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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Düsenssystem
mit variabler Schubkraft, das kontinuierlich und differentiell seine
auf ein fliegendes Objekt auszuübende
Schubkraft variieren kann.
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Beschreibung der verwandten
Technik
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Eine bekannte Fluglagen- und Ablenkungsregelung
zum Regeln der Fluglage und Ablenkung eines Flugobjekts, das in
großer
Höhe fliegt,
bringt die an einem Flugwerk des Flugobjekts angebrachten Außendüsen zum
Ausstrahlen eines Gases mit hoher Temperatur und hohem Druck, um
die Fluglage und Ablenkung des Flugobjekts um fünf Achsen zu steuern, ohne
eine aerodynamische Kraft einzusetzen.
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Die 12 und 13 zeigen einen grundlegenden
Schubkrafterzeugungsmechanismus für diese bekannte Fluglagen-
und Ablenkungssteuerung. Der Schubkrafterzeugungsmechanismus hat
vier Düsen 30 mit
je einem Hals 31, und vier Düsenstecker (nozzle plugs) 32,
die jeweils mit den Düsen 30 kombiniert
sind. Jeder Düsenstecker 32 öffnet und schließt den entsprechenden
Hals 31, um die Gasströmung
durch die entsprechende Düse 30 zu
steuern. Daher benötigt
der Schubkrafterzeugungsmechanismus einen Stellantrieb für jede Düse 30.
Es ist eine außerordentlich
große
Kraft zum Schließen
der Düsen
nötig.
Die Fluglagen- und Ablenkungssteuerung arbeitet im PWM-Steuer-Modus
(Impuls mit Modulation) zur Steuerungsbetätigung mit schneller Reaktion.
Demnach ist die Fluglagen- und Ablenkungssteuerung groß und weist
eine komplizierte Konfiguration auf. Die Schwierigkeit bei dieser
bekannten Fluglagen- und Ablenkungssteuerung liegt bei der kontinuierlichen
oder differentiellen Variation der Schnittfläche des Halses 31 jeder
Düse 30 durch
die Betätigung
des Düsensteckers 32,
so dass die Fluglagen- und Ablenkungssteuerung Schwierigkeiten beim kontinuierlichen
und differentiellen Variieren der Schubkraft des durch jede Düse 30 ausgestoßenen Gases
aufweist.
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Die Schriften
US 2,974,594 und
US 2,613,497 offenbaren ein Düsensystem
mit variabler Schubkraft mit einem Gehäuse, einem Paar Düseneinfassungen
(nozzle skirts) und einem Paar Düsenstecker,
die den jeweiligen Düseneinfassungen
entsprechen. Die Düsenstecker
sind mit gegenüberliegenden
Enden einer Düsenwelle
verbunden, und die Welle wird zum Verschieben im Gehäuse gehalten.
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Zusammenfassung der Erfindung.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden
Erfindung, ein Düsensystem
mit variabler Schubkraft bereitzustellen, das einen Stellantrieb
aufweist, der zwei Düsen
zum abwechselnden Öffnen
und Schließen
steuern kann, der ruckfrei betätigt
werden kann, eine einfache Konfiguration aufweist und kontinuierlich
und differentiell die entsprechenden Schnittflächen der Hälse der beiden Düsen variieren
kann, um die jeweiligen Schubkräfte
der beiden Düsen
kontinuierlich und differentiell zu variieren.
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Mit Hinsicht des obigen Ziels umfasst
ein Düsensystem
gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung: ein Gehäuse, ein
Paar Düseneinfassungen,
die an einer Außenfläche des
Gehäuses angebracht
sind, so dass sie sich entsprechend in entgegen gesetzte Richtungen öffnen; ein
Paar Düsenstecker,
die in dem Paar Düseneinfassungen
angeordnet sind, so dass sie einen Düsenhals zwischen einer Außenfläche von
jedem der Düsenstecker
und einer Innenfläche
von jeder der entsprechenden Düseneinfassungen
definieren, wobei jede Außenfläche der
Düsenstecker
einen nach innen konvergierenden Abschnitt aufweist, um den Düsenhals
zu bilden und einen Gasdruck in dem Gehäuse aufzunehmen; eine Welle,
die zum Gleiten im Gehäuse
gelagert ist und die gegenüberliegende
Enden aufweist, die jeweils mit den Düsensteckern verbunden sind;
und einen Stellantrieb, der mit der Welle verbunden ist, um die Welle
zu gleitenden Bewegungen anzutreiben, um die Querschnittflächen der
Düsenhälse zu variieren.
