NO149443B - Vinkelhastighets-avfoelingsanordning, saerlig for prosjektiler, raketter o.l - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår styremekanismer og er spesielt rettet mot en vinkelhastighets-avfølingsanordning,

som benyttes til å avføle styrefarten for roterende luftskrog.

Mange prosjektiler er planlagt utformet for en opprinne-lig gitt og opprettholdt rotasjonshastighet om lengdeaksen under flukten. Slike prosjektiler har betydelige og praktiske fordeler fremfor omdreiningsstabiliserte luftskrog. Dette utkast til dreiende luftskrog er blitt benyttet til prosjektiler utsendt både fra luften og fra bakken. Disse prosjektiler kan til å begynne med gis en omdreining av utskytnings-anordningen, og det kan benyttes styreflater for å opprettholde en forutbestemt omdreiningshastighet. Med en omdreiningshastighet på omtrent 5 til 15 omdreininger pr. sek, blir det mulig å benytte et enkelt styreplan for å lede prosjektilet i alle tre jordrelaterte akser.

For en typisk anvendelse av denne art benytter et tidligere kjent kontrollsystem et enkelt kontrollflatepar med variabel innfallsretning for å styre prosjektilet i kontroll-planet i en valgt øyeblikkelig rotasjonsorientering ved på-virkning fra et ledestyresignal. Når således et slikt prosjektil opereres i en horisontal fluktstilling, må et lede-styresignals amplityde varieres med en frekvens som tilsvarer prosjektilets rotasjonshastighet for å få prosjektilet til å stige. Ledestyresignalet vil f.eks. bli hovedsakelig sinusformet i vertikalplanet ,hvilket vil bevirke en oppvipping når styreplanet for prosjektilet nærmer seg jordvertikalen og en nedvipping etter at styreflaten er dreiet og nærmer seg en halv omdreining fra oppvippingen og derved frembringer en oppadrettet endring i angrepsvinkelen. Angrepsvinkelen frembringer en skrogløfting og endrer, prosjektilkursen fra en horisontal til en stigende kurs. En lignende kursendring til høyre vil bli frembrakt av et sinusformet signal som er for-skjøvet 90° fra signalet som må til for å bevirke en vertikal kursendring. Dette tilveiebringer et enkelt styresystem som resulterer i reduserte omkostninger og øket pålitelighet for roterende luftskrog i motsetning til stabiliserte luftskrog.

Foreliggende oppfinnelse ble uttenkt og utviklet for et i den senere tid utviklet autopilotstyresystem for roterende luftskrog. Tidligere har det ikke vært tilgjengelig noen passende styreinnretninger for å benyttes i slike autopilotstyre-systemer for roterende luftskrog.

Det er derfor ønskelig å gjøre slike styrefartavfølende innretninger enkle og effektive for bruk i autopilotsystemer for roterende luftskrog.

Med hensyn til teknikkens stilling på området kan vises til U.S. patent nr. 2 815 584 som angår en gyroskopkonstruk-sjon, men denne innbefatter ingen avfølingsanordning for vin-kelhastigheten .

Hovedformålet for foreliggende oppfinnelse er nettopp å tilveiebringe en styrefartavfølende innretning som innbefatter en vinkelhastighets-avfølingsanordning. Anordningen ifølge oppfinnelsen innbefatter en bæredel bestemt til å monteres på et legeme som roterer om en rotasjonsakse,såsom et prosjektil, en rakett eller lignende, innbefattende magnetiske organer og en spole som frembringer et målesignal tilpasset for å dreies i forhold til hverandre, og oppfinnelsen karakteriseres ved at spolen bæres på bæredelen slik at spolen kan dreies om en dreieakse og rotere sammen med bæredelen omkring prosjektilets rotasjonsakse, at dreieaksen strekker seg i en angitt vinkel i forhold til rotasjonsaksen, at magnetorganene er fastgjort til bæredelen for rotasjon sammen med denne, at målesignalet frembringes ved hjelp av oscillerende bevegelse av spolen omkring dreieaksen i samsvar med en retningsforandring av rotasjonsaksen og simultanrotasjon av legemet, og ved at dempningsorganer er anordnet for dempning av dreiebevegelsen til spolen,

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere under henvisning til vedlagte tegninger, hvor: Fig. 1 er et perspektivriss av et typisk prosjektil hvori inngår den bevegelige spoleavføler. Fig. 2 er et skjematisk riss som viser følerorienteringen på prosjektilet. Fig. 3 er et frontriss av avføleren der en del av dekslet er snittet ut.

