „Türschwellen"-Bereich der Abwurfluke) wird der Gewichtsanteil der abzuwerfenden Nutzlast immer geringer sein als der höchstmögliche Wert in Bezug auf das Gewicht der Plattform. Dies macht es z.B. unmöglich, die von einem Flugzeug tragbare Höchstlast für im Flug abgeworfene Flugkörper in den Orbit zu bringen. Ein erheblicher Nachteil der Methoden des Standes der Technik ist die Notwendigkeit, neue und große Ausziehfallschirme oder unzuverlässige Mehrkappensysteme bestehend aus den existierenden Ausziehfallschirmen für solche schwere Nutzlasten bereitzustellen.
  • Ein im RU-Patent Nr. 2160215 , IPC7 B64G 1/00, 1/14, F41F 3/06 gelehrtes Luft- und Raumfahrtsystem umfasst einen Flugkörper, der sich in einem Transport-/Abwurfbehälter befindet. Der Transport-/Abwurfbehälter ist im Rumpf des Flugzeugs montiert, hat ein offenes Ende zum Ausklinken des Flugkörpers und einen pneumatischen Ausstoßmechanismus, wie z.B. eine Druckquelle, ist über Verriegelungszubehör mit einer luftdichten pneumatischen Kammer zwischen einem toten Ende des Transport-/Abwurfbehälters und einem Ende des Flugkörpers verbunden.
  • Der vorliegenden Erfindung am nächsten liegt eine Vorrichtung, die im US-Patent Nr. 5279199 , IPC6 F41F 3/06, B 64D 1/04 von der Hughes Aircraft Company zum Abwerfen (Ausstoßen) eines Flugkörpers nach hinten gelehrt wird und eine Abwurfröhre, in der der Flugkörper montiert ist, und Mittel zum Ausstoßen des Flugkörpers umfasst, wobei das Flugkörperausstoßmittel ein Airbag mit Mitteln ist, um den Airbag unter Druck zu setzen.
  • Beim Abwerfen von Nutzlasten verwendet der in der RU 2160215 und der US 5279199 gelehrte Stand der Technik keine sich ausdehnenden Einwegelemente wie z.B. die oben beschriebenen Plattformen und Ausziehfallschirme und bewirkt ein schnelles Ausstoßen schwerer Nutzlasten aus dem Flugzeug. So muss z.B. gemäß der RU 2,160,215 zum Ausstoßen eines 100-Tonnen-Flugkörpers von 3 m Durchmesser aus dem Frachtraum eines schweren Militärflugzeugs AN-124-100 „Ruslan" in 2 Sekunden der Druck im Transport-/Abwurfraum etwa 1,5 Atmosphärenüberdruck betragen. In diesem Fall beträgt die Kraft zum Ausstoßen des Flugkörpers etwa 100 tonf bei einem Längslastfaktor von etwa eins und einer relativen Geschwindigkeit von etwa 30 m/sec in dem Moment, in dem die Nutzlast den Behälter verlasst.
  • Die Probleme mit dem obigen Stand der Technik beinhalten erhebliche laterale Lasten (Reaktionskräfte), die die Montageelemente auf die abzuwerfende Nutzlast aufbringen. Die lateralen Lasten werden besonders groß in dem Moment, in dem die abzuwerfende Nutzlast den Abwurfbehälter verlässt, wenn ein Teil der Montageelemente den Behälter bereits verlassen hat und alle auf die abzuwerfende Nutzlast wirkenden Trägheitskräfte auf den im Behälter verbleibenden Montageelementen konzentriert sind. Zusätzlich kann im letzten Schritt des Austreten der Nutzlast aus dem Abwurfbehälter, z.B. wenn zwei Bänder der Montageelemente im Behälter bleiben, die abgeworfene Nutzlast sich verkeilen oder unzulässig hohe Lasten von den Montageelementen ausgesetzt sein.
  • Bei schweren und großen abzuwerfenden Nutzlasten wie z.B. Flugkörpern erfordern die großen lateralen Lasten eine Verstärkung der Struktur des Flugkörpers, wodurch dessen Gewicht erhöht wird, die Tragfähigkeit reduziert wird und die spezifischen Kosten der abgeworfenen Nutzlast erhöht werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung bestehen darin, auf schwere und große Nutzlasten wirkende laterale Lasten zu reduzieren, wenn diese von einem Flugzeug abgeworfen werden, und dadurch die Strukturmasse der Nutzlasten wie z.B. Flugkörper zu reduzieren, ihre Tragfähigkeit zu erhöhen und die spezifischen Kosten des Abwerfen der Nutzlast zu verringern sowie die Sicherheit des Flugzeugs und seiner Crew in der Abwurfphase zu gewährleisten.