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Das erfindungsgemäße Düsensystem mit variabler Schubkraft öffnet eine
der beiden Düsen und
schließt
die andere Düse
durch den einzigen Stellantrieb. So arbeitet das Düsensystem mit
variabler Schubkraft ruckfrei, weist eine einfache Konfiguration
und einen leichtgewichtigen Aufbau auf, und kann leicht konstruiert
und an einem Flugobjekt befestigt werden. Die auf das Flugobjekt
ausgeübte Schubkraft
kann kontinuierlich und differentiell durch kontinuierliches und
differentielles Variieren der jeweiligen Querschnittsflächen des
Düsenpaares durch
den einzigen Stellantrieb variiert werden. Wenn höchstens
sechs erfindungsgemäße Düsensysteme
mit variabler Schubkraft symmetrisch an den sechs Seiten einer Plattform
angeordnet werden, kann die Plattform dann für Betätigungen in sechs Bewegungsfreiheitsgraden
gesteuert werden, d. h. Bewegungen bezüglich der sechs Achsen, die
Drehbewegungen um drei Achsen und Translationsbewegungen längs der
drei Achsen einschließen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen deutlicher,
in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Düsensystems
mit variabler Schubkraft in einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist;
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2 eine
Längsschnittansicht
längs der
Linie II-II in 1 ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Düsensystems
mit variabler Schubkraft in einer Modifikation des Düsensystems
mit variabler Schubkraft von 1 ist;
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4 eine
Längsschnittansicht
längs der
Linie IV-IV in 3 ist;
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5 ein
Blockschaltbild zur Unterstützung beim
Erläutern
eines Betriebs zum Steuern des Düsensystems
mit variabler Schubkraft von 1 ist;
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6 eine
Längsschnittansicht
des Düsensystems
mit variabler Schubkraft von 2 in
einem Zustand ist, in dem eine rechte Düse geöffnet und eine linke Düse geschlossen
ist;
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7 eine
Längsschnittansicht
des Düsensystems
mit variabler Schubkraft von 2 in
einem neutralen Zustand ist, in dem die rechte und linke Düse halb
geöffnet
sind;
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8 eine
Längsschnittansicht
des Düsensystems
mit variabler Schubkraft von 2 in
einem Zustand ist, in dem eine rechte Düse geschlossen und eine linke
Düse geöffnet ist;
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9 eine
Querschnittansicht einer Düse mit
einer Form ist, die die einer Ringhalsdüse wiedergibt;
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10 eine
perspektivische Ansicht einer Plattform ist, die in einer symmetrischen
Anordnung mit sechs erfindungsgemäßen Düsensystemen mit variabler Schubkraft
an jeder ihrer sechs Seiten vorgesehen ist;
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11 ein
Blockschaltbild eines Steuersystems zum Steuern der sechs Düsensysteme
mit variabler Schubkraft ist, die in die Plattform von 10 eingebaut sind;
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12 eine
Vorderansicht einer Fluglagensteuerung ist; und
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13 eine
Querschnittansicht längs
der Linie XIII-XIII in 12 ist.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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In den 1 und 2, die ein Düsensystem
mit variabler Schubkraft 22 in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
zeigen, sind ein Paar Düsen 1 bzw. 1' an den gegenüber liegenden
Stirnflächen
eines Gehäuses 2 angebracht.
Wie am deutlichsten in 2 gezeigt
ist, weist die Düse 1 (1') eine Düseneinfassung 3 (3'), die integral
mit dem Gehäuse 2 ausgebildet
ist, und einen Düsenstecker 4 (4') auf, der koaxial
mit den Düseneinfassung 3 (3') gehalten wird.
Ein Düsenhals 5 (5') wird durch
den inneren Umfang der Düseneinfassung 3 (3') und die Außenfläche des
Düsensteckers 4 (4') definiert.