Fig. 4 er et sideriss, delvis i snitt av føleren på

fig. 3.

Fig. 5 er et snitt lagt langs linjen 5-5 på fig. 4, og Fig. 6 er et frontriss av en avføler med dekslet utsnit-tet, og viser en alternativ spole- og magnetutforming.

Det skal nå vises til fig. 1 på tegningen hvor det er vist et typisk eksempel på et roterende luftskrog i form av et prosjektil. Luftskroget omfatter et generelt langstrakt sy-lindrisk legeme 10 med et aerodynamisk formet neseparti 12 og et haleparti 14, hvorfra skyvekraften fra en rakettmotor kom-mer ut. Legemet er nær halepartiet 14 utstyrt med en rekke rotasjonsbevirkende finner eller flater 16 for å bevirke og/eller opprettholde en rotasjon av legemet om dets lengdeakse. Innretningen er også utstyrt med et par variabelt inn-fallende styreflater 20. Styreflåtene 20 styrer innstillingen i et plan som passerer gjennom prosjektilets lengdeakse og perpendikulært på rotasjonsaksen for styreflåtene. Dette plan skal betegnes styreplanet. Med referanse til opp og ned på styreplanet menes i forhold til prosjektilet. Styresystemet for luftskroget omfatter en vinkelhastighetsavføler 22 og et akselerometer 24.

De rotasjonsbevirkende flater 16 vil sammen med at prosjektilet gis en begynnelsesrotasjon i.utskytningsinnretningen resultere i en rotasjonshastighet om lengdeaksen på omtrent 10 omdreininger pr. sek. Styrekontrollen for luftskroget ut-føres ved å variere innfallsvinkelen for styreflatene 20 på en syklisk måte som tilsvarer den øyeblikkelige stilling for styreplanet. Når f.eks. prosjektilet inntar en horisontal fluktbane og hvis det ønskes at prosjektilet skal styres til venstre i en krummet bane, gis styreflatene 20 en positiv an-grepsvinkel som får sitt maksimum når den øvre' del av styreplanet er blitt dreiet 180° mot venstre. Ved å ignorere sty-reaksjonsforsinkelsen,når den positive innfallsvinkel et maksimum når styreplanet er i horisontalstilling i forhold til jorden (prosjektilets "oppadrettede" seksjon av styreplanet mot venstre). Under den neste 90° rotasjon reduseres den positive innfallsvinkel for styreflaten til null og under den etterfølgende 90° rotasjon forskyves til en negativ angreps-vinkel som når et maksimum når styreplanet igjen blir horison-talt med prosjektilets "oppadrettede" seksjon vendende mot venstre. Bevegelsen av styreflatene 20 tilsvarer en sinusformet variasjon med en frekvens lik rotasjonshastigheten og med den relative fase bestemt av retningen for den ønskede korrek^ sjon.

•i

Det skal nå vises til fig. 2 på tegningen, hvor det er vist en vinkelhastighetsavføler 22 og et akselerometer 24 montert på et luftskrog. Akselerometeret 24 er montert på luftskroget slik at dets avfølingsakse ligger i styreplanet, men er omvendt i forhold til luftskrogventilen, slik at akselerometeret frembringer et signal som tilsvarer akselerasjonen i styreplanet men på omvendt måte.

Som best vist på fig. 3 til 5, omfatter vinkelhastighets-avføleren 22 som heretter skal beskrives som en styrefartsav-føler, i samsvar med en foretrukken utførelse av oppfinnelsen et hoved- eller bunnelement 2 5 som er fremstilt av ethvert egnet materiale. Hovedelementet omfatter to i avstand fra hverandre anordnede svingetapplagerorganer 26 og 28 som er opplagret i bærelagere i en svingbart montert induksjonsspole som generelt er gitt henvisningstallet 30. Magnetorganet 30 er fortrinnsvis H-formet med et par i hovedsaken rektangulære slisser som opptar svingetapplagerorganene 26 og 28. Magnetorganet 32 er fremstilt av et magnetisk stål som frembringer en liten reluktansbane mellom permanentmagneter 34 og 36. Permanentmagnetene 34 og 36 er festet til magnetorganene slik som vist på fig. 3. Dekslet 87 er fremstilt av et magnetisk materiale som i tillegg til å beskytte avføleren: 1) bidrar til å frembringe høy flukstetthet i luftgapet mellom magnetene og dekslet, og 2) tilveiebringer en magnetisk skjerm for av-føleren. Magnetorganet kan være festet til hovedorganet på enhver egnet måte, f.eks. slik som vist ved hjelp av skruer 38.