  • Die Aufgaben der Erfindung werden in einer Vorrichtung zum Abwerfen schwerer und großer Nutzlasten von einem Flugzeug gelöst, die Folgendes umfasst: einen Abwurfbehälter mit einem offenen Ende, eine pneumatische Ausstoßvorrichtung zum Ausstoßen einer Nutzlast, die durch das offene Ende von dem Behälter abgeworfen werden soll, eine Druckquelle, wobei sich die abzuwerfende Nutzlast innerhalb des Abwurfbehälters auf Montageelementen befindet, die auf wenigsten zwei Bänder der abzuwerfenden Nutzlast angeordnet sind. Wenigstens eines der Montageelemente ist ein kalibrierter Fuß, der verschoben werden und eine Kraft auf die Nutzlast aufbringen kann und dessen maximale voreingestellte Kraftwerte und die zulässige laterale Verschiebung in Bezug auf die Nutzlast so gewählt sind, dass ein garantierter Freiraum zwischen dem Abwurfbehälter und der Nutzlast behalten bleibt, wenn sie aus dem Behälter abgeworfen wird.
  • Die Montageelemente werden entweder an der abzuwerfenden Nutzlast oder am Abwurfbehälter befestigt.
  • In der Ausgestaltung mit den an der abzuwerfenden Nutzlast befestigten Montageelementen sind die kalibrierten Füße am weitesten vom offenen Ende des Abwurfbehälters entfernt.
  • In der Ausgestaltung mit den am Abwurfbehälter befestigten Montageelementen befinden sich die kalibrierten Füße an den Bändern, die dem offenen Ende des Abwurfbehälters am nächsten liegen.
  • Zum Dämpfen von Vibrationen in den kalibrierten Füßen und zum Reduzieren der dynamischen strukturellen Belastung der abzuwerfenden Nutzlast umfassen die kalibrierten Füße dynamische Vibrationsdämpfer zum Dämpfen dynamischer Vibrationen der abzuwerfenden Nutzlast, wenn sie den Abwurfbehälter verlässt.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Begleitzeichnungen zeigen:
  • 1 und 2 ein Flugzeug 1; eine abzuwerfende Nutzlast 2; einen Abwurfbehälter 2; ein offenes Ende 4 des Abwurfbehälters; eine Druckquelle 5; eine pneumatische Ausstoßvorrichtung 6; ein totes Ende 7 des Abwurfbehälters; eine luftdichte pneumatische Kammer 8; kalibrierte Füße 9; Montageelemente 10; Einheiten 11 zum Montieren des Abwurfbehälters im Frachtraum des Flugzeugs; einen garantierten Freiraum 12 zwischen der Abwurfbehälterstruktur und der abzuwerfenden Nutzlast; zulässige seitliche Verschiebungen 13 der kalibrierten Füße;
  • 3 und 4 Reaktionskräfte und Verschiebungen der Montageelemente einschließlich der kalibrierten Füße an einem Beispiel des Abwerfen eines 100-Tonnen-Flugkörpers von einem schweren Militärflugzeug AN-124-100 „Ruslan".
  • BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die 1, 2, 3 und 4 illustrieren eine Ausgestaltung zum Befestigen der Montageelemente an einer abzuwerfenden Nutzlast. Die kalibrierten Füße befinden sich an den Bändern, die am weitesten von einem offenen Ende des Abwurfbehälters entfernt sind.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vorrichtung zum Abwerfen schwerer und großer Nutzlasten 2 aus einem Flugzeug 1: einen Abwurfbehälter 3 mit einem offenen Ende 4, eine pneumatische Ausstoßvorrichtung 6 zum Ausstoßen einer Nutzlast aus dem Behälter 3 durch das offene Ende 4 und eine Druckquelle 5. Die abzuwerfende Nutzlast 2 befindet sich innerhalb des Abwurfbehälters 3 an Montageelementen 10, die auf wenigstens zwei Bändern der abzuwerfenden Nutzlast 2 angeordnet sind. Wenigstens eines der Montageelemente 10 ist ein kalibrierter Fuß 9.