Die Düsenstecker 4 und 4' des Paares
von Düsen 1 und 1' sind mit den
gegenüber
liegenden Enden einer Welle 6 verbunden, die zur axialen
Bewegung im Gehäuse 2 gelagert
ist. Ein Servomotor 8, d. h. ein Stellantrieb, ist mit
der Welle 6 über
einen Verzahnungsmechanismus 7 verbunden. Der Servo motor 8 wird
auf Halterungen 9 gelagert, die außerhalb des Gehäuses 2 ausgebildet
sind. Der Verzahnungsmechanismus 7 zum Verbinden des Servomotors 8 an
der Welle 6 umfasst ein Abtriebsrad 10, das fest
an der Ausgabewelle des Servomotors 8 befestigt ist, eine
Schraubenwelle 13, die mit einer Gewindemutter 12 zum Ausbilden
eines Kugelumlaufspindelmechanismus verbunden und zur axialen Bewegung
auf den Halterungen 9 parallel zur Welle 6 gelagert
ist, ein angetriebenes Rad 11, das fest mit der Gewindemutter 12 verbunden
ist und in das Antriebsrad 10 eingreift, und ein Verbindungsstück 18,
das zum Drehen durch einen Stift 17 auf einer Halterung 16,
die integral mit dem Gehäuse 2 ausgebildet
ist, gelagert ist und dessen gegenüber liegende Enden mit den
entsprechenden Mittelteilen der Schraubenwelle 13 und der
Welle 6 mit Drehgelenken 14 bzw. 15 verbunden
sind. Das Gehäuse 2 ist
an den gegenüber
liegenden Enden seiner vorderen Fläche mit Gaseinlässen 19,
die sich in die Düse 1 bzw. 1' hinein öffnen, und
mit einer Halterung 20 verbunden, die integral mit dem
Gehäuse 2 auf
dessen rückwärtiger Fläche verbunden
sind. Ein Positionssensor 21 ist mit der Schraubenwelle 13 verbunden,
um die entsprechenden Positionen der Düsenstecker 4 und 4' der Düsen 1 und 1' zu messen.
Der Servomotor 8 kann über
einen Winkel von 90° von
einer in 1 gezeigten
Position zu einer in 3 gezeigten
Position gedreht werden, und der Verzahnungsmechanismus 7 zum
Verzahnen vom Servomotor 8 mit der Welle 6 kann
ein Antriebsrad 10, das fest an der Ausgangswelle des Servomotors 8 befestigt
ist, und einen Zahnbogen 18' aufweisen, der
in einem oberen Teil des Verbindungsstücks 18 ausgebildet
ist und in das Antriebsrad 10 eingreift, wie in den 3 und 4 gezeigt. Bei einer in den 3 und 4 gezeigten Anordnung wird der Positionssensor 21 mit
dem Zahnbogen 18' verzahnt.
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In 5 ist
eine Steuerschaltung 23 mit dem Düsensystem mit variabler Schubkraft 22 verbunden und
arbeitet nach Befehlssignalen. Die Steuerschaltung 23 treibt
den Servomotor 8 zum Bewegen der Düsenstecker 4 und 4' an. Die entsprechenden
Positionen der Düsenstecker 4 und 4' werden durch
den Positionssensor 21 durch Messung der axialen Bewegung
der Schraubenwelle 13 gemessen. Der Positionssensor 21 gibt
Signale, die die Positionen der Düsenstecker 4 und 4' anzeigen, an
die Steuerschaltung 23 weiter.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise
des Düsensystems
mit variabler Schubkraft 22 beschrieben. Wenn ein Befehlssignal,
das die Erzeugung einer Schubkraft durch die rechte Düse 1' anfordert,
an die Steuerschaltung 23 gegeben wird, treibt der Servomotor 8 die
Schraubenwelle 13 zur axialen Bewegung, wie in 6 zu sehen, durch das Antriebsrad 10 und
das mit dem Antriebsrad 10 im eingriff befindliche Rad 11 nach
links an. Folglich wird das Verbindungsstück 18 auf dem Stift 17 gegen
den Uhrzeigersinn gedreht, und die Welle 6 mit den Düsensteckern 4 und 4' wird axial
nach rechts bewegt, so dass der linke Düsenstecker 4 in Kontakt
mit dem inneren Umfang der Düseneinfassung 3 gebracht
wird, um die linke Düse 1 zu
schließen,
und der rechte Düsenstecker 4' vom inneren
Umfang der Düseneinfassung 3' getrennt wird,
um die rechte Düse 1' zu öffnen. So wird
das Gas durch die rechte Düse 1' ausgestoßen, um
eine Schubkraft nach links zu erzeugen, wie dies durch den Pfeil
in 6 angedeutet ist.