Induksjons- eller uttaksspolen består hovedsakelig av et ringformet spolelignende element 40 med en rekke trådviklinger 42. Spolen kan være fremstilt av ethvert egnet materiale, f.eks. aluminium.

Hele styreavfølingsanordningen er utformet for å rotere sammen med luftskroget, slik at aksen for styreanordningen er parallell med luftskrogaksen i den foretrukne utførelse. Den bevegbare svingespole kan derfor betraktes som en rotor.

Denne spolesammenstilling er svingbart montert for svingebe-vegelse om en akse som skjærer styreaksen for det roterende legeme i en vinkel på 90°.

Spolesammenstillingen 30 er montert på svingeorganer på svingetapplagerorganene 26 og 28 ved hjelp av et par diamant-lagere 44 og 46 montert i skrueelementer 48 og 50, som igjen er gjenget inn gjennom svingetapplagerorganene 26 og 28. To justerbare tapper 56 og 58 som har koniske spisser for anlegg i koniske uttagninger i lagrene 44 og 46,. er ved hjelp av eg-nede gjengeelementer eller skruer 60 og 62 montert i spole-elementet 40.

Spolen omgir magneten og en elektrisk strøm induseres ved bevegelse av spolen i forhold til magneten. Strømmen i spolen ledes gjennom ledningene 65 og 66 til klemmer 68 og 70 som er festet til avstandsstykker 72 og 74. Oppviklede fleksible ledninger 76 og 78 er koblet til ledninger 84 og 86 som er ført utenfor huset. Avstandsstykkene 72, 74, 81 og 83 er gjenget og virker som låsemuttere på de respektive skrueelementer. Statisk utballansering av rotoren er utført i tre plan ved å tilføye vekter på sidene av rotoren, og dreiemomen-tet for de fleksible ledninger 76 og 78 utlignes ved en dreie-justering av fjærklemmene 68, 70 og 70, 82. Mekanismen inne-lukkes ved hjelp av dekslet 87 som kan være festet til hovedelementet 25 ved hjelp av gjenger 88.

Den svingbare spolesammenstilling virker som en rotor som roterer med prosjektilets luftskrog. Ved en endring i stillingen for lengde- eller rotasjonsaksen for prosjektilet virker den svingbare spolesammenstilling som en gyro, der spolen går frem eller beveger seg i forhold til magnetene og derved genererer en spenning som er proporsjonal med den hastighet spolen skjærer de magnetiske kraftlinjer i fase med rotasjon av legemet. Spolesammenstillingen vil således oscillere om svingeaksen med en frekvens som er i samsvar med rotasjonen av legemet. Den elektromotoriske utgangskraft fra avføleren er direkte proporsjonal med den inngående styrehastighet til luftskroget. Samvirket mellom det elektrisk ledende materiale (aluminium) i rotoren og magnetfeltet virker som dempning for rotoren eller spolen. Parametrene for anordningen kan justeres i forhold til den følsomhet som ønskes eller er nød-vendig for det spesielle luftskrog eller den spesielle anvendelse .

Det skal nå vises til fig. 6 på tegningen, hvor det er vist en alternativ utførelse av oppfinnelsen og hvor et hoved-element 90 bærer en spole som generelt er gitt henvisningstallet 92. Elektromagneten 94 er festet til hovedelementet 90 på passende måte og omfatter vanligvis en kjerne hvorpå det er lagt viklinger 96 og 98. En elektrisk strøm i viklingene 96 og 98 frembringer et magnetfelt som skjæres av bevegelsen av spolen 92. Spolen 92 har generelt en kvadratisk eller rektangulær form i denne utførelse, og omfatter en trådvikling lagt omkring et rammeelement 100 som er av et egnet materiale, slik som aluminium, og som er opplagret i lågere slik som be-skrevet foran, på et par svingetapplagerorganer 102 og 104 som er festet til og strekker seg oppad fra hovedelementet 90. Spolen 100 er opplagret på tapper 106 som stikker inn i lågere i skrueelementene 108 og 110, montert på svingetapplagerorganene 102 og 104. Bortledningen av strøm fra spolen 100 skjer ved at ledningene 112 og 114 er forbundet med klemmer 116 og 118, som igjen via oppviklede trådledere 120 og 122 er forbundet med klemmer 124 og 126 som er forbundet med utgangslednin-ger, slik som i den foran beskrevne utførelse. Strømmen til elektromagneten kan varieres som en funksjon av akselerasjonen,-hastigheten, stillingen, temperaturen, tiden, høyden,(trykket) etc. for korreksjon eller kompensasjon for feil.