  • Die kalibrierten Füße 9 befinden sich an den Bändern, die am weitesten vom offenen Ende 4 des Abwurfbehälters 3 entfernt sind, wenn die Montageelemente, einschließlich der kalibrierten Füße, an der abzuwerfenden Nutzlast 2 befestigt sind. In einer anderen Ausgestaltung, in der die Montageelemente 10 einschließlich der kalibrierten Füße 9 am Abwurfbehälter 3 befestigt sind, sind die kalibrierten Füße 9 auf den Bändern angeordnet, die dem offenen Ende 4 des Abwurfbehälters 3 am nächsten liegen.
  • Daher muss in jeder Ausgestaltung des Anbringens der Montageelemente 10 – an der abzuwerfenden Nutzlast 2 oder am Abwurfbehälter 3 – die Bedingung erfüllt sein, dass beim Austreten aus dem Abwurfbehälter 3 die kalibrierten Füße 9 die letzten Haltemontageelemente der Nutzlast 2 sind.
  • Voreingestellte Höchstkraftwerte und zulässige Lateralverschiebungen 13 der kalibrierten Füße 9 werden so gewählt, dass beim Austreten der Nutzlast aus dem Abwurfbehälter durch dessen offenes Ende 4 ein garantierter Freiraum 12 zwischen der Struktur des Abwurfbehälters 3 und der Nutzlast 2 verbleibt.
  • Das Ausstoßen der abzuwerfenden Nutzlast 2 aus dem Abwurfbehälter 3 erfolgt unter der Wirkung der pneumatischen Ausstoßvorrichtung 6 mit einer Druckquelle 5. Der Druck zum Ausstoßen der Nutzlast wird auf eine luftdichte pneumatische Kammer 8 zwischen dem toten Ende 7 des Abwurfbehälters und der abzuwerfenden Nutzlast 2 aufgebracht.
  • Der Abwurfbehälter 3 ist am lasttragenden Fußboden des Frachtraums des Flugzeugs 1 mittels der Montageeinheiten 11 montiert, die sowohl Seiten- als auch Längslasten erfassen, so dass das Flugzeug 1 eine Reaktionskraft (Rückkehr) vom Druck in der luftdichten pneumatischen Kammer 8 erfassen würde.
  • Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Abwerfen schwerer und großer Nutzlasten von einem Flugzeug funktioniert folgendermaßen.
  • An einem Zielzeitpunkt zum Abwerfen der Nutzlast 2 wird die luftdichte pneumatische Kammer 8 zwischen dem toten Ende 7 des Abwurfbehälters und der abzuwerfenden Nutzlast 2 mit Druck von der pneumatischen Ausstoßvorrichtung 6 mit einer Druckquelle 5 beaufschlagt.
  • Wenn ein Sollüberdruck in der luftdichten pneumatischen Kammer 8 erzielt ist, dann löst sich die abzuwerfende Nutzlast 2 vom Abwurfbehälter 3 und beginnt unter dem Gasdruck, durch das offene Ende 4 des Abwurfbehälters 3 auszutreten.
  • Während sich die abzuwerfende Nutzlast 2 im Abwurfbehälter 3 bewegt, werden alle auf die Nutzlast wirkenden Trägheitskräfte und Reibungskräfte von den Montageelementen 10 erfahren. Reaktionskräfte von den Montageelementen belasten jeweils die Struktur des Abwurfbehälters 3 und die abzuwerfende Nutzlast 2.
  • Während die Nutzlast 2 den Abwurfbehälter 3 verlasst, verlassen die Montageelemente 10 nacheinander den Behälter (wenn sie an der abzuwerfenden Nutzlast befestigt sind) und die Trägheitskräfte der Nutzlast und Reibungskräfte werden von den im Behälter verbleibenden Montageelementen erfahren. Wenn die Zahl der Montageelemente 10 reduziert wird, dann nehmen die Kräfte (Reaktionskräfte) darin zu; daher nimmt auch die strukturelle Belastung des Abwurfbehälters und der Nutzlast zu.
  • Zum Reduzieren der Trägheitslast auf der abgeworfenen Nutzlast 2 und dem Behälter 3 kann der Abwurf in einem Steigflugmodus des Flugzeugs erfolgen, wenn die normale auf das Flugzeug wirkende Beschleunigung nahe null liegt (der Modus in der Nähe von null Schwerkraft).