Der Positionssensor 21 misst die entsprechenden Positionen der
Düsenstecker 4 und 4' und gibt Signale,
die die gemessenen Positionen der Düsenstecker 4 und 4' anzeigen, an
die Steuerschaltung 23 weiter. Die Steuerschaltung 23 stoppt
den Servomotor 8 nach Empfang der die gewünschten
Positionen der Düsenstecker 4 und 4' anzeigenden
Signale vom Positionssensor 21.
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Wenn ein Befehlssignal, das die Erzeugung von
Schubkräften
durch beide Düsen 1 und 1' anfordert,
die in entgegen gesetzte Richtungen wirken, wie es durch die Pfeile
in 7 angedeutet ist,
nachfolgend an die Steuerschaltung 23 weitergegeben wird, wird
der Servomotor 8 umgekehrt, so dass er das angetriebene
Rad 11, das sich mit dem an der Ausgangswelle des Servomotors 8 befestigten
Antriebsrad 10 im Eingriff befindet, in Rückwärtsrichtung dreht.
Anschließend
wird die Schraubenwelle 13 axial um einen festen Abstand
nach rechts bewegt, das Verbindungsstück 18 wird im Uhrzeigersinn
auf dem Stift 17 gedreht, und die mit den Düsensteckern 4 und 4' versehene Welle 6 wird
um einen festen Abstand nach links versetzt. Wenn das Verbindungsstück 18 in
eine vertikale Position gedreht wird, wie in 7 gezeigt, dann werden die Düsenstecker 4 und 4' in ihre neutralen
Positionen bewegt, in denen die Düsenstecker 4 und 4' von den entsprechenden
inneren Umfängen
der Düseneinfassungen 3 bzw. 3' getrennt sind.
Folglich werden die Düsen 1 und 1' gleichermaßen halb
geöffnet,
um das Düsensystem mit
variabler Schubkraft in eine neutrale Position einzustellen, in
der das Gas zu gleichen Teilen durch die Düsen 1 und 1' ausgestoßen wird,
um eine Schubkraft nach links und rechts zu erzeugen, wie dies durch
die Pfeile in 7 angedeutet
wird. Nach Detektion der Ankunft der Düsenstecker 4 und 4' an ihren neutralen
Positionen gibt der Positionssensor hierfür an die Steuerschaltung 23 weiter,
und die Steuerschaltung 23 stoppt den Servomotor 8.
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Wenn ein Steuersignal, das die Erzeugung eines
Schubs durch die linke Düse 1 anfordert,
an die Steuerschaltung 23 ausgegeben wird, treibt der Servomotor 8 die
Schraubenwelle 13 zur axialen Bewegung, wie in 8 zu sehen, durch das Antriebsrad 10 und
das mit dem Antriebsrad 10 im Eingriff befindliche angetriebene
Rad 11 nach rechts an. Folglich wird das Verbindungsstück 18 im
Uhrzeigersinn am Stift 17 gedreht, und die Welle 6 mit
den Düsensteckern 4 und 4' wird axial
nach links bewegt, so dass der rechte Düsenstecker 4' in Kontakt
mit dem inneren Umfang der Düseneinfassung 3' gebracht wird, um
die rechte Düse 1' zu schließen, und
der linke Düsenstecker 4 vom
inneren Umfang der Düseneinfassung 3 getrennt
wird, um die linke Düse 1 zu öffnen. So
wird das Gas durch die linke Düse 1 ausgestoßen, um
eine Schubkraft nach rechts zu erzeugen, wie dies durch den Pfeil
in 8 angedeutet ist.
Der Positionssensor 21 misst die entsprechenden Positionen
der Düsenstecker 4 und 4' und gibt Signale,
die die gemessenen Positionen der Düsenstecker 4 und 4' anzeigen, an
die Steuerschaltung 23 weiter. Die Steuerschaltung 23 stoppt
den Servomotor 8 nach Empfang der die gewünschten
Positionen der Düsenstecker 4 und 4' anzeigenden
Signale vom Positionssensor 21.