Dempningen kan varieres ved å endre dimensjonene på det ledende materiale i den viklede spole, eller ved å skifte materiale til f.eks. kobber. Dette vil kunne endre kortslut-nings/hvirvelstrømsdempningen som forefinnes i systemet. Da hele anordningen er innesluttet i et deksel eller en kapsel

slik som det er vist i' den foran beskrevne utførelse, kan hele sammenstillingen være fylt med et egnet dempningsfluidum for å

gi en bedre dempning, hvis dette er ønskelig.

Claims (13)

1. Vinkelhastighets-avfølingsanordning med bæredel bestemt til å monteres på et legeme som roterer om en rotasjonsakse, såsom et prosjektil, en rakett eller lignende, innbefattende magnetiske organer og en spole som frembringer et målesignal tilpasset for å dreies i forhold til hverandre,.k arak terisert ved at spolen (30,92) bæres på bæredelen (25,30) slik at spolen kan dreies om en dreieakse og rotere sammen med bæredelen (25,30) omkring prosjektilets (10) rotasjonsakse, at dreieaksen strekker seg i en angitt vinkel i forhold til rotasjonsaksen, at magnetorganene (32,34,36,94, 36,98) er fastgjort til bæredelen (25,30) for rotasjon sammen med denne, at målesignalet frembringes ved hjelp av oscillerende bevegelse av spolen (30,92) omkring dreieaksen i samsvar med en retningsforandring' av rotasjonsaksen og simultanrotasjon av legemet, og ved at dempningsorganer er anordnet for dempning av dreiebevegelsen til spolen (30,92).

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at magnetorganene (32,34,36) består av en permanent magnet.

3. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at magnetorganene (94,96,98) består av en elektromagnet.

4. Anordning som angitt i hvilket som helst av foregående krav 1 til 3,karakterisert ved at spolen (30,92) omslutter magnetorganene (32,34,36,94,36,98).

5. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 4, karakterisert ved at spolen (30,92) er sirkulær.

6. Anordning som angitt i hvilket som helst av foregående krav 1 til 4,karakterisert ved at spolen (30,92) er rektangulær.

7. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 6,karakterisert ved at aksen til bæredelen (25,30) sammenfaller med rotasjonsaksen av det roterende prosjektilet.

8. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 7,karakterisert ved at dreieaksen (av spolen 30) sammenfaller med rotasjonsaksen av legemet (10) vinkelrett med denne.

9. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 8,karakterisert ved at dempnings-organet omfatter et ledende materiale på spole (30,92).

10. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 9, karakterisert ved at spolen (30,92) er statisk balansert omkring dreieaksen og rotasjonsaksen.

11. Anordning som angitt i hvilket som helst av kravene 1 til 10, karakterisert ved fleksible elek-triske ledninger (76,78) for elektrisk strøm fra spolen (30, 92) forbi svinglageret (26,28), et par ikke-ledende avstandsstykker (72,81; 74,83) som ligger an mot motstående sider av hvert svinglager, en ledende fjærklemme (68,80; 82,70) som forbinder hvert avstandsstykke med en av klemmene (68,70) og en utvendig ledning (84,86) som er forbundet med den andre klemmen (.80 , 82 ).

12. Anordning som angitt i krav 11, karakterisert ved at avstandsstykkene (72,81; 74,83) er skive-formede og er anordnet koaksialt med svinglagrene.

13. Anordning som angitt i hvilket som helst av foregående krav 1 til 12, karakterisert ved at den er lukket inne i et hylster (87) som består av et materiale med lav magnetisk motstand.