  • Im Steigflugmodus rotiert jedoch das Flugzeug 1 in der vertikalen Ebene mit der Winkelgeschwindigkeit ω ≈ (ay – g)/Vwobei ω die Rotationsgeschwindigkeit des Flugzeugs in der vertikalen Ebene ist;
    ay die normale auf das Flugzeug wirkende Beschleunigung in der vertikalen Ebene ist;
    V die Fluggeschwindigkeit des Flugzeugs ist;
    g ≈ 9,81 m/sec2 die Gravitationsbeschleunigung ist.
  • Um den Nabe-Null-Schwerkraftflugmodus (ay ≈ 0) eines schweren Transportflugzeugs wie eine AN-124-100 „Ruslan" zu erzielen, beträgt die Rotationsgeschwindigkeit des Flugzeugs in der vertikalen Ebene etwa ω ≈ –g/V = –9,81/180 = –0,055 l/sec = –3°/sec.
  • Bei einer solchen Winkelrotationsgeschwindigkeit des Flugzeugs und Austrittsgeschwindigkeit der Nutzlast 2 aus dem Abwurfbehälter 3 von etwa 30 m/sec entsteht die Coriolis-Beschleunigung: ac = ω·W = –0,055-30 ≈ –1,7 m/sec2 wobei ac die Coriolis-Beschleunigung ist;
    W die Austrittsgeschwindigkeit der Nutzlast aus dem Abwurfbehälter ist.
  • Die Coriolis-Beschleunigung drückt die abzuwerfende Nutzlast 2 gegen den Abwurfbehälter 3 und erzeugt zusätzliche Kräfte auf den letzten verbleibenden Montageelementen 10, somit auf der Struktur der abzuwerfenden Nutzlast 2 und dem Abwurfbehälter 3.
  • Eine mathematische Modellierung des Vorgangs des Abwerfen eines Flugkörpers aus einer AN-124-100 „Ruslan" hat gezeigt, dass
    • – wenn die Montageelemente starre, nicht verstellbare Füße haben, die Belastungen auf den letzten Füßen beim Austreten der Nutzlast aus dem Abwurfbehälter unzulässig ansteigen;
    • – die Belastungen auf den letzten Montageelementen mit wenigstens einem kalibrierten Fuß reduziert werden können. Die kalibrierten Füße müssen die letzten auf dem Weg der Nutzlast aus dem Abwurfbehälter sein. Voreingestellte Höchstkraftwerte und existierende laterale Verschiebungen in den Füßen werden so gewählt, dass die Kräfte an den Füßen minimal sind und die Verschiebungen einen garantierten Freiraum zwischen der Abwurfbehälterstruktur und der abzuwerdenden Nutzlast bieten.
  • Zum Beispiel, die 3 und 4 illustrieren Simulationsergebnisse (Reaktionskräfte und Verschiebungen in den Füßen) für einen 100-Tonnen-Flugkörper mit einer Länge von etwa 30 m und einem Durchmesser von 3 m. Es gibt 4 Montageelemente, von denen 3 kalibrierte Füße mit maximal 30 tonf sind. Der Flugkörper verlasst den Abwurfbehälter mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 m/sec.
  • Die Simulation basierte auf einem Steigflug des Flugzeugs bei einem vertikalen Lastfaktor im Bereich von 0,2 ± 0,1 unter Berücksichtigung von auf das Flugzeug wirkenden Windperturbationen.
  • Wie in 4 zu sehen ist, treten maximale Verschiebungen am letzten kalibrierten Fuß auf Die Verschiebungen übersteigen 8 cm nicht.
  • Es ist zu bemerken, dass, wenn die Nutzlast den Abwurfbehälter verlässt, das Austreten jedes Montageelementes aus dem Abwurfbehälter von einer tatsächlich sofortigen Umverteilung von Reaktionskräften in den im Abwurfbehälter verbleibenden Montageelementen begleitet ist. Dieser Effekt ähnelt einer Kollision mit dem Montageelement, das, je nach seiner Starrheit, schnelle Seitenvibrationen zu erfahren beginnt, die von einer zusätzlichen dynamischen Strukturbelastung der Nutzlast und des Abwurfbehälters resultieren.