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Dieses Düsensystem mit variabler Schubkraft
variiert differentiell die Schubkräfte, die durch die Düsen 1 und 1' mit den Düseneinfassungen 3 und 3' erzeugt werden,
die jeweils ein sich nach außen
erstreckendes verjüngendes
Düsenloch
definieren. Der Servomotor 8 kann kontinuierlich angetrieben
werden, um die durch die Düsen 1 und 1' erzeugten Schubkräfte zu variieren.
Natürlich
kann das Düsensystem
mit variabler Schubkraft 22 Düsen 1 und 1' einsetzen,
die Düseneinfassungen 3 und 3' aufweisen,
die jeweils ein sich nach innen erstreckendes verjüngendes
Düsenloch
definieren, wie es in 9 gezeigt
ist.
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Da die beiden Düsen 1 und 1' des Düsensystems
mit variabler Schubkraft 22, das in den 1 und 2 gezeigt
ist, abwechselnd durch einen einzigen Servomotor 8 geöffnet und
geschlossen werden können,
arbeitet das Düsensystem
mit variabler Schubkraft 22 ruckfrei und weist eine einfache
Konstruktion auf. Da die Querschnittsflächen der Düsenhälse 5 und 5' der beiden
Düsen 1 und 1' kontinuierlich
und differentiell durch einen einzigen Servo motor 8 variiert
werden können,
können
die Strahlen des Gases, das durch die Düsen 1 und 1' ausgestoßen wird,
kontinuierlich und differentiell variiert werden, um die entsprechenden
Schubkräfte
der Düsen 1 und 1' kontinuierlich
und differentiell zu variieren.
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Wenn sechs Düsensysteme mit variabler Schubkraft,
die dem Düsensystemen
mit variabler Schubkraft 22 gleich sind, auf den sechs
Seiten einer Plattform 25, wie in 10 gezeigt, angeordnet werden, kann die
Plattform 25 für
Bewegungen in sechs Bewegungsfreiheitsgraden gesteuert werden, d.
h. Bewegungen bezüglich
der sechs Achsen, die Drehbewegungen in die Richtungen p, q und
r um drei Achsen X, Y und Z und Translationsbewegungen längs der
Achsen X, Y und Z einschließen.
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Wie in 10 gezeigt,
sind Düsensysteme mit
variabler Schubkraft für
die X-Achse NzX1 und NzX2 zum Erzeugen von Schubkräften in
Richtungen parallel zur X-Achse in einem Mittenabstand Lz, Düsensysteme
mit variabler Schubkraft für
die Y-Achse NzY1 und NzY2 zum Erzeugen von Schubkräften in Richtungen
parallel zur Y-Achse in einem Mittenabstand Lx und Düsensysteme
mit variabler Schubkraft für
die Z-Achse NzZ1 und NzZ2 zum Erzeugen von Schubkräften in
Richtungen parallel zur Z-Achse in einem Mittenabstand Ly angeordnet.
Eine Kraft Fx = [NzX1 + NzX2]/2 wirkt längs der X-Achse, eine Kraft Fy
= [NzY1 + NzY2]/2 wirkt längs
der Y-Achse, und eine Kraft Fz = [NzZ1 + NzZ2]/2 wirkt längs der Z-Achse.
Ein Drehmoment Tp = {[NzZ1 + NzZ2]/2} × Ly um die X-Achse wird erzeugt,
ein Drehmoment Tq = {[NzX1 + NzX2]/2} × Lz um die Y-Achse wird erzeugt,
und ein Drehmoment Tr = {[NzY1 + NzY2]/2} × Lx um die Z-Achse wird erzeugt.
Es sollte bemerkt werden, dass die Variablen NzX1, NzX2, NzY1, NzY2,
NzZ1 und NzZ2 in den obigen Gleichungen die Kräfte der entsprechenden Düsen darstellen. 11 ist ein Blockschaltbild
einer Steuerung zum Steuern der Plattform 25 für Bewegungen
um die sechs Achsen. Die Düsensysteme
mit variabler Schubkraft NzX1, NzX2, NzY1, NzY2, NzZ1 und NzZ2 werden durch
Steuersignale gesteuert, die an ihre Steuerschaltungen weitergegeben
werden.