  • Erhebliche Vibrationen können in den kalibrierten Füßen auftreten, wenn die darauf wirkenden Kräfte die voreingestellten Maximalwerte erreichen und der nächste Fuß den Behälter mit einer erheblichen Umverteilung von Reaktionskräften verlässt.
  • Um eine solche dynamische Strukturbelastung der abzuwerfenden Nutzlast und des Abwurfbehälters zu eliminieren, brauchen die kalibrierten Füße mechanische oder sonstige Dämpfer. Die Dämpferleistung wird so gewählt, dass eine effektive Dämpfung von Vibrationen in dem kalibrierten Fuß erzielt wird.
  • Nach dem Verlassen des Abwurfbehälters kann die Nutzlast eine Stabilisierung erfordern, um eine vorbestimmte Ausrichtung davon zu erzielen oder um eine Beschleunigungskraft in einer vorbestimmten Richtung zu beaufschlagen, um Fluide in Hohlräumen der Nutzlast abzuscheiden, z.B. zum Abscheiden von Treibstoffkomponenten in Treibstofftanks des abgeworfenen Flugkörpers.
  • Die Aufgabe des Stabilisieren der Nutzlast nach deren Abwurf kann mit Hilfe von Fallschirmen gelöst werden, die in den Hauptstrom eingeführt werden, während die Nutzlast den Abwurfbehälter verlässt oder danach. Die Stabilisierungsfallschirme können Ausziehfallschirme VSP-14 sein, die in Russland kommerziell hergestellt werden und in der Militär-/Transportluftfahrt für die Landung von schweren Frachten verwendet werden.
  • Die von der vorliegenden Erfindung gebotenen Vorteile sind unter anderem:
    • – reduzierte laterale Strukturlasten an den vom Flugzeug abgeworfenen Nutzlasten;
    • – reduzierte Strukturmasse der Nutzlasten;
    • – höhere Tragfähigkeit für solche Nutzlasten als Flugkörper aufgrund von deren reduzierter Strukturmasse und geringere spezifische Kosten des Abwerfen der Nutzlast;
    • – Sicherheit von Flugzeug und Crew aufgrund des garantierten Freiraums zwischen der Nutzlast und dem Behälter, somit eine stoßfreie Trennung davon.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung ist auf das Abwerfen von Nutzlasten aus schweren Transportfahrzeugen unter Anwendung existierender Herstellungstechniken von Tranport-/Abwurfbehältern und damit benutzten Montageelementen anwendbar.

Claims (4)

  1. Vorrichtung zum Abwerfen schwerer und großer Nutzlasten von einem Flugzeug, die Folgendes umfasst: einen Abwurfbehälter (3) mit einem offenen Ende (4), eine pneumatische Ausstoßvorrichtung (6) zum Ausstoßen einer Nutzlast (2), die durch das offene Ende (4) von dem Behälter abgeworfen werden soll, und eine Druckquelle (5), wobei sich die abzuwerfende Nutzlast (2) innerhalb des Abwurfbehälters (3) auf Montageelementen (10) befindet, die auf wenigstens zwei Bändern der abzuwerfenden Nutzlast (2) angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Montageelemente (10) ein kalibrierter Fuß (9) ist, der verschoben werden und eine Kraft auf die Nutzlast aufbringen kann, und dadurch, dass die maximalen voreingestellten Kraftwerte, die der kalibrierte Fuß (9) auf die Nutzlast aufbringen kann, und die zulässige laterale Verschiebung (13) mit Berg auf die Nutzlast des wenigstens einen Fußes so gewählt sind, dass ein garantierter Freiraum (12) zwischen dem Abwurfbehälter und der Nutzlast behalten bleibt, wenn sie aus dem Behälter abgeworfen wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Montageelemente (10) an der abzuwerfenden Nutzlast (2) befestigt sind und die kalibrierten Fuße (9) vom offenen Ende (4) des Abwurfbehälters (3) am weitesten entfernt sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Montageelemente (10) am Abwurfbehälter (3) befestigt sind und die kalibrierten Fuße (9) sich an den Bändern befinden, die dem offenen Ende (4) des Abwurfbehälters (3) am nächsten liegen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kalibrierten Füße (9) dynamische Vibrationsdämpfer zum Dämpfen dynamischer Vibrationen der abzuwerfenden Nutzlast umfassen, wenn diese den Abwurfbehälter (3) verlässt.
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